厭氧微生物學(xué)與污水處理ppt課件.ppt

1、厭氧微生物學(xué)與污水處理,2012年12月,1,厭氧微生物學(xué)與污水處理 1、厭氧微生物學(xué) 2、廢水厭氧生物處理的生物化學(xué)原理 3、影響厭氧生物處理的環(huán)境因素 4、厭氧生物處理的廢水特征 5、生物脫氮除磷 6、厭氧生物處理工藝 7、生物制氫 8、硫酸鹽還原菌厭氧生物處理廢水 9、廢水厭氧生物處理中的共基質(zhì)代謝和種間協(xié)同代謝作用 10、難降解有機物的厭氧生物降解 11、厭氧生物處理的研究和分析方法,2,1、厭氧微生物學(xué) 1.1厭氧消化原理 1967年，布賴恩特(Bryant)報告認為消化經(jīng)歷四個階段：先是水解階段，固態(tài)有機物被細菌的胞外酶所水解；第二個階段是酸化；在第三階段乙酸化階段。進入甲烷化階段

2、之前，代謝中間液態(tài)產(chǎn)物都要乙酸化，稱乙酸化階段；第四階段是甲烷化階段。,3,4,5,厭氧生物處理過程又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由多種微生物的共同作用，使有機物分解生成 4和2的過程。整個過程可以分為三個階段：第一階段是復(fù)雜有機物在發(fā)酵細菌(產(chǎn)酸細菌)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。第二階段稱為產(chǎn)氫，產(chǎn)乙酸階段,是由一類專門的細菌，稱為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸,2和2。第三階段稱為產(chǎn)甲烷階段，由產(chǎn)甲烷細菌利用乙酸和2,2產(chǎn)生4。,6,細

3、菌分為不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌 不產(chǎn)甲烷菌包括三類：發(fā)酵細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌和同型產(chǎn)乙酸細菌,7,1.2不產(chǎn)甲烷菌及其作用 1.2.1發(fā)酵細菌 發(fā)酵細菌是一個非常復(fù)雜的混合細菌群，主要屬于專性厭氧細菌，包括梭菌屬、丁酸弧菌屬和真細菌屬等。該類細菌可以在厭氧條件下將多種復(fù)雜有機物水解為可溶性物質(zhì)，并將可溶性有機物發(fā)酵，主要生成乙酸、丙酸、丁酸、H2和CO2，所以也有人稱其為水解發(fā)酵細菌和產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌。,8,1.2.1.1發(fā)酵細菌種類、數(shù)量和營養(yǎng) 發(fā)酵細菌是復(fù)雜的混合菌群、主要包括纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、脂肪分解菌、蛋白質(zhì)分解菌等。1976年曾報道了18個屬的51種。到目前為止，已研究

4、過的就有幾百種，在中溫消化過程中，有梭狀芽孢桿菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真細菌屬、雙歧桿菌屬和螺旋體等屬的細菌；在高溫厭氧消化器中，有梭菌屬和無芽孢的革蘭氏陰性桿菌。在中溫發(fā)酵的水污泥中，每毫升中發(fā)酵細菌的數(shù)量為108109個，而以每克揮發(fā)性固體計算含10101011個。,9,發(fā)酵細菌利用基質(zhì)中存在的碳水化合物作為生長的能源物質(zhì)，有些利用基質(zhì)代謝的中間產(chǎn)物，如乳酸鹽、甘油或碳水化合物的水解產(chǎn)物。有些發(fā)酵細菌利用化合物作為能源表現(xiàn)出多樣性，如溶纖維丁酸弧菌和棲瘤擬桿菌常發(fā)酵糖苷、多糖類和其他許多糖類。少數(shù)發(fā)酵細菌利用氨基酸、多肽作為生長的主要能源。有些發(fā)酵細菌利用化合物具有專一性，如嗜淀粉擬桿

5、菌，僅利用淀粉和淀粉的水解產(chǎn)物、糊精、麥芽糖。,10,1.2.1.2發(fā)酵細菌的功能和生存環(huán)境 發(fā)酵細菌在厭氧消化中起著特別重要的作用。 （1）將大分子不溶性有機物水解成小分子的水溶性有機物，水解作用是在水解酶的催化作用下完成的。水解酶是一種胞外酶，因此水解過程是在細菌表面或周圍介質(zhì)中完成的。發(fā)酵細菌群中僅有一部分細菌種屬具有合成水解酶的功能，而水解產(chǎn)物卻一般可被其他的發(fā)酵細菌群所吸收利用。(細菌之間的協(xié)同作用) （2）發(fā)酵細菌將水解產(chǎn)物吸收進細胞體內(nèi)，經(jīng)細胞內(nèi)復(fù)雜的酶系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化，將一部分供能源使用的有機物轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，滲入細胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反應(yīng)細菌群吸收利用的基質(zhì)（主

6、要是有機酸、醇、酮等）。（細胞外細胞內(nèi) 細胞外）,11,發(fā)酵基質(zhì)的種類對主要發(fā)酵細菌的種群有十分明顯的影響。在富含蛋白質(zhì)的厭氧消化液（如處理奶酪廠廢水的消化池）里，存在著蠟狀芽孢桿菌、環(huán)狀芽孢桿菌、球狀芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、變異微球菌、大腸桿菌、副大腸桿菌以及假單胞菌屬的一些種。在含有纖維素的厭氧消化液中，如處理植物殘體以及食草動物糞便的消化液中，存在蠟狀芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、產(chǎn)糞產(chǎn)堿桿菌、普通變形菌、銅綠色假單胞菌、溶纖維丁酸弧菌、棲瘤胃擬桿菌等。在富含淀粉的厭氧消化液（如處理淀粉廢液、酒精發(fā)酵殘渣等的消化池）中，存在著變異微球菌、尿素微球菌、亮白微球菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌以及假

7、單胞菌屬的某些種。在硫酸鹽含量高的消化液（如處理硫酸鹽制漿黑液的厭氧消化池）里，存在著大量屬于專性厭氧菌的脫硫弧菌屬細菌。在處理生活垃圾和雞場廢棄物的消化池里，屬于兼性厭氧菌的大腸桿菌和鏈球菌將會大量出現(xiàn)。,12,發(fā)酵細菌的世代期短，數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘即可繁殖一代，另外，發(fā)酵細菌大多數(shù)為異養(yǎng)型細菌群，對環(huán)境條件適應(yīng)性特別強。,13,1.2.1.3發(fā)酵細菌的生化反應(yīng) 在厭氧消化過程中，發(fā)酵細菌最主要的基質(zhì)是蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪和纖維素。這些有機物首先在水解酶作用下分解為水溶性的簡單化合物，其中包括單糖、高級脂肪酸、甘油以及氨基酸等。這些水解產(chǎn)物再經(jīng)發(fā)酵細菌的胞內(nèi)代謝，除產(chǎn)生CO2、NH3、H2、H2

8、S等無機物外，主要轉(zhuǎn)化為一系列有機酸和醇類物質(zhì)而排泄到環(huán)境中去。在這些代謝產(chǎn)物中，最多的是乙酸、丙酸、乙醇、丁酸和乳酸等，其次是丙酮、丙醇、丁醇、異丙醇、戊酸、琥珀酸等。,14,一般來說，發(fā)酵細菌利用有機物時，首先在胞內(nèi)將其轉(zhuǎn)化成丙酮酸，然后根據(jù)發(fā)酵細菌的種類和控制環(huán)境條件（如pH值、H2分壓、溫度等）而形成不同的代謝產(chǎn)物?；|(zhì)濃度大的時候，一般都能加快生化反應(yīng)的速率，基質(zhì)組成不同時，有時會影響物質(zhì)的流向，形成不同的代謝產(chǎn)物。 代謝產(chǎn)物的積累一般情況下會阻礙生化反應(yīng)的順利進行，特別是發(fā)酵產(chǎn)物中有H2產(chǎn)生（如丁酸發(fā)酵）而又出現(xiàn)積累時。所以，保持發(fā)酵性細菌與后續(xù)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌和產(chǎn)甲烷菌的平衡和協(xié)

9、同代謝是至關(guān)重要的。,15,1.2.2產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌 1.2.2.1產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的發(fā)現(xiàn)及其重要意義 1916年，俄國學(xué)者奧梅梁斯基（V.L.Omeliansky）分離出第一株不產(chǎn)生孢子、能發(fā)酵乙醇產(chǎn)生甲烷的細菌，稱之為奧氏甲烷桿菌。1940年巴克（ Barker）發(fā)現(xiàn)這種細菌具有芽孢，又改名為奧氏甲烷芽孢桿菌。布賴恩特等人于1967年發(fā)表的論文指出，所謂奧氏甲烷細菌實為兩種細菌的互營聯(lián)合體：一種為能發(fā)酵乙醇產(chǎn)生乙酸和H2、能運動、革蘭氏陰性的厭氧細菌，稱之為S菌株；另一種為能利用H2產(chǎn)生甲烷、不能運動、革蘭染色不定的厭氧桿菌，稱之為M.O.H菌株，亦能利用H2產(chǎn)生甲烷的細菌。,16,它們進行

10、的生化反應(yīng)如下： 2CH3CH2OH2H2O2CH3COOH4H2（S菌株） 4H2HCO3-HCH43H2O （M.O.H 菌株） 在上面的共營生化反應(yīng)里，S菌株分解乙酸產(chǎn)生H2，為M.O.H菌株提供基質(zhì)；而M.O.H菌株利用H2降低了環(huán)境中H2分壓，為S菌株繼續(xù)代謝乙醇提供了必要的熱力學(xué)條件。研究資料表明，當H2分壓大于4.910-4Pa時，S菌株的代謝即受到抑制。,17,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的發(fā)現(xiàn)具有非常重要的意義。 （1）在厭氧消化過程中，第一階段的發(fā)酵產(chǎn)物可供產(chǎn)甲烷菌吸收利用的甲酸、甲醇、甲胺類外，還有許多其他重要的有機代謝產(chǎn)物，如三碳以及三碳以上的直鏈脂肪酸、二碳以及二碳以上的醇、酮和芳

11、香族有機酸等。根據(jù)實際測定和理論分析，這些有機物至少占發(fā)酵基質(zhì)的50以上（以COD計）。它們最終轉(zhuǎn)化成甲烷，這表明還存在著一大批功能和S菌株相似的能為產(chǎn)甲烷菌提供基質(zhì)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌群，也就是說，在有機物的厭氧轉(zhuǎn)化鏈條上，出現(xiàn)了一個新的環(huán)節(jié)或是階段，從而為厭氧消化三階段理論奠定了基礎(chǔ)。,18,（2）以證實奧氏甲烷芽孢桿菌非純種為突破口，隨后又從熱力學(xué)上進一步斷定，以前命名的幾種產(chǎn)甲烷菌，如能將丁酸和乙酸等偶碳脂肪酸氧化成乙酸和甲烷，以及能將戊酸等奇碳脂肪酸氧化成乙酸、丙酸和甲烷的弱氧化甲烷桿菌，能將丙酸氧化成乙酸、CO2和甲烷的丙酸甲烷桿菌均非純種。,19,（3）否定了原以為可作為產(chǎn)甲烷菌基質(zhì)

12、的許多有機物（如丙醇、乙醇、正戊醇 、異丙醇、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸和己酸等），而將產(chǎn)甲烷菌可直接吸收利用的基質(zhì)范圍縮小到僅包括三甲一乙甲酸、甲醇、甲胺類（一甲胺、二甲胺、三甲胺）、乙酸的簡單有機物和以H2/CO2組和的簡單無機物等為數(shù)不多的幾種化學(xué)物質(zhì)。,20,1.2.2.2種間氫轉(zhuǎn)移和互營聯(lián)合 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌為產(chǎn)甲烷菌提供乙酸和H2，促進產(chǎn)甲烷菌的生長。產(chǎn)甲烷菌由于能利用H2而降低生長環(huán)境中的H2分壓，有利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的生長。在厭氧消化過程中，這種在不同生理類群菌種之間H2的產(chǎn)生和利用H2的偶聯(lián)現(xiàn)象稱為種間氫轉(zhuǎn)移。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌只有在耗氫微生物共生的情況下，才能將長鏈脂肪酸降解為乙酸和

13、H2，并獲得能量而生長，這種產(chǎn)氫微生物與耗氫微生物間的共生現(xiàn)象稱為互營聯(lián)合。產(chǎn)甲烷菌純培養(yǎng)的研究表明，發(fā)酵性細菌分解發(fā)酵復(fù)雜有機物時所產(chǎn)生的除甲酸、乙酸及甲醇以外的有機酸和醇類，均不能被產(chǎn)甲烷菌所利用。,21,所以，在自然界除S菌株外，一定還存在著其他種類的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌，將長鏈脂肪酸氧化為乙酸和H2。這種互營聯(lián)合菌種之間所形成的種間氫轉(zhuǎn)移不僅在厭氧生境中普遍存在，而且對于使厭氧生境具有生化活性十分重要，是推動厭氧生境中物質(zhì)循環(huán)尤其是碳素轉(zhuǎn)化的生物力。,22,1.2.2.3產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的分類 （1）降解丁酸鹽的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌 降解丁酸的細菌一直沒有被分離成純培養(yǎng)，邁克爾 (Michael)和

14、Bryant等采用加入耗氫菌的富集分離方法分離純化獲得了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌和產(chǎn)甲烷菌的雙菌培養(yǎng)物。 Michael（1979）首次報道了氧化丁酸鹽的雙菌培養(yǎng)物，用脫硫弧菌G11菌株作為用氫菌與產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌共同培養(yǎng)，以硫酸鹽作為最終電子受體而分離的，命名為沃爾夫互營單胞菌（Syntrophomonas wolfei)(Michael和Bryant,1981) 沃爾夫互營單胞菌是革蘭染色陰性，無芽孢桿菌，菌體（0.51.0)m （2.07.0)m，稍彎，端部稍尖，單生或成對，有時也呈短鏈，在細胞凹陷側(cè)有2 8根鞭毛，緩慢運動。對青霉素敏感。,23,（2）降解丙酸鹽的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌 丙酸在厭氧條件下更

15、難發(fā)生氧化反應(yīng)，硫酸鹽還原菌與丙酸的氧化有關(guān)，脫硫球形菌屬（Desulfolubous)中的一種細菌能在有硫酸鹽的情況下降解丙酸(Michael和Bryant,1980).1980年，Boone和布賴恩特（Bryant） 發(fā)現(xiàn)了一種在丙酸為底物的富集培養(yǎng)物中，并要求脫硫弧菌參與進行種間氫轉(zhuǎn)移才能生長的細菌，他們將其命名為沃林互營桿菌(Syntrophobacter wolinii)。 沃林氏互營桿菌是一株革蘭染色陰性，無芽孢桿菌，單生、成對、短鏈或長鏈，有時為不規(guī)則的絲狀，只有在硫酸鹽的情況下，與利用H2的硫酸鹽還原菌共養(yǎng)生長，只氧化丙酸，不氧化乙酸、丁酸、己酸。在無硫酸鹽條件下，沃林互營桿菌

16、、亨氏甲烷螺菌、脫硫弧菌三菌培養(yǎng)物的陪增時間（161h)約等于含有硫酸鹽的雙菌培養(yǎng)物（87h）的2倍。,24,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸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。涉及到的主要反應(yīng)有： 乙醇：CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2 丙酸：CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2 丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2 上述各個反應(yīng)只有在系統(tǒng)中的乙酸濃度、和氫分壓均很低時才能順利進行。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分屬互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴格厭氧菌或兼性厭氧菌。,25,1.2.3同型產(chǎn)乙酸細菌 1.2.3.

17、1同型產(chǎn)乙酸細菌的代表菌種 同型產(chǎn)乙酸細菌是混合營養(yǎng)型厭氧細菌，既能利用有機基質(zhì)產(chǎn)生乙酸，也能利用H2和CO2產(chǎn)生乙酸，因為同型產(chǎn)乙酸細菌可以利用H2而降低H2分壓，所以對產(chǎn)H2的發(fā)酵性細菌有利；同時對利用乙酸的產(chǎn)甲烷菌也有利。 近20年來已分離到包括4個屬的10多種同型產(chǎn)乙酸細菌，可以利用己糖、戊糖、多元醇、糖醛酸循環(huán)中各種酸、絲氨酸、谷氨酸、3羧基丁酮、乳酸、乙醇等形成乙酸。它們一般不利用二糖或更復(fù)雜的碳水化合物。除少數(shù)種類外，它們能生長于H2/CO2上。,26,1.2.3.2同型產(chǎn)乙酸細菌在厭氧消化器中的作用。 在厭氧消化器中，同型產(chǎn)乙酸細菌的確切作用還不十分清楚，有人認為同型產(chǎn)乙酸細菌

18、能利用H2，因而對消化器中有機物的分解并不重要，由于這些細菌能代謝H2/CO2為乙酸，為食乙酸產(chǎn)甲烷菌提供了生產(chǎn)甲烷的基質(zhì)，又由于代謝H2，使厭氧消化系統(tǒng)中保持低的H2分壓，有利于沼氣發(fā)酵的正常進行。有人估計這些細菌形成的乙酸在中溫消化器中14，在高溫消化器中占34。,27,1.3產(chǎn)甲烷菌及其作用 1.3.1產(chǎn)甲烷菌的分類 對產(chǎn)甲烷菌的研究在很長時間內(nèi)并沒有較大的進展，直到20世紀60年代，亨蓋特 (Hungate)開創(chuàng)了嚴格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)，隨后產(chǎn)甲烷菌的研究才得以廣泛開展。許多研究結(jié)果表明，產(chǎn)甲烷菌在分類學(xué)上屬于古細菌(Archaebacteria)，它們與真細菌的一般特性不同的是細胞壁

19、中沒有肽聚糖，細胞中也不含有細胞色素C，而含有其它真細菌所沒有的酶系統(tǒng)。,28,細菌與真核生物的細胞膜骨架均由經(jīng)酯鏈連接到丙三醇上的脂肪酸組成，而古細菌磷脂由經(jīng)醚鏈連接的分子組成。細菌細胞膜脂肪酸是直鏈的，而古細菌細胞膜磷脂是長鏈、支鏈烴類化合物。古細菌與細菌之間的區(qū)別還表現(xiàn)在RNA聚合物上。細菌的RNA聚合酶只有一種類型，具有簡單的四級結(jié)構(gòu)；而古細菌的RNA聚合酶有幾種類型，而且結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。產(chǎn)甲烷菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行。,29,一般可以簡單地將其分為兩大類，即乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌；一般來說，自然界中乙酸

20、營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，主要只有產(chǎn)甲烷八疊球菌(Methanosarcina)和產(chǎn)甲烷絲狀菌(Methanothrix)兩大類，但在厭氧反應(yīng)器中，這兩種細菌的數(shù)量一般較多，而且有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其進行分類，目前最新的Bergys細菌手冊第九版中將產(chǎn)甲烷菌共分為：三目、七科、十九屬、65種。,30,產(chǎn)甲烷菌具有各種不同的形態(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。前已述及，在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌(Methanogens)屬于古細菌(Archaebacteria)、大小、外觀上與普通細菌即真細菌(Eubact

21、eria)相似，但實際上，其細胞成分特別是細胞壁的結(jié)構(gòu)和酶系統(tǒng)較特殊。產(chǎn)甲烷菌在自然界中的分布，一般認為它們常棲息于一些極端環(huán)境中(如地熱泉水、深海火山口、沉積物等)，但實際上其分布極為廣泛，如污泥、反芻動物的瘤胃、昆蟲腸道、濕的樹木、厭氧反應(yīng)器等。產(chǎn)甲烷菌都是極嚴格的厭氧細菌，一般要求其生境中的氧化還原電位為-150400mV，氧和其它任何氧化劑都對其具有極強的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖的世代時間很長，可長達46天甚至更長，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟。(所以水解酸化池可小，而完全的厭氧處理池則大）,31,1.3.2產(chǎn)甲烷菌的生理學(xué)特征： （1）碳源：產(chǎn)甲烷菌只

22、能利用簡單的碳水化合物，常見的基質(zhì)包括H2/CO2、甲酸、乙酸、甲醇、甲胺類等。 （2）氮源：產(chǎn)甲烷菌均能利用氨態(tài)氮為氮源，氮對氨基酸的利用能力較差。 （3）生長因子：有些產(chǎn)甲烷菌必需某些維生素類尤其是乙族維生素物質(zhì)，或者維生素能夠刺激它的生長。 （4）微量元素：所有產(chǎn)甲烷菌的生長都需要鎳、鈷和鐵，培養(yǎng)基中15molL的鎳能滿足其生長，鎳的吸收率為1780g/g細胞干重，鎳是產(chǎn)甲烷菌中F430和氫酶的一種重要成分；鈷的吸收率為17120g/g細胞干重，對鐵的需要量較大，吸收率也較高，為1 3mg/g細胞干重。,32,1.4產(chǎn)甲烷菌與不產(chǎn)甲烷菌的相互作用 在厭氧條件下，由于缺乏外源電子受體？，各

23、種微生物只能以內(nèi)源電子受體進行有機物的降解。因此，如果一種微生物的發(fā)酵產(chǎn)物或脫下的H2，不能被另一種微生物所利用，則其代謝作用無法持續(xù)進行。無論在自然界還是在消化器內(nèi)，產(chǎn)甲烷菌都是有機物厭氧降解食物鏈的最后一個成員，其所能利用的基質(zhì)只有少數(shù)幾種C1、C2化合物，所以必須要求不產(chǎn)甲烷菌將復(fù)雜有機物分解為簡單化合物。在厭氧處理系統(tǒng)中，產(chǎn)甲烷菌與不產(chǎn)甲烷菌相互依賴，互為對方創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件，構(gòu)成互生關(guān)系；同時，雙方又互為制約，在厭氧生物處理系統(tǒng)中處于平衡狀態(tài)。,33,（1）不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供生長和產(chǎn)甲烷菌所必需的基質(zhì)。不產(chǎn)甲烷菌可以通過其生命活動為產(chǎn)甲烷菌提供合成細胞物質(zhì)和產(chǎn)甲烷所需的碳前

24、體、電子供體、氫供體和氮源。不產(chǎn)甲烷菌中的發(fā)酵細菌可以把各種復(fù)雜的有機物，如高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等進行發(fā)酵，生產(chǎn)游離氫、CO2、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)乙酸細菌轉(zhuǎn)化為H2、CO2和乙酸。這樣，不產(chǎn)甲烷菌就為產(chǎn)甲烷菌提供了生長繁殖的底物。,34,（2）不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位條件。產(chǎn)甲烷菌是嚴格的專性厭氧菌，在有氧的情況下，產(chǎn)甲烷菌就會受到抑制不能生長繁殖。但是在厭氧反應(yīng)器運轉(zhuǎn)過程中，由于加料過程難免使空氣進入裝置，有時液體原料里也含有微量溶解氧，這顯然對產(chǎn)甲烷菌是非常不利的。厭氧反應(yīng)器內(nèi)的不產(chǎn)甲烷菌類群中的那些

25、兼性厭氧或兼性好氧微生物的活動，可以將氧消除掉，從而降低反應(yīng)器中的氧化還原電位。另外，通過厭氧裝置中各種厭氧微生物有序的生長和代謝活動，使消化液的氧化還原電位逐漸下降，最終為產(chǎn)甲烷菌的生長創(chuàng)造適宜的氧化還原電位條件。,35,（3）不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌消除了有毒物質(zhì)。產(chǎn)甲烷菌對一些毒性物質(zhì)特別敏感，尤其是一些工業(yè)廢水或廢物中常含有一些能使產(chǎn)甲烷菌中毒的物質(zhì)，如苯酚、氰化物、長鏈脂肪酸和重金屬離子等，但是在厭氧反應(yīng)器中，不產(chǎn)甲烷菌有很多種類能裂解苯環(huán)、降解氰化物，這不僅解除了它們對產(chǎn)甲烷菌的毒害，并且同時給產(chǎn)甲烷菌提供了底物，此外不產(chǎn)甲烷菌的代謝產(chǎn)物H2S，還可以和一些重金屬離子發(fā)生作用，生成不溶

26、性金屬硫化物沉淀，從而解除了一些重金屬的毒害作用。,36,（4）產(chǎn)甲烷菌為不產(chǎn)甲烷菌的生化反應(yīng)解除了反饋抑制。不產(chǎn)甲烷菌的發(fā)酵產(chǎn)物，可以抑制其本身的生命活動。例如產(chǎn)酸細菌在產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生大量H2，H2的積累必然抑制產(chǎn)氫過程進行。但是在運行正常的消化反應(yīng)器中，產(chǎn)甲烷菌能連續(xù)利用由不產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的H2、乙酸、CO2等生成CH4，不會由于H2和酸的積累而產(chǎn)生反饋抑制作用，使不產(chǎn)甲烷菌的代謝能夠正常進行。,37,（5）產(chǎn)甲烷菌和不產(chǎn)甲烷菌共同維持環(huán)境中的適宜pH值。厭氧反應(yīng)器中不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌的連續(xù)配合對穩(wěn)定反應(yīng)器中的pH值也是非常重要的。在沼氣發(fā)酵初期，不產(chǎn)甲烷菌首先降解廢水中的有機物質(zhì)，產(chǎn)生大

27、量的有機酸和碳酸鹽，使發(fā)酵液中的pH明顯下降，同時不產(chǎn)甲烷菌中的氨化細菌，能迅速分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨。氨可以中和部分酸，起到一定的緩沖作用。另一方面，產(chǎn)甲烷菌可以利用乙酸、H2和CO2形成甲烷，從而避免了酸的積累，使pH值穩(wěn)定在一個適宜的范圍，不會使發(fā)酵液中的pH值達到對產(chǎn)甲烷過程不利的程度。,38,2 廢水厭氧生物處理的生物化學(xué)原理,39,隨著世界能源的日益短缺和廢水污染負荷及廢水中污染物種類的日趨復(fù)雜化，廢水厭氧生物處理技術(shù)以其投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負荷高、產(chǎn)泥少、耐沖擊負荷等諸多優(yōu)點而再次受到環(huán)保界人士的重視。,40,2.1厭氧反應(yīng)四個階段 一般來說，廢水中復(fù)雜有機物物料比較多

28、，通過厭氧分解分四個階段加以降解： （1）水解階段：高分子有機物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中典型的有機物質(zhì)比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細胞壁進入到細胞的體內(nèi)進行下一步的分解。,41,水解反應(yīng)針對不同的廢水類型差別很大，這要取決于胞外酶能否有效的接觸到底物。因此，大的顆粒比小顆粒底物要難降解很多，比如造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質(zhì)素、大分子纖維素就很難水解。 水解速度的可由以下動力學(xué)方程加以描述： =o/(1+Kh.T) 可降解

29、的非溶解性底物濃度（g/l）； o非溶解性底物的初始濃度（g/l）； Kh水解常數(shù)（d1）； T停留時間（d）。,42,一般來說，影響Kh（水解常數(shù)）的因素很多，很難確定一個特定的方程來求解Kh，但我們可以根據(jù)一些特定條件的Kh，反推導(dǎo)出水解反應(yīng)器的容積和最佳反應(yīng)條件。在實際工程實施中，有條件的話，最好針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作。通過對國內(nèi)外一些報道的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個時候，可以不考慮厭氧處理方式。對于生活污水來說，在溫度15的情況下，Kh0.2左右。但在水解階段我們不需要過多的COD去除效果，而且在一個反應(yīng)器中你很難嚴格的把厭氧反應(yīng)的幾個階段

30、區(qū)分開來，一旦停留時間過長，對工程的經(jīng)濟性就不太實用。如果就單獨的水解反應(yīng)針對生活污水來說，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。,43,把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動力學(xué)方程(=o/(1+Kh.T)中，可以得到停留水解停留時間： T=13.44h 這對于水解和后續(xù)階段處于一個反應(yīng)器中厭氧處理單元來說是一個很短的時間，在實際工程中也完全可以實現(xiàn)。如果有條件的地方我們可以適當提高廢水的反應(yīng)溫度，這樣反應(yīng)時間還會大大縮短。而且一般對于城市污水來說，長的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當廢水流到廢水處理場時，這個過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒有看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反應(yīng)的

31、限速報道。,44,（2）酸化階段：上述的小分子有機物進入到細胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生。 酸化在進行過程中，厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群決定了酸化的末端產(chǎn)物的組成。底物不同，末端產(chǎn)物就會存在很大的差別。比如，蛋白質(zhì)水解反應(yīng)生產(chǎn)氨基酸，其酸化底物為氨基酸；而纖維素和淀粉類有機物水解反應(yīng)就生成糖類分子，說明在不同情況下酸化底物的差異導(dǎo)致酸化末端產(chǎn)物的不同。,45,具體來說，以糖為底物，酸化產(chǎn)物主要為丁酸、乙酸、丙酸等，CO2和H2則為酸化的附屬產(chǎn)物。而以氨

32、基酸為底物，酸化主要產(chǎn)物與以糖為底物時基本相同，但不同的是，附屬產(chǎn)物除了CO2和H2外，還有NH3和H2S。若在反應(yīng)過程中同時也存在產(chǎn)甲烷菌，那么其中的H2 又能相當有效地被產(chǎn)甲烷菌利用。另外，H2也可以被能利用H2的硫酸鹽還原菌或脫氮菌所利用。,46,酸化過程的底物取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對于一個穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)器來說，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應(yīng)的最主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。,47,在這個階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反應(yīng)是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA過高會使廢水的pH下降，逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進行，使產(chǎn)氣量減小，同時整個反應(yīng)

33、的自然堿度也會較少，系統(tǒng)平衡pH的能力減弱，整個反應(yīng)會形成惡性循環(huán)，使得整個反應(yīng)器最終失敗。氨氮它起到一個平衡的作用，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水pH具有更大的緩沖能力，同時又給生物體合成自生生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)，但過高的氨氮會給微生物帶來毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來的，典型的生活污水中含有20-50mg/l左右的氨氮，這個范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。,48,另外一個重要指標就是廢水中氫氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例： CH3(CH2)15COO-+14H2O 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H+14H2 脂肪酸的降解都會產(chǎn)生大量的氫氣，如果要使上述

34、反應(yīng)得以正常進行，必須在下一反應(yīng)中消耗掉足夠的氫氣，來維持這一反應(yīng)的平衡。如果廢水的氫氣指標過高，表明廢水的產(chǎn)甲烷反應(yīng)已經(jīng)受到嚴重抑制，需要進行修復(fù)，一般來說氫氣濃度升高是伴隨pH指標降低的，所以不難監(jiān)測到廢水中氫氣的變化情況，但廢水本身有一定的緩沖能力，所以完全通過pH下降來判斷氫氣濃度的變化有一定的滯后性，所以通過監(jiān)測廢水中氫氣濃度的變化是對整個反應(yīng)器反應(yīng)狀態(tài)一個最快捷的表現(xiàn)形式。,49,發(fā)酵細菌要想產(chǎn)生更多的供其氧化并從中獲得能量的中間產(chǎn)物，去除氫是一個很好的途徑。大多數(shù)發(fā)酵細菌也可通過兩個途徑利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的質(zhì)子：一是使用自身的代謝產(chǎn)物，例如形成乙醇；二是在氫化酶作用下把質(zhì)子轉(zhuǎn)化為

35、H2，2H+2e-H2。這種氫化酶反應(yīng)，其酸化過程的產(chǎn)物幾乎只有乙酸。,50,酸化過程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細菌來完成的，在這些細菌中大部分是專性厭氧菌，只有1是兼性厭氧菌，但正是這1的兼性菌在反應(yīng)器受到氧氣的沖擊時，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時也保護了產(chǎn)甲烷菌的運行條件。,51,（3）產(chǎn)乙酸階段： 末端產(chǎn)物是乙酸。在發(fā)酵酸化反應(yīng)階段，由于底物結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的差別，經(jīng)過反應(yīng)之后末端產(chǎn)物是不同的。發(fā)酵酸化已經(jīng)有部分乙酸生成，但還會伴有其他物質(zhì)，如丁酸、乳酸等。乙酸菌具有將它們進一步轉(zhuǎn)化成乙酸、H2和CO2的功能。因為完全厭氧反應(yīng)的產(chǎn)甲烷過程只能利用一種底物，就是乙酸。,5

36、2,乙醇、丁酸和丙酸在形成乙酸的反應(yīng)過程中要求反應(yīng)器中H2的分壓很低，否則反應(yīng)無法進行，產(chǎn)甲烷反應(yīng)是消耗氫的反應(yīng)，所以能否高效進行產(chǎn)乙酸反應(yīng)，可以利用高效產(chǎn)甲烷反應(yīng)來保證。 有研究測算，產(chǎn)酸過程中所產(chǎn)生的氫從產(chǎn)生到被消耗平均移動距離為0.1mm，這個距離恰恰在絮體污泥或顆粒污泥的范圍之內(nèi)，這表明在污泥中，特別是厭氧的顆粒污泥中形成了一個良好的微生態(tài)系統(tǒng)。即產(chǎn)乙酸菌會靠近可以消耗氫的細菌生長，而需要利用氫的細菌就會靠近產(chǎn)生氫的產(chǎn)酸菌和產(chǎn)乙酸菌生長，這樣就形成了一種互利共生的生態(tài)關(guān)系。,53,如果每個聚集的細菌群體內(nèi)都包含有嗜氫菌和產(chǎn)氫菌（即產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫菌），且兩類細菌能夠在氫的產(chǎn)生和利用上達到

37、平衡，那么氫的傳遞效率就可以大大地提高。一個細菌的聚集體內(nèi)細菌之間的距離只有分散時間距的幾十分之一到幾百分之一，所以氫的傳遞速率可以獲得幾十倍甚至幾百倍的提高。這就是顆粒污泥的凈化效率和污染負荷可以大大提高的理論依據(jù)。,54,（4）產(chǎn)甲烷反應(yīng)階段 有機物厭氧消化經(jīng)過一些列反應(yīng)后，最后一個反應(yīng)階段就是由產(chǎn)甲烷菌主導(dǎo)反應(yīng)進行的產(chǎn)甲烷反應(yīng)階段。有機物厭氧降解食物鏈的最后一類微生物就是產(chǎn)甲烷菌，它們在自然界碳循環(huán)厭氧生物鏈中處于末端的位置。產(chǎn)甲烷菌可以利用甲醇和甲基胺質(zhì)以及利用乙酸形成甲烷。H2和CO2也是大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌可利用的底物，氧化氫將二氧化碳還原為甲烷。,55,在厭氧反應(yīng)中，大約有70左右的甲

38、烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個階段中遵循莫諾方程反應(yīng)的階段。 另一類產(chǎn)生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大約占30左右。其中約有一半的嗜氫細菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。最主要的產(chǎn)甲烷過程反應(yīng)有： CH3COO-+H2OCH4+HCO3- G0=-31.0KJ/MOL HCO3-+H+4H2CH4+3H2O G0=-135.6KJ/MOL 4CH3OH3CH4+CO2+2H2O G0=-312KJ/MOL 4HCOO-+2H+CH4+CO2+2HCO3- G0=-32.9KJ/MOL,56,上述四個階段中，有人認為第二個階段和第三個階段可以分為一個階段，在這兩個階段的反應(yīng)是

39、在同一類細菌體類完成的。前三個階段的反應(yīng)速度很快，如果用莫諾方程來模擬前三個階段的反應(yīng)速率的話，,式中的Ks（半速率常數(shù)）可以在50mg/l以下，可以達到5KgCOD/KgMLSS.d。,57,而第四個反應(yīng)階段通常很慢，同時也是最為重要的反應(yīng)過程，在前面幾個階段中，廢水的中污染物質(zhì)只是形態(tài)上發(fā)生變化，COD幾乎沒有什么去除，只是在第四個階段中污染物質(zhì)變成甲烷等氣體，使廢水中COD大幅度下降。同時在第四個階段產(chǎn)生大量的堿度這與前三個階段產(chǎn)生的有機酸相平衡，維持廢水中的pH穩(wěn)定，保證反應(yīng)的連續(xù)進行。,58,2.2厭氧生物處理的特點 2.2.1厭氧生物處理的優(yōu)點 厭氧生物處理與好氧生物處理相比具有許

40、多優(yōu)點： （1）厭氧生物處理減少了有機物的污染。避免了能引起水體富營養(yǎng)化的瀝出液的污染；避免了對動物、土壤產(chǎn)生惡性循環(huán)的病原體的污染；避免了影響周圍環(huán)境的臭氣和蠅類的繁殖。 （2）廢水處理工藝中，厭氧消化工藝比傳統(tǒng)的好氧工藝產(chǎn)生的污泥量少，并且剩余污泥脫水性能好，濃縮時可以不使用脫水劑。因為厭氧微生物生長緩慢，因此處理同類數(shù)量的廢水僅產(chǎn)生相當于好氧處理1/101/6的剩余污泥。,59,（3）厭氧生物處理工藝的副產(chǎn)品之一是清潔能源沼氣，與傳統(tǒng)的管道煤氣和天然氣相比：沼氣具有較高熱值，可作為管道煤氣或汽車的燃料；沼氣燃燒后釋放的碳氫化合物較少，可減少對大氣環(huán)境的污染。 （4）厭氧生物處理能夠提高廢

41、水中營養(yǎng)成分的可利用率，將不易吸收的有機氮轉(zhuǎn)化成氨或硝酸鹽。 （5）厭氧生物處理的副產(chǎn)品土壤改良劑，可以極大地改善土壤的持水率、土壤的透氣性，這對半干旱地區(qū)具有重要的意義。,60,（6）厭氧生物處理對營養(yǎng)物質(zhì)的需求量小。有機廢水一般含有一定量的氮、磷以及多種微量元素，所以厭氧方法可以不添加或少添加營養(yǎng)物質(zhì)。 （7）厭氧生物處理可以處理高濃度的有機廢水。當廢水濃度過高時，不需要大量的稀釋水。 （8）厭氧生物處理可以節(jié)省動力消耗。在厭氧生物處理過程中，由于細菌分解有機物是營無分子氧呼吸，所以不必給系統(tǒng)提供氧氣，這樣就節(jié)省了設(shè)備所消耗的電能，可以同時獲得經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。,61,2.2.2厭氧生物

42、處理的缺點 （1）厭氧生物處理啟動時間較長。由于厭氧微生物的世代期長，增長速率較低，污泥增長緩慢，因此厭氧反應(yīng)器的啟動時間較長，一般啟動期長達3-6個月，甚至更長。 （2）厭氧生物處理后的廢水不能達到排放標準。厭氧法雖然負荷高，去除有機物的絕對量和進液濃度高，但是其出水COD濃度高于好氧處理，去除有機物不夠徹底，因此一般單獨采用厭氧生物處理不能達到排放標準，必須把厭氧處理與好氧處理結(jié)合起來使用。,62,（3）厭氧微生物對有毒物質(zhì)較為敏感，因此，如果對有毒廢水性質(zhì)了解不足或者操作不當，可能會導(dǎo)致反應(yīng)器運行條件的惡化。但隨著人們對厭氧微生物研究的不斷深入，這一問題將得到解決。（如何解決？） （4）

43、厭氧生物處理可能造成二次污染。一般廢水都含有硫酸鹽，在厭氧條件下會產(chǎn)生硫酸鹽還原作用而釋放出硫化氫等氣體。硫化氫氣體是一種有毒和惡臭的氣體，如果反應(yīng)器不能完全密閉，就會散發(fā)出臭氣，引起二次污染。因此厭氧處理系統(tǒng)的各處理構(gòu)筑物應(yīng)盡可能做成密閉，以防臭氣散發(fā)。,63,3、影響厭氧生物處理的環(huán)境因素 3.1厭氧微生物處理的酸堿平衡及pH值調(diào)控 厭氧處理的這個pH值范圍是指反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)區(qū)的pH值，而不是進水的pH值。(原因?),64,3.1.1厭氧微生物適應(yīng)的PH值 pH范圍：厭氧處理中，水解菌與產(chǎn)酸菌對pH有較大的適應(yīng)性，大多數(shù)這類菌在pH為5. 08. 5范圍生長良好，一些產(chǎn)酸菌在pH小于5. 0

44、時仍可生長。但通常對pH敏感的甲烷菌適宜生長的pH為6. 57. 8，這也是通常情況下厭氧處理所控制的pH范圍。,65,pH值影響酶活力的原因（1）過酸或過堿會影響酶蛋白的構(gòu)相，甚至使酶變性而失活；（2）當pH變化不是很劇烈時，酶雖不變性，但活力受影響；（3）pH影響分子中另一些基團的解離，這些基團的離子化狀態(tài)與酶的專一性及酶分子的活性中心有關(guān)。,66,將反應(yīng)器內(nèi)的pH維持在使產(chǎn)甲烷菌保證較好活性的范圍是非常重要的，否則反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)酸的能力就會超過酸消耗的能力，從而不可避免的引起整個反應(yīng)系統(tǒng)的“酸化”。實際上，厭氧系統(tǒng)中的pH值會受到多種因素的影響，如：進水的pH值、進水水質(zhì)(有機物濃度、有機物

45、種類等)、反應(yīng)器中所發(fā)生的生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等。,67,就一般工程控制的角度來說：厭氧系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加(累積)，將會導(dǎo)致系統(tǒng)的pH值下降。而產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會產(chǎn)生致堿物質(zhì)如HC03-等，而使系統(tǒng)的pH值回升。堿度是厭氧消化中一個至關(guān)重要的影響因素，保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，以維持合適的pH值。,68,不同廢水類型對pH值的影響：對pH值影響最大的因素是酸的形成，特別是乙酸的形成。因此含有大量溶解性碳水化合物（如糖、淀粉）的廢水進入反應(yīng)器后pH值將迅速降低，而已經(jīng)酸化的廢水進入反應(yīng)器后pH值將上升。對于含大量蛋白質(zhì)或氨基酸的廢水，由于氨的

46、形成，pH值會略有上升。對不同特性的廢水，可選擇不同的進液pH值。,69,3.1.2厭氧微生物處理的緩沖體系 影響pH值波動的化學(xué)物質(zhì)：VFA和CO2 厭氧消化體系中主要的共扼酸堿有：H2CO3HCO3-、HCO3-CO32-、H2SHS-、HS-S2-、HACH+、NH4NH3等。,70,71,3.2溫度對厭氧生物處理的影響 3.2.1溫度對厭氧微生物的影響 影響：溫度主要是通過對厭氧微生物體內(nèi)某些酶活性的影響而對微生物的生長速率和微生物對基質(zhì)的代謝速率，因而會影響到廢水厭氧生物處理工藝中污泥的產(chǎn)生量和有機物的去除速率；溫度還影響有機物在生化反應(yīng)中的流向和某些中間產(chǎn)物的形成，因而與沼氣的產(chǎn)量

47、和成分等有關(guān)；溫度還可能影響污泥的成分與性狀；溫度也影響到微生物所在環(huán)境的理化性質(zhì)，液體的粘度隨溫度的降低而變大，這使得有機物在廢水中的擴散及顆粒沉降緩慢；氣體的溶解度也隨溫度的降低而變大。,72,如溶解氧更有利于兼性菌生長，抑制厭氧菌的繁殖；CO2過多會使pH值降低，有可能導(dǎo)致酸化；CH4在水中的溶解量增大，影響出水質(zhì)量；H2的積累會使丙酸鹽的降解受抑制，導(dǎo)致出水VFA和COD變高；NH3和H2S的溶解量增大會對微生物產(chǎn)生更大的毒性?？梢?，加強攪拌作用有助于厭氧處理。,73,適宜的溫度范圍：厭氧細菌可分為嗜冷菌(生長溫度20 ) ,嗜溫菌(生長溫度3035 ),嗜熱菌(生長溫度5055 )。

48、相應(yīng)地，厭氧污水處理也分為低溫、中溫和高溫三類。高溫厭氧工藝較中溫厭氧工藝、中溫厭氧工藝較低溫厭氧工藝反應(yīng)速度要快得多，其相應(yīng)的污泥活性和反應(yīng)器負荷也高得多。例如：在550C用UASB反應(yīng)器處理乙酸廢水，其污泥負荷高達4. 67.3kgCOD/(kgVSSd)，反應(yīng)器容積負荷高達147kgCOD/(m3d)。在30 用UASB反應(yīng)器處理乙酸廢水，其污泥負荷為2. 22. 4kgCOD/ (kgVSSd)。在1025 變化時，負荷較低。,74,新型厭氧污水處理裝置特點以提高反應(yīng)器中的污泥濃度(即酶濃度)為宗旨，從而促進反應(yīng)速度。賀延齡用UASB反應(yīng)器處理低濃度的城市污水，溫度15290C, HR

49、T為6h, COD去除率在73%左右。,75,3.2.2溫度對厭氧反應(yīng)過程中動力學(xué)參數(shù)的影響 從反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，溫度主要影響厭氧消化過程的兩個參數(shù)，即最大比基質(zhì)去除速率k和半飽和常數(shù)Ks。如果由于溫度的不同導(dǎo)致k的變化，會影響整個厭氧反應(yīng)系統(tǒng)對進水中有機物的處理速率。同樣，由于半飽和常數(shù)的倒數(shù)1Ks，所表示的是微生物對基質(zhì)的親和力，該值越大或是半飽和常數(shù)越小，就說明這種基質(zhì)對于這種微生物來說越容易降解；反之，則表示這種基質(zhì)較難降解，因此，如果溫度的變化對Ks值產(chǎn)生影響，就必然會影響厭氧微生物對相應(yīng)基質(zhì)的降解。,76,3.2.3溫度突變對厭氧消化的影響 厭氧微生物在每一個溫度區(qū)間，隨溫度上

50、升，生長速率逐漸上升并達到最大值，相應(yīng)的溫度為細菌的最適生長溫度，過此溫度后細菌生長速率迅速下降。在每個區(qū)間的上限，將導(dǎo)致細菌死亡，如果溫度過高或持續(xù)時間足夠長，當溫度恢復(fù)后，細菌（或污泥）的活性也不能恢復(fù)。而當溫度下降并低于溫度范圍的下限，從整體上講，細菌不會死亡，而只是逐漸停止或減弱其代謝活動，菌中處于休眠狀態(tài)，其生命力可維持相當長時間。,77,厭氧微生物對反應(yīng)器溫度的突變十分敏感。將溫度從35突然降至15，并持續(xù)15min后再升溫至35，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度突降時，反應(yīng)器的產(chǎn)氣量會立即下降；當溫度恢復(fù)到35后，產(chǎn)氣量也迅速得到恢復(fù)，但略低于降溫前?？梢娚锘钚缘幕謴?fù)需要一個過程，產(chǎn)氣量的恢復(fù)滯

51、后于溫度的恢復(fù)。 另外，對于厭氧微生物來說，降溫幅度愈大低溫持續(xù)時間愈長，產(chǎn)氣量的下降就更嚴重，升溫后產(chǎn)氣量的恢復(fù)愈困難，也就是恢復(fù)微生物活性愈困難。 厭氧消化對溫度的敏感程度隨負荷的增加而增加。當反應(yīng)器在較高負荷下運行時，應(yīng)特別注意控制溫度，在較低負荷下運行時，溫度對運行效果的影響有時并不是十分嚴重。,78,3.2.4厭氧消化反應(yīng)溫度的選擇與控制 選擇厭氧反應(yīng)器溫度需考慮的因素：處理效果和能源的消耗 高溫消化所能達到的處理負荷高，自身產(chǎn)能也高，處理效果好，但為維持較高的反應(yīng)器溫度需要消耗大量的能量，因此，只有在廢水溫度較高（如4870）或者是有大量廢熱可以利用的條件下才宜選用。高溫厭氧消化對

52、廢水中的致病菌的殺滅效果更好，所以對于某些小水量但必須進行嚴格消毒才允許排放的廢水或污泥，為了實行高溫消毒，也可采用高溫消化工藝處理。一般情況下，正在運行的厭氧消化工藝都是在中溫條件下運行，這樣既可以獲得較穩(wěn)定、高效的處理效果，也可節(jié)能。,79,3.3厭氧消化過程中的營養(yǎng)物質(zhì)與微量元素 （1）碳源：產(chǎn)甲烷菌只能利用簡單的碳水化合物，常見的基質(zhì)包括H2/CO2、甲酸、乙酸、甲醇、甲胺類等。 （2）氮源：產(chǎn)甲烷菌均能利用氨態(tài)氮為氮源，氮對氨基酸的利用能力較差。 （3）生長因子：有些產(chǎn)甲烷菌必需某些維生素類尤其是乙族維生素物質(zhì)，或者維生素能夠刺激它的生長。 （4）微量元素：所有產(chǎn)甲烷菌的生長都需要鎳

53、、鈷和鐵，培養(yǎng)基中15molL的鎳能滿足其生長，鎳的吸收率為1780g/g細胞干重，鎳是產(chǎn)甲烷菌中F430和氫酶的一種重要成分；鈷的吸收率為17120g/g細胞干重，對鐵的需要量較大，吸收率也較高，為1 3mg/g細胞干重。,80,3.4厭氧消化過程中的抑制物質(zhì) 3.4.1無機抑制物質(zhì) （1）重金屬離子的毒性 重金屬離子對厭氧微生物的抑制作用是非常明顯的,但厭氧微生物對重金屬離子有適應(yīng)性。日本的松田和野池采用間歇及半連續(xù)方式,就Cu2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+、Cr6+對城市污泥厭氧消化的影響進行了試驗研究,結(jié)果表明:在間歇投料試驗中,由于微生物初次接觸這些毒物,即使是很低的濃度也有危害

54、性;在連續(xù)投料試驗中,由于馴化作用,微生物對這些毒物的忍耐力提高,即使在較高的濃度下也影響不大。這幾種金屬離子毒性大小順序為:Cr6+Cd2+Cu2+Zn2+Ni2+。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心的研究結(jié)果表明:Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+共同存在時比一種離子單獨存在時的毒性大。,81,（2）NH3的毒性 NH4+及蛋白質(zhì)含量高的工業(yè)廢水中存在著NH3的毒性問題。NH3比NH4+毒性大得多。NH3的離子化與系統(tǒng)的pH及溫度有關(guān)。Angelidaki和Ahring報道,當系統(tǒng)中NH4+-N濃度較高時,降低系統(tǒng)溫度到55以下,氣體產(chǎn)率上升（？）,出水VFA(揮發(fā)性脂肪酸)濃度降低,系統(tǒng)穩(wěn)定。降

55、低溫度,會改變NH4+的電離平衡,降低NH3的濃度,從而降低出水的VFA濃度。Angelidaki和Ahringh又報道,當系統(tǒng)溫度由55降到40時,乙酸鹽的質(zhì)量濃度由2400mg/L降到900mg/L,丙酸鹽質(zhì)量濃度先由1800mg/L提高到3700mg/L,最后降到790mg/L。系統(tǒng)溫度由55上升到60,氣體產(chǎn)率降低。,82,Speece和Parkin報道,當系統(tǒng)中NH4+-N的質(zhì)量濃度為10000mg/L時,甲烷產(chǎn)氣率迅速降為0,看起來好象細菌已死亡,但經(jīng)歷10d幾乎不產(chǎn)氣后,從第11d開始恢復(fù)產(chǎn)氣,產(chǎn)氣5d之后氣體產(chǎn)率迅速恢復(fù)到原來的70%。這表明NH3不是殺菌的,而是抑菌的。,83

56、,（3）硫化物的毒性 厭氧消化過程中存在的硫化物,一般有硫酸鹽、亞硫酸鹽和其他硫化物。硫化物的毒性主要是由未離解的H2S所引起的。一些廢水中可能不含有H2S,但其他硫化物在厭氧條件下極易被轉(zhuǎn)化為H2S。亞硫酸鹽是比H2S毒性更大的物質(zhì),它也能轉(zhuǎn)化為H2S或其他硫化物。SO32-抑制產(chǎn)甲烷菌活性的質(zhì)量濃度為150200mg/L,污泥經(jīng)馴化后可以減少這種抑制。SO42-本身無毒,但由它所引起的問題有兩方面,一是它轉(zhuǎn)化為有毒的H2S,二是它帶有的高濃度的陽離子可能有毒。,84,3.4.2有機抑制性物質(zhì) （1）硝化物的毒性 在厭氧條件下往系統(tǒng)中加入乙醇,能將2,4-二硝基甲苯轉(zhuǎn)化為2,4-胺基甲苯,但

57、不能進一步降解。如繼續(xù)進行好氧處理,則能將2,4-二胺基甲苯完全無機化。 （2）抗生素的毒性 據(jù)報道,四環(huán)素、紅霉素質(zhì)量濃度分別為225mg/L、50mg/L時,不會對甲烷菌產(chǎn)生抑制;痢特靈質(zhì)量濃度為150mg/L時,在間歇或半連續(xù)反應(yīng)器中運行時,對甲烷菌活性的最大抑制程度(考察系統(tǒng)生物活性與對照系統(tǒng)生物活性之差/時照系統(tǒng)生物活性)為10%。氯霉素對甲烷菌會產(chǎn)生強烈抑制,經(jīng)過很長時間馴化后,甲烷產(chǎn)量也只能達到原來的5%。這表明甲烷菌是不能對氯霉素產(chǎn)生馴化的。Speece報道,青霉素質(zhì)量濃度低于10mg/L時,不會對利用乙酸的甲烷菌產(chǎn)生抑制。,85,（3）氰化物和氯仿的毒性 Yang研究了氰化物

58、和氯仿對利用乙酸的甲烷菌的毒性,試驗結(jié)果表明,氰化物和氯仿的濃度不同抑制期也不同,濃度越高抑制期越長,而且氯仿的抑制期比氰化物長。產(chǎn)氣率的很快恢復(fù)表明,在長時間的抑制期中甲烷菌沒有死亡,而是代謝受到抑制。因細菌生長需要100多天,但試驗中發(fā)現(xiàn),開始產(chǎn)氣后產(chǎn)氣率恢復(fù)僅需10d左右。甲烷菌能適應(yīng)氯仿和氰化物。試驗中發(fā)現(xiàn),初次接觸某一濃度的氯仿或氰化物時,產(chǎn)氣量迅速下降,反應(yīng)器中連續(xù)幾天不加入氯仿或氰化物,然后再加入與上述同樣濃度的氯仿或氰化物,產(chǎn)氣量基本沒變化。共基質(zhì)的加入能夠使產(chǎn)氣率恢復(fù)得更快。加入質(zhì)量濃度為5mg/L的氰化物,17d基本不產(chǎn)氣,再加入質(zhì)量濃度為180mg/L的硫代硫酸鹽,4d后

59、開始產(chǎn)氣。,86,（4）芳香族化合物的毒性 Golden等人分析了芳香族化合物對甲烷菌的影響,發(fā)現(xiàn)利用乙酸的甲烷菌比利用H2/CO2的甲烷菌更易受芳香族化合物的抑制,并且芳香族化合物中的取代基不同對甲烷菌的毒性也不同,它們的毒性順序為:NO2ClF。,87,4、厭氧生物處理的廢水特性 4.1廢水的碳和氮參數(shù) 4.1.1碳參數(shù) TOC系指廢水中所有有機物的含碳量，稱總有機碳。 總有機碳（TOC）的測定方法類似于總需氧量（TOD），當樣品在950 中燃燒時，以鉑為催化劑，高溫燃燒水樣，測定排出氣體中的CO2含量，以此確定廢水水樣中碳元素的質(zhì)量，并從中扣除碳酸鹽等無機碳元素的含量（通過低溫150 燃燒測得），即為總有機碳。目前已有紅外線分析儀測定CO2氣體含量。因為TOC數(shù)據(jù)可靠性強，國內(nèi)外已廣泛使用TOC作為廢水的有機污染指標。 總碳（TC）與總無機碳（TIC）之差為TOC。 TOCTCTIC 1g有機碳被氧化時需耗用3212g，即2.67g氧。 COD值近似地代表水樣中全部有機物被氧化時耗去的氧量，故COD值換算成TOC值的系數(shù)為2.67。,88,在實際測定時，