第四章第四章 厌氧生物处置厌氧生物处置 本章内容本章内容 4.1 厌氧生物处置原理厌氧生物处置原理4.2 厌氧反响器厌氧反响器4.3 厌氧生物处置数学模型厌氧生物处置数学模型4.4 硫酸盐复原硫酸盐复原 本章内容本章内容 4.1 厌氧生物处置原理厌氧生物处置原理4.2 厌氧反响器厌氧反响器4.3 厌氧生物处置数学模型厌氧生物处置数学模型4.4 硫酸盐复原硫酸盐复原 4 4、、 厌氧生物处置原理厌氧生物处置原理4.1 4.1 厌氧处置优缺陷：厌氧处置优缺陷：优点优点(1)(1)运用范围广运用范围广 高浓度：高浓度：15000mg/L (BOD)15000mg/L (BOD) 低浓度：低浓度：200200～～300mg/L (BOD)300mg/L (BOD)(2)(2)能耗低、不需充氧能耗低、不需充氧(3)(3)剩余污泥少剩余污泥少 好氧：好氧：0.40.4～～0.6kg0.6kg生物量生物量/kgCOD/kgCOD去除去除 厌氧：厌氧：0.150.15～～0.2kg0.2kg生物量生物量/kgCOD/kgCOD去除去除 (4)(4)沼气可以利用：沼气可以利用： 产沼气：产沼气： 0.35 0.35～～0.45m3/kgCOD0.45m3/kgCOD去除去除 沼气热值：沼气热值：2100021000～～25000 KJ/m325000 KJ/m3 (5)(5)营养需求量小：营养需求量小： 好氧：好氧： BOD:N:P = 100:5:1 BOD:N:P = 100:5:1 厌氧：厌氧： BOD:N:P = 300:5:1 BOD:N:P = 300:5:1 (6)(6)间歇运转可以继续坚持活性间歇运转可以继续坚持活性 厌氧颗粒污泥可以坚持厌氧颗粒污泥可以坚持1 1年以上年以上(7)(7)可以分解一些好氧难以降解的化合物可以分解一些好氧难以降解的化合物缺陷：缺陷：(1)(1)启动慢启动慢(2)(2)出水水质不如好氧，普通需求后处置出水水质不如好氧，普通需求后处置 4 4、、 厌氧生物处置原理厌氧生物处置原理4.2 4.2 厌氧发酵与厌氧呼吸：厌氧发酵与厌氧呼吸：厌氧发酵：厌氧发酵： 电子供体和电子受体都是有机物；电子供体和电子受体都是有机物；厌氧呼吸：厌氧呼吸： 无机氧化物作为最终电子受体；无机氧化物作为最终电子受体； 厌氧发酵：厌氧发酵： 有氧呼吸有氧呼吸O2H 2O硝酸盐复原硝酸盐复原NO3－－NO2－－ N2 硫酸盐复原硫酸盐复原SO2-4S2－－ (HS－－ 、、H2S)硫呼吸硫呼吸S0S2－－碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸CO2、、HCO3－－CH3COO-铁呼吸铁呼吸Fe3+Fe2+(产甲烷产甲烷)CO2 、、 HCO3－、－、CH4氧化复原电位氧化复原电位4.2 厌厌氧氧发发酵酵与与厌厌氧氧呼呼吸吸 4 4、、 厌氧生物处置原理厌氧生物处置原理4.2 4.2 厌氧处置过程及微生物：厌氧处置过程及微生物： 美国微生物学会采用美国微生物学会采用EhEh来厌氧和好氧过程来厌氧和好氧过程: :〔〔19801980年〕：年〕： 好氧：好氧： －－ 50 50～＋～＋300mv300mv 兼性厌氧：－兼性厌氧：－420420～＋～＋300mv300mv 专性厌氧：－专性厌氧：－420420～－～－150mv150mv 4.2 4.2 厌氧处置过程及微生物：厌氧处置过程及微生物：厌氧生物处置过程：厌氧生物处置过程： 上世纪三十年代人们的认识：两阶段上世纪三十年代人们的认识：两阶段 4.2 4.2 厌氧处置过程及微生物：厌氧处置过程及微生物：厌氧生物处置过程：厌氧生物处置过程： 上世纪七十年代人们的认识：三阶段上世纪七十年代人们的认识：三阶段 4.2 4.2 厌氧氧处置置过程及微生物：程及微生物：厌氧微生物：氧微生物： 〔〔1 1〕不〕不产甲甲烷菌菌 〔〔2 2〕〕产甲甲烷菌菌〔〔1 1〕不〕不产甲甲烷菌菌 ① ①发酵酵细菌：〔水解、菌：〔水解、发酵〕酵〕 胞外胞外酶的作用的作用→→小分子小分子→→在在细胞内胞内转化成化成为简单化合物化合物→→分泌到体外分泌到体外 Eh: Eh: －－100100～＋～＋100mv 100mv 4.2 4.2 厌氧处置过程及微生物：厌氧处置过程及微生物：水解过程动力学：水解过程动力学： Kh — Kh — 水解常数水解常数 ρ — ρ — 可降解非溶解性基可降解非溶解性基质浓度度 〔〔mg/Lmg/L〕〕 4.2 4.2 厌氧处置过程及微生物：厌氧处置过程及微生物：水解产物：水解产物： VFA VFA 〔〔挥发性脂肪酸：乙、丙、丁酸性脂肪酸：乙、丙、丁酸……..)……..) 醇、醇、CO2CO2、、H2H2、氨、、氨、H2SH2S②②产氢产乙酸菌乙酸菌 发现：奥氏：奥氏产甲甲烷“S“S〞菌株是〞菌株是产甲甲烷菌和菌和产氢产乙酸菌的共生体。
乙酸菌的共生体 甲烷甲烷乙醇乙醇丁酸丁酸丙酸丙酸0－－40－－80ΔG/KJΔG/KJlgPm/atmlgPm/atm0－－4－－8+40+80共生：共生：““种种间氢转移〞，移〞，氢在在0.5s0.5s内被耗内被耗费，，传 递间隔隔仅0.1mm 0.1mm 〔〔2 2〕产甲烷菌〕产甲烷菌〔〔a a〕产甲烷菌的分类〕产甲烷菌的分类 伯杰氏细菌鉴定手册〔第九版〕：伯杰氏细菌鉴定手册〔第九版〕： 产甲烷菌：产甲烷菌：3 3目、目、6 6科、科、1313属、属、4343个种个种 〔〔19911991年，共分别到年，共分别到6565个种〕个种〕3 3目：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷微菌目：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷微菌6 6科：甲烷杆菌、甲烷热菌、甲烷球菌、甲烷微科：甲烷杆菌、甲烷热菌、甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷八叠球菌、甲烷盘菌菌、甲烷八叠球菌、甲烷盘菌 〔还有部分未定科、未定目和科〕〔还有部分未定科、未定目和科〕 (b)(b)产甲烷菌特性：产甲烷菌特性： 〔〔1 1〕细胞壁构造〕细胞壁构造 蛋白质和多糖蛋白质和多糖 〔〔2 2〕细胞膜：〕细胞膜： 没有甘油脂没有甘油脂 〔〔3 3〕碳源：〕碳源： 目前证明只需目前证明只需8 8种物质可以被甲烷菌所利用：种物质可以被甲烷菌所利用： CH3-COO- CH3-COO-、、 HCOO- HCOO-、、 CH3OH CH3OH、、 CH3-NH2- CH3-NH2-、、(CH3)2NH(CH3)2NH、、(CH3)3-N(CH3)3-N、、COCO、、 CO2 CO2、、 (4)(4)产甲烷菌的特殊酶系统：产甲烷菌的特殊酶系统： CH3COOH CO2 CH3OH甲基辅酶甲基辅酶M M甲基复原酶〔甲基复原酶〔F420)F420)CH4 〔〔5 5〕氧化复原电位〕氧化复原电位EhEh：： < -330 mv < -330 mv 〔〔6 6〕营养物质〕营养物质 氮源：利用氨态氮氮源：利用氨态氮 生长因子：生长因子：1010种水溶性微生物种水溶性微生物 微量元素：微量元素：NiNi、、CoCo、、FeFe 〔〔7 7〕繁衍：〕繁衍： 倍增时间：倍增时间：4 4～～6 6天天 〔〔8 8〕温度：〕温度： 中温菌：中温菌：3030～～40oC40oC 高温菌：高温菌：5050～～57oC57oC 特别嗜高温菌：特别嗜高温菌：6565～～97oC97oC 〔〔9 9〕〕 pH pH值：值： 产甲烷菌对产甲烷菌对pHpH变化顺应性差变化顺应性差 最正确最正确pHpH为为6.66.6～～7.57.5厌氧体系的酸碱平衡：厌氧体系的酸碱平衡：碳酸的离解：碳酸的离解： pH = pK1+lg[HCO3-]/[H2CO3] pK1=6.3 pH = pK1+lg[HCO3-]/[H2CO3] pK1=6.3CO2CO2的溶解：的溶解： [HCO3-]= KhPCO2 Kh [HCO3-]= KhPCO2 Kh－亨利常数－亨利常数(mol/atm)(mol/atm)其它：其它： H2S/HS pK1=6.5 H2S/HS pK1=6.5 H2PO4/HPO42- pK1=7.2 H2PO4/HPO42- pK1=7.2 µ/d-1乙酸浓度乙酸浓度/ mmol/L产甲烷八叠球菌产甲烷八叠球菌产甲烷丝菌产甲烷丝菌动力学特性：动力学特性： (3)(3)硫酸盐复原菌〔硫酸盐复原菌〔SRBSRB〕〕18951895年年 Beijerinck Beijerinck发现：发现： 利用利用H H的硫酸盐复原菌的硫酸盐复原菌 利用乙酸的硫酸盐复原菌利用乙酸的硫酸盐复原菌 利用高级脂肪酸的硫酸盐复原菌利用高级脂肪酸的硫酸盐复原菌SRBSRB特点：特点：利用基质的范围广：利用基质的范围广： 甲酸～十八烷脂肪酸甲酸～十八烷脂肪酸 芳香族酸、甘油、多糖芳香族酸、甘油、多糖营养：有机物、硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐营养：有机物、硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐pH: 4.5pH: 4.5～～9.5, 9.5, 最正确：最正确：6.56.5～～8.0 8.0 氧化复原电位：氧化复原电位：Eh< -100mv Eh< -100mv (3)(3)硫酸盐复原菌〔硫酸盐复原菌〔SRBSRB〕〕盐度：嗜盐和非嗜盐盐度：嗜盐和非嗜盐 嗜盐菌：嗜盐菌：1 1～～3 3％〔以％〔以NaClNaCl计〕计〕代谢：代谢：碳源碳源酶酶CO2 H2O CH3COOH产生产生ATPSO42- + H2O耗费耗费ATPS2- + OH- 4H2 + SO42- 4H2 + SO42- H2S + 2H2O + 2OH- H2S + 2H2O + 2OH- CH3COO- + SO42- CH3COO- + SO42- HS- + 2HCO3- HS- + 2HCO3-硫酸盐复原反响：硫酸盐复原反响：优点：优点： 促进有机物的酸化分解促进有机物的酸化分解 缺陷：缺陷： 与甲烷菌竞争基质，抑制甲烷菌生长与甲烷菌竞争基质，抑制甲烷菌生长 4.3 4.3 厌氧生物反响动力学厌氧生物反响动力学AndrewsAndrews方程方程当未离解挥发性脂肪酸为基质，浓度当未离解挥发性脂肪酸为基质，浓度[HS][HS] Ki ——抑制系抑制系数数 4.4 4.4 厌氧产气的化学计量学厌氧产气的化学计量学VCH4 ＝＝0.35〔〔Q·Sr — 1.42ΔX〕〕×10-3 (m3/d SPT) Yi —去除的去除的BODu或或CODb (kg/m3) Q — 污水流量水流量 (m3/d) ΔX— 厌氧微生物增氧微生物增长量量 (kg/d)微生物：微生物： C5H7O2N + 5O2 → 5CO2- + H2O + NH3 4.4 4.4 厌氧产气的化学计量学厌氧产气的化学计量学VCH4 ＝＝0.35〔〔Q·Sr — 1.42ΔX〕〕×10-3 (m3/d SPT) 微生物氧化：微生物氧化： C5H7O2N + 5O2 → 5CO2- + 2H2O + NH3 113 160 O2/微生物微生物 ＝＝ 160 / 113 = 1.42 〔〔kg BODu /kg 微生物微生物〕〕 VCH4 ＝＝0.35〔〔Q·Sr — 1.42ΔX〕〕×10-3 (m3/d SPT) 甲甲烷氧化：氧化： CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 16 64 在在SPTSPT下：下： BuswellBuswell方程：方程： 不含氮有机物，不含合成细胞部分：不含氮有机物，不含合成细胞部分： 含氮有机物，不含合成细胞部分：含氮有机物，不含合成细胞部分： 4.5 4.5 厌氧生物反响器及工艺厌氧生物反响器及工艺〔〔1 1〕厌氧接触氧化法〕厌氧接触氧化法脱气脱气 4.5 4.5 厌氧生物反响器及工艺厌氧生物反响器及工艺〔〔2 2〕厌氧生物滤池〕厌氧生物滤池 4.5 4.5 厌氧生物反响器及工艺厌氧生物反响器及工艺〔〔3 3〕〕UASBUASB反响器反响器 “晶核晶核实际〞〞CaCO3电中和中和/ECP架架桥包埋包埋“二次核〞二次核〞 〔〔5〕〕IC反响器反响器进水进水沼气沼气出水出水 。