第15章 厌氧生物处理

2 、厌氧生物处理的特点
主要优点
与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下 主要优点： ① 能耗降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处 理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了
能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同
时，还会产生大量的沼气。 ② 污泥产量很低；产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，
a b n a b n a b Cn H a Ob n H 2O CO2 CH 4 4 2 2 8 4 2 8 4
(2) 理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25 gCH4， 相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百 分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关； 由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走， 同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的 产气量要比理论产气量小。
产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的
产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。 ③ 厌氧微生物可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分 降解；对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行 处理可以获得更好的处理效果。
主要缺点 ① 厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。 ② 厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因 素非常敏感。 ③ 厌氧生物处理出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工 艺进行进一步的处理； ④ 厌氧生物处理的气味较大；
⑤ 对氨氮的去除效果不好，还可能由于原废水中含有的有机
氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。
我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度 高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等 有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及 营养元素N、P的污染；目前高浓度有机工业废水的处理特 点是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也 越来越高。 我国的厌氧工艺技术发展： ① 能将有机污染物转变成沼气并加以利用； ② 运行能耗低； ③ 有机负荷高，占地面积少； ④ 污泥产量少，剩余污泥处理费用低，等等；
③ 双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下 层消化池；
④ 停留时间很长，出水水质也较好;
⑤ 后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛 推广，在我国目前仍有应用 。
(2) 第二代厌氧生物反应器——厌氧接触法、厌氧滤池 （AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流 化床（AFB）、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧 反应器等。
•
水解产酸细菌 (fermentative bacteria)
•
•
产氢产乙酸细菌 (acetogenic bacteria)
产甲烷细菌 (methanogenic bacteria)

厌氧消化过程划分为三个连续的阶段，即
水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段
发展中观点－－三阶段理论
(1) 水解阶段：碳水化合物（脂肪、蛋白质）在水解发酵菌作用下转化 为糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳； (2)产氢产乙酸阶段：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙 酸 CH3CH2COOH→CO2+CH3COOH+H2 (3) 产甲烷阶段：最后两组生理不同的产甲烷菌，有共同的产物 4H2+CO2→CH4+2H2O 2CH3COOH→2CH 4% 4+2CO2
厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。
3、 厌氧生物处理的基本原理
3.1 复杂有机物的厌氧降解
传统观念－－两阶段理论
消化 过程
液化(酸化) 气化(甲烷化)
液态污泥的pH迅速下降， 转化产物中有机酸是主体 产生消化气，主体是CH4

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
•
(二) pH值 每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌
对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较
广，在4.5-8.0之间。
•
产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜 pH值为7.0-7.2，pH6.6-7.4较为适宜。 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大
•
多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过
•
各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认
为，产甲烷菌的温度范围为5-60℃。
•
在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化
效率，温度为40-45℃时，厌氧消化效率较低。
•
据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分
为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。
温度对厌氧消化过程的影响
8 有机负荷 产气量 4 3 2 1 0 25 30 35ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ40 45 50 55 60 温度（℃）
多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5-7.5(最
好在6.8-7.2)的范围内。
•
在厌氧消化过程中， pH 值的升降变化除了外 界因素的影响之外，还取决于有机物代谢过程 中某些产物的增减。 产酸作用产物使有机酸的含量增加，会使 pH 值下降。含氮有机物分解产物氨的增加，会引 起pH值升高。 在厌氧处理中， pH值除受进水的 pH影响外， 主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡， 取决于挥发酸、碱度、CO2、氨氮、氢之间的 平衡。
这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又 被统一称为“第二代厌氧生物反应器”。 它们的主要特点有： ① HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高； ② 主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污 泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、厌氧生物转 盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等； ③ HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应 器内生物量很高。
二、厌氧微生物生态学

控制厌氧处理效率的基本因素有两类:
一类是基础因素——包括微生物量 (污泥浓度)、营养
比、混合接触状况、有机负荷等；
一类是环境因素——如温度、pH值、氧化还原电位、
有毒物质等。
•
产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生 物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。
(一) 温度条件
(3) 第三代厌氧生物反应器——颗粒污泥膨胀床（EGSB）反 应器、厌氧内循环（IC）反应器等

20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB 反应器的广泛应用，在其基础上发展起来的新型反应器。

EGSB反应器20世纪80年代，荷兰Wageningen农业大学 研究的。
IC反应器，荷兰的Paques公司研制，1985年第一座建成。 用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生 的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到 更高的有机负荷。
有机物负荷 (g/L.d）
6 4 2 0
产气量（L / L . d ）
消化温度与消化时间的关系
60
50 40
T（C）
高温消化
消化时间：指产气量达 到总产气量的90%以上 的时间
30 20 10 0
中温消化
15 30 45 60 75 90 105 120 消化时间 t（d） 图 温度与消化时间的关系曲线

特点是：
早期的厌氧生物反应器
① 1881年法国Mouras的自动净化器： ② 1891英国Moncriff的装有填料的升流式反应器： ③ 1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）； ④ 1905，德Imhoff池（称隐化池、双层沉淀池） 特点有： ① 处理废水同时，也处理从废水沉淀下来的污泥； ② 前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水 水质；
•
•
(三) 氧化还原电位 • 无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本
3/4的厌氧污水处理厂中，并且Gatze Lettinga没有申请
专利而将这种技术免费普及。“UASB反应器概念对所有
人都是公开的，特别是对发展中国家的人民，这是我一直
期望的” Lettinga声明。
与传统能量密集型的处理工艺相比，UASB法产生的 沼气可以被回用，并且传统工艺还会产生与UASB法相比 10倍到20倍的残余物。Lettinga说，事实上，厌氧处理 法已经成为所有工业污水处理厂的选择，我们可以预见 同样的事情会发生在生活废水处理厂。 目前全世界有几千座厌氧污水处理厂正在运行， McCarty的工作为UASB提供了理论依据。McCarty赞 扬Lettinga为厌氧工艺本地化所做出的努力。 泰勒奖评委会认为Lettinga的工作“为世界特别是 发展中国家提供了一种污水处理的极优秀的工艺。” 泰勒奖是奖励在环境科学，能源和医疗方面做出杰 出成绩的科学家。由Alice Tyler1973年设立，每年颁 发一次。
76%
（1/3）CO2还原 （2/3）乙酸脱羧
H2 28%
复杂有机物 水解与发酵
较高级有机酸
CH4+CO2 72% 生成甲烷
20% 生成乙酸与脱氢
乙酸
最新观点－－四阶段厌氧生物代谢过程
水解阶段；
产酸发酵阶段 产氢产乙酸阶段。 产甲烷阶段
(1) 水解阶段
定义 复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶 的作用下转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。
第十五章 污水的厌氧生物处理
第一节
第二节 第三节
污水厌氧生物处理的基本原理
污水的厌氧生物处理工艺 厌氧生物处理法的设计计算
第一节
污水厌氧生物处理的基本原理
一、 概述
厌氧生物处理：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生
命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过