廢水厭氧生物處理過程

廢水厭氧生物處理過程

設(shè)計與優(yōu)化王廣權(quán)主要內(nèi)容一、厭氧生物處理過程及其特征二、厭氧消化微生物三、厭氧生物處理的影響因素四、厭氧消化工藝的發(fā)展及其應(yīng)用五、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器的設(shè)計六、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器的啟動和應(yīng)用七、第三代厭氧反應(yīng)器一、厭氧生物處理過程及其特征1、原理厭氧生物處理過程又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由活性污泥中的多種微生物共同作用，使有機物分解并生成CH4和CO2的過程。2、厭氧生物處理過程人們對有機物厭氧消化的認識不斷深化：兩段說三段說四種群說兩段說1930年Buswell和Neave肯定了Thumm和Reichie(1914)與Imhoff(1916)的看法，把有機物厭氧消化過程分為:酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個階段。

兩段說兩階段厭氧消化過程

兩段說中PH變化有機物厭氧消化過程中pH的變化

三階段理論1979年布利安特(Bryant)等人提出了厭氧消化的三階段理論。三階段理論認為，厭氧消化過程是按以下步驟進行的：三階段厭氧消化過程第一階段，水解、發(fā)酵階段

復(fù)雜有機物在微生物作用下進行水解和發(fā)酵。例如，多糖先水解為單糖，再通過酵解途徑進一步發(fā)酵成乙醇和脂肪酸，如丙酸、丁酸、乳酸等；蛋白質(zhì)則先水解為氨基酸，再經(jīng)脫氨基作用產(chǎn)生脂肪酸和氨。第二階段產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段

由一類專門的細菌，稱為產(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和C02。第三階段產(chǎn)甲烷階段

由產(chǎn)甲烷細菌利用乙酸和H2、C02，產(chǎn)生CH4。研究表明，厭氧生物處理過程中約有70%CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余少量則產(chǎn)自H2和CO2的合成。三階段理論是對厭氧生物處理過程較全面和較準確的描述。幾乎與Bryant提出三階段理論的同時，Zeikus(1979)在第一屆國際厭氧消化會議上提出了四種群說理論。四種群說理論復(fù)雜有機物厭氧消化過程有四種群厭氧微生物參與，四種群即是：水解發(fā)酵菌，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，同型產(chǎn)乙酸菌（又稱耗氫產(chǎn)乙酸菌），以及產(chǎn)甲烷菌。四種群說有機物厭氧降解示意圖

有硫酸鹽存在條件下葡萄糖的厭氧消化3、厭氧生物處理的主要特征與好氧生物處理相比較，厭氧生物處理的主要特征有：①能量需求大大降低，還可產(chǎn)生能量。因為厭氧生物處理不要求供給氧氣，相反卻能生產(chǎn)出含有50%～70%甲烷(CH4)的沼氣，含有較高的熱值(約為21000～25000Kg/m3)，可用作能源。為去除1kgCOD，好氧生物處理大約需消耗0.5～1.0kW·h電能。而厭氧生物處理每去除1kgCOD大約能產(chǎn)生3.5kW·h電能。3、厭氧生物處理的主要特征②污泥產(chǎn)量極低因為厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。一般，厭氧消化中產(chǎn)酸細菌的產(chǎn)率(VSS/COD)為0.15～0.34，產(chǎn)甲烷細菌為0.03左右，混合菌群的產(chǎn)率約

0.17；好氧微生物的產(chǎn)率約為0.25～0.6。3、厭氧生物處理的主要特征因此，去除每千克COD，好氧生物處理的污泥產(chǎn)量約為250～600gVSS；而厭氧生物處理的污泥產(chǎn)量僅為180～200gVSS。3、厭氧生物處理的主要特征③對溫度、pH等環(huán)境因素更為敏感。厭氧細菌可分為高溫菌和中溫菌兩大類，其適宜的溫度范圍分別為55℃左右和35℃左右。、如溫度降至10℃以下，厭氧微生物的活動能力將非常低下。而好氧微生物對溫度的適應(yīng)能力較強，在5℃以上的溫度條件下均能較好地發(fā)揮作用。產(chǎn)甲烷菌的最適pH范圍也較好氧菌為小。溫度對微生物活性的影響3、厭氧生物處理的主要特征④處理后廢水有機物濃度高于好氧處理。⑤厭氧微生物可對好氧微生物所不能降解的一些有機物進行降解(或部分降解)。⑥處理過程的反應(yīng)較復(fù)雜。厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物學(xué)過程，遠比好氧生物處理中的微生物過程復(fù)雜。二、厭氧消化微生物

(一)發(fā)酵細菌(產(chǎn)酸細菌)

主要包括梭菌屬(Clostridigm)、似桿菌屬(Bacteroides)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真細菌屬(Eubacterium)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)等。這類細菌的主要功能是先通過胞外酶的作用將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的大分子有機物轉(zhuǎn)化成脂肪酸，醇類等。不溶性有機物可溶性有機物可溶性的大分子有機物小分子

研究表明，該類細菌對有機物的水解過程相當(dāng)緩慢，pH和細胞平均停留時間等因素對水解速率的影響很大。因此，當(dāng)處理的廢水中含有大量難水解的類脂時，水解就會成為厭氧消化過程的限速步驟。但產(chǎn)酸的反應(yīng)速率較快，并遠高于產(chǎn)甲烷反應(yīng)。

發(fā)酵細菌大多數(shù)為專性厭氧菌，但也有大量兼性厭氧菌。

除發(fā)酵細菌外，在厭氧消化的發(fā)酵階段，也可發(fā)現(xiàn)真菌和為數(shù)不多的原生動物。(二)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌近年來的研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌包括互營單孢菌屬(Syntrophomonas)、桿菌屬(Syntrophobacter)、梭菌屬(Clostridium)、暗桿菌屬(Petobacter)等。(二)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌這類細菌能把各種揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H2。其反應(yīng)如下：降解乙醇

CH3CH2OH十H2O→CH3COOH+2H2降解丙酸

CH3CH2COOH十2H2O→CH3COOH+3H2+CO2降解丁酸

CH3CH2CH2COOH+2H2O→2CH3COOH+2H2(二)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌上述反應(yīng)只有在乙酸濃度低、液體中氫分壓也很低時才能完成。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌可能是絕對厭氧菌或是兼性厭氧菌。(三)產(chǎn)甲烷細菌

產(chǎn)甲烷菌大致可分為兩類：一類主要利用乙酸產(chǎn)生甲烷；另一類數(shù)量較少，利用氫和CO2合成生成甲烷。也有極少量細菌，既能利用乙酸，也能利用氫。(三)產(chǎn)甲烷細菌以下是兩個典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：

利用乙酸

CH3COOH→CH4+CO2

利用H2和CO2

4H2十CO2—→CH4+2H2O

(三)產(chǎn)甲烷細菌產(chǎn)甲烷菌都是絕對厭氧細菌，要求生活環(huán)境的氧化還原電位在－150～－400mV范圍內(nèi)。氧和氧化劑對產(chǎn)甲烷菌有很強的毒害作用。產(chǎn)甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期長，甚至達4～6d。因此，在一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的控制階段。

(四)厭氧微生物群體間的關(guān)系

在厭氧生物處理反應(yīng)器中，不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌相互依賴，互為對方創(chuàng)造與維持生命活動所需要的良好環(huán)境和條件，但又相互制約。1、不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需要的基質(zhì)

不產(chǎn)甲烷細菌把各種復(fù)雜的有機物質(zhì)，如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等進行厭氧降解，生成游離氫、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、甲醇、乙醇等產(chǎn)物。

丙酸、丁酸、乙醇等又可被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為氫、二氧化碳、乙酸等。所以，不產(chǎn)甲烷細菌通過其生命活動為產(chǎn)甲烷細菌提供了合成細胞物質(zhì)和產(chǎn)甲烷所需的碳前體和電子供體、氫供體和氮源。產(chǎn)甲烷細菌充當(dāng)厭氧環(huán)境有機物分解中微生物食物鏈的最后一個生物體。厭氧發(fā)酵初期，由于加料使空氣進入發(fā)酵池，原料、水本身也攜帶氧氣，這對產(chǎn)甲烷細菌是有害的。不產(chǎn)甲烷細菌類群中那些需氧和兼性厭氧微生物將其去除。各種厭氧微生物對氧化還原電位的適應(yīng)不相同，通過它們有順序地交替生長和代謝活動，使發(fā)酵液氧化還原電位不斷下降，逐步為產(chǎn)甲烷細菌生長和產(chǎn)甲烷創(chuàng)造適宜的氧化還原條件。2．不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件

以工業(yè)廢水或廢棄物為發(fā)酵原料時，其中可能含有酚類、苯甲酸、氰化物、長鏈脂肪酸、重金屬等對于產(chǎn)甲烷細菌有毒害作用的物質(zhì)。不產(chǎn)甲烷細菌中有許多種類能裂解苯環(huán)、降解氰化物等從中獲得能源和碳源。這些作用不僅解除了對產(chǎn)甲烷細菌的毒害，而且給產(chǎn)甲烷細菌提供了養(yǎng)分。此外，不產(chǎn)甲烷細菌的產(chǎn)物硫化氫，可以與重金屬離子作用生成不溶性的金屬硫化物沉淀，從而解除一些重金屬的毒害作用3．不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷細菌清除有毒物質(zhì)不產(chǎn)甲烷細菌的發(fā)酵產(chǎn)物可以抑制其本身的不斷形成。氫的積累可以抑制產(chǎn)氫細菌的繼續(xù)產(chǎn)氫，酸的積累可以抑制產(chǎn)酸細菌繼續(xù)產(chǎn)酸。在正常的厭氧發(fā)酵中，產(chǎn)甲烷細菌連續(xù)利用由不產(chǎn)甲烷細菌產(chǎn)生的氫、乙酸、二氧化碳等，使厭氧系統(tǒng)中不致有氫和酸的積累，就不會產(chǎn)生反饋抑制，不產(chǎn)甲烷細菌也就得以繼續(xù)正常的生長和代謝。4．產(chǎn)甲烷細菌為不產(chǎn)甲烷細菌的生化反應(yīng)解除反饋抑制例如：降解乙醇

CH3CH2OH十H2O

→CH3COOH+2H2

在厭氧發(fā)酵初期，不產(chǎn)甲烷細菌首先降解原料中的糖類、淀粉等物，產(chǎn)大量的有機酸，產(chǎn)生的二氧化碳也部分溶于水，使發(fā)酵液的pH明顯下降。

而此時，一方面不產(chǎn)甲烷細菌類群中的氨化細菌迅速進行氨化作用，產(chǎn)生的氨中和部分酸；另一方面，產(chǎn)甲烷細菌利用乙酸、甲酸、氫和二氧化碳形成甲烷，消耗酸和二氧化碳。因此，兩個類群的共同作用使pH穩(wěn)定在一個適宜范圍內(nèi)。5．不產(chǎn)甲烷細菌和產(chǎn)甲烷細菌共同維持環(huán)境中適宜的pH值三、厭氧生物處理的影響因素

由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境因素的影響較非產(chǎn)甲烷菌(包括發(fā)酵細菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌)敏感得多，產(chǎn)甲烷反應(yīng)常是厭氧消化的控制階段。影響因素包括：

溫度、PH、氧化還原電位、有毒物質(zhì)食料/微生物比、營養(yǎng)1．溫度溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；厭氧消化分為：高溫消化（55°C左右）和中溫消化（35°C左右）；化的反應(yīng)速率約為中溫消化的1.5~1.9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，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化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（20~25°C）進行，以節(jié)省能量和運行費用

高溫消化低溫消化

可見，厭氧消化速率隨溫度的變化比較復(fù)雜，在厭氧消化過程中存在著兩個不同的最佳穩(wěn)度范圍：一為55℃左右，一為35℃左右。厭氧微生物分為嗜熱菌(高溫細菌)和嗜溫菌(中溫細菌)兩大類，相應(yīng)的厭氧消化則被稱為高溫消化(55℃左右)和中溫消化(35℃左右)。高溫消化的反應(yīng)速率約為中溫消化的1.5～1.9倍，產(chǎn)氣率也高。但氣體中甲烷所占百分率卻較中溫消化為低。當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時，采用高溫消化可取得較理想的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也較好。在工程實踐中，當(dāng)然還應(yīng)考慮經(jīng)濟因素，采用高溫消化需要消耗較多的能量，當(dāng)處理廢水量很大時，往往不宜采用。隨著各種新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)，溫度對厭氧消化的影響由于生物量的增加而變得不再顯著。因此處理廢水的厭氧消化反應(yīng)常在常溫條件(20—25℃)下進行，以節(jié)省能量的消耗和運行費用。2.pH產(chǎn)甲烷菌最適pH范圍為6.8～7.2。在pH=6.5以下或

pH=8.2以上的環(huán)境中，厭氧消化會受到嚴重的抑制，這主要是對產(chǎn)甲烷菌的抑制。水解細菌和產(chǎn)酸菌也不能承受低pH的環(huán)境。厭氧發(fā)酵體系中的pH除受進水pH的影響外，還取決于代謝過程中自然建立的緩沖平衡。影響酸堿平衡的主要參數(shù)：揮發(fā)性脂肪酸、堿度和CO2含量。但產(chǎn)甲烷細菌的作用會產(chǎn)生HCO3－，使系統(tǒng)的pH回升。系統(tǒng)中沒有足夠的HCO3－，將使揮發(fā)酸積累，導(dǎo)致系統(tǒng)緩沖作用的破壞，即所謂的“酸化”。3．氧化還原電位

絕對的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進行正?；顒拥幕緱l件，可以用氧化還原電位表示厭氧反應(yīng)器中含氧濃度。不產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100～﹣100mV的環(huán)境下進行正常的生理活動；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為：﹣150～﹣400mV，培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于－320mV。4．營養(yǎng)厭氧微生物對碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物。但大多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能。厭氧微生物對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，所以有時需要投加：①K、Na、Ca等金屬鹽類；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有機微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。5．食料/微生物比

與好氧生物處理相似，厭氧生物處理過程中的食料/微生物比對其進程影響很大。在實際中常以有機負荷(COD/VSS)表示，單位為kg/(kg．d)。在有機負荷、處理程度和產(chǎn)氣量三者之間，存在著密切的聯(lián)系和平衡關(guān)系。一般，較高的有機負荷可獲得較大的產(chǎn)氣量，但處理程度會降低。再者，由于厭氧消化過程中產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率比產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)速率高得多，必須十分謹慎地選擇有機負荷，使揮發(fā)酸的生成及消耗平衡，不致形成揮發(fā)酸的積累。隨著反應(yīng)器中生物量(厭氧污泥)濃度的增加，有可能在保持相對較低污泥負荷的條件下得到較高的容積負荷。這樣，能夠在滿足一定處理程度的同時，縮短消化時間，減少反應(yīng)容積?？偟恼f來，（厭氧生物）處理可采用較（好氧生物）處理高得多的有機負荷。一般COD濃度可達5～10kg/(m3·d)，有的甚至可高達50kg/(m3·d)。有毒物質(zhì)會對厭氧微生物產(chǎn)生不同程度的抑制，使厭氧消化過程受到影響甚至遭到破壞。最常見的抑制性物質(zhì)為硫化物、氨氮、重金屬、氰化物以及某些人工合成的有機物。如：銅。6．有毒物質(zhì)常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機物；①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；可溶的硫化物達到一定濃度時，會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。②氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過高，則會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會得到加強。③重金屬：——使厭氧細菌的酶系統(tǒng)受到破壞。④氰化物：⑤有毒有機物：硫酸鹽和其他硫的氧化物容易在厭氧消化過程中被還原為硫化物。可溶性的硫化物和H2S氣體在達到一定濃度時，對產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制。如何減輕硫化物的抑制作用？氨是厭氧消化的緩沖劑，但高濃度的氨對厭氧消化有害。有人認為NH3-N濃度50～200mg/L即能產(chǎn)生控制，但通過對產(chǎn)甲烷細菌的馴化，厭氧過程對氨的適應(yīng)能力能夠得到加強。重金屬常能使厭氧消化過程失效，表現(xiàn)為產(chǎn)氣量降低和揮發(fā)酸的積累。原因是細菌的代謝酶受到破壞而失活，是一種非競爭性抑制。不同重金屬離子及其不同的存在形態(tài)，會產(chǎn)生不同的抑制作用。據(jù)報道277mg/L的硫酸鎳不會引起消化過程的變化，而30mg/L的硝酸鎳卻能使產(chǎn)氣量減少80%。重金屬的濃度也會顯著影響其抑制作用當(dāng)氯化鎳的濃度為500mg/L時，其對沼氣產(chǎn)量的影響可以忽略不計，而濃度為1000mg/L時會使產(chǎn)氣量大大減少。氰化物對厭氧消化的抑制作用決定于其濃度和接觸時間。如濃度小于10mg/L，接觸時間為1h，抑制作用不明顯。濃度如增高到100mg/L，氣體產(chǎn)量會明顯降低。研究表明，厭氧微生物對很多在好氧條件下難以降解的合成有機物，如蒽醌類染料、偶氮染料、含氯的有機殺蟲劑等，都具有降解的能力。但仍有相當(dāng)一部分合成有機物對厭氧微生物有毒害作用，其作用大小與濃度相關(guān)，如3-氧-1，2-丙二醇、2—氯丙酸、1-氯丙烷、2-氯丙烯、丙烯醛和甲醛等。提高降解有毒有機物的措施A、在厭氧條件下混合細菌種群對有毒性的合成有機物進行降解的速率要比單一菌種的速率要快。B、對厭氧微生物的馴化也可提高其適應(yīng)和降解合成有機物的能力。其他？四、厭氧消化工藝的發(fā)展及其應(yīng)用

人類對厭氧生物處理方法的研究首先從處理糞便開始。隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增加，并不斷向城鎮(zhèn)集中，城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水的處理才引起人們的重視。廢水厭氧生物處理可追溯到100多年前。1860年，法國人LouisMouras把簡易沉淀池改進作為污水處理構(gòu)筑物使用。1881年法國Cosmos雜志登載介紹了Mouras創(chuàng)造的處理污水污泥的自動凈化器（AutomaticScasenger）。后來人們把Mouras作為厭氧消化處理的創(chuàng)始人。1890年，Scotto-Moncrieff第一個建造了初步的厭氧濾池（AnaerobicFilter）。該池底部空，上面鋪一層石子。石子的作用是攔截廢水中的固體顆粒物。1894年Talbot設(shè)計了一個與Mouras自動凈化器相似的消化罐，主要不同是中間設(shè)置了一些垂直擋板，用于阻擋流過的廢水。1895年，DonaldCameron在英國設(shè)計了世界上第一個厭氧化糞池（SepticTank）。這是厭氧處理工藝發(fā)展史上的一個里程碑?；S池1899年，HarryWClerk設(shè)計了一個分離的消化器（SeparateDigester），先把污水沉淀后，再厭氧發(fā)酵。1903年，Travis發(fā)明了Travis池。廢水從一端流入，從另一端流出，兩側(cè)沉淀分離的污泥在反應(yīng)池中間的下部消化，產(chǎn)生的沼氣從中間上部排出。Trav