第四章 厭氧生物處理

厭氧生物處理本章內(nèi)容

1厭氧生物處理原理

2厭氧反應(yīng)器

3厭氧生物處理數(shù)學(xué)模型

4硫酸鹽還原

5厭氧產(chǎn)氫

1厭氧生物處理原理1.1厭氧處理優(yōu)缺點：優(yōu)點(1)應(yīng)用范圍廣高濃度：15000mg/L(BOD)低濃度：200～300mg/L(BOD)(2)能耗低、不需充氧(3)剩余污泥少好氧：0.4～0.6kg生物量/kgCOD去除厭氧：0.15～0.2kg生物量/kgCOD去除(4)沼氣可以利用：產(chǎn)沼氣：0.35～0.45m3/kgCOD去除沼氣熱值：21000～25000KJ/m3(5)營養(yǎng)需求量小：好氧：BOD:N:P=100:5:1厭氧：BOD:N:P=300:5:1(6)間歇運行可以持續(xù)保持活性厭氧顆粒污泥可以保持1年以上(7)可以分解一些好氧難以降解的化合物(8)厭氧產(chǎn)氫可以成為新的能源缺點：(1)啟動慢(2)出水水質(zhì)不如好氧，一般需要后處理(3)管理水平要求高，需要防爆10%2厭氧生物處理原理2.2厭氧發(fā)酵與厭氧呼吸：厭氧發(fā)酵：電子供體和電子受體都是有機物；厭氧呼吸：無機氧化物作為最終電子受體；厭氧發(fā)酵：發(fā)酵途徑及酶系統(tǒng)有氧呼吸O2H2O硝酸鹽還原NO3－NO2－

N2硫酸鹽還原SO2-4S2－(HS－、H2S)硫呼吸S0S2－碳酸鹽呼吸CO2、HCO3－CH3COO-鐵呼吸Fe3+Fe2+(產(chǎn)甲烷)CO2、

HCO3－、CH4氧化還原電位2.2厭氧發(fā)酵與厭氧呼吸2、厭氧生物處理原理2.2厭氧處理過程及微生物：

美國微生物學(xué)會采用Eh來厭氧和好氧過程:（1980年）：好氧：－50～＋300mv兼性厭氧：－420～＋300mv專性厭氧：－420～－150mv2.2厭氧處理過程及微生物：厭氧生物處理過程：上世紀(jì)三十年代人們的認(rèn)識：兩階段2.2厭氧處理過程及微生物：厭氧生物處理過程：上世紀(jì)七十年代人們的認(rèn)識：三階段2.2厭氧處理過程及微生物：厭氧微生物：（1）不產(chǎn)甲烷菌（2）產(chǎn)甲烷菌（1）不產(chǎn)甲烷菌①發(fā)酵細(xì)菌：（水解、發(fā)酵）胞外酶的作用→小分子→在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化成為簡單化合物→分泌到體外Eh:－100～＋100mv

2.2厭氧處理過程及微生物：水解過程動力學(xué)：

Kh—水解常數(shù)

ρ—可降解非溶解性基質(zhì)濃度

（mg/L）2.2厭氧處理過程及微生物：水解產(chǎn)物：VFA（揮發(fā)性脂肪酸：乙、丙、丁酸……..)醇、CO2、H2、氨、H2S②產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌

發(fā)現(xiàn)：奧氏產(chǎn)甲烷“S”菌株是產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的共生體。甲烷乙醇丁酸丙酸0－40－80ΔG/KJlgPm/atm0－4－8+40+80共生：“種間氫轉(zhuǎn)移”，氫在0.5s內(nèi)被消耗，傳遞距離僅0.1mm。（2）產(chǎn)甲烷菌（a）產(chǎn)甲烷菌的分類

伯杰氏細(xì)菌鑒定手冊（第九版）：產(chǎn)甲烷菌：3目、6科、13屬、43個種（1991年，共分離到65個種）3目：甲烷桿菌、甲烷球菌、甲烷微菌6科：甲烷桿菌、甲烷熱菌、甲烷球菌、甲烷微菌、甲烷八疊球菌、甲烷盤菌。（還有部分未定科、未定目和科）

(b)產(chǎn)甲烷菌特性：（1）細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)和多糖（2）細(xì)胞膜：沒有甘油脂（3）碳源：目前證明只有8種物質(zhì)可以被甲烷菌所利用：

CH3-COO-、HCOO-、CH3OH、CH3-NH2-、(CH3)2NH、(CH3)3-N、CO、

CO2、

(4)產(chǎn)甲烷菌的特殊酶系統(tǒng)：

CH3COOHCO2CH3OH甲基輔酶M甲基還原酶（F420)CH4

（5）氧化還原電位Eh：<-330mv（6）營養(yǎng)物質(zhì)氮源：利用氨態(tài)氮生長因子：10種水溶性微生物微量元素：Ni、Co、Fe（7）繁殖：倍增時間：4～6天（8）溫度：中溫菌：30～40oC高溫菌：50～57oC特別嗜高溫菌：65～97oC

（9）pH值：產(chǎn)甲烷菌對pH變化適應(yīng)性差最佳pH為6.6～7.5厭氧體系的酸堿平衡：碳酸的離解：pH=pK1+lg[HCO3-]/[H2CO3]pK1=6.3CO2的溶解：[HCO3-]=KhPCO2Kh－亨利常數(shù)(mol/atm)其它：H2S/HSpK1=6.5H2PO4/HPO42-pK1=7.2μ/d-1乙酸濃度/mmol/L產(chǎn)甲烷八疊球菌產(chǎn)甲烷絲菌動力學(xué)特性：(3)硫酸鹽還原菌（SRB）1895年Beijerinck發(fā)現(xiàn)：利用H的硫酸鹽還原菌利用乙酸的硫酸鹽還原菌利用高級脂肪酸的硫酸鹽還原菌SRB特點：利用基質(zhì)的范圍廣：甲酸～十八烷脂肪酸芳香族酸、甘油、多糖營養(yǎng)：有機物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽pH:4.5～9.5,最佳：6.5～8.0氧化還原電位：Eh<-100mv(3)硫酸鹽還原菌（SRB）鹽度：嗜鹽和非嗜鹽嗜鹽菌：1～3％（以NaCl計）代謝：碳源酶CO2H2OCH3COOH產(chǎn)生ATPSO42-

+H2O消耗ATPS2-

+OH-4H2+SO42- H2S

+2H2O+2OH-CH3COO-

+SO42- HS-+2HCO3-硫酸鹽還原反應(yīng)：優(yōu)點：促進有機物的酸化分解

缺點：與甲烷菌競爭基質(zhì)，抑制甲烷菌生長表1.細(xì)菌的糖降解生化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化從理論上來講，每1mol葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙酸，可以同時生成4molH2；每1mol葡萄糖轉(zhuǎn)化為丁酸可以同時生成2molH2；而如果產(chǎn)物為丙酸、乳酸等，則沒有H2產(chǎn)生。發(fā)酵產(chǎn)氫厭氧產(chǎn)氫微生物大自然環(huán)境中能夠通過厭氧發(fā)酵方式產(chǎn)氫的細(xì)菌種類很多。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫微生物主要包括:①專性厭氧的異養(yǎng)微生物，包括梭菌屬(Clostrid

ium)、甲基營養(yǎng)菌(Methy

lotrophs)、產(chǎn)甲烷菌(Methanogenicbacteria)、瘤胃細(xì)菌(Rumenbacteria)以及一些古細(xì)菌(Archaea)等；②兼性厭氧菌，能夠通過分解甲酸的代謝途徑產(chǎn)氫。包括大腸桿菌(Escherichiacoli)和腸桿菌屬(Enterobacter)等。目前,研究較多的產(chǎn)氫細(xì)菌種類有梭狀芽孢桿菌屬(Clostridium)，如丁酸梭狀桿菌(Clostrid

ium

bu

tyricum)和拜氏梭狀芽孢桿菌(Clostrid

ium

pasteurianum)等；腸道芽孢桿菌屬(Enterobacter)，如產(chǎn)氣腸桿菌(Enterobacteraerogenes)和陰溝腸桿菌(Enterobacter

cloacaecae)等。不同種類的微生物對同一有機底物的產(chǎn)氫能力不同，通常嚴(yán)格厭氧菌高于兼性厭氧菌。另外，同種微生物不同菌株的產(chǎn)氫能力也存在差異。3厭氧生物反應(yīng)動力學(xué)復(fù)雜顆粒性物質(zhì)的分解速率=kdisXc顆粒性碳水化合物的水解速率=khyd,chXch顆粒性蛋白質(zhì)的水解速率=khyd,prXpr顆粒性脂類的水解速率=khyd,liXli式中：Xc－復(fù)合顆粒性物質(zhì)，gC/L；Xch－顆粒性碳水化合物，gC/L；Xpr－顆粒性蛋白質(zhì)，kgCOD/m3；Xli－顆粒性脂類，gC/L；kdis－復(fù)合顆粒性物質(zhì)的分解速率常數(shù)，d-1；khyd,c－顆粒性碳水化合物的水解速率常數(shù)，d-1；khyd,pr－顆粒性蛋白質(zhì)的水解速率常數(shù)，d-1；khyd,li－顆粒性脂類的水解速率常數(shù)，d-1；顆粒性物質(zhì)的水解發(fā)酵產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段的動力學(xué)都采用了Monod形式。

——底物去除速率，質(zhì)量/(體積?時間)；

k－單位質(zhì)量底物的最大利用速率，質(zhì)量/(細(xì)菌質(zhì)量?時間)；

S－可降解的底物量，質(zhì)量/體積；

Ks－半速常數(shù)，即在生長速率等于最大生長速率1/2時的底物濃度，質(zhì)量/底物體積；

X－細(xì)菌濃度，質(zhì)量/體積。3厭氧生物反應(yīng)動力學(xué)Eckenfelder方程3厭氧生物反應(yīng)動力學(xué)Andrews方程當(dāng)未離解揮發(fā)性脂肪酸為基質(zhì)，濃度[HS]

Ki——抑制系數(shù)4厭氧產(chǎn)氣的化學(xué)計量學(xué)VCH4＝0.35（Q·Sr—1.42ΔX）×10-3(m3/dSPT)

Sr—去除的BODu或CODb(kg/m3)

Q—污水流量(m3/d)

ΔX—厭氧微生物增長量(kg/d)微生物：C5H7O2N+5O2→5CO2-+H2O+NH34厭氧產(chǎn)氣的化學(xué)計量學(xué)VCH4＝0.35（Q·Sr—1.42ΔX）×10-3(m3/dSPT)

微生物氧化：C5H7O2N+5O2→5CO2-+2H2O+NH3

113160

O2/微生物＝160/

113=1.42（kgBODu

/kg微生物）

VCH4＝0.35（Q·Sr—1.42ΔX）×10-3(m3/dSPT)

甲烷氧化：CH4