第二節(jié)廢水厭氧生物處理原理

1、第二節(jié) 廢水厭氧生物處理原理廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。一、厭氧生物處理中的基本生物過程階段性理論1、兩階段理論：20世紀(jì)3060年代，被普遍接受的是“兩階段理論”第一階段：發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物是脂肪酸、醇類、CO2和H2等；主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；這些微生物的特點(diǎn)是：1）生長速率快，2）對環(huán)境條件的適應(yīng)性（溫度、pH等）強(qiáng)。第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為

2、CH4和CO2；主要參與反應(yīng)的微生物被統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌（Methane producing bacteria）；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點(diǎn)是：1）生長速率慢，世代時(shí)間長；2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。2、三階段理論對厭氧微生物學(xué)的深入研究后，發(fā)現(xiàn)將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個(gè)過程，不能真實(shí)反映厭氧反應(yīng)過程的本質(zhì)；厭氧微生物學(xué)的研究表明，產(chǎn)甲烷菌是一類十分特別的古細(xì)菌（Archea），除了在分類學(xué)和其特殊的學(xué)報(bào)結(jié)構(gòu)外，其最主要的特點(diǎn)是：產(chǎn)甲烷細(xì)菌只能利用一些簡單有機(jī)物作為基質(zhì)，其中主要是一些簡單的一碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質(zhì)中只有乙酸，而不能

3、利用其它含兩碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類；上世紀(jì)70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，實(shí)際上是由兩種細(xì)菌共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2（一種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌），另一種細(xì)菌則利用H2和CO2產(chǎn)生CH4（一種真正意義上的產(chǎn)甲烷細(xì)菌嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌）；因而，Bryant提出了厭氧消化過程的“三階段理論”：水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。3、四階

4、段理論（四菌群學(xué)說）：幾乎與Bryant提出“三階段理論”的同時(shí)，又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學(xué)說”：實(shí)際上，是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上，增加了一類細(xì)菌同型產(chǎn)乙酸菌，其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實(shí)際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右?？傮w來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。4、 多階段理論 但是，當(dāng)利用厭氧生物處理工藝處理含有復(fù)雜有機(jī)物的時(shí)候，在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)會(huì)遠(yuǎn)比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應(yīng)過程復(fù)雜，可以參見“厭氧復(fù)

5、雜體系示意圖”。二、厭氧消化過程中的主要微生物 主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。1、發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌的主要功能有兩種： 水解在胞外酶的作用下，將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物； 酸化將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機(jī)物種類等），有時(shí)回成為厭氧反應(yīng)的限速步驟；產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快；大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙

6、酸細(xì)菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營關(guān)系。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)有：乙醇： 丙酸： 丁酸： 注意：上述反應(yīng)只有在乙酸濃度很低、系統(tǒng)中氫分壓也很低時(shí)才能順利進(jìn)行，因此產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)的順利進(jìn)行，常常需要后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)能及時(shí)將其主要的兩種產(chǎn)物乙酸和H2消耗掉。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌多為：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌。3、產(chǎn)甲烷菌20世紀(jì)60年代Hungate開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后，對產(chǎn)甲烷細(xì)菌的研究才得以廣泛進(jìn)行；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物

7、乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌；一般來說，在自然界中乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有Methanosarcina（產(chǎn)甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產(chǎn)甲烷絲狀菌），但這兩種產(chǎn)甲烷細(xì)菌在厭氧反應(yīng)器中居多，特別是后者，因?yàn)樵趨捬醴磻?yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)： 根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類如下：最新的分類（Bergys細(xì)菌手冊第九版），共分為：三目、七科、十九屬、65種；產(chǎn)甲烷菌有

8、各種不同的形態(tài)，常見的有：產(chǎn)甲烷桿菌；產(chǎn)甲烷球菌；產(chǎn)甲烷八疊球菌；產(chǎn)甲烷絲菌；等等。在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）屬于古細(xì)菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細(xì)菌（Eubacteria）相似，但實(shí)際上，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊；在自然界的分布，一般可以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地?zé)崛?、深?；鹕娇凇⒊练e物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應(yīng)器等；產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在-150-400mv，氧和氧化劑對其有很強(qiáng)的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時(shí)間長，可達(dá)46天，因此，一般

9、情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟三、厭氧生物處理的影響因素產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)主要討論影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。1、溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化（55°C左右）和中溫消化（35°C左右）；高溫消化的反應(yīng)速率約為中溫消化的1.51.9倍，產(chǎn)氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低；當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化

10、后污泥的脫水性能也較好；隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大），因此可以在常溫條件下（2025°C）進(jìn)行，以節(jié)省能量和運(yùn)行費(fèi)用。2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化非常敏感，一般認(rèn)為，其最適pH值范圍為6.87.2，在<6.5或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)（有機(jī)物濃度、有機(jī)物種類等）、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個(gè)pH值的緩沖體系，主

11、要由碳酸鹽體系所控制；一般來說：系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗，使pH下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會(huì)產(chǎn)生，使系統(tǒng)的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素，但實(shí)際上其作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持合適的pH值；厭氧體系一旦發(fā)生酸化，則需要很長的時(shí)間才能恢復(fù)。3、氧化還原電位：嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件；非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100 -100mv的環(huán)境正常生長和活動(dòng)；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150 -400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mv；4、營養(yǎng)要求：厭氧微生

12、物對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時(shí)需要投加：K、Na、Ca等金屬鹽類；微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；有機(jī)微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。5、F/M比：厭氧生物處理的有機(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá)510kgCOD/m3.d，甚至可達(dá)5080 kgCOD/m3.d；無傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短HRT，減少反應(yīng)器容

13、積。6、有毒物質(zhì)：常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機(jī)物；硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)對厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過高，則會(huì)對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會(huì)得到加強(qiáng)。重金屬：使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。氰化物：有毒有機(jī)物：四、厭氧生物處理的主要特征1、厭氧生物處理過程的主要優(yōu)點(diǎn)： 能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）； 污泥產(chǎn)量很低；厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.150.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)