第十九章厌氧处理.docx
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第十九章厌氧处理
第19章厌氧生物处理
19.1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。
图19-1厌氧消化两阶段示意图
19.1.1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，见（表19-1）。
表19-1产酸菌和产甲烷菌的特性参数
参数
产甲烷菌
产酸菌
对pH的敏感性
敏感，最佳pH为6.8～7.2
不太敏感，最佳pH为5.5～7.0
氧化还原电位Eh
<-350mv（中温），<-560mv（高温）
<-150～200mv
对温度的敏感性
最佳温度：
30～38℃，50～55℃
最佳温度：
20～35℃
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-fermentativebacteria）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-producingacetogens）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1.48×10-56mol/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。
19.1.2厌氧消化机理和厌氧处理技术
厌氧消化机理如（图19-２）所示。
图19-2产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）
19.2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。
19.2.1 温度因素
温度与有机物负荷、产气量关系见（图19-3）：
图19-3温度与有机物负荷、产气量关系图
消化温度与消化时间的关系见（图19－4）：
图19-4温度与消化时间关系曲线
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。
因此要严格控制料液的消化温度，允许温度变动范围为1.5～2.0℃，当有3℃的变化时，就会抑制消化速率
，有5℃的急剧变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌氧消化。
根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化、中温消化（35℃左右）和高温消化（54℃左右）。
1.常温消化的温度为10～30℃，其优点是消化池不需升温设备和外加能源，建设费用低，原料用量少。
但分解缓慢，
产气少。
2.中温消化的产气量比常温消化高出许多倍。
3.高温消化温度的特点是原料分解快，产气量高，固体停留时间短和反应器容积小，但甲烷含量略低于中温和常温消
化，并需消耗大量热能。
目前，利用太阳能来提高沼气池温度，增加产气率是新能源综合利用的方向之一。
目前，废物的厌氧消化大多是在中温下进行的,但随着废物处理排放卫生指标的提高，高温厌氧消化越来越引起关注。
高温条件对于有机废物的降解和病原菌的杀灭是更有效的，尤其对于厌氧消化残余物须用于土地处理的情况,高温处理更是
必要的。
几种常见病菌与寄生虫的死亡温度见（表19-2）。
表19-2几种常见病菌与寄生虫的死亡温度
名称
死亡温度
名称
死亡温度
沙门氏伤寒菌
沙门氏菌数
志贺氏杆菌
大肠杆菌
阿米巴属
美洲钩虫
流产布鲁土菌
酿脓链球菌
化脓性细菌
结核分枝杆菌
牛结核杆菌
蛔虫卵
钩虫卵
46℃以上不生长;55~60℃,30min内死亡
56℃,1h内死亡;60℃,15～20min死亡
55℃,1h内死亡
绝大部分55℃,1h死亡;60℃,15～20min死亡
50℃,3天死亡;71℃,50min内死亡
45℃,50min内死亡
61℃,3min内死亡
54℃,10min内死亡
50℃,10min内死亡
66℃,15～20min内死亡
55℃,45min内死亡
50～45℃,5～10d死亡
50℃,3d死亡
鞭虫卵
血吸虫卵
蝇蛆
霍乱产弧菌
炭疽杆菌
布氏杆菌
猪丹毒杆菌
猪瘟病毒
口蹄疫病毒
小麦黑穗病菌
稻热病菌
麦蛾卵
二化螟卵
小豆象虫
蛲虫卵
45℃,60d死亡
53℃,1d死亡
51～56℃,1d死亡
65℃,30d死亡
50～55℃,60d死亡
55℃,60d死亡
50℃,15d死亡
50～60℃,30d死亡
60℃,30d死亡
54℃,10d死亡
51～52℃,10d死亡
60℃,5d死亡
55℃,3d死亡
60℃,4d死亡
50℃,1d死亡
19.2.2. 生物固体停留时间（污泥龄）与负荷
消化池的容积负荷和水力停留时间的关系见（图19－5）：
图19-5容积负荷和水力停留时间关系曲线
19.2.3搅拌和混合
有机物的厌氧消化过程是微生物的代谢活动，因此需要微生物与物料之间始终保持良好的接触，使微生物不断接触到新
的食料和进行高效的消化，搅拌是实现此目的的一种简单的有效方法。
搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接
触机会，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。
19.2.4营养与C/N比
除了矿物油和木质素外，自然界中的有机物质一般都能被微生物利用产生沼气，但不同的有机物产气量和产气速度不同
，一般气体发生量是由消化物的组成所决定的。
污泥中几种物质厌氧消化沼气产气量见（表19-3）。
表19-3垃圾中几种物质厌氧消化产气量
物质
纤维素
脂肪
蛋白质
沼气（mL/g）
830
1250
704
CH4（%）
50
68
71
CO2（%）
50
32
29
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。
实验表明，碳氮比（C/N）在（12～16）:
1时厌氧菌最活跃，单位质量的有机物产气量也最多
。
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。
表19-4各种废物的碳氮比（C/N）
原料
碳氮比
原料
碳氮比
大便
（6～10）:
1
厨房垃圾
25:
1
小便
0.8:
1
混合垃圾
34:
1
牛厩肥
18:
1
初沉池污泥
5:
1
鲜马粪
24:
1
二沉池污泥
10:
1
鲜羊粪
29:
1
鲜猪粪
13:
1
19.2.5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。
19.2.6有毒物质
有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。
抑制剂的种类也很多，包括部分气
态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。
例如，消化系统中的微量的氧存在就会对产甲烷菌形成抑制。
另外，厌氧消化过程中由于甲烷菌的生长受到了抑制，挥发性脂肪酸和氢气的积累，往往也会导致消化系统崩溃。
此外，还
有一些抑制物质，见（表19-5）。
当其浓度超过限制值时，也会对厌氧微生物产生不同程度的抑制作用。
表19-5对厌氧消化具有抑制作用的物质
抑制物质
浓度/（mg/L）
抑制物质
浓度/（mg/L）
挥发性脂肪酸
>2000
Na
3500～5500
氨氮
1500～3000
Fe
1710
溶解性硫化物
>200
Cr6+
3
Ca
2500～4500
Cr3+
500
Mg
1000～1500
Cd
150
K
2500～4500
19.2.7酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用
厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切的关系，pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物
要求不同的pH值，过高或过低的pH对微生物是不利的，表现在：
1．由于pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收；
2．pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多
数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；
3．pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的pH值时才能发挥最大活性，不适宜的pH值使酶的活性降低，进而
影响微生物细胞内的生物化学过程。
厌氧消化体系中的产甲烷菌对pH的变化非常敏感，大多数产甲烷菌适合的pH范围在6.17～7.14之间，pH在
6.8～7.2时产甲烷菌的活性最高。
pH低于6.2时产甲烷效率明显下降是由于此时甲烷的形成速率低于有机酸的形成速率
，此时，产甲烷菌的生长则被明显抑制，而产酸菌的活性仍很旺盛，常导致pH降至4.5～5.0，这种酸化状态对甲烷菌是
有毒害作用的。
pH高于7.5时产甲烷效率的明显下降是由于NH4+转变成了对产甲烷菌有毒的、非离子化的NH3。
在实际运行中根据实际情况要投加碳酸氢钠、碳酸钠等缓冲物质。
如果酸性过大，可在发酵液中加人适量的石灰；如碱
性过大则应及时投加新鲜的消化基质和水并排除部分消化物。
19.3两级厌氧与两相厌氧处理
19.3.1两级厌氧生物处理
两级消化：
根据沼气产生的规律（图19-6）设计。
图19-6消化时间与产气率关系曲线
1.目的：
节省能量（节省污泥加温与搅拌的部分能量）
2.特点：
第一级：
加热（33～35℃）、搅拌。
第二级：
不加热（20～26℃）、不搅拌（可视为污泥浓缩池用）。
3.池容
19.3.2两相厌氧生物处理
两相厌氧消化：
根据消化机理设计。
1.目的：
改善厌氧消化条件，从而减少池容与能耗。
2.特点：
第一相：
n=100%；t停=1d
处于水解与发酵、产氢产乙酸阶段（即消化的第一、二阶段）。
需加热、搅拌。
第二相：
n=（15～17）%；
；
处于产甲烷阶段（即消化的第三阶段）需加热、搅拌。
3.产气量：
1.0～1.3m3/m3或0.9～1.1m3/kgBOD5
4.优点：
（1）总容积小
（2）加热耗热量少，搅拌能耗少
（3）运行管理方便
19.4厌氧生物处理工艺与反应器
19.4.1普通厌氧消化池
1.池形
消化池的基本池形有圆柱形和蛋形两种。
2.构造
消化池的构造主要包括污泥的投配、排泥及溢流系统，沼气排出、收集与贮气设备、搅拌设备及加温设备等。
（1）投配、排泥与溢流系统
1）污泥投配：
生污泥需先排入消化池的污泥投配池，然后用污泥泵抽送至消化池。
2）排泥：
消化池的排泥管设在池底，依靠消化池内的静水压力将熟污泥排至污泥的后续处理装置。
3）溢流装置：
用以保持沼气室压力恒定。
溢流装置必须绝对避免集气罩与大气相通。
溢流装置常用形式有倒虹管式
、大气压式及水封式等3种。
如（图19-7）所示：
（2）沼气的收集与贮存设备
由于产气量与用气量常常不平衡，所以必须设贮气柜进行调节。
沼气从集气罩通过沼气管输送倒贮气柜。
贮气柜有低压
浮盖式与高压球形罐两种，如（图19-8）所示：
（3）搅拌设备
搅拌的目的是使池内污泥温度与浓度均匀，防止污泥分层或形成浮渣层，缓冲池内碱度，从而提高污泥分解速度。
当消
化池内各处污泥浓度相差不超过10％时，被认为混合均匀。
消化池的搅拌方法有沼气搅拌，泵加水射器搅拌及联合搅拌等3种可用连续搅拌；也可用间歇搅拌，在5～10h内将全池污
泥搅拌一次。
1）泵加水射器搅拌
2）联合搅拌法
联合搅拌法的特点是把生污泥加温、沼气搅拌联合在一个装置内完成。
3）沼气搅拌
沼气搅拌的优点是搅拌比较充分，可促进厌氧分解，缩短消化时间。
（4）加温
消化池加温目的在于：
维持消化池的消化温度（中温或高温），使消化能有效地进行。
加温方法有两种：
1）用热水或蒸汽直接通入消化池或通入设在消化池内的盘管进行间接加热；
缺点：
使污泥的含水率增加，局部污泥受热过高及在盘管外壁结壳等。
2）池外间接加温，即把生污泥加温到足以达到消化温度、补偿消化池壳体及管道的热损失。
优点：
壳有效地杀灭生污泥中的寄生虫卵。
池外间接加温用套管式泥——水热交换器或热交换器兼混合器完成。
如（图19-9）所示：
图19-9套管式热交换器
1-污泥入口；2-污泥出口；3-热媒进口；4-热媒出口
19.4.2厌氧接触工艺
厌氧接触法是在普通污泥消化池的基础上，并受活性污泥系统的启示而开发的。
其流程如下（图19-10）所示：
图19-10厌氧生物接触法
主要特征：
在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度，可大大降低水力停
留时间。
根据生物固体平均停留时间，可得下式：
式中
——生物固体平均停留时间，d；
——反应器中微生物浓度，g/m3；
——反应器容积，m3；
——出水微生物浓度，g/m3；
——处理废水流量，m3/d；
——剩余污泥微生物浓度，g/m3；
——剩余污泥排放量，m3/d。
假设系统的剩余污泥很少，甚至可做到不从系统排放剩余污泥，则
，则上式可改写为：
式中
为水力停留时间，d。
19.4.2厌氧生物滤池
1.厌氧生物滤池的构造
厌氧生物滤池是装填滤料的厌氧反应器。
厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没地通过滤料，在生物膜
的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中有机污染物被去除。
产生的沼气则聚集于池顶部罩内，并从
顶部引出。
处理水则由旁侧流出。
为了分离处理水挟出的生物膜，一般在滤池后需设沉淀池。
2.厌氧生物滤池的形式
根据水流方向，厌氧生物滤池可分为升流式和降流式两种形式。
如下（图19-11）所示：
a降流式b升流式
图19-11厌氧生物滤池
19.4.3厌氧生物转盘
1.厌氧生物转盘的构造
厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于上部加盖密封，为收集沼气和防止液面上的空间有氧存在。
厌
氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成。
如下（图19-12）所示：
图19-12厌氧生物转盘构造图
厌氧生物转盘的特点：
1）微生物浓度高，可承受高的有机物负荷；
2）废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能；
3）勿需处理水回流，与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作；
4）处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；
5）由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的活性；
6）有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；
7）可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下；
8）便于运行管理。
19.4.4UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器
1.升流式厌氧污泥床的构造
升流式厌氧污泥床在构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器。
如（图19-13）所示：
图19-13升流式厌氧污泥床
2.升流式厌氧污泥床的特点：
1）污泥床内生物量多，折合浓度可达20～30g/L；
2）容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般情况下可达10kgCOD/（m3·d）左右甚至能够高达15～40kgCOD/（m3·d），废
水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。
3）设备简单，运行方便，勿需设沉淀池和污泥回流装置，不需填充填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对
较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。
19.4.5厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器
1.厌氧膨化床与厌氧流化床的工艺流程
两相厌氧流化床工艺流程如（图19-14）所示，床内充填细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等
，填料粒径一般为0.2～1mm。
废水从床底部流入，为使填料层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内水流的上升
速度。
图19-14二相厌氧流化床流程图
2.厌氧膨化床与厌氧流化床的特点：
1）细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有很高的微生物浓度，一般为30gVSS/L左右，因此
有机物容积负荷较高，一般为10～40kgCOD/（m3·d），水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定；
2）载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；
3）床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；
4）既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处理。
厌氧流化床的主要缺点有：
1）载体流化能耗较大；
2）系统的设计要求高。
19.4.6厌氧折流板式反应器
1.厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程
厌氧折流板式反应器及废水处理工艺流程如（图19-15）所示。
在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来保持反应器内较高
的污泥浓度以减少水力停留时间。
挡板把反应器分为若干个上向流室和下向流室。
上向流室比较宽，便于污泥聚集，下向流
室比较窄，通往上向流的导板下部边缘处加60°的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持较高的污泥
浓度，当废水COD浓度高时，为避免出现挥发性有机酸浓度过高，减少缓冲剂的投加量和减少反应器前端形成的细菌胶质的生
长，处理后的水进行回流，使进水COD稀释至大约5～10g/L，当废水COD浓度较低时，不需进行回流。
图19-15厌氧挡板反应器工艺流程图
2.厌氧挡板式反应器的特点：
（1）反应器启动期短。
试验表明，接种一个月后，就有颗粒污泥形成，两个月就可以投入稳定运行；
（
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