第11章厌氧生物处理法 11.1厌氧法的基本原理 11.2厌氧法的影响因素 11.3厌氧法的工艺和设备 11.4厌氧消化过程动力学 11.5厌氧产气量计算
第11章 厌氧生物处理法 11.1 厌氧法的基本原理 11.2 厌氧法的影响因素 11.3 厌氧法的工艺和设备 11.4 厌氧消化过程动力学 11.5 厌氧产气量计算
11.1厌氧法的基本原理 在断绝与空气接触的条件下,依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化 学作用,对有机物进行生化降解的过程,称为厌氧生物处理法或厌氧消 化法。 若有机物的降解产物主要是有机酸,则此过程称为不完全的厌氧消化 简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气, 此全过程称为完全的厌氧消化,简称为甲烷发酵或沼气发酵。 厌氧生物处理法的处理对象是:高浓度有机工业废水、城镇污水的 污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二 (1)酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质; (2)甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的 厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能,因而 得到了广泛的发展和应用
11.1 厌氧法的基本原理 在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化 学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消 化法。 若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化， 简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气， 此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的 污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二： （1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质； （2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的 厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而 得到了广泛的发展和应用
11.1厌氧法的基本原理 有机酸 大分子有机物 水解 水解的和溶解酸化 醇 类 (碳水化合物, 醛类等 蛋白质,脂肪 等) 细菌的胞外酶的有机物 产酸细菌 H, co 乙酸化 甲烷化 CH4 乙酸 乙酸细菌 甲烷细菌 CH 甲烷细菌 厌氧发酵的几个阶段
11.1 厌氧法的基本原理
11.1厌氧法的基本原理 1、水解酸化阶段(产酸或酸化细菌) 多糖(如纤维素)水解 低聚糖 细胞外单糖酸化脂肪酸醇类 产酸细茵CO2、H2 脂肪水解长链脂肪酸甘油酸化、短链脂肪酸丙酮酸 细胞外酶 产酸细菌CH4、CO2 水解 酸化脂肪酸胺、 蛋白质细胞外酶基酸 产酸细菌NH3、CH4、CO2、H2S →胨→多肽→二肽 +H2O +CO NH NH*+OH NHHCO NH4HCO3+CH3COOH—→CH3 COONH4+H2O+CO2
11.1 厌氧法的基本原理 1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）
11.1厌氧法的基本原理 2、产气阶段(甲烷细菌) 乙酸化阶段 CH3CH2CH2CH2COOH +2H2O-CH3 CH2 COOH+CH3 COOH+2H, (戊酸) (丙酸) (乙酸) CH3CH2COOH-+2H2O-CH3 COOH+3H2+CO 2 (丙酸) (乙酸) 甲烷化阶段 产甲烷菌 4H2+CO2 CH4+ 2H2O (占1/3) CH COOH甲烷2xCH,+20O2 (占2/3) CH COONH1+H2O产甲烷剧CH2+ NHHCO
11.1 厌氧法的基本原理 2、产气阶段（甲烷细菌） 乙酸化阶段 甲烷化阶段
11.2厌氧法的影响因素 温度条件 8 4 有机负荷 产气量 2 礼 0 25303540455055 温度(℃) 温度对消化的影响
11.2 厌氧法的影响因素 一、温度条件
11.2厌氧法的影响因素 二、pH值 一般认为,实测值应72~74之间为好。低于70时,pH值并不稳定, 有继续下降的趋势。低于65时,将使正常的处理系统遭到破坏 如果有机物负荷太大,水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率, 将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降,抑制甲烷细菌的生理机能。 最终使气化速率锐减,甚止停止。 般原液的pH值为6~8。系统中挥发性脂肪酸浓度(以乙酸记)以不 超过3000mg/L为佳。 重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。一般要 求系统中碱度在2000mg/L以上,氨氮浓度以介于50~200ng/L为佳
11.2 厌氧法的影响因素 二、pH值 一般认为，实测值应7.2～7.4之间为好。低于7.0时，pH值并不稳定， 有继续下降的趋势。低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。 如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率， 将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。 最终使气化速率锐减，甚止停止。 一般原液的pH值为6～8。系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不 超过3000mg/L为佳。 重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。一般要 求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于50～200ng/L为佳
11.2厌氧法的影响因素 三、氧化还原电位 厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以 体系中的氧化还原电位反映。 引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因:氧和其它一些氧化剂或氧化态 物质的存在(如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O2、NO3、SO42以及酸性 废水中的H等) 高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为500~-600mV;中温厌氧消化 系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于300~380mv。 产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格,甚至可在+100~-100mV的兼 性条件下生长繁殖;而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为350mV或更低。 就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言,只要严密隔 断于空气的接触,即可保证必要的ORP值
11.2 厌氧法的影响因素 三、氧化还原电位 厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以 体系中的氧化还原电位反映。 引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因：氧和其它一些氧化剂或氧化态 物质的存在(如某些工业废水中含有的Fe3+ 、Cr2O7 2-、NO3 -、SO4 2-以及酸性 废水中的H+等) 高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化 系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300～-380mV。 产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼 性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。 就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔 断于空气的接触，即可保证必要的ORP值
11.2厌氧法的影响因素 、负荷率 容积负荷率:反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量,单位为kg/m3d或 g/Ld。有机物量可用 COD. BOD.S和VSS表示 ■污泥负荷率:反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量,单位为kg/kgd 或g/gd。 投配率:每天向单位有效容积投加的新料的体积,单位为m3/m3d。投配率的倒数为 平均停留时间或消化时间,单位为d。投配率有时也可用百分数表示,例如, 007m3/m3d的投配率也可表示为7%。 确定厌氧消化装置的负荷率的原则是:在两个转化(酸化和气化)速率保持稳定平衡 的条件下,求得最大的处理目标(最大处理量或最大产气量)。 种发酵状态 ■当有机物负荷率很高时,消化液显酸性(pH<7),称为酸性发酵状态,它是一种低 效而又不稳定的发酵状态,应尽量避免。 当有机物负荷率适中时,产酸细菌代谢产物中的有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸 收利用,并转化为沼气,溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中pH值 维持在7~75之间,称为弱碱性发酵状态,它是一种高效而由稳定的发酵状态,最佳负荷 率应达此状态。 当有机物负荷率偏小时,消化液中的有机酸残存量很少,pH值偏高(大于75)称为 碱性发酵状态。由于负荷偏低,是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态
11.2 厌氧法的影响因素 四、负荷率 ◼ 容积负荷率：反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/m3·d或 g/L·d。有机物量可用COD.BOD.S和VSS表示。 ◼ 污泥负荷率：反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/kg·d 或g/g·d。 ◼ 投配率：每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为m3/m3·d。投配率的倒数为 平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也可用百分数表示，例如， 0.07m3/m3·d的投配率也可表示为7%。 确定厌氧消化装置的负荷率的原则是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡 的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。 三种发酵状态 ◼ 当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（pH<7），称为酸性发酵状态，它是一种低 效而又不稳定的发酵状态，应尽量避免。 ◼ 当有机物负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中的有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸 收利用，并转化为沼气，溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中pH值 维持在7～7.5之间，称为弱碱性发酵状态，它是一种高效而由稳定的发酵状态，最佳负荷 率应达此状态。 ◼ 当有机物负荷率偏小时，消化液中的有机酸残存量很少，pH值偏高（大于7.5）称为 碱性发酵状态。由于负荷偏低，是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态
11.2厌氧法的影响因素 五、污泥浓度 各种反应器要求的污泥浓 高温消化 度不尽相同,一般介于10~ 10 30gVSS/L之间。 为了保持反应器的生物量 中温消化 不致因流失而减少,可采用 多种措施,如安装三相分离 器、设置挂膜介质、降低水 51020 50 流速度和回流污泥量等 污泥浓度(容积%) 消化池内污泥浓度与最高处理量 之间的关系(乙醇蒸馏废水)
11.2 厌氧法的影响因素 五、污泥浓度 各种反应器要求的污泥浓 度不尽相同，一般介于10～ 30gVSS/L之间。 为了保持反应器的生物量 不致因流失而减少，可采用 多种措施，如安装三相分离 器、设置挂膜介质、降低水 流速度和回流污泥量等