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第15章厌氧生物处理第15章厌氧生物处理•15.1概述•15.2厌氧生物处理的基本原理•15.3厌氧微生物生态学•15.4升流式厌氧污泥床反应器•15.5两相厌氧生物处理•15.6悬浮生长厌氧生物处理法•15.7固着生长厌氧生物处理法•15.1概述•15.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）--国外；国内•15.1.2厌氧生物处理工艺发展—国外；国内•15.1.3厌氧生物处理工艺分类•15.1.4厌氧生物处理技术在污（废）水处理领域的地位15.1概述•厌氧生物处理：无氧条件，厌氧微生物，转化有机物或无机物为甲烷（CH4）、二氧化碳、硫化氢等物质的过程。•用途：1）剩余污泥稳定处理，称厌氧消化、污泥消化；2）有机废水处理；厌氧处理工艺和好氧处理工艺对比15.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）1、国外概况1630年，VamHelmeut第一次发现由生物质厌氧消化产生可燃的甲烷气体。1776年，意大利物理学家Volta认为甲烷气体产生与湖泊沉积物中植物体的腐烂有关。1868年，Becbamp首次指出甲烷形成过程是一种微生物学过程。1875年，俄国学者Popoff也发现沼气发酵是由微生物所引起的。1901年，荷兰的N.L.Soehngen(DELFT)对产甲烷菌的形态特性及其转化作用提出了一个比较清楚的概念，观察到低级脂肪酸可转化为甲烷和二氧化碳，氢和二氧化碳发酵可形成甲烷。1902年，Maze获得了一种产甲烷的微球菌，后命名为马氏甲烷球菌。1916年，V.L.Omeliansky分离到1株不产芽孢、发酵乙醇产甲烷菌，后被命名为奥氏甲烷杆菌，现证实其并非一个纯菌种。1//1934年，VanNiel提出二氧化碳还原为甲烷的理论。1936年，Barker采用化学合成培养基培养阴沟污泥，获得了能很好的发酵乙醇、丙醇和丁醇的有机体。HeukeVeleian和Heinemann提出了一个计算甲烷菌近似数目的技术。2//1950年，R.E.Hungate发明厌氧培养技术，提供了分离培养转化厌氧微生物的有效方法，创造了甲烷菌研究的条件。1967年，M.P.Bryant采用改良的Hungate技术将共生的Omeliansky甲烷杆菌分纯。证明了它是甲烷杆菌MOH菌株和“S”有机体的共生体，使长达51年来一直认为是纯种的经典甲烷菌得以弄清楚其本来的面目。使产甲烷菌和产氢菌之间的相互关系得到了证实。揭示了种间分子氢转移的理论，为正确认识厌氧消化过程中氢的产生、消耗和调节规律奠定了基础。1977年，Thaner等全面阐述了关于厌氧化能营养型细菌中的能量转化的生物力能学。70～80年代中Widdel等分离得到了多种性能各异的硫酸盐还原菌，命名了多个新属，开阔了人们对硫酸盐还原菌的认识。至1989年，已分离获得的产甲烷菌有3目16科13属43种。至1991年已收集了产甲烷菌65种。并阐明了产甲烷菌的基质、辅酶、培养条件、能量代谢以及与不产甲烷厌氧菌之间的关系。//15.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）2、国内概况由于厌氧消化细菌的生长繁殖要求极其严格的厌氧条件，研究厌氧消化细菌工作较为困难。直至1978年我国才开始这方面的研究工作。1980年美国著名微生物学家，厌氧操作技术的发明者Hungate教授被应邀来华讲学，对我国厌氧消化微生物的研究工作起到了指导和推动作用。随后我国学者结合我国蓬勃开展的大办沼气事业和废水厌氧处理，对厌氧发酵微生物学进行了大量的研究工作，取得很大进展。1）产甲烷菌研究1980年以来我国学者对厌氧消化产甲烷菌进行了深入的研究，产甲烷菌纯培养的获得和研究，开发了我国产甲烷菌的资源宝库，也使我们对产甲烷菌的生活习性有了深入的了解。产甲烷菌菌名分离者时间产甲烷菌菌名分离者时间巴氏八叠球菌BTC菌株周孟津,杨秀山1980亨氏甲烷螺菌JZl钱泽澍、竺建荣1987嗜树木甲烷短杆菌TC713钱泽澍1984活动甲烷微菌CC81陈革、钱泽澍1987甲酸甲烷杆菌TC708钱泽澍1984布氏甲烷杆菌CS刘光烨、赵一章等1987PC03，PC25凌代文1987嗜热甲烷八叠球菌CB张辉、赵一章1987马氏甲烷八叠球菌C-44赵一章,尤爱达,1984甲烷杆菌G-86.1马光廷1987LYC刘聿太1985嗜热自养甲烷杆菌TH-6陈美慈、钱泽澍1988史氏甲烷短杆菌H13、HX赵一章,张辉,许宝孝19851985球状产甲烷菌SN倪水松、钱泽澍1987拉布雷微粒甲烷菌Z赵一章等1989嗜热甲酸甲烷杆菌HB12赵一章,张辉19862）厌氧消化中非产甲烷菌研究刘克鑫，徐洁泉等(1980)分离出肠杆菌科和芽孢杆菌科中6株产氢细菌；廖连华(1986)从污水处理厂污泥中分离出1株中温性纤维素分解菌，纤维二糖棱菌。谭蓓英(1987)从猪粪玉米秸作原料的甲烷发酵液中分离出了1株C菌株的纤维分解细菌。凌代文等(1987)从豆制品废水发酵液中分离出水解发酵性细菌。刘聿太(1987)分离到了氧化丁酸盐的沃氏互营单胞菌和产甲烷菌的互营培养物；钱泽澍、马晓航(1989)详细研究了丁酸盐降解菌沃氏互营单胞菌和氢营养菌共培养物的组成和互营联合条件。赵宇华、钱泽澍(1990)研究了能降解20个碳的硬脂酸的产氢产乙酸菌和产甲烷的互营培养物。闵航(1990)获得了1株嗜热性苯甲酸厌氧降解菌和产甲烷菌共培养物，并分离到1株能从H2／CO2形成乙酸又能利用乙酸的硫酸盐还原菌新种嗜热氧化乙酸脱硫肠状菌。3）对专性互营的产氢产乙酸菌和产甲烷菌共培养物的研究也取得了进展。4.1.2厌氧生物处理工艺发展1、国外发展概述120多年历史，3个时期（1）、初级阶段：20世纪20年代以前，处理废水、粪便，代表构筑物：四类。1）1881，法，自动净化器；2）1895，英，化粪池；3）1904，英，Travis池；4）1905，德，Imhoff池；HRT长，处理效率低，出水水质差，浓臭的气味，结构简单。1）1881，法，自动净化器；1860年法国人LouisMouras把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用。1881年法国Cosmos杂志上登载了介绍Mouras创造的处理污水污泥的自动净化器(AutomaticScasenger)。美国学者McCarty建议把1881年作为人工厌氧处理废水的开始，称Mouras是第一个应用厌氧消化处理的创始人。专利人：LouisMouras；名称：Mouras’AutomaticScavenger；1890年，Scott-Moncrieff建造了第一个初步的厌氧滤池（AnaerobicFilter）：池的底部空、上边铺一层石子。石子拦截废液中的固体。这种装置长期未受重视，没有发展，直至现在处理工业废水时，才又被人们所认识。1894年，A.N.Talbot设计了一个与Mouras自动净化器相似的罐，主要是中间多了一些垂直挡板，阻挡流过的废水。2）1895，英，化粪池；(SepticTank)，世界上第一个厌氧化粪池,1895年，Donald设计，见下图。厌氧化粪池的创建，厌氧处理工艺发展史上一个重要里程碑。从此，用化粪池使家庭生活污水得到较好处理，减轻了粪便对河流的污染。Cameron并重视对沼气的利用，两年后沼气被利用于加热和照明。进水浮渣污泥出水3）1904,英,Travis池；Travis池，1904年，Travi。如图所示。废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中下部分消化，产生的沼气从中间上部分排出，不会影响两侧的沉淀区。沉淀沉淀消化污泥4）1905,德,Imhoff池；(隐化池、双层沉淀池)Imhoff池，又称隐化池，我国也称双层沉淀池，1906年，德国人Imhoff对Travis池作改进，其构造如图所示。这种池型构造把污水的沉淀与污泥的消化完全分开，彼此不发生干扰。这种装置在本世纪20年代被广泛应用与欧美各国。化粪池和双层沉淀池至今在排水工程中仍占有重要地位。消化污泥沉淀沉淀（2）第二阶段,1920s-1950s,普通消化池(Conventionaldigestor)1912,英国伯明翰市,用土堤围起来的露天敞开式的厌氧消化池。不加热，消化时间长约l00d；池子不加盖，消化效果不好，散发恶臭。德国Kremer，提出加盖的密闭式消化池，如图所示。称为传统消化池(Conventionaldigester)，又称普通消化池，是最早采用的二级消化池。活性污泥、生物滤池污泥稳定。出料浮渣上清液污泥沼气进料高速消化池(HighRateDigestor)为提高传统消化池的产气率和缩小装置体积，对传统消化池作两种改进：1加热，使消化池内温度适应细菌快速繁殖，有中温35℃左右和高温50-55℃两种；2增设搅拌设备，使有机物与微生物良好接触。高速消化池(HighRateDigestor)诞生。进料出料沼气、CO2加热装置（3）第三阶段，1950s－今，两个方向•方向1增加反应器生物量，开发新型反应器工艺，提高负荷与处理能力；10种反应器工艺•方向2相分离技术途径；两相厌氧工艺系统。厌氧澄清器(AnaerobicClaridigestor)1950，南非人Stander发现在厌氧反应器中保持大量细菌的重要性，开发厌氧澄清器(AnaerobicClaridigestor)，如图所示，处理酒厂和药厂废液。装置把厌氧消化和沉淀合建。废水从池底流进以后通过污泥区与里面的细菌接触。污泥中产生甲烷和CO2气体上升时起搅拌作用，气体从一侧管道被分离出，液体则向上流经中间小洞进入沉淀区，沉淀下来的污泥通过小洞返回消化部分，使消化区保持较多微生物。由于液体要通过小洞上流，沉淀的污泥要通过小洞下掉，这就可能会产生堵塞问题。消化污泥出水沼气进水沉淀1）厌氧接触法,1956,Schroefer研发(AnaerobicContactProcess)。标志着现代废水厌氧生物工艺的诞生。厌氧接触法的工艺流程如下图所示。采用回流，在消化池中保持足够数量的厌氧菌，SRT提高与HRT分离，使反应器容积负荷率提高，从而提高反应器处理效能。消化进水出水回流剩余厌氧污泥沉淀沼气2）厌氧滤池,1967,J.C.Young,L.McCarty(AF:AnaerobicFilter)填料为厌氧微生物的附着提供支撑，可保留足够的厌氧微生物，使厌氧滤池具有较高的处理效能，开始时填料为块石，用在处理可溶性工业废水，悬浮固体多时会堵塞；空间大部分被块石所占据，有效容积较小，从而需要较大的池子体积。后来改进填料，替代块石后，厌氧滤池获得广泛应用。卵石填料沼气出水进水3）升流式厌氧污泥床反应,1979,C.Lettinga等研发(UASB:UpflowAnaerobicSludgeBlanket)Wageningen农业大学(WAU),升流式厌氧污泥床(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)反应器，简称UASB反应器。高的处理效能，获得广泛应用，对废水厌氧生物处理具有划时代意义。influenteffluent4-5）厌氧膨胀床(AnaerobicExpandedBed)和厌氧流化床(AnaerobicFiudizedBed)1978,W.J.Jewell等厌氧膨胀床(AnaerobicExpandedBed)1979,R.P.Bowker,厌氧流化床(AnaerobicFiudizedBed)。反应器内均充填着惰性载体细颗粒载体，如细砂子。为了使充填物膨胀或流化，均需要使一部分出水回流。这当然会增加一部分动力消耗，但是由于载体的颗粒很细，具有巨大的表面积，为微生物的附着提供了良好的条件，使反应器具有很高的生物量，所以反应器的处理能力很大，受到了各国学者很大关注。出水进水回流沼气6）厌氧生物转盘,1980年，S.J.Tait等研发(AnaerobicRotatingBiologicalReactor)在好氧生物转盘基础上开发的。7)厌氧折流板反应器,1982年,McCart