第三章_厭氧生物處理技術(shù)

1、 厭氧生物處理過(guò)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(jī)物分解外生成CH4和CO2的過(guò)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(xì)菌發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌酸細(xì)菌復(fù)雜有機(jī)物水解1簡(jiǎn)單溶解性有機(jī)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(jī)污染物生物處理系統(tǒng)不如果有機(jī)污染物生物處理系統(tǒng)不充氧，由于好氧微生物活動(dòng)造成厭氧充氧，由于好氧微生物活動(dòng)造成厭氧環(huán)境，使厭氧微生物生長(zhǎng)繁殖，最終

2、環(huán)境，使厭氧微生物生長(zhǎng)繁殖，最終成為優(yōu)勢(shì)菌群，并對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行成為優(yōu)勢(shì)菌群，并對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)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?yàn)閰捬跎锾幚聿灰蠊┙o氧氣，相這是因?yàn)閰捬跎锾幚聿灰蠊┙o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?？梢杂米髂茉础?(2)污泥產(chǎn)量極低。這是因?yàn)閰捬跷⑸镂勰喈a(chǎn)量

3、極低。這是因?yàn)閰捬跷⑸锏脑鲋乘俾时群醚跷⑸锏偷枚?。的增殖速率比好氧微生物低得多?(3)對(duì)溫度、對(duì)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(xì)菌可分為高溫菌和中溫菌兩大類。厭氧細(xì)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(dòng)能力將非常低。產(chǎn)甲烷菌微生物的活動(dòng)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(jī)物濃度高于好氧處理后廢水有機(jī)物濃度高于好氧處理。處理。 (5)厭氧微生物可對(duì)好氧微生物所不能降厭氧微生物可對(duì)好

4、氧微生物所不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解(或部分降解或部分降解)。 (6)處理過(guò)程的反應(yīng)較復(fù)雜。如前所述，處理過(guò)程的反應(yīng)較復(fù)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(gè)連續(xù)的微生物學(xué)過(guò)程，生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微生物學(xué)過(guò)程，遠(yuǎn)比好氧生物處理中的微生物過(guò)程復(fù)雜。遠(yuǎn)比好氧生物處理中的微生物過(guò)程復(fù)雜。 厭氧條件下，簡(jiǎn)單有機(jī)物或無(wú)機(jī)物成為厭氧條件下，簡(jiǎn)單有機(jī)物或無(wú)機(jī)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(guò)程產(chǎn)生的能量?jī)烧弑容^，厭氧分解過(guò)程產(chǎn)生

5、的能量少，細(xì)胞產(chǎn)量和污染物分解速率低，有機(jī)少，細(xì)胞產(chǎn)量和污染物分解速率低，有機(jī)物只能進(jìn)行不完全的分解，最后由產(chǎn)甲烷物只能進(jìn)行不完全的分解，最后由產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用而生成甲烷。細(xì)菌作用而生成甲烷。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)負(fù)荷高，產(chǎn)生的剩余污泥少，運(yùn)有機(jī)負(fù)荷高，產(chǎn)生的剩余污泥少，運(yùn)行費(fèi)用低，對(duì)氮磷等需求低，產(chǎn)生甲烷可行費(fèi)用低，對(duì)氮磷等需求低，產(chǎn)生甲烷可作為能源。作為能源。缺點(diǎn)：厭氧微生物生長(zhǎng)慢，產(chǎn)生臭味，對(duì)進(jìn)厭氧微生物生長(zhǎng)慢，產(chǎn)生臭味，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)和操作控制要求高，對(duì)低濃度有機(jī)水水質(zhì)和操作控制要求高，對(duì)低濃度有機(jī)廢水處理效果低，出水水質(zhì)一般達(dá)不到規(guī)廢水處理效果低，出水水質(zhì)一般達(dá)不到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一

6、步處理。定的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步處理。 應(yīng)用應(yīng)用 可以處理高濃度的有機(jī)廢水，也能處可以處理高濃度的有機(jī)廢水，也能處理中低濃度的廢水；理中低濃度的廢水； 廣泛應(yīng)用于食品、釀造、有機(jī)化工和廣泛應(yīng)用于食品、釀造、有機(jī)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(xì)菌、發(fā)酵細(xì)菌( (產(chǎn)酸細(xì)菌產(chǎn)酸細(xì)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(xì)菌屬和雙歧桿菌屬等。細(xì)菌屬和雙歧桿菌屬等。 這類細(xì)菌的主要功能是先通過(guò)這類細(xì)菌的主要功能是先通過(guò)胞外酶胞外酶的作用將的作用將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物，再將可溶性的不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物，再將

7、可溶性的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等。大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等。 發(fā)酵細(xì)菌大多數(shù)為發(fā)酵細(xì)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(xì)菌可分為纖維性厭氧菌。按照其代謝功能，發(fā)酵細(xì)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(xì)菌外，在厭氧消化的發(fā)酵階段，也可除發(fā)酵細(xì)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(dòng)物。發(fā)現(xiàn)真菌和為數(shù)不多的原生動(dòng)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(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌 研

8、究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌包括互營(yíng)研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌包括互營(yíng)單胞菌屬、互營(yíng)桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬單胞菌屬、互營(yíng)桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬等。等。 這類細(xì)菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為這類細(xì)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(shí)才能完成。低時(shí)才能完成。3 3、產(chǎn)甲烷細(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)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(xì)菌，的合成生成甲烷。也有極少量細(xì)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(gè)典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：以下是兩個(gè)典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：氧和氧化劑對(duì)產(chǎn)甲烷菌有很強(qiáng)的毒害作用。氧和氧化劑對(duì)產(chǎn)甲烷菌有很強(qiáng)的毒害作用。4 4、厭氧微生物群體間的關(guān)系、厭氧微生物群體間的關(guān)系 在厭氧生物處理反應(yīng)器中不產(chǎn)甲在厭氧生物處理反應(yīng)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(duì)方創(chuàng)，互為對(duì)方創(chuàng)造與維持生命活動(dòng)所需要的良好環(huán)境和造與維持生命活動(dòng)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(guān)系表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：間的相互關(guān)系表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： A、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生、不產(chǎn)甲烷

10、細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)；長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)； B、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌創(chuàng)造適、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)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(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌清除有、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌清除有毒物質(zhì)；毒物質(zhì)； D、產(chǎn)甲烷細(xì)菌由為不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生、產(chǎn)甲烷細(xì)菌由為不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生化反應(yīng)解除反饋抑制；化反應(yīng)解除反饋抑制； E、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌共同維持、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)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(yíng)養(yǎng)鹽營(yíng)養(yǎng)鹽毒物毒物高

11、濃度的離子以及其他有機(jī)毒物高濃度的離子以及其他有機(jī)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(jī)物負(fù)荷、產(chǎn)氣量關(guān)系見(jiàn)圖1 消化溫度與消化時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2厭氧消化中的微生物對(duì)溫度的變化非常敏感，溫度的突然變化，對(duì)沼氣產(chǎn)量有明顯影響，溫度突變超過(guò)一定范圍時(shí)，則會(huì)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(shí)分離，從而提高消化效率、增加產(chǎn)氣量。同時(shí)，對(duì)消

12、化池進(jìn)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(jié)殼層、清液層、沉渣層，嚴(yán)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(jī)械攪拌、泵循環(huán)、氣體攪拌等。機(jī)械攪拌時(shí)機(jī)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(dòng)，以達(dá)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(dá)到攪拌的目的。機(jī)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(yíng)養(yǎng)與營(yíng)養(yǎng)與C/N比比 厭氧消化原料在厭氧消化過(guò)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(zhǎng)、繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中最重要的是碳素和氮素碳素和氮素兩種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在厭氧菌生命活動(dòng)過(guò)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(guò)高，碳素多，氮素養(yǎng)料相對(duì)缺乏，細(xì)菌和其他微生物的生長(zhǎng)繁殖受到限制，有機(jī)物的分解速度就慢、發(fā)酵過(guò)程就長(zhǎng)。若C/N比過(guò)低，可供消耗的碳素少，氮素養(yǎng)料相對(duì)過(guò)剩，則容易造成系統(tǒng)中氨氮濃度過(guò)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(guò)程中，氮的平衡是非常重要的因素。消化系統(tǒng)中的由于細(xì)胞的增殖很少，故只有很少的氮轉(zhuǎn)化為細(xì)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(jìn)料中氨氮的濃度。實(shí)驗(yàn)研究表明，氨氮對(duì)厭氧消化過(guò)程有較強(qiáng)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(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性有比NH4+更強(qiáng)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(shí)也是甲烷菌的生長(zhǎng)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(yùn)行的必要條件，但過(guò)高的VFA會(huì)抑制甲烷菌的生長(zhǎng)，從而破壞消化過(guò)程。 有許多化學(xué)物質(zhì)能抑制厭氧消化過(guò)程中微生物的生命活動(dòng)

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(duì)厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì)對(duì)厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì) 對(duì)厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì)對(duì)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(dòng)、物質(zhì)代謝與pH有密切的關(guān)系，pH值的變化直接影響著消化過(guò)程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不

16、同的pH值，過(guò)高或過(guò)低的pH對(duì)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(jìn)而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸收；2pH除了對(duì)微生物細(xì)胞有直接影響外，還可以促使有機(jī)化合物的離子化作用，從而對(duì)微生物產(chǎn)生間接影響，因?yàn)槎鄶?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(xì)胞；3pH強(qiáng)烈地影響酶的活性，酶只有在最適宜的pH值時(shí)才能發(fā)揮最大活性，不適宜的pH值使酶的活性降低，進(jìn)而影響微生物細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過(guò)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(yīng)器工藝流程包括：厭氧處理的基本流程廢水調(diào)節(jié)池?zé)峤粨Q器氣柜氣柜厭氧反應(yīng)器厭氧反應(yīng)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(yīng)器）普通厭氧反應(yīng)器 （APAP）也稱普通消化池?zé)o輔助攪拌設(shè)施，固體停留時(shí)間3060d；溫度不到30的低濃度有機(jī)廢水、水量變化很大或間歇排除或毒物負(fù)荷波動(dòng)等情況下的廢水，需要較大的反應(yīng)體積；普通厭氧反應(yīng)器普通厭氧反應(yīng)器 厭氧反應(yīng)器的類型厭氧反應(yīng)器的類型2 2）厭氧接觸反應(yīng)器）厭氧接觸反應(yīng)器排出的混合液在沉淀池中分離后回流到反應(yīng)器中有效處理的關(guān)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(yīng)器厭氧接觸反應(yīng)器3 3）厭氧污泥床反應(yīng)器）厭氧污泥床反應(yīng)器特點(diǎn)： 沒(méi)有載體，絮狀污泥在上升水流和氣沒(méi)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(yīng)器（上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）是其中）是其中的一種，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。的一種，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。4 4）厭氧固定膜反應(yīng)器）厭氧固定膜反應(yīng)器 類似于好氧生物膜反應(yīng)器，填料固定。5 5）厭氧流化床反應(yīng)器）厭氧流化床反應(yīng)器 類似于好氧流化床生物膜反應(yīng)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(xiàng)目項(xiàng)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(xì)菌是降解的主力，原生好氧呼吸細(xì)菌是降解的主力，原生動(dòng)物、后生動(dòng)物影響出水水質(zhì)，絲動(dòng)物、后生動(dòng)物影響出水水質(zhì)，絲狀細(xì)菌、真菌異常生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致污泥狀細(xì)菌、真菌異常生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)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(xì)菌水解不溶性用：發(fā)酵細(xì)菌水解不溶性有機(jī)物，將可溶性大分子有機(jī)物，將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸或醇有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸或醇類；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將揮類；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)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