厌氧反应部分
厌氧消化反应的机理
厌氧消化法是在无氧的条件下,借兼性菌及专性厌氧细菌降解有机污染物,分解的产物是以甲烷为主的消化气(沼气、生物气) 。 有机物厌氧分解的全过程细分又可分为三个阶段,第一阶段为水解发酵阶段(即酸性消化) ,此阶段利用的是兼性水解发酵细菌(即产酸菌) ,将复杂有机物---碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO 2、H 2、NH 3和H 2S 等;第二阶段为产氢产乙酸阶段,此阶
段利用的是专性厌氧的产氢产乙酸细菌,将第一阶段细菌的代谢产物---丙酸及其它脂肪酸、醇类和某些芳香酸转化为乙酸、CO 2和H 2;第
三阶段为产甲烷阶段,此阶段利用产甲烷菌将第一、第二阶段产生的乙酸、CO 2和H 2为主要基质(还有甲酸、甲醇及甲胺) 最终转化为甲烷
和CO 2,产甲烷菌包括两种特异性很强的细菌:一种主要利用H 2把CO 2还原为CH 4;另一种产甲烷菌主要以乙酸为基质(也可利用甲醇和甲
胺),把它分解为CH 4和CO 2。在这一阶段中,据研究还有一种同型产
乙酸菌可把CO 2和H 2合成为乙酸。
有机物在厌氧条件下消化降解的过程可简单分为两个阶段,即酸性消化(酸性发酵) 阶段和碱性消化(碱性发酵或甲烷消化)
阶段。两阶段的示意图:
酸性消化阶段:参与的微生物为酸性腐化菌或产酸细菌。在这一阶段中,含碳有机物被水解成单糖,蛋白质被水解成肽和氨基酸,脂肪被水解成甘油脂肪酸。水解的最终产物是包括丁酸、丙酸、乙酸和甲酸在内的有机酸以及醇、氨、CO 2、硫化物、氢以及能量,为下一
阶段的甲烷消化作准备。酸性腐化细菌对pH 值、有机酸及温度的适应性很强,世代短,数分钟到数小时即可繁殖一代,多属于异养型兼
性细菌群。
在酸性消化阶段,由于有机酸的形成与积累,pH 值可下降至6,甚至可达5以下。此后,由于有机酸和溶解性含氮化合物的分解,产生碳酸盐、氨、氮及少量的二氧化碳等,从而使酸性减退,pH 值可回升到6.6-6.8左右。
经酸性消化后的污泥外观呈黄色或灰黄色,比较粘稠不易脱水,仍易于腐化发臭。
碱性消化阶段:参与的微生物是甲烷细菌。甲烷细菌对营养的要求不高,一般的营养盐类、二氧化碳、醇和氨都可作为碳、氮源,属于专性厌氧细菌群。 碱性消化阶段就是消化气的形成过程。酸性消化阶段的代谢产物,在甲烷细菌的作用下,进一步分解成消化气,其主要成分是甲烷、二氧化碳。
已发现的甲烷细菌属有甲烷球菌属(Metharnococcus),八叠甲烷球菌属(Me- thanosarcirla),甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷杆菌属(Methano-
bacillus) 等。
甲烷细菌属的特点是:
(1)对pH 值的适应性较弱,适宜的范围是6.6-7.8,最佳pH 值为6.8-7.2;
(2)对温度的适应性也较弱,根据对温度的适应范围甲烷细菌可分为中温(30-35℃) 及高温(50-60℃) 两类。当甲烷细菌在一定的温度内被驯化后,温度增减2℃就可能破坏甲烷消化作用,特别是高温甲烷细菌,温度增减1℃,就有可能使消化过程遭到破坏。因此甲烷消化要求保持温度恒定;
(3)甲烷细菌的世代都较长,一般约4-6天繁殖一代;
(4)甲烷细菌的专一性很强,每种甲烷细菌只能代谢特定的底物,如甲酸甲烷杆菌(Methanobacterium formicium) 仅能利用H 2,CO 2和甲酸CHOOH ,低氧甲烷杆菌(Methanobacterium suboxydans)只能把戊酸分解成乙酸与丙酸。因此,在厌氧消化条件下,有机物分解往往是不完全的;
(5)所有的甲烷细菌都能氧化分子状态的氢,并利用CO 2作为电子
接受体:
4H2+CO2-→CH 4+2H2O
由于甲烷细菌具有上述特点,而且又是专性厌氧细菌,因此甲烷消化阶段控制着厌氧消化的整个过程。 1kgCOD 产生0.35Nm 3CH 4 (相当于0.25kgCH 4)
厌氧生物控制指标:
厌氧处理装置在实际运行中,主要控制进水水质、负荷、温度、PH 值、挥发酸、氮磷营养、沼气组分、有毒物质等。
1. 温度的控制:分常温(10-34℃) 、中温(35-40℃) 、高温(50-55℃)
三种类型,厌氧消化常采用中温消化。
2.PH 值、碱度、挥发酸的影响:消化液中的PH 值一般应维持在
6.5-7.8之间,最佳范围在6.8-7.2左右;碱度(ALK)最佳值在
2000-4000mg/L之间,正常值为1000-5000mg/L;酸度(VFA)最佳值在50-500mg/L之间,正常50-2500mg/L。
在反应器正常运行时,进水PH 值一般在6.0以上。处理因含有机酸而使PH 值偏低的废水时,正常运行时PH 值可略低,如4-5左右;若处理含无机酸而使PH 值低的废水,应将PH 值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。
消化液的缓冲作用:由于酸性腐化细菌与甲烷细菌对温度、PH 值的适应性不同,世代长短相差悬殊。当酸性消化速度超过碱性消化速度时,有机酸就会积累,使PH 值降低,不利于碱性消化,甚至破坏碱性消化。但由于消化池中存在的消化液(污泥水) 具有缓冲作用,以维持消化正常进行。所谓的缓冲能力即由于有机物消化降解过程中产生的重碳盐(HCO3-) 与碳酸(CO2) 形成的:
H ++HCO3-H 2CO 3
K ‘=[H+][HCO3-]/[H2CO 3]
取对数 PH=-lgK’+lg[HCO3-]/[H2CO 3]
式中K ‘---电离常数
可见,当有机酸增加时,反应向右进行。若所增加的有机酸数量较重碳酸盐与碳酸的数量少,则[HCO3-]/[H2CO 3]变化不大。从而可保
持甲烷菌的消化条件。因此消化池的碱度要保持在合理的范围内(厌氧反应器的碱度一般在2000-4000mg/L;正常为1000-5000mg/L),使缓冲能力充分,有效地防止PH 值下降。同时,为了使碱性消化能顺利地进行,消化系统中的有机酸含量应维持在合理范围内(一般在
50-500mg/L;正常50-2500mg/L)。
3. 氮磷比:C :N :P=(200-300):5:1
厌氧设备的运转
厌氧设备的启动
厌氧反应器在试车之前,应检查施工、安装质量,确保池体不漏水、不漏气,一切附属设施完好。在投料前,应向池内灌满清水,并增压至29.4kPa ,如24h 之内压力下降小于10%,即可认为池体密封性符合要求。否则应立即采取补救措施,再按上述方法检验,直至合格为止。
与反应器配套的所有管道、阀门均应根据其各自的运行压力,分别按照工业管路检验标准用清水进行承压检验。
对于污泥、水、蒸汽、沼气的压力表,流量计、液面、电气、温度、PH 值等计量仪表,加热器、搅拌器、电机、水泵等设备,均应按各自的产品质量检验标准和设计要求,进行单机调试和联动试运行,以保证其安全、可靠、灵活和准确。这是非常重要的基础工作,否则待运行后若再发现上述先天性的缺陷,维修的工作量很大,且难以进行。厌氧设备在进入正常运行之前应进行气密性试验后,以氮气吹扫,然后进行厌氧污泥的培养和驯化。
(1)接种物 由于厌氧微生物生长缓慢,为加速厌氧反应器的启动过程,需投加含有各种厌氧微生物的种污泥(即接种物) ,应尽量选择含甲烷菌多的污泥作为接种物,如城市污水厂污泥消化池与各种厌氧消化池的污泥和排出液,好氧活性污泥,经过脱水的厌氧、好氧污泥,农村沼气池排出物,堆涩的猪粪、牛粪等,以及长期贮存、排放
废水的阴沟、水塘污泥、藕塘污泥等。在选择接种物时,尽量采用与所处理废水的特征有机物相似的污泥作为接种物,以就近、易得为宜。若有条件,可对选择的种污泥进行产气试验。 (2)接种污泥的处理 应尽量避免粗大物质与惰性物质进入反应器,对过稠的接种物,可用水稀释、过筛、沉淀。对经脱水的干污泥应尽快将其浸渍水中,并将块状物打碎,去除粗大物质及沉于底部的砂、石、土等无机物质,经处理后的接种物挥发分(VSS)应大于60%。
(3)接种物的驯化与反应器启动 在启动过程中,控制升温为1℃/h,达到要求温度即保持恒温并搅拌;注意保持PH 值在6.8-7.8之间;此外,有机负荷常常成为影响启动成功的关键性因素。
启动的初始有机负荷因工艺类型、废水性质、温度等工艺条件以及接种污泥的性质而异。常取较低的初始负荷,继而通过逐步增加负荷而完成启动。有的工艺对负荷的要求格外严格,例如厌氧污泥床反应器启动时,初始负荷仅为0.1-0.2kgCOD/(kgVSS.d)(相应的容积负荷则依污泥的浓度而异) ,至可降解的COD 去除率达到80%,或者反应器出水中挥发性有机酸的质量浓度已较低(
1.2-1.5kgCOD/(kgVSS.d),这种启动方式时间较短,但对含碳水化合物较多、缺乏缓冲性物质的料液,需添加一些缓冲物质,才能高负荷启动,否则,易使系统酸坏、启动难以成功。
正常的成熟污泥呈深灰到黑色,带焦油气,无硫化氢臭,PH 值在7.0-7.5之间,污泥易脱水和干化。当进水量达到要求、取得较高的去除效率、产气量大、含甲烷成分高时,可认为启动基本结束。
消化污泥培养正常时的指标及参数
主要控制条件
水温对微生物的影响很大,对微生物和群体的组成、微生物细胞的增殖,内源代谢过程和污泥的沉降性能都有影响。但是温度对微生物的影响是缓慢的,在操作运行中,人们发现反应器温度突然下降,然后又恢复到原来水平,并不妨碍反应器恢复正常处理效率。对于中温厌氧反应器应该避免温度超过42℃,因为在这种温度下微生物的衰退速度过大,从而大大降低污泥的活性。此外,在反应器温度偏低时,可根据运行情况及时调整负荷与停留时间,反应器运行仍可稳定,但这时则不能充分发挥反应器的处理能力,而且需要较高的管理水平,否则,可能导致反应器不能正常运行。
(2)PH值、碱度、挥发酸的影响
①反应器消化液中的PH 值 在厌氧消化中,产甲烷菌的最适PH 值随甲烷菌种类的不同而略有差异。适应范围大致是6.6-7.5。PH 值的变化将直接影响产甲烷菌的生存与活动。一般来说,反应器的PH 值应维持在6.5-7.8范围,最佳范围在6.8-7.2左右。
在反应器正常运行时,进水PH 值一般在6.0以上。在处理因含有有机酸而使PH 值偏低的废水时,正常运行时PH 值可略低,如4-5左右;若处理含无机酸而使PH 值低的废水,应将进水PH 值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。
②碱度 在日常操作运行中,一般通过测反应器的碱度来判断消化液的缓冲能力,厌氧反应器合理的碱度范围一般在2000-4000mg/L,正常范围为1000-5000mg/L。
关于碱度,Yencko 和Backmey 等(1955)指出,总碱度为2000-3500mg/L是正常厌氧消化的数值。
在厌氧反应器中,PH 值、碳酸氢盐碱度及C02之间存在一定的关
系。一个厌氧反应器最佳运行的PH 值、酸碱度、CO 2含量尚由废水中
的有机物而定。如果反应器中碱度及缓冲力不够的话,厌氧消化过程中所产生的有机酸将会使反应器消化液的碱度和PH 值下降到抑制产甲烷反应的程度。因此对缓冲能力很低的反应器适当添加重碳酸钠,有提高沼气产量、控制PH 值、碱度、沉淀有毒金属、提高污泥的沉淀性能与处理效果等作用。
③测定挥发酸的必要性 由于消化液中存在氢氧化钠、碳酸氢盐等缓冲物质。PH 值难以判断消化液中的挥发酸积累程度,故及时分析VFA 是很有必要的。Bus Well经过多年研究,认为把挥发酸(以乙酸计) 的安全浓度控制在2000mg/L以内。当VFA 小于200mg/L时,一般是最好的。VFA 积累过多,将会抑制产甲烷菌的活性。一个反应器所能允许的VFA 浓度,是由许多因素决定的,也与反应器的类型有关。对上流式厌氧污泥床来说,其出水的VFA 一般都在200mg/L以下。在处理未经酸化的有机废水时,在反应器底部存在一定的酸化段。其
还可将消化池部分污泥回流至一级消化池,补充甲烷菌和碱度的损失。
②有机物投配超负荷 进污水量增大或泥量不变,而含固率或有机物浓度升高时,可导致有机物投配超负荷。大量的有机物进入消化液,使VFA 升高,而ALK 却基本不变,VFA/ALK会升高。控制措施是减少投泥量或回流部分二消污泥;当有机物超负荷系由于进水中有机物增加所致时(如大量化粪池污水或污泥进入) ,应加强上游污染源浓度控制或加大循环量。
③搅拌效果不好 搅拌系统出现故障、未及时排除、搅拌效果不佳,会导致局部VFA 积累,使VFA/ALK升高。
④温度波动太大 温度波动太大,可降低甲烷菌分解VFA 的速率,导致VFA 积累,使VFA/ALK升高。温度波动,如进泥量突变所致,则应增加进泥次数,减少每次进泥量,使进泥均匀。如因加热量控制不当所致,则应加强加热系统的控制调节。有时搅拌不均匀,使热量在池内分布不均匀,也会影响甲烷菌的活性,使VFA/ALK升高。 ⑤存在毒物 甲烷菌中毒以后,分解VFA 速率下降,导致VFA/ALK积累,使VFA 升高。此时应首先明确毒物的种类,如为重金属类中毒,可加入Na 2S 降低毒物浓度;如为S 2-类中毒,可加入铁盐降低S 2-浓度。
解决毒物问题的根本措施是加强上游来水水质管理。
(2)现象二 沼气中的C02含量升高,但沼气仍能燃烧。该现象是
现象一的继续,其原因及控制措施同现象一。现象一系VFA/ALK刚超过0.3,在一定的时间内,还不至于PH 值下降,还有时间进行原因分析及控制。但现象二系C02已经开始升高,此时VFA/ALK往往已经
超过了0.5,如果原因分析及控制措施不及时,很快导致PH 值下降,抑制甲烷菌的活性。如果已确认VFA/ALK大于0.5,应立即加入部分氮源,保持混合液的碱度,为寻找原因并采取控制措施提供时间。
(3)现象三 消化液的PH 值开始下降。该现象是现象二的继续。出现现象二,但没有予以控制或措施不当时,会导致PH 值下降。其原因及控制对策与现象一和现象二完全一样。当PH 值开始下降时,VFA/ALK往往大于0.8,沼气中甲烷含量往往在42%-45%之间,此时沼气已不能燃烧。该现象出现时,首先应立即向消化液内投入碱源,补充碱度,控制住PH 值的下降并使之回升;否则如果PH 值降至6.0以下,甲烷菌将全部失去活性,则需放空消化池重新培养消化污泥。其次,应尽快分析产生该现象的原因并采取相应的控制对策,待异常排除之后,可停止加碱。
(4)现象四 产气量降低。其原因及解决对策如下:
①有机物投配负荷太低。在其他条件正常时,沼气产量与投入的有机物呈正比,投入有机物越多,沼气产量越多;反之,投入有机物
减少,则沼气产量也越少。出现此种情况,往往是由于来水有机物质浓度在大幅度减少。
②甲烷菌活性降低。由于某种原因导致甲烷菌活性降低,分解VFA 速率降低,因而甲烷气产量也降低。水力超负荷、有机物投配超负荷、温度波动太大、搅拌效果不均匀、存在毒 物等因素,均可使甲烷菌活性降低,因而应具体分析原因,采取相应的对策。
(5)现象五 消化池气相出现负压,空气自真空安全阀进入消化池。其原因及控制对策如下:
①排出量大于进入量,使消化池液位降低,产生真空。此时应加强进、排出量的控制,使进、排出量严格相等。
②用于沼气输送压缩机的出气管路出现泄漏时,也可导致消化池气相出现真空状态,应及时修复管道泄漏处。(产率小于供气量导致抽吸现象)
③加入Ca(OH)2、NH 40H 、NaOH 等药剂补充碱度,控制PH 值时,
如果投加过量,也可导致气相出现真空状态,此时应加强抽气与产气量的调度平衡。
④一些处理厂用风机或压缩机抽送沼气至较远的使用点,如果抽气量大于产气量,也可导致气相出现真空状态,此时应加强抽气与产气量的调度平衡。
(6)现象六 消化池气相压力增大,自压力安全阀逸入大气。其原因及控制对策如下:
①产气量大于用气量,而剩余的沼气又无畅通的去向时,可导致消化池气相压力增大,此时应加强运行调度,增大用气量。
②由于某种原因(如水封罐液位太高或不及时排放冷凝水) 导致沼气管路阻力增大时,可使消化池压力增大。此时应分析沼气管阻力增大的原因,并及时予以排除。
③进入量大于排出量,而溢流管又被堵塞,导致消化池液位升高时,可使气相压力增大,此时应加强进、排出量的控制,保持消化池工作液位的稳定。
(7)现象七 消化池排放的上清液含固量升高,水质下降,同时还使排泥浓度降低。其原因及控制对策如下。
①上清液排放量太大,可导致含固量升高。如果排放太多,则由于排放的不是上清液,而是污泥,因而含固量升高。
②上清液排放太快时,由于排放管内的流速太大,会携带大量的固体颗粒被一起排走,因而含固量升高,所以应缓慢地排放上清液,且排放量不宜太大。
③如果上清液排放口与进泥口距离太近,则进入的污泥会发生短路,不经泥水分离直接排走,因而含固量升高。对于这种情况,应进行改造,使上清液排放口远离进泥口。(上流式UASB 不存在此现象)
(8)现象八 消化液的温度下降,消化效果降低。其原因及控制对策如下。
①蒸汽或热水量供应不足,导致消化池温度也随之下降。 ②投泥次数太少,一次投泥量太大时,可使加热系统超负荷,因加热量不足而导致温度降低,此时缩短投泥周期,减少每次投泥量。(此种状况对沼气池而言)
③混合不均匀时,会使污泥局部过热,局部由于热量不足而导致温度降低,此时应加强搅拌混合。
厌氧反应部分
厌氧消化反应的机理
厌氧消化法是在无氧的条件下,借兼性菌及专性厌氧细菌降解有机污染物,分解的产物是以甲烷为主的消化气(沼气、生物气) 。 有机物厌氧分解的全过程细分又可分为三个阶段,第一阶段为水解发酵阶段(即酸性消化) ,此阶段利用的是兼性水解发酵细菌(即产酸菌) ,将复杂有机物---碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO 2、H 2、NH 3和H 2S 等;第二阶段为产氢产乙酸阶段,此阶
段利用的是专性厌氧的产氢产乙酸细菌,将第一阶段细菌的代谢产物---丙酸及其它脂肪酸、醇类和某些芳香酸转化为乙酸、CO 2和H 2;第
三阶段为产甲烷阶段,此阶段利用产甲烷菌将第一、第二阶段产生的乙酸、CO 2和H 2为主要基质(还有甲酸、甲醇及甲胺) 最终转化为甲烷
和CO 2,产甲烷菌包括两种特异性很强的细菌:一种主要利用H 2把CO 2还原为CH 4;另一种产甲烷菌主要以乙酸为基质(也可利用甲醇和甲
胺),把它分解为CH 4和CO 2。在这一阶段中,据研究还有一种同型产
乙酸菌可把CO 2和H 2合成为乙酸。
有机物在厌氧条件下消化降解的过程可简单分为两个阶段,即酸性消化(酸性发酵) 阶段和碱性消化(碱性发酵或甲烷消化)
阶段。两阶段的示意图:
酸性消化阶段:参与的微生物为酸性腐化菌或产酸细菌。在这一阶段中,含碳有机物被水解成单糖,蛋白质被水解成肽和氨基酸,脂肪被水解成甘油脂肪酸。水解的最终产物是包括丁酸、丙酸、乙酸和甲酸在内的有机酸以及醇、氨、CO 2、硫化物、氢以及能量,为下一
阶段的甲烷消化作准备。酸性腐化细菌对pH 值、有机酸及温度的适应性很强,世代短,数分钟到数小时即可繁殖一代,多属于异养型兼
性细菌群。
在酸性消化阶段,由于有机酸的形成与积累,pH 值可下降至6,甚至可达5以下。此后,由于有机酸和溶解性含氮化合物的分解,产生碳酸盐、氨、氮及少量的二氧化碳等,从而使酸性减退,pH 值可回升到6.6-6.8左右。
经酸性消化后的污泥外观呈黄色或灰黄色,比较粘稠不易脱水,仍易于腐化发臭。
碱性消化阶段:参与的微生物是甲烷细菌。甲烷细菌对营养的要求不高,一般的营养盐类、二氧化碳、醇和氨都可作为碳、氮源,属于专性厌氧细菌群。 碱性消化阶段就是消化气的形成过程。酸性消化阶段的代谢产物,在甲烷细菌的作用下,进一步分解成消化气,其主要成分是甲烷、二氧化碳。
已发现的甲烷细菌属有甲烷球菌属(Metharnococcus),八叠甲烷球菌属(Me- thanosarcirla),甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷杆菌属(Methano-
bacillus) 等。
甲烷细菌属的特点是:
(1)对pH 值的适应性较弱,适宜的范围是6.6-7.8,最佳pH 值为6.8-7.2;
(2)对温度的适应性也较弱,根据对温度的适应范围甲烷细菌可分为中温(30-35℃) 及高温(50-60℃) 两类。当甲烷细菌在一定的温度内被驯化后,温度增减2℃就可能破坏甲烷消化作用,特别是高温甲烷细菌,温度增减1℃,就有可能使消化过程遭到破坏。因此甲烷消化要求保持温度恒定;
(3)甲烷细菌的世代都较长,一般约4-6天繁殖一代;
(4)甲烷细菌的专一性很强,每种甲烷细菌只能代谢特定的底物,如甲酸甲烷杆菌(Methanobacterium formicium) 仅能利用H 2,CO 2和甲酸CHOOH ,低氧甲烷杆菌(Methanobacterium suboxydans)只能把戊酸分解成乙酸与丙酸。因此,在厌氧消化条件下,有机物分解往往是不完全的;
(5)所有的甲烷细菌都能氧化分子状态的氢,并利用CO 2作为电子
接受体:
4H2+CO2-→CH 4+2H2O
由于甲烷细菌具有上述特点,而且又是专性厌氧细菌,因此甲烷消化阶段控制着厌氧消化的整个过程。 1kgCOD 产生0.35Nm 3CH 4 (相当于0.25kgCH 4)
厌氧生物控制指标:
厌氧处理装置在实际运行中,主要控制进水水质、负荷、温度、PH 值、挥发酸、氮磷营养、沼气组分、有毒物质等。
1. 温度的控制:分常温(10-34℃) 、中温(35-40℃) 、高温(50-55℃)
三种类型,厌氧消化常采用中温消化。
2.PH 值、碱度、挥发酸的影响:消化液中的PH 值一般应维持在
6.5-7.8之间,最佳范围在6.8-7.2左右;碱度(ALK)最佳值在
2000-4000mg/L之间,正常值为1000-5000mg/L;酸度(VFA)最佳值在50-500mg/L之间,正常50-2500mg/L。
在反应器正常运行时,进水PH 值一般在6.0以上。处理因含有机酸而使PH 值偏低的废水时,正常运行时PH 值可略低,如4-5左右;若处理含无机酸而使PH 值低的废水,应将PH 值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。
消化液的缓冲作用:由于酸性腐化细菌与甲烷细菌对温度、PH 值的适应性不同,世代长短相差悬殊。当酸性消化速度超过碱性消化速度时,有机酸就会积累,使PH 值降低,不利于碱性消化,甚至破坏碱性消化。但由于消化池中存在的消化液(污泥水) 具有缓冲作用,以维持消化正常进行。所谓的缓冲能力即由于有机物消化降解过程中产生的重碳盐(HCO3-) 与碳酸(CO2) 形成的:
H ++HCO3-H 2CO 3
K ‘=[H+][HCO3-]/[H2CO 3]
取对数 PH=-lgK’+lg[HCO3-]/[H2CO 3]
式中K ‘---电离常数
可见,当有机酸增加时,反应向右进行。若所增加的有机酸数量较重碳酸盐与碳酸的数量少,则[HCO3-]/[H2CO 3]变化不大。从而可保
持甲烷菌的消化条件。因此消化池的碱度要保持在合理的范围内(厌氧反应器的碱度一般在2000-4000mg/L;正常为1000-5000mg/L),使缓冲能力充分,有效地防止PH 值下降。同时,为了使碱性消化能顺利地进行,消化系统中的有机酸含量应维持在合理范围内(一般在
50-500mg/L;正常50-2500mg/L)。
3. 氮磷比:C :N :P=(200-300):5:1
厌氧设备的运转
厌氧设备的启动
厌氧反应器在试车之前,应检查施工、安装质量,确保池体不漏水、不漏气,一切附属设施完好。在投料前,应向池内灌满清水,并增压至29.4kPa ,如24h 之内压力下降小于10%,即可认为池体密封性符合要求。否则应立即采取补救措施,再按上述方法检验,直至合格为止。
与反应器配套的所有管道、阀门均应根据其各自的运行压力,分别按照工业管路检验标准用清水进行承压检验。
对于污泥、水、蒸汽、沼气的压力表,流量计、液面、电气、温度、PH 值等计量仪表,加热器、搅拌器、电机、水泵等设备,均应按各自的产品质量检验标准和设计要求,进行单机调试和联动试运行,以保证其安全、可靠、灵活和准确。这是非常重要的基础工作,否则待运行后若再发现上述先天性的缺陷,维修的工作量很大,且难以进行。厌氧设备在进入正常运行之前应进行气密性试验后,以氮气吹扫,然后进行厌氧污泥的培养和驯化。
(1)接种物 由于厌氧微生物生长缓慢,为加速厌氧反应器的启动过程,需投加含有各种厌氧微生物的种污泥(即接种物) ,应尽量选择含甲烷菌多的污泥作为接种物,如城市污水厂污泥消化池与各种厌氧消化池的污泥和排出液,好氧活性污泥,经过脱水的厌氧、好氧污泥,农村沼气池排出物,堆涩的猪粪、牛粪等,以及长期贮存、排放
废水的阴沟、水塘污泥、藕塘污泥等。在选择接种物时,尽量采用与所处理废水的特征有机物相似的污泥作为接种物,以就近、易得为宜。若有条件,可对选择的种污泥进行产气试验。 (2)接种污泥的处理 应尽量避免粗大物质与惰性物质进入反应器,对过稠的接种物,可用水稀释、过筛、沉淀。对经脱水的干污泥应尽快将其浸渍水中,并将块状物打碎,去除粗大物质及沉于底部的砂、石、土等无机物质,经处理后的接种物挥发分(VSS)应大于60%。
(3)接种物的驯化与反应器启动 在启动过程中,控制升温为1℃/h,达到要求温度即保持恒温并搅拌;注意保持PH 值在6.8-7.8之间;此外,有机负荷常常成为影响启动成功的关键性因素。
启动的初始有机负荷因工艺类型、废水性质、温度等工艺条件以及接种污泥的性质而异。常取较低的初始负荷,继而通过逐步增加负荷而完成启动。有的工艺对负荷的要求格外严格,例如厌氧污泥床反应器启动时,初始负荷仅为0.1-0.2kgCOD/(kgVSS.d)(相应的容积负荷则依污泥的浓度而异) ,至可降解的COD 去除率达到80%,或者反应器出水中挥发性有机酸的质量浓度已较低(
1.2-1.5kgCOD/(kgVSS.d),这种启动方式时间较短,但对含碳水化合物较多、缺乏缓冲性物质的料液,需添加一些缓冲物质,才能高负荷启动,否则,易使系统酸坏、启动难以成功。
正常的成熟污泥呈深灰到黑色,带焦油气,无硫化氢臭,PH 值在7.0-7.5之间,污泥易脱水和干化。当进水量达到要求、取得较高的去除效率、产气量大、含甲烷成分高时,可认为启动基本结束。
消化污泥培养正常时的指标及参数
主要控制条件
水温对微生物的影响很大,对微生物和群体的组成、微生物细胞的增殖,内源代谢过程和污泥的沉降性能都有影响。但是温度对微生物的影响是缓慢的,在操作运行中,人们发现反应器温度突然下降,然后又恢复到原来水平,并不妨碍反应器恢复正常处理效率。对于中温厌氧反应器应该避免温度超过42℃,因为在这种温度下微生物的衰退速度过大,从而大大降低污泥的活性。此外,在反应器温度偏低时,可根据运行情况及时调整负荷与停留时间,反应器运行仍可稳定,但这时则不能充分发挥反应器的处理能力,而且需要较高的管理水平,否则,可能导致反应器不能正常运行。
(2)PH值、碱度、挥发酸的影响
①反应器消化液中的PH 值 在厌氧消化中,产甲烷菌的最适PH 值随甲烷菌种类的不同而略有差异。适应范围大致是6.6-7.5。PH 值的变化将直接影响产甲烷菌的生存与活动。一般来说,反应器的PH 值应维持在6.5-7.8范围,最佳范围在6.8-7.2左右。
在反应器正常运行时,进水PH 值一般在6.0以上。在处理因含有有机酸而使PH 值偏低的废水时,正常运行时PH 值可略低,如4-5左右;若处理含无机酸而使PH 值低的废水,应将进水PH 值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。
②碱度 在日常操作运行中,一般通过测反应器的碱度来判断消化液的缓冲能力,厌氧反应器合理的碱度范围一般在2000-4000mg/L,正常范围为1000-5000mg/L。
关于碱度,Yencko 和Backmey 等(1955)指出,总碱度为2000-3500mg/L是正常厌氧消化的数值。
在厌氧反应器中,PH 值、碳酸氢盐碱度及C02之间存在一定的关
系。一个厌氧反应器最佳运行的PH 值、酸碱度、CO 2含量尚由废水中
的有机物而定。如果反应器中碱度及缓冲力不够的话,厌氧消化过程中所产生的有机酸将会使反应器消化液的碱度和PH 值下降到抑制产甲烷反应的程度。因此对缓冲能力很低的反应器适当添加重碳酸钠,有提高沼气产量、控制PH 值、碱度、沉淀有毒金属、提高污泥的沉淀性能与处理效果等作用。
③测定挥发酸的必要性 由于消化液中存在氢氧化钠、碳酸氢盐等缓冲物质。PH 值难以判断消化液中的挥发酸积累程度,故及时分析VFA 是很有必要的。Bus Well经过多年研究,认为把挥发酸(以乙酸计) 的安全浓度控制在2000mg/L以内。当VFA 小于200mg/L时,一般是最好的。VFA 积累过多,将会抑制产甲烷菌的活性。一个反应器所能允许的VFA 浓度,是由许多因素决定的,也与反应器的类型有关。对上流式厌氧污泥床来说,其出水的VFA 一般都在200mg/L以下。在处理未经酸化的有机废水时,在反应器底部存在一定的酸化段。其
还可将消化池部分污泥回流至一级消化池,补充甲烷菌和碱度的损失。
②有机物投配超负荷 进污水量增大或泥量不变,而含固率或有机物浓度升高时,可导致有机物投配超负荷。大量的有机物进入消化液,使VFA 升高,而ALK 却基本不变,VFA/ALK会升高。控制措施是减少投泥量或回流部分二消污泥;当有机物超负荷系由于进水中有机物增加所致时(如大量化粪池污水或污泥进入) ,应加强上游污染源浓度控制或加大循环量。
③搅拌效果不好 搅拌系统出现故障、未及时排除、搅拌效果不佳,会导致局部VFA 积累,使VFA/ALK升高。
④温度波动太大 温度波动太大,可降低甲烷菌分解VFA 的速率,导致VFA 积累,使VFA/ALK升高。温度波动,如进泥量突变所致,则应增加进泥次数,减少每次进泥量,使进泥均匀。如因加热量控制不当所致,则应加强加热系统的控制调节。有时搅拌不均匀,使热量在池内分布不均匀,也会影响甲烷菌的活性,使VFA/ALK升高。 ⑤存在毒物 甲烷菌中毒以后,分解VFA 速率下降,导致VFA/ALK积累,使VFA 升高。此时应首先明确毒物的种类,如为重金属类中毒,可加入Na 2S 降低毒物浓度;如为S 2-类中毒,可加入铁盐降低S 2-浓度。
解决毒物问题的根本措施是加强上游来水水质管理。
(2)现象二 沼气中的C02含量升高,但沼气仍能燃烧。该现象是
现象一的继续,其原因及控制措施同现象一。现象一系VFA/ALK刚超过0.3,在一定的时间内,还不至于PH 值下降,还有时间进行原因分析及控制。但现象二系C02已经开始升高,此时VFA/ALK往往已经
超过了0.5,如果原因分析及控制措施不及时,很快导致PH 值下降,抑制甲烷菌的活性。如果已确认VFA/ALK大于0.5,应立即加入部分氮源,保持混合液的碱度,为寻找原因并采取控制措施提供时间。
(3)现象三 消化液的PH 值开始下降。该现象是现象二的继续。出现现象二,但没有予以控制或措施不当时,会导致PH 值下降。其原因及控制对策与现象一和现象二完全一样。当PH 值开始下降时,VFA/ALK往往大于0.8,沼气中甲烷含量往往在42%-45%之间,此时沼气已不能燃烧。该现象出现时,首先应立即向消化液内投入碱源,补充碱度,控制住PH 值的下降并使之回升;否则如果PH 值降至6.0以下,甲烷菌将全部失去活性,则需放空消化池重新培养消化污泥。其次,应尽快分析产生该现象的原因并采取相应的控制对策,待异常排除之后,可停止加碱。
(4)现象四 产气量降低。其原因及解决对策如下:
①有机物投配负荷太低。在其他条件正常时,沼气产量与投入的有机物呈正比,投入有机物越多,沼气产量越多;反之,投入有机物
减少,则沼气产量也越少。出现此种情况,往往是由于来水有机物质浓度在大幅度减少。
②甲烷菌活性降低。由于某种原因导致甲烷菌活性降低,分解VFA 速率降低,因而甲烷气产量也降低。水力超负荷、有机物投配超负荷、温度波动太大、搅拌效果不均匀、存在毒 物等因素,均可使甲烷菌活性降低,因而应具体分析原因,采取相应的对策。
(5)现象五 消化池气相出现负压,空气自真空安全阀进入消化池。其原因及控制对策如下:
①排出量大于进入量,使消化池液位降低,产生真空。此时应加强进、排出量的控制,使进、排出量严格相等。
②用于沼气输送压缩机的出气管路出现泄漏时,也可导致消化池气相出现真空状态,应及时修复管道泄漏处。(产率小于供气量导致抽吸现象)
③加入Ca(OH)2、NH 40H 、NaOH 等药剂补充碱度,控制PH 值时,
如果投加过量,也可导致气相出现真空状态,此时应加强抽气与产气量的调度平衡。
④一些处理厂用风机或压缩机抽送沼气至较远的使用点,如果抽气量大于产气量,也可导致气相出现真空状态,此时应加强抽气与产气量的调度平衡。
(6)现象六 消化池气相压力增大,自压力安全阀逸入大气。其原因及控制对策如下:
①产气量大于用气量,而剩余的沼气又无畅通的去向时,可导致消化池气相压力增大,此时应加强运行调度,增大用气量。
②由于某种原因(如水封罐液位太高或不及时排放冷凝水) 导致沼气管路阻力增大时,可使消化池压力增大。此时应分析沼气管阻力增大的原因,并及时予以排除。
③进入量大于排出量,而溢流管又被堵塞,导致消化池液位升高时,可使气相压力增大,此时应加强进、排出量的控制,保持消化池工作液位的稳定。
(7)现象七 消化池排放的上清液含固量升高,水质下降,同时还使排泥浓度降低。其原因及控制对策如下。
①上清液排放量太大,可导致含固量升高。如果排放太多,则由于排放的不是上清液,而是污泥,因而含固量升高。
②上清液排放太快时,由于排放管内的流速太大,会携带大量的固体颗粒被一起排走,因而含固量升高,所以应缓慢地排放上清液,且排放量不宜太大。
③如果上清液排放口与进泥口距离太近,则进入的污泥会发生短路,不经泥水分离直接排走,因而含固量升高。对于这种情况,应进行改造,使上清液排放口远离进泥口。(上流式UASB 不存在此现象)
(8)现象八 消化液的温度下降,消化效果降低。其原因及控制对策如下。
①蒸汽或热水量供应不足,导致消化池温度也随之下降。 ②投泥次数太少,一次投泥量太大时,可使加热系统超负荷,因加热量不足而导致温度降低,此时缩短投泥周期,减少每次投泥量。(此种状况对沼气池而言)
③混合不均匀时,会使污泥局部过热,局部由于热量不足而导致温度降低,此时应加强搅拌混合。