第15章--厌氧生物处理

《第15章--厌氧生物处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第15章--厌氧生物处理（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,第十五章 厌氧生物处理,15.1 概述,15.1.1 厌氧生物处理的发展 15.1.2 厌氧生物处理的特点 15.1.3 厌氧生物处理工艺的分类 15.1.4 厌氧生物处理的发展趋势,厌氧生物处理的发展, 厌氧过程广泛存在于自然界中，主要用于剩余污泥的厌氧消化处理. 1881年，法国，Louis Mouras ，“自动净化器”； 处理城市污水的化粪池、双层沉淀池等 处理剩余污泥的各种厌氧消化池等； HRT很长、处理效率很低、浓臭的气味等； 70年代后，能源危机，现代高速厌氧反应器，厌氧消 化工艺开始大规模地应用于废水处理；,厌氧生物处理的发展,厌氧接触法（Anaerobic Contact

2、Process） 厌氧滤池（Anaerobic Filter、 AF ） 上流式厌氧污泥层（床）反应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed)、UASB ) 厌氧流化床 (Anaerobic Fluidized Bed、AFB ) 厌 氧 附 着 膜 膨 胀 床 (Anaerobic Attached Film Expanded Bed 、AAFEB) 厌 氧 生 物 转 盘 （ Anaerobic Rotated Biological Disc、ARBD） 折流式厌氧反应器（Anaerobic Baffled Reactor、 ABR）,厌氧生物处理的发展

3、,90年代以后，在UASB反应器基础上又发展起来了 EGSB和IC反应器； EGSB反应器，处理低温低浓度的有机废水； IC反应器，处理高浓度有机废水，可达到更高的有 机负荷。,15.1.2 厌氧生物处理的特点,厌氧生物处理优点： 能耗少（可产生沼气）、运行费用低、污泥产量少，能处理高浓度有机废水和某些好氧不能处理的有机废水、BOD（COD）有机负荷和容积负荷高、可间歇运行。 厌氧生物处理缺点： 启动周期长、出水不达标（需加好氧工艺）。,15.1.4 厌氧生物处理的发展趋势,从目前厌氧处理工艺技术和设备发展前景来看，进一步提高生物处理能力和稳定性的途径有以下方面： （1）提高反应器中生物持有量

4、； （2）利用厌氧微生物处理中微生物种群的特点，实现相分离； （3）研制反应器使之形成特殊的水力流态，创造厌氧微生物的最适生存条件。,15.2 厌氧生物处理的基本原理,15.2.1 复杂有机物的厌氧降解 15.2.2 水解阶段 15.2.3 产酸发酵阶段 15.2.4 产氢产乙酸阶段 15.2.5 产甲烷阶段 15.2.6 其他厌氧生物处理过程,15.2.1 复杂有机物的厌氧降解,传统观点认为：有机物的厌氧生物处理分为两个阶段：产酸（或酸化）阶段（acidogenic phase）和产甲烷（或甲烷）阶段（methanogenic phase） 1967年Bryant报告认为，复杂有机物的厌氧反

5、应过程经历3个阶段。 后来发展为4阶段的厌氧代谢过程：水解（hydrolysis）阶段；产酸发酵（acidogenic fermentation）阶段；产氢产乙酸（H2-producing acetogenesis）阶段； 产甲烷（methanogenesis）阶段 细菌类型分为两大类型：产酸细菌（acidogens）和产甲烷细菌（methanogens）,厌氧生物代谢过程示意图,图19-1 产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）,乙酸,CH,4,CO,2,28,%,72,%,长链脂肪酸,（丙酸、丁酸等）,简单有机化合物,（糖、氨基酸、肽）,复杂有机化合物,（碳水化合物、蛋白

6、质、类脂类）,13,%,10,%,5,%,20,%,35,%,17,%,水解,产酸,H,2,CO,2,15.2.2 水解阶段,水解定义：复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程 不溶解性大分子有机物经胞外水解酶的作用，在溶液中分解为水溶性的小分子有机物，如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等 纤维素经水解转化成较简单的糖类； 蛋白质转化成较简单的氨基酸； 脂类转化成脂肪酸和甘油等,15.2.3 产酸发酵阶段,发酵（fermentation）定义：有机物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程 。 简单的有机物在产酸菌的作用下（胞内酶）经过厌氧发酵和氧

7、化转化成乙酸、丙酸、丁酸等（挥发性）脂肪酸和醇类等 。 产酸发酵的末端产物组成取决于厌氧生态条件、底物种类和参与的微生物群。,15.2.4 产氢产乙酸阶段,产氢产乙酸阶段：将产酸发酵阶段2C以上的有机酸（除乙酸）和醇转化为乙酸、氢气、二氧化碳的过程，并产生新的细菌物质。 这类细菌称为产氢产乙酸细菌。 水解的产物被发酵细菌摄入体内，进行代谢，由于菌种不同，产物也不一样，众多产物中仅CO2、H2、乙酸、甲酸、甲醇、甲胺（三甲一乙）可以被产甲烷细菌利用。 其它产物（丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类）经产氢产乙酸细菌进一步转化成H2和乙酸等方可被利用。,15.2.5 产甲烷阶段,产甲烷阶段：由严格专性厌氧的产

8、甲烷细菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺和二氧化碳/氢气等转化为甲烷和二氧化碳（沼气）的过程 产甲烷细菌利用CO2、H2、三甲一乙将有机物中的碳最终以CH4、CO2等产物形式逸出。,15.2.6 其他厌氧生物处理过程,1. 硫酸盐还原过程 硫酸盐还原：是指在厌氧条件下，化能异养型硫酸盐还原细菌（sulfate-reducing bactecia，简称SRB）利用废水中的有机物作为电子供体，将氧化态硫化合物还原为硫化物的过程。 以乳酸为电子供体的化学反应式可表示为：,15.2.6 其他厌氧生物处理过程,硫酸盐还原过程对厌氧生物处理的影响 ： 废水SO42-浓度低时，还原作用弱，对厌氧处理无影响，且SO4

9、2-还原菌可利用H2，从而降低氢分压，一定程度上促进有机物厌氧处理。 废水SO42-浓度高时， SO42-还原菌会和产甲烷菌竞争共同底物乙酸和H2；同时SO42-还原产生的H2S会对甲烷菌产生抑制作用，H2S还会对沼气的产生造成严重影响。 故象味精废水等高浓度SO42-废水，宜用专门的SO42-反应器用作SO42-还原，目前常用的是二相厌氧反应器（有二个独立的产酸菌反应器和产甲烷菌反应器)。,其他厌氧生物处理过程,2. 反硝化与厌氧氨氧化 （1）生物反硝化反应： （2）厌氧氨氧化：无氧环境中，同时存在 NH4+和 NO2-时， NH4+作为反硝化的无机电子供体， NO2-作为电子受体，产生N2

10、，这是生物氮转化的新理论。 厌氧氨氧化细菌有可能是亚硝化单胞菌属中的二个种（N.europaea和N.eutropha），它们能同时进行硝化和反硝化，无氧条件下， NH4+为电子供体，转化N2，还原NO2-，无需有机C源，以碳酸盐或CO2为无机C源，氨氮转化率同好氧硝化相当，能节省C源和供氧消耗。 研究认为：在高氨氮废水中，控制亚硝化在57%时，进入厌氧氨氧化反应器，生成的NO2-和氨氮刚好同时去除,15.3 厌氧微生物生态学,厌氧生物处理中，一般产酸细菌种群多，代谢速率和生长速率快，所以厌氧处理中（产酸阶段和产甲烷阶段）的控制步骤在产甲烷阶段。 近年来，随着对厌氧生物处理的研究，对产酸阶段的

11、影响因子也作了很大的研究，力求最大限度地发挥两类菌群的作用。,15.3 厌氧微生物生态学,厌氧处理中，由于产甲烷阶段要求的生态条件苛刻，并对环境改变敏感，对产甲烷阶段研究较多，目前对厌氧处理生态学的研究包含了以下部分： 15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子 15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子 15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子 15.3.4 厌氧生化反应动力学 15.3.5 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及相互关系,15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,1. PH值：一般认为最佳pH值为67；考虑到产甲烷菌的生存条件（ pH值为6.57.5 ），反应器中产酸发

12、酵区域的pH不应低于5.5。 现代研究证明，在正常ORP（-150-400mv）范围内： PH=4-4.5时，发生乙醇型发酵； PH=4.5-5时，发生丁酸型发酵；PH=5左右时，主要产物有乙酸、丙酸、丁酸和乙醇；PH=5.5左右时，发生丙酸型发酵； 2. 氧化还原电位（ORP) ：一般认为，产酸细菌的最适ORP范围为200300mV。,15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,3. 碱度：在产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH值迅速降低而导致某些厌氧细菌受到抑制。 4. 温度：一般来说，产酸细菌最佳工作温度为35 左右 5. 水力停留时间和有机负荷 有机负荷为56

13、0 ，产酸细菌可发挥良好的作用，水力停留时间过短将影响底物的转化程度。水力停留时间过短则出水中会出现较多未降解的有机物。,15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子,1. PH值：一般来说，产甲烷细菌的最适pH值为6.57.5； 2. 氧化还原电位 ：产甲烷细菌最适ORP为300500mV；pH值低，ORP值高；pH值高，ORP低。 3. 有机负荷率：负荷率习惯上以投配率表达，即每日投加的生污泥容积占反应器容积的百分数，而对于厌氧生物处理有机废水时，大都以容积负荷率为参数，悬浮生长工艺也可用污泥负荷率作指标； 4. 温度：最适温度有2个区，中温区在3039之间，高温区在5060。,15.3.2

14、 影响产甲烷细菌的主要细菌因子,5. 污泥浓度：在连续式厌氧生物处理有机废水系统中，新开发的工艺均以污泥保有量高为主要特点。如上流式厌氧污泥层反应器，平均污泥浓度可达到3050g/L，比好氧曝气池中生物量高1020倍。 6. 碱度：产甲烷细菌的生存条件一般为pH在6以上 7. 接触与搅拌：搅拌是提高传质速率的重要因素之一。影响传质速率的因素主要有厌氧污泥与介质间的液膜厚度，搅拌可降低液膜厚度。另外注意布水系统对接触的影响，避免在反应器中出现短流的现象。,15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子,8. 营养：试验表明，COD：N：P控制在500：5：1左右为宜，在厌氧处理装置启动时，可稍微增加

15、氮素，有利于微生物的增殖，并有利于提高反应器的缓冲能力 9. 抑制物和激活剂 所谓“有毒”是相对的，既有激活作用又有抑制作用，关键在于它们的浓度界限，即毒阈浓度。 氨对产甲烷阶段的影响见下表,15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子,厌氧生物处理中重金属毒性限度见下表,15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子,部分有机物在厌氧处理中的容许浓度见下表,15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子,其它一些物质对厌氧处理的激活作用见下表,15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子,1、温度：中温的硫酸盐还原菌最适生长温度为3035；高温菌种能够在5070的范围内生长； 2、PH值：最适的pH值是6.58.0； 3、氧化还原电位ORP： 一般应保持在100mV以下； 4、碳硫比： 不应小于1：5； 5、盐度：非嗜盐性的硫酸盐还原菌培养基的pH值应调至7.1；嗜盐性的硫酸盐还原菌的培养基最好调至7.6。嗜盐性菌一般分布在海洋环境中，要求NaCl浓度大于0.6，最适宜的浓度为13。,