第三章 厌氧生物处理技术

1、第三章 厌氧生物处理技术 厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物的共同作用，使有机物分解外生成CH4和CO2的过程。 厌氧消化三阶段理论如下图：一、厌氧处理的原理一、厌氧处理的原理分解乙酸产甲烷菌分解乙酸产甲烷菌发酵性细菌发酵性细菌产氢产乙产氢产乙酸细菌酸细菌复杂有机物水解1简单溶解性有机物发酵1脂肪酸、醇类、丙酸、丁酸、乳酸等氢气、二氧化碳1231245乙酸甲烷、二氧化碳同型产乙酸菌同型产乙酸菌利用氢气和二利用氢气和二氧化碳产甲烷氧化碳产甲烷菌菌 如果有机污染物生物处理系统不如果有机污染物生物处理系统不充氧，由于好氧微生物活动造成厌氧充氧，由于好氧微生物活动造成厌氧环境，使

2、厌氧微生物生长繁殖，最终环境，使厌氧微生物生长繁殖，最终成为优势菌群，并对有机污染物进行成为优势菌群，并对有机污染物进行厌氧分解。厌氧分解。l 好氧与厌氧处理好氧与厌氧处理 与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理的主要特征是：的主要特征是： (1)能量需求大大降低还可产生能量。能量需求大大降低还可产生能量。这是因为厌氧生物处理不要求供给氧气，相这是因为厌氧生物处理不要求供给氧气，相反却能生产出含有反却能生产出含有50一一70甲烷的沼气，甲烷的沼气，含有较高的热值含有较高的热值(21000一一25000KJm3)，可以用作能源。可以用作能源。 (2)污泥产量极低。这

3、是因为厌氧微生物污泥产量极低。这是因为厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。的增殖速率比好氧微生物低得多。 (3)对温度、对温度、pH等环境因素更为敏感。等环境因素更为敏感。厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类。厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类。其适宜的温度范围分别为其适宜的温度范围分别为55左右和左右和35左右。如温度降至左右。如温度降至10以下，厌氧以下，厌氧微生物的活动能力将非常低。产甲烷菌微生物的活动能力将非常低。产甲烷菌的最适的最适pH范围也较好氧菌为小。范围也较好氧菌为小。 (4)处理后废水有机物浓度高于好氧处理后废水有机物浓度高于好氧处理。处理。 (5)厌氧微生物可对好氧微生物

4、所不能降厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解解的一些有机物进行降解(或部分降解或部分降解)。 (6)处理过程的反应较复杂。如前所述，处理过程的反应较复杂。如前所述，厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物学过程，生物协同工作的一个连续的微生物学过程，远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。 厌氧条件下，简单有机物或无机物成为厌氧条件下，简单有机物或无机物成为最终电子受体，而好氧条件下氧是最终电最终电子受体，而好氧条件下氧是最终电子受体。子受体。 两者比较，厌氧分解过程产生的能量两

5、者比较，厌氧分解过程产生的能量少，细胞产量和污染物分解速率低，有机少，细胞产量和污染物分解速率低，有机物只能进行不完全的分解，最后由产甲烷物只能进行不完全的分解，最后由产甲烷细菌作用而生成甲烷。细菌作用而生成甲烷。优缺点优缺点优点：有机负荷高，产生的剩余污泥少，运有机负荷高，产生的剩余污泥少，运行费用低，对氮磷等需求低，产生甲烷可行费用低，对氮磷等需求低，产生甲烷可作为能源。作为能源。缺点：厌氧微生物生长慢，产生臭味，对进厌氧微生物生长慢，产生臭味，对进水水质和操作控制要求高，对低浓度有机水水质和操作控制要求高，对低浓度有机废水处理效果低，出水水质一般达不到规废水处理效果低，出水水质一般达不到

6、规定的排放标准，需要进一步处理。定的排放标准，需要进一步处理。 应用应用 可以处理高浓度的有机废水，也能处可以处理高浓度的有机废水，也能处理中低浓度的废水；理中低浓度的废水； 广泛应用于食品、酿造、有机化工和广泛应用于食品、酿造、有机化工和制药等工业废水处理。制药等工业废水处理。 1 1、发酵细菌、发酵细菌( (产酸细菌产酸细菌) ) 主要包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真主要包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌属和双歧杆菌属等。细菌属和双歧杆菌属等。 这类细菌的主要功能是先通过这类细菌的主要功能是先通过胞外酶胞外酶的作用将的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的不溶性有机物

7、水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。 发酵细菌大多数为发酵细菌大多数为专性厌氧菌专性厌氧菌，但也有大量兼，但也有大量兼性厌氧菌。按照其代谢功能，发酵细菌可分为纤维性厌氧菌。按照其代谢功能，发酵细菌可分为纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌和脂肪分解菌等。分解菌和脂肪分解菌等。 除发酵细菌外，在厌氧消化的发酵阶段，也可除发酵细菌外，在厌氧消化的发酵阶段，也可发现真菌和为数不多的原生动物。发现真菌和为数不多的原生动物。二、厌氧处理微生物二、厌氧处理微生物 2 2、产氢产乙酸

8、细菌、产氢产乙酸细菌 研究所发现的产氢产乙酸细菌包括互营研究所发现的产氢产乙酸细菌包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属等。等。 这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸和乙酸和H2。 只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很低时才能完成。低时才能完成。3 3、产甲烷细菌、产甲烷细菌 产甲烷菌大致可分为两类：产甲烷菌大致可分为两类： 一类主要利一类主要利用乙酸产生甲烷，另一类数量较少，利用氢用乙酸产生甲烷，另一类数量较少，利用氢和和CO2的合成生成甲烷。也有极少量细菌，的合成生成甲烷。也有

9、极少量细菌，既能利用乙酸，也能利用氢。既能利用乙酸，也能利用氢。 以下是两个典型的产甲烷反应：以下是两个典型的产甲烷反应：氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用。氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用。4 4、厌氧微生物群体间的关系、厌氧微生物群体间的关系 在厌氧生物处理反应器中不产甲在厌氧生物处理反应器中不产甲烷菌和产甲烷茵烷菌和产甲烷茵相互依赖相互依赖，互为对方创，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和造与维持生命活动所需要的良好环境和条件。但又条件。但又相互制约相互制约。厌氧微生物群体。厌氧微生物群体间的相互关系表现在以下几个方面：间的相互关系表现在以下几个方面： A、不产甲烷细菌为产

10、甲烷细菌提供生、不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质；长和产甲烷所需要的基质； B、不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适、不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件；宜的氧化还原条件； C、不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有、不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质；毒物质； D、产甲烷细菌由为不产甲烷细菌的生、产甲烷细菌由为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制；化反应解除反馈抑制； E、不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持、不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的环境中适宜的pH值。值。三、厌氧处理的影响因子三、厌氧处理的影响因子pH6.87.2温度（中温温度（中温35、高温、高温55

11、）营养盐营养盐毒物毒物高浓度的离子以及其他有机毒物高浓度的离子以及其他有机毒物氧浓度（厌氧菌的生活环境）氧浓度（厌氧菌的生活环境）氧化还原电位氧化还原电位食料微生物比食料微生物比温度因素温度因素温度与有机物负荷、产气量关系见图1 消化温度与消化时间的关系见图2厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。 根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化（1030 ）、中温消化（35左右）和高温消化（54左右）。温度与有机物负荷、产气量关系温 度 （ C）0555045403530251213425637840产气量（m/md）有机

12、物负荷（kg/md）图 19-2 温 度 与 有 机 物 负 荷 、 产 气 量 关 系 图消化温度与消化时间的关系T（C）6050403020100120105907560453015消化时间 t（d）图19-3 温度与消化时间的关系曲线生物固体停留时间（污泥龄）与负荷生物固体停留时间（污泥龄）与负荷001 02 03 04 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0水 力 停 留 时 间 t （ d ）有 机 物 浓 度 %4%6%8%有机负荷（X16.21kgvs/md）图 1 9 - 4 容 积 负 荷 和 水 力 停 留 时 间 关 系搅拌和混合搅拌和混合 搅拌可使消化物料

13、分布均匀，增加微生物与物料的接触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合于大、

14、中型的沼气工程。 营养与营养与C/N比比 厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素。表1给出了常用沼气发酵原料的碳氮比。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。若C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。 各种废物的碳氮比（C/N） 原料碳氮比原料碳氮比大便(610):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18

15、:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪 29:1鲜猪粪13:1氨氮 厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以NH4+及NH3等形式存在于消化液中，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。 有毒物质 挥发性脂肪酸（VFA是消化原料酸性消化的产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长

16、，从而破坏消化过程。 有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。对厌氧消化具有抑制作用的物质对厌氧消化具有抑制作用的物质 对厌氧消化具有抑制作用的物质对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用 厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH有

17、密切的关系，pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的pH值，过高或过低的pH对微生物是不利的，表现在：1由于pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收；2pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；3pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的pH值时才能发挥最大活性，不适宜的pH值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。 四、厌氧处理的主要方法四、厌氧处理的主要方法核心：厌氧反应器工艺流程包括：厌氧处理的基本流程废水调节池热交换器气

18、柜气柜厌氧反应器厌氧反应器沉淀池沉淀池出水回流污泥剩余污泥371 1）普通厌氧反应器）普通厌氧反应器 （APAP）也称普通消化池无辅助搅拌设施，固体停留时间3060d；温度不到30的低浓度有机废水、水量变化很大或间歇排除或毒物负荷波动等情况下的废水，需要较大的反应体积；普通厌氧反应器普通厌氧反应器 厌氧反应器的类型厌氧反应器的类型沼气池沼气池农村用的沼气池为无搅拌普通厌氧反应器2 2）厌氧接触反应器）厌氧接触反应器排出的混合液在沉淀池中分离后回流到反应器中有效处理的关键在于污泥沉淀性能和污泥分离效率图图2-8 厌氧接触反应器厌氧接触反应器4 4）厌氧固定膜反应器）厌氧固定膜反应器 类似于好氧生

19、物膜反应器，填料固定。5 5）厌氧流化床反应器）厌氧流化床反应器 类似于好氧流化床生物膜反应器，载体通常为沙粒、活性炭，悬浮，处理有毒物质效果较好项目项目好氧处理好氧处理厌氧处理厌氧处理基本原理基本原理主要方法主要方法活性污泥法、生物膜法、好氧塘法活性污泥法、生物膜法、好氧塘法厌氧消化法、厌氧生物膜厌氧消化法、厌氧生物膜法、厌氧塘法法、厌氧塘法起主要作起主要作用微生物用微生物类群类群1.活性污泥法活性污泥法好氧呼吸细菌是降解的主力，原生好氧呼吸细菌是降解的主力，原生动物、后生动物影响出水水质，丝动物、后生动物影响出水水质，丝状细菌、真菌异常生长会导致污泥状细菌、真菌异常生长会导致污泥膨胀膨胀厌氧微生物群体起主要作厌氧微生物群体起主要作用：发酵细菌水解不溶性用：发酵细菌水解不溶性有机物，将可溶性大分子有机物，将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸或醇有机物转化为脂肪酸或醇类；产氢产乙酸细菌将挥类；产氢产乙酸细菌将挥发性脂肪酸降解为乙酸和发性脂肪酸降解为乙酸和氢；产甲烷菌利用乙酸产氢；产甲烷菌利