《水处理工程》课程教学资源（讲义）第三章厌氧生物处理.doc_大学文库

第三章厌氧生物处理基本概念 3.1.1厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本生物过程及其特征又称厌氧消化、厌氧发酵实际上,是指在厌氧条件下由多种(厌氧或兼性)微生物的共同作用下,使有机物分解并产生CH4和 CO2的过程 1、厌氧生物处理工艺的发展简史: ①上述的厌氧过程广泛地存在于自然界中 ②人类第一次利用厌氧消化处理废弃物,是始于1881年—— -Louis mourns的“自动净化器” ③随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水(如化粪池、双层沉淀池等)和剩余污泥(如各种厌氧消化池等) 长的HRT、低的处理效率、浓臭的气味等 ④50、60年代,特别是70年代中后期,随着能源危机的加剧,人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化,出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺,厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理一HRT大大缩短,有机负荷大大提高,处理效率也大大提高厌氧接触法、厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床(UASB)反应器、厌氧流化床(AFB)、 AAFEB 厌氧生物转盘(ARBC)和挡板式厌氧反应器等 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。 ⑤最近(90年代以后),随着UASB反应器的广泛应用,在其基础上又发展起来了EGSB和IC反应 —EGSB反应器可以在较低温度下处理低浓度的有机废水 IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水,可以达到更高的有机负荷 2、厌氧消化过程的基本生物过程 ①两阶段理论: 性有机物水解胞外酶可溶性有机物胞内酶产酸菌菌细胞肪酸、醇类、其它产物 H、CO 胞内酶产甲烷菌内源呼吸产物段细菌细 CO2、CI 图1厌氧反应的两阶段理论图示 -30-60年代,被普遍接受的是“两阶段理论 ●第一阶段:发酵阶段,又称产酸阶段或酸性发酵阶段水解和酸化,产物主要是脂肪酸、醇类、CO2和H2等主要参与微生物统称为发酵细菌或产酸细菌其特点有:1)生长快,2)适应性(温度、pH等)强。 ●第二阶段: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CO

第三章厌氧生物处理 3.1 基本概念 3.1.1 厌氧生物处理的基本原理一、厌氧生物处理的基本生物过程及其特征 ——又称厌氧消化、厌氧发酵； ——实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生 CH4和 CO2的过程。 1、厌氧生物处理工艺的发展简史： ①上述的厌氧过程广泛地存在于自然界中； ②人类第一次利用厌氧消化处理废弃物，是始于 1881 年——Louis Mouras 的“自动净化器”； ③随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）； ——长的 HRT、低的处理效率、浓臭的气味等； ④50、60 年代，特别是 70 年代中后期，随着能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理； ——HRT 大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大提高； ——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）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等； ——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。 ⑤最近（90 年代以后），随着 UASB 反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了 EGSB 和 IC 反应器； ——EGSB 反应器可以在较低温度下处理低浓度的有机废水； ——IC 反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，可以达到更高的有机负荷。 2、厌氧消化过程的基本生物过程 ①两阶段理论： ——30~60 年代，被普遍接受的是“两阶段理论” ⚫ 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段； ——水解和酸化，产物主要是脂肪酸、醇类、CO2和 H2等； ——主要参与微生物统称为发酵细菌或产酸细菌； ——其特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH 等）强。 ⚫ 第二阶段：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；图 1 厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物水解胞外酶胞内酶产甲烷菌胞内酶产酸菌不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、 H2、CO2 其它产物细菌细胞 CO2、CH4

主要参与微生物统称为产甲烷菌其特点有:1)生长慢;2)对环境条件(温度、pH、抑制物等)非常敏感 ②三阶段理论深入研究后,发现上述过程不能真实反映厌氧反应过程的本质微生物学的研究表明,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H2CO2 等,而不能利用含两个碳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 有机物 I|发酵性细菌脂肪酸、醇类 II 产氢产乙酸菌乙酸 H+CO? 同型产乙酸菌 Ⅲl产甲烷菌说明:1)I、I、Ⅲ为三阶段理论,I、Ⅱ、I IV为四类群理论 2)所产生的细胞物质未表示在图中图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论因而,提出了“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。 ③四阶段理论(四菌群学说) 同型产乙酸菌:将H2CO2合成为乙酸但实际上这一部分乙酸的量较少,只占全部乙酸的5% 三阶段、四阶段理论是目前认为的对一样生物处理过程较全面和较准确的描述 3、厌氧生物处理的主要特征能耗大大降低,而且还可以回收生物能(沼气污泥产量很低厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,产酸菌的产率Y为0.15-0.34 kgVSS/kgCOD,产甲烷菌的产率Y为0.03 kass,/ KeCOD左右,而好氧微生物的产率约为025~06 kissi/ KgCOD。厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解反应过程较为复杂—一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过程对温度、pH等环境因素较敏感但一般来说,①处理出水水质较差,需进一步利用好氧法进行处理:②气味较大:③对氨氮的去除效果不好:等等 4、厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段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的污染彐前的形势是:能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高: 厌氧工艺的突出优点是: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

——主要参与微生物统称为产甲烷菌； ——其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。 ②三阶段理论： ——深入研究后，发现上述过程不能真实反映厌氧反应过程的本质； ——微生物学的研究表明，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，而不能利用含两个碳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” ⚫ 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。 ③四阶段理论（四菌群学说）： ⚫ 同型产乙酸菌：将 H2/CO2合成为乙酸。但实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的 5%。 ——三阶段、四阶段理论是目前认为的对一样生物处理过程较全面和较准确的描述。 3、厌氧生物处理的主要特征 ⚫ 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）； ⚫ 污泥产量很低； ——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率 Y 为 0.15~0.34kgVSS/kgCOD，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。 ⚫ 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解； ⚫ 反应过程较为复杂——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过程； ⚫ 对温度、pH 等环境因素较敏感； ⚫ 但一般来说，①处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；②气味较大；③对氨氮的去除效果不好；等等 4、厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段 ——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； ——目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高； ——厌氧工艺的突出优点是：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，说明：1）I、II、III 为三阶段理论，I、II、III、 IV 为四类群理论； 2）所产生的细胞物质未表示在图中 III 发酵性细菌脂肪酸、醇类 II 产氢产乙酸菌同型产乙酸菌 IV 有机物乙酸 H2+CO2 CH4 I 产甲烷菌图 2 厌氧反应的三阶段理论和四类群理论

占地面积少 ④污泥产量少,剩余污泥处理费用低:等等厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。厌氧消化过程中的主要微生物发酵细菌(产酸细菌)、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等 1、发酵细菌(产酸细菌) 主要功能:水解一一在胞外酶的作用下,将不溶性有机物水解成可溶性有机物: 酸化—一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、拟杄菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等水解过程较缓慢,并受多种因素影响(pH、SRT、有机物种类等),有时回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可以按功能来分:纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等 2、产氢产乙酸菌主要功能:将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2 主要反应:乙酸,CHCH2OH+H2O→CH3COOH+2H2 丙酸:CH3CH2COOH+2H20→CH.COOH+3H2+CO2 、注酸, CH,CH2CH1CO+210→2HOmH+21 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、互营杄菌属、梭菌属、暗杄菌属等多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。 3、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酸和H2CO2转化为CH4和CO2,使厌氧消化过程得以顺利进行一般可分为两大类:乙酸营养型和H营养型产甲烷菌一般来说,乙酸营养型产甲烷菌的种类较少,只有 Methanosarcina和 Methanothrⅸx,但在厌氧反应器有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 CH,COOH→CH4+CC 4H2+CO2→CH4+2H2O ③4HCOO+2H”→CH4+CO2+2HC ④4CO+2H2O→CH4+3CO2 CH3O 14+HCO3+H+ H2O ⑥4CH)3-M+9H2O→9CH+3HCO+3H”+4NH (CH3)3-S+3H20-3CHA+ HCO3+H+2H2S 4CHOH+H2→CH4+H12O 根据产甲烷菌的形态和生理生态特征,可将其分类如下

占地面积少； ④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等 ——厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。二、厌氧消化过程中的主要微生物 ——发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。 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； ⚫ 水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等），有时回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； ⚫ 可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。 2、产氢产乙酸菌 ⚫ 主要功能：将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和 H2； ⚫ 主要反应：乙醇： CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2 丙酸： CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + 3H2 + CO2 丁酸： 3 2 2 2 3 2 CH CH CH COOH + 2H O → 2CH COOH + 2H 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、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； ⚫ 一般可分为两大类：乙酸营养型和 H2营养型产甲烷菌； ⚫ 一般来说，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 CH3COOH → CH4 + CO2 ② 4H2 + CO2 →CH4 + 2H2O ③ − + − 4HCOO + 2H → CH4 + CO2 + 2HC3 ④ 4CO + 2H2O →CH4 + 3CO2 ⑤ 4CH3OH → 3CH4 + HCO3 + H + H2O − + ⑥ + − + + 3 3 − 4 + 9 2 → 9 4 + 3 3 + 3 + 4 4 4(CH ) NH H O CH HCO H NH ⑦ 2(CH3 )3 − S + 3H2O → 3CH4 + HCO3 + H + 2H2S − + ⑧ 4CH3OH + H2 → CH4 + H2O ⚫ 根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其分类如下：

甲烷杆菌属甲酸产甲烷杆菌产甲烷杆菌目庐产甲烷杆菌科甲烷杆短菌属}[胃产甲烷杆i 产甲烷球菌目甲烷球菌科甲烷球菌属 } 氏产甲烷球菌产甲烷微菌属运动产甲烷微菌产甲烷微菌科产甲烷菌属黑海产甲烷微菌甲烷螺菌属亨氏产甲烷螺菌产甲烷微菌目甲烷八叠球菌属巴氏产甲烷八叠球菌产甲烷八叠球菌甲烷丝菌属氏产甲烷丝最新的分类( Bergy's细菌手册第九版),共分为:三目、七科、十九属、65种产甲烷菌有各种不同的形态,常见的有: ①产甲烷杆菌:呈短杆、长杆、竹节状或丝状 ②产甲烷球菌:为正圆形或椭圆形,排成对或链状 ③产甲烷八叠球菌:球形细胞形成规则的或不规则的堆积状 ④产甲烷螺菌:呈规则的弯曲杆状,最后发展为不能运动的螺旋丝状在生物分类学上,产甲烷菌( Methanogens)属于古细菌( 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,一般可以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、厌氧反应器等产甲烷菌都是严格厌氧细菌,要求氧化还原电位在-150-400m,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,繁殖世代时间长,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、厌氧消化动力学在厌氧消化条件下,BOD5去除也遵循一级反应动力学规律,故好氧生物降解的动力学方程也适用于厌氧反应,由于甲烷发酵阶段是厌氧消化速率的控制因素,因此,厌氧消化反应动力学是以该阶段为基础建立的 ds kSX k,+S(3-1) dX dS a人bx(3-2) 厌氧消化反应动力学方程式式中 ds/dt—一底物去除率,质量/(体积·时间) k——单位质量底物的最大利用速率,质量/细菌质量 S——可降解的底物量,质量/体积 K一半速度常数,质量/底物体积 X—一细菌浓度,质量/体积 dX/dt——细菌增殖速率,质量/(体积·时间) Y—一细菌产率,细菌质量/底物质量细菌衰亡速率系数,d 式(3-1)代入式(3-2),并除以X得:

——最新的分类（Bergy’s 细菌手册第九版），共分为：三目、七科、十九属、65 种； ⚫ 产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有： ①产甲烷杆菌：呈短杆、长杆、竹节状或丝状 ②产甲烷球菌：为正圆形或椭圆形，排成对或链状 ③产甲烷八叠球菌：球形细胞形成规则的或不规则的堆积状 ④产甲烷螺菌：呈规则的弯曲杆状，最后发展为不能运动的螺旋丝状 ⚫ 在生物分类学上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（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，一般可以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。 ⚫ 产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150-400mv，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，繁殖世代时间长，可达 46 天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤三、厌氧消化动力学在厌氧消化条件下，BOD5 去除也遵循一级反应动力学规律，故好氧生物降解的动力学方程也适用于厌氧反应，由于甲烷发酵阶段是厌氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化反应动力学是以该阶段为基础建立的。厌氧消化反应动力学方程式：式中： dS/dt——底物去除率，质量/（体积 • 时间）； k——单位质量底物的最大利用速率，质量/细菌质量； S——可降解的底物量，质量/体积； Ks——半速度常数，质量/底物体积； X——细菌浓度，质量/体积； dX/dt——细菌增殖速率，质量/（体积 • 时间）； Y——细菌产率，细菌质量/底物质量； b——细菌衰亡速率系数，d -1；式（3-1）代入式（3-2），并除以 X 得：产甲烷杆菌目产甲烷杆菌科产甲烷球菌目产甲烷球菌科产甲烷微菌目产甲烷微菌科产甲烷八叠球菌科产甲烷杆菌属产甲烷杆短菌属甲酸产甲烷杆菌瘤胃产甲烷杆菌产甲烷球菌属范氏产甲烷球菌产甲烷微菌属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运动产甲烷微菌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 (3 2) (3 1)  − −      = − + = bX dt dS Y dt dX K S kSX dt dS s

dt (3-3) b(3-4) 6(k-b) 底物降解效率:E S—原污泥可生物降解底物浓度 S。—一剩余的可生物降解底物浓度; 0c—一污泥龄四、厌氧生物处理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主要因素有:温度、PH值、氧化还原电位、营养物质、FM比、有毒物质等 1、温度: 温度对厌氧微生物的影响尤为显著: 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(55℃ 左右)和中温消化(35℃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(20~25℃)进行,以节省能量和运行费用。 2、pH值和碱度 pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素重要原因:产甲烷菌对pH值的变化非常敏感,一般认为,其最适pH值范围为68-72,在82 时,产甲烷菌会受到严重抑制,而进一步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、有机物种类等)、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般来说:系统中脂肪酸含量的增加(累积),将消耗HCO,使pH下降但产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸,而且还会产生CO5,使系统的pH值回升。碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素,但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力,维持合适的pH值厌氧体系一旦发生酸化,则需要很长的时间才能恢复。 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~-100m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~-400m,在培养产甲烷菌的初期,氧化还原电位不能高于厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物,其要求COD:N:P=200:5:1 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M、Co、M、Fe等:③有机微量物质:酵母浸出膏、生物素、维生素等 5、FM比厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高,一般可达5~10 kgCOD/m'a,甚至可达50-80 kg COD/md 无传氧的限制: 可以积聚更高的生物量。产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段,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,而相应较低的污泥负荷: 高的有机容积负荷可以缩短HRT,减少反应器容积

Sa——原污泥可生物降解底物浓度； Se ——剩余的可生物降解底物浓度； θc——污泥龄；四、厌氧生物处理的影响因素 ——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； ——主要因素有：温度、pH 值、氧化还原电位、营养物质、F/M 比、有毒物质等。 1、温度： ⚫ 温度对厌氧微生物的影响尤为显著： ⚫ 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（55C 左右）和中温消化（35C 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（20~25C）进行，以节省能量和运行费用。 2、pH 值和碱度： ⚫ pH 值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素； ⚫ 重要原因：产甲烷菌对 pH 值的变化非常敏感，一般认为，其最适 pH 值范围为 6.8~7.2，在8.2 时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步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、有机物种类等）、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； ⚫ 一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积），将消耗 − HCO3 ，使 pH 下降；但产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生 − HCO3 ，使系统的 pH 值回升。 ⚫ 碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的 pH 值； ⚫ 厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。 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： ⚫ 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= 200：5：1；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、F/M 比： ⚫ 厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达 5~10kgCOD/m3 .d，甚至可达 50~80 kgCOD/m3 .d； ——无传氧的限制； ——可以积聚更高的生物量。 ⚫ 产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，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，而相应较低的污泥负荷； ⚫ 高的有机容积负荷可以缩短 HRT，减少反应器容积。 6、有毒物质： a a e c s c c s s S S S E Yk b K b S b K S YkS b K S YkS X dt dX − = − − +  = − − + = − − + = : ( ) 1 (1 ) (3 4) 1 : (3 3) 底物降解效率即   

常见的抑制性物质有:硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物硫化物和硫酸盐: 硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物: 可溶的硫化物达到一定浓度时,会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用投加某些金属如F可以去除S2,或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。 ②氨氮氨氮是厌氧消化的缓冲剂但浓度过高,则会对厌氧消化过程产生毒害作用抑制浓度为50~200mg/,但驯化后,适应能力回得到加强 ③重金属一使厌氧细菌的酶系统受到破坏 ④氰化物 ⑤有毒有机物四、厌氧消化过程中沼气产量的估算 (1)概述 a糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体,这样的混合气体统称为沼气 ( Biogas) b产气量的计算有助于评价试验结果、工艺运转效率及稳定性 c当废水中的有机物组分已经明确时,可根据有机物的厌氧消化过程的化学反应通式,算出各底物的产气量: d当废水中的有机物组分复杂,不便精确地定性定量时,可按COD值来计算产气量 e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 f由于一部分沼气(特别是其中的CO2)会溶于出水中,同时,一部分有机物还会被用于微生物的合成, 所以实际产气量要比理论产气量小。(2)理论产气量的计算例如9呀4并胶域￥y华试长成 A、根据废水中有机物化学组成计算产量:则1g丙酸厌氧分解: CO2产量=(1/74)×1.25× CH4产量=(1/74)×1.75 0.529L=0.378g 总产量=0.907L=1.12g 根据CD与产气量关系计算: McCarty指出,可以根据甲烷气体的氧当量变来计算废水厌氧消化的产气量 CH4+202=C02+2H0 在标准状态下,1mol甲烷,相当于2mol(或64g)CO,则还原1gc0D相当于生成22.4/640.35甲 △X=(S0-S)=F OGSo-S) 1+k,O Ccn.=0.35{Q·(S-S)-142△X]×10 cP为沼气中甲烷含量烷例题3-1某工业废水量Q=500m/d,废水COD含量36g/L,厌氧生物处理温度为28℃,该温度下产生甲烷的溶解度为 0.0286(L(标准状态)/L),水力停留时间5d,泥龄为15d,产率系数Y=0.021,微生物内源自身衰减系数 △X Qx(S0-S2)=213(kg/d) k 厌氧生物处理后出水中COD为7.2g/L,消化气中甲烷含量为65%,试求标准状态下甲烷及消化气产量。 M1=0.35[Q(S0-S)-142△]=4934(m3/d) 解:(1)厌氧生物处理过程中合成新细胞量 (2)CH4产量(标准状态)

——常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物； ①硫化物和硫酸盐： ⚫ 硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物； ⚫ 可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用； ⚫ 投加某些金属如 Fe 可以去除 S 2-，或从系统中吹脱 H2S 可以减轻硫化物的抑制作用。 ②氨氮： ⚫ 氨氮是厌氧消化的缓冲剂； ⚫ 但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用； ⚫ 抑制浓度为 50~200mg/l，但驯化后，适应能力回得到加强。 ③重金属： ——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。 ④氰化物： ⑤有毒有机物：四、厌氧消化过程中沼气产量的估算（1）概述 a 糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和 CO2 等气体，这样的混合气体统称为沼气（Biogas）； b 产气量的计算有助于评价试验结果、工艺运转效率及稳定性； c 当废水中的有机物组分已经明确时，可根据有机物的厌氧消化过程的化学反应通式，算出各底物的产气量； d 当废水中的有机物组分复杂，不便精确地定性定量时，可按 COD 值来计算产气量； e 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； f 由于一部分沼气（特别是其中的 CO2）会溶于出水中，同时，一部分有机物还会被用于微生物的合成，所以实际产气量要比理论产气量小。（2）理论产气量的计算 A、根据废水中有机物化学组成计算产量：则 1g 丙酸厌氧分解： CO2 产量=（1/74）×1.25 ×22.4=0.378L=0.743g CH4 产量=（1/74） ×1.75 ×22.4=0.529L=0.378g 总产量=0.907L=1.12g； B、根据 COD 与产气量关系计算: McCarty 指出，可以根据甲烷气体的氧当量变来计算废水厌氧消化的产气量。 CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O 在标准状态下，1mol 甲烷，相当于 2mol（或 64g）COD，则还原 1gCOD 相当于生成 22.4/64=0.35L 甲烷 P为沼气中甲烷含量 P V V V Q S S X Q S S k Y X Y Q S S CH g CH e e d c obs e 4 4 3 0 0 0 0.35[ ( ) 1.42 ] 10 ( ) 1 ( ) = =  − −    − +  =  − = −  例题 3-1 某工业废水量 Q=500m3 /d，废水 COD 含量 36g/L，厌氧生物处理温度为 28℃，该温度下产生甲烷的溶解度为 0.0286(L(标准状态)/L)，水力停留时间 5d，泥龄为 15d，产率系数 Y=0.021，微生物内源自身衰减系数 kd=0.028d-1，经厌氧生物处理后出水中 COD 为 7.2g/L，消化气中甲烷含量为 65%，试求标准状态下甲烷及消化气产量。解：（1）厌氧生物处理过程中合成新细胞量（2）CH4产量（标准状态） 2 2 4 4 2 2 8 4 2 8 4 CH n a b CO n a b H O a b CnHaOb n        + + −       → − +      + −时−,水并不参加反应 4 2 a b n = + 时,水参加反应 4 2 a b 3 2 2 n  2 + 75 4 例如:CH CH COOH + 0.5H O →1.25CO +1. CH ( ) 213( / ) 1 Q S0 S kg d k Y X e d c   − = +  =  0.35[ ( ) 1.42 ] 4934( / ) 3 M1 = Q S0 − Se − X = m d

——1905 年，德国的 Imhoff 池（又称隐化池、双层沉淀池）图 4 其特点： ①处理废水的同时，也处理有废水沉淀下来的污泥； ②前几种构筑物由于废水和污泥不分隔而影响出水水质； 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，出水水质也较差； 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。 3.2.2 厌氧消化池 ——随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、 HRT 长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态； ——但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征； ——1927 年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高； ——随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高； ——50 年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置； ——带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。一、消化池的类型与构造 ——厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水； ——主要作用：①一部分有机物转变为沼气； ②一部分有机物形成稳定性良好的腐殖质； ③提高了污泥的脱水性能； ④污泥体积可减少 1/2 以上； ⑤致病微生物也得到了一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。消化池的分类： ——按形状：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形； ——按池顶结构：固定盖式和浮动盖式； ——按运行方式：传统消化池和高速消化池。 A、传统消化池：图 5 ——又称低速消化池，无加热和搅拌装置； ——有分层现象：只有部分容积有效； ——消化速率很低，HRT 很长（30~90 天）。 B、高速消化池图 6

《水处理工程》课程教学资源（讲义）第三章 厌氧生物处理

《水处理工程》课程教学资源（讲义）第三章厌氧生物处理