水质工程学第15章 厌氧处理

4.1.2厌氧生物处理工艺发展 1、国外发展概述 120多年历史，3个时期 （1）、初级阶段：20世纪20年代以前，处理废 水、粪便，代表构筑物：四类。 1）1881，法，自动净化器； 2）1895，英，化粪池； 3）1904，英，Travis池； 4）1905，德，Imhoff池； HRT长，处理效率低，出水水质差，浓臭的气味， 结构简单。
1977年，Thaner等全面阐述了关于厌氧化能营养型细菌中的能量转化 的生物力能学。
70～80年代中Widdel等分离得到了多种性能各异的硫酸盐还原菌，命 名了多个新属，开阔了人们对硫酸盐还原菌的认识。 至1989年，已分离获得的产甲烷菌有3目16科13属43种。至1991年已收 集了产甲烷菌65种。并阐明了产甲烷菌的基质、辅酶、培养条件、能 量代谢以及与不产甲烷厌氧菌之间的关系。 //
第15章厌氧生物处理
第15章 厌氧生物处理
• • • • • • • 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 概述 厌氧生物处理的基本原理 厌氧微生物生态学 升流式厌氧污泥床反应器 两相厌氧生物处理 悬浮生长厌氧生物处理法 固着生长厌氧生物处理法
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15.1 概述 15.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）--国外；国内 15.1.2厌氧生物处理工艺发展—国外；国内 15.1.3 厌氧生物处理工艺分类 15.1.4 厌氧生物处理技术在污（废）水处理领域的地位
沼气 进 水
出水
沉淀
消化 回流 剩余厌氧污 泥
2）厌氧滤池,1967, J.C. Young, L.McCarty (AF:Anaerobic Filter)
填料为厌氧微生物的附着提 供支撑，可保留足够的厌氧 微生物，使厌氧滤池具有较 高的处理效能， 开始时填料为块石，用在处 理可溶性工业废水，悬浮固 体多时会堵塞；空间大部分 被块石所占据，有效容积较 小，从而需要较大的池子体 积。 进水 后来改进填料，替代块石后， 厌氧滤池获得广泛应用。
陈革、 钱泽澍
刘光烨、赵一章等 张辉、 赵一章 马光廷 陈美慈、钱泽澍 倪水松、钱泽澍 赵一章等
1987
1987 1987 1987 1988 1987 1989
马氏甲烷八叠球 赵一章, 菌C-44 尤爱达, LYC 刘聿太
史氏甲烷短杆菌 赵一章, H13、HX 张辉, 许宝孝 嗜热甲酸甲烷杆 赵一章, 菌HB12 张辉
3）对专性互营的产氢产乙酸菌和 产甲烷菌共培养物的研究也取得了进展。
刘聿太(1987)分离到了氧化丁酸盐的沃氏互营单胞菌和产 甲烷菌的互营培养物； 钱泽澍、马晓航(1989)详细研究了丁酸盐降解菌沃氏互营 单胞菌和氢营养菌共培养物的组成和互营联合条件。 赵宇华、钱泽澍(1990)研究了能降解20个碳的硬脂酸的产 氢产乙酸菌和产甲烷的互营培养物。 闵航(1990)获得了1株嗜热性苯甲酸厌氧降解菌和产甲烷 菌共培养物，并分离到1株能从H2／CO2形成乙酸又能利 用乙酸的硫酸盐还原菌新种嗜热氧化乙酸脱硫肠状菌。
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污泥
3）1904,英,Travis池；
Travis池， 1904年，Travi。如图所示。废 水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀 区分离出的污泥，在池中间的中下部分消 化，产生的沼气从中间上部分排出，不会 影响两侧的沉淀区。
沉淀 消化 污泥 沉淀
4）1905,德,Imhoff池； (隐化池、双层沉淀池)
1）1881，法，自动净化器；
1860年法国人Louis Mouras把简易沉淀池改进作为污水污 泥处理构筑物使用。
1881年法国Cosmos杂志上登载了介绍Mouras创造的处理 污水污泥的自动净化器(Automatic Scasenger)。 美国学者McCarty建议把1881年作为人工厌氧处理废水的 开始，称Mouras是第一个应用厌氧消化处理的创始人。 专利人：Louis Mouras ；名称：Mouras’ Automatic Scavenger；
15.1 概述
• 厌氧生物处理：无氧条件，厌氧微生物，转化有机物或无 机物为甲烷（CH4）、二氧化碳、硫化氢等物质的过程。 • 用途：1）剩余污泥稳定处理，称厌氧消化、污泥消化；2） 有机废水处理；
厌氧处理工艺和好氧处理工艺对比
15.1.1厌氧微生物学发展概况（自学） 1、国外概况
1630年，Vam Helmeut第一次发现由生 物质厌氧消化产生可燃的甲烷气体。
2）1895，英，化粪池；(Septic Tank)，
世界上第一个厌氧化粪池, 1895年，Donald设计，见下
图。厌氧化粪池的创建，厌氧处理工艺发展史上一 个重要里程碑。从此，用化粪池使家庭生活污水得到 较好处理，减轻了粪便对河流的污染。
Cameron并重视对沼气的利用，两年后沼气被利用于加 热和照明。 浮渣 进水 出水
2）厌氧消化中非产甲烷菌研究
刘克鑫，徐洁泉等(1980)分离出肠杆菌科和芽孢杆菌科中6株产氢细 菌；
廖连华(1986)从污水处理厂污泥中分离出1株中温性纤维素分解菌， 纤维二糖棱菌。
谭蓓英(1987)从猪粪玉米秸作原料的甲烷发酵液中分离出了1株C菌 株的纤维分解细菌。 凌代文等(1987)从豆制品废水发酵液中分离出水解发酵性细菌。
发酵乙醇、丙醇和丁醇的有机体。Heuke Veleian和Heinemann提出了 一个计算甲烷菌近似数目的技术。
2// 1950年，R.E.Hungate发明厌氧培养技术，提供了分离培养转化厌
氧微生物的有效方法，创造了甲烷菌研究的条件。
1967年，M.P.Bryant采用改良的Hungate技术将共生的Omeliansky甲 烷杆菌分纯。证明了它是甲烷杆菌MOH菌株和“S”有机体的共生体， 使长达51年来一直认为是纯种的经典甲烷菌得以弄清楚其本来的面目。 使产甲烷菌和产氢菌之间的相互关系得到了证实。揭示了种间分子氢 转移的理论，为正确认识厌氧消化过程中氢的产生、消耗和调节规律 奠定了基础。
1776年，意大利物理学家Volta认为甲 烷气体产生与湖泊沉积物中植物体的腐 烂有关。 1868年，Becbamp首次指出甲烷形成过 程是一种微生物学过程。 1875年，俄国学者Popoff也发现沼气发 酵是由微生物所引起的。 1901年，荷兰的N.L.Soehngen (DELFT) 对产甲烷菌的形态特性及其转化作用提 出了一个比较清楚的概念，观察到低级 脂肪酸可转化为甲烷和二氧化碳，氢和 二氧化碳发酵可形成甲烷。
15.1.1厌氧微生物学发展概况（自学） 2、国内概况
由于厌氧消化细菌的生长繁殖要求极其严格的厌氧条件，研究厌氧消 化细菌工作较为困难。直至1978年我国才开始这方面的研究工作。 1980年美国著名微生物学家，厌氧操作技术的发明者Hungate教授 被应邀来华讲学，对我国厌氧消化微生物的研究工作起到了指导和推 动作用。随后我国学者结合我国蓬勃开展的大办沼气事业和废水厌氧 处理，对厌氧发酵微生物学进行了大量的研究工作，取得很大进展。
沼 气 浮渣
出料
上清液
污泥
高速消化池(High Rate Digestor)
为提高传统消化池的产气率 和缩小装置体积，对传统消 化池作两种改进： 1 加热，使消化池内温度适 应细菌快速繁殖，有中温 35℃左右和高温50-55 ℃两种； 2增设搅拌设备，使有机物与 微生物良好接触。 高速消化池(High Rate 进料 Digestor)诞生。
沼气、 CO2 出料
加热 装置
（3）第三阶段，1950s－今 ，两个方向
• 方向1 增加反应器生物量，开发新型反应 器工艺，提高负荷与处理能力；10种反应 器工艺
• 方向2 相分离技术途径；两相厌氧工艺系统。
厌氧澄清器(Anaerobic Claridigestor)
1950，南非人Stander发现在 厌氧反应器中保持大量细菌的 重要性，开发厌氧澄清器 (Anaerobic Claridigestor)， 如图所示，处理酒厂和药厂废 出水 液。 装置把厌氧消化和沉淀合建。 废水从池底流进以后通过污泥 区与里面的细菌接触。污泥中 产生甲烷和CO2气体上升时起搅 拌作用，气体从一侧管道被分 离出，液体则向上流经中间小 洞进入沉淀区，沉淀下来的污 泥通过小洞返回消化部分，使 消化区保持较多微生物。由于 液体要通过小洞上流，沉淀的 污泥要通过小洞下掉，这就可 进水 能会产生堵塞问题。
沼气 出水
卵石 填料
3）升流式厌氧污泥床反应,1979, C. Lettinga等研发 (UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Wageningen农业大学 (WAU), 升流式厌氧污泥 床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)反应器， 简称UASB反应器。 高的处理效能，获得广
分离者 钱泽澍、竺建荣
时间 1987
嗜树木甲烷短杆 钱泽澍 菌TC713
甲酸甲烷杆菌 TC708 PC03，PC25 钱泽澍 凌代文
1984
1984 1987 1984 1985 1985 1985 1986
活动甲烷微菌CC81
布氏甲烷杆菌CS 嗜热甲烷八叠球菌CB 甲烷杆菌 G-86.1 嗜热自养甲烷杆菌TH6 球状产甲烷菌SN 拉布雷微粒甲烷菌Z
1902年，Maze获得了一种产甲烷的微球菌，后命名为马氏甲烷球菌。 1916年，V.L.Omeliansky分离到1株不产芽孢、发酵乙醇产甲烷菌，
后被命名为奥氏甲烷杆菌，现证实其并非一个纯菌种。1//
1934年，Van Niel提出二氧化碳还原为甲烷的理论。 1936年，Barker采用化学合成培养基培养阴沟污泥，获得了能很好的
effluent
泛应用，对废水厌氧生 物处理具有划时代意义。 influent
4-5）厌氧膨胀床(Anaerobic Expanded Bed)和 厌氧流化床(Anaerobic Fiudized Bed)
沉淀
消化
污泥
（2）第二阶段,1920s-1950s,普通消化池 (Conventional digestor)
1912,英国伯明翰市,用土堤围起 来的露天敞开式的厌氧消化池。 不加热，消化时间长约l00d；池 子不加盖，消化效果不好，散发 恶臭。 进料 德国Kremer，提出加盖的密闭式 消化池，如图所示。称为传统消 化池(Conventional digester)，又 称普通消化池，是最早采用的二 级消化池。 活性污泥 、生物滤池污泥稳定。
1890年，Scott-Moncrieff建造了第一个初步 的厌氧滤池（Anaerobic Filter）：池的底部 空、上边铺一层石子。石子拦截废液中的固体。 这种装置长期未受重视，没有发展，直至现在 处理工业废水时，才又被人们所认识。
1894年，A.N.Talbot设计了一个与Mouras自 动净化器相似的罐，主要是中间多了一些垂直 挡板，阻挡流过的废水。
Imhoff池，又称隐化池，我国 也称双层沉淀池， 1906年， 德国人Imhoff对Travis池作改 进，其构造如图所示。这种池 型构造把污水的沉淀与污泥的 消化完全分开，彼此不发生干 扰。这种装置在本世纪20年代 被广泛应用与欧美各国。 化粪池和双层沉淀池至今在排 水工程中仍占有重要地位。
沉淀
沼气 沉淀 消化
污泥
1）厌氧接触法, 1956, Schroefer研发 (Anaerobic Contact Process)。 标志着现代废水厌氧生物工艺的诞生。 厌氧接触法的工艺流程如下图所示。 采用回流，在消化池中保持足够数量的厌氧菌， SRT 提高与 HRT分离，使反应器容积负荷率提高， 从而提高反应器处理效能。
1）产甲烷菌研究 1980年以来我国学者对厌氧消化产甲烷菌进行了深入的 研究，产甲烷菌纯培养的获得和研究，开发了我国产甲烷 菌的资源宝库，也使我们对产甲烷菌的生活习性有了深入 的了解。
产甲烷菌菌名 巴氏八叠球菌 BTC菌株
分离者 周孟津, 杨秀山
时间 1980
产甲烷菌菌名 亨氏甲烷螺菌JZl