中農(nóng)大環(huán)境微生物學(xué)課件第11章 廢水厭氧生物處理

第11章廢水厭氧生物處理一、厭氧處理法的特點(diǎn)和類型二、厭氧消化的基本生化過(guò)程與參與微生物三、產(chǎn)甲烷菌及其生理特性四、厭氧顆粒污泥一、厭氧處理法的特點(diǎn)和類型厭氧處理法

(anaerobic

treatment

process)是在缺氧條件下利用厭氧微生物(包括兼性微生物)分解污水中有機(jī)物的方法，也稱厭氧消化法

(anaerobic

digested

process)

。厭氧處理法的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)負(fù)荷高，去除效率高。能源動(dòng)力消耗少，且產(chǎn)能。剩余污泥量少。設(shè)備投資少，運(yùn)行費(fèi)用低。

厭氧污泥可長(zhǎng)期貯存，為季節(jié)性或間歇式運(yùn)行提供方便。厭氧處理法的缺點(diǎn)污泥增加緩慢，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)出水一般達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。操作控制因素較為復(fù)雜，沼氣易燃厭氧處理法的主要類型常規(guī)消化池或普通消化池(conventionaldigester)厭氧接觸消化池

(anaerobiccontactdigester)厭氧濾器

(anaerobic

filter,

AF)升流式厭氧污泥層

(upflow

anaerobic

sludgeblanket

，UASB)化糞池Donald(1895年)里程碑最早采用的二級(jí)消化池傳統(tǒng)消化池加蓋密封標(biāo)志著現(xiàn)代廢水厭氧處理工藝的誕生厭氧接觸工藝(1956年)厭氧污泥層具有劃時(shí)代的意義UASB厭氧污泥厭氧消化總過(guò)程有機(jī)物——→

CH4+CO2+NH3+H2S二、厭氧消化的基本生化過(guò)程與參與微生物水

解階

段

(

hydrolysis

phase)

或

液化

階段 (liquefaction

phase)發(fā)酵階段(產(chǎn)酸階段)(acid

formation

phase)甲烷產(chǎn)生階段

(methane

formation

phase)厭氧消化過(guò)程分成三個(gè)階段水解菌 發(fā)酵菌 產(chǎn)乙酸菌不溶解有機(jī)物——→可溶性有機(jī)物——→揮發(fā)性酸類——→甲烷菌乙酸，H2

，CO2——→氣體在此過(guò)程中有四類微生物參與：水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌。厭氧消化過(guò)程第一階段：水解階段——水解菌

在這個(gè)階段水解細(xì)菌產(chǎn)生胞外酶，將有機(jī)大分子物質(zhì)水解成為小分子的可溶性物質(zhì)。

水解蛋白質(zhì)、糖類和脂肪的速度很快，然而水解纖維素和其它復(fù)雜化合物速度就比較慢。

一般水解菌以兼性厭氧菌為主，專性厭氧菌所占比例較小。第二階段：酸化階段蛋白質(zhì)、脂肪和糖類水解后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成的代謝產(chǎn)物是揮發(fā)性有機(jī)酸如乙酸、丙酸、乳酸，還有甲醇和其它簡(jiǎn)單的醇類以及CO2和H2等?；|(zhì)——→乙酸+CO2

+H2O

基質(zhì)——→丙酸+丁酸+乙醇在較低的H2分壓下前一個(gè)反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，在較高的H2分壓(>0.0001

atm)下后一個(gè)反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。第二階段：酸化階段(續(xù))——產(chǎn)乙酸菌有機(jī)酸等水解產(chǎn)物，再由產(chǎn)乙酸細(xì)菌

(acetogenicbacteria)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸和H2

、CO2

，供下一步驟使用。丙酸＋2H2O→乙酸+CO2+3H2-能丁酸+2H2O→2乙酸+2H2

-能乙醇+H2O→乙酸+2H2

-能某些產(chǎn)乙酸菌如醋酸梭菌可將H2和CO2合成為乙酸。H2

+CO2

→乙酸-能反應(yīng)ΔG0’,(kJ/反應(yīng))丙酸-乙酸丁酸-乙酸乙醇-乙酸乳酸-乙酸CH3

CH2

COO-+3H2

O

CH2

COO-+HCO3

-+3H2

+H+

CH3

CH2

CH2

COO-+2H2

O

2CH2

COO-+2H2

+2H+

CH3

CH2

OH+2H2

O

CH2

COO-+2H2

+H+

CH3

CHOHCOO-+2H2

O

CH2

COO-+

HCO3

-+2H2

+H++76.1+48.1+9.6-4.2中間代謝產(chǎn)物丙酸、丁酸、乙醇等在厭氧條件下降解為乙酸和氫，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是吸收能量的。因此只有生成的氫不斷消耗，使氫分壓維持在很低的水平，反應(yīng)才能得以進(jìn)行。第三階段：產(chǎn)甲烷階段——產(chǎn)甲烷菌在產(chǎn)甲烷菌(methanogen)的作用下，最終轉(zhuǎn)化為甲烷和其它終產(chǎn)物。產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌，它的生長(zhǎng)速度比第一、二階段的細(xì)菌的生長(zhǎng)速度一般要慢，故認(rèn)為它是一個(gè)重要的限制步驟。產(chǎn)甲烷的兩種方式(1)解乙酸菌利用乙酸產(chǎn)生甲烷CH3COO-+H2O——→CH4+HCO-3

+能乙酸或乙酸鹽是產(chǎn)甲烷菌的重要底物，大約有70％的甲烷來(lái)源于乙酸及其鹽類。解乙酸菌比產(chǎn)乙酸菌有較長(zhǎng)的世代時(shí)間，即2~3天對(duì)2~3小時(shí)(適宜條件，35℃)。因此厭氧消化池不能接受太高的有機(jī)負(fù)荷。它除了產(chǎn)甲烷外，還降低了消化池內(nèi)酸度。產(chǎn)甲烷的兩種方式(2)利用氫的甲烷菌合成甲烷4H2

+HCO-3

+H+——→CH4

+3H2O+能這個(gè)反應(yīng)在厭氧消化作用中很重要，它可以維持系統(tǒng)中較低的氫分壓。反應(yīng)ΔG0

’,(kJ/molCH4

)4H2

+CO2CH4

+2H2

O-1314H++4HCOO

CH4

+3CO2

+2H2

O-119.54H2

O

+4CO

CH4

+3CO2-185.54CH3

OH

3CH4

+CO2

+

2H2

O-1034CH3

NH3

+

+2H2

O

3CH4

+CO2

+

4NH4

+-742(CH3

)2

NH2

+

+2H2

O

3CH4

+CO2

+2NH4

+-744CH3

COO

+H+

CH4

+CO2-32.54CH3

CHOHCH3

+HCO3

+H+

4CH3

COCH3

+CH4

+3H2

O-36.5甲烷形成中的能量釋放生成甲烷的過(guò)程是放能反應(yīng)。互養(yǎng)共棲(互營(yíng))和種間氫轉(zhuǎn)移互養(yǎng)共棲

(syntrophy)

是指兩種和多種有機(jī)體共同利用某種有機(jī)物。在大多數(shù)互養(yǎng)共棲反應(yīng)中，涉及到一種微生物產(chǎn)生氫氣，另一種微生物消耗氫氣，因此這種共

棲

也

稱

為

種

間

氫

轉(zhuǎn)

移

(

interspecies

Htransfer)

?；I(yíng)聯(lián)合產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌為產(chǎn)甲烷菌提供乙酸產(chǎn)氫氣，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。產(chǎn)甲烷菌由于能利用分子氫而降低環(huán)境中的氫分厭，有利于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的生長(zhǎng)。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌只有在耗氫微生物(產(chǎn)甲烷菌)共生的情況下，才能將長(zhǎng)鏈脂肪酸降解為乙酸和氫，并獲得能量而生長(zhǎng)，這種產(chǎn)氫微生物與耗氫微生物間的共生現(xiàn)象稱為互營(yíng)聯(lián)合(Syntrophic

association)乙醇發(fā)酵

2CH3CH2OH

+

2H2O 4H2

+

2CH3COO-+2H+-能(△G0’=19.4KJ/mol)CH4

+2H2O+能(△

甲烷生成

4H2

+CO2G0’=-130.7KJ/mol)互養(yǎng)偶聯(lián)反應(yīng)2

CH3CH2OH

+

CO2

CH4

+2CH3COO-+2H++能(△G0’=-111.3KJ/mol)

前一個(gè)反應(yīng)為需能反應(yīng)，后一個(gè)反應(yīng)為放能反應(yīng)，兩個(gè)反應(yīng)和為放能反應(yīng)，支持互養(yǎng)兩種菌生長(zhǎng)。例乙醇發(fā)酵產(chǎn)生乙酸最終生成甲烷的過(guò)程除了乙醇，在研究中發(fā)現(xiàn)，土壤及厭氧反應(yīng)器中乙酸、丙酸、丁酸在轉(zhuǎn)化為甲烷的過(guò)程中都存在互營(yíng)聯(lián)合。在厭氧消化器中還有另一種專性厭氧菌——硫酸還原菌脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)，在沒(méi)有硫酸條件下，它與產(chǎn)甲烷菌互養(yǎng)，顯示產(chǎn)氫產(chǎn)酸的功能。如以乙醇、乳酸為基質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙酸和H2

、CO2。脫硫弧菌CH3CH2OH

+

H2OCH3CHOHCOOH

+H2OCH3COOH+2H2

+能脫硫弧菌CH3COOH+CO2

+2H2

+能與硫酸還原菌(SRB)競(jìng)爭(zhēng)利用H2但是如生活在富含硫酸鹽的廢水和其他生境，它們也利用乙酸鹽和H2

作為基質(zhì)，不生成CH4，而是硫化氫。4H2

+SO42-+H+

HS-+4H2O+能CH3COO-

+

SO42-

+3H+

2CO2+

H2S

+

2H2O+能乙酸乙酸CH

4+CO有機(jī)物降解形成甲烷的過(guò)程有機(jī)物(糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等)小分子有機(jī)物丙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇等4%20%24%52%76%

H

2+CO

2

H

+2

CO水解22馬澤氏甲烷八疊菌

(Methanosarcinamazei)三、產(chǎn)甲烷菌及其生理特性產(chǎn)甲烷菌在自然環(huán)境中分布很廣泛，不僅存在于沼氣池中，還存在于很多動(dòng)物的消化道內(nèi)、湖泊河流的沉積物中、沼澤地中。產(chǎn)甲烷菌屬于古菌，是很大一類細(xì)菌。形態(tài)有桿菌、球菌、螺旋菌等形態(tài)。產(chǎn)甲烷菌利用的基質(zhì)都只限于一碳

(H2/CO2，CH3OH，CO,HCOOH和CH3NH2)和二碳(CH3COOH)化合物代謝。產(chǎn)甲烷菌需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，氧還電位要低于-300

mV下才能生長(zhǎng)。它們只需要簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)條件，如NH3和H2S。氨是生長(zhǎng)不可缺少的氮源。硫化物是最常見(jiàn)的硫源，但也有些種可利用半胱氨酸。Methanogenesis

fromCO2

plus

H2名稱輔酶F420輔酶F430甲烷呋喃(MF)甲烷喋呤(MP)輔

酶M(CoM)輔酶HS-HTP結(jié)構(gòu)與黃素輔酶FMN相似含鎳的四吡咯低分子量輔酶(含呋喃)與維生素B6

(葉酸)相似2-巰基乙烷磺酸7-巰基庚酰蘇氨酸磷酸鹽,與泛酸相似作用低還原電位的雙電子載體,氫化酶和NADP+還原酶的輔酶與甲烷形成的最后一步有關(guān)與CO2

轉(zhuǎn)化為甲烷的第一步反應(yīng)有關(guān)，C1

載體C1

載體甲基基團(tuán)攜帶者(C1載體),參與甲烷形成最后一步遞氫體,參與甲烷形成的最后一步甲烷菌特有的輔酶獨(dú)特的輔酶輔酶F420作為電子傳遞體。它是一種遞氫體，與其它遞氫體相比，它要在更低的氧還電位下起作用(E0=-373mV,pH

7)。由于它在光譜420

nm處具有最大吸收峰而得名。它在還原狀態(tài)時(shí)可以發(fā)出青藍(lán)色熒光。在反射式熒光顯微鏡下可以以此清楚地分辨出混合培養(yǎng)物中的產(chǎn)甲烷菌。在熒光顯微鏡下觀察到的甲烷菌，由于電子載體F420存在使其發(fā)出藍(lán)光

巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina

barkeri)甲酸甲烷桿菌(Methanobacteriumformicicum)四、厭氧顆粒污泥顆粒污泥結(jié)構(gòu)及其微生物組成UASB反應(yīng)器中的污泥反應(yīng)器的運(yùn)行效果取決于沉降性能良好、高產(chǎn)甲烷活性的厭氧污泥—顆粒狀形成顆粒污泥的重要性：提高沉降性，保持反應(yīng)器內(nèi)高生物量

較長(zhǎng)的SRT，將SRT與HRT分離，可以縮短HRT，提高處理能力

顆粒污泥的結(jié)構(gòu)為產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷菌分別提供適宜而穩(wěn)定的生存條件。顆粒污泥中形成微小的生態(tài)群落，縮短了各類菌之間的距離，便于種間氫轉(zhuǎn)移

顆粒污泥的形成為更高處理效能的反應(yīng)器(EGSB、IC)開(kāi)發(fā)成為可能。五、厭氧消化處理的工藝條件厭氧條件(氧化還原電位＜-300mv)溫度pH值物料中的碳、氮、磷比有機(jī)負(fù)荷污泥濃度接種攪拌有毒物質(zhì)溫度厭氧消化的范圍在5℃~60℃。但10℃以下產(chǎn)氣量極低。厭氧處理一般分常溫(10℃~34℃)，中溫 (35℃~40℃)和高溫(50~55℃)三種類型。一般來(lái)說(shuō)，溫度較高厭氧消化的效率也高，但也不盡然。如在35℃左右和53℃左右可分別獲得較高的處理效率，但是在45℃附近相對(duì)處理效率較低。厭氧菌的最適溫度 根據(jù)最適溫度可將厭氧細(xì)菌分為嗜熱菌(高溫菌)