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1、六 厌氧生物处理,第一节 概述 第二节 厌氧生物处理基本原理 第三节 厌氧微生物生态学 第四节 早期厌氧反应器 第五节 厌氧消化池 第六节 现代高速厌氧生物反应器 第七节 厌氧生物处理工艺的运行管理,厌氧生物处理传统上用于污泥的稳定处理，利于厌氧微生物，将有机物转化为甲烷、二氧化碳的过程，也称厌氧消化或污泥消化。 由于厌氧生物处理工艺反应较慢，所以废水处理很少采用。 随着能源危机的出现，重点研究能回收能源气体的厌氧处理技术，随着厌氧生化过程研究深入和新型反应器的开发，厌氧处理技术应用于废水处理领域，特别是用于处理高浓度有机废水的处理中。,第一节 概述,（一）厌氧生物处理的发展 (1)厌氧生物处
2、理的发展可分为三个时期： 1）20世纪20年代前，主要用于废水和粪便处理，代表性构筑物是化粪池和法国的自动净化池。特点是停留时间长，出水水质差。 2）随着好氧工艺的发展，厌氧生物处理主要用于污泥的稳定，主要用于污泥消化。 3）随着能源危机的出现，厌氧生物处理在20世纪70年代后得到快速的发展，出现了有机负荷和处理效率高的厌氧生物处理工艺，用于处理高浓度有机废水。,厌氧生物处理第三个时期典型厌氧反应技术： 1)高厌氧生物量反应器 2）两相厌氧反应技术,(二)、厌氧生物处理工艺的发展简史, 厌氧过程广泛存在于自然界中； 1881年，法国，Louis Mouras ，“自动净化器”； 处理城市污水的
3、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； 厌氧接触法（Anaerobic Contact 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 、AAF
4、EB) 厌氧生物转盘（Anaerobic Rotated Biological Disc、ARBD） 挡板式厌氧反应器（Anaerobic Baffled Reactor、ABR）,现代高速厌氧反应器的主要特点： HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则较短，反应器内生物量很高。 HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大提高；,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。,厌氧生物处理的发展第三个时期特征： 1)最大限度提高反应器中生物持有量，通过比好氧反应
5、器中高几倍甚至几十倍的生物量，使处理效率接近好氧处理效率。在此基础上开发出大量新型厌氧反应器，其共同特征是有机负荷高、处理能力强。 2)厌氧细菌可分为产酸菌和产甲烷菌2大类，利用厌氧细菌的特点，采取相分离技术，开发出两相厌氧反应器，发挥不同厌氧菌群的各自特点，在各自的反应器中优化菌群功能，提高处理效率。,（三）厌氧生物处理的主要特征,主要优点： 能耗低，且还可回收生物能（沼气）； 污泥产量低； 厌氧微生物的增殖速率低， 产酸菌的产率系数Y为0.150.34kgVSS/kgCOD， 产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右， 好氧微生物的产率系数约为0. 50.6kgVSS/kg
6、COD。 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的某些有机物进行降解或部分降解；,主要缺点： 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； 出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理； 气味较大；含有SO4的废水会产生硫化物和气味； 为增加反应器内生物量，启动时间长（约数月）； 出水有机物浓度高，某些情况下出水水质不能满足排放到地表水体的要求； 水质浓度低时产生甲烷的热量不足以使水温加热到35 ； 对氨氮的去除效果不好；低温下反应速率低；等,70年代以来，由于能源危机、微生物学的发展和Hanget 技术的产生，厌氧生物处
7、理技术被逐步应用于废水处理。 （1 )厌氧生物处理的优点： 可适用于从高浓度到低浓度的废水处理，工艺稳定，运行简单； 能量消耗低； 高容积负荷：510 kgCOD/m3d 低污泥产率：0.150.2 kg/kg COD 可回收能源：甲烷 ( 沼气 ) 0.350.45m3/kg COD, 2100025000 kJ/m3 低营养比：BOD5:N:P=200:5:1 具有更强的生化能力； 处理含表面活性剂废水无泡沫问题； 可以降解好氧过程中不易生物降解物质； 可以处理季节性排放的废水 。,厌氧生物降解与好氧生物降解的比较,好氧生物降解 厌氧生物降解 微生物种类: 好氧微生物(较简) 厌氧微生物(
8、复杂) 降解速率: 快 慢 降解途径: 碳降解 氨降解 碳降解 对氧的要求: 适当的溶解氧 无溶解氧 温度要求: 常温 常温-中温-高温 环境条件: 适应范围宽 适应范围较窄 营养物质: 100:5:1 200:5:1 最终产物: H2O CO2 CH4 H2O CO2 基建费用: 较低 较高 运行费用: 较高 较低 回收能源,几种典型的厌氧反应器示意图p501,（四）厌氧生物处理工艺的应用现状 1）应用于高浓度和难降解有机废水的处理，通过与后续好氧工艺联用，使出水水质满足排放要求。 如高浓度淀粉废水COD20000mg/L，直接采用好氧处理，则运行费用很高，经过厌氧处理后出水COD降到300
9、0mg/L左右，再采取好氧处理，就可以节省运行费，厌氧过程也回收甲烷。单位COD甲烷产率：1gCOD生成350mLCH4,（四）厌氧生物处理工艺的应用现状 2）用于污泥厌氧消化稳定污泥 污泥厌氧消化是污泥稳定的最重要的手段，污泥有机质稳定的同时，灭活了病原微生物，也回收了甲烷气体。在世界范围内得到广泛的应用。,（四）厌氧生物处理工艺的应用现状 3）有机垃圾的厌氧消化。 传统垃圾处理方式是填埋、焚烧、和堆肥，对于有机垃圾采取厌氧发酵的方式，是一种新的尝试，可以保证污染物的稳定，减少污染，并回收能源气体，当然有机垃圾厌氧消化由于运行费用较高（温度要求、搅拌），应用仍较少。,（四）厌氧生物处理工艺的
10、应用现状 4）秸秆等生物质的资源化。 为提高秸秆等生物质资源的能量利用率，可将生物质厌氧发酵产沼气。,（五）厌氧生物处理工艺的发展方向 1）提高处理能力，提高反应器厌氧微生物量。 2）充分发挥不同类型厌氧菌功能，优化两相厌氧技术 3）优化反应器流态，促进颗粒污泥形成，提高反应器厌氧微生物量，提高能源气体回收效率。,第二节 厌氧生物处理基本原理,废水的厌氧生物处理（厌氧消化）是指在无氧条件下，借助厌氧微生物的新陈代谢作用分解废水中的有机物质，并使之转变成为小分子的无机物质（主要是CH4、CO2、H2S等气体）的处理过程。,（一）经典厌氧消化过程（2 阶段理论）： （1）酸性发酵阶段：即由发酵性细
11、菌把复杂的有机物进行水解和发酵（酸化），形成脂肪酸（挥发酸）、醇类、CO2和H2等 。 （2）碱性或甲烷发酵阶段，由产甲烷细菌将第一阶段的一些发酵产物进一步转化为CH4和CO2的过程。,（二）3 阶段理论 1979年研究针对产甲烷菌和产乙酸菌的研究，认为产甲烷菌不能利用除乙酸、CO2/H2和甲醇外的大分子有机酸和醇，大分子大分子有机酸和醇需经过产氢产乙酸菌的作用转化为乙酸、 CO2和H2后被产甲烷菌利用。,（二）3 阶段理论 1）水解和发酵阶段 在该阶段，复杂有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解为简单有机物，如纤维素经过水解转化为简单的糖类；蛋白质转化为简单的氨基酸；脂肪类转化为脂肪酸和甘
12、油；（水解） 然后，这些简单有机物在产酸菌的作用下经厌氧发酵和氧化转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。 参与这个阶段的水解发酵细菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。,3 阶段理论 2）产氢产乙酸阶段 在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇外的第一阶段的中间产物如丁酸等转化为乙酸和氢，并有CO2产生。,3 阶段理论 3）产甲烷阶段,（三）4 阶段理论 1）水解和发酵阶段 在该阶段，复杂有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解为简单有机物，如纤维素经过水解转化为简单的糖类；蛋白质转化为简单的氨基酸；脂肪类转化为脂肪酸和甘油；（水解） 然后，这些简单有机物在产酸菌的作用下经厌氧发酵和氧化转化为乙酸、
13、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。 参与这个阶段的水解发酵细菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。,4 阶段理论 2）产氢产乙酸阶段 在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇外的第一阶段的中间产物如丁酸等转化为乙酸和氢，并有CO2产生。,4 阶段理论 3）同型产乙酸阶段 同型产乙酸菌利用H2和CO2合成乙酸，这时产乙酸量较少。,4 阶段理论 4）产甲烷阶段,水解酸化细菌功能表现在两方面： 1.将大分子不溶性有机物在水解酶的催化作用下水解成小分子的水溶性有机物； 2.将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复杂的酶系统催化转化，将一部分供能源使用的有机物转化为代谢产物，排入细胞外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反应的
14、细菌群可利用的基质（脂肪酸、醇类等）。,产氢产乙酸细菌的作用是什么？ 第一阶段的发酵产物中除可供产甲烷细菌直接利用的甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类外，还有许多其他重要的有机代谢产物，如三碳及三碳以上的直链脂肪酸、二碳及二碳以上的醇、酮和芳香族有机酸等。这些有机物至少占发酵基质的50%以上。这些产物最终转化为甲烷，就是依靠产氢产乙酸细菌的作用。,什么是同型产乙酸细菌 ？ 在厌氧条件下能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸，另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者就是酸化细菌，后者则是同型产乙酸细菌。,产甲烷菌 产甲烷菌
15、是参与厌氧消化过程的最后一类也是最重要的一类细菌群，它们和参与厌氧消化过程的其他类型细菌的结构有显著的差异。常见的产甲烷菌有：球状、杆状和螺旋状等。 根据甲烷菌对温度的适应范围，将其分为三类：低温菌（2025）、中温菌（3045）和高温菌（4575）。已鉴定的产甲烷菌中，大多数是中温菌。,（四）厌氧生物处理过程分析 1 水解阶段 水解阶段可定义为复杂的非溶解性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小分子有机物过程。这些小分子有机物如葡萄糖、氨基酸等能溶解于水并透过细胞膜为细菌利用。 一般认为产甲烷菌是厌氧处理受限步骤，但对难降解、高分子有机物及污泥消化而言，水解过程非常缓慢，是影响厌氧处理限速步骤。 水解阶段主要影响因素有：温度、水力停留时间、有机质组成、有机质颗粒大小、pH、氨氮浓度等。,（四）厌氧生物处理过程分析 2 发酵阶段 发酵阶段可定义为有机物既是电子受体也是电子供体的生物降解反应，产酸菌将水解产物转化为挥发性的脂肪酸和醇为主的末端产物，同时产生新生物质，这一过程称为酸化。 产酸发酵速率很快，产酸发酵末端产物的组成取决于进水负荷、停留时间、底物种类和参与微生物种类。可分为丁酸、乙酸为主要末端产物的丁酸发酵；丙酸、乙酸为主要末端产物的丙酸发酵及以乙醇、乙酸为主要末端产物的乙醇发酵。,（四）厌氧生物处理过程分析 3 产氢产乙酸阶段 产
