厌氧生物处理工艺讲义.doc

PAGE PAGE 30 厌氧生物处理工艺 第一节 厌氧生物处理的基本原理 第二节 厌氧生物处理工艺的发展及特征 第三节 早期的厌氧生物反应器 第四节 厌氧消化池 第五节 现代高速厌氧生物反应器 第六节 厌氧生物处理工艺的新进展 第七节 厌氧生物处理工艺的运行管理 第一节 废水厌氧生物处理原理 废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。 一、厌氧生物处理的基本生物过程 1、两阶段理论： 20世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论” 图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶 图1厌氧反应的两阶段理论图示 内源呼 吸产物 碱性发酵阶段 酸性发酵阶段 水解胞外酶 胞内酶产甲烷菌 胞内酶产酸菌 不溶性有机物 可溶性有机物 细菌细 胞 脂肪酸、醇类、 H2、CO2 其它产物 细菌细胞 CO2、CH4 第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methane producing bacteria）；产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 2、三阶段理论 对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质； 厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类； 说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、 IV为四类群理论； 2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌 说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、 IV为四类群理论； 2）所产生的细胞物质未表示在图中 III 发酵性细菌 脂肪酸、醇类 产氢产乙酸菌 II 同型产乙酸菌 IV 有机物 乙酸 H2+CO2 CH4 I 产甲烷菌 图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论 水解、发酵阶段： 产氢产乙酸阶段：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/CO2； 产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4； 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。 3、四阶段理论（四菌群学说）： 几乎与Bryant提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌群学说”： 实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。 总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。 4、多阶段理论 但是，当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物的时候，在厌氧反应器中发生的反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述的反应过程复杂，可以参见“厌氧复杂体系示意图”。 IWA-ADM1号模型：将厌氧消化过程分为五类19个子过程： 初步分解： 1) 复杂颗粒化合物被初步分解为颗粒状碳水化合物、蛋白质、脂类； 水解： 2) 碳水化合物被水解为单糖； 3) 蛋白质被水解为氨基酸； 4) 脂类被水解为长链脂肪酸和单糖； 产酸产氢作用： 5) 单糖被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢； 6) 氨基酸被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢； 7) 长链脂肪酸(LCFA)被转化为乙酸和氢； 8) 戊酸被降解为丙酸、乙酸和氢； 9) 丁酸被降解为乙酸和氢； 10) 丙酸被降解为乙酸和氢； 产甲烷作用 11) 乙酸被乙酸营养型的产甲烷菌消耗； 12) 氢被氢营养型产甲烷菌消耗； 细菌的衰亡 13) 单糖降解微生物的衰亡； 14) 氨基酸降解微生物的衰亡； 15) 长链脂肪酸降解微生物的衰亡； 16) 戊酸和丁酸降解微生物的衰亡； 17) 丙酸盐降解微生物的衰亡； 18) 乙酸营养型产甲烷菌的衰亡