第15章 厌氧生物处理

9. 抑制物和激活剂 所谓“有毒”是相对的，既有激活作用又有抑制作用，关键
在于它们的浓度界限，即毒阈浓度。 氨对产甲烷阶段的影响见下表
15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子
厌氧生物处理中重金属毒性限度见下表
15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子
部分有机物在厌氧处理中的容许浓度见下表
15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子 15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子 15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子 15.3.4 厌氧生化反应动力学 15.3.5 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及
相互关系
15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子
1. PH值：一般认为最佳pH值为6～7；考虑到产甲烷菌的 生存条件（ pH值为6.5～7.5 ），反应器中产酸发酵区域 的pH不应低于5.5。 现代研究证明，在正常ORP（-150~-400mv）范围内： PH=4-4.5时，发生乙醇型发酵； PH=4.5-5时，发生丁酸 型发酵；PH=5左右时，主要产物有乙酸、丙酸、丁酸和 乙醇；PH=5.5左右时，发生丙酸型发酵；
kmax ——最大比底物利用速率，gCOD /(gVSS d ) ； S ——可降解的底物浓度，mg/L；
Ks ——半速度常数，即最大比底物利用速率为一半时的底物
浓度，mg/L；
X ——生物浓度，mg/L；
细菌类型分为两大类型：产酸细菌（acidogens）和产甲 烷细菌（methanogens）
厌氧生物代谢过程示意图
5% 10%
13% H2 CO2
复杂有机化合物 （碳水化合物、蛋白质、类脂类）
水解 简单有机化合物 （糖、氨基酸、肽）
长链脂肪酸 （丙酸、丁酸等）
20 %
35 % 产酸
17 % 乙酸
15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子
其它一些物质对厌氧处理的激活作用见下表
15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子
1、温度：中温的硫酸盐还原菌最适生长温度为30～ 35℃；高温菌种能够在50～70℃的范围内生长；
2、PH值：最适的pH值是6.5～8.0； 3、氧化还原电位ORP： 一般应保持在－100mV以下； 4、碳硫比： 不应小于1：5； 5、盐度：非嗜盐性的硫酸盐还原菌培养基的pH值应调
15.2.4 产氢产乙酸阶段
产氢产乙酸阶段：将产酸发酵阶段2C以上的有机酸 （除乙酸）和醇转化为乙酸、氢气、二氧化碳的过程， 并产生新的细菌物质。
这类细菌称为产氢产乙酸细菌。 水解的产物被发酵细菌摄入体内，进行代谢，由于菌
种不同，产物也不一样，众多产物中仅CO2、H2、乙 酸、甲酸、甲醇、甲胺（三甲一乙）可以被产甲烷细 菌利用。 其它产物（丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类）经产氢产乙 酸细菌进一步转化成H2和乙酸等方可被利用。
影响传质速率的因素主要有厌氧污泥与介质间的液膜 厚度，搅拌可降低液膜厚度。另外注意布水系统对接 触的影响，避免在反应器中出现短流的现象。
15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子
8. 营养：试验表明，COD：N：P控制在500：5：1左右为 宜，在厌氧处理装置启动时，可稍微增加氮素，有利于微 生物的增殖，并有利于提高反应器的缓冲能力
5. 水力停留时间和有机负荷
有机负荷为5～60 kgCOD /(m3 d ) ，产酸细菌可发挥良好 的作用，水力停留时间过短将影响底物的转化程度。水力 停留时间过短则出水中会出现较多未降解的有机物。
15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子
1. PH值：一般来说，产甲烷细菌的最适pH值为6.5～7.5； 2. 氧化还原电位 ：产甲烷细菌最适ORP为－300～－
Disc、ARBD）
折流式厌氧反应器（Anaerobic Baffled Reactor、 ABR）
厌氧生物处理的发展
⑤90年代以后，在UASB反应器基础上又发展起来了
EGSB和IC反应器； ——EGSB反应器，处理低温低浓度的有机废水； ——IC反应器，处理高浓度有机废水，可达到更高的有
至7.1；嗜盐性的硫酸盐还原菌的培养基最好调至7.6。 嗜盐性菌一般分布在海洋环境中，要求NaCl浓度大于 0.6％，最适宜的浓度为1％～3％。
15.3.4 厌氧生化反应动力学
厌氧生化反应动力学方程式：
dS dt
rsu
kmax SX Ks S
dX dt
rg
Yrsu
kd X
式中 rsu ——底物去除速率，mg /(L d ) ；
15.2.6 其他厌氧生物处理过程
硫酸盐还原过程对厌氧生物处理的影响 ：
废水SO42-浓度低时，还原作用弱，对厌氧处理无影响， 且SO42-还原菌可利用H2，从而降低氢分压，一定程度上 促进有机物厌氧处理。
废水SO42-浓度高时， SO42-还原菌会和产甲烷菌竞争共 同底物乙酸和H2；同时SO42-还原产生的H2S会对甲烷菌 产生抑制作用，H2S还会对沼气的产生造成严重影响。
机负荷。
15.1.2 厌氧生物处理的特点
厌氧生物处理优点： 能耗少（可产生沼气）、运行费用低、污泥产量少，
能处理高浓度有机废水和某些好氧不能处理的有机废 水、BOD（COD）有机负荷和容积负荷高、可间歇运 行。 厌氧生物处理缺点： 启动周期长、出水不达标（需加好氧工艺）。
15.1.4 厌氧生物处理的发展趋势
2. 氧化还原电位（ORP) ：一般认为，产酸细菌的最适 ORP范围为－200～－300mV。
15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子
3. 碱度：在产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统具有 良好的缓冲能力，避免pH值迅速降低而导致某些厌氧细 菌受到抑制。
4. 温度：一般来说，产酸细菌最佳工作温度为35℃ 左右
从目前厌氧处理工艺技术和设备发展前景来看，进一 步提高生物处理能力和稳定性的途径有以下方面：
（1）提高反应器中生物持有量； （2）利用厌氧微生物处理中微生物种群的特点，实现
相分离； （3）研制反应器使之形成特殊的水力流态，创造厌氧
微生物的最适生存条件。
15.2 厌氧生物处理的基本原理
15.2.1 复杂有机物的厌氧降解 15.2.2 水解阶段 15.2.3 产酸发酵阶段 15.2.4 产氢产乙酸阶段 15.2.5 产甲烷阶段 15.2.6 其他厌氧生物处理过程
第十五章 厌氧生物处理
15.1 概述
15.1.1 厌氧生物处理的发展 15.1.2 厌氧生物处理的特点 15.1.3 厌氧生物处理工艺的分类 15.1.4 厌氧生物处理的发展趋势
厌氧生物处理的发展
① 厌氧过程广泛存在于自然界中，主要用于剩余污泥的 厌氧消化处理.
② 1881年，法国，Louis Mouras ，“自动净化器”； ③ 处理城市污水的化粪池、双层沉淀池等 处理剩余污泥
15.3 厌氧微生物生态学
厌氧生物处理中，一般产酸细菌种群多，代谢速率和 生长速率快，所以厌氧处理中（产酸阶段和产甲烷阶 段）的控制步骤在产甲烷阶段。
近年来，随着对厌氧生物处理的研究，对产酸阶段的 影响因子也作了很大的研究，力求最大限度地发挥两 类菌群的作用。
15.3 厌氧微生物生态学
厌氧处理中，由于产甲烷阶段要求的生态条件苛刻， 并对环境改变敏感，对产甲烷阶段研究较多，目前对 厌氧处理生态学的研究包含了以下部分：
500mV；pH值低，ORP值高；pH值高，ORP低。 3. 有机负荷率：负荷率习惯上以投配率表达，即每日投加
的生污泥容积占反应器容积的百分数，而对于厌氧生物处 理有机废水时，大都以容积负荷率为参数，悬浮生长工艺 也可用污泥负荷率作指标； 4. 温度：最适温度有2个区，中温区在30～39℃之间，高 温区在50～60℃。
28%
CH4 CO2
72%
15.2.2 水解阶段
水解定义：复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞 外水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚 体的过程
不溶解性大分子有机物经胞外水解酶的作用，在溶液 中分解为水溶性的小分子有机物，如氨基酸、脂肪酸、 葡萄糖、甘油等
纤维素经水解转化成较简单的糖类； 蛋白质转化成较简单的氨基酸； 脂类转化成脂肪酸和甘油等
故象味精废水等高浓度SO42-废水，宜用专门的SO42-反应 器用作SO42-还原，目前常用的是二相厌氧反应器（有二 个独立的产酸菌反应器和产甲烷菌反应器)。
其他厌氧生物处理过程
2. 反硝化与厌氧氨氧化
（1）生物反硝化反应：
（2）厌氧氨氧化：无氧环境中，同时存在 NH4+和 NO2-时， NH4+作为反硝化的无机电子供体， NO2-作为 电子受体，产生N2，这是生物氮转化的新理论。
原细菌（sulfate-reducing bactecia，简称SRB）利用废 水中的有机物作为电子供体，将氧化态硫化合物还原为 硫化物的过程。 以乳酸为电子供体的化学反应式可表示为：
2CH3CHOHCOOH SO42 4ADP 4H3PO4 2CH3COOH 2CO2 S 2 6H2O 4ATP
15.2.5 产甲烷阶段
产甲烷阶段：由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、 甲酸、甲醇、甲胺和二氧化碳/氢气等转化为甲烷和二 氧化碳（沼气）的过程
产甲烷细菌利用CO2、H2、三甲一乙将有机物中的碳 最终以CH4、CO2等产物形式逸出。
15.2.6 其他厌氧生物处理过程
1. 硫酸盐还原过程 硫酸盐还原：是指在厌氧条件下，化能异养型硫酸盐还
Sludge Blanket (Bed)、UASB ) 厌氧流化床 (Anaerobic Fluidized Bed、AFB ) 厌 氧 附 着 膜 膨 胀 床 (Anaerobic Attached Film
Expanded Bed 、AAFEB) 厌 氧 生 物 转 盘 （ Anaerobic Rotated Biological
厌氧氨氧化细菌有可能是亚硝化单胞菌属中的二个种 （N.europaea和N.eutropha），它们能同时进行硝化和 反硝化，无氧条件下， NH4+为电子供体，转化N2，还 原NO2-，无需有机C源，以碳酸盐或CO2为无机C源，氨 氮转化率同好氧硝化相当，能节省C源和供氧消耗。