厌氧微生物学与污水处理

厌氧微生物学与污水处理环境1202硕王大鹏2121226Page2厌氧微生物学的研究概况厌氧生物处理技术厌氧颗粒污泥颗粒污泥技术应用简介厌氧微生物学的研究概况厌氧微生物是生物世界的一个重要组成部分，在自然界中分布广泛，人类生活的环境和人类本身就生存有种类众多的厌氧微生物，它们与人类的关系十分密切。Page3厌氧微生物分离和纯种培养的困难研究厌氧微生物的技术和方法进展又相当缓慢致使人类对其认识和利用远远落后于对好氧和兼性厌氧微生物的研究工作厌氧微生物学的研究概况Page4厌氧微生物学的研究概况国内研究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，所以直到1978年，我国科技工作者才开始了厌氧微生物学的研究工作。自1980年后，我国科技工作者将沼气事业和废水厌氧生物处理相结合，对厌氧发酵微生物学进行了大量的研究工作，在厌氧微生物学的研究方面取得了可喜进展。国外研究概况国外对厌氧微生物的研究比我国早300多年，早在1630年Vamelmeut就第一次发现了由生物质厌氧消化可产生可燃的甲烷气体。20世纪70~80年代，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。到1991年已收集了产甲烷菌65中，并且以阐明了产甲烷菌的基质、辅酶、培养条件和能量代谢。Page5厌氧生物处理技术定义：Page6厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物的代谢特性分解有机污染物，在不需要提供外援能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气体的一种水处理技术。厌氧生物处理技术Page7复杂有机物、碳水化合物、蛋白质、脂类简单溶解性有机物氢气、二氧化碳脂肪酸、醇类、丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等甲烷、二氧化碳乙酸水解发酵产氢产乙酸产氢产乙酸同型产乙酸产甲烷作用产甲烷作用有机物厌氧分解过程厌氧生物处理技术有机物厌氧降解的基本过程水解阶段发酵阶段产乙酸阶段产甲烷阶段Page8厌氧生物处理技术水解阶段：水解是复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子的有机物因相对分子质量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能为细菌直接利用。它们首先在细菌包外媒的水解作用下转变为小分子物质。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。发酵阶段：发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。在此过程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外。因此，这一过程也称为酸化阶段。这一过程的末端产物主要有挥发性脂肪酸（VFA）、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。Page9厌氧生物处理技术产乙酸阶段：发酵阶段的末端产物（挥发性脂肪酸、醇类、乳酸等）在乙酸阶段进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。较高级脂肪酸遵循氧化机理进行生物降解。在其降解过程发酵酸化阶段的末端产物在产乙酸阶段被产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧碳。Page10降解乙醇：CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2降解丙酸：CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2降解丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2厌氧生物处理技术产甲烷阶段：这一阶段，产甲烷细菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。其一是在二氧化碳存在时利用氢气生成甲烷；其二是利用乙酸生产甲烷。利用乙酸的产甲烷细菌有索氏甲烷丝菌和巴氏甲烷八叠球菌，两者的生长速率差别较大。在一班的厌氧反应器中，月70%的甲烷由乙酸分解而来，30%由氢气还原二氧化碳而来。Page11利用乙酸：CH3COOHCH4+CO2利用H2和CO2:H2+CO2CH4+H2O厌氧生物处理技术1•能耗少，无需用机械设备供氧，而且副产品甲烷是可回收利用的能源，每去除1000kgCOD转化成的甲烷相当于12×106kj热能。2•剩余污泥量少，处置污泥费用相当于好氧生物处理工艺的10%。3•无尾气污染，没有挥发性气体吹脱到大气中。4•反应器有机负荷高，容积小，可降低基建投资。Page12废水厌氧生物处理技术有以下优点：厌氧颗粒污泥厌氧颗粒污泥的定义：Page13厌氧颗粒污泥是微生物凝聚的结果，具有自我平衡的微生态系统，是不同类型、种群的微生物在废水生物处理过程中自身固定化而形成的一种共生或互生体系，是一种特殊的生物膜。厌氧颗粒污泥厌氧颗粒污泥的优点：①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，有利于形成细菌生长的生理生化条件，并利于有机物的讲解。②颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收。③颗粒使发酵菌的中间产物的扩散距离大大缩短，这对复杂有机物的降解是重要的。④在废水性质突然变化时（如PH值、毒性物的浓度等），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。Page14厌氧颗粒污泥因此以厌氧颗粒污泥为主体的厌氧反应器也具有以下显著的优势：①厌氧颗粒污泥的形成缩短了微生物细胞与细胞之间的距离，使不同类型的微生物细胞间的传质更容易。②厌氧颗粒污泥的形成极为有效地改善了污泥的沉降性能，使生物体能够在高产气量、高上升水流流速状态下保留在反应器内，避免了微生物随出水而大量流失的可能性，有效地减少了游离于消化液中微生物个体数量，为保证出水水质创造了条件。③厌氧颗粒污泥的形成还大大降低了厌氧微生物对底物抑制的敏感性，随着絮状污泥逐渐形成颗粒污泥，其抑制反应系数从2.3减小到0.2。④颗粒污泥的形成提高了反应器的容积负荷，以絮状污泥为主体的反应器，有机负荷较高时会使污泥大量流失，所以反应器负荷一般不超过5kg/(m³·d).Page15厌氧颗粒污泥厌氧颗粒污泥的形成：Page16初生颗粒污泥进一步完善结构和调整细菌的代谢而形成表面光滑的、密度较大的成熟的颗粒污泥细胞进一步繁殖，形成初生颗粒污泥通过微生物的附属物或聚合物使细胞不可逆地附着在“底物”上通过物理化学作用力使细胞可逆地吸附到“底物”表面细胞转移至惰性材料或其他细胞表面厌氧颗粒污泥Page17污泥颗粒化假说胞外聚合物（EPS）假说丝状菌假说诱导核假说金属阳离子假说微生物自凝聚假说颗粒污泥技术应用简介IC反应器内循环厌氧反应器（IC）是在UASB的基础上开发成功的第三代高效反应器。IC反应器的高径比大、上升流速快、有机负荷高，由于废水和污泥能很好的接触，强化了传质效率，污泥活性得到提高，其去除有机物的能力远远超过UASB等第二代厌氧反应器。Page18颗粒污泥技术应用简介Page19颗粒污泥技术应用简介IC反应器由两个UASB反应器上下叠加串联构成，高度可达16~25m，高径比一般为4~8.Page20反应器由下而上共分为5个区混合区第1厌氧区第2厌氧区沉淀区气液分离区颗粒污泥技术应用简介工作原理：混合区：反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。在混合区废水与来自回流管的内循环泥水混合后进入颗粒污泥膨胀床进行COD的生化降解，此处的COD容积负荷很高。Page21颗粒污泥技术应用简介第1厌氧区：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。Page22颗粒污泥技术应用简介气液分离区：被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。Page23颗粒污泥技术应用简介第2厌氧区：经第1厌氧区处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余的都通过三相分离器进入第2厌氧区。该区污泥浓度较低，且废水中大部分有机物已在第1厌氧区被降解，因此沼气产生量较少。沼气通过沼气管导入气液分离区，对第2厌氧区的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。Page24颗粒污泥技术应用简介内循环的结果使第一厌氧区内不仅有很高的生物量，很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，一般为10~20m/h,使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，从而大大提高第一厌氧区去除有机物的能力。经过第一厌氧区处理过的废水，会自动地进入第二厌氧区继续处理。第二厌氧区的液体上升流速小于第一厌氧区，一般为2~10m/h。该区除了继续进行生物反应之外，由于上升流速的降低，还充当第一厌氧区和沉淀区之间的缓冲段，对防止污泥流失及确保沉淀后的出水水质起着重要作用。Page25颗粒污泥技术应用简介沉淀区：第2厌氧区的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥返回第2厌氧区污泥床。Page26颗粒污泥技术应用简介IC反应器的优点：①高径比大，占地面积小，建设投资省；②有机负荷率高，液体上升流速大，水力停留时间短；③出水稳定，耐冲击负荷能力强；④适用范围广，可处理低、中、高浓度废水以及含有毒物质的废水。IC反应器的缺点：①启动时间较长；②反应器内平均剪切速率较高；③颗粒污泥的强度相对较低。Page27颗粒污泥技术应用简介出现的新问题1、从构造上看，IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高。反应器高径比大，一方面增加了进水泵的动力消耗，提高了运行费用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中细微颗粒物比UASB多，加重了后续处理的负担。另外内循环中泥水混合液的上升还易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差。2、发酵细菌通过胞外酶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和醇类等，该类细菌水解过程相当缓慢。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果。Page28颗粒污泥技术应用简介3、在厌氧反应中，有机负荷、产气量和处理程度三者之间存在着密切的联系和平衡关系。一般较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低。因此，IC反应器的总体去除效率相比UASB反应器来讲要低些。4、缺乏在IC反应器水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。目前国内引进的IC反应器均采用荷兰进口的颗粒污泥接种，增加了工程造价。上述问题有待在对IC厌氧处理技术内部规律进行更深入探讨的基础上，结合工程实践加以克服，使这一新技术更加完善。Page29