厌氧生物处理技术

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1、厌氧生物处理技术本章内容第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求 第二节 厌氧生物处理反应器的类型和运行影响因素 第三节 厌氧生物处理工程案例分析第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点定义： 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。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。l 好氧与厌氧处理第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点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

2、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(21000一25000KJm3)，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。第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点(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。第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点(5)厌氧

3、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。第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点厌氧条件下，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。第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点厌氧处理优缺点优点：有机负荷高，产生的剩余污泥少，运 行费用

4、低，对氮磷等需求低，产生甲烷可 作为能源。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。第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求一、定义与特点基本原理和过程厌氧发酵是有机物在无氧条件下被微生物分解、转化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物学过程。三段理论水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段，每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。 不产甲烷 细菌糖类 蛋白质 脂肪葡萄糖 氨基酸 脂肪酸挥发性脂肪 酸 中性化合物 H2，CO2H2，CO2 甲醇 甲酸 甲烷CO2 CH4不产甲烷细菌 和产甲烷细菌产甲

5、烷细菌 （或有不产甲烷 细菌）水解 阶段产酸 阶段产甲烷 阶段二、微生物学过程第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求分解乙酸产甲烷菌发酵性细菌产氢产乙 酸细菌复杂有机物水解1简单溶解性有机物发酵1脂肪酸、醇类、丙 酸、丁酸、乳酸等氢气、二 氧化碳1231245乙酸甲烷、二氧化碳同型产乙酸菌 利用氢气和二 氧化碳产甲烷 菌二、微生物学过程第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求在液化阶段，发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解 ，使固体物质变成可溶于水的物质，然后，细菌再吸收可溶于 水的物质，并将其酵解成为不同产物。在产酸阶段，产氢、产醋酸细菌把前一阶段产生的一些 中间产物丙酸、丁酸、乳酸，长链脂

6、肪酸、醇类等进一步分解 成醋酸和氢。二、微生物学过程第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求在产甲烷阶段，甲烷菌利用H2/CO2醋酸以及甲醇、甲酸、甲胺等C1类化合物为基质，将其转化成甲烷。其中，H2/CO2和醋酸是主要基质。一般认为，甲烷的形成主要来自H2还原CO2和醋酸的分解。根据对中间产物转化成甲烷的过程所作的研究发现醋酸是厌氧发酵中最重要的中间产物。二、微生物学过程第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求1、发酵细菌(产酸细菌)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

7、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。三、微生物种类第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求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。三、微生物种类第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求3、产甲烷细菌产甲烷菌大致可分为两类： 一类主要利用

8、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：氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用。三、微生物种类第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求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：三、微生物种类第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求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

9、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。三、微生物种类第一节 厌氧生物处理基本原理及技术要求固废调节/ 贮存预处理厌氧 消化器甲烷净化贮存利用沼液后处理排放残渣后处理利用第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素一、反应器类型第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素一、反应器类型第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素一、反应器类型 1、湿式和半干式第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素一、反应器类型 1、湿式和半干式第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素一、

10、反应器类型 2、单相和多相第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素一、反应器类型 2、单相和多相第二节 厌氧生物处理反应器类型及其运行影响因素二、影响因素 2、单相和多相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（1030 ）、中温消化（35左右 ）和高温消化（55左右）。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，

11、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 包括机械搅拌、泵循环、气体搅拌等。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。 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

12、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氮素两 种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比 例的碳素和氮素。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。 各种废物的碳氮比（C/N） 原料碳氮比原料碳氮比大便(610):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪 29:

13、1鲜猪粪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。 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

14、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 对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用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

15、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；2pH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；3pH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。 四、厌氧处理的主要方法核心：厌氧反应器工艺流程包括： 调节池调节池 厌氧反应器厌氧反应器 甲烷收集利用系统甲烷收集利用系统 污泥处理系统污泥处理系统二、原料来源堆肥原料都可以作厌氧发酵原料 三、厌氧发酵原理1

16、、总生化反应式2、理论方程不产甲烷菌：指厌氧消化过程中不直接参与甲烷生成反应 的微生物统称，包括水解性细菌和产酸细菌等。 其作用是：为产甲烷菌提供养分；为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件；为产甲烷菌消除部分有毒物质；和产甲烷菌一起，共同维持发酵的pH值。 产甲烷菌：隶属于原核生物。其主要生态特征有：严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感；宜于中性偏碱性环境条件下繁殖；菌体倍增时间长，4-5天才系列增殖1代；只能利用少数简单化合物作营养，但却都能利 用分子氢作代谢能量；代谢最终产物是CH4和CO2。四、厌氧发酵工艺主要包括原料预处理，接种物的选择和富集，沼气发酵装置形状的选择、启动和 日常运行管理，副产品沼渣和沼液的处置 等技术措施。固废调节/ 贮存预处理厌氧 消化器甲烷净化贮存利用沼液后处理排放残渣后处理利用1、传统沼气发酵工艺类型按温度分类高温发酵：发酵温度维持在5060之间。其特点是微生物特别活跃，有机物分解消化快，产气率高【一般在2m3/（m3料液d）以上】，滞留