第三章 厌氧生物处理技术

时间30～60d；
• 温度不到30℃的低浓度有机
废水、水量变化很大或间歇 排除或毒物负荷波动等情况 下的废水，需要较大的反应 体积；
普通厌氧反应器
农村用 的沼气 池为无 搅拌普 通厌氧 反应器 沼气池
2）厌氧接触反应器
• 排出的混合液在沉
淀池中分离后回流 到反应器中
• 有效处理的关键在
于污泥沉淀性能和 污泥分离效率
2
1
0
图 19-2 温 度 与 有 机 物 负 荷 、 产 气 量 关 系 图
产 气 量 （ m/m· d）
5
消化温度与消化时间的关系
60 50
40
T（ C）
30
20
10
0
15
30
45
60
75
90
105
120
消 化 时 间 t（ d）
图 19-3 温 度 与 消 化 时 间 的 关 系 曲 线
生物固体停留时间（污泥龄）与负荷
好氧处理与厌氧处理的比较
项目 好氧处理 厌氧处理 厌氧消化法、厌氧生物膜 法、厌氧塘法
基本原理
主要方法 活性污泥法、生物膜法、好氧塘法 1.活性污泥法 好氧呼吸细菌是降解的主力，原生 动物、后生动物影响出水水质，丝 状细菌、真菌异常生长会导致污泥 起主要作 膨胀 用微生物 2. 生物膜法 类群 好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌均能 代谢降解有机物，真菌对废水净化 有作用，藻类能增加溶解氧浓度， 原生动物和后生动物对出水水质有 影响
Fra Baidu bibliotek
厌氧微生物群体起主要作 用：发酵细菌水解不溶性 有机物，将可溶性大分子 有机物转化为脂肪酸或醇 类；产氢产乙酸细菌将挥 发性脂肪酸降解为乙酸和 氢；产甲烷菌利用乙酸产 生甲烷，少部分利用氢和 二氧化碳合成甲烷
续
项目 好氧处理 厌氧处理
应 用 范 围
城市污水、石油 化工、印染、食 品加工和酿造等 废水处理 能量需求高；污 泥产生量大；对 温度、pH等环境 因素敏感；处理 后废水有机物浓 度低；
氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用。
4、厌氧微生物群体间的关系 在厌氧生物处理反应器中．不产甲 烷菌和产甲烷茵相互依赖，互为对方创 造与维持生命活动所需要的良好环境和 条件。但又相互制约。厌氧微生物群体 间的相互关系表现在以下几个方面：
A、不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长 和产甲烷所需要的基质； B、不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜 的氧化还原条件； C、不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒 物质； D、产甲烷细菌由为不产甲烷细菌的生化 反应解除反馈抑制； E、不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持 环境中适宜的pH值。
厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切的关系， pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物 要求不同的pH值，过高或过低的pH对微生物是不利的，表 现在： 1．由于pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微 生物对营养物的吸收； 2．pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合 物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多数非 离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞； 3．pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的pH值时才能发 挥最大活性，不适宜的pH值使酶的活性降低，进而影响微生 物细胞内的生物化学过程。
有毒物质
挥发性脂肪酸（VFA是消化原料酸性消化的产 物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥 发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件， 但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化 过程。 有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物 的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种 类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、 醇类、苯、氰化物及去垢剂等。 对厌氧消化具有抑制作用的物质
第三章 厌氧生物处理技术
一、厌氧处理的原理
厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在 厌氧条件下由多种微生物的共同作用，使有 机物分解外生成CH4和CO2的过程。
厌氧消化三阶段理论如下图：
复杂有机物
1 水解
简单溶解性有机物
发酵性细菌
1 1
发酵 产氢产乙 酸细菌
2 1
脂肪酸、醇类、丙 酸、丁酸、乳酸等
2
3
图2-8 厌氧接触反应器
3）厌氧污泥床反应器
• 特点：
没有载体，絮状污泥在上升水流和气 泡的作用下处于悬浮状态。
• 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是其中
的一种，已经得到广泛应用。
UASB示意图
4）厌氧固定膜反应器 类似于好氧生物膜反应器，填料固定。 5）厌氧流化床反应器
类似于好氧流化床生物膜反应器，载体 通常为沙粒、活性炭，悬浮，处理有毒物 质效果较好
营养与C/N比
厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气 的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营 养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氨素两 种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比 例的氮素和碳素。表1给出了常用沼气发酵原料的 碳氮比。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对 缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有 机物的分解速度就慢、发酵过程就长。若C/N比过 低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容 易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。
氢气、二 氧化碳 利用氢气和二 氧化碳产甲烷 菌
4
同型产乙酸菌
5
乙酸
分解乙酸产甲烷菌
甲烷、二氧化碳
好氧与厌氧处理 如果有机污染物生物处理系统不 充氧，由于好氧微生物活动造成厌氧 环境，使厌氧微生物生长繁殖，最终 成为优势菌群，并对有机污染物进行 厌氧分解。
与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理 的主要特征是： (1)能量需求大大降低．还可产生能量。 这是因为厌氧生物处理不要求供给氧气，相 反却能生产出含有50％一70％甲烷的沼气， 含有较高的热值(21000一25000KJ／m3)， 可以用作能源。 (2)污泥产量极低。这是因为厌氧微生物 的增殖速率比好氧微生物低得多。
四、厌氧处理的主要方法
核心：厌氧反应器
工艺流程包括：
• 调节池
• 厌氧反应器
• 甲烷收集利用系统
• 污泥处理系统
厌氧处理的基本流程
37℃
废水
调节池
热交换器
厌 氧 反 应 器
气柜
出水
沉淀池
回流污泥
剩余污泥

厌氧反应器的类型
1）普通厌氧反应器 （AP）
也称普通消化池
• 无辅助搅拌设施，固体停留
各种废物的碳氮比（C/N）
原料
大便 小便 牛厩肥 鲜马粪 鲜羊粪
碳氮比
(6~10):1 0.8:1 18:1 24:1 29:1
原料
厨房垃圾 混合垃圾 初沉池污泥 二沉池污泥 鲜猪粪
碳氮比
25:1 34:1 5:1 10:1 13:1
氨氮
厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要 的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很少， 故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物 降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消 化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。 实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强 的毒性或抑制性，氨氮以NH4+及NH3等形式 存在于消化液中，NH3对产甲烷菌的活性有 比NH4+更强的抑制能力。
三、厌氧处理的影响因子
pH6.8～7.2 温度（中温35℃、高温55 ℃ ） 营养盐 毒物—高浓度的离子以及其他有机毒物 氧浓度（厌氧菌的生活环境） 氧化还原电位 食料微生物比
温度因素
温度与有机物负荷、产气量关系见图1
消化温度与消化时间的关系见图2 厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，
温度的突然变化，对沼气产量有明显影响， 温度突变超过一定范围时，则会停止产气。 根据采用消化温度的高低，可以分为常温消 化（10~30℃ ）、中温消化（35℃左右）和 高温消化（54℃左右）。
温度与有机物负荷、产气量关系
8 7 6 3 4
有 机 物 负 荷 （ kg/m· d）
4 3 2 1 0 25 30 35 40 温 度 （ C） 45 50 55
主要包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真 细菌属和双歧杆菌属等。 这类细菌的主要功能是先通过胞外酶的作用将 不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的 大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。 发酵细菌大多数为专性厌氧菌，但也有大量兼 性厌氧菌。按照其代谢功能，发酵细菌可分为纤维 素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质 分解菌和脂肪分解菌等。 除发酵细菌外，在厌氧消化的发酵阶段，也可 发现真菌和为数不多的原生动物。
缺点：厌氧微生物生长慢，产生臭味，对进 水水质和操作控制要求高，对低浓度有机 废水处理效果低，出水水质一般达不到规 定的排放标准，需要进一步处理。
应用
可以处理高浓度的有机废水，也能处 理中低浓度的废水； 广泛应用于食品、酿造、有机化工和 制药等工业废水处理。
二、厌氧处理微生物
1、发酵细菌(产酸细菌)
特 征
城市污水处理厂污泥的稳定化处理， 高浓度有机废水处理，与好氧过程 配合使用处理城市废水，含难降解 有机物的工业废水处理等 能量需求低，可以产生能量；污泥 产生量极低； 对温度、pH等环境因素更敏感； 处理后废水有机物浓度高； 可对好氧微生物所不能降解的部分 有机物进行降解（或部分降解）； 处理过程的反应较复杂
(3)对温度、pH等环境因素更为敏感。 厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类。 其适宜的温度范围分别为55℃左右和 35℃左右。如温度降至10℃以下，厌氧 微生物的活动能力将非常低。产甲烷菌 的最适pH范围也较好氧菌为小。 (4)处理后废水有机物浓度高于好氧 处理。
(5)厌氧微生物可对好氧微生物所不能降 解的一些有机物进行降解(或部分降解)。 (6)处理过程的反应较复杂。如前所述， 厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微 生物协同工作的一个连续的微生物学过程， 远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。
对厌氧消化具有抑制作用的物质
抑制物质
挥发性脂肪酸
浓度/(mg/L)
>2000
抑制物质
Na
浓度/(mg/L)
3500～5500
氨氮
溶解性硫化物 Ca Mg
1500～3000
>200 2500～4500 1000～1500
Fe
Cr6+ Cr3+ Cd
1710
3 500 150
K
2500～4500
酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用
2、产氢产乙酸细菌 研究所发现的产氢产乙酸细菌包括互营 单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属 等。 这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为 乙酸和H2。 只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很 低时才能完成。
3、产甲烷细菌 产甲烷菌大致可分为两类： 一类主要利 用乙酸产生甲烷，另一类数量较少，利用氢 和CO2的合成生成甲烷。也有极少量细菌， 既能利用乙酸，也能利用氢。 以下是两个典型的产甲烷反应：
1.0
有 机 负 荷 （ X16.21kgvs/m· d）
0.8
0.6
0.4
有
机
物
浓
度
0.2
6% 4%
0
%
8%
0
10
20
30
40 t（ d）
水力停留时间
图 19-4
容积负荷和水力停留时间关系
搅拌和混合
搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接 触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产 气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加 快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消 化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消 化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法 包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅 拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可， 如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气 池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将 消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气 流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅 拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。
厌氧条件下，简单有机物或无机物成为 最终电子受体，而好氧条件下氧是最终电 子受体。
两者比较，厌氧分解过程产生的能量 少，细胞产量和污染物分解速率低，有机 物只能进行不完全的分解，最后由产甲烷 细菌作用而生成甲烷。
优缺点
优点：有机负荷高，产生的剩余污泥少，运 行费用低，对氮磷等需求低，产生甲烷可 作为能源。