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1、1,第十二章 厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术,2,厌氧生物处理是利用厌氧微生物达到废水、污泥处理及获得沼气过程的统称。 厌氧生物处理过程是一个连续的微生物学过程，根据所含微生物的种属及其反应特征，可分为四个主要阶段。参与厌氧消化的微生物类群总体上可分为两大类：非产甲烷菌和产甲烷菌。,3,厌氧处理的基本原理,有机物厌氧分解生成甲烷的过程 1)发酵性细菌 (2)产氢产乙酸细菌 (3)同型产乙酸菌 (4)利用H2和CO2产甲烷菌（30%） (5)分解乙酸的产甲烷菌（70%）,4H2+C02CH42H20 CH3C00HCH4+C02,产甲烷化学过程,4,第一节 非产甲烷细菌,非产甲烷细菌常称为产酸
2、菌，它们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸和醇，往往使处理构筑物中混合液的pH值保持在较低的水平。,5,一、非产甲烷细菌的分类,发酵细菌群 产氢产乙酸细菌群 同型产乙酸细菌群,6,二、产酸发酵代谢产物的NADH/NAD+调节,非产甲烷细菌中缺乏电子传递体系，因而发酵过程中通过脱氢作用所产生的“多余”电子，必须通过其他途径得以“释放”，才能保证代谢过程的正常进行。 碳水化合物经EMP途径产生的NADH+H+，一般可通过与一定比例的丙酸、丁酸、乙醇及乳酸等发酵相偶联而得以氧化为NAD+，从而保证NADH+H+平衡。,7,三、最佳发酵产物的选择和控制,Pipyn等从回收能量的角度认为，最适发酵
3、产物宜选择乳酸、乙醇。 任南琪等认为乳酸在进行产氢产乙酸过程中易形成丙酸副产物，常可导致丙酸积累。选择以丁酸、乙醇和乙酸为最适发酵产物更为适宜。,8,第二节 产甲烷细菌,产甲烷细菌利用有机或无机物作为底物，在厌氧条件下转化形成甲烷。 产甲烷细菌属于古生菌。可利用H2还原CO2合成CH4，亦可利用一碳有机化合物和乙酸为底物。,9,一、产甲烷细菌的生理特征,产甲烷细菌是严格专性厌氧菌 产甲烷细菌生长特别缓慢 产甲烷细菌对环境影响非常敏感 产甲烷细菌属于古细菌 产甲烷细菌分离培养比较困难,10,二、产甲烷细菌的分离,1. 分离产甲烷细菌应具备的条件 严格厌氧条件是分离产甲烷细菌的决定性因素。产甲烷细
4、菌遇氧后会受到抑制，失去活性，要求的氧化还原电位很低，只有在 -330mV以下才能生长。 培养基中添加还原剂，如Na2S、半胱氨酸。 密封的培养容器气相中也要求无氧，可以向容器里充H2和CO2比例为70:30。,11,2. 分离产甲烷细菌的基本要点 在完全无氧的条件下制备培养基 往培养基里加还原剂树脂天青 在无氧条件下分装试管 滚管,12,三、 产甲烷细菌的形态特征,分为杆状、球状、螺旋状和八叠球状四类。 产甲烷细菌均不形成芽孢，革兰氏染色不定，有的具有鞭毛。,13,四、产甲烷细菌的营养特征,不同的产甲烷细菌生长过程中所需碳源是不一样的。在纯培养条件下，几乎所有的产甲烷细节都能利用H2和CO2
5、生产甲烷。在厌氧生物处理中，绝大多数产甲烷细菌都能利用甲醇、甲胺、乙酸，所以在厌氧生物处理反应设备中最为常见。 产甲烷细菌在生活中需要某些维生素和微量元素。,14,第三节 厌氧生物处理微生物生态学,一、非产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系 1. 非产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物 2. 非产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位 3. 非产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质 4. 产甲烷细菌为非产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制 5. 非产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值,15,二、产甲烷细菌的生态,1. 产甲烷细菌的分布 产甲烷细菌在自然界的分布极为广泛，在与氧
6、气隔绝，且无硫酸盐的环境中都可能有产甲烷细菌的存在。 2. 产甲烷细菌在厌氧反应器中的数量 厌氧反应器中，产甲烷细菌的数量可用MPN法测定，通过测定试管中有无甲烷存在，作为计数的数量指标。一般认为，产甲烷细菌的数量与甲烷产量成正比关系。 3. 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替,16,第四节 厌氧生物处理工艺学,控制厌氧处理效率的基本因素有两类: 一类是基础因素，包括微生物量 (污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等； 另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。 产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。,17,第四节 厌氧
7、生物处理工艺学,一、厌氧生物处理工艺条件及其控制 1. 严格厌氧条件 厌氧是最关键的条件，必须修建严格密闭的构筑物，才能保证沼气发酵正常进行。 2. 发酵原料条件 1）原料的C:N值 2）原料预先堆沤 3）原料的干物浓度,18,3. 温度条件,各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为25-60。 在35和53上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40-45时，厌氧消化效率较低。,19,3. 温度条件据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。（1）常温消化（1030 ）（2）中温消化（3040 ）（3）高温厌氧消化（5060 ）,20
8、,温度对厌氧消化过程的影响,21,4. pH值,每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0之间。 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.0-7.2。 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内。,22,pH值对产甲烷菌活性的影响,23,5. 搅拌搅拌可使新鲜有机物与腐熟有机物均匀接触，加速热传导；均匀地供给细菌以养料；打碎发酵池液面上的浮渣层，使整个池子处于消化发酵活跃状态，以提高
9、发酵池的负荷。,24,6. 接种细菌 为了缩短启动时间，可以人为地接种微生物，主要是接种产甲烷细菌。一般可直接接取城市废水处理厂污泥消化池中的污泥，亦可取池塘淤泥接种到消化池中。,25,二、废水厌氧生物处理工艺,废水厌氧生物处理与好氧生物处理相比具有以下优点： 厌氧法处理废水可直接处理高浓度有机废水，耗能少，运行费低； 污泥产率低； 需要附加营养物质少； 厌氧法处理废水可回收沼气。,26,厌氧反应器厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。,27,1.普通厌氧消化池,普通消化池又称传统或常规消化池(conve
10、ntional digester) 消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。 为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：(a)池内机械搅拌；(b)沼气搅拌；(c)循环消化液搅拌。,28,螺旋桨(机械)搅拌的消化池,29,循环消化液搅拌式消化池,高温厌氧消化需要加温，常用加热方式有三种: (a)废水在消化池外先经热交换器预热到规定温度再进入消化池； (b)热蒸汽直接在消化器内加热； (c)在消化池内部安装热交换管。,30,普
11、通消化池的特点是:,可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。 厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。 缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。 对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。 温度不均匀，消化效率低。,31,化粪池化粪池用于处理来自厕所的粪便污水。广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。例如，郊区的别墅式建筑。下图是化粪池的一种构造方式。,32,33,2. 厌氧接触法,在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobic contact process)。,厌氧接触法工艺
12、动画,34,厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。,35,厌氧接触法的特点:,（a）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强； （b）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；,36,（c）可以直接处理悬浮固体含量较
13、高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题； （d）混合液经沉降后，出水水质好， （e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备 （f）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。,37,几种脱气方法:,(a)真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005 MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能； (b)热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却。 (c)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降； (d)用超滤器代替沉淀池，以改善固液分离效果。,38,1)概述 上流式厌氧污泥床反应器（upflow anaerobic sludge
14、blanket reactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G. Lettnga等人在70年代初研制开发的。 污泥床反应器内没有人工载体，反应器内微生物以自身聚集生长，为颗粒污泥状态存在，因而能达到高生物量和高效高负荷。,3. 上流式厌氧污泥床反应器UASB,39,上流式厌氧污泥床的池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。 大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，则一般为矩形，高度一般为3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构。,40,UASB反应器示意图,41,42,43,由图可见，UASB工作时，废水从反应器底部进入，与污泥床
15、层的高浓度颗粒污泥接触，污染物被分解产生沼气。污水、污泥和沼气一起向上流动，进入反应器的上部的三相分离器，完成气、液、固三相的分离。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层。出水则从澄清区流出。,2) UASB的构造和组成,44,45,UASB反应器的组成 (1)进水配水系统 将废水尽可能均匀地分配到整个反应器，并有水力搅拌功能。 (2)反应区 其中包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解。 (3)三相分离器 由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把沼气、污泥和液体分开。,46,(4)出水系统 其作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地 加以收集，排出反应器。 (
16、5)气室 也称集气罩，其作用是收集沼气。 (6)浮渣清除系统 其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣，根据需要设置。 (7)排泥系统 其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥。,47,3) 上流式厌氧污泥床反应器的基本特点,优点：有机负荷居第二代反应器之首,水力负荷满足要求;污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强;在一定的水力负荷下，可以靠反应器内产生的气体来实现污泥与基质的充分接触。（a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层(sludge blanket)污泥浓度5-7g/L；,48,污泥床中的污泥由活性生物量占70-80的高度发展的颗粒污泥(sludge granules)组成，颗粒的直径一般在0.5-5.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。 （b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷在小试验和中型试验中可高达20-40kg COD/（m3d）在大型生产装置中可达到 6-8kg COD/（m3d）。 （c）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；简化了工艺，节约了投资和运行费用。（d）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；,
