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關于厭氧生物處理的21個技術問答

发布时间:2019年06月10日 14:14 作者:環保工程師 點擊數:

来源 :环保工程师微信公衆號


1、厭氧反應器內出現泡沫、化學沈澱等現象的原因是什麽?

厭氧反應器中有時會産生大量泡沫,泡沫呈半液半固狀,嚴重時可充滿氣相空間並帶入沼氣管道,導致沼氣系統的運行困難。

産生泡沫的主要原因是厭氧系統運行不穩定,因爲泡沫主要是由于CO2産量太大形成的,當反應器內溫度波動或負荷發生突變等情況發生時,均可導致系統運行的不穩定和CO2的産量增加,進而導致泡沫的産生。如果將運行不穩定因素及時排除,泡沫現象一般也會隨之消失。在厭氧汙泥培養初期,由于CO2産量大而甲烷産量少,也會出現泡沫,隨著甲烷菌的培養成熟,CO2産量減少,泡沫一般也會逐漸消失。進水中含有蛋白質是産生泡沫的一個原因,而微生物本身新陳代謝過程中産生的一些中間産物也會降低水的表面張力而生成氣泡。厭氧生物處理過程中大量産氣會産生類似好氧處理的曝氣作用而形成氣泡問題,負荷突然升高所帶來的産氣量突然增加也可能出現泡沫問題。

碳酸鈣(CaCO3)沈澱:處理廢水鈣含量高或利用石灰補充堿度,都會增加産生碳酸鈣沈澱的可能性。高濃度的碳酸氫鹽和磷酸鹽都有利于鈣的沈澱。

鳥糞石(MgNH4PO4)沈澱:進水中含有較高濃度的溶解性正磷酸鹽、氨氮和鎂離子時,就會生成鳥糞石沈澱。厭氧處理系統鳥糞石沈澱主要在管道彎頭、水泵入口和二沈池進出口等處出現。

2、厭氧生物處理的三個階段是怎樣的?

理論研究認爲三個階段,即厭氧消化過程分爲水解發酵階段、産乙酸産氫階段、産甲烷階段三部分。

水解發酵階段和産乙酸産氫階段又可合稱爲酸性發酵階段。在這個階段,汙水中的複雜有機物,在酸性腐化菌或産酸菌的作用下,分解成簡單的有機物,如有機酸,醇類等,以及CO2、NH3和H2S等無機物。由于有機酸的積累,汙水的pH值下降到6以下。此後,由于有機酸和含氮化合物的分解,産生碳酸鹽和氨等使酸性減退,pH值回升到6.6~6.8左右。

⑴水解酸化階段。汙水中複雜的大分子、不溶性的有機物在細胞外酶的作用下水解爲小分子、溶解性有機物,然後滲入細胞體內,水解産生揮發性有機酸、醇類及醛類等。

⑵産氫産乙酸階段。在産氫産酸菌的作用下,各種有機酸分解轉化爲乙酸、氫和二氧化碳。

⑶産甲烷階段。産甲烷菌將乙酸、氫及二氧化碳轉化爲甲烷。

3、厭氧消化的三個階段和COD轉化率有多少?

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4、水解酸化法的優點是什麽?

⑴池體不需要密閉,也不需要三相分離器,運行管理方便簡單。

⑵大分子有機物經水解酸化後,生成小分子有機物,可生化性較好,即水解酸化可以改變原汙水的可生化性,從而減少反應時間和處理能耗。

⑶水解酸化属于厌氧处理的前期,没有达到厌氧发酵的最终阶段,因而出水中也就没有厌氧发酵所产生的难闻气味,改善了污水處理厂的环境。

⑷水解酸化反應所需時間較短,因此所需構築物體積很小,一般與沈澱池相當,可節約基建投資。

⑸時間酸化對固體有機物的降解效果較好,而且産生的剩余汙泥很少,實現了汙泥、汙水一次處理,具有消化池的部分功能。

5、厭氧生物處理的主要特點有哪些?

⑴能耗較低:因爲厭氧生物處理不需要供氧,能源消耗約爲好氧活性汙泥法的1/10,還能産生具有較高熱值的甲烷氣(CH4)。每去除1gCODcr可以産生0.35標准升甲烷或0.7標准升沼氣。沼氣的熱值爲22.7KJ/L,甲烷的熱值爲39300KJ/m3,一般天然氣的熱值爲34300KJ/m3。

⑵汙泥産量低:因爲厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,好氧生物處理系統每處理1kgCODcr産生的汙泥量爲0.25~0.6kg,而厭氧生物處理系統每處理1kgCODcr産生的汙泥量只有0.02~0.18kg。

⑶可對好氧生物處理系統不能降解的一些大分子有機物進行徹底降解或部分降解。

⑷厭氧微生物對溫度、PH等環境因素的變化更爲敏感,運行管理好厭氧生物處理系統的難度較大。

⑸水溫適應廣:好氧處理水溫在10~35℃之間,當高溫時就需采取降溫措施;而厭氧處理水溫適應廣泛,分低溫厭氧(10~30℃)、中溫厭氧(30~40℃)和高溫厭氧(50~60℃)。

6、厭氧生物處理的影響因素有哪些?

⑴溫度。存在兩個不同的最佳溫度範圍(55℃左右,35℃左右)。通常所稱高溫厭氧消化和低溫厭氧消化即對應這兩個最佳溫度範圍。

⑵pH值。厭氧消化最佳pH值範圍爲6.8~7.2。

⑶有機負荷。由于厭氧生物處理幾乎對汙水中的所有有機物都有降解作用,因此討論厭氧生物處理時,一般都以CODcr來分析研究,而不象好氧生物處理那樣必須以BOD5爲依據。厭氧處理的有機負荷通常以容積負荷和一定的CODcr去除率來表示。

⑷營養物質。厭氧法中碳氮磷的比值控制在CODcr:N:P=(200~300):5:1即可。甲烷菌對硫化氫的最佳需要量爲11.5mg/L。有時需補充某些必需的特殊營養元素,甲烷菌對硫化物和磷有專性需要,而鐵、鎳、鋅、钴、钼等對甲烷菌有激活作用。

⑸氧化還原電位。氧化還原電位可以表示水中的含氧濃度,非甲烷厭氧微生物可以在氧化還原電位小于+100mV的環境下生存,而適合産甲烷菌活動的氧化還原電位要低于-150mV,在培養甲烷菌的初期,氧化還原電位要不高于-330mV。

⑹堿度。廢水的碳酸氫鹽所形成的堿度對pH值的變化有緩沖作用,如果堿度不足,就需要投加碳酸氫鈉和石灰等堿劑來保證反應器內的堿度適中。

⑺有毒物質。

⑻水力停留時間。水力停留時間對于厭氧工藝的影響主要是通過上流速度來表現出來的。一方面,較高的水流速度可以提高汙水系統內進水區的擾動性,從而增加生物汙泥與進水有機物之間的接觸,提高有機物的去除率。另一方面,爲了維持系統中能擁有足夠多的汙泥,上流速度又不能超過一定限值。

7、營養物質對厭氧生物處理的影響體現在哪些方面?

厭氧微生物的生長繁殖需要攝取一定比例的CNP及其他微量元素,但由于厭氧微生物對碳素養分的利用率比好氧微生物低,一般認爲,厭氧法中碳氮磷的比值控制在CODcr:N:P=(200~300):5:1即可。還要根據具體情況,補充某些必需的特殊營養元素,比如硫化物、鐵、鎳、鋅、钴、钼等。

在厭氧處理時提供氮源,除了滿足合成菌體之外,還有利于提高反應器的緩沖能力。如果氮源不足,即碳氮比太高,不僅導致厭氧菌增殖緩慢,而且使消化液的緩沖能力降低,引起pH值下降。相反,如果氮源過剩,碳氮比太低、氮不能被充分利用,將導致系統中氮的積累,引起pH值上升;如果pH值上升到8以上,就會抑制産甲烷菌的生長繁殖,使消化效率降低。一般說來,氮的濃度必須保持在40~70mg/L的範圍內才能維持甲烷菌的活性。

8、pH值對厭氧處理的影響體現在哪些方面?

厭氧微生物對其活動範圍內的pH值有一定的要求,産酸菌對pH值的適應範圍較廣,一般在4.5~8.0之間都能維持較高的活性。而甲烷菌對pH值較爲敏感,適應範圍較窄,在6.6~7.4之間較爲適宜,最佳pH值爲7.0~7.2。因此,在厭氧處理過程中,尤其是産酸和産甲烷在一個構築物內進行時,通常要保持反應器內的pH值在6.5~7.2之間,最好保持在6.8~7.2的範圍內。

厭氧處理要求的最佳pH值指的是反應器內混合液的pH值,而不是進水的pH值,因爲生物化學過程和稀釋作用可以迅速改變進水的pH值。反應器出水的pH值一般等于或接近反應器內部的pH值。

含有大量溶解性碳水化合物的廢水進入厭氧反應器後,會因産生乙酸而引起pH值的迅速降低,而經過酸化的廢水進入反應器後,pH值將會上升。含有大量蛋白質或氨基酸的廢水,由于氨的形成,pH可能會略有上升。因此,對不同特性的廢水,可控制不同的pH值,可能低于或高于反應器所要求的pH值。

9、維持厭氧反應器內有足夠堿度的措施有哪些?

⑴投加堿源:增大系統緩沖能力的堿源可以使用碳酸氫鈉和石灰等。

⑵提高回流比:正常厭氧消化處理設施的出水中含有一定的堿度,將出水回流可以有效補充反應器內的堿度。

10、什麽是VFA和ALK?VFA與ALK的比值有什麽意義?

VFA表示的是厭氧處理系統內的揮發性有機酸的含量,ALK則表示的是厭氧處理系統內的堿度。

厭氧消化系統正常運行時,ALK一般在1000~5000mg/L(以CaCO3計)之間,典型值在2500~3500mg/L之間,VFA一般在50~2500mg/L之間,必須維持堿度和揮發酸濃度之間的平衡,使消化液pH保持在6.5~7.5的範圍內。只要堿度和揮發酸濃度能保持平衡,當堿度超過4000mg/L時,即使VFA超過1200mg/L,系統也能正常運行。而堿度與酸度能保持平衡的主要標志就是VFA與ALK的比值保持在一定的範圍內。

VFA/ALK反應了厭氧處理系統內中間代謝産物的積累程度,正常運行的厭氧處理裝置的VFA/ALK一般在0.3以下,如果VFA/ALK突然升高,往往表明中間代謝産物不能被甲烷菌及時分解利用,即系統已出現異常,需要采取措施進行解決。

如果VFA/ALK剛剛超過0.3,在一定時間內,還不至于導致pH值下降,還有時間分析造成VFA/ALK升高的原因和進行控制。如果VFA/ALK超過0.5,沼氣中的CO2含量開始升高,如果不及時采取措施予以控制,會很快導致pH值下降,使甲烷菌的活動受到抑制。此時應加入部分堿源,增加反應器內的堿度使pH值回升,爲尋找確切的原因並采取控制措施提供時間。如果VFA/ALK超過0.8,厭氧反應器內pH值開始下降,沼氣中甲烷的含量往往只有42%~45%,沼氣已不能燃燒。這時候必須向反應器內大量投入堿源,控制住pH值的下降並使之回升,如果pH值持續下降到5以下,甲烷菌將全部失去活性,需要重新培養厭氧汙泥。

11、爲什麽VFA是反映厭氧生物反應器效果的重要指標?

VFA表示的是厭氧處理系統內的揮發性有機酸的含量,而揮發性有機酸是厭氧生物處理系統的中間産物。

厭氧生物處理系統實現對廢水中或汙泥中有機物的有效處理,最終是通過産甲烷過程來實現的,而産甲烷菌所能利用的有機物就是揮發性有機酸VFA。如果厭氧生物反應器的運轉正常,那麽其中的VFA含量就會維持在一個相當穩定的範圍內。

VFA過低會使甲烷能利用的物料減少,厭氧反應器對有機物的分解程度降低;而VFA過高超過甲烷菌所能利用的數量,又會造成VFA的過度積累,進而使反應器內的pH下降,影響甲烷菌正常功能的發揮。同時甲烷菌因各種原因受到傷害後,也會降低對VFA的利用率,反過來造成VFA的積累,形成惡性循環。

因此,所有的厭氧反應器都應把VFA作爲一個控制指標來分析化驗和及時掌握。

12、什麽是升流式厭氧汙泥反應器UASB?

升流式厭氧汙泥反應器(Upflow Anaerobic Sludge Blan-ket)簡稱爲UASB,其基本特征是在反應器的上部設置氣、固、液三相分離器,下部爲汙泥懸浮區和汙泥床區。

13、什麽是膨脹顆粒汙泥床EGSB?

膨脹顆粒汙泥床的英文是Expanded Granular Sludge bed,簡寫爲EGSB,是在UASB反應器的基礎上發展而來的。EGSB反應器與UASB反應器的結構非常相似,所不同的是EGSB反應器中采用高達2.5~6m3/(m2·h)的水力負荷,這遠大于UASB常用的約0.5~2.5m3/(m2·h)的水力負荷。因此,在EGSB反應器中,顆粒汙泥床處于部分或全部“膨脹化”狀態,即汙泥床的體積由于顆粒之間的平均距離的加大而增加。爲了提高水力負荷(即上流速度),EGSB反應器采用較大的高度與直徑比和較大的回流比。

14、什麽是顆粒汙泥?

顆粒汙泥的形成實際上是微生物固定化的一種形式,其外觀爲具有相對規則的球形或橢圓形黑色顆粒。顆粒汙泥的粒徑一般爲0.1~3mm,個別大的有5mm,密度爲1.04~1.08g/cm3,比水略重,具有良好的沈降性能和降解水中有機物的産甲烷活性。

在光學顯微鏡下觀察,顆粒汙泥呈多孔結構,表面有一層透明膠狀物,其上附著甲烷菌。顆粒汙泥靠近外表面部分的細胞密度較大,內部結構松散、細胞密度較小,粒徑較大的顆粒汙泥往往有一個空腔,這是由于顆粒汙泥內部營養不足使細胞自溶而引起的。大而空的顆粒汙泥容易破碎,其破碎的碎片成爲新生顆粒汙泥的內核,一些大的顆粒汙泥還會因內部産生的氣體不易釋放出去而容易上浮。

15、使升流式厭氧反應器內出現顆粒汙泥的方法有哪幾種?

UASB反應器運行成功的關鍵是具有顆粒汙泥,使UASB反應器內出現顆粒汙泥的方法有以下三種:

⑴直接接種法:從正在運行的其它UASB反應器中取出一定量的顆粒汙泥直接投入新的UASB反應器後,由少到多逐步加大處理的汙水水量,直到設計水量。這種方法反應器投産所需時間最快,但一般只有在啓動小型UASB反應器采用這種方法。

⑵间接接种法:将取自正在运行的厌氧处理装置的厌氧活性污泥,如城市污水處理厂的消化污泥,投入UASB反应器后,创造厌氧微生物最佳的生长条件,有人工配制的、含有适当营养成分的营养水进行培养,形成颗粒污泥后,再由少到多逐步加大被处理的污水水量,直到设计水量。

⑶直接培养法:将取自正在运行的厌氧处理装置的厌氧活性污泥,如城市污水處理厂的消化污泥,投入UASB反应器后,用被处理污水直接培养,形成颗粒污泥后,再逐步加大被处理的污水水量,直到设计水量。这种方法反应器投产所需时间较多,可长达3~4个月,大型UASB反应器常采用这种方法。

16、厭氧汙泥培養成熟後有何特征?

培養結束後,成熟的汙泥呈深灰到黑色,有焦油氣味但無硫化氫氣味,pH值在7.0~7.5之間,汙泥容易脫水和幹化。對進水的處理效果高,産氣量大,沼氣中甲烷成分高。培養成熟的厭氧消化汙泥的基本指標和參數見下表。

成熟厭氧消化汙泥的基本參數

項目

單位

允許範圍

最佳範圍

pH


6.47.8

6.57.5

氧化還原電位ORP

mV

-490-550

-520-530

揮發性有機酸VFA(以乙酸計)

mg/L

502500

50500

堿度ALK(以CaCO3計)

mg/L

10005000

15003000

VFA/ALK


0.10.5

0.10.3

沼氣中CH4體積含量

>55

>60

沼氣中CO2體積含量

<40

<35


17、厭氧生物處理設施運行管理應該注意的問題

(1)當被處理汙水濃度較高(CODCr值大于5000mg/L)時,必須采取回流的運行方式,回流比根據具體情況確定,有效的回流,不僅可以降低進水濃度,還可以增大進水量,保證處理設施內的水流分布均勻,避免出現短流現象。回流還可以防止進水濃度和厭氧反應器內pH值的劇烈波動,使厭氧反應平穩進行,也就是說可以減少厭氧反應對堿度的需求量,降低運行費用。厭氧反應是産能過程,出水溫度高于進水.因此冬季氣溫低時,反應器內的溫度恒定,盡可能使厭氧微生在其最適宜溫度下活動。

(2)一般的工業廢水溫度難以達到35℃,需要加熱(尤其在冬季)。因此,爲節約加溫所需能量,一方面要注意保溫(包括采取加大回流量等措施),盡可能防止反應器熱量散失,另一方而要充分發揮反應器內汙泥濃度較大的特點,盡可能提高反應器內汙泥濃度,減弱溫度對厭氧反應的影響。

(3)沼氣要及時有效地排出。厭氧消化過程必定伴隨著沼氣的産生,沼氣對汙泥可以起到攪拌和作用,促進汙水與汙泥的混合接觸,這是其有利的一面。同時,沼氣的存在也會起到類似浮渣的作用,沼氣向上溢出時將部分汙泥帶到液面,導致浮渣的産生和出水中懸浮物含量增加及水質變差。因此,要設置氣體擋板和集氣罩,將沼氣從厭氧消化裝置內引出,在出水堰附近留有足夠的沈澱區,以保證出水水質。

(4)汙泥負荷要適當。爲保持厭氧消化過程三個階段的平衡,使揮發性脂肪酸等中間産物的生成與消耗平衡,防止酸積累導致pH值下降,進水有機負荷不宜過高,一般不超過0.5kgCODcr/(kgMLSS·d)。可以通過提高反應器內汙泥濃度,在保持相對較低的汙泥負荷條件下,獲得較高的容積負荷。一般來說,厭氧消化裝置的容積負荷都在5kgCODcr/(m3·d)以上,甚至高達50kgCODcr/(m3·d)。

(5)當被處理汙水懸浮物濃度較大(一般指1000mg/L以上)時,就應當對汙水進行沈澱、過濾、或浮選等適當的預處理,以降低進水的懸浮物含量,防止填料層堵塞。一般AF的進水懸浮物不超過200mg/L,但如果懸浮物可以生物降解而且均勻分散在汙水中,則懸浮物對AF幾乎不産生不利影響。

(6)要充分創造厭氧環境。無氧是厭氧微生物正常活動的前提,甲烷菌則必須在絕對的厭氧環境下才能高效率發揮作用。在汙水提升進入厭氧消化裝置、出水回流等環節都要盡可能避免與空氣的接觸,盡可能減少與空氣接觸的機會。如水流過程中盡量不要出現跌水、攪動等現象,調節池、回流池等要加蓋封閉,汙水提升不要使用氣提泵。厭氧反應構築物最好經過氣密試驗,確保嚴密無滲漏。

18、什麽是厭氧反應器酸化?

一般來說,對于以産甲烷爲主要目的的厭氧過程要求pH值在6.5~8.0之間,廢水堿度偏低或運行負荷過高時,會引起反應器內揮發酸積累,導致産甲烷菌活力喪失而産酸菌大量繁殖,持續過久時,會導致産甲烷菌活力喪失殆盡而産乙酸菌大量繁殖,引起反應器系統的“酸化”。嚴重酸化發生後,反應器難以恢複至原有狀態。

厭氧消化作用失去平衡時會顯示出如下“症狀”:①沼氣産量下降;②沼氣中甲烷含量降低;③消化液VFA增高;④有機物去除率下降;⑤消化液pH值下降;⑥碳酸鹽堿度與總堿度之間的差值明顯增加;⑦洗出的顆粒汙泥顔色變淺沒有光澤;⑧反應器出水産生明顯異味;⑨ORP(氧化還原電位)值上升等。

19、厭氧反應器酸化如何處理?

一旦發生厭氧反應器酸化,不論什麽原因,都需要迅速扭轉這種趨勢,應當采取如下兩種應急措施。

1.大幅降低運行負荷

盡量多降低負荷,可以降低至50%,甚至暫停處理廢水。同時,若厭氧反應器設有外循環管路,則通過循環泵打循環,直至VFA恢複正常。

2.采取多種手段,避免出水PH值降低到正常範圍(6.5)以下

若厭氧反應器出水pH值降至6.5以下甚至更低,則須適當提高反應器進水的pH值,以維持反應器內合適的pH環境。(進水pH值提高的幅度視反應器內pH值下降的程度而定,有時可以將進水的pH值調整至8.0以上甚至9.0以上。)

當反應器內的pH值降低到5.0以下,說明反應器酸化已經非常嚴重了。這時,可以用清水置換厭氧反應器內的廢水,將反應器內的VFA濃度迅速降低,同時盡快恢複反應器內正常的pH環境。

通過以上兩個措施,如果反應器酸化的原因僅僅是超負荷,只要沒有嚴重到致使厭氧汙泥大量流失,在24小時至數天內,反應器中的VFA會下降到200mg/l以下,pH值會恢複至正常的水平。即使由于酸化程度過于嚴重或者由于其他原因導致反應器不能完全恢複,也可以使酸化程度得到緩解,爲後續查明原因並采取進一步的應對措施贏得時間。

當反應器的酸化被遏制後,可以進行低負荷運行,然後根據運行情況逐步增加負荷直至反應器的運行負荷和效率恢複到酸化前的正常水平。

20、什麽是厭氧顆粒汙泥鈣化?

在厭氧反應器運行中,如果廢水中鈣離子的濃度較高,在顆粒汙泥表面就會形成灰白色的“鈣層”,長期運行下去會導致顆粒汙泥成空心狀,且用手觸摸顆粒汙泥,有小石子樣的觸感,這就叫做厭氧顆粒汙泥鈣化。顆粒汙泥鈣化會降低汙泥的活性,從而進一步導致厭氧反應器處理效率降低。

21、厭氧反應器鈣化如何處理?

在厌氧反应器中,钙盐沉淀可以引发严重的运行问题,因此必须防止钙盐沉淀发生或者在項目设计阶段就考虑解决的办法。一些反应器,如UASB极有可能在反应器表面和底部沉积令人烦恼的硬垢。因为钙盐沉淀形成后实际上不可能被除掉,所以为了顺利运行,防止钙盐积累是解决问题的唯一途径。

例如牛奶廢水中,鈣離子可以隨廢水進入厭氧反應器,或者通過補充堿度進入(例如用石灰)。高濃度的碳酸氫鹽和磷都有利于鈣的沈澱,如果在設計中未考慮定期清除硬垢的話,鈣沈澱積累得太多,會導致厭氧反應器的工作容積大爲減少,從而對工藝運行造成不利的影響。

如果廢水中含鈣離子,則需要增加預處理單元,或在設計中就考慮到清除鈣沈澱的措施。在預處理段可考慮使用溶解性更好的堿性物質,如碳酸鈉去除鈣離子,而避免使用石灰,因爲高的堿度值有利于鈣離子的沈澱,石灰投加後,在廢水中所增加的有效堿度不及投加碳酸鈉明顯,所以避免使用石灰。

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