废水的厌氧生物处理技术 讲稿

pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素； 产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5或>8.2 时，产甲烷菌会受到严重抑制，并可能导致整个厌氧消化过程的恶化； 厌氧体系中的 pH值受多种因素的影响：进水 pH值、进水水质（有机物浓 度、种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等； 厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制； 系统中脂肪酸含量的增加，将消耗HCO3-，使pH下降；但产甲烷菌的作用 可消耗脂肪酸，且还会产生HCO3- ，使系统的pH值回升； 碱度的作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持pH值； 厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。
主要因素有：
温度 pH值 氧化还原电位 营养物质 有机负荷 抑止性物质
1、温度：
温度对厌氧微生物的影响十分显著： 厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，
厌氧消化分为：高温消化（55C左右）和中温消化（35C左右）；
高温消化的反应速率约为中温消化的 1.5~1.9倍，产气率也较高，但
6、抑止性物质：
硫化物或硫酸盐 氨氮 重金属 氰化物
某些有机物
四、厌氧生物处理的主要特征
主要优点：
能耗低，且还可回收生物能（沼气）； 污泥产量低；
——厌氧微生物的增殖速率低， ——产酸菌的产率系数Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD， ——产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右， ——好氧微生物的产率系数约为0. 5~0.6kgVSS/kgCOD。
HS
过
发酵产酸
Ac Pro Bu Va HCO3 NH4+ LCFA 增殖 微生物
固 液 平 衡
化
水 解
氨基酸
单糖 脂类 反硝化 NO3 硫酸盐还原 SO42 沉淀
蛋白质
碳水化合物
生
初步分解 惰性物质 颗粒状化合物
亡
程 过 化
物
二、厌氧生物处理过程中的微生物
发酵细菌（产酸细菌） 产氢产乙酸菌 同型产乙酸菌 产甲烷菌等
不同形态的产甲烷菌 ③产甲烷八叠球菌
不同形态的产甲烷菌
④产甲烷丝菌
不同形态的产甲烷菌
④产甲烷丝菌
颗粒污泥的扫描电镜照片——产甲烷丝菌
颗粒污泥的内部细菌——产甲烷球菌与产甲烷八叠球菌
颗粒内部产甲烷球菌与丝状菌
颗粒污泥内部的产甲烷八叠球菌
产甲烷菌的特性
在 生 物 分 类 学 上 ， 产 甲 烷 细 菌 (Methanogens) 属 于 古 细 菌
气体中甲烷含量较低；
当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较
好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好；
随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的影响不
再非常重要（新型反应器内的生物量很大），因此可以在常温条件 下（20~25C）进行，以节省能量和运行费用。
2、pH值和碱度：
CO2、CH4
碱 性 发 酵 阶 段
烷细菌methane producing bacteria, methanogens；
其特点有：1）生长慢；2）
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对环境条件（温度、pH、抑制 物等）非常敏感。
厌氧生物处理的三阶段理论
两阶段理论的问题：
研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、
乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用其 它含两个碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；
70 年代， Bryant 发现原来认为是一种被称为“奥氏产
甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的， 一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌利 用H2和CO2产生CH4；
因而，提出了“三阶段理论”
厌氧生物处理的三阶段理论
水解、发酵阶段： 产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂
厌氧生物处理的有机负荷很高，达 5~10kgCOD/m3.d， 甚至可达50~80 kgCOD/m3.d； ——无传氧的限制； ——更高的生物量。 产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，二者之间的平 衡不易控制，因此必须十分谨慎地选择有机负荷； 高的有机容积负荷的前提是高的生物量，相应的污泥负 荷仍然较低； 高的有机容积负荷可缩短HRT，减小反应器容积。
①两阶段理论
②三阶段理论
③四阶段理论
厌氧消化的两阶段理论
有机物
水解细菌 酸 性 发 酵 阶 段
小分子有机物
产酸菌
发酵阶段，又称产酸阶段或
酸性发酵阶段；
主要功能：水解和酸化， 主要产物：脂肪酸、醇类、
脂肪酸、醇类、 H2、CO2
CO2和H2等；
碱 性 发 酵 阶 段
产甲烷菌
CO2、CH4
主要的微生物：统称为发酵
肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；
产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、 CO2产生CH4； 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有 70%的 CH4产
自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。
厌氧生物处理的四种群理论 同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。
实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。
2(CH 3 ) 3 S 3H 2O 3CH 4 HCO3 H 2H 2 S
4CH 3OH H 2 CH 4 H 2O
产甲烷菌的分类
根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可分类如下：
产甲烷杆菌属 产甲烷杆菌目 产甲烷杆菌科 产甲烷杆短菌属 产甲烷球菌目 产甲烷球菌科 产甲烷球菌属 产甲烷微菌属 瘤胃产甲烷杆菌 范氏产甲烷球菌 运动产甲烷微菌 甲酸产甲烷杆菌
产甲烷微菌科
产甲烷微菌目 产甲烷八叠球菌科
产甲烷菌属
产甲烷螺菌属 产甲烷八叠球菌属 产甲烷丝菌属
黑海产甲烷微菌
亨氏产甲烷螺菌 巴氏产甲烷八叠球菌 索氏产甲烷丝菌属
不同形态的产甲烷菌 ①产甲烷杆菌：——a、瘤胃甲烷短杆菌
不同形态的产甲烷菌
①产甲烷杆菌： ——b、嗜树甲烷短杆菌
不同形态的产甲烷菌
②产甲烷球菌——斯氏甲烷球菌
沼气
气 相 CH4 CO2 H2S H2 N2
厌 氧多 生阶 物段 处理 理论 的
进水
气液 平衡
气泡
出水
液 相
液相平衡
CH4 产甲烷 HAc H2
CO2
HCO3
CO32
液相平衡
程
产氢产乙酸 Hac Hpro Hbu HVa CO2 NH3 LCFA
液相平衡
Ca2+ Fe2+ Zn2+
N2
H2S

蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。
2、产氢产乙酸菌
主要功能：将高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2； 主要反应：
乙醇： CH 3CH 2 OH H 2 O CH 3COOH 2H 2 丙酸： CH 3CH 2COOH 2H 2O CH 3COOH 3H 2 CO2 丁酸： CH 3CH 2CH 2COOH 2H 2O 2CH 3COOH 2H 2
4H 2 CO2 CH 4 2H 2O
4HCOO 2H CH 4 CO2 2HC3
4CO 2H 2O CH 4 3CO2
4CH 3OH 3CH 4 HCO3 H H 2O
4(CH 3 )3 NH 4 9H 2O 9CH 4 3HCO3 3H 4 NH 4

特点： 能利用CO2作为末端电子受体形成乙酸； 既能代谢CO2自养生活，又能代谢有机物异养生活； 多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。
4、产甲烷菌
60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术；
主要功能：将产氢产乙酸菌的产物 ——乙酸和H2/CO2转化为
CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；
产甲烷细菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在 150400
mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；
产甲烷菌的增殖速率很慢，世代时间很长，可达46天，因此，一
般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。
三、厌氧生物处理过程的影响因素
产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一 般来说，在讨论厌氧生物处理的影响因素时主要 讨论影响产甲烷菌的各项因素；
注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压很低时才能顺利进行。
主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等； 多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。
3、同型产乙酸菌

主要功能：乙酸是高级脂肪酸等酸化产物转化过程的主 要产物或唯一产物 主要细菌：伍德氏产乙酸杆菌，威林格氏乙酸杆菌，乙

酸梭菌， 基维产乙酸菌，嗜热自养梭菌等；


基本概念
“好氧 aerobic”：是指这类生物必须在有分子态氧 气（ O2 ）的存在下，才能进行正常的生理生化 反应； ——主要包括大部分微生物、动物以及人类； “厌氧anaerobic”：是能在无分子态氧存在的条件 下，能进行正常的生理生化反应的生物； ——主要有厌氧细菌、酵母菌等
一、厌氧生物处理的基本生化过程 ——阶段性理论
(Archaebacteria)，大小、外观上与普通细菌(Eubacteria)相似，但 实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊；
在自然界的分布，一般可认为是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、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等；
可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌； 乙酸营养型产甲烷菌的种类较少 ，只有 Methanosarcina 和
Methanothrix ，但在厌氧反应器中，有70%左右的甲烷是来 自乙酸的氧化分解；
典型的产甲烷反应
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
CH 3COOH CH 4 CO2
细菌或产酸细菌；
主要特点有：1）生长快，2）
适应性（温度、pH等）强。
厌氧生物处理的两阶段理论
有机物
水解细菌 酸 性 发 酵 阶 段
小分子有机物
产酸菌
产甲烷阶段，又称碱性发酵
阶段；
产甲烷菌利用前一阶段的产
物，并将其转化为CH4和CO2；
主要参与微生物统称为产甲
脂肪酸、醇类、 H2、CO2
产甲烷菌
1、发酵细菌（产酸细菌）

主要功能：
水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物； 酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；
主要细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等； 特点： 水解过程较缓慢，并受多种因素影响（ pH 、 SRT 、有机 物种类等），有时会成为厌氧反应的限速步骤； 产酸反应的速率较快； 大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌； 按功能来分类：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、
废水的厌氧生物 处理技术
本节课的主要内容
一、厌氧生物处理的基本生化过程 ——阶段性理论
二、厌氧生物处理过程中的微生物
三、厌氧生物处理的影响因素
四、厌氧生物处理的主要特征
五、UASB反应器的简介
基本概念

早期，被称为厌氧消化 anaerobic digestion、厌 氧发酵anaerobic fermentation； 实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼 性 facultative厌氧）微生物的共同作用下，使有 机物分解并产生CH4和CO2的过程。 沼气（biogas）： CH4和CO2
3、氧化还原电位：
严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本 条件； 非产甲烷菌可以在氧化还原电位为 +100~ 100mv 的 环境正常生长和活动； 产甲烷菌的最适氧化还原电位为150 ~ 400mv，在 培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于 330mv。
4、营养要求：
三阶段、四阶段理论是目前认为的对厌氧生物处理过 程较全面和较准确的描述。
厌氧生物处理的三阶段理论 和四种群理论
有机物
I
发酵性细菌
脂肪酸、醇类 II 产氢产乙酸菌 IV
乙酸
H2+CO2 同型产乙酸菌
产甲烷菌 III CH4+CO2
说明：1）I、II、III为三阶段理论， 2）I、II、III、IV为四种群理论；
厌氧微生物对 N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物， 其要求COD：N：P = 400：5：1； 多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功 能，所以有时需要投加：
①K、Na、Ca等金属盐类；
②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等； ③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。
5、有机负荷：