第15章 厌氧生物处理

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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 的各种厌氧消化池等; ——HRT很长、处理效率很低、浓臭的气味等; ④70年代后,能源危机,现代高速厌氧反应器,厌氧消 化工艺开始大规模地应用于废水处理;
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
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
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: 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.3.4 影响产酸细菌的主要生态因子 影响产甲烷细菌的主要细菌因子 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子 厌氧生化反应动力学
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
15.2.1 复杂有机物的厌氧降解
传统观点认为:有机物的厌氧生物处理分为两个阶段: 产酸(或酸化)阶段(acidogenic phase)和产甲烷(或 甲烷)阶段(methanogenic phase) 1967年Bryant报告认为,复杂有机物的厌氧反应过程经 历3个阶段。 后来发展为4阶段的厌氧代谢过程:①水解(hydrolysis) 阶段;②产酸发酵(acidogenic fermentation)阶段;③ 产氢产乙酸(H2-producing acetogenesis)阶段; ④产 甲烷(methanogenesis)阶段 细菌类型分为两大类型:产酸细菌(acidogens)和产甲 烷细菌(methanogens)
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
15.2.3 产酸发酵阶段
发酵(fermentation)定义:有机物既作为电子受体也
是电子供体的生物降解过程 。 简单的有机物在产酸菌的作用下(胞内酶)经过厌氧 发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等(挥发性)脂 肪酸和醇类等 。 产酸发酵的末端产物组成取决于厌氧生态条件、底物 种类和参与的微生物群。
厌氧生物代谢过程示意图
5% 复杂有机化合物 (碳水化合物、蛋白质、类脂类) 水解 10% 简单有机化合物 (糖、氨基酸、肽) 产酸 长链脂肪酸 (丙酸、丁酸等) 13% H2 CO 2 28% 72% 17% 乙酸 35% 20%
CH 4 CO 2
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;
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
15.3.2 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


厌氧生物处理的发展


厌氧接触法(Anaerobic Contact Process) 厌氧滤池(Anaerobic Filter、 AF ) 上流式厌氧污泥层(床)反应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed)、UASB ) 厌氧流化床 (Anaerobic Fluidized Bed、AFB ) 厌 氧 附 着 膜 膨 胀 床 (Anaerobic Attached Film
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 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。
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 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:
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。 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。 研究认为:在高氨氮废水中,控制亚硝化在57%时,进 入厌氧氨氧化反应器,生成的NO2-和氨氮刚好同时去除
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
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 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%。
15.3.5 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; 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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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~- 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℃。
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 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
硫酸盐还原:是指在厌氧条件下,化能异养型硫酸盐还 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:

2 2CH 3CHOHCOOH SO4 4 ADP 4 H 3 PO4
Expanded Bed 、AAFEB)


厌 氧 生 物 转 盘 ( Anaerobic Rotated Biological 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
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。
15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子
5. 污泥浓度:在连续式厌氧生物处理有机废水系统中, 新开发的工艺均以污泥保有量高为主要特点。如上流 式厌氧污泥层反应器,平均污泥浓度可达到30~50g/L, 比好氧曝气池中生物量高10~20倍。
6. 碱度:产甲烷细菌的生存条件一般为pH在6以上 7. 接触与搅拌:搅拌是提高传质速率的重要因素之一。 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。
15.3.4 厌氧生化反应动力学
厌氧生化反应动力学方程式:
rsu max dt Ks S dX rg Yrsu kd X dt mg /( L d ) ; 式中 rsu ——底物去除速率, kmax ——最大比底物利用速率, gCOD /( gVSS d ) ; S ——可降解的底物浓度,mg/L; K s ——半速度常数,即最大比底物利用速率为一半时的底物
2CH 3COOH 2CO2 S 2 6H 2O 4 ATP
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。 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)。
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