一、生活污水:卫生间黑水(粪便污水)、淋浴及洗漱污水、厨房刷洗污水、洗衣机污水; 二、生活废气:厨房废气、烧火烟气; 三、噪音污染 |
黑水含有较高的COD、N、P量和病原菌,而粪便中的有机物和营养物质浓度更高。根据化学分析,人粪中N、P、K的含量分别为1%、0.5%、0.37%,有机质含量为2%,有机质的主要成分是纤维素、半纤维素、蛋白质及其分解物,含水量为70~80%;人尿中N、P、K含量分别为0.5%、0.13%、0.19%,尿素的含量为1~2%,含水量为95%。
厌氧发酵处理:
厌氧发酵是一个复杂的生物学过程;粪便中碳水化合物、脂肪及蛋白质等,在缺氧的条件及微生物的作用下,有机物可转化为甲烷。
在厌氧阶段发酵处理过程中,根据温度的差异可分为:常温厌氧发酵(即低温厌氧发酵);中温厌氧发酵,一般温度控制在36℃~38℃;高温厌氧发酵其温度一般控制在52℃~55℃。
好氧处理法:
利用好氧菌进行发酵的过程,称之为好氧发酵。好氧处理规模小时,可只做最终稀释后曝气、沉淀;中等以上规模,经过前处理和二次稀释后,可按标准活性污泥法进行处理。二次处理就是厌氧处理。好氧发酵的速度较厌氧发酵快得多,但它需要大容量的消化槽。同时处理过程中需要大量氧气,因此要消耗大量的能量。
化学法:
在粪便中加入适量化学药剂,使粪便发生絮凝作用,并通过沉淀分离成液体和脱水污泥。该处理法的最大特点是:粪便在较短的时间内形成固液分离。其不足之处在于:操作复杂,机械设备数量较多;分离出的液体BOD在5000mg/L左右,比厌氧发酵槽的脱离液2500mg/L要高得多。另外,其基建费及日常运行管理费用也较其它方法要高。随化学药剂的种类(如铁盐、石灰等)和投入方式的不同,其设备也不尽相同。药剂的投加设备。有湿式和干式两种湿式反应因混合均匀,所以效果较佳。投加添加剂的量,以粪便处理量的0.2%~2%为宜。
高温高压处理法(湿式氧化法):
粪便中的有机物,在高温高压的条件下,经过约1h连续不断地氧化分解可达到较好的处理效果。此种方法的关键在于反应塔的设计,它的容量,应根据粪便的发热量、反应速度和氧化的程度来确定。
高温堆肥法:将粪便按一定比例掺入垃圾中,应用高温堆肥的方法进行处理。若垃圾中含氮量较高,则不宜采用此法。
在厌氧处理过程中,废水中的有机物经大量微生物的共同作用,被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨等。在此过程中,不同微生物的代谢过程相互影响,相互制约,形成了复杂的生态系统。对高分子有机物的厌氧过程的叙述,有助于我们了解这一过程的基本内容。
高分子有机物的厌氧降解过程可以被分为四个阶段:水解阶段、发酵(或酸化)阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段。[1]
水解可定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。
高分子有机物因相对分子量巨大,不能透过细胞膜,因此不可能为细菌直接利用。它们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子。例如,纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖,淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖,蛋白质被蛋白质酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。水解过程通常较缓慢,因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。多种因素如温度、有机物的组成、水解产物的浓度等可能影响水解的速度与水解的程度。水解速度的可由以下动力学方程加以描述:ρ=ρo/(1+Kh.T)
ρ ——可降解的非溶解性底物浓度(g/L);
ρo———非溶解性底物的初始浓度(g/L);
Kh——水解常数(d^-1);
T——停留时间(d)
发酵可定义为有机物化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程,在此过程中溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物,因此这一过程也称为酸化。
在这一阶段,上述小分子的化合物发酵细菌(即酸化菌)的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。发酵细菌绝大多数是严格厌氧菌,但通常有约1%的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中,这些兼性厌氧菌能够起到保护像甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的损害与抑制。这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等,产物的组成取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。与此同时,酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质,因此,未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。
在厌氧降解过程中,酸化细菌对酸的耐受力必须加以考虑。酸化过程pH下降到4时能可以进行。但是产甲烷过程pH值的范围在6.5~7.5之间,因此pH值的下降将会减少甲烷的生成和氢的消耗,并进一步引起酸化末端产物组成的改变。
在产氢产乙酸菌的作用下,上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。
其某些反应式如下:
CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL
CH3CH2OH+H2O-> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL
CH3CH2CH2COO-+2H2O-> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL
CH3CH2COO-+3H2O-> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL
4CH3OH+2CO2-> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL
2HCO3-+4H2+H+->CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL
这一阶段,乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。
甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、二氧化碳和氢气等转化为甲烷的过程有两种生理上不同的产甲烷菌完成,一组把氢和二氧化碳转化成甲烷,另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷,前者约占总量的1/3,后者约占2/3。
最主要的产甲烷过程反应有:
CH3COO-+H2O->CH4+HCO3- ΔG’0=-31.0KJ/MOL
HCO3-+H++4H2->CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL
4CH3OH->3CH4+CO2+2H2O ΔG’0=-312KJ/MOL
4HCOO-+2H+->CH4+CO2+2HCO3- ΔG’0=-32.9KJ/MOL
在甲烷的形成过程中,主要的中间产物是甲基辅酶M(CH3-S-CH2-SO3-)。
需要指出的是:一些书把厌氧消化过程分为三个阶段,把第一、第二阶段合成为一个阶段,称为水解酸化阶段。在这里我们则认为分为四个阶段能更清楚反应厌氧消化过程。
厌氧污水处理工艺的基建投资一般情况下比氧化沟和 SBR 工艺高,但随着规模的增大,氧化沟和 SBR 的基建费也成倍增加,而常规活性污泥法的投资则以较小的比例增加,两者的差距越来越小。当污水厂达到一定规模后,常规活性污泥法的投资比氧化沟与 SBR 还省,所以,污水厂规模越大,常规活性污泥法的优势就越大。常规活性污泥法、A/O和A2/O法的主要缺点是处理单元多,操作管理复杂,特别是污泥厌氧消化要求高水平的管理,消化过程产生的沼气是可燃易爆气体,更要求安全操作,这些都增加了管理的难度。但由于大型污水厂背靠大城市,技术力量强,管理水平较高,能满足这种要求,因而常规活性污泥法的缺点不会成为限制使用的因素。[1]
与污水的好氧生物处理工艺相比,污水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点:
①大量降低能耗,而且还可以回收生物能(沼气);
厌氧生物处理工艺中没有为微生物提供氧气的鼓风曝气装置,可以降低大量的能耗。在大量去除有机物的同时,厌氧处理工艺还会伴有大量沼气产生。而沼气中的甲烷是一种可以燃烧的气体,具有很高的利用价值,可以直接用于锅炉燃烧或发电;
②污泥产量很低;
由于污水中大部分有机污染物在厌氧生物处理过程中被转化为沼气——甲烷和二氧化碳,而用于细胞合成的有机物相对较少;同时,微生物增殖速率好氧工艺要比厌氧高很多,产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD,产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右,而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。
③厌氧可以对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解;因此,对于污水中含有难降解有机物质时,利用厌氧工艺进行处理后的效果更好一些,或者也可以将厌氧工艺作作为提高污水可生化性预处理工艺,为后续好氧处理工艺处理效果提供基础。