第十三章厌氧生物处理课件

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1、第十三章 厌氧生物处理,重点： 厌氧生物处理机理、两级厌氧生物处理与两 相厌氧生物处理、升流式厌氧污泥床（UASB 法)、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。 难点： 生物接触氧化法，厌氧生物处理机理、 UASB法、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。,13.1 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、二氧化碳等的过程。 厌氧生物处理后面常常要连接好氧生物处理,最早的厌氧生物处理,13.1.1 厌氧生物处理的发展,进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为

2、现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧,处理法最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥，后来用于处理高浓度有机废水。普通厌氧生物处理法的主要缺点是水力停留时间长，一般需要2030d。,发展的厌氧生物处理,现代的厌氧生物处理,进入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，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理

3、较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应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。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。,早期的厌氧生物反应器, 1881年法国Mouras的自动净化器： 1891英国Moncriff的装有填料的升流式反应器： 1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）； 1905，德Imhoff池（称隐化池、双层沉淀池） 特点有： 处理废水同时，也处理从废水沉淀下来的污泥； 前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；, 双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下

4、层消化池； 停留时间很长，出水水质也较 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,13.1.2 厌氧生物处理的特点,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： 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。,主要优点, 污泥产量很低；产酸菌的产率Y为0.150.34kgVSS/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0.250.6kgVSS/kgCOD。

5、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。, 厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。 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。 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；,主要缺点, 厌氧生物处理的气味较大； 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

6、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。,我国的厌氧技术特点,我国的厌氧工艺技术特点, 能将有机污染物转变成沼气并加以利用； 运行能耗低； 有机负荷高，占地面积少； 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。,13.1.3 厌氧生物处理的发展趋势,开发厌氧生物处理新工艺用来治理有机污水的污染，无疑是一种具有良好经济效益的方法。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物池、厌氧膨胀床和流化

7、床、厌氧生物转盘等。,大家都在为提高生物处理能力和稳定性的途径努力着： 1.提高生物的持有量 2.利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离。,13.2 厌氧生物处理的基本原理,13.2.1 复杂有机物的厌氧降解,传统观念两阶段理论,1.酸性发酵阶段脂肪酸； 2.稳定发酵阶段甲烷和CO2 3.发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。 4.产生有还原性的有机物； CH3COCOOH2CO2+CH3CHO 2CH3COOH2CH4+2CO2,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.产酸产乙酸阶段

8、：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙酸 CH3CH2COOHCO2+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+CO2CH4+2H2O （1/3）CO2还原 2CH3COOH2CH4+2CO2 （2/3）乙酸脱羧,水解与发酵,20%,最新观点四阶段厌氧生物代谢过程,1.酸性发酵阶段脂肪酸； 2.稳定发酵阶段甲烷和CO2 3.发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。 4.产生有还原性的有机物； CH3COCOOH2CO2+CH3CHO 2CH3COOH2CH4+2CO2,13.2.2 水解阶段,定义 复杂的非溶解性的有机物质在产

9、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。 影响因素 温度，水力停留时间，有机物质的组成成分，有机物质颗粒的大小；pH值；氨的浓度；水解产物浓度。,13.2.3 产酸发酵阶段,微生物 细菌、原生生物和真菌微絮凝、发酵细菌 重要的微生物 纤维素分解菌最重要的一步；产物CO2，H2，已醇； 碳水化合物分解菌丙酮乙醇，乙酸（杆状菌生化絮凝）； 蛋白质水解-生成氨基酸、（棱菌生化絮凝） 脂肪分解菌脂肪酸（弧菌生化絮凝）,13.2.4 产氢产乙酸阶段,主要微生物： 产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌 产物：乙酸、甲烷、CO2、H2,13.2.5 产甲烷阶段,主要微生物：产甲烷菌 产物：甲烷

10、特征：细胞的增殖很少，（甲烷细菌不繁殖，数量少，消化时间长）；食物不足；产生能量仅为好氧1/20-1/30。,在厌氧消化产甲烷菌时： C2H3O2Na+2O2 NaHCO3+CH4+29.3kj/mol,反应方程式：,理论产生甲烷量：,1、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；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：,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

11、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。,13.2.6 其他厌氧生物处理过程,硫酸盐还原过程： 又叫硫酸盐呼吸或反硫化作用 1.定义：在厌氧条件下，化能异养型硫酸菌还原细菌利用废水中的有机物作为电子供体，将氧化态硫化物还原为硫化物的过程 2.硫酸盐在处理中的危害： （1）与产甲烷菌竞争底物，一直产甲烷菌的生成。 （2） H2S对产甲烷菌和其他厌氧细菌抑制。影响沼气产量和利用。,反硝化与厌氧氨氧化：,1.无氧条件下存在：NH4+和NO2-化能异养型硫酸菌 2.定义：在厌氧条件下，过程

12、为厌氧氨氧化 3.有氧条件： NH4+ NH2OH NO2- NO3 4.厌氧条件： NO3- NO2- NO N2O N2,3.解决办法：用两相厌氧生物处理工艺中的产酸相先期还原硫酸菌。,13.3 厌氧微生物生态学,13.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,pH值：影响代谢速度及生长速度，并且影响发酵类型。最适范围67， 2.氧化还原电位(ORP):影响生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌的比例，最适范围200mV至300mV,甲烷阶段是厌氧消化速率的控制阶段，以甲烷菌的影响因素为主,3.碱度:保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH过低而导致某些厌氧细菌受到抑制 4.温度：厌氧微生物的生长及代谢速

13、率，最佳35摄氏度。 5.水力停留时间和有机负荷：影响不是很大。,13.3.2 影响甲烷细菌的主要生态因子,温度因素 1、中温（30-36） 2、高温（50-53）,接触与搅拌 1. 搅拌作用： 加速热传均匀底物供给将底物传质到细菌表面提高负荷,2. 搅拌与不搅拌：产气量增加30% 3. 方法：泵+水射器 消化气 循环混合搅拌法 4. 接触的作用：提高传质速率，厌氧污泥与介质间的液膜厚度，布水系统。,生物固体停留时间（污泥龄）与负荷 1. 停留时间 c=Mr/e 其中：Mr 消化池内总生物量 e=Me/t 消化池每日排出的生物量； Me排出的生物总量， t排泥时间 2. 投配率每日投加新鲜污泥

14、体积占消化池有效容积的百分数,营养物与C/N比 C5H7NO3即细胞合成C/N=5：1，要求C/N=（10-20）：1 C/N高，细胞的氮不足，水中缓冲能力下降，PH下降C/N低，氮量上升，铵盐积累，抑制消化,有毒物质 例如：重金属Cu2+、Hg2+ 1.重金属对甲烷消化的抑制 与酶结合，使酶的作用消失 RSH+Me+RSMe+H+ Me及氢氧化物的絮凝作用，使酶沉淀 2.阴离子的毒害作用 如S2-的毒害作用,pH 1. 产甲烷菌 6.6-7.5 2.缓冲剂: CO2和 NH3（NH3、NH4+） H+HCO3-H2CO3组成缓冲液 电离常数：K+=H+HCO3-/H2CO3 pH=-lgK+

15、lg(HCO3-/CH2CO3) 应保持2000mg/l的碱度，防止pH下降，缓冲能力弱，脂肪酸是甲烷发酵的产物，其浓度也应该在 2000mgl左右；,13.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态子,13.3.4 厌氧生化反应动力学,反应方程式,甲烷阶段是厌氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化动力学是以该阶段作为基础建立的,其中： -dS/dt底物去除速率，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，质量/体积； Ks半速度常数，质量/底物体积，即在生长速率等于最 大生长速率1/2时的底物浓度； X细菌浓度，质量/体积； dx/dt细菌增长速率，质量/体积时

16、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,厌氧反应方程式的进一步推导,1/=（细菌净化增殖速率）1/d 代入dx/dt的公式得到可降解的底物量(mg/l),13.3.5 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替 及相互关系,推流式反应器：,1.产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物 2.产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位 3.产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质 4.产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制 5.产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值,微生物的相互关系：,13.4 升流式厌氧污泥层工艺,13.4.1 USAB工艺的工作原理,升流式厌氧污泥床集生物反应与沉淀于一体的厌氧反应器，污水从下部流入，通过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离器，污水从上部溢流堰流出。,在反应器的上部设置了气、固、液三