水处理生物学(第十讲).ppt

5.2 厌氧生物处理原理与过程厌氧生物处理原理与过程一、一、厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物厌氧生物处理的基本原理及参加的微生物 废水的厌氧生物处理：废水的厌氧生物处理：在无氧的条件下，借多种厌在无氧的条件下，借多种厌氧微生物的作用处理废水。又叫厌氧消化。氧微生物的作用处理废水。又叫厌氧消化。1881年法国报道了罗伊斯年法国报道了罗伊斯莫拉斯（莫拉斯（Louis Mouras）发明的）发明的“自动净化器自动净化器”，开始了利用厌氧消化，开始了利用厌氧消化处处理废水的历史，至今已理废水的历史，至今已100多年。多年。1979年布利安特（年布利安特（Bryant）等人提出厌氧消化的）等人提出厌氧消化的三阶段三阶段4 类群理论。类群理论。发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段）发酵细菌作用阶段（水解发酵阶段）产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段）产醋酸细菌作用阶段（产氢、产乙酸阶段）产甲烷阶段产甲烷阶段（1）发酵细菌作用阶段）发酵细菌作用阶段n原理原理：碳水化合物碳水化合物 单糖单糖 蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 醇醇 类脂类脂 脂肪酸脂肪酸 低级脂肪酸低级脂肪酸n参加的微生物参加的微生物：发酵细菌群发酵细菌群：梭菌属（梭菌属（Clostridium)丁酸弧菌属（丁酸弧菌属（Butyrivibrio）拟杆菌属（拟杆菌属（Bacteroides)n特性特性 大多专性厌氧；适宜大多专性厌氧；适宜pH4.58。胞外酶胞外酶发酵发酵（2 2）产醋酸细菌作用阶段产醋酸细菌作用阶段n原理原理：上阶段产物：上阶段产物：（丙酸、丁酸、醇等）（丙酸、丁酸、醇等）醋酸、甲胺醋酸、甲胺、CO2、H2n参加的微生物参加的微生物：产氢产乙酸细菌群产氢产乙酸细菌群和同型产乙酸细菌群和同型产乙酸细菌群：互营单胞菌属互营单胞菌属、互营杆菌属、互营杆菌属、梭菌属、梭菌属、暗杆菌属、暗杆菌属n特性特性 绝对厌氧菌获兼性厌氧菌；适宜绝对厌氧菌获兼性厌氧菌；适宜pH 4.58。（3 3）产甲烷细菌作用阶段（厌氧消化的控制阶段）产甲烷细菌作用阶段（厌氧消化的控制阶段）n原理原理：H2、CO2、CH3COOH CH3NH2、CH3OH CH4n 参加的微生物参加的微生物：产甲烷细菌群产甲烷细菌群：产甲烷杆菌属产甲烷杆菌属；产甲烷短杆菌属产甲烷短杆菌属；产甲烷球菌属。；产甲烷球菌属。n特性特性 严格厌氧菌严格厌氧菌；中温菌对温度敏感；中温菌对温度敏感；pH 适宜适宜6.87.2；增殖速率慢。；增殖速率慢。废水中有机物废水中有机物 发酵性细菌发酵性细菌 脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类 产氢产乙酸细菌产氢产乙酸细菌 同型产乙酸细菌同型产乙酸细菌 乙酸乙酸 H2+CO2 产甲烷细菌产甲烷细菌 CH4 厌氧消化三阶段四类群厌氧消化三阶段四类群二、二、厌氧微生物群体间的关系厌氧微生物群体间的关系 不产甲烷细菌和产甲烷细菌相互依赖、相互制约。不产甲烷细菌和产甲烷细菌相互依赖、相互制约。表现在：表现在：（1）不产甲烷细菌未产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需）不产甲烷细菌未产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需的的基质。的的基质。不产甲烷细菌的产物氢、二氧化碳、乙酸提供给产不产甲烷细菌的产物氢、二氧化碳、乙酸提供给产甲烷细菌。产甲烷细菌为厌氧环境有机物分解食物链最甲烷细菌。产甲烷细菌为厌氧环境有机物分解食物链最后环节。后环节。（2）不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条）不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件。件。厌氧发酵初期的加料等带入的空气中的氧被不产甲厌氧发酵初期的加料等带入的空气中的氧被不产甲烷细菌的代谢作用，使发酵液的氧化还原电位不断下烷细菌的代谢作用，使发酵液的氧化还原电位不断下降，为产甲烷细菌提供生长条件。降，为产甲烷细菌提供生长条件。（3）不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质）不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质 苯环、氰化物可被不产甲烷细菌降解。苯环、氰化物可被不产甲烷细菌降解。（4）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制。制。不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制其本身的不断形不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制其本身的不断形成。如氢的积累抑制产氢细菌的产氢，酸的积累抑制产成。如氢的积累抑制产氢细菌的产氢，酸的积累抑制产酸细菌的产酸。而产甲烷细菌可以利用氢、乙酸、二氧酸细菌的产酸。而产甲烷细菌可以利用氢、乙酸、二氧化碳等，解除反馈。化碳等，解除反馈。（5）不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的）不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。值。不产甲烷菌分解糖等产生酸，降低不产甲烷菌分解糖等产生酸，降低pH产甲烷菌分解产甲烷菌分解酸产生甲烷，酸产生甲烷，pH 上升上升。三、三、厌氧废水处理的影响因素厌氧废水处理的影响因素 （1）温度）温度 对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。厌氧消化最佳温度：厌氧消化最佳温度：55左右左右嗜热菌（高温消化）嗜热菌（高温消化）35左右左右嗜温菌（中温消化）嗜温菌（中温消化）取舍：取舍：高温消化的反应速率为中温消化的高温消化的反应速率为中温消化的1.51.9倍，但倍，但甲烷在气体中占比例低，消化不彻底。高温消化需较多甲烷在气体中占比例低，消化不彻底。高温消化需较多的能量，不经济。的能量，不经济。温度对厌氧消化的影响温度对厌氧消化的影响（2）pH 值值 不产甲烷细菌适宜不产甲烷细菌适宜pH 4.58 产甲烷细菌适宜产甲烷细菌适宜pH 6.87.2 在在pH8.2的环境中，厌氧消化会受到的环境中，厌氧消化会受到严重抑制，主要对甲烷细菌的抑制。严重抑制，主要对甲烷细菌的抑制。厌氧消化的最佳厌氧消化的最佳pH 值为值为6.87.2.（3）营养物与微量元素营养物与微量元素 所需要营养物的浓度可以根据废水的可生物降解的所需要营养物的浓度可以根据废水的可生物降解的 COD（CODBD）浓度和它的酸化程度来估算。）浓度和它的酸化程度来估算。CODBDYcell1.14 所需最低的营养元素的浓度，所需最低的营养元素的浓度，mg/L；CODBD 进液中可生物降解的进液中可生物降解的 COD 浓度，浓度，g/L；Y细胞产率，细胞产率，gVSS/g CODBD；cell该元素在细胞中的含量，该元素在细胞中的含量，mg/g 干细胞。干细胞。细胞产率细胞产率 Y 与废水酸化程度有关。与废水酸化程度有关。对于基本上未酸化的废水，对于基本上未酸化的废水，C：N：P=330：5：1 （4）氧化还原电位氧化还原电位 由于所有的产甲烷菌都是专性厌氧菌，因此严格的厌由于所有的产甲烷菌都是专性厌氧菌，因此严格的厌氧环境是其进行正常生理活动的基本条件。氧环境是其进行正常生理活动的基本条件。非产甲烷菌可以在氧化还原电位为非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100 100 mV 的环境中正常生长和活动；的环境中正常生长和活动；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 150 400 mV。四、四、厌氧法处理废水的特征厌氧法处理废水的特征 （1）处理对象：）处理对象：有机污泥和高浓度的有机废水。有机污泥和高浓度的有机废水。有机污泥：不溶性有机质、纤维素含量高的污水有机污泥：不溶性有机质、纤维素含量高的污水;高浓度有机废水：一般先厌氧处理将污物，后好氧处理。高浓度有机废水：一般先厌氧处理将污物，后好氧处理。大量稀释或降低好氧处理进水量，则处理费用较昂贵。大量稀释或降低好氧处理进水量，则处理费用较昂贵。（2）时间长：时间长：3035，需，需15天。天。BOD去除率去除率 5090。（3）能量需求大大降低：能量需求大大降低：不需供氧气，同时还可产生甲烷。不需供氧气，同时还可产生甲烷。每去除每去除1kg COD好氧生物处理一般需消耗好氧生物处理一般需消耗0.51.0 kW/h电电能；每去除能；每去除1kg COD 厌氧生物处理约能产生厌氧生物处理约能产生3.5kW/h电能。电能。（4）污泥产量极低污泥产量极低 厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。（5）处理后有机物浓度高于好氧处理。处理后有机物浓度高于好氧处理。（6）有臭气产生。有臭气产生。还原还原 S、SO42-H2S（7）设备较简单。设备较简单。五、五、厌氧法处理废水的应用厌氧法处理废水的应用 主要用于处理城市废水厂的污泥和固体含量很高的主要用于处理城市废水厂的污泥和固体含量很高的废水。废水。厌氧消化池厌氧消化池沼气沼气、稳定性好的腐殖质。、稳定性好的腐殖质。污泥体积减少污泥体积减少1/2以上。以上。浮盖式浮盖式消化池消化池 六、六、厌氧颗粒污泥的形成及影响因素厌氧颗粒污泥的形成及影响因素 （1）污泥颗粒化的定义）污泥颗粒化的定义 在上流式厌氧污泥床（在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器内，厌氧污）反应器内，厌氧污泥可以以絮状的聚集体（絮状污泥）或直径泥可以以絮状的聚集体（絮状污泥）或直径 0.5 6.0mm 的球形、椭球形颗粒污泥形态存在。的球形、椭球形颗粒污泥形态存在。污泥颗粒化污泥颗粒化:在厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程。在厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程。颗粒污泥的形成可以使颗粒污泥的形成可以使 UASB 内保留高浓度的厌氧内保留高浓度的厌氧污泥，它是大多数污泥，它是大多数 UASB 反应器启动的目标和启动成功反应器启动的目标和启动成功的标志。的标志。（2）颗粒污泥的性质）颗粒污泥的性质n颗粒污泥的形状大多数具有相对规则的球形或椭颗粒污泥的形状大多数具有相对规则的球形或椭球形，直径变化范围为球形，直径变化范围为0.14 5 mm，最大直径可达，最大直径可达7 mm,它的形状取决于反应器的运行条件。它的形状取决于反应器的运行条件。n颗粒污泥的密度在颗粒污泥的密度在 1030 1080 kg/m3。n颗粒污泥的颜色通常呈黑色或灰色，肉眼可见表颗粒污泥的颜色通常呈黑色或灰色，肉眼可见表面包裹着灰白色的生物膜。面包裹着灰白色的生物膜。n颗粒污泥的孔隙率在颗粒污泥的孔隙率在 40 80%.n颗粒污泥有良好的沉降性能，其沉降速度范围为颗粒污泥有良好的沉降性能，其沉降速度范围为 18 100 m/h.（3）颗粒污泥的结构）颗粒污泥的结构 利用扫描电子显微镜利用扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy,SEM）观察的结果表明，在颗粒污泥的表面）观察的结果表明，在颗粒污泥的表面经常存在着一些空洞和孔穴，这些洞穴可以作为基质或气经常存在着一些空洞和孔穴，这些洞穴可以作为基质或气体传输的通道。体传输的通道。（4）污泥颗粒化过程）污泥颗粒化过程n颗粒化机理颗粒化机理 到目前为止，还没有比较全面的理论能够清楚地到目前为止，还没有比较全面的理论能够清楚地阐明颗粒污泥的形成机理。多数学者研究支持的是阐明颗粒污泥的形成机理。多数学者研究支持的是二次成核学说二次成核学说，认为营养不足、衰弱的颗粒污泥，认为营养不足、衰弱的颗粒污泥，在水流剪切力作用下破裂成碎片，污泥碎片可作为在水流剪切力作用下破裂成碎片，污泥碎片可作为新内核，重新形成颗粒污泥。新内核，重新形成颗粒污泥。n颗粒化过程颗粒化过程 颗粒化过程是单一分散的厌氧微生物聚集生长成颗粒化过程是单一分散的厌氧微生物聚集生长成为颗粒污泥的过程，它的持续时间较长且过程复杂。为颗粒污泥的过程，它的持续时间较长且过程复杂。颗粒化过程由多个阶段组成：颗粒化过程由多个阶段组成：细菌与基体（有机、无细菌与基体（有机、无机材料）的吸引粘连，微生物聚集体的形成，成熟污机材料）的吸引粘连，微生物聚集体的形成，成熟污泥的形成。泥的形成。（5）影响颗粒污泥形成的因素）影响颗粒污泥形成的因素 影响颗粒污泥特性形成的因素主要有影响颗粒污泥特性形成的因素主要有废水组成和操作废水组成和操作因素。因素。n负荷：负荷：颗粒污泥的直径随负荷增大和进液浓度上升而增大。颗粒污泥的直径随负荷增大和进液浓度上升而增大。但由于进液浓度与负荷的相关性，实际上颗粒污泥的大小但由于进液浓度与负荷的相关性，实际上颗粒污泥的大小受传质过程中所进入颗粒内部的深度所支配。受传质过程中所进入颗粒内部的深度所支配。n水流与产气：水流与产气：虽然颗粒化过程与很多因素有关，但水流与产气选择虽然颗粒化过程与很多因素有关，但水流与产气选择性地洗出较小的颗粒和絮状污泥无疑是其中关键因素之一。性地洗出较小的颗粒和絮状污泥无疑是其中关键因素之一。n水力停留时间（水力停留时间（HRT）和上流速度）和上流速度：HRT 和上流速度是细小污泥洗出的主要因素。和上流速度是细小污泥洗出的主要因素。n悬浮物：悬浮物：废水中含有的悬浮物对颗粒污泥的发育会产生不利废水中含有的悬浮物对颗粒污泥的发育会产生不利的影响。的影响。n产酸菌产酸菌:当废水预酸化产生的悬浮产酸菌的浓度超过当废水预酸化产生的悬浮产酸菌的浓度超过 0.3g COD/L 时，会引起时，会引起 UASB 反应器中严重的污泥上浮反应器中严重的污泥上浮问题。问题。（6）污泥颗粒化的优点）污泥颗粒化的优点 n细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，其中细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，其中不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成细菌生长的条件并有利于有机物的降解；细菌生长的条件并有利于有机物的降解；n颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收；颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收；n颗粒使发酵菌中间产物的扩散距离大大缩短，这对颗粒使发酵菌中间产物的扩散距离大大缩短，这对复杂有机物的降解具有重要意义；复杂有机物的降解具有重要意义；n在废水性质（如在废水性质（如 pH 值、毒物浓度等）突然变化值、毒物浓度等）突然变化时，颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境，使代谢时，颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境，使代谢过程继续进行。过程继续进行。5.3 废水的生物脱氮除磷原理与过程废水的生物脱氮除磷原理与过程一、一、水体中氮和磷的危害水体中氮和磷的危害 水体富营养化（水体富营养化（eutrophication）：）：由于由于N、P在在水体中含量过高，而引起藻类、某些细菌大量繁殖，其水体中含量过高，而引起藻类、某些细菌大量繁殖，其它生物种类减少，以至水质恶化。它生物种类减少，以至水质恶化。开始富营养化的条件：开始富营养化的条件：水体中可溶性磷水体中可溶性磷 0.01mg/L N:P5:1 N：是富营养化的主要因素（：是富营养化的主要因素（NH4+,NO3-,NO2-,有机有机N）P:可溶性磷酸盐可溶性磷酸盐 与不溶性磷酸盐相互转化。与不溶性磷酸盐相互转化。N:P比例取决于：比例取决于：n生物转化（有机生物转化（有机N和无机和无机N间转化）间转化）n流入水体的水（出水的流入水体的水（出水的N、P超标）超标）项项目目未未处处理理污污水水含氮量含氮量（mg/L）一一级处级处理出水理出水二二级处级处理出水理出水含氮量含氮量（mg/L）去除率去除率含氮量含氮量（mg/L）去除率去除率有机氮有机氮溶解的溶解的悬悬浮的浮的NH4+-NNO2-NNO3-NTKN10 254 154 1510 300 0.10 0.515 507 204 152 910 300 0.10 0.515 4010%40%040%70%0005%25%3 61 31 510 300 0.10 0.510 4050%80%50%80%50%80%1 22 200.5碱度碱度没有没有变变化化氧化氧化 lmg NH4+-N 需要需要 7.14mg 的碱的碱没有没有变变化化还还原原 lmg NO3-N NO2-N 生成生成3.57g 的的碱度碱度氧的消耗氧的消耗分解分解 lmg 有机有机物物(BOD5）需）需氧氧 2mg氧化氧化1mg NH4+-N需氧需氧3.43mg氧化氧化1mg NO2-N需需氧氧3.43mg分解分解 lmg 有机物有机物(BOD5）需要）需要NO2-N 0.58mg，NO3-N 0.35mg，以提供化合，以提供化合态态氧氧最适最适 pH 值值6 87 8.56 7.56 8最适水温最适水温15 25303034 37增殖速度增殖速度/d1.2 3.50.21 1.080.28 1.44好氧分解的好氧分解的1/2 1/2.5生物硝化和反硝化反应过程特征生物硝化和反硝化反应过程特征（3）短程硝化反硝化技术短程硝化反硝化技术 短程硝化反硝化：短程硝化反硝化：就是将硝化过程控制在就是将硝化过程控制在NO2 阶段，阻止阶段，阻止NO2进一步进一步氧化为氧化为NO3，直接以，直接以NO2作为电子最终受氢体进行反硝作为电子最终受氢体进行反硝化。化。氮的变化过程为：氮的变化过程为：NH4+HNO2 N2。与传统生物脱氮工艺相比：与传统生物脱氮工艺相比：n短程硝化短程硝化-反硝化生物脱氮工艺可节约供氧量反硝化生物脱氮工艺可节约供氧量25；n节约反硝化所需碳源节约反硝化所需碳源40左右；左右；n减少污泥生成量；减少污泥生成量；n减少硝化过程的投碱量；减少硝化过程的投碱量；n缩短反应时间，相应地减少了反应器容积缩短反应时间，相应地减少了反应器容积3040。（4）厌氧氨氧化（厌氧氨氧化（Anammox）Anammox现象：现象：这种在无氧环境中，同时存在氨和这种在无氧环境中，同时存在氨和NO2或或NO3时，时，NH4+作为反硝化的无机电子供体，作为反硝化的无机电子供体，NO2或或NO3作为电子受体，生作为电子受体，生成氮气，这一过程称为成氮气，这一过程称为 Anammox（Anaerobic Ammonium Oxidation）。）。Anammox反应机理：反应机理：n5 NH4+3 NO3 4 N2+9 H2O+2 H+nNH4+NO2 N2+2 H2O 三、三、废水生物除磷废水生物除磷 磷常以磷常以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水的形式存在于废水中。中。（1）参与生物除磷的微生物）参与生物除磷的微生物20世纪世纪70年代末，发现多种有明显除磷能力的细菌，年代末，发现多种有明显除磷能力的细菌，统称统称除磷菌除磷菌，如不动杆菌（，如不动杆菌（Acinetobacter）。）。在有氧环境中可超量摄取磷。在有氧环境中可超量摄取磷。一般细菌细胞中磷占一般细菌细胞中磷占2.3。而除磷菌可摄取约为正。而除磷菌可摄取约为正常需要常需要10倍以上的磷。倍以上的磷。（2）废水的生物除磷的基本原理及实质）废水的生物除磷的基本原理及实质 利于聚磷菌一类的细菌，过量地、超出其生理需要地利于聚磷菌一类的细菌，过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储存在体内，形成高从外部摄取磷，并将其以聚合形态储存在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。磷污泥，排出系统，达到从废水中除磷的效果。分两步进行：分两步进行：聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）聚磷菌的放磷（厌氧条件）聚磷菌的放磷（厌氧条件）n聚磷菌的磷过量摄取（好氧）聚磷菌的磷过量摄取（好氧）在好氧条件下聚磷菌为有氧呼吸，它能不断地从外部在好氧条件下聚磷菌为有氧呼吸，它能不断地从外部摄取有机物，加以氧化分解，并产生能量，能量为摄取有机物，加以氧化分解，并产生能量，能量为 ADP 所获得，并结合所获得，并结合 H3PO4合成合成 ATP，即，即 ADP+H3PO4+能能 ATP+H2O H3PO4的大部分是通过主动输送的方式从外部环境摄的大部分是通过主动输送的方式从外部环境摄入的，一部分用于合成入的，一部分用于合成 ATP，另一部分则用于合成磷酸，另一部分则用于合成磷酸盐。这一现象就是盐。这一现象就是“磷的过量摄取磷的过量摄取”。好氧时摄取的磷多于厌氧时释放的磷。好氧时摄取的磷多于厌氧时释放的磷。n聚磷菌的放磷（厌氧）聚磷菌的放磷（厌氧）在厌氧条件下，聚磷菌体内的在厌氧条件下，聚磷菌体内的 ATP 进行水解，放出进行水解，放出H3PO4和能量，形成和能量，形成 ADP，即，即 ATP+H2O ADP+H3PO4+能能 同时，聚磷菌细胞内的聚磷酸盐分解同时，聚磷菌细胞内的聚磷酸盐分解PO43-这样，在好氧条件下，聚磷菌过量地摄取磷，在厌氧这样，在好氧条件下，聚磷菌过量地摄取磷，在厌氧条件下，又释放磷。生物除磷技术就是利用聚磷菌的这条件下，又释放磷。生物除磷技术就是利用聚磷菌的这一功能而开创的。一功能而开创的。厌氧好氧系统生物除磷过程图厌氧好氧系统生物除磷过程图 四、生物脱氮和除磷的影响因素四、生物脱氮和除磷的影响因素（1）温度温度 生物脱氮除磷系统温度在生物脱氮除磷系统温度在540范围内都能成功运范围内都能成功运行。行。（2）pH值与碱度值与碱度 生物脱氮最适生物脱氮最适pH：硝酸菌硝酸菌6.07.5，亚硝酸菌亚硝酸菌7.08.5，反硝化细菌反硝化细菌7.07.5 生物除磷最适生物除磷最适pH：6.08.0。（3）溶解氧）溶解氧 生物脱氮：生物脱氮：硝化时溶解氧硝化时溶解氧2.0mg/L；反硝化时溶解氧小于反硝化时溶解氧小于0.5mg/L。生物除磷：生物除磷：厌氧段溶解氧小于厌氧段溶解氧小于0.2mg/L；需氧段溶解氧需氧段溶解氧1.52.5mg/L。