污水的厌氧生物处理

414CH3OH 314CH4+CO2+2H2O 施大特曼(stadtman)和巴克尔(Barker) 及庇涅(Pine)和维施尼(vishhnise) 1951和1957年用14C示踪原子标记乙酸 的甲基碳原子
证明甲烷是由甲基直接形成
1949年，施大特曼和巴克尔于用同位素14CO2
使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素14C的甲烷，证
物 质 沼气／mL CH4／％ CO2／％ 乙醇 974 75 25 纤维素 脂 肪 蛋白质 830 50 50 1250 68 32 704 71 29
• 影响废水厌氧消化处理效果的因素：
– 厌氧活性污泥中微生物的种类、组成、 结构及污泥的颗粒大小。
– 能保证微生物生长条件的、结构好的厌 氧消化池。
表19-1 产酸菌和产甲烷菌的特性参数 参数 对pH的敏感性 氧化还原电位Eh 产甲烷菌 敏感，最佳pH为6.8~7.2 <-350mv(中温)，<-560mv(高温) 产酸菌 不太敏感，最佳pH为 5.5~7.0 <-150~200mv
对温度的敏感性
最佳温度：30~38℃，50~55℃
最佳温度：20~35℃
好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法
的BOD:N:P为l00:2.5:0.5，对氮、磷缺乏的工业废 水所需投加的营养盐量较少。 （4）有杀菌作用 厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废
水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。
（5）污泥易贮存 厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以 季节性或间歇性运转。

简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均
能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的
废水，产甲烷易成为限速阶段。
甲烷菌的微生物学特征
简介：甲烷菌属于古菌中的一类。
古 菌 （Archaeobacteria）与原核生物
极其接近。研究利用基因分析手段（DNA的
G+C%，16SrRNA碱基顺序比较）发现，有 一些特点与真核生物相同。
⑤在H2和H2O存在时，巴氏甲烷八叠球菌 (Methanosarcina barkerii)与甲酸甲烷 杆菌(Methanobacterium formicicum) 能将CO还原形成甲烷。
巴氏甲烷八叠球菌
3H2+CO 2H2O+4CO
甲酸甲烷杆菌
CH4+H2O
பைடு நூலகம்
CH4+3CO2
几种物质沼气发酵的产气量
明甲烷可由CO2还原形成。
②由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸
2CH3CH2 OH+14CO 2C3H7CH2OH+14CO2
2
14CH
4+2CH3COOH
14CH
4+2C3H7COOH
③脂肪酸有时用水作还原剂或供氢 体产生甲烷 2C3H7COOH+CO2+2H2O
CH4+4CH3COOH
1906 年索根(Soehnge，)及费舍尔 (Fisher)观察到： ④利用H2使CO2还原形成甲烷 4H2+CO2 CH4+2H2O
乙酸化 乙酸细菌
乙酸
甲烷化 甲烷细菌
甲烷细菌
CH4
CH4

此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一
组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸 或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3 后者约占2/3。

上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在 含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为 主的废水中，水解易成为速度限制步骤；
第一阶段：酸化阶段，最显著的特征是液态污泥的 pH值迅速下降。污泥中的固态有机物或污水中的大
分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，
在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水
分子等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气体分子，
气体大多溶解在泥液中。转化产物中有机酸是主体。 低pH值有抑制细菌生长的作用，NH3的溶解产物 NH4OH有中和作用。
第二阶段：气化阶段，由低分子的 有机酸经微生物作用转化为气体， 气体类似沼泽散发的气体，可称沼 气，主体是CH4，CO2也相当多， 还有微量H2、H2S等，因此气化阶 段常称甲烷化阶段。
厌氧消化两阶段示意图
第一阶段 普通厌氧菌 细胞合成 碳水化合物、 脂肪、蛋白 质 有机酸、 乙醇、乙 醛 第二阶段 绝对厌氧菌 甲烷 二氧化碳
厌氧生物处理法缺点:
（1）厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启 动和处理所需时间比好氧设备长； （2）出水往往达不到排放标准，需要进一步 处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理；
（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。
（4）厌氧过程会产生气味对空气有污染。
2 厌氧法的基本原理
废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过 厌氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物） 的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲
消化 细胞合成
消化
酶
新细胞
厌氧消化四阶段

复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段 水解阶段、发
酵阶段（又称酸化阶段）、 产乙酸阶段、产甲烷阶 段

框图表示见下图


1．水解阶段
在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物


2．发酵阶段
梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化 合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧 化碳、氢气、氨等
– 硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的 细菌；
第二阶段：乙酸和氢气的产生
• 产生过程
产氢和产乙酸细菌群进一步把第一
阶段的产物分解为乙酸和氢气；
硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的
细菌将第一阶段发酵的三碳以上的 有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及 醇等分解为乙酸和氢气。
第三阶段：甲烷的产生
• 微生物：两组生理不同的专性厌氧的 产甲烷菌群 – 一组将H2和CO2合成CH4或CO和H2 合成CH4； – 另一组将乙酸脱羧生成CH4和CO2； 或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解 为CH4。
– 脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，例如乙 酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二 氧化碳、氢、氨和硫化氢等。
• 微生物群落是水解、发酵性细菌群， 有专性厌氧的:
梭菌属(Clostridium) 拟杆菌属(Bacteriodes) 丁酸弧菌属(Butyrivibrio) 真细菌(Eubacterium) 双歧杆菌属(Bifidobacterium) 革兰氏阴性杆菌
最根本、最重要的是微生物的种类 和组成。
3
厌氧法的工艺和设备
按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法 (anaerobic activated sludge)和厌氧生物膜法 (anaerobic slime)； 按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、 连续式(continuous)和半连续式(semi-continuous)； 根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在 同一反应器中并在同一工艺条件下完成，又可分为 一步厌氧消化(one stage digestion)与两步厌氧消化 (two stage digestion)等 厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工 艺、上流式厌氧污泥床反应器等。
复杂有机物
1水解 2发酵
脂肪酸
3产乙酸 硫酸盐还原
H2 + CO2
4产甲烷
乙酸
4产甲烷
硫酸盐还原
CH4 + CO2
硫酸盐还原
H2S+ CO2


3．产乙酸阶段
上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细 胞物质，这一阶段的主导细菌是 乙酸菌 。同时水中有硫酸盐 时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。
甲烷发酵理论与机制
• 甲烷发酵理论先后提出了二阶段、 三阶段和四阶段发酵理论。
• 目前应用较多的仍是布赖恩特
(Bryant)于1979年提出的四阶段 的发酵理论：
第一阶段：有机酸的产生
• 水解和发酵性细菌群将复杂有机物转化 成有机酸：
– 纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为丙 酮酸； – 将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸 和氨；
古菌的特点
形

态：薄、扁平、直角几何形态； 谢：特殊的辅酶，代谢多样性；
细胞结构：组分特异性；含有内含子； 代 呼吸类型：多为厌氧； 繁殖速度：比细菌慢； 生活习性：适应极端环境。
古菌的分类
按照生活习性和生理特性分为三大类： 产甲烷菌，嗜热嗜酸菌，极端嗜盐菌 《伯杰氏系统细菌学手册》分为五大群： 产甲烷古菌，古生硫酸盐还原菌， 极端嗜盐菌，无细胞壁古生菌， 极端嗜热硫代谢菌
厌氧生化法的优点：
（1）应用范围广 因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓 度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓 度有机废水。 有些有机物对好氧生物处理法来说是难降 解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体 有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。
(2)能耗低
好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着
研究表明： • 有28％的甲烷来自H2的氧化和CO2的还 原。72％的甲烷来自乙酸盐的裂解。由 于大部分甲烷和二氧化碳逸出，氨(NH3) 以亚硝酸铵(NH4NO2)、碳酸氢铵 (NH4HCO3)形式留在污泥中，它们可中 和第一阶段产生的酸，为产甲烷菌创造 了生存所需的弱碱性环境。氨可被产甲 烷菌用作氮源。
与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为 受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢 体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程， 依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌 (fermentative bacteria)、产氢产乙酸细菌
(acetogenic bacteria)和产甲烷细菌(methanogenic
bacteria)的联合作用完成。参与消化的细菌，酸化
阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼
性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌。
新的研究成果阐明厌氧消化经历四个阶段
（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）
在产氢产乙酸细菌的作用 下，第一阶段产生的各种 有机酸被分解转化成乙酸 和H2，在降解奇数碳素有 机酸时还形成CO2。
烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物质的
过程，也称为厌氧消化(anaerobic digestion) 。 对批量污泥静置考察，可以见到污泥的消化过 程明显分为两个阶段。固态有机物先是液化，称液 化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；在常温 下，整个过程历时半年以上。
传统的厌氧消化理论为两阶段理论
有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，
而且产生的沼气可作为能源。
废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿
消耗能量。研究表明，当原水BOD5达到1500mg/L
时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，
剩余能量愈多。 一般厌氧法的动力消耗约为活性污
泥法的1/10。
（3）氮、磷营养需要量较少
第四阶段：同型产乙酸阶段
• 概念：同型产乙酸细菌将H2和CO2转化
为乙酸的过程，称为同型产乙酸阶段； • 产甲烷菌只能利用H2、 CO2、 CO、甲 酸、乙酸、甲醇及甲基胺等简单物质产 生甲烷和组成自身细胞物质。
甲烷产生的机制：
①由酸和醇的甲基形成甲烷。
14CH 3COOH 14CH 4+CO2
复杂的大分子、不溶性有机 物先在细胞外酶的作用下水 解为小分子、溶解性有机物， 大分子有机物然后渗入细胞体内，分解产 生挥发性有机酸、醇类、醛 类等。这个阶段主要产生较
水解
细菌的胞外酶
高级脂肪酸。
水解和溶解的有机物
酸化 产酸细菌
产甲烷细菌将乙酸、乙 酸盐、CO2和H2等转化 为甲烷。 H2，CO2
有机酸、醇类、醛类等 /
污水的厌氧生物处理 The Anaerobic Processes

1 概述 2 厌氧法的基本原理 3 厌氧法的工艺和设备 4 厌氧法的影响因素

5 分段厌氧处理法
1概述
污水厌氧生物处理的发展过程 早期发展 1881~1950年 第二代厌氧反应器 1955年开发了厌氧接触法新工艺，标志着 现代厌氧反应器的开端。 第三代厌氧反应器 1980年Switzenbaum等推出了厌氧附着 膜膨胀床反应器（AAFEB）,还有厌氧流化床 （AFB）。
兼性厌氧的有:
链球菌 肠道菌
• 据研究，每mL下水污泥中含有水解、 发酵性细菌108~109个，每克挥发性 固体含1010~1011个，其中蛋白质水 解菌有107个，纤维素水解菌有105 个。
第二阶段：乙酸和氢气的产生
微生物群落：
– 微生物群落为产氢、产乙酸细菌；
只有少数被分离出来。


4．产甲烷阶段
乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷 和以及甲烷菌细胞物质。

经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢 气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。
废水处理工艺中的厌氧微生物
在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类： 非产甲烷菌（non-menthanogens）和产甲烷 细菌（menthanogens）。