第三章 厌氧生物处理 基本概念 3.1.1厌氧生物处理的基本原理 一、厌氧生物处理的基本生物过程及其特征 ——又称厌氧消化、厌氧发酵； ——实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。 1、厌氧生物处理工艺的发展简史： ①上述的厌氧过程广泛地存在于自然界中； ②人类第一次利用厌氧消化处理废弃物，是始于1881年——Louis Mouras的“自动净化器”； ③随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）； ——长的HRT、低的处理效率、浓臭的气味等； ④50、60年代，特别是70年代中后期，随着能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理； ——HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大提高； ——厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等； ——HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。 ⑤最近（90年代以后），随着UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了EGSB和IC反应器； ——EGSB反应器可以在较低温度下处理低浓度的有机废水； ——IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，可以达到更高的有机负荷。 2、厌氧消化过程的基本生物过程 ①两阶段理论： ——30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论” 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段； ——水解和酸化，产物主要是脂肪酸、醇类、CO2和H2等； ——主要参与微生物统称为发酵细菌或产酸细菌； ——其特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。 第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段； ——产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2； ——主要参与微生物统称为产甲烷菌； ——其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。 ②三阶段理论： ——深入研究后，发现上述过程不能真实反映厌氧反应过程的本质； ——微生物学的研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类； ——70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌利用H2和CO2产生CH4； ——因而，提出了“三阶段理论” 水解、发酵阶段： 产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2； 产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4； 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。 ③四阶段理论（四菌群学说）： 同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。 但实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。 ——三阶段、四阶段理论是目前认为的对一样生物处理过程较全面和较准确的描述。 3、厌氧生物处理的主要特征 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）； 污泥产量很低； ——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解； 反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程； 对温度、pH等环境因素较敏感； 但一般来说，①处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；②气味较大；③对氨氮的去除效果不好；等等 4、厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段 ——我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物； ——我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染； ——目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高； ——厌氧工艺的突出优点是：①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少； ④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等 ——厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。 二、厌氧消化过程中的主要微生物 ——发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。 1、发酵细菌（产酸细菌）： 主要功能：水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物； 酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等； 主要细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等； 水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等），有时回成为厌氧反应的限速步骤； 产酸反应的速率较快； 大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌； 可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。 2、产氢产乙酸菌 主要功能：将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2； 主要反应：乙醇：  丙酸： 丁酸： 注意：上述反应只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压很低时才能顺利进行。 主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等； 多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。 3、产甲烷菌 ——60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术； 主要功能：将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行； 一般可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌； 一般来说，乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有Methanosarcina和Methanothrix，但在厌氧反应器中，有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解； 典型的产甲烷反应： ①  ②  ③  ④  ⑤  ⑥  ⑦  ⑧  根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其分类如下： ——最新的分类（Bergy’s细菌手册第九版），共分为：三目、七科、十九属、65种； 产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有： ①产甲烷杆菌：图2 ②产甲烷球菌：图3 ③产甲烷八叠球菌：图4 ④产甲烷丝菌：图5 在生物分类学上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（Archaebacteria），大小、外观上与普通细菌（Eubacteria）相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊。 在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山口、沉积物等），但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等。 产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150(-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用； 产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达4(6天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤 三、厌氧生物处理的影响因素 ——产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素； ——主要因素有：温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等。 1、温度： 温度对厌氧微生物的影响尤为显著： 厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分为：高温消化（55(C左右）和中温消化（35(C左右）； 高温消化的反应速率约为中温消化的1.5~1.9倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低； 当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好； 随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的影响不再非常重要（新型反应器内的生物量很大），因此可以在常温条件下（20~25(C）进行，以节省能量和运行费用。 2、pH值和碱度： pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素； 重要原因：产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5或>8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化； 厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等； 厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制； 一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积），将消耗，使pH下降； 但产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生，使系统的pH值回升。 碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的pH值； 厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。 3、氧化还原电位： 严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件； 非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100~ -100mv的环境正常生长和活动； 产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150~ -400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv； 4、营养要求： 厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1； 多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。 5、F/M比： 厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达5~10kgCOD/m3.d，甚至可达50~80 kgCOD/m3.d； ——无传氧的限制； ——可以积聚更高的生物量。 产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷； 高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷； 高的有机容积负荷可以缩短HRT，减少反应器容积。 6、有毒物质： ——常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物； ①硫化物和硫酸盐： 硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物； 可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用； 投加某些金属如Fe可以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。 ②氨氮： 氨氮是厌氧消化的缓冲剂； 但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用； 抑制浓度为50~200mg/l，但驯化后，适应能力回得到加强。 ③重金属： ——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。 ④氰化物： ⑤有毒有机物： 四、厌氧消化过程中沼气产量的估算 糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体，这样的混合气体统称为沼气（Biogas）； 产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：  理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25 gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L； 沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关； 由于一部分沼气（特别是其中的CO2）会溶于出水中，同时，一部分有机物还会被用于微生物的合成，所以实际产气量要比理论产气量小。 3．2 厌氧生物处理工艺 3．2．1 早期的 厌氧生物反应器 ——厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代； ——1881年法国Mouras的自动净化器： ——1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器： ——1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank） 图3 ——1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池） 图4 其特点： ①处理废水的同时，也处理有废水沉淀下来的污泥； ②前几种构筑物由于废水和污泥不分隔而影响出水水质； ③双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池； ④停留时间很长，出水水质也较差； ⑤后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用。 3.2.2厌氧消化池 ——随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态； ——但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征； ——1927年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高； ——随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高； ——50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置； ——带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。 消化池的类型与构造 ——厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水； ——主要作用：①一部分有机物转变为沼气； ②一部分有机物形成稳定性良好的腐殖质； ③提高了污泥的脱水性能； ④污泥体积可减少1/2以上； ⑤致病微生物也得到了一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。 消化池的分类： ——按形状：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形； ——按池顶结构：固定盖式和浮动盖式； ——按运行方式：传统消化池和高速消化池。 传统消化池： 图5 ——又称低速消化池，无加热和搅拌装置； ——有分层现象：只有部分容积有效； ——消化速率很低，HRT很长（30~90天）。 B、高速消化池 图6 ——设有加热和搅拌装置； ——缩短了有机物稳定所需的时间，也提高 了沼气产量，在中温（30~35(C）条件下，一般消化时间为15天左右，运行稳定； ——但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液不能分离。 两级消化池 ——两级串联，第一极是高速消化池，第二级则不设搅拌和加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并能分离上清液； ——二者的HRT的比值可采用1：1~4：1，一般为1：2。 图7 2、消化池的构造 ——由池顶、池底和池体三部分组成； ——池顶：固定盖和浮动盖，集气罩； ——池底：倒圆锥形，有利于排泥。 搅拌：机械搅拌和沼气搅拌 机械搅拌 ①泵搅拌：从池底抽出消化污泥，用泵加压后送至浮渣层表面或其它部位，进行循环搅拌，一般与进料和池外加热合并一起进行； ②螺旋浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；‘ ③水射器搅拌： 沼气搅拌 ①气提式搅拌： ②竖管式搅拌： ③气体扩散式搅拌： 加热 ①池内蒸汽直接加热：设备简单，局部污泥易过热，会影响厌氧微生物的正常活动，并会增加污泥含水率； ②池外加热：把污泥预热后投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对一样微生物不利；但设备较复杂。 消化池的设计： ——主要内容：①消化池池体设计； ②搅拌设备设计； ③加热保温系统设计。 ——消化池的池体设计： 目前国内一般按污泥投配率确定消化池容积，  式中：V——消化池的有效容积，m3； V’——每天需要处理的新鲜污泥的统计，m3/d； p ——污泥投配率，如高速消化池处理生活污水的污泥，在消化温度为30~35(C时，p可取6~18%； 一般要求消化池的个数不少于2。 国外则多按固体负荷率来计算消化池的有效容积：  式中：Gs——每日需要处理的污泥干固体量，kgVSS/d； Lv——单位容积消化池固体负荷率，kgVSS/m3.d。 ——Lv值与污泥的含固率、温度有关，如下表： 污泥含固率（%） 固体负荷率（kgVSS/m3.d）   24(C 29(C 33(C 35(C  4 1.53 2.04 2.55 3.06  5 1.91 2.55 3.19 3.83  6 2.30 3.06 3.83 4.59  7 2.68 3.57 4.46 5.36   确定消化池有效容积后，既可计算消化池的构造尺寸，其一般要求： ①圆柱形池体的直径一般为6~35m； ②柱体高径之比为1：2； ③池总高与直径之比为0.8~1.0； ④池底坡度一般为0.08； ⑤池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m； ⑥池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。 消化池的工艺管道： 污泥管：进泥管、出泥管、循环搅拌管； 上清液排放管； 溢流管； 沼气管； 取样管 沼气的收集与利用 ——污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气； ——沼气的热值很高（一般为21000~25000 kJ/m3， 即5000~6000 kCal/m3），是一种可利用的生物能源。 1、污泥消化过程中沼气产量的估算： 沼气成分：一般认为CH4 50~70%，CO2 20~30%，H2 2~5%，N2 ~10%，微量H2S等； 沼气产率是指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3沼气/m3生污泥； 产气率与污泥的性质、污泥投配率、污泥含水率、发酵温度等有关； 当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时： 中温消化，投配率为6~8%，产气率可达10~12 m3沼气/m3生污泥； 高温消化，投配率为6~8%，产气率可达22~26 m3沼气/m3生污泥 投配率为13~15%，产气率可达13~15 m3沼气/m3生污泥 沼气的收集： 设置凝结水罐；注意安全；阻火器；沼气管可加保温； 沼气的贮存： 调节产气量与用气量之间的平衡； 调节容积一般为日平均产气量的25~40%，即6~10h的产气量； 注意防腐、防火。