第18章 厌氧生物处理

第18章厌氧生物处理

18.1厌氧生物处理的发展

18.1.1 第一代厌氧生物反应器

化粪池、双层沉淀池，厌氧消化池等，

特点：

① 水力停留时间（HRT）很长，

② 虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果不理想；

③ 具有浓臭的气味，

18.1.2第二代厌氧生物反应器

主要包括：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。

主要特点：

① HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；

②HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。

18.1.3第三代厌氧生物反应器

进UASB反应器的广泛应用，在其基础上以颗粒污泥为主要特征的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。

18.2厌氧生物处理的主要特征

18.2.1主要优点

1）能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）。

2）污泥产量很低。

3）厌氧微生物可以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。

18.2.2主要缺点

1）厌氧生物处理过程中所涉及的生化反应过程较为复杂，因此在厌氧反应器运行过程中对技术要求很高；

2）厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；

3）虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质通常较差，一般需要利用好氧工艺进一步处理；

4）厌氧生物处理的气味较大；

5）对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化作用导致氨氮浓度的上升。

18.3 厌氧生物处理基本原理

Bryant认为消化经历四个阶段：

1.水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶水解；

2.酸化；

3.乙酸化阶段,指进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化

4.第四阶段是甲烷化阶段。

根据厌氧消化的两大类菌群，厌氧消化过程又可分为两个阶段，即：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段，如(图 19-1)所示。

1.酸性发酵阶段

两阶段理论将液化阶段和产酸阶段合称为酸性发酵阶段。在酸性发酵阶段，高分子有机物首先在兼性厌氧菌胞外酶的作用下水解和液化，然后渗入细胞体内，在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性有机酸和硫化物。pH 值下降。

氢的产生，是消化第一阶段的特征，所以第一阶段也称作“氢发酵”。

兼性厌氧菌在分解有机物的过程中产生的能量几乎全部消耗作为有机物发酵所需的能源，只有少部分合成新细胞。因此酸性消化时，细胞的增殖很少。产酸菌在低 pH 值时也能生存，具有适应温度、 pH 值迅速变化的能力。

2.碱性消化阶段

专性厌氧菌将消化过程第一阶段产生的中间产物和代谢产物均被甲烷菌利用分解成二氧化碳、甲烷和氨，pH 值上升。由于消化过程第二阶段的特征是产生大量的甲烷气体，所以第二阶段称为“甲烷发酵”。由于甲烷菌的生长条件特别严格，即

使在合适的条件下其增殖速度也非常小，因此甲烷化过程控制污水或者污泥的厌氧消化进程。

厌氧消化两阶段示意图

废水处理工艺中的厌氧微生物

在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（ non-menthanogens ）和产甲烷细菌（ menthanogens ）。厌

氧消化过程的非产甲烷菌和产甲烷菌的生理特性有较大的差异，对环境条件的要求迥异。

产酸菌和产甲烷菌的特性参数

非产甲烷菌又称为产酸菌（ acidogens ），它们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸（ VFA ）和醇类物质，使处理系统中液体的 pH 值降低。

非产甲烷菌包括：

1 ．水解发酵细菌群

水解发酵细菌（ hydrolytic-fermentative bacteria ）主要参与复杂有机物的水解，并通过乳酸发酵、乙醇发酵、丙酸发酵、丁酸发酵和混合酸发酵等将水解产物转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有机酸及乙醇。水解发酵细菌群具体包括：纤维素分解菌、碳水化合物分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌。

2 ．产氢产乙酸菌群

产氢产乙酸菌群（ H2 -producing acetogens ）有专性厌氧菌和兼性厌氧菌，它们将水解发酵菌群产生的挥发性有机酸和醇转化为乙酸、 CO2和 H2。

3 ．同型产乙酸菌群

同型产乙酸菌群（ homo-acetogens ）可将 CO2（或 CO32-）和 H2转化为乙酸。正是由于同型产乙酸菌可利用H2，因而可以保持系统中较低的氢分压，有利于厌氧发酵过程的正常进行。

产甲烷菌属于绝对厌氧菌，必须在氧浓度低于 1.48³10-56 mol/L 时才能生存。

一组是将氢气和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氢气合成甲烷；另一组是将乙酸脱羧生成甲烷和二氧化碳。

迄今为止，已经分离鉴定的产甲烷菌有 70 多种，分属于 3 个目， 7 个科， 19 个属。常见的有，产甲烷丝菌属（Methanothrix ）、产甲烷球菌属（Methanococcus ）、产甲烷杆菌属（Methanobacterium ）、产甲烷螺菌属（Methanospirillum ）和产甲烷八叠球菌属（Methanosarcina ）等。

厌氧消化机理和厌氧处理技术

厌氧消化机理如下图所示。

产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）

18.4 厌氧消化的影响因素与控制要求

甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。

18.4.1 影响因素

1. 温度因素

温度与有机物负荷、产气量关系见图：