第三章-厭氧生物處理技術(shù)

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(jī)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、厭氧處理的原理分解乙酸產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌復(fù)雜有機(jī)物水解1簡單溶解性有機(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)乙酸菌利用氫氣和二氧化碳產(chǎn)甲烷菌

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)造成厭氧環(huán)境，使厭氧微生物生長繁殖，最終成為優(yōu)勢(shì)菌群，并對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行厭氧分解。

好氧與厭氧處理

與好氧生物處理相比較，厭氧生物處理的主要特征是：

(1)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，相反卻能生產(chǎn)出含有50％一70％甲烷的沼氣，含有較高的熱值(21000一25000KJ／m3)，可以用作能源。

(2)污泥產(chǎn)量極低。這是因?yàn)閰捬跷⑸锏脑鲋乘俾时群醚跷⑸锏偷枚唷?/p>

(3)對(duì)溫度、pH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。其適宜的溫度范圍分別為55℃左右和35℃左右。如溫度降至10℃以下，厭氧微生物的活動(dòng)能力將非常低。產(chǎn)甲烷菌的最適pH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。

(5)厭氧微生物可對(duì)好氧微生物所不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解(或部分降解)。

(6)處理過程的反應(yīng)較復(fù)雜。如前所述，厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微生物學(xué)過程，遠(yuǎn)比好氧生物處理中的微生物過程復(fù)雜。

厭氧條件下，簡單有機(jī)物或無機(jī)物成為最終電子受體，而好氧條件下氧是最終電子受體。兩者比較，厭氧分解過程產(chǎn)生的能量少，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)甲烷細(xì)菌作用而生成甲烷。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)行費(fèi)用低，對(duì)氮磷等需求低，產(chǎn)生甲烷可作為能源。缺點(diǎn)：厭氧微生物生長慢，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)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)一步處理。

應(yīng)用

可以處理高濃度的有機(jī)廢水，也能處理中低濃度的廢水；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。

1、發(fā)酵細(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胞外酶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)為專性厭氧菌，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。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。二、厭氧處理微生物2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬和暗桿菌屬等。這類細(xì)菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H2。只有在乙酸濃度低、液體中氫分壓也很低時(shí)才能完成。3、產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)甲烷菌大致可分為兩類：一類主要利用乙酸產(chǎn)生甲烷，另一類數(shù)量較少，利用氫和CO2的合成生成甲烷。也有極少量細(xì)菌，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)：氧和氧化劑對(duì)產(chǎn)甲烷菌有很強(qiáng)的毒害作用。4、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)甲烷菌和產(chǎn)甲烷茵相互依賴，互為對(duì)方創(chuàng)造與維持生命活動(dòng)所需要的良好環(huán)境和條件。但又相互制約。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：

A、不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供生長和產(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)菌清除有毒物質(zhì)；

D、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；

E、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pH值。三、厭氧處理的影響因子pH6.8～7.2溫度（中溫35℃、高溫55℃）營養(yǎng)鹽毒物—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）氧化還原電位食料微生物比溫度因素溫度與有機(jī)物負(fù)荷、產(chǎn)氣量關(guān)系見圖1消化溫度與消化時(shí)間的關(guān)系見圖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（10~30℃）、中溫消化（35℃左右）和高溫消化（55℃左右）。攪拌和混合

攪拌可使消化物料分布均勻，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)消化池進(jìn)行攪拌，可使池內(nèi)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。營養(yǎng)與C/N比

厭氧消化原料在厭氧消化過程中既是產(chǎn)生沼氣的基質(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兩種營養(yǎng)物質(zhì)，在厭氧菌生命活動(dòng)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(duì)缺乏，細(xì)菌和其他微生物的生長繁殖受到限制，有機(jī)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(duì)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(6~10):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(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，但過高的VFA會(huì)抑制甲烷菌的生長，從而破壞消化過程。有許多化學(xué)物質(zhì)能抑制厭氧消化過程中微生物的生命活動(dòng)，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)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>2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物>200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500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程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不同的pH值，過高或過低的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)營養(yǎng)物的吸收；2．pH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；3．pH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)過程。四、厭氧處理的主要方法核心：厭氧反應(yīng)器工藝流程包括：

調(diào)節(jié)池厭氧反應(yīng)器甲烷收集利用系統(tǒng)污泥處理系統(tǒng)厭氧處理的基本流程廢水調(diào)節(jié)池?zé)峤粨Q器氣柜厭氧反應(yīng)器沉淀池出水回流污泥剩余污泥37℃1）普通厭氧反應(yīng)器（AP）也稱普通消化池?zé)o輔助攪拌設(shè)施，固體停留時(shí)間30～60d；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

厭氧反應(yīng)器的類型2）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2-8厭氧接觸反應(yīng)器3）厭氧污泥床反應(yīng)器特點(diǎn)：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)。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）是其中的一種，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。4）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）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)目好氧處理厭氧處理基本原理主要方法活性污泥法、生物膜法、好氧塘法厭氧消化法、厭氧生物膜法、厭氧塘法起主要作用微生物類群1.活性污泥法好氧呼吸細(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)，絲狀細(xì)菌、真菌異常生長會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹厭氧微生物群體起主要作用：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)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸或醇類；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和氫；產(chǎn)甲烷菌利用乙酸產(chǎn)生甲烷，少部分利用氫和二氧化碳合成甲烷2.生物膜法好氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌均能代謝降解有機(jī)物，真菌對(duì)廢水凈化有作用，藻類能增加溶解氧濃度，原生動(dòng)物和后生動(dòng)物對(duì)出水水質(zhì)有影響好氧處理與厭氧處理的比較項(xiàng)目好氧