废水厌氧生物处理

环境生物技术第七章污水的厌氧生物处理第一节概述第二节厌氧生物处理的基本原理第三节污水的厌氧生物处理方法第四节厌氧和好氧技术的联合运用污水生物处理厌氧处理好氧处理中、高浓度低浓度7-45kg

BOD/m3.d0.4-1.0kg

BOD/m3.d高质燃料剩余污泥低高出10倍200~400:5:1100:5:15-20天3-10小时废水浓度有机容积负荷主要副产物能耗BOD:N:P水力停留时间第一节概述第一节概述1.定义厌氧生物法也称厌氧消化法或厌氧发酵法。是在无氧条件下，通过厌氧微生物（anaerobicmicrobes）(兼性菌和厌氧菌)的代谢作用降解污泥和废水中的有机污染物，分解的终产物主要是沼气(CH4和CO2)。2.发展历程（1）早期发展1881~1950年

厌氧生物处理法始于19世纪末。1881年法国人LouisMouras将简易的沉淀池改进为污水处理构筑物，降解生活污水中的悬浮物1895年出现的化粪池处理粪便污泥1904年出现的双层沉淀池1950年出现高效的、可加温和搅拌的厌氧消化反应池，加快了厌氧技术的发展。以上，属于传统的厌氧反应器。（2）第二代厌氧反应器1955年开发了厌氧接触法新工艺，标志着现代厌氧反应器的开端。进一步推动了厌氧技术的应用和发展。上世纪60年代末，McCarty等开发了厌氧生物滤池(AF)1974年荷兰的Lettinga开发了上流式厌氧污泥床反应器（UASB）厌氧生物转盘、UASB+AF。（3）第三代厌氧反应器

1980年Switzenbaum等推出了厌氧附着膜膨胀床反应器（AAFEB）,还有厌氧流化床（AFB）；上世纪90年代后，出现了厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环反应器（IC）、升流式厌氧污泥床过滤器（UBF）。第二节厌氧生物处理的基本原理自上世纪30年代，厌氧消化过程被认为由不产甲烷的发酵性细菌和产甲烷的细菌共同进行的两阶段过程。酸性发酵阶段：发酵性细菌把复杂有机物进行水解发酵，形成脂肪酸、醇类、CO2和H2；甲烷发酵阶段：由产甲烷菌将第一阶段的发酵产物转化为CH4和CO2。1.两阶段理论：参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8-7.2不太敏感，最佳pH为5.5-7.0氧化还原电位Eh<-350mv（中温），<-560mv（高温）<-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30-38℃，50-55℃最佳温度：20-35℃在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（non-menthanogens）和产甲烷细菌（methanogens）。

与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentativebacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenicbacteria)和产甲烷细菌(methanogenicbacteria)的联合作用完成。参与消化的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌。2.四阶段理论复杂有机物碳水化合物，蛋白质，脂类简单溶解性有机物脂肪酸、醇类H2，CO2CH3COOHCH4+CO2水解发酵产氢、产乙酸菌同型产乙酸菌一组产甲烷菌，甲烷产量的30%另一组产甲烷菌，甲烷产量的70%水解阶段胞外酶作用产乙酸阶段水解在产氢产乙酸菌的作用下产甲烷阶段两组生理上不同的产甲烷菌发酵阶段酸化细菌1.水解阶段碳水化合物（脂肪、蛋白质）在水解菌作用下转化为糖类、脂肪酸、氨基酸等小分子有机质；2.发酵阶段梭状芽胞杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等。厌氧消化四阶段理论1979年由Bryant提出复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段：水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、产乙酸阶段、产甲烷阶段3.产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为了乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。4.产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用转化为甲烷以及甲烷菌的细胞物质；经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。注意点此过程由两组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l/3，后者约占2/3。上述四个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤；简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。3.甲烷菌的微生物学特征简介：甲烷菌属于古菌中的一类。古菌（Archaeobacteria）与原核微生物及其接近。研究利用基因分析手段发现，有一些特点与真核微生物相同。古菌的特点形态：薄、扁平、直角几何形态；细胞结构：组分特异性；含有内分子；代谢：特殊的辅酶，代谢多样性；呼吸类型：多为厌氧；繁殖速度:比细菌慢；生活习性：适应极端环境。古菌的分类按照生活习性和生理特性分为三大类：

产甲烷菌，嗜热嗜酸菌，极端嗜盐菌《伯杰氏系统细菌学手册》分为五大类群：

产甲烷古菌，古生硫酸盐还原菌，极端嗜盐菌，无细胞壁古生菌，极端嗜热硫代谢菌甲烷发酵理论与机制甲烷发酵理论先后提出了二阶段、三阶段和四阶段发酵理论。目前应用较多的仍是Bryant于1979年提出的四阶段发酵理论：第一阶段：有机酸的产生水解和发酵性细菌群将复杂有机物转化成有机酸：纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨；脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，例如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。微生物群落主要是水解和发酵性细菌群专性厌氧的：梭菌属（Clostridium）；拟杆菌属（Bacteriodes）；丁酸弧菌属（Butryrivibrio）；真细菌（Eubacterium）；双歧杆菌属（Bifidobacterium）革兰氏阴性杆菌兼性厌氧的有：链球菌；肠道菌第二阶段：乙酸和氢气的产生微生物群落：微生物群落为产氢、产乙酸细菌；只有少数被分离出来。硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细菌。产生过程：产氢和产乙酸细菌群进一步把第一阶段的产物分解为乙酸和氢气；硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细菌将第一阶段发酵的三碳以上的有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分解为乙酸和氢气。第三阶段：甲烷的产生微生物群落：两组生理不同的专性厌氧的产甲烷菌群一组将H2和CO2合成CH4；或CO和H2合成CH4另一组将乙酸脱羧生成CH4和CO2；或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解成CH4由于大部分甲烷和二氧化碳逸出，氨（NH3）以亚硝酸铵、碳酸氢铵形式留在污泥中，它们可中和第一阶段产生的酸，为产甲烷菌创造了生存所需的弱碱性环境。氨可被产甲烷菌用作氮源。第四阶段：同型产乙酸阶段概念：同型产乙酸细菌将H2和CO2转化为乙酸的过程，称为同型产乙酸阶段；产甲烷菌只能利用H2、CO2、CO、甲烷、乙酸、甲醇及甲基胺等简单物质产生甲烷和组成自身细胞物质。甲烷产生的机制：（1）由酸和醇的甲基形成甲烷1951和1957年用14C示踪原子标记乙酸的甲基碳原子证明甲烷是由甲基直接形成14CH3COOH414CH3OH1949年，用同位素标记的CO2使乙醇和丁醇氧化产生带同位素标记的甲烷，证实甲烷可由CO2还原形成。（2）由醇的氧化使CO2还原形成甲烷及有机酸（3）脂肪酸有时用水作还原剂或供氢体产生甲烷（4）利用H2使CO2还原形成甲烷4H2+CO2CH4+2H2O产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值4.厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及相互关系生长繁殖的底物创造适宜的氧化还原电位为产甲烷细菌清除了有毒物质产酸细菌为产甲烷细菌提供由外到内水解细菌、发酵细菌、氢细菌和乙酸菌、甲烷菌、硫酸盐还原菌、厌氧原生动物，其中产甲烷丝菌是厌氧活性污泥的中心骨架颗粒污泥的扫描电镜照片（运行180天）—产甲烷丝菌5.厌氧消化的影响因素由于产甲烷菌在厌氧处理的各个阶段中，对环境的影响最敏感，世代时间相对较长，甲烷化反应速度较慢，常作为厌氧消化过程的控制阶段，反应条件应重点满足甲烷菌的环境要求。（1）温度根据甲烷菌对于温度的适应性，可分为中温甲烷菌和高温甲烷菌两类。中温处理一般为33-36℃，高温处理为50-55℃。两区之间的温度，反应速度反而减退。工程上的厌氧反应器常有常温、中温、高温三种方式，分别称为常温消化、中温消化和高温消化。厌氧发酵对温度突变比较敏感，一般允许范围为±1.5-2.0℃。突然的温度变化会抑制消化速率，可使甲烷化严重受阻。（2）pH及碱度产甲烷菌适宜的pH值为7.0左右，大体在6.5-7.5之间。在消化系统中，如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速率超过产甲烷阶段，则pH会降低，影响甲烷菌的生活环境。反应器的pH值过低，常表现为挥发酸浓度过高；pH值过高，常见于NH4+浓度过高。消化系统中，消化液有一定的缓冲作用，缓冲剂是有机物分解过程中产生的，即消化液中的CO2（碳酸）及NH3（以NH3和NH4+的形式存在）。重碳酸盐（HCO3-）与碳酸H2CO3组成缓冲溶液。+HCO3-H2CO3H+H++NH3NH4+氧化还原电位是指一个体系中氧化剂和还原剂的相对强度，表示溶液的氧化或还原反应的能力，以伏特或毫伏来计量。

甲烷菌对氧化还原电位的要求一般为-330mV以下，但这个氧化还原电位通常是指常温条件的数值。可用于常温或中温反应器的设计与运行管理指标。但是在高温反应器中适宜的氧化还原电位要低得多，一般应低于-500mV。一般情况下，氧的溶入是引起发酵系统的氧化还原电位升高的主要和直接原因。但应注意，氧化剂或氧化物质的存在，同样可使氧化还原电位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+。（3）氧化还原电位（ORP）一般工程上主要控制进料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般认为，厌氧法中的碳、氮、磷的比例应控制在200-400:5:1为宜。其中以碳氮比的控制较为重要。碳氮比过高，不仅厌氧菌增值缓慢，而且消化液的缓冲能力较低，在有机负荷较高等情况下，pH容易下降。相反，若氮源过多，即碳氮比太低，氨化和反硝化过程将产生大量的氨，使pH值升高。当pH值升高到7.9以上时，会抑制产甲烷菌的活性，使消化效率降低。（4）营养比在厌氧法中，有机负荷通常是指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/m3.d）。此外也有用污泥负荷表达的，即kgCOD/kgVSS.d。

厌氧消化过程中，产酸阶段反应速率比产甲烷阶段反应速率快得多，必须十分谨慎的选择有机负荷，使挥发性脂肪酸的生成和消耗不致失调，形成挥发酸的积累。为保持系统的平衡，有机负荷不能过高。

厌氧生物处理可采用比好氧生物处理高得多的有机负荷，一般厌氧法为7-45kgCOD/m3.d，好氧为0.4-1.0kgCOD/m3.d。（5）有机负荷混合搅拌是高消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化器内，常有料液分层现象。搅拌可消除分层，促进基质与微生物间的传质速度和甲烷、二氧化碳等产物的逸出速度。搅拌的方法一般有：泵加水射器搅拌法；消化器循环搅拌法和混合搅拌法等。（6）搅拌和混合（1）重金属重金属离子对甲烷消化的抑制作用有两个方面：与酶结合，产生变性物质，使酶的作用消失；某些重金属离子及其氢氧化物的絮凝作用，使酶沉淀。（2）阴离子的毒害作用主要是指硫化物。硫酸盐浓度超过5000mg/L，即有抑制作用。硫过多，消化液中过多的H2S将释放出进入消化气中，降低消化气质量并腐蚀管道。（3）氨的毒害作用当NH4+的浓度超过150mg/L时，消化受到抑制。（4）氧氧对甲烷菌的毒害可分为两个阶段，即抑菌阶段和杀菌阶段。（7）有毒物质（1）应用范围广因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，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。6.厌氧生化法的优点（2）产生的沼气可用于发电或作为能源沼气中的主要成分是甲烷，含量50~75%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。（3）对营养物的需求量少

好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350~500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐。（4）产生的污泥量少，运行费用低

繁殖慢；不需要曝气（5）有杀菌作用

厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。7.厌氧生化法的缺点（1）出水的有机物浓度高于好氧处理；

发酵分解有机物不完全；（2）对温度变化较为敏感

工业中需要设置进水的控温装置，37℃。（3）厌氧微生物对有毒物质较为敏感但经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。（4）初次启动过程缓慢,处理时间长

好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要8~12周才可以培育成功。（5）处理过程中产生臭气和有色物质（为什么？）

臭气主要是SRB形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。SRB：sulfatereducingbacteria8.影响废水厌氧消化处理效果的因素（1）厌氧活性污泥中微生物的种类、组成、结构及污泥的颗粒大小。（2）能保证微生物生长条件的、结构好的厌氧消化池。

最根本，最重要的是微生物的种类和组成。第三节污水的厌氧生物处理方法一般地，可用BOD5/COD值作为有机物生物降解性的评价指标：BOD5/COD>0.40时为易生物降解；BOD5/COD>0.30时为可生物降解；BOD5/COD<0.30时为较难生物降解；BOD5/COD<0.20时为不宜生物降解。按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法；按投料、出料及运行方式分为分批式、连续式和半连续式；根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应器中并在同一工艺条件下完成，又可分为一步厌氧消化与两步厌氧消化等；厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式污泥床反应器等。工作原理2级(平流沉淀+厌氧污泥消化)缺点：污泥量少、易被带出，静态消化

用于处理来自厕所的粪便废水，或为生活污水的预处理——液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅式建筑。1.化粪池生活污水处理系统示意图

房屋下水管道废水排入化粪池，一些固体物质沉淀析出，并发生厌氧分解。污水在池内的停留时间一般为12~24h，澄清后的水流到分配槽，出水不能直接排入水体，常在绿地下设渗水系统或由排水管网输出、汇总进入下一步处理。化粪池污泥要定时清理。房屋下水管道化粪池分配槽渗水系统厌氧滤池（anaerobicfilter又称厌氧固定膜反应器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。

厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。2.厌氧滤池废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池；废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。厌氧生物滤池的特点在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中；废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，有机物去除速度快；厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的，在池进水部位高。对厌氧生物滤池采取如下改进：出水回流；部分充填载体；采用软性填料。厌氧生物滤池的特点微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；当废水中有机物浓度高时，特别是进水悬浮固体浓度和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobiccontactprocess)。3.厌氧接触法厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。厌氧接触法的特点:通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3·d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；厌氧接触法的特点:可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；混合液经沉降后，出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点脱气沉降的方法:真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能；热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却。絮凝沉降，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降；用超滤器代替沉淀池，以改善固液分离效果。（1）概述上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。污泥床反应器内没有人工载体，反应器内微生物以自身聚集生长，为颗粒污泥状态存在，因而能达到高生物量和高效高负荷。4.上流式厌氧污泥床反应器（2)工作原理由图可见，UASB工作时，废水从反应器底部进入，与污泥床层的高浓度颗粒污泥接触，污染物被分解产生沼气。污水、污泥和沼气一起向上流动，进入反应器的上部的三相分离器，完成气、液、固三相的分离。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层。出水则从澄清区流出。（3）UASB反应器的构造和组成（3）UASB反应器的构造和组成进水配水系统将废水尽可能均匀地分配到整个反应器，并有水力搅拌功能。反应区其中包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解。三相分离器由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把沼气、污泥和液体分开。UASB反应器的构造和组成出水系统其作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地加以收集，排出反应器。气室也称集气罩，其作用是收集沼气。浮渣清除系统其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣，根据需要设置。排泥系统其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥。

（4）特点优点：有机负荷居第二代反应器之首,水力负荷满足要求;污泥颗粒化后

使反应器对不利条件的抗性增强;反应器内污泥浓度高有机负荷高，水力停留时间短，反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应

区，一般无污泥回流设备；无混合搅拌设备污泥床内不填载体，提高了容积利用率，节省造价及避免堵塞问题。缺点：大型装置内会有短流现象（要求配水装置性能要好）进水SS要求≤200mg/L，以免对污泥颗粒化不利或减少反

应区的有效容积，甚至引起堵塞在没有颗粒污泥接种的情况下，启动时间长对水质和负荷突然变化比较敏感要求水温高些，最好35℃左右。（5）颗粒污泥定义：颗粒污泥（GranularSludge)是由菌体多样的自身固定化机制形成的高生物活性的一种生物聚体。厌氧污泥的主要聚集形式包括颗粒(granules)、团体(pellets)、絮体（flocs)、絮状污泥(nocculentsludge)等。团体和颗粒是结构紧密的聚集体，这些聚集体沉降后呈现固定的形态。絮体和絮状污泥则是具有蓬松结构的聚集体，这些聚集体沉降后无固定形态。三种类型的颗粒污泥：杆菌颗粒丝菌颗粒球菌颗粒颗粒污泥的形成原理：细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团污泥中存在大量的丝状菌，具有较强的附着能力消化可将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内分阶段进行。

第一段的功能是：水解和液化固态有机物为有机酸缓冲和稀释负荷冲击与