第三章_厭氧生物處理技術

1、 厭氧生物處理過程又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由多種微生物的共同作用，使有機物分解外生成CH4和CO2的過程。 厭氧消化三階段理論如下圖：一、厭氧處理的原理一、厭氧處理的原理分解乙酸產(chǎn)甲烷菌分解乙酸產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵性細菌發(fā)酵性細菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌酸細菌復雜有機物水解1簡單溶解性有機物發(fā)酵1脂肪酸、醇類、丙酸、丁酸、乳酸等氫氣、二氧化碳1231245乙酸甲烷、二氧化碳同型產(chǎn)乙酸菌同型產(chǎn)乙酸菌利用氫氣和二利用氫氣和二氧化碳產(chǎn)甲烷氧化碳產(chǎn)甲烷菌菌 如果有機污染物生物處理系統(tǒng)不如果有機污染物生物處理系統(tǒng)不充氧，由于好氧微生物活動造成厭氧充氧，由于好氧微生物活動造成厭氧環(huán)境，使厭氧微生物生長繁殖，最終

2、環(huán)境，使厭氧微生物生長繁殖，最終成為優(yōu)勢菌群，并對有機污染物進行成為優(yōu)勢菌群，并對有機污染物進行厭氧分解。厭氧分解。l 好氧與厭氧處理好氧與厭氧處理 與好氧生物處理相比較，厭氧生物處理與好氧生物處理相比較，厭氧生物處理的主要特征是：的主要特征是： (1)能量需求大大降低還可產(chǎn)生能量。能量需求大大降低還可產(chǎn)生能量。這是因為厭氧生物處理不要求供給氧氣，相這是因為厭氧生物處理不要求供給氧氣，相反卻能生產(chǎn)出含有反卻能生產(chǎn)出含有50一一70甲烷的沼氣，甲烷的沼氣，含有較高的熱值含有較高的熱值(21000一一25000KJm3)，可以用作能源?？梢杂米髂茉?。 (2)污泥產(chǎn)量極低。這是因為厭氧微生物污泥產(chǎn)量

3、極低。這是因為厭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)對溫度、對溫度、pH等環(huán)境因素更為敏感。等環(huán)境因素更為敏感。厭氧細菌可分為高溫菌和中溫菌兩大類。厭氧細菌可分為高溫菌和中溫菌兩大類。其適宜的溫度范圍分別為其適宜的溫度范圍分別為55左右和左右和35左右。如溫度降至左右。如溫度降至10以下，厭氧以下，厭氧微生物的活動能力將非常低。產(chǎn)甲烷菌微生物的活動能力將非常低。產(chǎn)甲烷菌的最適的最適pH范圍也較好氧菌為小。范圍也較好氧菌為小。 (4)處理后廢水有機物濃度高于好氧處理后廢水有機物濃度高于好氧處理。處理。 (5)厭氧微生物可對好氧微生物所不能降厭氧微生物可對好

4、氧微生物所不能降解的一些有機物進行降解解的一些有機物進行降解(或部分降解或部分降解)。 (6)處理過程的反應較復雜。如前所述，處理過程的反應較復雜。如前所述，厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物學過程，生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物學過程，遠比好氧生物處理中的微生物過程復雜。遠比好氧生物處理中的微生物過程復雜。 厭氧條件下，簡單有機物或無機物成為厭氧條件下，簡單有機物或無機物成為最終電子受體，而好氧條件下氧是最終電最終電子受體，而好氧條件下氧是最終電子受體。子受體。 兩者比較，厭氧分解過程產(chǎn)生的能量兩者比較，厭氧分解過程產(chǎn)生

5、的能量少，細胞產(chǎn)量和污染物分解速率低，有機少，細胞產(chǎn)量和污染物分解速率低，有機物只能進行不完全的分解，最后由產(chǎn)甲烷物只能進行不完全的分解，最后由產(chǎn)甲烷細菌作用而生成甲烷。細菌作用而生成甲烷。優(yōu)缺點優(yōu)缺點優(yōu)點：有機負荷高，產(chǎn)生的剩余污泥少，運有機負荷高，產(chǎn)生的剩余污泥少，運行費用低，對氮磷等需求低，產(chǎn)生甲烷可行費用低，對氮磷等需求低，產(chǎn)生甲烷可作為能源。作為能源。缺點：厭氧微生物生長慢，產(chǎn)生臭味，對進厭氧微生物生長慢，產(chǎn)生臭味，對進水水質(zhì)和操作控制要求高，對低濃度有機水水質(zhì)和操作控制要求高，對低濃度有機廢水處理效果低，出水水質(zhì)一般達不到規(guī)廢水處理效果低，出水水質(zhì)一般達不到規(guī)定的排放標準，需要進一

6、步處理。定的排放標準，需要進一步處理。 應用應用 可以處理高濃度的有機廢水，也能處可以處理高濃度的有機廢水，也能處理中低濃度的廢水；理中低濃度的廢水； 廣泛應用于食品、釀造、有機化工和廣泛應用于食品、釀造、有機化工和制藥等工業(yè)廢水處理。制藥等工業(yè)廢水處理。 1 1、發(fā)酵細菌、發(fā)酵細菌( (產(chǎn)酸細菌產(chǎn)酸細菌) ) 主要包括梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真主要包括梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真細菌屬和雙歧桿菌屬等。細菌屬和雙歧桿菌屬等。 這類細菌的主要功能是先通過這類細菌的主要功能是先通過胞外酶胞外酶的作用將的作用將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將

7、可溶性的大分子有機物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等。大分子有機物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等。 發(fā)酵細菌大多數(shù)為發(fā)酵細菌大多數(shù)為專性厭氧菌專性厭氧菌，但也有大量兼，但也有大量兼性厭氧菌。按照其代謝功能，發(fā)酵細菌可分為纖維性厭氧菌。按照其代謝功能，發(fā)酵細菌可分為纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌和脂肪分解菌等。分解菌和脂肪分解菌等。 除發(fā)酵細菌外，在厭氧消化的發(fā)酵階段，也可除發(fā)酵細菌外，在厭氧消化的發(fā)酵階段，也可發(fā)現(xiàn)真菌和為數(shù)不多的原生動物。發(fā)現(xiàn)真菌和為數(shù)不多的原生動物。二、厭氧處理微生物二、厭氧處理微生物 2 2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌 研

8、究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌包括互營研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬等。等。 這類細菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為這類細菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和乙酸和H2。 只有在乙酸濃度低、液體中氫分壓也很只有在乙酸濃度低、液體中氫分壓也很低時才能完成。低時才能完成。3 3、產(chǎn)甲烷細菌、產(chǎn)甲烷細菌 產(chǎn)甲烷菌大致可分為兩類：產(chǎn)甲烷菌大致可分為兩類： 一類主要利一類主要利用乙酸產(chǎn)生甲烷，另一類數(shù)量較少，利用氫用乙酸產(chǎn)生甲烷，另一類數(shù)量較少，利用氫和和CO2的合成生成甲烷。也有極少量細菌，的合成生成甲烷。也有極少量細菌，既能利用乙酸

9、，也能利用氫。既能利用乙酸，也能利用氫。 以下是兩個典型的產(chǎn)甲烷反應：以下是兩個典型的產(chǎn)甲烷反應：氧和氧化劑對產(chǎn)甲烷菌有很強的毒害作用。氧和氧化劑對產(chǎn)甲烷菌有很強的毒害作用。4 4、厭氧微生物群體間的關系、厭氧微生物群體間的關系 在厭氧生物處理反應器中不產(chǎn)甲在厭氧生物處理反應器中不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷茵烷菌和產(chǎn)甲烷茵相互依賴相互依賴，互為對方創(chuàng)，互為對方創(chuàng)造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境和造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境和條件。但又條件。但又相互制約相互制約。厭氧微生物群體。厭氧微生物群體間的相互關系表現(xiàn)在以下幾個方面：間的相互關系表現(xiàn)在以下幾個方面： A、不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌提供生、不產(chǎn)甲烷

10、細菌為產(chǎn)甲烷細菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)；長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)； B、不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌創(chuàng)造適、不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件；宜的氧化還原條件； C、不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌清除有、不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌清除有毒物質(zhì)；毒物質(zhì)； D、產(chǎn)甲烷細菌由為不產(chǎn)甲烷細菌的生、產(chǎn)甲烷細菌由為不產(chǎn)甲烷細菌的生化反應解除反饋抑制；化反應解除反饋抑制； E、不產(chǎn)甲烷細菌和產(chǎn)甲烷細菌共同維持、不產(chǎn)甲烷細菌和產(chǎn)甲烷細菌共同維持環(huán)境中適宜的環(huán)境中適宜的pH值。值。三、厭氧處理的影響因子三、厭氧處理的影響因子pH6.87.2溫度（中溫溫度（中溫35、高溫、高溫55 ）營養(yǎng)鹽營養(yǎng)鹽毒物毒物高

11、濃度的離子以及其他有機毒物高濃度的離子以及其他有機毒物氧濃度（厭氧菌的生活環(huán)境）氧濃度（厭氧菌的生活環(huán)境）氧化還原電位氧化還原電位食料微生物比食料微生物比溫度因素溫度因素溫度與有機物負荷、產(chǎn)氣量關系見圖1 消化溫度與消化時間的關系見圖2厭氧消化中的微生物對溫度的變化非常敏感，溫度的突然變化，對沼氣產(chǎn)量有明顯影響，溫度突變超過一定范圍時，則會停止產(chǎn)氣。 根據(jù)采用消化溫度的高低，可以分為常溫消化（1030 ）、中溫消化（35左右）和高溫消化（55左右）。攪拌和混合攪拌和混合 攪拌可使消化物料分布均勻物料分布均勻，增加微生物與物料的接觸，并使消化產(chǎn)物及時分離，從而提高消化效率、增加產(chǎn)氣量。同時，對消

12、化池進行攪拌，可使池內(nèi)溫度均勻溫度均勻，加快消化速度，提高產(chǎn)氣量。 消化池在不攪拌的情況下，消化料液明顯地分成結殼層、清液層、沉渣層，嚴重影響消化效果。 污水處理廠污泥厭氧消化池的厭氧消化攪拌方法包括機械攪拌、泵循環(huán)、氣體攪拌等。機械攪拌時機械攪拌器安裝在消化池液面以下，定位于上、中、下層皆可，如果料液濃度高，安裝要偏下一些；泵循環(huán)指用泵使沼氣池內(nèi)的料液循環(huán)流動，以達到攪拌的目的；氣體攪拌，將消化池產(chǎn)生的沼氣，加壓后從池底部沖入，利用產(chǎn)生的氣流，達到攪拌的目的。機械攪拌適合于小的消化池，液攪拌和氣攪拌適合于大、中型的沼氣工程。 營養(yǎng)與營養(yǎng)與C/N比比 厭氧消化原料在厭氧消化過程中既是產(chǎn)生沼氣的

13、基質(zhì)，又是厭氧消化微生物賴以生長、繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)。這些營養(yǎng)物質(zhì)中最重要的是碳素和氮素碳素和氮素兩種營養(yǎng)物質(zhì)，在厭氧菌生命活動過程中需要一定比例的碳素和氮素。表1給出了常用沼氣發(fā)酵原料的碳氮比。原料C/N比過高，碳素多，氮素養(yǎng)料相對缺乏，細菌和其他微生物的生長繁殖受到限制，有機物的分解速度就慢、發(fā)酵過程就長。若C/N比過低，可供消耗的碳素少，氮素養(yǎng)料相對過剩，則容易造成系統(tǒng)中氨氮濃度過高，出現(xiàn)氨中毒。 各種廢物的碳氮比（C/N） 原料碳氮比原料碳氮比大便(610):1廚房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛廄肥18:1初沉池污泥5:1鮮馬糞24:1二沉池污泥10:1鮮羊糞 29:1鮮豬糞

14、13:1氨氮 厭氧消化過程中，氮的平衡是非常重要的因素。消化系統(tǒng)中的由于細胞的增殖很少，故只有很少的氮轉(zhuǎn)化為細胞，大部分可生物降解的氮都轉(zhuǎn)化為消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的濃度都高于進料中氨氮的濃度。實驗研究表明，氨氮對厭氧消化過程有較強的毒性或抑制性，氨氮以NH4+及NH3等形式存在于消化液中，NH3對產(chǎn)甲烷菌的活性有比NH4+更強的抑制能力。 有毒物質(zhì) 揮發(fā)性脂肪酸（VFA）是消化原料酸性消化的產(chǎn)物，同時也是甲烷菌的生長代謝的基質(zhì)。一定的揮發(fā)性脂肪酸濃度是保證系統(tǒng)正常運行的必要條件，但過高的VFA會抑制甲烷菌的生長，從而破壞消化過程。 有許多化學物質(zhì)能抑制厭氧消化過程中微生物的生命活動

15、，這類物質(zhì)被稱為抑制劑。抑制劑的種類也很多，包括部分氣態(tài)物質(zhì)、重金屬離子、酸類、醇類、苯、氰化物及去垢劑等。對厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì)對厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì) 對厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì)對厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì)抑制物質(zhì)濃度/(mg/L)抑制物質(zhì)濃度/(mg/L)揮發(fā)性脂肪酸2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500酸堿度、pH值和消化液的緩沖作用 厭氧微生物的生命活動、物質(zhì)代謝與pH有密切的關系，pH值的變化直接影響著消化過程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不

16、同的pH值，過高或過低的pH對微生物是不利的，表現(xiàn)在：1由于pH的變化引起微生物體表面的電荷變化，進而影響微生物對營養(yǎng)物的吸收；2pH除了對微生物細胞有直接影響外，還可以促使有機化合物的離子化作用，從而對微生物產(chǎn)生間接影響，因為多數(shù)非離子狀態(tài)化合物比離子狀態(tài)化合物更容易滲入細胞；3pH強烈地影響酶的活性，酶只有在最適宜的pH值時才能發(fā)揮最大活性，不適宜的pH值使酶的活性降低，進而影響微生物細胞內(nèi)的生物化學過程。 四、厭氧處理的主要方法四、厭氧處理的主要方法核心：厭氧反應器工藝流程包括：厭氧處理的基本流程廢水調(diào)節(jié)池熱交換器氣柜氣柜厭氧反應器厭氧反應器沉淀池沉淀池出水回流污泥剩余污泥371 1）普

17、通厭氧反應器）普通厭氧反應器 （APAP）也稱普通消化池無輔助攪拌設施，固體停留時間3060d；溫度不到30的低濃度有機廢水、水量變化很大或間歇排除或毒物負荷波動等情況下的廢水，需要較大的反應體積；普通厭氧反應器普通厭氧反應器 厭氧反應器的類型厭氧反應器的類型2 2）厭氧接觸反應器）厭氧接觸反應器排出的混合液在沉淀池中分離后回流到反應器中有效處理的關鍵在于污泥沉淀性能和污泥分離效率圖圖2-8 厭氧接觸反應器厭氧接觸反應器3 3）厭氧污泥床反應器）厭氧污泥床反應器特點： 沒有載體，絮狀污泥在上升水流和氣沒有載體，絮狀污泥在上升水流和氣泡的作用下處于懸浮狀態(tài)。泡的作用下處于懸浮狀態(tài)。上流式厭氧污泥

18、床反應器（上流式厭氧污泥床反應器（UASB）是其中）是其中的一種，已經(jīng)得到廣泛應用。的一種，已經(jīng)得到廣泛應用。4 4）厭氧固定膜反應器）厭氧固定膜反應器 類似于好氧生物膜反應器，填料固定。5 5）厭氧流化床反應器）厭氧流化床反應器 類似于好氧流化床生物膜反應器，載體通常為沙粒、活性炭，懸浮，處理有毒物質(zhì)效果較好項目項目好氧處理好氧處理厭氧處理厭氧處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、好氧塘法厭氧消化法、厭氧生物膜厭氧消化法、厭氧生物膜法、厭氧塘法法、厭氧塘法起主要作起主要作用微生物用微生物類群類群1.活性污泥法活性污泥法好氧呼吸細菌是降解的主力，原生好氧呼吸細菌是降解的主力，原生動物、后生動物影響出水水質(zhì)，絲動物、后生動物影響出水水質(zhì)，絲狀細菌、真菌異常生長會導致污泥狀細菌、真菌異常生長會導致污泥膨脹膨脹厭氧微生物群體起主要作厭氧微生物群體起主要作用：發(fā)酵細菌水解不溶性用：發(fā)酵細菌水解不溶性有機物，將可溶性大分子有機物，將可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸或醇有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸或醇類；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將揮類；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和氫；產(chǎn)甲烷菌利用乙酸產(chǎn)氫；產(chǎn)甲烷菌利用乙酸產(chǎn)生甲烷，少部分利用氫和生甲烷，少部分利用氫和二氧化碳合成甲烷二氧化碳合成甲