中农大环境微生物学课件第11章 废水厌氧生物处理

第11章废水厌氧生物处理一、厌氧处理法的特点和类型二、厌氧消化的基本生化过程与参与微生物三、产甲烷菌及其生理特性四、厌氧颗粒污泥一、厌氧处理法的特点和类型厌氧处理法

(anaerobic

treatment

process)是在缺氧条件下利用厌氧微生物(包括兼性微生物)分解污水中有机物的方法，也称厌氧消化法

(anaerobic

digested

process)

。厌氧处理法的优点有机负荷高，去除效率高。能源动力消耗少，且产能。剩余污泥量少。设备投资少，运行费用低。

厌氧污泥可长期贮存，为季节性或间歇式运行提供方便。厌氧处理法的缺点污泥增加缓慢，启动时间长出水一般达不到排放标准。操作控制因素较为复杂，沼气易燃厌氧处理法的主要类型常规消化池或普通消化池(conventionaldigester)厌氧接触消化池

(anaerobiccontactdigester)厌氧滤器

(anaerobic

filter,

AF)升流式厌氧污泥层

(upflow

anaerobic

sludgeblanket

，UASB)化粪池Donald(1895年)里程碑最早采用的二级消化池传统消化池加盖密封标志着现代废水厌氧处理工艺的诞生厌氧接触工艺(1956年)厌氧污泥层具有划时代的意义UASB厌氧污泥厌氧消化总过程有机物——→

CH4+CO2+NH3+H2S二、厌氧消化的基本生化过程与参与微生物水

解阶

段

(

hydrolysis

phase)

或

液化

阶段 (liquefaction

phase)发酵阶段(产酸阶段)(acid

formation

phase)甲烷产生阶段

(methane

formation

phase)厌氧消化过程分成三个阶段水解菌 发酵菌 产乙酸菌不溶解有机物——→可溶性有机物——→挥发性酸类——→甲烷菌乙酸，H2

，CO2——→气体在此过程中有四类微生物参与：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌和产甲烷菌。厌氧消化过程第一阶段：水解阶段——水解菌

在这个阶段水解细菌产生胞外酶，将有机大分子物质水解成为小分子的可溶性物质。

水解蛋白质、糖类和脂肪的速度很快，然而水解纤维素和其它复杂化合物速度就比较慢。

一般水解菌以兼性厌氧菌为主，专性厌氧菌所占比例较小。第二阶段：酸化阶段蛋白质、脂肪和糖类水解后，进一步转化成的代谢产物是挥发性有机酸如乙酸、丙酸、乳酸，还有甲醇和其它简单的醇类以及CO2和H2等。基质——→乙酸+CO2

+H2O

基质——→丙酸+丁酸+乙醇在较低的H2分压下前一个反应占优势，在较高的H2分压(>0.0001

atm)下后一个反应占优势。第二阶段：酸化阶段(续)——产乙酸菌有机酸等水解产物，再由产乙酸细菌

(acetogenicbacteria)进一步转化为乙酸和H2

、CO2

，供下一步骤使用。丙酸＋2H2O→乙酸+CO2+3H2-能丁酸+2H2O→2乙酸+2H2

-能乙醇+H2O→乙酸+2H2

-能某些产乙酸菌如醋酸梭菌可将H2和CO2合成为乙酸。H2

+CO2

→乙酸-能反应ΔG0’,(kJ/反应)丙酸-乙酸丁酸-乙酸乙醇-乙酸乳酸-乙酸CH3

CH2

COO-+3H2

O

CH2

COO-+HCO3

-+3H2

+H+

CH3

CH2

CH2

COO-+2H2

O

2CH2

COO-+2H2

+2H+

CH3

CH2

OH+2H2

O

CH2

COO-+2H2

+H+

CH3

CHOHCOO-+2H2

O

CH2

COO-+

HCO3

-+2H2

+H++76.1+48.1+9.6-4.2中间代谢产物丙酸、丁酸、乙醇等在厌氧条件下降解为乙酸和氢，在标准状况下是吸收能量的。因此只有生成的氢不断消耗，使氢分压维持在很低的水平，反应才能得以进行。第三阶段：产甲烷阶段——产甲烷菌在产甲烷菌(methanogen)的作用下，最终转化为甲烷和其它终产物。产甲烷菌是专性厌氧菌，它的生长速度比第一、二阶段的细菌的生长速度一般要慢，故认为它是一个重要的限制步骤。产甲烷的两种方式(1)解乙酸菌利用乙酸产生甲烷CH3COO-+H2O——→CH4+HCO-3

+能乙酸或乙酸盐是产甲烷菌的重要底物，大约有70％的甲烷来源于乙酸及其盐类。解乙酸菌比产乙酸菌有较长的世代时间，即2~3天对2~3小时(适宜条件，35℃)。因此厌氧消化池不能接受太高的有机负荷。它除了产甲烷外，还降低了消化池内酸度。产甲烷的两种方式(2)利用氢的甲烷菌合成甲烷4H2

+HCO-3

+H+——→CH4

+3H2O+能这个反应在厌氧消化作用中很重要，它可以维持系统中较低的氢分压。反应ΔG0

’,(kJ/molCH4

)4H2

+CO2CH4

+2H2

O-1314H++4HCOO

CH4

+3CO2

+2H2

O-119.54H2

O

+4CO

CH4

+3CO2-185.54CH3

OH

3CH4

+CO2

+

2H2

O-1034CH3

NH3

+

+2H2

O

3CH4

+CO2

+

4NH4

+-742(CH3

)2

NH2

+

+2H2

O

3CH4

+CO2

+2NH4

+-744CH3

COO

+H+

CH4

+CO2-32.54CH3

CHOHCH3

+HCO3

+H+

4CH3

COCH3

+CH4

+3H2

O-36.5甲烷形成中的能量释放生成甲烷的过程是放能反应。互养共栖(互营)和种间氢转移互养共栖

(syntrophy)

是指两种和多种有机体共同利用某种有机物。在大多数互养共栖反应中，涉及到一种微生物产生氢气，另一种微生物消耗氢气，因此这种共

栖

也

称

为

种

间

氢

转

移

(

interspecies

Htransfer)

。互营联合产氢产乙酸菌为产甲烷菌提供乙酸产氢气，促进产甲烷菌的生长。产甲烷菌由于能利用分子氢而降低环境中的氢分厌，有利于产氢产乙酸细菌的生长。产氢产乙酸菌只有在耗氢微生物(产甲烷菌)共生的情况下，才能将长链脂肪酸降解为乙酸和氢，并获得能量而生长，这种产氢微生物与耗氢微生物间的共生现象称为互营联合(Syntrophic

association)乙醇发酵

2CH3CH2OH

+

2H2O 4H2

+

2CH3COO-+2H+-能(△G0’=19.4KJ/mol)CH4

+2H2O+能(△

甲烷生成

4H2

+CO2G0’=-130.7KJ/mol)互养偶联反应2

CH3CH2OH

+

CO2

CH4

+2CH3COO-+2H++能(△G0’=-111.3KJ/mol)

前一个反应为需能反应，后一个反应为放能反应，两个反应和为放能反应，支持互养两种菌生长。例乙醇发酵产生乙酸最终生成甲烷的过程除了乙醇，在研究中发现，土壤及厌氧反应器中乙酸、丙酸、丁酸在转化为甲烷的过程中都存在互营联合。在厌氧消化器中还有另一种专性厌氧菌——硫酸还原菌脱硫弧菌属(Desulfovibrio)，在没有硫酸条件下，它与产甲烷菌互养，显示产氢产酸的功能。如以乙醇、乳酸为基质转化为乙酸和H2

、CO2。脱硫弧菌CH3CH2OH

+

H2OCH3CHOHCOOH

+H2OCH3COOH+2H2

+能脱硫弧菌CH3COOH+CO2

+2H2

+能与硫酸还原菌(SRB)竞争利用H2但是如生活在富含硫酸盐的废水和其他生境，它们也利用乙酸盐和H2

作为基质，不生成CH4，而是硫化氢。4H2

+SO42-+H+

HS-+4H2O+能CH3COO-

+

SO42-

+3H+

2CO2+

H2S

+

2H2O+能乙酸乙酸CH

4+CO有机物降解形成甲烷的过程有机物(糖类、蛋白质、脂肪等)小分子有机物丙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇等4%20%24%52%76%

H

2+CO

2

H

+2

CO水解22马泽氏甲烷八叠菌

(Methanosarcinamazei)三、产甲烷菌及其生理特性产甲烷菌在自然环境中分布很广泛，不仅存在于沼气池中，还存在于很多动物的消化道内、湖泊河流的沉积物中、沼泽地中。产甲烷菌属于古菌，是很大一类细菌。形态有杆菌、球菌、螺旋菌等形态。产甲烷菌利用的基质都只限于一碳

(H2/CO2，CH3OH，CO,HCOOH和CH3NH2)和二碳(CH3COOH)化合物代谢。产甲烷菌需要严格的厌氧环境，氧还电位要低于-300

mV下才能生长。它们只需要简单的营养条件，如NH3和H2S。氨是生长不可缺少的氮源。硫化物是最常见的硫源，但也有些种可利用半胱氨酸。Methanogenesis

fromCO2

plus

H2名称辅酶F420辅酶F430甲烷呋喃(MF)甲烷喋呤(MP)辅

酶M(CoM)辅酶HS-HTP结构与黄素辅酶FMN相似含镍的四吡咯低分子量辅酶(含呋喃)与维生素B6

(叶酸)相似2-巯基乙烷磺酸7-巯基庚酰苏氨酸磷酸盐,与泛酸相似作用低还原电位的双电子载体,氢化酶和NADP+还原酶的辅酶与甲烷形成的最后一步有关与CO2

转化为甲烷的第一步反应有关，C1

载体C1

载体甲基基团携带者(C1载体),参与甲烷形成最后一步递氢体,参与甲烷形成的最后一步甲烷菌特有的辅酶独特的辅酶辅酶F420作为电子传递体。它是一种递氢体，与其它递氢体相比，它要在更低的氧还电位下起作用(E0=-373mV,pH

7)。由于它在光谱420

nm处具有最大吸收峰而得名。它在还原状态时可以发出青蓝色荧光。在反射式荧光显微镜下可以以此清楚地分辨出混合培养物中的产甲烷菌。在荧光显微镜下观察到的甲烷菌，由于电子载体F420存在使其发出蓝光

巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina

barkeri)甲酸甲烷杆菌(Methanobacteriumformicicum)四、厌氧颗粒污泥颗粒污泥结构及其微生物组成UASB反应器中的污泥反应器的运行效果取决于沉降性能良好、高产甲烷活性的厌氧污泥—颗粒状形成颗粒污泥的重要性：提高沉降性，保持反应器内高生物量

较长的SRT，将SRT与HRT分离，可以缩短HRT，提高处理能力

颗粒污泥的结构为产酸和产甲烷菌分别提供适宜而稳定的生存条件。颗粒污泥中形成微小的生态群落，缩短了各类菌之间的距离，便于种间氢转移

颗粒污泥的形成为更高处理效能的反应器(EGSB、IC)开发成为可能。五、厌氧消化处理的工艺条件厌氧条件(氧化还原电位＜-300mv)温度pH值物料中的碳、氮、磷比有机负荷污泥浓度接种搅拌有毒物质温度厌氧消化的范围在5℃~60℃。但10℃以下产气量极低。厌氧处理一般分常温(10℃~34℃)，中温 (35℃~40℃)和高温(50~55℃)三种类型。一般来说，温度较高厌氧消化的效率也高，但也不尽然。如在35℃左右和53℃左右可分别获得较高的处理效率，但是在45℃附近相对处理效率较低。厌氧菌的最适温度 根据最适温度可将厌氧细菌分为嗜热菌(高温菌)