2019精品废水厌氧★生物处理过程设计与优化数学

消化，是在厌氧条件下由活性污 泥中的多种微生物共同作用，使 有机物分解并生成CH4和CO2的 过程。
人们对有机物厌氧消化的认识不断深化： 两段说 三段说 四种群说
1、两段说
1930年Buswell 和Neave 肯定了Thumm 和Reichie(1914)与Imhoff(1916)的看法， 把有机物厌氧消化过程分为:
由产甲烷细菌利用乙酸和H2、C02， 产生CH4。
研究表明，厌氧生物处理过程中约 有70%CH4产自乙酸的分解，
其余少量则产自H2和CO2的合成。
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。
几乎与Bryant提出三阶段理论的同时， Zeikus(1979)在第一届国际厌氧消化会 议上提出了四种群说理论。
产氢产乙酸细菌可能是绝对厌氧菌或是 兼性厌氧菌。
(三)产甲烷细菌
产甲烷菌大致可分为两类： 一类主要利用乙酸产生甲烷； 另一类数量较少，利用氢和CO2合成生
成甲烷。 也有极少量细菌，既能利用乙酸，也能
利用氢。
以下是两个典型的产甲烷反应：
利用乙酸 CH3COOH →CH4+CO2 利用H2和CO2 4H2十CO2—→CH4+2H2O
3．不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有 毒物质
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、 长链脂肪酸、重金属等对于产甲烷细菌 有毒害作用的物质。
不产甲烷细菌中有许多种类能裂解苯环、 降解氰化物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， 而且给产甲烷细菌提供了养分。
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 的有机酸，产生的二氧化碳也部分溶于 水，使发酵液的pH明显下降。
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 中和部分酸；
厌氧消化过程
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，消耗酸和二氧 化碳。
而好氧微生物对温度的适应能力较强， 在5℃以上的温度条件下均能较好地发 挥作用。
产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为 小。
如温度降至10℃以下，厌氧微生物的活 动能力将非常低下。
而好氧微生物对温度的适应能力较强， 在5℃以上的温度条件下均能较好地发 挥作用。
产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为 小。
这类细菌的主要功能是先通过胞外酶的 作用将不溶性有机物水解成可溶性有机 物，再将可溶性的大分子有机物转化成 脂肪酸，醇类等。
不溶性有机物
可溶性有机物
可溶性的大分子有机物
小分子
研究表明，该类细菌对有机物 的 水 解 过 程 相 当 缓 慢 ， pH 和 细 胞 平均停留时间等因素对水解速率的 影响很大。
废水厌氧生物处理过程 设计与优化
一、厌氧生物处理过程及其特征 二、厌氧消化微生物 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 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 七、第三代厌氧反应器
废水厌氧生物处理过程 设计与优化
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
因此处理废水的厌氧消化反应常在常温 条件(20—25℃)下进行，以节省能量的 消耗和运行费用。
2. pH
产甲烷菌最适pH范围为6.8～7.2。在 pH=6.5以下或 pH=8.2以上的环境中， 厌氧消化会受到严重的抑制，这主要是 对产甲烷菌的抑制。
水解细菌和产酸菌也不能承受低pH的 环境。
A + B
C+D
在正常的厌氧发酵中，产甲烷细菌连
续利用由不产甲烷细菌产生的氢、乙酸、 二氧化碳等，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 甲烷细菌也就得以继续正常的生长和代 谢。
例如：降解乙醇 CH3CH2OH十H2O
→CH3COOH+2H2
5．不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维 持环境中适宜的pH值
4、四种群说理论
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：
水解发酵菌， 产氢产乙酸菌， 同型产乙酸菌（又称耗氢产乙酸菌）， 以及产甲烷菌。
四种群说有机物厌氧降解示意图
5、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
与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理 的主要特征有：
温度对微生物活性的影响
④处理后废水有机物浓度高于好氧 处理。
⑤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(或 部分降解)。
⑥处理过程的反应较复杂。
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 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。
厌氧发酵体系中的pH除受进水pH的影 响外，还取决于代谢过程中自然建立的 缓冲平衡。
影响酸碱平衡的主要参数：
挥发性脂肪酸、碱度和CO2含量。
但产甲烷细菌的作用会产生HCO3－， 使系统的pH回升。
系统中没有足够的HCO3－，将使挥发 酸积累，导致系统缓冲作用的破坏，即 所谓的“酸化”。
而厌氧生物处理每去除1kgCOD大约能 产生3.5kW·h电能。
②污泥产量极低。
因为厌氧微生物的增殖速率比好氧 微生物低得多。
一般，厌氧消化中产酸细菌的产率 (VSS/COD)为0.15～0.34，产甲烷细菌 为0.03左右，混合菌群的产率约 0.17；
而好氧微生物的产率约为0.25 ～0.6。
①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，
相反却能生产出含有 50%～70%甲烷 (CH4) 的 沼 气 ， 含 有 较 高 的 热 值 (约 为 21000 ～25000Kg/m3)，可用作能源。
为去除1kgCOD，好氧生物处理大约需 消耗0.5～1.0kW·h电能。
酸性发酵和碱性发酵两个阶段。
两阶段厌氧消化过程
有机物厌氧消化过程中pH的变化
2、三阶段理论
1979年布利安特(Bryant)等人提出了厌 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 下步骤进行的：
三阶段厌氧消化过程
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 解和发酵。

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 － 150 ～ － 400mV范围内。
氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作 用。
产甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期长， 甚至达4～6d。
因此，在一般情况下产甲烷反应是厌氧 消化的控制阶段。
(四)厌氧微生物群体间的关系
例如，多糖先水解为单糖，再通过 酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸， 如丙酸、丁酸、乳酸等；
蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基 作用产生脂肪酸和氨。
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 酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等 转化为乙酸、H2和C02。
第三阶段，产甲烷阶段
3．氧化还原电位
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 表示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 +100 ～ —100mV 的 环 境 下 进 行 正 常 的 生理活动；
产甲烷菌的最适氧化还原电位为：
—150～ —400mV， 培 养 产甲 烷 菌 的初期，氧化还原电位不能高于－ 320mV。
一为55℃左右，一为35℃左右。
厌氧微生物分为嗜热菌(高温细 菌)和嗜温菌(中温细菌)两大类， 相应的厌氧消化则被称为高温消 化 (55℃ 左 右 ) 和 中 温 消 化 (35℃ 左右)。
高温消化的反应速率约为中温消化的 1.5～1.9倍，产气率也高。
但气体中甲烷所占百分率却较中温消 化为低。

因此，当处理的废水中含有大量
难水解的类脂时，水解就会成为厌氧消
化过程的限速步骤。

但产酸的反应速率较快，并远高
于产甲烷反应。
发酵细菌大多数为专性厌氧菌，但也有 大量兼性厌氧菌。
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 物。
(二)产氢产乙酸菌
近年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包 括互营单孢菌属(Syntrophomonas)、 杆 菌 属 (Syntrophobacter) 、 梭 菌 属 (Clostridium)、暗杆菌属(Petobacter) 等。
丙酸、丁酸、乙醇等又可被产氢 产乙酸菌转化为氢、二氧化碳、 乙酸等。
所以，不产甲烷细菌通过其生命活动为 产甲烷细菌提供了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 氮源。
产甲烷细菌充当厌氧环境有机物分解 中微生物食物链的最后一个生物体。
2．不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适 宜的氧化还原条件
厌氧发酵初期，由于加料使空气进入 发酵池，原料、水本身也携带氧气，这 对产甲烷细菌是有害的。
不产甲烷细菌类群中那些需氧和兼性厌 氧微生物将其去除。
各种厌氧微生物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 代谢活动，使发酵液氧化还原电位不断 下降，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。
在厌氧生物处理反应器中，不产甲烷 菌和产甲烷菌相互依赖，互为对方创造 与维持生命活动所需要的良好环境和条 件，但又相互制约。
厌氧微生物群体间的相互关 系
1．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
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 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 等产物。