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1、第19章 厌氧生物法19.5 19.5 厌氧过程影响因素与控制条件厌氧过程影响因素与控制条件 温度和温度的波动温度和温度的波动废水的废水的pHpH值与值与pHpH值缓冲能力值缓冲能力碱度碱度碳酸氢盐缓冲系统碳酸氢盐缓冲系统营养物与微量元素营养物与微量元素19.6 19.6 厌氧法的特点厌氧法的特点19.7 19.7 工程案例工程案例第1页/共170页2第19章 厌氧生物法19.1 19.1 厌厌氧氧工工艺艺的的分分类类与发展与发展19.2 19.2 厌氧生物反应器厌氧生物反应器 厌氧生物滤池厌氧生物滤池厌氧生物转盘厌氧生物转盘升流式厌氧污泥床升流式厌氧污泥床厌氧接触法厌氧接触法厌厌氧氧膨膨胀胀
2、床床和和厌厌氧氧流流化化床床 厌氧挡板式反应器厌氧挡板式反应器两步厌氧法两步厌氧法19.3 19.3 厌氧生物法原理厌氧生物法原理有机物降解过程有机物降解过程 一步或两步厌氧生物处理一步或两步厌氧生物处理的微生物学意义的微生物学意义19.4 19.4 厌氧生化过程动力学厌氧生化过程动力学厌厌氧氧生生物物转转化化的的速速率率与与细细胞胞产率产率厌氧消化厌氧消化CODCOD的去除的去除第2页/共170页19.1 19.1 厌氧工艺的分类与发展厌氧工艺的分类与发展废废水水厌厌氧氧生生物物处处理理技技术术发发展展到到今今天天已已取取得得了了很很大大的的进进展展，已已开开发发出出多多种种厌厌氧氧反反应应
3、器器。为为了了应应用用的的方方便便，可可以以对对不不同同类类型型的的厌厌氧氧反反应应器器进进行行分类。分类。（1 1）按发展年代分类）按发展年代分类l有有人人把把2020世世纪纪5050年年代代以以前前开开发发的的厌厌氧氧消消化化工工艺艺称称为为第第一一代代厌厌氧氧反反应应器器，而而把把2020世世纪纪6060年年代代以以后后开开发发的的厌厌氧氧消消化化工工艺艺称称为为第第二二代代或或现现代代厌厌氧氧反反应应器器。第第一一代代厌厌氧氧反反应应器器结结构构比比较较简简单单，特特点点 是是 污污 泥泥 龄龄（SRTSRT）等等 于于 水水 力力 停停 留留 时时 间间（HRTHRT）。）。第3页/
4、共170页l为为了了使使污污泥泥中中的的有有机机物物达达到到厌厌氧氧消消化化稳稳定定，必必须须维维持持较较长长的的污污泥泥龄龄，即即较较长长的的水水力力停停留留时时间间，所所以以这这类类反反应应器器的的容容积积很很大大，处处理理效效能能较较低低。主主要要代代表表是是用用于于处处理理生生活活废废水水下下沉沉的的污污泥泥的的化化粪粪池池和和隐隐化化池池，以以及及处处理理城城市市污污水水厂厂初初沉沉池池和和二二沉沉池池排排出出的污泥的传统消化池与高速消化池。的污泥的传统消化池与高速消化池。l第第二二代代厌厌氧氧反反应应器器的的特特点点是是污污泥泥龄龄（SRTSRT）与与水水力力停留时间（停留时间（H
5、RTHRT）分离，两者不相等。）分离，两者不相等。l可可以以在在水水力力停停留留时时间间很很短短，即即HRTSRTHRTKsSKs时，上式可简化为：时，上式可简化为：113kd是同期细胞的死亡速率，d1第113页/共170页n废水厌氧处理过程中，废水的特征会极大影废水厌氧处理过程中，废水的特征会极大影响到细胞产率。响到细胞产率。n如果悬浮物在污泥床中积累的量很少，污泥如果悬浮物在污泥床中积累的量很少，污泥产量主要来自废水酸化和甲烷化阶段产生的产量主要来自废水酸化和甲烷化阶段产生的细胞物质，此时废水是否已酸化以及酸化部细胞物质，此时废水是否已酸化以及酸化部分分VFAVFA的组成等对污泥产量影响很
6、大。的组成等对污泥产量影响很大。n一般讲，酸化阶段污泥的产量远大干产乙酸一般讲，酸化阶段污泥的产量远大干产乙酸和产甲烷阶段，因此未酸化废水产生的污泥和产甲烷阶段，因此未酸化废水产生的污泥量会远大于己酸化废水。所以在厌氧处理的量会远大于己酸化废水。所以在厌氧处理的预酸化反应器中会产生相当多的污泥，其产预酸化反应器中会产生相当多的污泥，其产率与酸化程度有关，在起到酸化作用的均衡率与酸化程度有关，在起到酸化作用的均衡池或废水贮槽中，也会有相当的污泥产生。池或废水贮槽中，也会有相当的污泥产生。114第114页/共170页u因在厌氧消化条件下，因在厌氧消化条件下，BODBOD5 5去除也遵循一去除也遵循
7、一级反应动力学规律，故好氧的动力学方程式级反应动力学规律，故好氧的动力学方程式也适用于厌氧反应。由于甲烷发酵阶段是厌也适用于厌氧反应。由于甲烷发酵阶段是厌氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化反氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化反应动力学是以该阶段作为基础建立的。应动力学是以该阶段作为基础建立的。u与好氧反应动力学的推导过程相似，最终也与好氧反应动力学的推导过程相似，最终也可以得到下面所表示的关系式：可以得到下面所表示的关系式：115厌氧消化厌氧消化CODCOD的去除的去除SRT是厌氧污泥的污泥龄，d；其他符号同前。第115页/共170页CODCOD降解效率降解效率E E可按下式计算：可按下式
8、计算：可见厌氧过程的动力学方程式的形式与好可见厌氧过程的动力学方程式的形式与好氧过程基本相同，只是需要注意各系数的氧过程基本相同，只是需要注意各系数的数值不同。数值不同。116S0是进水中的COD浓度，mg/L；Se是出水中的COD浓度，mg/L。第116页/共170页第19章 厌氧生物法19.5 19.5 厌氧过程影响因素与控制条件厌氧过程影响因素与控制条件 温度和温度的波动温度和温度的波动废水的废水的pHpH值与值与pHpH值缓冲能力值缓冲能力碱度碱度碳酸氢盐缓冲系统碳酸氢盐缓冲系统营养物与微量元素营养物与微量元素19.6 19.6 厌氧法的特点厌氧法的特点19.7 19.7 工程案例工程
9、案例 第117页/共170页n废水的厌氧处理受到许多因素影响，这些因素可废水的厌氧处理受到许多因素影响，这些因素可分为设计因素、操作因素与环境因素三大类。分为设计因素、操作因素与环境因素三大类。n设计因素包括采用的反应器类型、操作单元的选设计因素包括采用的反应器类型、操作单元的选择及排列方式、预处理的方式等；择及排列方式、预处理的方式等；n操作因素包括负荷、水力停留时间等；操作因素包括负荷、水力停留时间等；n环境因素包括温度、环境因素包括温度、pHpH值、碱度、营养物质、值、碱度、营养物质、氧化还原电位以及包括毒性、可降解性等在内的氧化还原电位以及包括毒性、可降解性等在内的废水特征等。废水特征
10、等。11819.5 19.5 厌氧过程影响因素与控制条件厌氧过程影响因素与控制条件环境因素影响侧重于从微环境因素影响侧重于从微生物学角度对厌氧过程加生物学角度对厌氧过程加以考虑，从本质上讲它是以考虑，从本质上讲它是根本的因素，是决定设计根本的因素，是决定设计与操作因素的依据。与操作因素的依据。第118页/共170页l各种微生物都在一定的温度范围生长，根据各种微生物都在一定的温度范围生长，根据微生物生长的温度范围，习惯上将微生物分微生物生长的温度范围，习惯上将微生物分为三类：为三类：嗜冷微生物，生长温度嗜冷微生物，生长温度520520；嗜温微生物，生长温度嗜温微生物，生长温度20422042；嗜
11、嗜热微生物，生长温度热微生物，生长温度42754275。l相应地，厌氧废水处理也分为低温、中温和相应地，厌氧废水处理也分为低温、中温和高温三类，其温度范围与上述细菌生长温度高温三类，其温度范围与上述细菌生长温度范围相对应。也就是说，在这三类不同温度范围相对应。也就是说，在这三类不同温度区间运行的厌氧反应器内生长着不同类型的区间运行的厌氧反应器内生长着不同类型的微生物。微生物。119温度和温度的波动温度和温度的波动第119页/共170页l在每一个温度区间，随温度上升，细菌生长在每一个温度区间，随温度上升，细菌生长速率逐渐上升并达到最大值，相应的温度称速率逐渐上升并达到最大值，相应的温度称为细菌的
12、最适生长温度，超过此温度后细菌为细菌的最适生长温度，超过此温度后细菌生长速率迅速下降。在每个区间的上限，细生长速率迅速下降。在每个区间的上限，细菌的死亡速率已开始超过细菌的增殖速率。菌的死亡速率已开始超过细菌的增殖速率。120第120页/共170页121厌氧微生物在适宜温度范围厌氧微生物在适宜温度范围内的生长速率与温度的关系内的生长速率与温度的关系第121页/共170页n温度高出细菌的生长温度上限时，将导致细温度高出细菌的生长温度上限时，将导致细菌死亡，如果温度过高或持续时间足够长，菌死亡，如果温度过高或持续时间足够长，当温度恢复后，细胞当温度恢复后，细胞(或污泥或污泥)的活性也不能的活性也不
13、能恢复。恢复。n而当温度下降并低于温度范围的下限时，从而当温度下降并低于温度范围的下限时，从整体上讲，细菌不会死亡，而只是逐渐停止整体上讲，细菌不会死亡，而只是逐渐停止或减弱其代谢活动，菌种处于休眠状态，其或减弱其代谢活动，菌种处于休眠状态，其生命力可维持相当长时间。生命力可维持相当长时间。n当温度上升至其原来生长温度时，细胞当温度上升至其原来生长温度时，细胞(或污或污泥泥)活性能很快恢复。活性能很快恢复。122第122页/共170页因此温度超过上限会引起严重问题。但温度因此温度超过上限会引起严重问题。但温度下降则一般引起细胞活力下降，如果相应降下降则一般引起细胞活力下降，如果相应降低反应器负
14、荷或停止进水，则不会发生严重低反应器负荷或停止进水，则不会发生严重问题，一旦温度恢复正常，反应器运行即可问题，一旦温度恢复正常，反应器运行即可很快恢复正常。很快恢复正常。在在570570的整个温度范围里，一般讲，温的整个温度范围里，一般讲，温度升高会使厌氧菌代谢速度加快，但在接近度升高会使厌氧菌代谢速度加快，但在接近每一范围上限时代谢速度会下降。所以高温每一范围上限时代谢速度会下降。所以高温厌氧工艺较中温厌氧工艺、中温厌氧工艺较厌氧工艺较中温厌氧工艺、中温厌氧工艺较低温厌氧工艺反应速度要快得多，其相应的低温厌氧工艺反应速度要快得多，其相应的污泥活力和反应器负荷也高得多。污泥活力和反应器负荷也高
15、得多。123第123页/共170页WiegantWiegant和和de Mande Man在在5555用用UASBUASB反应器处反应器处理乙酸废水，其污泥活力高达理乙酸废水，其污泥活力高达4.67.3kgCOD/(kgVSSd)4.67.3kgCOD/(kgVSSd)，相应的反应器，相应的反应器负荷高达负荷高达147kgCOD/(m147kgCOD/(m3 3d)d)。相比之下，相比之下，Hulshoff PolHulshoff Pol等在等在3030用同样废用同样废水在水在UASBUASB反应器中所得到的污泥活力为反应器中所得到的污泥活力为2.22.4kgCOD/(kgVSSd)2.22.
16、4kgCOD/(kgVSSd)。124第124页/共170页125温度温度（）底物种类底物种类污泥活力污泥活力（kgCOD/(kgVSSd)kgCOD/(kgVSSd)工艺工艺5555乙酸乙酸4.64.67.37.3UASBUASB5555乙酸丁酸乙酸丁酸4.24.26.26.2UASBUASB3030乙酸乙酸2.22.22.42.4UASBUASB5555蔗糖蔗糖0.30.31.21.2膨胀床膨胀床3030蔗糖蔗糖0.20.2膨胀床膨胀床5555VFAVFA3.53.5UASBUASB3030VFAVFA3.03.0UASBUASB5555和和3030运行的厌氧反应器内污泥活性比较运行的厌氧
17、反应器内污泥活性比较第125页/共170页大多数厌氧废水处理系统在中温范围运行，大多数厌氧废水处理系统在中温范围运行，人们发现在此范围温度每升高人们发现在此范围温度每升高ll，厌氧反应，厌氧反应速度约增加一倍。速度约增加一倍。目前中温工艺以目前中温工艺以30403040最为常见，其最佳最为常见，其最佳处理温度在处理温度在35383538间。高温工艺多在间。高温工艺多在50555055间运行。间运行。低温厌氧工艺污泥活力明显低于中温和高温，低温厌氧工艺污泥活力明显低于中温和高温，其反应器负荷也相应较低。但对于某些温度其反应器负荷也相应较低。但对于某些温度较低的废水，由于使废水升温可能消耗太多较低
18、的废水，由于使废水升温可能消耗太多的能量，低温工艺也是可供选择的方案。的能量，低温工艺也是可供选择的方案。126第126页/共170页在上述范围里、温度的微小波动在上述范围里、温度的微小波动(例如例如13)13)对厌氧工艺不会有明显影响，但如果温度下降对厌氧工艺不会有明显影响，但如果温度下降幅度过大，则由于污泥活力的降低，反应器的幅度过大，则由于污泥活力的降低，反应器的负荷也应相应降低以防止由于超负荷引起反应负荷也应相应降低以防止由于超负荷引起反应器酸积累等问题。器酸积累等问题。温度既可以影响细胞内部的生化过程，也可以温度既可以影响细胞内部的生化过程，也可以影响细胞外部环境的化学或生物化学过程
19、。可影响细胞外部环境的化学或生物化学过程。可降解的化合物的生物转化直接受温度的影响，降解的化合物的生物转化直接受温度的影响，大多数有机物的生物降解在较高温度下进行时大多数有机物的生物降解在较高温度下进行时需要较少的能量，因此高温下反应更容易进行。需要较少的能量，因此高温下反应更容易进行。127第127页/共170页另一方面，气体溶解度也随温度上升而降低，另一方面，气体溶解度也随温度上升而降低，这意味着高温下反应器和出水中溶解有较少这意味着高温下反应器和出水中溶解有较少的的H H2 2、NHNH3 3和和H H2 2S S以及以及CHCH4 4。这对厌氧过程。这对厌氧过程是有利的，因为这些物质会
20、影响出水质量。是有利的，因为这些物质会影响出水质量。较高温度下水的表面张力减少，化合物在水较高温度下水的表面张力减少，化合物在水中的扩散速率增加。温度也影响化学平衡常中的扩散速率增加。温度也影响化学平衡常数和离解常数。不但盐的溶解度随温度增加，数和离解常数。不但盐的溶解度随温度增加，某些物质如某些物质如VFAVFA、NHNH3 3和和H H2 2S S等未离解分子的等未离解分子的比例与浓度也随温度变化，据认为上述化合比例与浓度也随温度变化，据认为上述化合物的毒性恰恰由其非离解形式的分子引起。物的毒性恰恰由其非离解形式的分子引起。128第128页/共170页菌种的生长温度是菌种本身固有的特性。菌
21、种的生长温度是菌种本身固有的特性。u嗜温菌不能经驯化而在高温范围生长，而嗜嗜温菌不能经驯化而在高温范围生长，而嗜热菌在中温范围通常也不能生长。热菌在中温范围通常也不能生长。u高温菌的生长速率可以等于中温菌的高温菌的生长速率可以等于中温菌的2323倍，倍，下表显示了与甲烷和乙酸生成有关的细菌在下表显示了与甲烷和乙酸生成有关的细菌在30353035和和5555时的生长速率。时的生长速率。129第129页/共170页生物化学反应生物化学反应生长率（生长率（h-1）303555H2/CO2 甲烷甲烷0.190.33乙酸乙酸 甲烷甲烷0.0230.0600.0100.028丙酸丙酸 乙酸乙酸0.0080
22、.030丁酸丁酸 乙酸乙酸0.0130.100与乙酸和甲烷形成有关的细菌与乙酸和甲烷形成有关的细菌在不同温度下的生长率在不同温度下的生长率第130页/共170页(1)pH(1)pH值的重要性值的重要性p厌氧处理中，水解菌与产酸菌对厌氧处理中，水解菌与产酸菌对pHpH有较大范围有较大范围的适应性，大多数这类细菌可以在的适应性，大多数这类细菌可以在pHpH为为5.08.55.08.5范围生长良好，一些产酸菌在范围生长良好，一些产酸菌在pHpH小于小于5.05.0时仍可生长。时仍可生长。p但对但对pHpH敏感的甲烷菌适宜的生长敏感的甲烷菌适宜的生长pHpH为为6.57.86.57.8，这也是通常情况
23、下厌氧处理所应控，这也是通常情况下厌氧处理所应控制的制的pHpH范围。范围。131废水的废水的pHpH值与值与pHpH值缓冲能力值缓冲能力第131页/共170页p厌氧处理的这一厌氧处理的这一pHpH范围是指反应器内反应区的范围是指反应器内反应区的pHpH，而不是进入反应器前废水的，而不是进入反应器前废水的pHpH，因为废水，因为废水进入反应器内，生物化学过程和稀释作用可以迅进入反应器内，生物化学过程和稀释作用可以迅速改变其速改变其pHpH值。值。p对对pHpH值改变最大的影响因素是酸的生成，特别值改变最大的影响因素是酸的生成，特别是乙酸的生成。因此含有大量溶解性碳水化合物是乙酸的生成。因此含有
24、大量溶解性碳水化合物(例如糖，淀粉例如糖，淀粉)等的废水进入反应器后等的废水进入反应器后pHpH将迅将迅速降低，而已酸化的废水进入反应器后速降低，而已酸化的废水进入反应器后pHpH将上将上升。升。p对于含大量蛋白质或氨基酸的废水，出于氨的对于含大量蛋白质或氨基酸的废水，出于氨的生成，生成，pHpH会略有上升。因此对不同特性的废水，会略有上升。因此对不同特性的废水，可选择不同的进水可选择不同的进水pHpH值，这一进水值，这一进水pHpH值可能高值可能高于或低于反应器内所要求的于或低于反应器内所要求的pHpH值。值。132第132页/共170页p微生物对微生物对pHpH值的波动十分敏感，即使在其生
25、值的波动十分敏感，即使在其生长长pHpH范围内，范围内，pHpH值的突然改变也会引起细值的突然改变也会引起细菌活力的明显下降，这表明细菌对菌活力的明显下降，这表明细菌对pHpH改变的改变的适应比对温度改变的适应过程要慢得多。适应比对温度改变的适应过程要慢得多。p超过超过pHpH允许范围的允许范围的pHpH改变会引起更严重的改变会引起更严重的后果，低于后果，低于pHpH下限并持续过久时，会导致甲下限并持续过久时，会导致甲烷菌活力丧失殆尽而产乙酸菌大量繁殖，引烷菌活力丧失殆尽而产乙酸菌大量繁殖，引起反应器系统的起反应器系统的“酸化酸化”。严重酸化发生后，。严重酸化发生后，反应器系统难以恢复至原有状
26、态。反应器系统难以恢复至原有状态。133第133页/共170页pHpH值对产甲烷菌的影响与值对产甲烷菌的影响与VFAVFA的浓度有关，的浓度有关，这是因为乙酸及其它这是因为乙酸及其它VFAVFA在非离解状态下是在非离解状态下是有毒的。有毒的。pHpH值越低，游离酸所占比较越大，值越低，游离酸所占比较越大，因而在同一总因而在同一总VFAVFA浓度下它们的毒性越大。浓度下它们的毒性越大。pHpH值的波动对厌氧污泥的产甲烷活性也会值的波动对厌氧污泥的产甲烷活性也会产生影响，其影响程度取决于：产生影响，其影响程度取决于：波动持续的时间；波动持续的时间；波动的幅度，一般波动的幅度，一般pHpH越低，影响
27、越大；越低，影响越大；VFAVFA的浓度；的浓度；VFAVFA的组成。的组成。134第134页/共170页(2)pH(2)pH的缓冲能力的缓冲能力n未经酸化碳水化合物类污染物在厌氧过程中未经酸化碳水化合物类污染物在厌氧过程中会转化为会转化为VFAVFA，因此废水需要具有一定的，因此废水需要具有一定的pHpH缓冲能力，即当酸或者碱性的中间产物积累缓冲能力，即当酸或者碱性的中间产物积累时防止时防止pHpH剧烈变化的能力。剧烈变化的能力。n实际上，实际上，pHpH值突然增加的风险非常小，因为值突然增加的风险非常小，因为废水厌氧处理一般能产生足够的二氧化碳，废水厌氧处理一般能产生足够的二氧化碳，这些二
28、氧化碳能中和例如这些二氧化碳能中和例如NaNa+这样的强碱离这样的强碱离子。仅在某些特殊情况下子。仅在某些特殊情况下pHpH才会升高到危险才会升高到危险程度。程度。135第135页/共170页例如例如:u用厌氧法处理用厌氧法处理pHpH为中性的甲酸盐废水或甲为中性的甲酸盐废水或甲酸、乙酸混合废水时，酸、乙酸混合废水时，pHpH可能上升过高。从可能上升过高。从这些化合物直接转化为甲烷和二氧化碳的反这些化合物直接转化为甲烷和二氧化碳的反应中不难得出以上结论应中不难得出以上结论:4HCOOH CH4HCOOH CH4 4+3CO+3CO2 2+2H+2H2 2OOCHCH3 3COO-+HCOO-+
29、H2 2O CHO CH4 4+HCO+HCO3 3-136第136页/共170页通常情况下，通常情况下，pHpH的下降应加以警惕。当产酸的下降应加以警惕。当产酸过程比产甲烷占有较大优势时，如果废水没过程比产甲烷占有较大优势时，如果废水没有足够的缓冲能力就会产生严重的问题。所有足够的缓冲能力就会产生严重的问题。所有过剩有过剩VFAVFA应当被中和，同时显而易见地，应当被中和，同时显而易见地，为防止反应器内局部酸的大量积累，良好的为防止反应器内局部酸的大量积累，良好的混合也是需要的。混合也是需要的。将反应器内将反应器内pHpH维持在使甲烷菌保持较好活性维持在使甲烷菌保持较好活性的范围是非常重要的
30、，否则反应器内产酸的的范围是非常重要的，否则反应器内产酸的能力就会超过酸消耗的能力，从而不可避免能力就会超过酸消耗的能力，从而不可避免地引起整个反应系统的地引起整个反应系统的“酸化酸化”。137第137页/共170页酸中和能力酸中和能力(ANC)可被定义为能被强酸滴可被定义为能被强酸滴定到等当点的所有碱的当量的总和。在水溶定到等当点的所有碱的当量的总和。在水溶液酸碱系统中液酸碱系统中ANC可定义为：可定义为：ANC=AANC=A+OH+OH HH+碱度(AIK)也可被定义为比强酸中阴离子数也可被定义为比强酸中阴离子数超出的正电荷部分，即：超出的正电荷部分，即：AIK=AIK=NH NH4 4+
31、Na+Na+K+K+2Ca+2Ca2+2+2Mg+2Mg2+2+RRCOOCOO ClCl 2SO2SO4 42 2 138碱度碱度R-COOR-COO-代表代表VFAVFA第138页/共170页如上所述，虽然如上所述，虽然VFAVFA与像盐酸那样的无机酸相与像盐酸那样的无机酸相比是弱酸，但相对于碳酸它们仍是强酸。比是弱酸，但相对于碳酸它们仍是强酸。在厌氧处理的大多数情况下，在厌氧处理的大多数情况下，VFAVFA是影响碳酸是影响碳酸氢盐碱度的最重要的可变因素。氢盐碱度的最重要的可变因素。这是因为其它的一些因素，例如强碱含量、无这是因为其它的一些因素，例如强碱含量、无机酸和产气中机酸和产气中CO
32、CO2 2的含量通常是相对稳定的，的含量通常是相对稳定的，而而VFAVFA可能会因操作条件的变化而有较大波动，可能会因操作条件的变化而有较大波动，VFAVFA浓度的增加不可避免地引起碳酸氢盐碱度浓度的增加不可避免地引起碳酸氢盐碱度的下降。的下降。139第139页/共170页第19章 厌氧生物法19.5 19.5 厌氧过程影响因素与控制条件厌氧过程影响因素与控制条件 温度和温度的波动温度和温度的波动废水的废水的pHpH值与值与pHpH值缓冲能力值缓冲能力碱度碱度碳酸氢盐缓冲系统碳酸氢盐缓冲系统营养物与微量元素营养物与微量元素19.6 19.6 厌氧法的特点厌氧法的特点19.7 19.7 工程案例
33、工程案例 第140页/共170页u在水和纯二氧化碳的密闭系统中在水和纯二氧化碳的密闭系统中(3030、1.013101.013105 5PaPa)，非离解的溶解碳酸的浓度将，非离解的溶解碳酸的浓度将是是0.0335mol/L0.0335mol/L。这一浓度仅取决于分压而不。这一浓度仅取决于分压而不取决于取决于pHpH。u类似地，在反应器中溶解性类似地，在反应器中溶解性COCO2 2的浓度也主的浓度也主要取决于要取决于COCO2 2的分压，依有机污染物组成和系的分压，依有机污染物组成和系统中强碱的量不同，二氧化碳分压在占气相总统中强碱的量不同，二氧化碳分压在占气相总压力的压力的050%050%。
34、141碳酸氢盐缓冲系统碳酸氢盐缓冲系统第141页/共170页对特定的某种废水，其产气组成在稳定的操对特定的某种废水，其产气组成在稳定的操作条件下是相对固定的，因此厌氧系统中作条件下是相对固定的，因此厌氧系统中pHpH值将主要是碳酸氢盐浓度的函数。值将主要是碳酸氢盐浓度的函数。如前所述，如前所述，pHpH控制对厌氧处理系统是十分重控制对厌氧处理系统是十分重要的，这是因为酸化阶段要的，这是因为酸化阶段VFAVFA形成并可能积形成并可能积累。当充足的碳酸氢盐碱度存在时，将会有累。当充足的碳酸氢盐碱度存在时，将会有以下反应发生（以乙酸代表以下反应发生（以乙酸代表VFAVFA）：）：CHCH3 3COO
35、HCOOHNaNa+HCOHCO3 3-CHCH3 3COOCOO-NaNa+COCO2 2H H2 2OO因此仅当所有碳酸氢盐碱度被形成的因此仅当所有碳酸氢盐碱度被形成的VFAVFA中中和后，和后，pHpH才会剧烈降低。才会剧烈降低。142第142页/共170页p由有机物形成的挥发性脂肪酸对由有机物形成的挥发性脂肪酸对pHpH有非常有非常大的影响。大的影响。p酸化菌对低酸化菌对低pHpH的耐受力远大于产甲烷菌，的耐受力远大于产甲烷菌，它们在它们在pH=5pH=5以下仍可以相当活跃。以下仍可以相当活跃。p这意味着即使产甲烷过程早已被低这意味着即使产甲烷过程早已被低pHpH所抑所抑制时，产酸过程
36、仍然在继续，特别对于缓制时，产酸过程仍然在继续，特别对于缓冲能力很小的厌氧系统，这一点是非常关冲能力很小的厌氧系统，这一点是非常关键的。键的。143第143页/共170页n在这些系统中，超负荷会导致在这些系统中，超负荷会导致pHpH下降并进一下降并进一步引起甲烷菌活力降低，这又会进一步使步引起甲烷菌活力降低，这又会进一步使pHpH继续下降，最终导致反应器操作的失败。继续下降，最终导致反应器操作的失败。n因为因为VFAVFA在大约在大约pH4.8pH4.8时有最大的缓冲能力，时有最大的缓冲能力，系统的系统的pHpH最后即达到大约最后即达到大约4.84.8。对于含碳水化。对于含碳水化合物的废水，酸
37、化对合物的废水，酸化对pHpH的影响必须加以注意。的影响必须加以注意。n对于含蛋白质废水，由于氨的形成使碱度上对于含蛋白质废水，由于氨的形成使碱度上升，能够允许升，能够允许VFAVFA的积累。的积累。144第144页/共170页n既然碳酸氢盐是厌氧反应系统中最关键的缓既然碳酸氢盐是厌氧反应系统中最关键的缓冲物，因此增大系统缓冲能力的化学药品可冲物，因此增大系统缓冲能力的化学药品可以用碳酸氢钠。它是最理想的化学药品，因以用碳酸氢钠。它是最理想的化学药品，因为它可以在不干扰微生物敏感的理化平衡的为它可以在不干扰微生物敏感的理化平衡的情况下平稳将情况下平稳将pHpH调节到理想状态。但是，碳调节到理想
38、状态。但是，碳酸氢钠价格比苛性钠和石灰要高。酸氢钠价格比苛性钠和石灰要高。n在实践中发现，对出水进行循环是改进进水在实践中发现，对出水进行循环是改进进水缓冲能力的一个有效措施。缓冲能力的一个有效措施。145第145页/共170页n厌氧废水处理过程是由细菌完成的，因此细厌氧废水处理过程是由细菌完成的，因此细菌必须维持在良好的生长状态，为此废水中菌必须维持在良好的生长状态，为此废水中必须含有足够的细菌用以合成自身细胞物质必须含有足够的细菌用以合成自身细胞物质的化合物。的化合物。n营养物质的确定，主要依据组成细胞的化学营养物质的确定，主要依据组成细胞的化学成分，因此，分析细菌的化学组成是了解其成分，
39、因此，分析细菌的化学组成是了解其营养的基础。营养的基础。146营养物与微量元素营养物与微量元素第146页/共170页147元素元素含量含量/(g/kg)/(g/kg)元素元素含量含量/(g/kg/(g/kg）氮氮6565镍镍0.100.10磷磷1515钴钴0.0750.075钾钾1010钼钼0.0600.060硫硫1010锌锌0.060.06钙钙4 4锰锰0.0200.020镁镁3 3铜铜0.010.01铁铁1.81.8甲烷菌的化学组成甲烷菌的化学组成第147页/共170页甲烷菌的化学组成显示，其中主要营养物氮、甲烷菌的化学组成显示，其中主要营养物氮、磷、钾和硫等以及其它的生长必须的少量的磷、
40、钾和硫等以及其它的生长必须的少量的或微量的元素。或微量的元素。甲烷菌有相对高的铁、镍和钴含量，这些元甲烷菌有相对高的铁、镍和钴含量，这些元素可能在某些废水中浓度过低，例如玉米、素可能在某些废水中浓度过低，例如玉米、土豆加工、造纸废水等，此时就应当向废水土豆加工、造纸废水等，此时就应当向废水中添加这些元素。中添加这些元素。细菌生长所需的微量元素的种类很多，但所细菌生长所需的微量元素的种类很多，但所需的浓度很低，微量元素的缺乏能够导致细需的浓度很低，微量元素的缺乏能够导致细菌活力下降。在荷兰生产规模的废水厌氧处菌活力下降。在荷兰生产规模的废水厌氧处理系统中，已有多例因严重的微量元素缺乏理系统中，已
41、有多例因严重的微量元素缺乏而导致的负荷持续下降及效率降低的情况发而导致的负荷持续下降及效率降低的情况发生。生。148第148页/共170页p所需要的营养物的浓度可以根据废水的可生所需要的营养物的浓度可以根据废水的可生物降解的物降解的CODCOD浓度浓度(S(SBDBD)和它的酸化程度来估和它的酸化程度来估算。其中酸化程度影响到细胞的产率。估算算。其中酸化程度影响到细胞的产率。估算厌氧过程所需最小营养物浓度可用下式计算。厌氧过程所需最小营养物浓度可用下式计算。p式中，式中，是所需最低的某营养元素的浓度，是所需最低的某营养元素的浓度，mg/Lmg/L；S SBDBD是进水中可生物降解的是进水中可生
42、物降解的CODCOD浓度，浓度，mg/Lmg/L；Y Y是细胞产率，是细胞产率，g VSS/g CODg VSS/g CODBDBD；S Scellcell该元素在细胞中的含量，该元素在细胞中的含量，mg/(gmg/(g干细胞干细胞)。149第149页/共170页p这里的细胞产率这里的细胞产率Y Y，取决于废水是否已经酸化。，取决于废水是否已经酸化。p对于尚未酸化的废水，对于尚未酸化的废水，Y Y值可取值可取0.150.15，对于完，对于完全酸化的废水，全酸化的废水，Y Y值取值取0.030.03。元素在细胞中的。元素在细胞中的含量可参照表含量可参照表19.819.8。p计算结果在实际使用时应
43、扩大至两倍，以使营计算结果在实际使用时应扩大至两倍，以使营养物有足够的剩余。养物有足够的剩余。p例如：对一个完全酸化的、例如：对一个完全酸化的、CODCOD为为4000mg/L4000mg/L的废水，其的废水，其S SBDBD=80%=80%的的CODCOD浓度，则其中氮浓度，则其中氮元素的最低浓度元素的最低浓度NN应为：应为：pN=1.140.80.0365=7.1（mg/L）150结果乘以结果乘以2 2，可知该种废水的，可知该种废水的氮含量应补充到氮含量应补充到14.2mg/L14.2mg/L。第150页/共170页p一般讲，对于基本上未酸化的废水，即当一般讲，对于基本上未酸化的废水，即当
44、Y0.15Y0.15时，时，COD:N:P=350:5:1COD:N:P=350:5:1或或C:N:PC:N:P130:5:1130:5:1。对基本上完全酸化的废水，即当。对基本上完全酸化的废水，即当Y Y0.050.05时，时，COD:N:PCOD:N:P1000:5:11000:5:1或者或者C:N:PC:N:P330:5:1330:5:1。对于部分酸化废水，可依上法进。对于部分酸化废水，可依上法进行推算。行推算。p近年来有研究表明，在磷非常缺乏时，虽然近年来有研究表明，在磷非常缺乏时，虽然细胞增长减少，但产甲烷过程仍进行得非常细胞增长减少，但产甲烷过程仍进行得非常好。这一发现对于以磷控制
45、剩余污泥的量是好。这一发现对于以磷控制剩余污泥的量是非常有吸引力的。对于其它元素的此类观察非常有吸引力的。对于其它元素的此类观察尚未见报道。在反应器的启动中，可以便用尚未见报道。在反应器的启动中，可以便用相对高浓度的氯和磷以刺激细菌的繁殖。相对高浓度的氯和磷以刺激细菌的繁殖。151第151页/共170页第19章 厌氧生物法19.5 19.5 厌氧过程影响因素与控制条件厌氧过程影响因素与控制条件 温度和温度的波动温度和温度的波动废水的废水的pHpH值与值与pHpH值缓冲能力值缓冲能力碱度碱度碳酸氢盐缓冲系统碳酸氢盐缓冲系统营养物与微量元素营养物与微量元素19.6 19.6 厌氧法的特点厌氧法的特
46、点19.7 19.7 工程案例工程案例 第152页/共170页(1)(1)应用范围广应用范围广厌氧处理应用范围广表现在两个方面：厌氧处理应用范围广表现在两个方面：l一是因供氧限制好氧法一般只适用于中、低一是因供氧限制好氧法一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水；水；l二是有些有机物对好氧生物处理来说是难降二是有些有机物对好氧生物处理来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。体有机物
47、、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。15319.6 19.6 厌氧法的特点厌氧法的特点第153页/共170页(2)(2)能耗低能耗低l好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增大而增加，而厌氧法不需着有机物浓度的增大而增加，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。要充氧，而且产生的沼气可作为能源。l废水有机物达一定浓度后，沼气所产生的能废水有机物达一定浓度后，沼气所产生的能量可以抵偿消耗能量。研究表明，当原水量可以抵偿消耗能量。研究表明，当原水BODBOD5 5达到达到1 500 mg/L1 500 mg/L时，采用厌氧处理即时，采用厌氧处理即
48、有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法多。一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的的1/31/101/31/10。154第154页/共170页(3)(3)负荷高、占地少负荷高、占地少l通常好氧法的有机容积负荷为通常好氧法的有机容积负荷为24 kgCOD/24 kgCOD/(m(m3 3 d)d)，而厌氧法为，而厌氧法为210 kgCOD/(m210 kgCOD/(m3 3 d)d)，高的可达高的可达50 kgCOD/(m50 kgCOD/(m3 3 d)d)。l由此可以看出，厌氧反应器的容积负荷要比好由此可以看出，厌氧反应
49、器的容积负荷要比好氧法高得多，因此单位体积反应器去除污染物氧法高得多，因此单位体积反应器去除污染物的量也高，所以反应器的体积可以大大缩小，的量也高，所以反应器的体积可以大大缩小，这一优点对于人口密集、土地价格昂贵的地区这一优点对于人口密集、土地价格昂贵的地区非常重要。非常重要。155第155页/共170页(4)(4)剩余污泥量少且易于处理剩余污泥量少且易于处理l好氧法每去除好氧法每去除1 kgCOD1 kgCOD将产生将产生0.40.6 kg0.40.6 kg生生物量，而厌氧法除去物量，而厌氧法除去1 kg COD1 kg COD只产生只产生0.020.1 kg0.020.1 kg生物量，其剩
50、余污泥量只有好生物量，其剩余污泥量只有好氧法的氧法的10102020。l同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。用。156第156页/共170页(5)(5)营养物质需要量较少营养物质需要量较少l好氧法一般要求好氧法一般要求BOD:N:PBOD:N:P为为100:5:1100:5:1，而厌氧，而厌氧法的法的BOD:N:PBOD:N:P为为200:5:1200:5:1，在处理氮、磷缺乏，在处理氮、磷缺乏的工业