第三节污泥的厌氧消化.doc

8.3 污泥的厌氧消化

厌氧消化法：在无氧的条件下，由兼性菌及专性厌氧细菌降解有机物，最终产物是二氧化碳和甲烷气（biogas），是污泥得到稳定。
8.3.1 厌氧消化的机理 (间歇实验)
二阶段理论：产酸阶段----产甲烷阶段
四阶段理论：水解、酸化、酸退、甲烷化
根据参与甲烷发酵的不同营养类群微生物对基质的代谢厌氧降解过程分为三个阶段：
三阶段理论：Toerien et al (1970）Substrate flow in anaerobic digestion, 5th International Conference on water pollution research, San Francisco,CA. 书上:Bryant 1979
28%
4%

24%
H2
76%
单糖 VFA CO2 H2 4H2+CO2®CH4+2H2O
72%
复杂有机物 较高级的有机酸 CH4 methane
52%
20%
水解与发酵 H Ac 2CH3COOH®2CH4+2CO2
(水解与发酵菌) 乙酸 Acetic acid
细菌 原生动物 生成乙酸与脱氢 生成甲烷
真菌 (产氢产酸菌) (产甲烷菌)
第一阶段 第二阶段 第三阶段
(纤维素分解菌 产氢产乙酸菌 甲烷杆菌 球菌
碳水化合物分解菌 CH3CH2COOH+2H2O---CH3COOH+3H2+CO2
蛋白质分解菌，脂肪分解菌)
产酸菌是兼性厌氧菌和专性厌氧菌，对PH，VFA，温度变化适应性强，增殖速度快；甲烷菌是专性厌氧菌，PH=6.4-7.4，对PH，VFA，温度变化敏感，增殖速度慢。
产甲烷阶段的能量分析: (以乙酸钠为例)
在好氧消化时:
C2H3O2Na+2O2 NaHCO3+H2O+CO2+848.8 KJ /mol
在厌氧消化时:
C2H3O2Na +H2 O NaHCO3+CH4+29.3 KJ /mol
在底物相同的条件下,厌氧消化产生的能量仅是好氧消化的1/20 – 1/30.这些能量大部分都用于维持细菌的生活,而只有很少能量由于细胞合成.(这就是厌氧法产生剩余污泥量少的缘故)
虽然厌氧消化过程是要经历多个阶段,但是在连续操作的厌氧消化反应器中这几个阶段同时存在,并保持某种平衡状态.

8.3.2 厌氧消化动力学 （与好氧相似）
甲烷发酵阶段是厌氧消化速率的控制因素。
动力学方程式：
有机物降解
细菌增殖

有机物浓度与污泥泥龄的关系：

8.3.3 厌氧消化池工作原理与影响因素
　 Gas Gas
进泥 进泥
上清液
出泥 加热
出泥

标准负荷厌氧消化池　高负荷厌氧消化池
　在厌氧消化池中３个阶段同时存在，甲烷发酵阶段的速率最慢，因此甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素，影响厌氧消化池正常工作的主要因素如下：
1、温度
中温（30-350C）与高温 （50-550C）
mesophilic and thermophilic
中温消化：负荷=2.5-3.0 产气量 1-1.3 m3/m3 d,消化时间 20d ,灭菌率低
高温消化:负荷=6-7kg/m3.d ,产气 3-4 ,消化时间 10 d.灭菌率99%
（消化时间：产气量达到总量的９０％所需时间）

2、生物固体停留时间( SRT)与污泥投配率
完全混合消化池的水力停留时间等于污泥龄（无回流，有搅拌，完全混合）
　泥龄的表达式与活性污泥法相同
SRT＝池中总生物量／每日排出的生物量
从动力学知道有机物降解是污泥泥龄的函数，泥龄＝水力停留时间，所以以水力停留时间设计消化池．消化池的水力停留时间以污泥投配率的倒数表示：

式中：V‘=每日投配的新鲜污泥量，m3/d
V=消化池的有效体积，m3
n—污泥投配率， %。 1/n 是水力停留时间 ，d。
n.­ , VFA­, pH ¯,biogas ¯,digestion¯ worse
n. ¯,, VFA¯, pH­,biogas­,digestion­ well
n=5-8% for mosephilic digestion of sludge, HRT= 20-12.5 d
3、搅拌和混合 细菌与底物的混合
泵混合，水射器，消化气搅拌，混合搅拌
4、营养与C/N 比
C/N= 10-20：1 C一为反应过程提供能源，二为合成新细胞（5：1）C5H7NO3
C/N ­，氮不足，消化液缓冲能力低，PH ¯；C/N 太低，N　­；PH ­，铵盐积累，会抑制消化
5、氮的守恒与转化
保持N平衡，有机N¯，NH3­，N2，细胞N
很小量
6、有毒物质
重金属离子对甲烷消化的抑制（表8-15）
阴离子的毒害作用：SO2-4+8H+®S2-+4H2O
SO2-4£ 5000mg/L H2S的腐蚀作用
氨的毒害作用：
NH3+H2O®NH+4+OH- NH4HCO3­，PH­
NH+4（离子态）£ 150mg/L

7、酸碱度、PH和消化液的缓冲作用
速率平衡
水解发酵与产酸阶段：PH=5-6.5
甲烷菌适应的PH=6.6-7.5（甲烷菌对PH非常敏感）
消化液的缓冲方程式:
H++HCO-3=H2CO3
PH=- lgK’+lg(HCO-3)/(H2CO3)
保持足够的碱度(2000mg/l),使其有足够的缓冲能力.

8.3.4 厌氧消化池池形和构造
1、池形：圆柱形 蛋形
P361
2、构造：
·污泥投配、排泥与溢流系统
·沼气排出、收集与储存设备（0.35m3CH4/kgBOD；10-15m3/m3污泥；1-1.3 m3/m3池容）
·搅拌系统：沼气搅拌，泵循环搅拌，水射器搅拌，机械搅拌，联合搅拌
·加温系统：散热量与供热量计算，加热方式，锅炉选择
8.3.5 消化池工作方式
标准负荷消化池 （无搅拌）
高负荷消化池 （完全混合）
两级消化工艺：减少耗热量，减少搅拌能耗，熟污泥含水率低。
一级：二级= 3：1 –2：1—1：1 （一级有搅拌、加热；二级无搅拌，利用余热消化，兼做浓缩池，排除上清液）消化前8-10 天产气量占80%）两级消化不减少池容,两级池子总池容等于一个单级消化池.
污泥----一级消化池 ----二级消化池---后处理
（一级消化池容大于二级消化池容）
两相消化新工艺，phases，酸化（水解与发酵，产氢产乙酸2个阶段）与甲烷化分别在最佳的环境中进行（PH），
水解酸化速率很快，停留时间 1d（投配率100%）；第二相消化池投配率15-17% 停留时间6-6.5 d
CO2，H2 CH4，CO2

Acidification Methanogenesis
（使厌氧生化反应的各阶段处于最优条件下运行，系统处理效率高，总池容小，加温和搅拌能耗少，运行管理方便，消化更彻底）
8.3.6 消化池的运行管理
污泥培养与驯化方式：逐步、一次培养
运行时检测指标：产气率，污泥含水率，VSS，有机物降解程度，VFA，总碱度，NH3
控制参数：搅拌强度，排泥量，沼气气压（1000-2000Pa）。
8.3.7污泥好氧消化
机理：污泥的好氧内源呼吸
C5H7NO2+7O2 ® 5CO2+3H2O+H++NO-3
适用小泥量；
特点：无臭，有机物降解程度高，上清液COD低，运行管理简单，
缺点：能耗大，无沼气利用。

思考题：
1.在一般的消化池中，能不能观察到明显的污泥消化的3个阶段？为什么？
2.试述污泥厌氧消化的3阶段理论。
3.扼要讨论影响厌氧消化的主要因素。
4.比较污泥厌氧消化和好氧消化的优缺点。
5.试述厌氧消化池的搅拌作用和方式。

沼气利用：沼气成分见表8-17，P376
消化池加温，发电，民用

8.6 污泥的干化与脱水
浓缩池-----消化池----排泥（95-97%）
浓缩池直接排泥-----（95-97%）-----干化或机械脱水---最终处置

一、 污泥自然干化
人工 与自然滤层干化场
人工滤层干化场：

干化场脱水特点及影响因素：
靠渗透、蒸发、与人工撇除脱水。
渗透----85%（2-3d）-----蒸发 ---75%（1-数周）
如果有降雨要考虑减去污泥吸收的雨量（盖盖的不计）
影响因素：气候（降雨、湿度、风速、年冰冻期）
污泥性质：消化污泥易脱水；生污泥较难渗水
干化场设计：
计算干化场面积----面积负荷（m3/m2 a）
（m/年）=1-1.5 m/年(生污泥)/ 5 m/年(消化污泥)
污泥塘:半年-1年(0.5-1.0 m)
二、 机械脱水
（一） 机械脱水前的污泥调理（节）
污泥中的固体物质主要是胶体微粒，与水的亲和力很强（负电荷），若不作适当的预处理，脱水将非常困难。在污泥脱水前进行预处理，是污泥粒子改变物化性质，破坏污泥的胶体结构，减少其与水的亲和力，从而改善其脱水性能，这个过程称为污泥的调理或调节或调质。常用调理方法：化学加药、热处理、冷冻、等。最常用是化学加药调理（调节）：
化学加药调理：在污泥中加入混凝剂、助凝剂等，使污泥凝聚，提高脱水性能。（聚丙烯酰胺PAM）1%。投药量与污泥性质有关---污泥比阻。
（表8-20 ）
污泥比阻：比阻的物理意义是单位干重泥饼的阻力，比阻越大，污泥越难过滤，其脱水性能越差。 （适当值：（0.1-0.4）10-9 S2/g
（二） 机械脱水的方法与基本原理
方法：真空吸滤、压滤和离心脱水
原理：靠过滤介质两面的压力差作为推动力，使污泥水分被强制分离。
推动力：1）污泥本身厚度的静压（如干化场）
2）过滤介质一面的负压（真空吸滤法）
3）加压污泥把水分压过介质（压滤）
4）离心力（离心脱水）

过滤基本方程P386

第一项克服滤饼阻力；第二项克服过滤介质的阻力。式中：r—比阻，通过污泥脱水实验确定。做 t/V—V直线。求出比阻r

（三） 机械脱水方法：
真空过滤脱水机 （60-80%）
压滤脱水机：板框压滤机（使污泥在压力下通过滤板滤布）（45-80%）
带式压滤机（把压力施加在滤布上，用滤布的压力和张力使污泥脱水）（78-85%）
离心脱水机（80-85%）
设计中根据产品样本选用设备。
---污泥的干燥与焚烧
干燥：进一步降低污泥含水率20%----干燥器---肥料
焚烧：不能做为农肥时（或含有毒）---焚烧：焚烧炉
---污泥堆肥
污泥堆肥是有机物的好氧发酵的产物。在有氧的条件下，利用嗜温菌、嗜热菌的作用，使污泥中水分及大量有有机物质好氧分解。
污泥 1/2 21天 2天 1/2 30天
混合 通气堆肥 干燥 筛分 熟化 肥料
城市垃圾、木屑 50-70 0C
稻草
---污泥的最终处置（Disposal）
农用、种花、种草；建筑材料（砖、纤维板）
填埋；填海
第九章 城市污水厂设计 (简单介绍)

·城市污水水质特征：（COD，BOD，SS，N，P）
·污水厂设计水量与污水厂处理规模
·工业废水与城市污水处理的矛盾
·分散与集中处理的矛盾
·设计步骤：
可行性研究，初步设计，扩大初步设计，施工图
·污水厂厂址的选择
·污水处理程度与处理工艺流程、处理方法确定
·污水厂平面与高程布置
·污水处理检测、计量和自动控制

第三篇 工业废水处理
第十章 工业废水处理概论
（本章自学）
思考题：
1 工业废水如何分类和命名？
2 工业废水会对环境造成哪些危害？
3 国家污水排放标准中规定什么是“第一类污染物”和“第二类污染物”？
4 工业废水排入城市下水道有那些规定？
5 控制工业废水污染源的基本途径是什么？
6如何选择工业废水处理方法？
工业废水的组成：
生产污水：工艺排水，设备排水，地面排水
厂区生活污水：
洁净废水（间接循环冷却水）
工业废水的特征：
1 水质水量变化大
2 水质复杂，含有毒、有害、有用污染物
工业废水处理方法： 物理法：调节、离心分离、沉淀、过滤、除油 化学法：中和、化学沉淀、氧化还原
物理化学法：混凝、吸附、气浮、离子交换、膜分离
生物处理法：好氧、厌氧
第十四章 工业有机废水的生物处理
生物处理最经济有效的方法 cost-effective
第一节 工业废水的可生化性评价
biodegradable，non-biodegradable，easily （difficult）biodegradable
1、 BOD5/COD　³ 0.45 or BOD5/ThOD³ 0.3
2、 微生物好氧速率（生物呼吸仪）
3、 微生物脱氢酶活性测定
4、 静态或动态降解试验

第二节 工业废水的生物处理工艺流程
易降解、浓度较低、无毒的有机废水---好氧生物处理：活性污泥，生物膜
高浓度、难降解、有毒有害有机废水---厌氧生物处理（难降解向易降解转化）

水质要求高时，或为提高处理效率：厌氧-好氧串联工艺
悬浮、附着厌氧-好氧-物化
例如：盛泽印染污水厂
好氧最广泛的形式：生物接触氧化法（submerged bio-filter）
厌氧处理法由于它具有：节能、剩余污泥量少、远行费用低、管理简单、能够处理高浓度、难降解甚至有毒废水，厌氧技术在近二十年来得到了较快发展，而且在未来几十年中厌氧技术将会得到更大的发展。适应面广。

第二节 新型的高效厌氧生物处理技术
厌氧法与好氧法比较的 优点：
应用范围广，
有机负荷高（5-10COD/m3d—20-30），（好氧2-4）
污泥产量低 （好氧的1/6-1/10）
动力消耗低 （好氧活性污泥法的1/10）
被降解的有机物多
对水温适应范围广（好氧10-30C 厌氧：10-50 C）
缺点：
起动时间长，出水水质不如好氧，管理起来易受环境条件影响，认识不足

厌氧接触法 （类似与活性污泥法）
厌氧生物滤池和厌氧接触氧化法
厌氧生物转盘
厌氧档板式反应器
最热门的厌氧法—升流式厌氧污泥床 （ Upflow　Anaerobic Sludge Bed）UASB
G．Lettinga （1980）荷兰农业大学环境工程系
biogas 特点：污泥床生物量多（20-30g/l）；
effluent 负荷高：10-40 kg/m3d
设备简单，运行方便
blanket 关键技术：颗粒污泥的形成
关键设备：布水技术与三相分离器
污泥床 应用：酒精、味精、油墨、制糖、淀粉
含酚废水等
Influent

厌氧复合床反应器、厌氧流化床、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环厌氧反应器（IC）Inter-ciculation）（Expanded Granular Sludge Bed）

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