第15章污水的厌氧生物处理

但产酸反应的速率一般是比较快的。如果按功能来分 类，则可将发酵细菌分为：纤维素分解菌、半纤维素分解 菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等.其中重要 的类群有梭状芽孢杆菌和拟杆菌。梭状芽孢杆菌是厌氧的、 产芽孢的细菌，因此它们能在恶劣的环境条件下存活。拟 杆菌大量存在于有机物丰富的地方，它们分解糖、氨基酸 和有机酸。上述细菌的绝大多数是严格厌氧菌，但通常有 约1%的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能 够起到保护像甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的损害与抑 制。
污泥回流
剩余污泥
厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气 而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水效果很 好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池 中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保 持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池 水。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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4.上流式厌氧污泥床反应器
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5.分段厌氧处理法
原理: 根据厌氧消化阶段进行的事实，对于固态有 机物浓度高的污水，将水解、酸化和甲烷化过程分 开进行。 第一段的功能是：固态有机物水解为有机酸； 缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，截留固态难降解 物质。 第二段的功能是：保持严格的厌氧条件和pH， 以利于产甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生 含甲烷较多的消化气；并截留悬浮固体，以改善出 水水质。
甲烷细菌是专性厌氧的。与产酸菌相比，甲烷细菌 对温度、pH值、有毒物质更为敏感。通常采用厌氧处 理的温度一般选择在中温35-38℃或高温52-55 ℃。 pH值严格控制在6.8-7.2。 基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的 增长，但与好氧法相比，对废水中的N、P的含量要求 不高。
厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间长？ 这是由有机物厌氧分解的反应所决定的。与好氧法相比， 厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低（与 好氧法相比，在相同时，要相差一个数量级）。要克服 这些缺点，最主要的方法是增加参加反应的微生物浓度 和提高反应时的温度。但要提高反应的温度，就要消耗 能量（而水的比热又很大）。因此，厌氧生物处理法目 前还主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高 的有机工业废水的处理。
可能的缺点： 1）为增加反应器内生物量启动时间长 2）低浓度或碳水化合物废水碱度不足 3）某些情况下出水水质不能满足排放到地表水体的要求 4）水质浓度低产生的甲烷的热量不足以使水温加热到35度的厌氧生 物处理最佳温度 5）含有SO42-的废水会产生硫化物和气味 6）无硝化作用 7）氯化的脂肪族化合物对甲烷菌的毒性比对好氧异养菌大 8）低温下动力学速率低 9）生物活性最大时要求NH4+浓度高，约40-70mg/L
产甲烷菌都是极严格的厌氧细菌，一般要求其生境中的氧化 还原电位为-150～400mV，氧和其它任何氧化剂都对其具有极强 的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢,繁殖的世代时间很长,可长 达4～6天甚至更长，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的 限速步骤。 在厌氧反应器中，所产甲烷的大约70%由乙酸歧化菌产生。 在反应中，乙酸中的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲 烷，羧基转化为二氧化碳，在中性溶液中，二氧化碳以碳酸氢盐 形式存在。另一类产甲烷的微生物是能由氢气和二氧化碳形成甲 烷的细菌（可称为嗜氢甲烷菌）。在反应器正常条件下，它们形 成占总量30%的甲烷。大约一半嗜氢甲烷菌也能利用甲酸，这个 过程可以直接运行。
第二节 污水的厌氧生物处理工艺
最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池，近年开发的 有厌氧生物滤池、厌氧接触法、上流式厌氧污泥床反应 器，分段消化法。 1.化粪池
2.厌氧生物滤池
厌氧生物滤池是密封的 水池，池内放置填料，如右 图所示，污水从池底进入， 从池顶排出。微生物附着生 长在滤料上，平均停留时间 可长达100d左右。滤料可采 用拳状石质滤料，也可采用 塑料填料。
上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是由荷兰Lettinga教 授在1972年研制，于1977年开发的。如图所示，废水自下而 上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部有一个高浓度、 高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化成CO2和CH4。 由于气态产物的搅动和气泡黏附污泥，在污泥层之上形成一个 污泥悬浮层。反应器上部设有三相分离器，完成气、液、固的 分离。
消化气
出水
填
料
进水
厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高；滤池内可 以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分离设备，出水 SS较低；设备简单、操作方便等。它的主要缺点是：滤料 费用较贵；滤料容易堵塞，尤其是下部，生物膜厚。堵塞 后，没有简单有效的清洗方法。因此，悬浮物高的废水不 适用。
3.厌氧接触法
3.1.2 发酵酸化阶段
废水中的有机物在发酵细菌的作用下，发生水解和酸化反应,而被 降解为以脂肪酸、醇类、CO2和H2等为主的产物.参与反应的微生物则 被统称为发酵细菌或产酸细菌，其特点主要有：1)生长速率快,2)对环 境条件(如温度、pH、抑制物等)的适应性较强; 发酵细菌(产酸细菌)的主要功能是：1)水解:即在胞外酶的作用下， 将不溶性有机物水解成可溶性有机物；2)酸化:即将可溶性大分子有机 物转化为脂肪酸、醇类等小分子有机物。这类细菌分属梭菌属、拟杆 菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等，其中大多数是厌氧菌，但也有大 量是兼性厌氧菌，一般来说,水解过程比较缓慢，并会受到多种因素影 响(pH、水力停留时间、有机物种类等)，有时会成为厌氧反应的限速 步骤。
对于悬浮物较高的 有机废水，可以采用厌 氧接触法，其流程见右 图。废水先进入混合接 触池与回流的厌氧污泥 相混合，然后经真空脱 气器而流入沉淀池。接 触池中的污泥浓度要求 很高，在1200015000mg/L左右，因 此回流量很大，一般是 废水流量的2-3倍。
消化气 接真空 系统 进水 混合接触池 真空脱 气机 沉淀池 出水
3.1.4 产甲烷阶段
此阶段所发生的反应是产甲烷菌利用前一阶段的产物脂肪酸、醇 类、CO2和H2等为基质，并最终将其转为CH4和CO2。参与反应的微 生物被统称为产甲烷菌，其主要特点有：1)生长速率很慢；2)对环境 条件(如温度、pH、抑制物等)非常敏感等。 对产甲烷菌的研究在很长时间内并没有较大的进展。直到20世 纪60年代，Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术，随后产甲烷 菌的研究才得以广泛开展。许多研究结果表明，产甲烷菌在分类学上 属于古细菌(Archaebacteria)，它们与真细菌的一般特性不同的是 细胞壁中没有肽聚糖，细胞中也不含有细胞色素C，而含有其它真细 菌所没有的酶系统。
3.1.1水解阶段
水解即复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的 过程。水解过程通常比较慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物 废液厌氧降解的限速阶段。影响水解的速度与水解的程度的因素有以 下几种： 1. 水解温度 2. 有机质在反应器内的保留时间 3. 有机质的组成 4. 有机质颗粒的大小 5. pH值 6. 氨的浓度 7. 水解产物的浓度
第十五章 污水的厌氧生物处理
引言
人们有目的地利用厌氧生物处理法已有近百年的历史。 由于传统的厌氧法存在水力停留时间长、有机负荷率低等特 点，在过去很长时间里，没有得到广泛采用。它仅限于处理 污水厂的污泥、粪便等。在废水处理方面，几乎都是采用好 氧生物处理。近二十多年来，世界上的能源问题突出，而随 着生物学、生物化学等学科的发展和工程实践经验的累积， 不断开发出新的厌氧处理工艺和构筑物，克服了传统工艺的 缺点，使得这一处理技术的理论和实践都有了很大进步，使 它在处理高浓度有机废水方面取得了良好的效果和经济效益。
5.分段厌氧处理法
二段式厌氧处理法的流程尚无定式，可以采用不同构筑物予以组合。
下图是采用厌氧接触法和上流式厌氧污泥床反应器串联的组合。
消化气 出水 进水 沉淀池
混合接 触池 回流污泥 剩余污泥 上流式厌氧污 泥床反应器
究竟采用什么样的反应器以及如何组合，要根据 具体的水质等情况而定。
6. 厌氧膨胀床和流化床
(Archaebacteria) 、 大 小 、 外 观 上 与 普 通 细 菌 即 真 细 菌
(Eubacteria)相似，但实际上，其细胞成分特别是细胞壁的结构和 酶系统较特殊。产甲烷菌在自然界中的分布，一般认为它们常栖息
于一些极端环境中 (如地热泉水、深海火山口、沉积物等)，但实际
上其分布极为广泛，如污泥、反刍动物的瘤胃、昆虫肠道、湿的树 木、厌氧反应器等。
3. 厌氧生化的原理
3.1 厌氧生化的四个阶段
厌氧生化处理有的学者将它分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段 产甲烷阶段。但通过近期科学家们的研究发现，将厌氧生化处理分 为四个阶段更为合理一些，即将酸化阶段分为发酵酸化阶段和产乙 酸阶段。因此厌氧生化的四阶段依次为：水解阶段、发酵酸化阶段、 产乙酸阶段、产甲烷阶段。
烷是来自乙酸的氧化分解。根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，
可将其进行分类，目前最新的 Bergy’s 细菌手册第九版中将产甲烷 菌共分为：三目、七科、十九属、65种。
产甲烷菌具有各种不同的形态，常见的有：1.产甲烷杆菌；2. 产甲烷球菌；3.产甲烷八叠球菌；4.产甲烷丝菌等。前已述及，在 生 物 分 类 学 上 ， 产 甲 烷 菌 (Methanogens) 属 于 古 细 菌
3.2 厌氧生物共生体的串联代谢
5% 复杂有机化合物 （碳水化合物、蛋白质、类脂类） 10% 水解 简单有机化合物 （糖、氨基酸、肽） 产酸 长链脂肪烃 （丙酸、丁酸等） 13% 17% 20%
35%
H2 CO2 28% CH4 CO2 72%
乙酸
产甲烷的串联代谢（McCarty 和 Smith,1986）
乙醇:CH3CH2OH+H2O=CH3COOH+2H2 丙酸:CH3CH2COOH+2H2O=CH3COOH+3H+CO2