水质工程学

第二阶段 绝对厌氧菌
消化
甲烷 二氧化碳
消化
有机酸、
乙醇、乙 醛
细胞合成
酶
新细胞
h
5
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）。
表19-1 产酸菌和产甲烷菌的特性参数
参数 对pH的敏感性 氧化还原电位Eh 对温度的敏感性
水解
简单有机化合物
35%
（糖、氨基酸、肽）
产酸
长链脂肪酸 （丙酸、丁酸等）
17% 乙酸
28%
CH4 CO2
72%
图19-1 产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）
h
7
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。
h
13
营养与C/N比
厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼 气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖 的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和 氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需 要一定比例的氮素和碳素。表19-4给出了常用沼 气发酵原料的碳氮比。原料C/N比过高，碳素多， 氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁 殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程 就长。若C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素 养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高， 出现氨中毒。
Bryant认为厌氧消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态 有机物被细菌的胞外酶水解；第二阶段是酸化；第三阶段 是在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化， 称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。
厌氧消化两阶段
h
Hale Waihona Puke 4厌氧消化两阶段示意图
第一阶段 普通厌氧菌
碳水化合物、 脂肪、蛋白 质
细胞合成
h
10
消化温度与消化时间的关系
60 50 40 30 20 10
T（C）
0 15 30 45 60 75 90 105 120
消化时间 t（d）
图19-3 温度与 h 消化时间的关系曲线
11
生物固体停留时间（污泥龄）与负 荷
1.0
0.8
有机负荷X（16.21kgvs/md·）
0.6
0.4
有机物浓度
h
3
厌氧消化三阶段理论
根据厌氧消化三阶段理论，复杂有机物的厌氧消化过程主 要包括液化、产酸和产甲烷三个阶段，由多种相互依存的 细菌群来完成复杂的基质混合物最终转化为甲烷和二氧化 碳，并合成自身细胞物质。每一阶段各有其独特的微生物 类群，液化阶段起作用的细菌主要包括纤维素分解菌、脂 肪分解菌、蛋白质水解菌；产酸阶段起作用的细菌主要是 菌产氢产乙酸细菌群，利用液化阶段的产物产生乙酸、氢 气和二氧化碳等；产甲烷阶段是甲烷菌利用乙酸、丙酸、 甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和 H2/CO2是其主要基质。
h
14
各种废物的碳氮比（C/N）
原料 大便 小便 牛厩肥 鲜马粪
碳氮 比
原料
碳氮 比
(6~1 0) 厨房垃圾 25:1 :1
0.8: 1
混合垃圾
34:1
18:1
初沉池污 泥
5:1
24:1
二沉池污 泥
10:1
鲜羊粪 29:1 鲜猪粪 13:1
h
15
氨氮
厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要
的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很 少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分 可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮， 因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨 氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消 化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以 NH4+及NH3等形式存在于消化液中，NH3 对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能 力。
温度因素 生物固体停留时间（污泥龄）与负荷 搅拌和混合 营养与C/N比 氨氮 有毒物质 酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用
h
8
温度因素
温度与有机物负荷、产气量关系见图19－3 消化温度与消化时间的关系见图19－4
厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏 感，温度的突然变化，对沼气产量有明显 影响，温度突变超过一定范围时，则会停 止产气。
产甲烷菌
产酸菌
敏感，最佳pH为6.8~7.2 <-350mv(中温)，<-560mv(高温)
不太敏感，最佳pH为 5.5~7.0
<-150~200mv
最佳温度：30~38℃，50~55℃
最佳温度：20~35℃
h
6
厌氧消化机理和厌氧处理技术
5% 10%
13% H2 CO2
复杂有机化合物
20%
（碳水化合物、蛋白质、类脂类）
根据采用消化温度的高低，可以分为常温 消化（10~30℃ ）、中温消化（35℃左右） 和高温消化（54℃左右）。
h
9
温度与有机物负荷、产气量关系
有机物负荷（kg/m·d） 产气量（m/m·d）
8
4
7
6
3
5
4
2
3
2
1
1
0
0
25
30
35
40
45
50
55
温度（C）
图19-2 温度与有机物负荷、产气量关系图
第十九章 厌氧生物处理
主讲教师：娄金生教授
南华大学建筑工程与资源环境学院
给水排水教研室
h
1
课程内容
1、厌氧生物处理基本原理
2、厌氧消化的影响因素与控制要求
3、两级厌氧与两相厌氧处理
4、厌氧生物处理工艺与反应器
5、厌氧生物处理的运行管理
6、思考题
7、习题
h
2
厌氧生物处理基本原理
厌氧消化三阶段理论 废水处理工艺中的厌氧微生物 厌氧消化机理和厌氧处理技术
0.2
6% 4%
8%
%
0 0
10
20
30
40
水 力 停 留 时 间t（ d）
图 19-4 容 积 负 荷 h和 水 力 停 留 时 间 关 系
12
搅拌和混合
搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接 触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产 气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加 快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消 化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消 化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法 包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅 拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可， 如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气 池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将 消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气 流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅 拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。