廢水的厭氧生物處理法
厭氧生物處理是在無(wú)氧的情況下，利用兼性菌和***的代謝作用，分解有機(jī)物的一種生物處理法。是一種低成本的廢水處理技術(shù)，它能在處理廢水過(guò)程中回收能源。厭氧生化法不僅可用于處理有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水，也用于處理中、低濃度有機(jī)廢水，包括城市污水。
厭氧生化法與好氧生化法相比具有下列優(yōu)點(diǎn)。
(1)應(yīng)用范圍廣好氧法因供氧限制一般只適用于中、低濃度有機(jī)廢水的處理，而厭氧法既適用于高濃度有機(jī)廢水，又適用于中、低濃度有機(jī)廢水。有些有機(jī)物對(duì)好氧生物處理法來(lái)說(shuō)是難降解的，但對(duì)厭氧生物處理是可降解的、如固體有機(jī)物、著色劑蒽釀和某些偶氮染料等。
(2)能耗低好氧法需要消耗大量能量供氧，曝氣費(fèi)用隨著有機(jī)物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要允氧，而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。廢水有機(jī)物達(dá)一定濃度后，沼氣能量可以抵償消耗能量。當(dāng)原水bod5達(dá)到1500mg/l時(shí)，采用厭氧處理即有能量剩余。有機(jī)物濃度愈高，剩余能量愈多?！銋捬醴ǖ膭?dòng)力消耗約為活性污泥法的1/10。
(3)負(fù)荷高通常好氧法的有機(jī)容積負(fù)荷為2~4kgbod/m3.d，而厭氧法為2～10kgcod/m3.d，高的可達(dá)50kgcod／m3.d。
(4)剩余污泥量少，且其濃縮性、脫水性良好好氧法每去除1kgcod將產(chǎn)生0.4~0.6kg生物量，而厭氧法去除1kgcod只產(chǎn)生0.02~0.1kg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％~20％。同時(shí)，消化污泥在衛(wèi)生學(xué)上和化學(xué)上都是穩(wěn)定的。因此，剩余污泥處理和處置簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低，甚至可作為肥料、飼料或餌料利用。
(5)氮、磷營(yíng)養(yǎng)需要量較少好氧法一般要求bod：n：p為100：5：1，而厭氧法的bod：n：p為100：2.5：0.5，對(duì)氮、磷缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營(yíng)養(yǎng)鹽量較少。
(6)厭氧處理過(guò)程有一定的**作用，可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲(chóng)卵、病毒等。
(7)厭氧活性污泥可以長(zhǎng)期貯存，厭氧反應(yīng)器可以季節(jié)性或間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)。與好氧反應(yīng)器相比，在停止運(yùn)行一段時(shí)間后，能較迅速啟動(dòng)。
但是，厭氧生物處理法也存在下列缺點(diǎn)：
(1)厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設(shè)備啟動(dòng)和處理時(shí)間比好氧設(shè)備長(zhǎng)。
(2)處理后的出水水質(zhì)差，往往需進(jìn)一步處理才能達(dá)標(biāo)排放。
1.厭氧消化原理
復(fù)雜有機(jī)物的厭氧消化過(guò)程要經(jīng)歷數(shù)個(gè)階段，由不同的**群接替完成。根據(jù)復(fù)雜有機(jī)物在此過(guò)程中的物態(tài)及物性變化，可分為以下三個(gè)階段。
**階段為水解階段。廢水中的不溶性大分子有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、多糖類(lèi)、脂類(lèi)等)經(jīng)發(fā)酵**水解后，分別轉(zhuǎn)化為氨基酸、葡萄糖和甘油等水溶性的小分子有機(jī)物。水解過(guò)程通常較緩慢，因此被認(rèn)為是含高分子有機(jī)物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。
由于簡(jiǎn)單碳水化合物的分解產(chǎn)酸作用，要比含氮有機(jī)物的分解產(chǎn)氨作用迅速，故蛋白質(zhì)的分解在碳水化合物分解后產(chǎn)生。
含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的nh3除了提供合成細(xì)胞物質(zhì)的氮源外，在水中部分電離，形成nh4hco3，具有緩沖消化液ph值的作用，故有時(shí)也把繼碳水化合物分解后的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)氨過(guò)程稱為酸性減退期，反應(yīng)為：
**階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸**的作用下，**階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和h2，在降解奇數(shù)碳素有機(jī)酸時(shí)還形成co2，如：
第三階段為產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷**將乙酸、乙酸鹽、co2和h2等轉(zhuǎn)化為甲烷。此過(guò)程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲院，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的1／3，后者約占2／3，反應(yīng)為：
上述三個(gè)階段的反應(yīng)速度依廢水性質(zhì)而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類(lèi)等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡(jiǎn)單的糖類(lèi)、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解，對(duì)含這類(lèi)有機(jī)物為主的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。
雖然厭氧消化過(guò)程可分為以上三個(gè)階段，但是在厭氧反應(yīng)器中，三個(gè)階段是同時(shí)進(jìn)行的，并保持某種程度的動(dòng)態(tài)平衡，這種動(dòng)態(tài)平衡一旦被ph值、溫度、有機(jī)負(fù)荷等外加因素所破壞，則首先將使產(chǎn)甲烷階段受到抑制，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致低級(jí)脂肪酸的積存和厭氧進(jìn)程的異常變化，其至?xí)?dǎo)致整個(gè)厭氧消化過(guò)程停滯。
2.影響厭氧處理的因素
（1）溫度溫度是影響微生物生命活動(dòng)*重要的因素之一，其對(duì)厭氧微生物及厭氧消化的影響尤為顯著。各種微生物都在一定的溫度范圍內(nèi)生長(zhǎng)，根據(jù)微生物生長(zhǎng)的溫度范圍，習(xí)慣上將微生物分為三類(lèi)：(a)嗜冷微生物，生長(zhǎng)溫度為5～20℃；(b)嗜溫微生物，生長(zhǎng)溫度20～42℃；(c)嗜熱微生物，生長(zhǎng)溫度42～75℃。相應(yīng)地厭氧廢水處理也分為低溫、中溫和高溫三類(lèi)。這三類(lèi)微生物在相應(yīng)的適應(yīng)溫度范圍內(nèi)還存在*佳溫度范圍，當(dāng)溫度高于或低于*佳溫度范圍時(shí)其厭氧消化速率將明顯降低。在工程運(yùn)用中，中溫工藝中以30～40℃*為常見(jiàn)，其*佳處理溫度在35～40℃；高溫工藝以50～60℃*為常見(jiàn)，*佳溫度為55℃。
在上述范圍里，溫度的微小波動(dòng)(例如1～3℃)對(duì)厭氧工藝不會(huì)有明顯的影響，但如果溫度下降幅度過(guò)大，則由于微生物活力下降，反應(yīng)器的負(fù)荷也將降低。
（2）ph值產(chǎn)甲烷菌對(duì)ph值變化適應(yīng)性很差，其*佳范圍為6.8～7.2，超出該范圍厭氧消化**會(huì)受到抑制。
（3）氧化還原電位優(yōu)良的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正?；顒?dòng)的基本條件，產(chǎn)甲烷菌的*適氧化還原電位為－150～－400mv，培養(yǎng)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于－330mv。
（4）營(yíng)養(yǎng)厭氧微生物對(duì)碳、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，需要補(bǔ)充專(zhuān)門(mén)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有鉀、鈉、鈣等金屬鹽類(lèi)，它們是形成細(xì)胞或非細(xì)胞的金屬絡(luò)合物所需要的物質(zhì)，同時(shí)也應(yīng)加入鎳、鋁、鈷、鉬等微量金屬，以提高若干酶的活性。
（5）有機(jī)負(fù)荷在厭氧法中，有機(jī)負(fù)荷通常指容積有機(jī)負(fù)荷，簡(jiǎn)稱容積負(fù)荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機(jī)物量(kgcod/m3.d)。對(duì)懸浮生長(zhǎng)工藝，也有用污泥負(fù)荷表達(dá)的，即kgcod/(kg污泥.d)；在污泥消化中，有促負(fù)荷習(xí)慣上以投配率或進(jìn)料率表達(dá)，即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分?jǐn)?shù)。由于各種濕污泥的含水率、揮發(fā)組分不盡一致，投配率不能反映實(shí)際的有機(jī)負(fù)荷，為此，又引入反應(yīng)器單位有效容積每天接受的揮發(fā)性固體重量這一參數(shù)，即kgmlvss/(m3.d)。
有機(jī)負(fù)荷是影響厭氧消化效率的一個(gè)重要因素，直接影響產(chǎn)氣量和處理效率。在一定范圍內(nèi)，隨著有機(jī)負(fù)荷的提高，產(chǎn)氣率即單位重量物料的產(chǎn)氣量趨向下降，而消化器的容積產(chǎn)氣量則增多，反之亦然。對(duì)于具體應(yīng)用場(chǎng)合，進(jìn)料的有機(jī)物濃度是一定的，有機(jī)負(fù)荷或投配率的提高意味著停留時(shí)間縮短，則有機(jī)物分解率將下降，勢(shì)必使單位重量物料的產(chǎn)氣量減少。但因反應(yīng)器相對(duì)的處理量增多了，單位容積的產(chǎn)氣量將提高。
有機(jī)負(fù)荷值因工藝類(lèi)型、運(yùn)行條件以及廢水廢物的種類(lèi)及其濃度而異。在通常的情況下，采用常規(guī)厭氧消化工藝，中溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機(jī)負(fù)荷為2～3kgcod/(m3.d)，在高溫下為4~6kgcod/(m3.d)。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機(jī)負(fù)荷在中溫下為5～15kgcod/(m3.d)，可高達(dá)30kgcod/(m3.d)。
（6）有毒物質(zhì)有毒物質(zhì)會(huì)對(duì)厭氧微生物產(chǎn)生不同程度的抑制，使厭氧消化過(guò)程受到影響甚至破壞，常見(jiàn)抑制性物質(zhì)為硫化物、氨氮、重金屬、及某些人工合成的有機(jī)物。
3.厭氧法的工藝和設(shè)備
（1）厭氧接觸法
1)工藝流程
厭氧接觸法是對(duì)普通污泥消化池的改進(jìn)，工藝流程如圖8-37所示，主要特點(diǎn)是在厭氧反應(yīng)器后設(shè)沉淀池，使污泥回流，保證厭氧反應(yīng)器內(nèi)能夠維持較高的污泥濃度，可達(dá)5～10gmlvss/l，大大降低反應(yīng)器的水力停留時(shí)間，并使其具有一定的耐沖擊負(fù)荷能力。該工藝存在的問(wèn)題有：(a)厭氧反應(yīng)器排出的混合液中的污泥由于附著大量的氣泡在沉淀池中易于上浮到水面而被出水帶走；(b)進(jìn)入沉淀池的污泥仍有產(chǎn)甲烷菌在活動(dòng)，并產(chǎn)生沼氣，使已沉下的污泥上翻，影響出水水質(zhì)、降低回流污泥的濃度。對(duì)此采取措施有：(a)在反應(yīng)器和沉淀池之間設(shè)脫氣器，盡可能脫除沼氣；(b)在反應(yīng)器與沉淀池之間設(shè)冷卻器，抑制產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)；(c)在沉淀池投加混凝劑；(d)用超濾代替沉淀池。采取上述措施后，可使該工藝具有如下特點(diǎn)：(a)污泥負(fù)荷高，耐沖擊能力強(qiáng)；(b)有機(jī)容積負(fù)荷較高，中溫消化時(shí)容積負(fù)荷為0.5~2.5kgbod5/(m3.d)，去除率為80%～90%；(c)出水水質(zhì)好。本工藝適合處理懸浮物、有機(jī)物濃度均較高的廢水，廢水cod一般不低于3000mg/l，懸浮物濃度可達(dá)50000mg/l。
2)厭氧接觸法的應(yīng)用
厭氧接觸法主要用于處理高濃度有機(jī)廢水，不同的廢水其工藝參數(shù)也不相同，在具體進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)來(lái)確定。如用厭氧接觸法處理酒精廢水，原廢水cod濃度為50000～54000mg/l，bod5濃度為26000~34000mg/l，反應(yīng)溫度采用53~55℃，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度為20％～30％，cod容積負(fù)荷為9.11~11.7kgcod/(m3.d),水力停留時(shí)間為4~2.5d，cod的去除率為87％；用該工藝處理屠宰廢水，反應(yīng)器容積負(fù)荷取2.56kgbod5/(m3.d)，水力停留時(shí)間12~13h，反應(yīng)溫度為27～31℃，污泥濃度為7000～12000mg/l，沉淀池水力停留時(shí)間1~2h，表面負(fù)荷14.7m3/(m2.h)，回流比3：1，當(dāng)原水bod5濃度為1381mg/l時(shí)，接觸厭氧反應(yīng)池的去除率為90.6%，運(yùn)行結(jié)果表明，當(dāng)bod5容積負(fù)荷從2.56kgbod5/(m3.d)上升到3.2kgbod5/(m3.d)時(shí)，去除率由90.6%下降到83%，產(chǎn)氣量由0.4m3/kgbod5下降到0.29m3/kgbod5。
（2)厭氧生物濾池
厭氧濾池構(gòu)造
厭氧生物濾池是裝有填料的厭氧反應(yīng)器，厭氧微生物以生物膜的形態(tài)生長(zhǎng)在濾料的表面，廢水通過(guò)淹沒(méi)濾料，在生物膜的吸附和微生物的代謝以及濾料的截留三種作用下，廢水中的有機(jī)污染物被去除。厭氧濾池有升流式、降流式和升流混合式三種，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8-38。在升流式厭氧生物濾池中，廢水由反應(yīng)器底部進(jìn)入，向上流動(dòng)通過(guò)濾料層，微生物大部分以生物膜的形式附著在濾料表面，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的間隙中，它的生物總量比降流式厭氧生物濾池高，因此效率高。但普通升流式生物濾池的主要缺點(diǎn)有：(a)底部易于堵塞；(b)污泥沿深度分布不均勻。通過(guò)出水回流的方法可降低進(jìn)水濃度，提高水流上升速度。升流式厭氧濾池平面形狀一般為圓形，直徑為6～26m，高度為3～13m。
降流式厭氧生物濾池其布水裝置在濾料層上部，發(fā)生堵塞可能性比升流式小。
升流混合型厭氧生物濾池在池底的布水系統(tǒng)與濾料層之間留有一定空間以便懸浮狀的顆粒污泥能在其中生長(zhǎng)、累積。它的優(yōu)點(diǎn)有：(a)與升流厭氧生物濾池相比，減小了濾料層厚度，與升流式厭氧污泥床相比省去了三相分離器；(b)可增加反應(yīng)器中總的生物固體量，并減少濾池被堵塞的可能性。
厭氧生物濾池的容積負(fù)荷率可通過(guò)試驗(yàn)確定或參考類(lèi)同的工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，影響容積負(fù)荷率的因素有：廢水水質(zhì)、濾料性質(zhì)、溫度、ph值、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有害物質(zhì)等。根據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)反應(yīng)溫度為30~35℃時(shí)，塊狀濾料負(fù)荷率可采用3～6kgcod/(m3.d)，而塑料濾料為5~8kgcod/(m3.d)。
濾料是厭氧生物濾池的主體部分，應(yīng)具備下列特性：比表面積大、孔隙率高、表面粗糙、化學(xué)及生物學(xué)的穩(wěn)定性較強(qiáng)以及機(jī)械強(qiáng)度高等。常用的濾料有碎石、卵石、焦炭以及各種形式的塑料濾料，其中碎石、卵石濾料的比表面積較小(40～50m2/m3)、孔隙率低(50％～60％)，產(chǎn)生的生物膜較少，生物固體的濃度不高，有機(jī)負(fù)荷較低[3～6kgcod/(m3.d)]，運(yùn)行中易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。塑料濾科的比表面積和孔隙率都大，如波紋板濾料的比表面積為100~200m2/m3，孔隙率達(dá)80％~90％，在中溫條件下，有機(jī)負(fù)荷可達(dá)5~15kgcod/(m3.d)，且不容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。
（3）升流式厭氧污泥床(uasb)
1)升流式厭氧污泥床的構(gòu)造
升流式厭氧污泥床結(jié)構(gòu)如圖8-39所示，集生物反應(yīng)器與沉淀池于一體，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的厭氧反應(yīng)器，反應(yīng)器主要由以下幾部分組成：
①進(jìn)水配水系統(tǒng)該系統(tǒng)的形式有樹(shù)枝管、穿孔管以及多點(diǎn)多管三種形式，其功能是保證配水均勻和水力攪拌。
②反應(yīng)區(qū)包括顆粒污泥區(qū)和懸浮污泥區(qū)，是uasb的主要部位，有機(jī)物主要在這里被分解。
③三相分離器由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成，其功能是將氣體(沼氣)、固體(污泥)和液體(廢水)分開(kāi)，它的分離效果將直接影響反應(yīng)器的處理效果。
④出水系統(tǒng)把沉淀區(qū)處理過(guò)的水均勻地加以收集，排出反應(yīng)器，常用出水堰結(jié)構(gòu)。
⑤氣室也稱集氣罩，作用是收集氣體。
2)uasb的機(jī)理和特點(diǎn)
在uasb反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量的厭氧污泥，具有良好的凝聚和沉淀性能的污泥在反應(yīng)器底部形成顆粒污泥，廢水從反應(yīng)器底部進(jìn)入與顆粒污泥進(jìn)行充分混合接觸后被污泥中的微生物分解。uasb具有如下優(yōu)點(diǎn)：(a)污泥床內(nèi)生物量多，折合濃度計(jì)算可達(dá)20～30g/l；(b)容積負(fù)荷率高，在中溫發(fā)酵條件下，一般可達(dá)10kgcod/(m3.d)，甚至能夠高達(dá)15～40kgcod/(m3.d)，廢水在反應(yīng)器的水力停留時(shí)間短，可大大縮小反應(yīng)器容積；(c)設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要填料和機(jī)械攪拌裝置，便于管理，不會(huì)發(fā)生堵塞問(wèn)題。
3)uasb的運(yùn)用
為了使uasb能高效運(yùn)行，形成顆粒污泥是關(guān)鍵問(wèn)題，因此在系統(tǒng)建成后就應(yīng)培養(yǎng)顆粒污泥，影響顆粒污泥形成的因素主要有：(a)溫度；(b)接種污泥的質(zhì)量與數(shù)量，如有條件采用已培養(yǎng)好的顆粒污泥，可大大縮短培養(yǎng)時(shí)間；(c)堿度，進(jìn)水堿度應(yīng)保持在750~1000mg/l之間；(d)廢水性質(zhì)；(e)水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷，啟動(dòng)時(shí)有機(jī)負(fù)荷不宜過(guò)高，一般以0.1~0.3kgcod/(kgmlvss.d)為宜，隨著顆粒污泥的形成，有機(jī)負(fù)荷可以逐步提高。