污水的厌氧生物处理

第1节 厌氧生物处理的基本理
      传统上，污泥在脱水作最后处置前进行厌氧处理，称污泥消化，“消化”也常作为厌氧处理的简称。早期的厌氧处理研究都针对污泥消化。
  
      污泥的厌氧处理面对的是固态有机物，所以称为消化。对批量污泥静置考察，可以见到污泥的消化过程明显分为两个阶段。固态有机物先是液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；整个过程历时半年以上。第一阶段最显著的特征是液态污泥的pH值迅速下降，不到10d，降到最低值（即使在室温下，露在空气中的食物几天内就变馊发酸），所以，称酸化阶段更为合适。污泥中的固态有机物主要是天然高分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。转化产物中有机酸是主体，在一个月左右，达到最高值。低pH值有抑制细菌生长的作用，NH3的溶解产物NHaOH有中和作用，经过长时间的酸化阶段，pH值回升后，进入气化阶段。气体类似沼泽散发的气体，可称消化气，主体是甲烷，因此气化阶段常称甲烷化阶段，与酸化阶段相应。二氧化碳也相当多，还有微量硫化氢。参与消化的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌，已经证实的已有80多种。
  
      1967年，Bryant报告认为消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶所水解；第二阶段是酸化；在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。然而甲烷化效率很高的甲烷八叠球菌能够代谢甲醇，乙酸和二氧化碳为甲烷。
  
      在工程技术上，研究甲烷细菌的通性是重要的，这将有助于打破厌氧生物处理过程分阶段的现象，从而最大限度地缩短处理过程的历时。经验和研究表明， pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环境因素。pH值应在6.8～7.2之间。在35℃～38℃和52℃～55℃各有一个最适温度。
  
      污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱度中和有机酸，其pH值有可能维持在6.8之上，酸化和甲烷化两大类细菌就有可能共存，从而消除分阶段现象。此外，消化池池液的充分混合对调整pH值也是必要的。
  
      从液温看，消化可在中温（35℃～38℃）进行（称中温消化），也可在高温 （52℃～55℃）进行（称高温消化）。但后者需要的热量比前者要高很多。
  
      近年，打破了好氧处理和厌氧处理绝然分立的传统观念，开发了好氧技术和厌氧技术联合运用的方法，大大推进了生物处理技术的研究和应用。
  
      Bryant在分离培养奥氏杆菌的研究中，发现长期来被称为Methanobacteri- UlTIOmelianskii的奥氏杆菌实际上是由两株生理功能不同的细菌组成，一株为 M.S.，另一株为M.OH.。奥氏杆菌并不象人们以前认为的能简单地直接利用产酸阶段的产物乙醇，而必须先在M.S.的作用下使乙醇氧化为乙酸放出 H2，然后M.OH.利用产生的H2还原CO2产生甲烷。
  
      Bryant的研究明确和突出了产乙酸细菌和产甲烷细菌之间严格的共生关系。如果奥氏杆菌M.OH.受到抑制，则H2就会积累，反过来会使M.S.亦受到抑制。同样，如M.S.受到抑制，则不会产生乙酸和还原CO2所需的H2。 McC_arty的研究表明，复杂有机物的绝大部分（72%的COD）是经过乙酸生成甲烷的。研究这种共生关系对于厌氧工艺的改进有实际意义。因此有人提出，考虑到这种共生关系，反应器中的剪切力要注意控制，不能在系统内进行连续的剧烈搅拌。前联邦德国一个果胶厂废水厌氧处理装置的运行实践也证实，当采用低速循环泵代替高速泵进行搅拌时，处理效果就会提高。
  
      研究还表明，脱硫弧菌（硫酸还原细菌）也具有与产乙酸细菌相类似的作用，能将乳酸、丙酮酸和乙醇转化为H2、CO2和乙酸。但在含硫无机物（SO42-、 SO32-）存在时，它将优先还原硫酸根和亚硫酸根，产生H2S，形成与甲烷细菌对基质的竞争。因此，当厌氧处理系统中硫酸根和亚硫酸根浓度过高时，产甲烷过程就会受到抑制。消化气中CO2成份提高，并含有较多的H2S。H2S对甲烷细菌的毒害作用更进一步影响整个系统的正常工作。
  
      甲烷细菌是专性厌氧的。目前已从纯培养中分离出数十种甲烷细菌。它们在形态上有明显的差别，但在细胞壁的结构方面有许多相似之处。值得提出的是甲烷八叠球菌，它的效率高，能利用甲醇、乙酸和CO2作为基质。
  
      与产酸菌相比，甲烷细菌对温度、pH值、有毒物质等更为敏感。甲烷细菌对温度的变化很敏感，因此要保持温度的恒定。通常采用的厌氧处理的温度一般选择在中温（35℃一38℃）或高温（52℃～55℃）。甲烷细菌要求的pH值严格控制在6.8～7.2。
  
      基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的增长，但与好氧法相比，对废水中N、P的含量要求低。有资料报导，只要达到COD：N：P二800：5：1即足够。
  
      厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间长?这是由有机物厌氧分解的反应所决定的。与好氧法相比，厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低（与好氧法相比，在相同时，要相差一个数量级）。要克服这些缺点，最主要的方法应是增加参加反应的微生物数量（浓度）和提高反应时的温度。但要提高反应温度，就要消耗能量（而水的比热又很大）。因此，厌氧生物处理法目前还主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理。
  
                                 第2节  污水的厌氧生物处理方法
      最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池，近年开发的有厌氧生物滤池、厌氧接触法，上流式厌氧污泥床反应器，分段消化法等。
  
  一、化粪池
  
      化粪池用于处理来自厕所的粪便污水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。尚可用于郊区的别墅式建筑。
  
     化粪池的一种构造方式。污水进入第一室，水中悬浮物或沉于池底、或浮于池面；池水一般分为三层，上层为浮渣层，下层为污泥层，中间为水流。然后，污水进入第二室，阻拦底泥和浮渣流出池子。污水在池内的停留时间一般为12-24h。污泥在池内进行厌氧消化，一般半年左右清除一次。出水不能直接排放水体。常在绿地下设渗水系统，排除化粪池出水。
  
  二、厌氧生物滤池
  
      厌氧生物滤池是密封的水池，池内放置填料，污水从池底进入，从池顶排出。微生物附着生长在滤料上，平均停留时间可长达 100d左右。滤料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，粒径在40m左右，也可使用塑料填料。塑料填料具有较高的空隙率，重量也轻，但价格较贵。
  
      根据对一些有机废水的试验结果，当温度在 25℃一35℃时，在使用拳状滤料时，体积负荷率可达到3～6kgCOD/ m3·d；在使用塑料填料时，体积负荷率可达到3-10kgCOD/ m3·d。
  
      某制药废水小型试验的结果。废水在进入滤池前先用 Na0H调节pH值至6.8，并补充养料N和P。在连续运行的六个月内，没有排放污泥。
  
      厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高；滤池内可以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分离设备，出水SS较低；设备简单、操作方便等。它的主要缺点是；滤料费用较贵；滤料容易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚。堵塞后，没有简单有效的清洗方法。因此，悬浮物高的废水不适用。
  
  三、厌氧接触法
  
      对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法。废水先进人混合接触池（消化池）与回流的厌氧污泥相混合，然后经真空脱气器而流人沉淀池。接触池中的污泥浓度要求很高，在12000～15000mg/L左右，因此污泥回流量很大，一般是废水流量的2～3倍。
  
      厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水（如肉类加工废水等）效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。据报道，肉类加工废水（BOD5约1000～1800mg/L）在中温消化时，经过6-12h（以废水人流量计）消化，BOD5去除率可达90%以上。
  
  四、上流式厌氧污泥床反应器
  
      上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是由荷兰的Lettinga教授等在1972年研制，于1977年开发的。如(图7-4)，废水自下而上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部有一个高浓度（可达60-80g/L）、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化为CH4和C02。由于气态产物（消化气）的搅动和气泡粘附污泥，在污泥层之上形成一个污泥悬浮层。反应器的上部设有三相分离器，完成气、液、固三相上流式厌氧污泥床反应器的分离。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层。出水则从澄清区流出。由于在反应器内保留了大量厌氧污泥，使反应器的负荷能力很大。对一般的高浓度有机废水，当水温在30℃左右时，负荷率可达10～20kg（COD）/ m3·d。
  
      试验结果表明，良好的污泥床，有机负荷率和去除率高，不需要搅拌，能适应负荷冲击和温度与pH的变化。它是一种有发展前途的厌氧处理设备。
  
  五、分段厌氧处理法
  
      根据消化可分阶段进行的事实，研究开发了二段式厌氧处理法，将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内进行，以使两类微生物都能在各自的最适条件下生长繁殖。第一段的功能是：水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态物质。第二段的功能是：保持严格的厌氧条件和pH值，以利于甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气，并截留悬浮固体，以改善出水水质。
  
  二段式厌氧处理法的流程尚无定式，可以采用不同构筑物予以组合。例如对悬浮物高的工业废水，采用厌氧接触法与上流式厌氧污泥床反应器串联的组合已经有成功的经验，其流程如(图7-6)。二段式厌氧处理法具有运行稳定可靠，能承受pH值、毒物等的冲击，有机负荷率高，消化气中甲烷含量高等特点；但这种方法也有设备较多，流程和操作复杂等缺陷。研究表明，二段式并不是对各种废水都能提高负荷率。例如，对于固态有机物低的废水，不论用一段法或二段法，负荷率和效果都差不多。
  
  前联邦德国汉诺威大学给水排水研究所在中试规模上采用二段厌氧处理法处理小麦淀粉废水。他们采用混和接触池（无污泥回流）和厌氧滤池分别作为酸化池，又采用厌氧滤池、厌氧接触法和上流式厌氧污泥床反应器分别作为甲烷化阶段反应器进行了比较试验。酸化阶段的温度为30℃，甲烷化阶段的温度为 35℃～37℃。接种用的污泥是城市污水厂消化污泥。
  
      采用混和接触池或厌氧滤池作为酸化反应器，效果无明显差别，得到最佳酸化产物的条件是：停留时间0.8～1.5d，此时，pH值为3.6～4.0，COD 负荷率为 25～50kgCOD/ m3·d。酸化出水可不经中和直接进入第二段甲烷化。作为甲烷化反应器的厌氧滤池有两个，一个用塑料填料填充75%，填料的比表面积为150m2/m3；另一个仅用塑料填料填充上部25%。经过四个月的运行，厌氧滤池的运行情况比混合接触池和上流式厌氧污泥床反应器好。后两个反应器，由于产气量过高，大量污泥上浮带出，无法继续运行而停止（上流式厌氧污泥床模型的构造设计可能存在问题）。
  
      因此，究竟采用什么样的反应器以及如何组合，要根据具体的水质等情况而定。
  
  
                                          第3节  厌氧生物处理法的设计
        厌氧生物处理系统的设计包括；流程和设备的选择；反应器和构筑物的构造和容积的确定；需热量的计算和搅拌设备的设计等。
  
  一、流程和设备的选择
  
      流程和设备的选择包括：处理工艺和设备的选择；消化温度；采用单级或两级（段）消化等。表15-4列举了几种厌氧处理方法的一般性特点和优缺点，可供工艺选择时参考。
  
  二、厌氧反应器的设计
  
      生化反应动力学和基本方程式，同样适用于厌氧生物处理，但一些动力学常数的数值则有显著的差别。厌氧反应的速率显著地低于好氧反应；另一方面，厌氧反应大体上可分为酸化和甲烷化两个阶段，甲烷化阶段的反应速率明显地低于酸化阶段的反应速率。因此，整个厌氧反应的总速率主要决定于甲烷化阶段的速率。但是在一般的单级完全混和反应器中，各类细菌是混合生长、相互协调的，酸化过程和甲烷化过程同时存在，因此在进行厌氧过程的动力学分析时，也可以将反应器作为一个系统统一进行分析。
  
      反应器的设计可以在模型试验的基础上，按照所得的参数值进行计算，也可能按照类似废水的经验值，选择采用。
  
  
                                     第4节  厌氧和好氧技术的联合运用
         近年，水处理工作者打破传统，联合好氧和厌氧技术以处理废水，取得了很突出的效果。有些废水，含有很多复杂的有机物，对于好氧生物处理而言是属于难生物降解或不能降解的，但这些有机物往往可以通过厌氧菌分解为较小分子的有机物，而那些较小分子的有机物可以通过好氧菌进一步降解。相当成功的例子是印染废水的处理。近年来，由于新型纺织纤维的开发和各种新型染料和助剂的应用，纺织印染厂的工业废水变得很难用传统的好氧生物法处理了。中国纺织设计研究院等研究、开发的厌氧一好氧联用工艺，为难于生物降解的纺织印染废水处理提供了成功的经验。   
  
      采用缺氧与好氧工艺相结合的流程，可以达到生物脱氮的目的（A/O法）。在生产实践中，发现有些采用A/O法的污水厂同时有脱磷效果，于是，各种联合运用厌氧一缺氧一好氧反应器的研究广泛开展，出现了厌氧一缺氧一好氧法（A/A/O法）和缺氧一厌氧一好氧法（倒置A/A/O法），可以在去除BOD、COD 的同时，达到脱氮、除磷的效果。

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真的是技多不压身，以后多多来学习！

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