第四章 厭氧生物處理

厭氧生物處理本章內(nèi)容

1厭氧生物處理原理

2厭氧反應(yīng)器

3厭氧生物處理數(shù)學(xué)模型

4硫酸鹽還原

5厭氧產(chǎn)氫

1厭氧生物處理原理1.1厭氧處理優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)(1)應(yīng)用范圍廣高濃度：15000mg/L(BOD)低濃度：200～300mg/L(BOD)(2)能耗低、不需充氧(3)剩余污泥少好氧：0.4～0.6kg生物量/kgCOD去除厭氧：0.15～0.2kg生物量/kgCOD去除(4)沼氣可以利用：產(chǎn)沼氣：0.35～0.45m3/kgCOD去除沼氣熱值：21000～25000KJ/m3(5)營(yíng)養(yǎng)需求量小：好氧：BOD:N:P=100:5:1厭氧：BOD:N:P=300:5:1(6)間歇運(yùn)行可以持續(xù)保持活性厭氧顆粒污泥可以保持1年以上(7)可以分解一些好氧難以降解的化合物(8)厭氧產(chǎn)氫可以成為新的能源缺點(diǎn)：(1)啟動(dòng)慢(2)出水水質(zhì)不如好氧，一般需要后處理(3)管理水平要求高，需要防爆10%2厭氧生物處理原理2.2厭氧發(fā)酵與厭氧呼吸：厭氧發(fā)酵：電子供體和電子受體都是有機(jī)物；厭氧呼吸：無機(jī)氧化物作為最終電子受體；厭氧發(fā)酵：發(fā)酵途徑及酶系統(tǒng)有氧呼吸O2H2O硝酸鹽還原NO3－NO2－

N2硫酸鹽還原SO2-4S2－(HS－、H2S)硫呼吸S0S2－碳酸鹽呼吸CO2、HCO3－CH3COO-鐵呼吸Fe3+Fe2+(產(chǎn)甲烷)CO2、

HCO3－、CH4氧化還原電位2.2厭氧發(fā)酵與厭氧呼吸2、厭氧生物處理原理2.2厭氧處理過程及微生物：

美國(guó)微生物學(xué)會(huì)采用Eh來厭氧和好氧過程:（1980年）：好氧：－50～＋300mv兼性厭氧：－420～＋300mv專性厭氧：－420～－150mv2.2厭氧處理過程及微生物：厭氧生物處理過程：上世紀(jì)三十年代人們的認(rèn)識(shí)：兩階段2.2厭氧處理過程及微生物：厭氧生物處理過程：上世紀(jì)七十年代人們的認(rèn)識(shí)：三階段2.2厭氧處理過程及微生物：厭氧微生物：（1）不產(chǎn)甲烷菌（2）產(chǎn)甲烷菌（1）不產(chǎn)甲烷菌①發(fā)酵細(xì)菌：（水解、發(fā)酵）胞外酶的作用→小分子→在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化成為簡(jiǎn)單化合物→分泌到體外Eh:－100～＋100mv

2.2厭氧處理過程及微生物：水解過程動(dòng)力學(xué)：

Kh—水解常數(shù)

ρ—可降解非溶解性基質(zhì)濃度

（mg/L）2.2厭氧處理過程及微生物：水解產(chǎn)物：VFA（揮發(fā)性脂肪酸：乙、丙、丁酸……..)醇、CO2、H2、氨、H2S②產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌

發(fā)現(xiàn)：奧氏產(chǎn)甲烷“S”菌株是產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的共生體。甲烷乙醇丁酸丙酸0－40－80ΔG/KJlgPm/atm0－4－8+40+80共生：“種間氫轉(zhuǎn)移”，氫在0.5s內(nèi)被消耗，傳遞距離僅0.1mm。（2）產(chǎn)甲烷菌（a）產(chǎn)甲烷菌的分類

伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)（第九版）：產(chǎn)甲烷菌：3目、6科、13屬、43個(gè)種（1991年，共分離到65個(gè)種）3目：甲烷桿菌、甲烷球菌、甲烷微菌6科：甲烷桿菌、甲烷熱菌、甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷八疊球菌、甲烷盤菌。（還有部分未定科、未定目和科）

(b)產(chǎn)甲烷菌特性：（1）細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)和多糖（2）細(xì)胞膜：沒有甘油脂（3）碳源：目前證明只有8種物質(zhì)可以被甲烷菌所利用：

CH3-COO-、HCOO-、CH3OH、CH3-NH2-、(CH3)2NH、(CH3)3-N、CO、

CO2、

(4)產(chǎn)甲烷菌的特殊酶系統(tǒng)：

CH3COOHCO2CH3OH甲基輔酶M甲基還原酶（F420)CH4

（5）氧化還原電位Eh：<-330mv（6）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮源：利用氨態(tài)氮生長(zhǎng)因子：10種水溶性微生物微量元素：Ni、Co、Fe（7）繁殖：倍增時(shí)間：4～6天（8）溫度：中溫菌：30～40oC高溫菌：50～57oC特別嗜高溫菌：65～97oC

（9）pH值：產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH變化適應(yīng)性差最佳pH為6.6～7.5厭氧體系的酸堿平衡：碳酸的離解：pH=pK1+lg[HCO3-]/[H2CO3]pK1=6.3CO2的溶解：[HCO3-]=KhPCO2Kh－亨利常數(shù)(mol/atm)其它：H2S/HSpK1=6.5H2PO4/HPO42-pK1=7.2μ/d-1乙酸濃度/mmol/L產(chǎn)甲烷八疊球菌產(chǎn)甲烷絲菌動(dòng)力學(xué)特性：(3)硫酸鹽還原菌（SRB）1895年Beijerinck發(fā)現(xiàn)：利用H的硫酸鹽還原菌利用乙酸的硫酸鹽還原菌利用高級(jí)脂肪酸的硫酸鹽還原菌SRB特點(diǎn)：利用基質(zhì)的范圍廣：甲酸～十八烷脂肪酸芳香族酸、甘油、多糖營(yíng)養(yǎng)：有機(jī)物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽pH:4.5～9.5,最佳：6.5～8.0氧化還原電位：Eh<-100mv(3)硫酸鹽還原菌（SRB）鹽度：嗜鹽和非嗜鹽嗜鹽菌：1～3％（以NaCl計(jì)）代謝：碳源酶CO2H2OCH3COOH產(chǎn)生ATPSO42-

+H2O消耗ATPS2-

+OH-4H2+SO42- H2S

+2H2O+2OH-CH3COO-

+SO42- HS-+2HCO3-硫酸鹽還原反應(yīng)：優(yōu)點(diǎn)：促進(jìn)有機(jī)物的酸化分解

缺點(diǎn)：與甲烷菌競(jìng)爭(zhēng)基質(zhì)，抑制甲烷菌生長(zhǎng)表1.細(xì)菌的糖降解生化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化從理論上來講，每1mol葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙酸，可以同時(shí)生成4molH2；每1mol葡萄糖轉(zhuǎn)化為丁酸可以同時(shí)生成2molH2；而如果產(chǎn)物為丙酸、乳酸等，則沒有H2產(chǎn)生。發(fā)酵產(chǎn)氫厭氧產(chǎn)氫微生物大自然環(huán)境中能夠通過厭氧發(fā)酵方式產(chǎn)氫的細(xì)菌種類很多。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫微生物主要包括:①專性厭氧的異養(yǎng)微生物，包括梭菌屬(Clostrid

ium)、甲基營(yíng)養(yǎng)菌(Methy

lotrophs)、產(chǎn)甲烷菌(Methanogenicbacteria)、瘤胃細(xì)菌(Rumenbacteria)以及一些古細(xì)菌(Archaea)等；②兼性厭氧菌，能夠通過分解甲酸的代謝途徑產(chǎn)氫。包括大腸桿菌(Escherichiacoli)和腸桿菌屬(Enterobacter)等。目前,研究較多的產(chǎn)氫細(xì)菌種類有梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)，如丁酸梭狀桿菌(Clostrid

ium

bu

tyricum)和拜氏梭狀芽孢桿菌(Clostrid

ium

pasteurianum)等；腸道芽孢桿菌屬(Enterobacter)，如產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacteraerogenes)和陰溝腸桿菌(Enterobacter

cloacaecae)等。不同種類的微生物對(duì)同一有機(jī)底物的產(chǎn)氫能力不同，通常嚴(yán)格厭氧菌高于兼性厭氧菌。另外，同種微生物不同菌株的產(chǎn)氫能力也存在差異。3厭氧生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)復(fù)雜顆粒性物質(zhì)的分解速率=kdisXc顆粒性碳水化合物的水解速率=khyd,chXch顆粒性蛋白質(zhì)的水解速率=khyd,prXpr顆粒性脂類的水解速率=khyd,liXli式中：Xc－復(fù)合顆粒性物質(zhì)，gC/L；Xch－顆粒性碳水化合物，gC/L；Xpr－顆粒性蛋白質(zhì)，kgCOD/m3；Xli－顆粒性脂類，gC/L；kdis－復(fù)合顆粒性物質(zhì)的分解速率常數(shù)，d-1；khyd,c－顆粒性碳水化合物的水解速率常數(shù)，d-1；khyd,pr－顆粒性蛋白質(zhì)的水解速率常數(shù)，d-1；khyd,li－顆粒性脂類的水解速率常數(shù)，d-1；顆粒性物質(zhì)的水解發(fā)酵產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段的動(dòng)力學(xué)都采用了Monod形式。

——底物去除速率，質(zhì)量/(體積?時(shí)間)；

k－單位質(zhì)量底物的最大利用速率，質(zhì)量/(細(xì)菌質(zhì)量?時(shí)間)；

S－可降解的底物量，質(zhì)量/體積；

Ks－半速常數(shù)，即在生長(zhǎng)速率等于最大生長(zhǎng)速率1/2時(shí)的底物濃度，質(zhì)量/底物體積；

X－細(xì)菌濃度，質(zhì)量/體積。3厭氧生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Eckenfelder方程3厭氧生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Andrews方程當(dāng)未離解揮發(fā)性脂肪酸為基質(zhì)，濃度[HS]

Ki——抑制系數(shù)4厭氧產(chǎn)氣的化學(xué)計(jì)量學(xué)VCH4＝0.35（Q·Sr—1.42ΔX）×10-3(m3/dSPT)

Sr—去除的BODu或CODb(kg/m3)

Q—污水流量(m3/d)

ΔX—厭氧微生物增長(zhǎng)量(kg/d)微生物：C5H7O2N+5O2→5CO2-+H2O+NH34厭氧產(chǎn)氣的化學(xué)計(jì)量學(xué)VCH4＝0.35（Q·Sr—1.42ΔX）×10-3(m3/dSPT)

微生物氧化：C5H7O2N+5O2→5CO2-+2H2O+NH3

113160

O2/微生物＝160/

113=1.42（kgBODu

/kg微生物）

VCH4＝0.35（Q·Sr—1.42ΔX）×10-3(m3/dSPT)

甲烷氧化：CH4