【正文】 六 厭氧生物處理 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 厭氧生物處理基本原理 第三節(jié) 厭氧微生物生態(tài)學(xué) 第四節(jié) 早期厭氧反應(yīng)器 第五節(jié) 厭氧消化池 第六節(jié) 現(xiàn)代高速厭氧生物反應(yīng)器 第 七 節(jié) 厭氧生物處理工藝的運(yùn)行管理 ? 厭氧生物處理傳統(tǒng)上用于污泥的穩(wěn)定處理，利于厭氧微生物，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳的過(guò)程，也稱厭氧消化或污泥消化。 ? 由于厭氧生物處理工藝反應(yīng)較慢，所以廢水處理很少采用。 ? 隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，重點(diǎn)研究能回收能源氣體的厭氧處理技術(shù)，隨著厭氧生化過(guò)程研究深入和新型反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)，厭氧處理技術(shù)應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域，特別是用于處理高濃度有機(jī)廢水的處理中。 第一節(jié) 概述 （一）厭氧生物處理的發(fā)展 (1)厭氧生物處理的發(fā)展可分為三個(gè)時(shí)期： 1） 20世紀(jì) 20年代前，主要用于廢水和糞便處理，代表性構(gòu)筑物是化糞池和法國(guó)的自動(dòng)凈化池。特點(diǎn)是停留時(shí)間長(zhǎng)，出水水質(zhì)差。 2）隨著好氧工藝的發(fā)展，厭氧生物處理主要用于污泥的穩(wěn)定，主要用于污泥消化。 3）隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，厭氧生物處理在 20世紀(jì) 70年代后得到快速的發(fā)展，出現(xiàn)了有機(jī)負(fù)荷和處理效率高的厭氧生物處理工藝，用于處理高濃度有機(jī)廢水。 ? 厭氧生物處理第三個(gè)時(shí)期典型厭氧反應(yīng)技術(shù)： 1)高厭氧生物量反應(yīng)器 2）兩相厭氧反應(yīng)技術(shù) (二 )、厭氧生物處理工藝的發(fā)展簡(jiǎn)史 ① 厭氧過(guò)程廣泛存在于自然界中； ② 1881年 ， 法國(guó) ， Louis Mouras ， “ 自動(dòng)凈化器 ” ； ③ 處理城市污水的化糞池 、 雙層沉淀池等 處理剩余污泥的各種厭氧消化池等； —— HRT很長(zhǎng) 、 處理效率很低 、 濃臭的氣味等； ④ 70年代后 ， 能源危機(jī) ， 現(xiàn)代高速厭氧反應(yīng)器 ， 厭氧消化工藝開(kāi)始大規(guī)模地應(yīng)用于廢水處理； ? 厭氧接觸法 （ Anaerobic Contact Process） ? 厭氧濾池 （ Anaerobic Filter、 AF ） ? 上流式厭氧污泥層 （ 床 ） 反應(yīng)器 (Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed)、 UASB ) ? 厭氧流化床 (Anaerobic Fluidized Bed、 AFB ) ? 厭 氧 附 著 膜 膨 脹 床 (Anaerobic Attached Film Expanded Bed 、 AAFEB) ? 厭氧生物轉(zhuǎn)盤 （ Anaerobic Rotated Biological Disc、ARBD） ? 擋板式厭氧反應(yīng)器 （ Anaerobic Baffled Reactor、ABR） 現(xiàn)代高速厭氧反應(yīng)器的主要特點(diǎn)： —— HRT與 SRT分離 ， SRT相對(duì)很長(zhǎng) ， HRT則較短 ， 反應(yīng)器內(nèi)生物量很高 。 —— HRT大大縮短 ， 有機(jī)負(fù)荷大大提高 ， 處理效率也大大提高； ⑤ 90年代以后 ， 在 UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上又發(fā)展起來(lái)了EGSB和 IC反應(yīng)器； —— EGSB反應(yīng)器 ， 處理低溫低濃度的有機(jī)廢水； —— IC反應(yīng)器 ， 處理高濃度有機(jī)廢水 ， 可達(dá)到更高的有機(jī)負(fù)荷 。 ? 厭氧生物處理的發(fā)展第三個(gè)時(shí)期特征： 1)最大限度提高反應(yīng)器中生物持有量，通過(guò)比好氧反應(yīng)器中高幾倍甚至幾十倍的生物量，使處理效率接近好氧處理效率。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出大量新型厭氧反應(yīng)器，其共同特征是有機(jī)負(fù)荷高、處理能力強(qiáng)。 2)厭氧細(xì)菌可分為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌 2大類，利用厭氧細(xì)菌的特點(diǎn)，采取相分離技術(shù)，開(kāi)發(fā)出兩相厭氧反應(yīng)器，發(fā)揮不同厭氧菌群的各自特點(diǎn)，在各自的反應(yīng)器中優(yōu)化菌群功能，提高處理效率。 （三）厭氧生物處理的主要特征 主要優(yōu)點(diǎn)： ? 能耗低 ， 且還可回收生物能 （ 沼氣 ） ； ? 污泥產(chǎn)量低； —— 厭氧微生物的增殖速率低 ， —— 產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率系數(shù) Y為 ~， —— 產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率系數(shù) Y為 ， —— 好氧微生物的產(chǎn)率系數(shù)約為 0. 5~。 ? 厭氧微生物有可能對(duì)好氧微生物不能降解的某些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解； 主要缺點(diǎn)： ? 反應(yīng)過(guò)程較為復(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(gè)連續(xù)的微生物過(guò)程； ? 對(duì)溫度 、 pH等環(huán)境因素較敏感； ? 出水水質(zhì)較差 ， 需進(jìn)一步利用好氧法進(jìn)行處理； ? 氣味較大； 含有 SO4的廢水會(huì)產(chǎn)生硫化物和氣味； ? 為增加反應(yīng)器內(nèi)生物量 ， 啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng) （ 約數(shù)月 ） ； ? 出水有機(jī)物濃度高，某些情況下出水水質(zhì)不能滿足排放到地表水體的要求； ? 水質(zhì)濃度低時(shí)產(chǎn)生甲烷的熱量不足以使水溫加熱到 35℃ ； ? 對(duì)氨氮的去除效果不好； 低溫下反應(yīng)速率低； 等 70年代以來(lái)，由于能源危機(jī)、微生物學(xué)的發(fā)展和 Hanget 技術(shù)的產(chǎn)生，厭氧生物處理技術(shù)被逐步應(yīng)用于廢水處理。 （ 1 )厭氧生物處理的優(yōu)點(diǎn)： ?可適用于從高濃度到低濃度的廢水處理，工藝穩(wěn)定，運(yùn)行簡(jiǎn)單； ?能量消耗低； ?高容積負(fù)荷： 5— 10 kgCOD/m3d ?低污泥產(chǎn)率： — kg/kg COD ?可回收能源：甲烷 ( 沼氣 ) — , 21000— 25000 kJ/m3 ?低營(yíng)養(yǎng)比： BOD5:N:P=200:5:1 ?具有更強(qiáng)的生化能力； ?處理含表面活性劑廢水無(wú)泡沫問(wèn)題； ?可以降解好氧過(guò)程中不易生物降解物質(zhì)； ?可以處理季節(jié)性排放的廢水 。 厭氧生物降解與好氧生物降解的比較 好氧生物降解 厭氧生物降解 微生物種類 : 好氧微生物 (較簡(jiǎn) ) 厭氧微生物 (復(fù)雜 ) 降解速率 : 快 慢 降解途徑 : 碳降解 氨降解 碳降解 對(duì)氧的要求 : 適當(dāng)?shù)娜芙庋? 無(wú)溶解氧 溫度要求 : 常溫 常溫 中溫 高溫 環(huán)境條件 : 適應(yīng)范圍寬 適應(yīng)范圍較窄 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) : 100:5:1 200:5:1 最終產(chǎn)物 : H2O CO2 CH4 H2O CO2 基建費(fèi)用 : 較低 較高 運(yùn)行費(fèi)用 : 較高 較低 回收能源 幾種典型的厭氧反應(yīng)器示意圖 p501 ? （四）厭氧生物處理工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀 1）應(yīng)用于高濃度和難降解有機(jī)廢水的處理，通過(guò)與后續(xù)好氧工藝聯(lián)用，使出水水質(zhì)滿足排放要求。 如高濃度淀粉廢水 COD20220mg/L，直接采用好氧處理，則運(yùn)行費(fèi)用很高，經(jīng)過(guò)厭氧處理后出水COD降到 3000mg/L左右，再采取好氧處理，就可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)，厭氧過(guò)程也回收甲烷。 單位 COD甲烷 產(chǎn)率： 1gCOD生成 350mLCH4 ? （四）厭氧生物處理工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀 2）用于污泥厭氧消化穩(wěn)定污泥 污泥厭氧消化是污泥穩(wěn)定的最重要的手段，污泥有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定的同時(shí)，滅活了病原微生物，也回收了甲烷氣體。在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。 ? （四）厭氧生物處理工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀 3）有機(jī)垃圾的厭氧消化。 傳統(tǒng)垃圾處理方式是填埋、焚燒、和堆肥，對(duì)于有機(jī)垃圾采取厭氧發(fā)酵的方式，是一種新的嘗試，可以保證污染物的穩(wěn)定，減少污染，并回收能源氣體，當(dāng)然有機(jī)垃圾厭氧消化由于運(yùn)行費(fèi)用較高（溫度要求、攪拌），應(yīng)用仍較少。 ? （四）厭氧生物處理工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀 4）秸稈等生物質(zhì)的資源化。 為提高秸稈等生物質(zhì)資源的能量利用率，可將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。 ? （五）厭氧生物處理工藝的發(fā)展方向 1）提高處理能力，提高反應(yīng)器厭氧微生物量。 2）充分發(fā)揮不同類型厭氧菌功能，優(yōu)化兩相厭氧技術(shù) 3）優(yōu)化反應(yīng)器流態(tài)，促進(jìn)顆粒污泥形成，提高反應(yīng)器厭氧微生物量，提高能源氣體回收效率。 第二節(jié) 厭氧生物處理基本原理 廢水的厭氧生物處理（厭氧消化）是指在無(wú)氧條件下，借助厭氧微生物的新陳代謝作用分解廢水中的有機(jī)物質(zhì)，并使之轉(zhuǎn)變成為小分子的無(wú)機(jī)物質(zhì)（主要是 CHCO H2S等氣體）的處理過(guò)程。 ? （一）經(jīng)典厭氧消化過(guò)程（ 2 階段理論）： ? （ 1）酸性發(fā)酵階段：即由發(fā)酵性細(xì)菌把復(fù)雜的有機(jī)物進(jìn)行水解和發(fā)酵（酸化），形成脂肪酸（揮發(fā)酸）、醇類、 CO2和 H2等 。 ? （ 2）堿性或甲烷發(fā)酵階段，由產(chǎn)甲烷細(xì)菌將第一階段的一些發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 CH4和CO2的過(guò)程。 ? （二） 3 階段理論 1979年研究針對(duì)產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)乙酸菌的研究，認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌不能利用除乙酸、CO2/H2和甲醇外的大分子有機(jī)酸和醇，大分子大分子有機(jī)酸和醇需經(jīng)過(guò)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用轉(zhuǎn)化為乙酸、 CO2和 H2后被產(chǎn)甲烷菌利用。 ? （二） 3 階段理論 1）水解和發(fā)酵階段 在該階段，復(fù)雜有機(jī)物在厭氧菌胞外酶的作用下，首先被分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物，如纖維素經(jīng)過(guò)水解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的糖類；蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的氨基酸；脂肪類轉(zhuǎn)化為脂肪酸和甘油；（水解） 然后，這些簡(jiǎn)單有機(jī)物在產(chǎn)酸菌的作用下經(jīng)厭氧發(fā)酵和氧化轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類等。 參與這個(gè)階段的水解發(fā)酵細(xì)菌主要是厭氧菌和兼性厭氧菌。 ? 3 階段理論 2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段 在該階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇外的第一階段的中間產(chǎn)物如丁酸等轉(zhuǎn)化為乙酸和氫，并有 CO2產(chǎn)生。 ? 3 階段理論 3）產(chǎn)甲烷階段 OHCHCOH 2422 24 ???％）占甲烷的 70(222 243 COCHC O O HCH ??? （三） 4 階段理論 1）水解和發(fā)酵階段 在該階段，復(fù)雜有機(jī)物在厭氧菌胞外酶的作用下，首先被分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物，如纖維素經(jīng)過(guò)水解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的糖類；蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的氨基酸；脂肪類轉(zhuǎn)化為脂肪酸和甘油；（水解） 然后，這些簡(jiǎn)單有機(jī)物在產(chǎn)酸菌的作用下經(jīng)厭氧發(fā)酵和氧化轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類等。 參與這個(gè)階段的水解發(fā)酵細(xì)菌主要是厭氧菌和兼性厭氧菌。 ? 4 階段理論 2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段 在該階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇外的第一階段的中間產(chǎn)物如丁酸等轉(zhuǎn)化為乙酸和氫，并有 CO2產(chǎn)生。 ? 4 階段理論 3）同型產(chǎn)乙酸階段 同型產(chǎn)乙酸菌利用 H2和 CO2合成乙酸，這時(shí)產(chǎn)乙酸量較少。 ? 4 階段理論 4）產(chǎn)甲烷階段 OHCHCOH 2422 24 ???％）占甲烷的 70(222 243 COCHC O O HCH ??水解酸化細(xì)菌功能表現(xiàn)在兩方面： 水解成小分子的水溶性有機(jī)物； ，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的酶系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化，將一部分供能源使用的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，排入細(xì)胞外的水溶液里，成為參與下一階段生化反