废水的厌氧生物处理技术 讲稿

产甲烷微菌科
产甲烷微菌目 产甲烷八叠球菌科
产甲烷菌属
产甲烷螺菌属 产甲烷八叠球菌属 产甲烷丝菌属
黑海产甲烷微菌
亨氏产甲烷螺菌 巴氏产甲烷八叠球菌 索氏产甲烷丝菌属
不同形态的产甲烷菌 ①产甲烷杆菌：——a、瘤胃甲烷短杆菌
不同形态的产甲烷菌
①产甲烷杆菌： ——b、嗜树甲烷短杆菌
不同形态的产甲烷菌
②产甲烷球菌——斯氏甲烷球菌
2(CH 3 ) 3 S 3H 2O 3CH 4 HCO3 H 2H 2 S
4CH 3OH H 2 CH 4 H 2O
产甲烷菌的分类
根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可分类如下：
产甲烷杆菌属 产甲烷杆菌目 产甲烷杆菌科 产甲烷杆短菌属 产甲烷球菌目 产甲烷球菌科 产甲烷球菌属 产甲烷微菌属 瘤胃产甲烷杆菌 范氏产甲烷球菌 运动产甲烷微菌 甲酸产甲烷杆菌
4H 2 CO2 CH 4 2H 2O
4HCOO 2H CH 4 CO2 2HC3
4CO 2H 2O CH 4 3CO2
4CH 3OH 3CH 4 HCO3 H H 2O
4(CH 3 )3 NH 4 9H 2O 9CH 4 3HCO3 3H 4 NH 4
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、同型产乙酸菌

主要功能：乙酸是高级脂肪酸等酸化产物转化过程的主 要产物或唯一产物 主要细菌：伍德氏产乙酸杆菌，威林格氏乙酸杆菌，乙

酸梭菌， 基维产乙酸菌，嗜热自养梭菌等；
HS
过
发酵产酸
Ac Pro Bu Va HCO3 NH4+ LCFA 增殖 微生物
固 液 平 衡
化
水 解
氨基酸
单糖 脂类 反硝化 NO3 硫酸盐还原 SO42 沉淀
蛋白质
碳水化合物
生
初步分解 惰性物质 颗粒状化合物
亡
程 过 化
物
二、厌氧生物处理过程中的微生物
发酵细菌（产酸细菌） 产氢产乙酸菌 同型产乙酸菌 产甲烷菌等

蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。
2、产氢产乙酸菌
主要功能：将高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2； 主要反应：
乙醇： CH 3CH 2 OH H 2 O CH 3COOH 2H 2 丙酸： CH 3CH 2COOH 2H 2O CH 3COOH 3H 2 CO2 丁酸： CH 3CH 2CH 2COOH 2H 2O 2CH 3COOH 2H 2
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。
厌氧生物处理的四种群理论 同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。
实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。
细菌或产酸细菌；
主要特点有：1）生长快，2）
适应性（温度、pH等）强。
厌氧生物处理的两阶段理论
有机物
水解细菌 酸 性 发 酵 阶 段
小分子有机物
产酸菌
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
脂肪酸、醇类、 H2、CO2
产甲烷菌
CO2、CH4
碱 性 发 酵 阶 段
烷细菌methane producing bacteria, methanogens；
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。
厌氧生物处理的三阶段理论
两阶段理论的问题：
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，而不能利用其 它含两个碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；
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（20~25C）进行，以节省能量和运行费用。
2、pH值和碱度：
沼气
气 相 CH4 CO2 H2S H2 N2
厌 氧多 生阶 物段 处理 理论 的
进水
气液 平衡
气泡
出水
液 相
液相平衡
CH4 产甲烷 HAc H2
CO2
HCO3
CO32
液相平衡
程
产氢产乙酸 Hac Hpro Hbu HVa CO2 NH3 LCFA
液相平衡
Ca2+ Fe2+ Zn2+
N2
H2S
废水的厌氧生物 处理技术
本节课的主要内容
一、厌氧生物处理的基本生化过程 ——阶段性理论
二、厌氧生物处理过程中的微生物
三、厌氧生物处理的影响因素
四、厌氧生物处理的主要特征
五、UASB反应器的简介
基本概念

早期，被称为厌氧消化 anaerobic digestion、厌 氧发酵anaerobic fermentation； 实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼 性 facultative厌氧）微生物的共同作用下，使有 机物分解并产生CH4和CO2的过程。 沼气（biogas）： CH4和CO2
产甲烷细菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在 150400
mv，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，世代时间很长，可达46天，因此，一
般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。
三、厌氧生物处理过程的影响因素
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；
①两阶段理论
②三阶段理论
③四阶段理论
厌氧消化的两阶段理论
有机物
水解细菌 酸 性 发 酵 阶 段
小分子有机物
产酸菌
发酵阶段，又称产酸阶段或
酸性发酵阶段；
主要功能：水解和酸化， 主要产物：脂肪酸、醇类、
脂肪酸、醇类、 H2、CO2
CO2和H2等；
碱 性 发 酵 阶 段
产甲烷菌
CO2、CH4
主要的微生物：统称为发酵
6、抑止性物质：
硫化物或硫酸盐 氨氮 重金属 氰化物
某些有机物
四、厌氧生物处理的主要特征
主要优点：
能耗低，且还可回收生物能（沼气）； 污泥产量低；
——厌氧微生物的增殖速率低， ——产酸菌的产率系数Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD， ——产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右， ——好氧微生物的产率系数约为0. 5~0.6kgVSS/kgCOD。
不同形态的产甲烷菌 ③产甲烷八叠球菌
不同形态的产甲烷菌
④产甲烷丝菌
不同形态的产甲烷菌
④产甲烷丝菌
颗粒污泥的扫描电镜照片——产甲烷丝菌
颗粒污泥的内部细菌——产甲烷球菌与产甲烷八叠球菌
颗粒内部产甲烷球菌与丝状菌
颗粒污泥内部的产甲烷八叠球菌
产甲烷菌的特性
在 生 物 分 类 学 上 ， 产 甲 烷 细 菌 (Methanogens) 属 于 古 细 菌
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”
厌氧生物处理的三阶段理论
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
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：


基本概念
“好氧 aerobic”：是指这类生物必须在有分子态氧 气（ O2 ）的存在下，才能进行正常的生理生化 反应； ——主要包括大部分微生物、动物以及人类； “厌氧anaerobic”：是能在无分子态氧存在的条件 下，能进行正常的生理生化反应的生物； ——主要有厌氧细菌、酵母菌等
一、厌氧生物处理的基本生化过程 ——阶段性理论
厌氧生物处理的有机负荷很高，达 5~10kgCOD/m3.d， 甚至可达50~80 kgCOD/m3.d； ——无传氧的限制； ——更高的生物量。 产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，二者之间的平 衡不易控制，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，相应的污泥负 荷仍然较低； 高的有机容积负荷可缩短HRT，减小反应器容积。
可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌； 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
CH 3COOH CH 4 CO2
(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；