废水厌氧★生物处理过程设计与优化课件.ppt

1、废水厌氧生物处理过程废水厌氧生物处理过程设计与优化设计与优化一、厌氧生物处理过程及其特征一、厌氧生物处理过程及其特征二、厌氧消化微生物二、厌氧消化微生物三、厌氧生物处理的影响因素三、厌氧生物处理的影响因素四、厌氧消化工艺的发展及其应用四、厌氧消化工艺的发展及其应用五、升流式厌氧污泥床反应器的设计五、升流式厌氧污泥床反应器的设计六、升流式厌氧污泥床反应器的启动和应用六、升流式厌氧污泥床反应器的启动和应用七、第三代厌氧反应器七、第三代厌氧反应器废水厌氧生物处理过程废水厌氧生物处理过程设计与优化设计与优化一、厌氧生物处理过程及其特征一、厌氧生物处理过程及其特征 厌氧生物处理过程又称厌氧厌氧生物处理过

2、程又称厌氧消化，是在消化，是在厌氧条件下由活性污厌氧条件下由活性污泥中的多种微生物共同作用，使泥中的多种微生物共同作用，使有机物分解并生成有机物分解并生成CH4和和CO2的的过程过程。人们对有机物厌氧消化的认识不断深化：人们对有机物厌氧消化的认识不断深化：两段说两段说三段说三段说四种群说四种群说1、两段说、两段说1930年年Buswell 和和Neave 肯定了肯定了Thumm 和和Reichie(1914)与与Imhoff(1916)的看法，的看法，把有机物厌氧消化过程分为把有机物厌氧消化过程分为:酸性发酵酸性发酵和和碱性发酵碱性发酵两个阶段。两个阶段。两阶段厌氧消化过程两阶段厌氧消化过程有

3、机物厌氧消化过程中有机物厌氧消化过程中pH的变化的变化1979年布利安特年布利安特(Bryant)等人提出了厌等人提出了厌氧消化的三阶段理论。氧消化的三阶段理论。三阶段理论认为，厌氧消化过程是按以三阶段理论认为，厌氧消化过程是按以下步骤进行的：下步骤进行的：三阶段厌氧消化过程三阶段厌氧消化过程第一阶段，水解、发酵阶段第一阶段，水解、发酵阶段 复杂有机物在微生物作用下进行水复杂有机物在微生物作用下进行水解和发酵。解和发酵。例如，例如，多糖多糖先水解为先水解为单糖单糖，再通过，再通过酵解途径进一步发酵成酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸乙醇和脂肪酸，如丙酸、丁酸、乳酸等；如丙酸、丁酸、乳酸等；蛋白质

4、则先水解为蛋白质则先水解为氨基酸氨基酸，再经脱氨基，再经脱氨基作用产生作用产生脂肪酸和氨脂肪酸和氨。第二阶段，产氢、产乙酸阶段第二阶段，产氢、产乙酸阶段 由一类专门的细菌，称为产氢产乙由一类专门的细菌，称为产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为转化为乙酸乙酸、H2和和C02。第三阶段，产甲烷阶段第三阶段，产甲烷阶段 由产甲烷细菌利用乙酸由产甲烷细菌利用乙酸和和H2、C02，产生产生CH4。研究表明，厌氧生物处理过程中约研究表明，厌氧生物处理过程中约有有70%CH4产自产自乙酸乙酸的分解，的分解，其余少量则产自其余少量则产自H2和和CO2的合成。的合成

5、。三阶段理论是对厌氧生物处理过程较全三阶段理论是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。面和较准确的描述。几乎与几乎与Bryant提出提出三阶段理论三阶段理论的同时，的同时，Zeikus(1979)在第一届国际厌氧消化会在第一届国际厌氧消化会议上提出了议上提出了四种群说理论四种群说理论。4 4、四种群说理论、四种群说理论复杂有机物厌氧消化过程有四种群厌氧复杂有机物厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与，四种群即是：微生物参与，四种群即是：水解发酵菌，水解发酵菌，产氢产乙酸菌，产氢产乙酸菌，同型产乙酸菌（又称耗氢产乙酸菌），同型产乙酸菌（又称耗氢产乙酸菌），以及产甲烷菌。以及产甲烷菌。四种群说有机物

6、厌氧降解示意图四种群说有机物厌氧降解示意图5 5、有硫酸盐存在条件下葡萄糖的厌氧消化、有硫酸盐存在条件下葡萄糖的厌氧消化6、厌氧生物处理的主要特征、厌氧生物处理的主要特征与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理的主要特征有：的主要特征有：能量需求大大降低，还可产生能量。能量需求大大降低，还可产生能量。因为厌氧生物处理不要求供给氧气，因为厌氧生物处理不要求供给氧气，相反却能生产出含有相反却能生产出含有50%70%甲烷甲烷(CH4)的沼气，含有较高的热值的沼气，含有较高的热值(约为约为21000 25000Kg/m3)，可用作能源。，可用作能源。为去除为去除1kgCOD

7、，好氧生物处理大约需，好氧生物处理大约需消耗消耗0.51.0kWh电能电能。而厌氧生物处理每去除而厌氧生物处理每去除1kgCOD大大约能约能产生产生3.5kWh电能电能。污泥产量极低。污泥产量极低。因为厌氧微生物的增殖速率比好氧因为厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。微生物低得多。一般，厌氧消化中产酸细菌的产率一般，厌氧消化中产酸细菌的产率(VSS/COD)为为0.150.34，产甲烷细菌，产甲烷细菌为为0.03左右，左右，混合菌群的产率约混合菌群的产率约 0.17；而好氧微生物的产率约为而好氧微生物的产率约为0.25 0.6。因此，去除每千克因此，去除每千克COD，好氧生物处理的污泥产量

8、约为好氧生物处理的污泥产量约为250600g VSS；而厌氧生物处理的污泥产量仅为而厌氧生物处理的污泥产量仅为180200gVSS。对温度、对温度、pH等环境因素更为敏感。等环境因素更为敏感。厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类，其适宜的温度范围分别为大类，其适宜的温度范围分别为55左右和左右和35左右。左右。如温度降至如温度降至10以下，厌氧微生物的活以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下。动能力将非常低下。而好氧微生物对温度的适应能力较强，而好氧微生物对温度的适应能力较强，在在5以上的温度条件下均能较好地发以上的温度条件下均能较好地发挥作用。挥作用。产甲烷菌的最适

9、产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为范围也较好氧菌为小。小。如温度降至如温度降至10以下，厌氧微生物的活以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下。动能力将非常低下。而好氧微生物对温度的适应能力较强，而好氧微生物对温度的适应能力较强，在在5以上的温度条件下均能较好地发以上的温度条件下均能较好地发挥作用。挥作用。产甲烷菌的最适产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为范围也较好氧菌为小。小。温度对微生物活性的影响温度对微生物活性的影响处理后废水有机物浓度高于好氧处理后废水有机物浓度高于好氧处理。处理。厌氧微生物可对好氧微生物所不厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解能降解的一些有机物进行降解(或

10、或部分降解部分降解)。处理过程的反应较复杂。处理过程的反应较复杂。厌氧消化是由多种不同性质、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不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物学过程，远比好氧生连续的微生物学过程，远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。物处理中的微生物过程复杂。二、厌氧消化微生物二、厌氧消化微生物(一一)发酵细菌发酵细菌(产酸细菌产酸细菌)主要包括梭菌属主要包括梭菌属(Clostridigm)、似杆、似杆菌属菌属(Bacteroides)、丁酸弧菌属、丁酸弧菌属(B u t y r i v i b r i o)、真 细 菌 属、真 细 菌 属(E u b a c t

11、 e r i u m)和 双 歧 杆 菌 属和 双 歧 杆 菌 属(Bifidobacterium)等。等。这类细菌的主要功能是先通过胞外酶的这类细菌的主要功能是先通过胞外酶的作用作用将不溶性有机物水解成可溶性将不溶性有机物水解成可溶性有机有机物，再将可溶性的物，再将可溶性的大分子有机物转化成大分子有机物转化成脂肪酸，醇类脂肪酸，醇类等。等。不溶性有机物不溶性有机物 可溶性有机物可溶性有机物可溶性的大分子有机物可溶性的大分子有机物 小分子小分子 研究表明，该类细菌对有机物研究表明，该类细菌对有机物的的水解过程相当缓慢水解过程相当缓慢，pH和细胞和细胞平均停留时间等因素对水解速率的平均停留时间等

12、因素对水解速率的影响很大。影响很大。因此，当处理的废水中含有因此，当处理的废水中含有大量大量难水解的类脂难水解的类脂时，水解就会成为厌氧消时，水解就会成为厌氧消化过程的限速步骤。化过程的限速步骤。但但产酸的反应速率较快产酸的反应速率较快，并远高，并远高于产甲烷反应。于产甲烷反应。发酵细菌大多数为发酵细菌大多数为专性厌氧菌专性厌氧菌，但也有，但也有大量兼性厌氧菌。大量兼性厌氧菌。除发酵细菌外，在厌氧消化的发酵阶除发酵细菌外，在厌氧消化的发酵阶段，也可发现真菌和为数不多的原生动段，也可发现真菌和为数不多的原生动物。物。(二二)产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌近年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包近年来的研究所

13、发现的产氢产乙酸菌包括互营单孢菌属括互营单孢菌属(Syntrophomonas)、杆菌属杆菌属(Syntrophobacter)、梭菌属、梭菌属(Clostridium)、暗杆菌属、暗杆菌属(Petobacter)等。等。这类细菌能这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸和和H2。其反应如下：。其反应如下：降解乙醇降解乙醇 CH3CH2OH十十H2OCH3COOH+2H2 降 解 丙 酸降 解 丙 酸 CH3CH2COOH十十 2H2O CH3COOH+3H2+CO2 降解丁酸降解丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O 2CH3COOH+2H2上述反应只有在乙酸浓

14、度低、液体中氢上述反应只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很低时才能完成。分压也很低时才能完成。产氢产乙酸细菌可能是产氢产乙酸细菌可能是绝对厌氧菌绝对厌氧菌或是或是兼性厌氧菌兼性厌氧菌。(三三)产甲烷细菌产甲烷细菌 产甲烷菌大致可分为两类：产甲烷菌大致可分为两类：一类主要一类主要利用乙酸利用乙酸产生甲烷；产生甲烷；另一类数量较少，利用另一类数量较少，利用氢和氢和CO2合成生合成生成甲烷。成甲烷。也有极少量细菌，也有极少量细菌，既能利用乙酸，也能既能利用乙酸，也能利用氢利用氢。以下是两个典型的产甲烷反应：以下是两个典型的产甲烷反应：利用乙酸利用乙酸 CH3COOH CH4+CO2 利用利用H2和和C

15、O2 4H2十十CO2CH4+2H2O 产甲烷菌都是绝对厌氧细菌，要求生活产甲烷菌都是绝对厌氧细菌，要求生活环境的氧化还原电位在环境的氧化还原电位在150400mV范围内。范围内。氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用。用。产甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期长，产甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期长，甚至达甚至达46d。因此，在一般情况下产甲烷反应是厌氧因此，在一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的控制阶段。消化的控制阶段。(四四)厌氧微生物群体间的关系厌氧微生物群体间的关系 在厌氧生物处理反应器中，在厌氧生物处理反应器中，不产甲烷不产甲烷菌菌和和产甲烷菌产甲烷菌相互依赖，

16、互为对方创造相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和条与维持生命活动所需要的良好环境和条件，但又相互制约。件，但又相互制约。厌氧微生物群体间的相互关厌氧微生物群体间的相互关系系1不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质长和产甲烷所需要的基质 不产甲烷细菌把各种复杂的有机物质，不产甲烷细菌把各种复杂的有机物质，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等进行厌如碳水化合物、脂肪、蛋白质等进行厌氧降解，生成游离氢、二氧化碳、氨、氧降解，生成游离氢、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、甲醇、乙醇乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、甲醇、乙醇等产物。等产物。丙酸、丁酸、乙

17、醇等又可被丙酸、丁酸、乙醇等又可被产氢产氢产乙酸菌产乙酸菌转化为氢、二氧化碳、转化为氢、二氧化碳、乙酸等。乙酸等。所以，所以，不产甲烷细菌不产甲烷细菌通过其生命活动为通过其生命活动为产甲烷细菌产甲烷细菌提供了提供了合成细胞物质和产甲合成细胞物质和产甲烷所需的碳前体和电子供体、氢供体和烷所需的碳前体和电子供体、氢供体和氮源。氮源。产甲烷细菌充当厌氧环境有机物分解产甲烷细菌充当厌氧环境有机物分解中微生物食物链的中微生物食物链的最后一个生物体最后一个生物体。2不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件宜的氧化还原条件 厌氧发酵初期，由于加料使空气进入厌氧发酵初期，由

18、于加料使空气进入发酵池，原料、水本身也携带发酵池，原料、水本身也携带氧气氧气，这，这对对产甲烷细菌产甲烷细菌是有害的。是有害的。不产甲烷细菌类群中那些不产甲烷细菌类群中那些需氧和兼性厌需氧和兼性厌氧微生物氧微生物将其去除。将其去除。各种各种厌氧微生物厌氧微生物对氧化还原电位的适应对氧化还原电位的适应不相同，通过它们有顺序地交替生长和不相同，通过它们有顺序地交替生长和代谢活动，使发酵液代谢活动，使发酵液氧化还原电位不断氧化还原电位不断下降下降，逐步为产甲烷细菌生长和产甲烷，逐步为产甲烷细菌生长和产甲烷创造适宜的氧化还原条件。创造适宜的氧化还原条件。3不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有不产甲烷细菌为产

19、甲烷细菌清除有毒物质毒物质 在以工业废水或废弃物为发酵原料时，在以工业废水或废弃物为发酵原料时，其中可能含有酚类、苯甲酸、氰化物、其中可能含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸、重金属等对于产甲烷细菌长链脂肪酸、重金属等对于产甲烷细菌有毒害作用有毒害作用的物质。的物质。不产甲烷细菌中有许多种类能不产甲烷细菌中有许多种类能裂解苯环、裂解苯环、降解氰化物降解氰化物等从中获得能源和碳源。这等从中获得能源和碳源。这些作用不仅解除了对产甲烷细菌的毒害，些作用不仅解除了对产甲烷细菌的毒害，而且给产甲烷细菌提供了养分。而且给产甲烷细菌提供了养分。此外，不产甲烷细菌的产物此外，不产甲烷细菌的产物硫化氢硫化氢，可

20、，可以与以与重金属离子重金属离子作用生成不溶性的金属作用生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除一些重金属的毒硫化物沉淀，从而解除一些重金属的毒害作用害作用4产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制反应解除反馈抑制 不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制其不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制其本身的不断形成。本身的不断形成。氢氢的积累可以抑制产的积累可以抑制产氢细菌的继续产氢，氢细菌的继续产氢，酸酸的积累可以抑制的积累可以抑制产酸细菌继续产酸。产酸细菌继续产酸。A+B C+D 在正常的厌氧发酵中，产甲烷细菌连在正常的厌氧发酵中，产甲烷细菌连续续利用利用由不产甲烷细菌产生的由不

21、产甲烷细菌产生的氢、乙酸、氢、乙酸、二氧化碳等二氧化碳等，使厌氧系统中不致有氢和，使厌氧系统中不致有氢和酸的积累，就不会产生反馈抑制，不产酸的积累，就不会产生反馈抑制，不产甲烷细菌也就得以继续正常的生长和代甲烷细菌也就得以继续正常的生长和代谢。谢。例如：降解乙醇例如：降解乙醇 CH3CH2OH十十H2O CH3COOH+2H2 5不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的持环境中适宜的pH值值 在厌氧发酵初期，不产甲烷细菌首先在厌氧发酵初期，不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类、淀粉等物，产大量降解原料中的糖类、淀粉等物，产大量的有机酸，产生的二氧化碳也部分溶于的有

22、机酸，产生的二氧化碳也部分溶于水，使水，使发酵液的发酵液的pH明显下降明显下降。而此时，一方面不产甲烷细菌类群中的而此时，一方面不产甲烷细菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨中和部分酸；中和部分酸；厌氧消化过程厌氧消化过程另一方面，产甲烷细菌利用乙酸、甲酸、另一方面，产甲烷细菌利用乙酸、甲酸、氢和二氧化碳形成甲烷，氢和二氧化碳形成甲烷，消耗酸消耗酸和二氧和二氧化碳。化碳。因此，两个类群的共同作用使因此，两个类群的共同作用使pH稳定稳定在一个适宜范围内。在一个适宜范围内。三、厌氧生物处理的影响因素三、厌氧生物处理的影响因素 由于产甲烷菌对环境因素的影响由

23、于产甲烷菌对环境因素的影响较非产甲烷菌较非产甲烷菌(包括发酵细菌和产氢产包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌乙酸细菌)敏感得多，敏感得多，产甲烷反应常是产甲烷反应常是厌氧消化的控制阶段厌氧消化的控制阶段。1温度温度 温度是影响微生物生命活动最重要因温度是影响微生物生命活动最重要因素之一，其对厌氧微生物尤为显著。素之一，其对厌氧微生物尤为显著。可见，厌氧消化速率随温度的变化可见，厌氧消化速率随温度的变化比较复杂，在厌氧消化过程中存在着两比较复杂，在厌氧消化过程中存在着两个不同的最佳稳度范围：个不同的最佳稳度范围：一为一为55左右，一为左右，一为35左右。左右。厌氧微生物分为嗜热菌厌氧微生物分为嗜热菌(高

24、温细高温细菌菌)和嗜温菌和嗜温菌(中温细菌中温细菌)两大类，两大类，相应的厌氧消化则被称为相应的厌氧消化则被称为高温消高温消化化(55左右左右)和和中温消化中温消化(35左右左右)。高温消化的反应速率约为中温消化的高温消化的反应速率约为中温消化的1.51.9倍，产气率也高。倍，产气率也高。但气体中甲烷所占百分率却较中温消但气体中甲烷所占百分率却较中温消化为低。化为低。当处理含有病原菌和寄生虫卵的当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，采用废水或污泥时，采用高温消化高温消化可可取得较理想的卫生效果，消化后取得较理想的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好。污泥的脱水性能也较好。在工程实践中，当然

25、还应考虑经济因素，在工程实践中，当然还应考虑经济因素，采用高温消化需要消耗较多的能量，当采用高温消化需要消耗较多的能量，当处理废水量很大时，往往不宜采用。处理废水量很大时，往往不宜采用。随着各种新型厌氧反应器的开发，温度随着各种新型厌氧反应器的开发，温度对厌氧消化的影响由于对厌氧消化的影响由于生物量的增加生物量的增加而而变得不再显著。变得不再显著。因此处理废水的厌氧消化反应常在常温因此处理废水的厌氧消化反应常在常温条件条件(2025)下进行，以节省能量的下进行，以节省能量的消耗和运行费用。消耗和运行费用。2.pH 产甲烷菌最适产甲烷菌最适pH范围为范围为6.87.2。在。在pH=6.5以下或以

26、下或 pH=8.2以上的环境中，以上的环境中，厌氧消化会受到严重的抑制，这主要是厌氧消化会受到严重的抑制，这主要是对产甲烷菌的抑制。对产甲烷菌的抑制。水解细菌和产酸菌也不能承受低水解细菌和产酸菌也不能承受低pH的的环境。环境。厌氧发酵体系中的厌氧发酵体系中的pH除受进水除受进水pH的影的影响外，还取决于代谢过程中自然建立的响外，还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡缓冲平衡。影响酸碱平衡的主要参数：影响酸碱平衡的主要参数：挥发性脂肪酸、碱度和挥发性脂肪酸、碱度和CO2含量含量。但产甲烷细菌的作用会产生但产甲烷细菌的作用会产生HCO3，使系统的使系统的pH回升。回升。系统中没有足够的系统中没有足够

27、的HCO3，将使挥发，将使挥发酸积累，导致系统缓冲作用的破坏，即酸积累，导致系统缓冲作用的破坏，即所谓的所谓的“酸化酸化”。3氧化还原电位氧化还原电位 绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，可以用氧化还原电位活动的基本条件，可以用氧化还原电位表示表示厌氧反应器中含氧浓度厌氧反应器中含氧浓度。不产甲烷菌可以在氧化还原电位为不产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100100mV的环境下进行正常的的环境下进行正常的生理活动；生理活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为：产甲烷菌的最适氧化还原电位为：150400mV，培养产甲烷菌，培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于

28、的初期，氧化还原电位不能高于320mV。4营养营养 厌氧微生物对厌氧微生物对碳碳、氮氮等营养物质的要等营养物质的要求求略低于略低于好氧微生物。好氧微生物。但大多数厌氧菌不具有合成某些必要但大多数厌氧菌不具有合成某些必要的的维生素或氨基酸维生素或氨基酸的功能。的功能。为了保证细菌的增殖和活动，还需为了保证细菌的增殖和活动，还需要补充某些要补充某些专门的营养专门的营养，如，如钾、钠、钙钾、钠、钙等等金属盐类是形成细胞或非细胞的金属金属盐类是形成细胞或非细胞的金属络合物所必需的，而络合物所必需的，而镍、铝、钴、钼镍、铝、钴、钼等等微量金属微量金属，则可提高若干酶系统的活性，则可提高若干酶系统的活性，

29、使产气量增加。使产气量增加。主要是对化工废水5食料食料/微生物比微生物比 与好氧生物处理相似，厌氧生物处理与好氧生物处理相似，厌氧生物处理过程中的过程中的食料食料/微生物比微生物比对其进程影响对其进程影响很大。很大。在实际中常以有机负荷在实际中常以有机负荷(COD/VSS)表示，表示，单位为单位为kg/(kgd)。在在有机负荷有机负荷、处理程度处理程度和和产气量产气量三三者之间，存在着密切的联系和平衡关系。者之间，存在着密切的联系和平衡关系。一般，较高的有机负荷可获得较大一般，较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低。的产气量，但处理程度会降低。再者，由于厌氧消化过程中产酸阶段的再者

30、，由于厌氧消化过程中产酸阶段的反应速率比产甲烷阶段的反应速率高得反应速率比产甲烷阶段的反应速率高得多，必须十分谨慎地选择多，必须十分谨慎地选择有机负荷有机负荷，使，使挥发酸的生成及消耗平衡，不致形成挥挥发酸的生成及消耗平衡，不致形成挥发酸的积累。发酸的积累。有机负荷处理程度产气量为保持系统的平衡，有机负荷的绝对值为保持系统的平衡，有机负荷的绝对值不宜太高不宜太高。随着反应器中生物量随着反应器中生物量(厌氧污泥厌氧污泥)浓度的浓度的增加，有可能在保持相对较低污泥负荷增加，有可能在保持相对较低污泥负荷的条件下得到较高的容积负荷。的条件下得到较高的容积负荷。这样，能够在满足一定处理程度的同时，这样，

31、能够在满足一定处理程度的同时，缩短消化时间，减少缩短消化时间，减少反应容积反应容积。总的说来，（厌氧生物）处理可采用较总的说来，（厌氧生物）处理可采用较（好氧生物）处理高得多的有机负荷。（好氧生物）处理高得多的有机负荷。一般一般COD浓度可达浓度可达510kg/(m3d)，有，有的甚至可高达的甚至可高达50kg/(m3d)。6有毒物质有毒物质 有毒物质会对厌氧微生物产生不同程有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至遭到破坏。至遭到破坏。最常见的抑制性物质为最常见的抑制性物质为硫化物硫化物、氨氮氨氮、重金属重金属、氰化物氰化物以及某些

32、以及某些人工合成的有人工合成的有机物机物。如：铜。如：铜。硫酸盐和其他硫的氧化物容易在厌氧消硫酸盐和其他硫的氧化物容易在厌氧消化过程中被还原为硫化物。化过程中被还原为硫化物。可溶性的硫化物和可溶性的硫化物和 H2S气体气体在达到一在达到一定浓度时，对产甲烷过程产生抑制。定浓度时，对产甲烷过程产生抑制。如何减轻硫化物的抑制作用？如何减轻硫化物的抑制作用？氨是厌氧消化的缓冲剂，但高浓度的氨氨是厌氧消化的缓冲剂，但高浓度的氨对厌氧消化有害。对厌氧消化有害。有人认为有人认为NH3-N浓度浓度50200mg/L即能即能产生控制，但通过对产甲烷细菌的驯化，产生控制，但通过对产甲烷细菌的驯化，厌氧过程对氨的

33、适应能力能够得到加强。厌氧过程对氨的适应能力能够得到加强。重金属常能使厌氧消化过程失效，表现重金属常能使厌氧消化过程失效，表现为产气量降低和挥发酸的积累。为产气量降低和挥发酸的积累。原因是细菌的原因是细菌的代谢酶受到破坏代谢酶受到破坏而失活，而失活，是一种非竞争性抑制。是一种非竞争性抑制。不同重金属离子不同重金属离子及其及其不同的存在形态不同的存在形态，会产生不同的抑制作用。会产生不同的抑制作用。据报道据报道277mg/L的的硫酸硫酸镍不会引起消镍不会引起消化过程的变化，化过程的变化，而而30mg/L的的硝酸硝酸镍却能使产气量减镍却能使产气量减少少80%。重金属的浓度也会显著影响其抑制重金属的

34、浓度也会显著影响其抑制作用。作用。当氯化镍的浓度为当氯化镍的浓度为500mg/L时，其时，其对沼气产量的影响可以忽略不计，对沼气产量的影响可以忽略不计，而浓度为而浓度为1000mg/L时会使产气量大时会使产气量大大减少。大减少。氰化物对厌氧消化的抑制作用决定于其氰化物对厌氧消化的抑制作用决定于其浓度和接触时间浓度和接触时间。如浓度小于如浓度小于10mg/L，接触时间为，接触时间为1h，抑制作用不明显。抑制作用不明显。浓度如增高到浓度如增高到100mg/L，气体产量会明，气体产量会明显降低。显降低。研究表明，厌氧微生物对很多在好氧条研究表明，厌氧微生物对很多在好氧条件下难以降解的合成有机物，如蒽

35、醌类件下难以降解的合成有机物，如蒽醌类染料、偶氮染料、含氯的有机杀虫剂等，染料、偶氮染料、含氯的有机杀虫剂等，都都具有降解的能力具有降解的能力。但仍有相当一部分合成有机物对厌但仍有相当一部分合成有机物对厌氧微生物有毒害作用，其作用大小氧微生物有毒害作用，其作用大小与浓度相关，如与浓度相关，如3-氧氧-1，2-丙二醇、丙二醇、2氯丙酸、氯丙酸、1-氯丙烷、氯丙烷、2-氯丙烯、氯丙烯、丙烯醛和甲醛等。丙烯醛和甲醛等。提高降解有毒有机物的措施提高降解有毒有机物的措施A、在厌氧条件下、在厌氧条件下混合细菌种群混合细菌种群对有毒对有毒性的合成有机物进行降解的速率要比单性的合成有机物进行降解的速率要比单一

36、菌种的速率要快。一菌种的速率要快。B、对厌氧微生物的、对厌氧微生物的驯化驯化也可提高也可提高其适应和降解合成有机物的能力。其适应和降解合成有机物的能力。其他？其他？四、厌氧消化工艺的发展及其应用四、厌氧消化工艺的发展及其应用人类对厌氧生物处理方法的研究首先人类对厌氧生物处理方法的研究首先从从处理粪便处理粪便开始。开始。随着工业的发展和人口的增加，并不断随着工业的发展和人口的增加，并不断向城镇集中，向城镇集中，城镇污水城镇污水和和工业废水工业废水的处的处理才引起人们的重视。理才引起人们的重视。废水厌氧生物处理可追溯到废水厌氧生物处理可追溯到100多年前。多年前。1860年，法国人年，法国人Lou

37、is Mouras把简易把简易沉淀池改进作为污水处理构筑物使用。沉淀池改进作为污水处理构筑物使用。1881年法国年法国Cosmos杂志登载介绍了杂志登载介绍了Mouras创造的处理污水污泥的自动净创造的处理污水污泥的自动净化器（化器（Automatic Scasenger）。）。后来人们把后来人们把Mouras作为厌氧消化处理作为厌氧消化处理的创始人的创始人。1890年，年，Scotto-Moncrieff第一个建造第一个建造了初步的厌氧滤池（了初步的厌氧滤池（Anaerobic Filter）。）。该池底部空，上面铺一层石子。石子的该池底部空，上面铺一层石子。石子的作用是拦截废水中的固体颗粒

38、物。作用是拦截废水中的固体颗粒物。1894年年Talbot设计了一个与设计了一个与Mouras自自动净化器相似的消化罐，主要不同是中动净化器相似的消化罐，主要不同是中间设置了一些垂直挡板，用于阻挡流过间设置了一些垂直挡板，用于阻挡流过的废水。的废水。1895年，年，Donald Cameron在英国设计在英国设计了世界上第一个厌氧化粪池（了世界上第一个厌氧化粪池（Septic Tank）。）。这是厌氧处理工艺发展史上的一个里程这是厌氧处理工艺发展史上的一个里程碑。碑。化粪池化粪池1899年，年，Harry W Clerk设计了一个分设计了一个分离的消化器（离的消化器（Separate Dige

39、ster），），先把污水沉淀后，再厌氧发酵。先把污水沉淀后，再厌氧发酵。1903年，年，Travis发明了发明了Travis池。池。废水从一端流入，从另一端流出，两侧废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀分离的污泥在反应池中间的下部消沉淀分离的污泥在反应池中间的下部消化，产生的沼气从中间上部排出。化，产生的沼气从中间上部排出。Travis反应池反应池1906年德国人年德国人Imhoff对对Travis反应池作反应池作了改进，设计了了改进，设计了Imhoff池，又称隐化池，池，又称隐化池，也称双层沉淀池。也称双层沉淀池。Imhoff池Imhoff池把污水的沉淀和污泥的消化完池把污水的沉淀和污泥的

40、消化完全分开，彼此不发生干扰。全分开，彼此不发生干扰。鉴于敞开式厌氧消化池消化效果不好，鉴于敞开式厌氧消化池消化效果不好，而且向周围环境散发恶臭，而且向周围环境散发恶臭，1912年德国人年德国人Kremer提出了加盖的密提出了加盖的密闭式消化池，称为传统消化池闭式消化池，称为传统消化池（Conventional Digester），又称普），又称普通消化池。通消化池。传统消化池（普通消化池）传统消化池（普通消化池）为了提高传统消化池的产气效率和缩小为了提高传统消化池的产气效率和缩小反应池体积，人们常采取一定措施，主反应池体积，人们常采取一定措施，主要是：要是：（1）加热）加热（2）增设搅拌设备

41、）增设搅拌设备使之成为高速消化池（使之成为高速消化池（High Rate Digester）高速消化池高速消化池1950年南非人年南非人Stander发现厌氧反应器发现厌氧反应器中保持大量细菌的重要性，开发了处理中保持大量细菌的重要性，开发了处理酒厂和药厂废水的所谓厌氧澄清器酒厂和药厂废水的所谓厌氧澄清器（Anaerobic Claridigester）。）。把厌氧消化和沉淀合为一体。把厌氧消化和沉淀合为一体。厌氧澄清器厌氧澄清器废水从池底流进污泥区，废水从池底流进污泥区，污泥中产生的甲烷和二氧化碳气体上升污泥中产生的甲烷和二氧化碳气体上升起搅拌作用，起搅拌作用，消化液自下而上经过中间小洞进入

42、沉淀消化液自下而上经过中间小洞进入沉淀区；沉淀下来的污泥自上而下通过小洞区；沉淀下来的污泥自上而下通过小洞下掉返回消化区。下掉返回消化区。1956年年Schroefer等人成功开发出厌氧等人成功开发出厌氧接触工艺（接触工艺（Anaerobic Contact Process）。）。由于采用回流，使消化池保持足够实力由于采用回流，使消化池保持足够实力的厌氧菌，使反应器容积负荷提高，处的厌氧菌，使反应器容积负荷提高，处理效能提高。理效能提高。厌氧接触工艺厌氧接触工艺厌氧接触工艺标志着现代废水厌氧生物厌氧接触工艺标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生。处理工艺的诞生。1967年年J.C.Young 和

43、和P.L.McCarty开开发出厌氧滤池（发出厌氧滤池（Anaerobic Filter）。）。起初，厌氧滤池以块石作为填料，为厌起初，厌氧滤池以块石作为填料，为厌氧微生物的附着提供支撑。氧微生物的附着提供支撑。近来填料材质有了很大改进。近来填料材质有了很大改进。不足是：可能有堵塞，空间利用率较低。不足是：可能有堵塞，空间利用率较低。厌氧滤池厌氧滤池1974年荷兰年荷兰G Lettinga等人开发出升流等人开发出升流式厌氧污泥层反应器（式厌氧污泥层反应器（Upflow Anaerobic Sludge Blanket），简称），简称UASB。特点是形成颗粒污泥，处理不含固体颗特点是形成颗粒污泥

44、，处理不含固体颗粒的废水。粒的废水。升流式厌氧污泥层反应器升流式厌氧污泥层反应器1978年年W J Jewell 等人和等人和1979年年 R P Bowker 等人分别开发出厌氧膨胀污泥等人分别开发出厌氧膨胀污泥床（床（Anaerobic Expanded Blanket）和厌氧流化床（和厌氧流化床（Anaerobic Fluidized Bed）。）。厌氧膨胀床和流化床厌氧膨胀床和流化床反应器的特点是反应器内充填着细颗粒反应器的特点是反应器内充填着细颗粒载体，如细砂。载体，如细砂。为使充填物膨胀或流化，均需要部分出为使充填物膨胀或流化，均需要部分出水回流。水回流。1980年年S J Tai

45、t等人开发出厌氧生物转等人开发出厌氧生物转盘工艺（盘工艺（Anaerobic Rotating Biological Reactor）。）。厌氧生物转盘厌氧生物转盘1982年年McCarty等人开发出厌氧折流板等人开发出厌氧折流板反应器（反应器（Anaerobic Baffled Reactor）。）。厌氧折流板反应器厌氧折流板反应器新型厌氧反应器1981年，年，Lettinga等人在利用等人在利用UASB反反应器处理生活污水时，为了增加污水与应器处理生活污水时，为了增加污水与污泥的接触，更有效地利用反应器的容污泥的接触，更有效地利用反应器的容积，改变了积，改变了UASB反应器的结构设计和反应

46、器的结构设计和操作参数，使反应器中颗粒污泥床在较操作参数，使反应器中颗粒污泥床在较高的液体表面上升流速下充分膨胀，由高的液体表面上升流速下充分膨胀，由此产生了此产生了EGSB（Expanded Granular Sludge Bed）反应器）反应器。1982年加拿大人年加拿大人Guiot把把UASB反应器反应器和厌氧滤池相结合，开发出厌氧复合反和厌氧滤池相结合，开发出厌氧复合反应器（应器（Upflow Anaerobic Bed-filter）1985年由荷兰年由荷兰Paques公司在公司在反应器的基础上开发成功的高效厌氧反反应器的基础上开发成功的高效厌氧反应器内循环厌氧反应器，即应器内循环厌

47、氧反应器，即IC反应反应器（器（Internal Circulation）。1982年美国年美国Fannion等人在处理海藻废等人在处理海藻废水时，开发出水时，开发出UBR反应器（反应器（Upflow Solid Reactor）。）。反应器不需要三相分离器和污泥回流，反应器不需要三相分离器和污泥回流，靠靠SS的自然沉淀作用，使的自然沉淀作用，使SRT比比HRT更长，提高了更长，提高了SS的消化率。的消化率。USRUSR反应器反应器 1.1.储料槽；储料槽；2.2.进料泵；进料泵；3.USR3.USR；4.4.取样口；取样口；5.5.出水；出水；6.6.沼气；沼气；7 7气水分离器；气水分离器

48、；8.8.沼气计量；沼气计量；9.9.排渣管排渣管新型厌氧反应器打破了传统观念：新型厌氧反应器打破了传统观念：厌氧处理工艺处理效率低；需要较高温厌氧处理工艺处理效率低；需要较高温度、较高废水浓度和较长停留时间。度、较高废水浓度和较长停留时间。厌氧生物处理工艺与好氧生物处理工艺厌氧生物处理工艺与好氧生物处理工艺存在一定联系。存在一定联系。厌氧处理工艺的发展过程及与好氧处理厌氧处理工艺的发展过程及与好氧处理工艺的关系工艺的关系早期厌氧消化的运行条件如温度等均未早期厌氧消化的运行条件如温度等均未得到控制，这些初级的厌氧处理设备均得到控制，这些初级的厌氧处理设备均需很长的停留时间，出水水质也较差。需很

49、长的停留时间，出水水质也较差。但化粪池和双层沉淀池曾在美、德、法但化粪池和双层沉淀池曾在美、德、法等国得到推广，并沿用至今。等国得到推广，并沿用至今。在我国的很多大小城市中，目前也仍有在我国的很多大小城市中，目前也仍有不少化粪池在运行。不少化粪池在运行。至今，人们公认厌氧接触法的诞生，标至今，人们公认厌氧接触法的诞生，标志着厌氧消化工艺的发展进入了一个新志着厌氧消化工艺的发展进入了一个新阶段。阶段。运用运用20世纪世纪50年代获得的一些厌氧处年代获得的一些厌氧处理经验和厌氧处理所涉及的微生物学、理经验和厌氧处理所涉及的微生物学、生物化学和生化工程的最新研究成果，生物化学和生化工程的最新研究成果

50、，开发出一批厌氧反应器，称为开发出一批厌氧反应器，称为“第二代第二代废水厌氧处理反应器废水厌氧处理反应器”。其中典型的代表有：厌氧滤池其中典型的代表有：厌氧滤池(AF)、上、上流式厌氧污泥床反应器流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧、厌氧流化床流化床(AFB)等。等。高效厌氧消化反应器的共同特点是保持高效厌氧消化反应器的共同特点是保持有有很高浓度的生物量很高浓度的生物量，通过不同的方式，通过不同的方式，使生物量在反应器中使生物量在反应器中停留时间很停留时间很长长。第二代厌氧反应器解决了厌氧微生物生第二代厌氧反应器解决了厌氧微生物生长缓慢长缓慢(厌氧过程本身特点厌氧过程本身特点)和生物量易和生