水处理生物学(第十讲) 41页

5.2厌氧生物处理原理与过程一、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：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。1881年法国报道了罗伊斯·莫拉斯（LouisMouras）发明的“自动净化器”，开始了利用厌氧消化处理废水的历史，至今已100多年。1979年布利安特（Bryant）等人提出厌氧消化的三阶段4类群理论。▲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）▲产甲烷阶段\n（1）发酵细菌作用阶段原理：碳水化合物单糖蛋白质→氨基酸→醇类脂脂肪酸低级脂肪酸参加的微生物：发酵细菌群：梭菌属（Clostridium)丁酸弧菌属（Butyrivibrio）拟杆菌属（Bacteroides)特性大多专性厌氧；适宜pH4.5～8。胞外酶发酵\n（2）产醋酸细菌作用阶段原理：上阶段产物：（丙酸、丁酸、醇等）→醋酸、甲胺、CO2、H2参加的微生物：产氢产乙酸细菌群和同型产乙酸细菌群：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属特性绝对厌氧菌获兼性厌氧菌；适宜pH4.5～8。\n（3）产甲烷细菌作用阶段（厌氧消化的控制阶段）原理：H2、CO2、CH3COOHCH3NH2、CH3OH→CH4参加的微生物：产甲烷细菌群：产甲烷杆菌属；产甲烷短杆菌属；产甲烷球菌属。特性严格厌氧菌；中温菌对温度敏感；pH适宜6.8~7.2；增殖速率慢。\n废水中有机物Ⅰ↓发酵性细菌脂肪酸（丙酸、丁酸）、醇类Ⅱ↓产氢产乙酸细菌↙↘同型产乙酸细菌乙酸→H2+CO2↘↙Ⅲ↓产甲烷细菌CH4厌氧消化三阶段四类群\n二、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。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的的基质。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件。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降，为产甲烷细菌提供生长条件。\n（3）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。（4）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制。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。（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。不产甲烷菌分解糖等产生酸，降低pH产甲烷菌分解酸产生甲烷，pH上升。\n三、厌氧废水处理的影响因素（1）温度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：55℃左右——嗜热菌（高温消化）35℃左右——嗜温菌（中温消化）取舍：高温消化的反应速率为中温消化的1.5~1.9倍，但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。\n温度对厌氧消化的影响\n（2）pH值不产甲烷细菌适宜pH4.5~8产甲烷细菌适宜pH6.8~7.2在pH<6.5或pH>8.2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。厌氧消化的最佳pH值为6.8~7.2.\n（3）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COD（CODBD）浓度和它的酸化程度来估算。ρ＝CODBD·Y·ρcell·1.14ρ——所需最低的营养元素的浓度，mg/L；CODBD——进液中可生物降解的COD浓度，g/L；Y——细胞产率，gVSS/gCODBD；ρcell——该元素在细胞中的含量，mg/g干细胞。细胞产率Y与废水酸化程度有关。对于基本上未酸化的废水，C：N：P=330：5：1\n（4）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+100~−100mV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−150~−400mV。\n四、厌氧法处理废水的特征（1）处理对象：有机污泥和高浓度的有机废水。①有机污泥：不溶性有机质、纤维素含量高的污水;②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。（2）时间长：30～35℃，需1～5天。BOD去除率50～90％。（3）能量需求大大降低：不需供氧气，同时还可产生甲烷。每去除1kgCOD好氧生物处理一般需消耗0.5~1.0kW/h电能；每去除1kgCOD厌氧生物处理约能产生3.5kW/h电能。\n（4）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。（5）处理后有机物浓度高于好氧处理。（6）有臭气产生。还原S、SO42-→H2S（7）设备较简单。\n五、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废水。厌氧消化池→沼气、稳定性好的腐殖质。污泥体积减少1/2以上。浮盖式消化池\n六、厌氧颗粒污泥的形成及影响因素（1）污泥颗粒化的定义在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器内，厌氧污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。污泥颗粒化: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UASB内保留高浓度的厌氧污泥，它是大多数UASB反应器启动的目标和启动成功的标志。\n（2）颗粒污泥的性质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0.14~5mm，最大直径可达7mm,它的形状取决于反应器的运行条件。颗粒污泥的密度在1030~1080kg/m3。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。颗粒污泥的孔隙率在40％~80%.颗粒污泥有良好的沉降性能，其沉降速度范围为18~100m/h.\n（3）颗粒污泥的结构利用扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscopy,SEM）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体传输的通道。\n（4）污泥颗粒化过程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，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，污泥碎片可作为新内核，重新形成颗粒污泥。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：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，成熟污泥的形成。\n（5）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废水组成和操作因素。负荷：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受传质过程中所进入颗粒内部的深度所支配。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（HRT）和上流速度：HRT和上流速度是细小污泥洗出的主要因素。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的影响。产酸菌:当废水预酸化产生的悬浮产酸菌的浓度超过0.3gCOD/L时，会引起UASB反应器中严重的污泥上浮问题。\n（6）污泥颗粒化的优点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条件并有利于有机物的降解；颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收；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；在废水性质（如pH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，使代谢过程继续进行。\n5.3废水的生物脱氮除磷原理与过程一、水体中氮和磷的危害水体富营养化（eutrophication）：由于N、P在水体中含量过高，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。开始富营养化的条件：◆水体中可溶性磷>0.01mg/L◆N:P＝5:1N：是富营养化的主要因素（NH4+,NO3-,NO2-,有机N）P:可溶性磷酸盐与不溶性磷酸盐相互转化。N:P比例取决于：生物转化（有机N和无机N间转化）流入水体的水（出水的N、P超标）\n项目未处理污水含氮量（mg/L）一级处理出水二级处理出水含氮量（mg/L）去除率含氮量（mg/L）去除率有机氮①溶解的②悬浮的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%<10%很低很低25%~55%城市污水的含氮量和传统处理方法的除氮效率\n二、废水的生物脱氮（1）废水生物脱氮方法①参与生物脱氮的微生物：氨化细菌硝化细菌：亚硝酸细菌、硝酸细菌反硝化细菌\n②污水生物脱氮工艺单级硝化流程单级硝化流程是指去除有机污染物与硝化在同一构筑物内完成。\n二级硝化流程二级硝化流程是指去除有机污染物与硝化分别在两个构筑物内完成。\n传统生物脱氮工艺传统的氨氮生物脱除氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段。由于硝化菌和反硝化菌对环境条件的要求不同，硝化和反硝化反应不能同时在同样条件下发生，因而发展起来的生物脱氮工艺式多将缺氧区与好氧区分开，形成分级硝化、反硝化工艺以便使硝化与反硝化反应能够独立地进行。传统的生物脱氮工艺有三级生物脱氮工艺。采用构造不同的反应器，分别进行硝化和反硝化作用，实现氨向硝态氮的转变和硝态氮向氮气的转变。\n在活性污泥脱氮法传统工艺的基础上开创了多种脱氮工艺，如A/O（厌氧-好氧）脱氮法，A2/O（A/A/O）工艺，氧化沟硝化脱氮工艺，同步、间歇和交替式反硝化工艺，生物膜脱氮工艺等。\n（2）生物脱氮原理生物脱氮是指污水中的含氮有机物（如蛋白质、氨基酸、尿素、脂类等），在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3−，最后再由反硝化细菌将其还原转化为N2，从而达到脱氮的目的。包括：氨化作用硝化作用反硝化作用\n生物脱氮过程\n生化反应类型去除有机物（好氧分解）硝化反硝化亚硝化硝化微生物好氧和兼性菌（异养型细菌）自养型细菌自养型细菌兼性菌异养型细菌能源有机物化学能化学能有机物氧源(H受体）O2O2O2NO3−，NO2−溶解氧／mg/L>1~2>2>20~0.5碱度没有变化氧化lmgNH4+-N需要7.14mg的碱没有变化还原lmgNO3−-NNO2−-N生成3.57g的碱度氧的消耗分解lmg有机物(BOD5）需氧2mg氧化1mgNH4+-N需氧3.43mg氧化1mgNO2−-N需氧3.43mg分解lmg有机物(BOD5）需要NO2−-N0.58mg，NO3−-N0.35mg，以提供化合态氧最适pH值6~87~8.56~7.56~8最适水温／℃15~25303034~37增殖速度/d1.2~3.50.21~1.080.28~1.44好氧分解的1/2~1/2.5生物硝化和反硝化反应过程特征\n（3）短程硝化反硝化技术短程硝化反硝化：就是将硝化过程控制在NO2−阶段，阻止NO2−进一步氧化为NO3−，直接以NO2−作为电子最终受氢体进行反硝化。氮的变化过程为：NH4+→HNO2→N2。与传统生物脱氮工艺相比：短程硝化-反硝化生物脱氮工艺可节约供氧量25％；节约反硝化所需碳源40％左右；减少污泥生成量；减少硝化过程的投碱量；缩短反应时间，相应地减少了反应器容积30％~40％。\n（4）厌氧氨氧化（Anammox）Anammox现象：这种在无氧环境中，同时存在氨和NO2−或NO3−时，NH4+作为反硝化的无机电子供体，NO2−或NO3−作为电子受体，生成氮气，这一过程称为Anammox（AnaerobicAmmoniumOxidation）。Anammox反应机理：5NH4++3NO3−→4N2+9H2O+2H+NH4++NO2−→N2+2H2O\n三、废水生物除磷磷常以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷的形式存在于废水中。（1）参与生物除磷的微生物20世纪70年代末，发现多种有明显除磷能力的细菌，统称除磷菌，如不动杆菌（Acinetobacter）。在有氧环境中可超量摄取磷。一般细菌细胞中磷占2.3％。而除磷菌可摄取约为正常需要10倍以上的磷。\n（2）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。分两步进行：聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）聚磷菌的放磷（厌氧条件）\n聚磷菌的磷过量摄取（好氧）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ADP所获得，并结合H3PO4合成ATP，即ADP+H3PO4+能→ATP+H2OH3PO4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ATP，另一部分则用于合成磷酸盐。这一现象就是“磷的过量摄取”。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）在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H3PO4和能量，形成ADP，即ATP+H2O→ADP+H3PO4+能同时，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。\n厌氧－好氧系统生物除磷过程图\n四、生物脱氮和除磷的影响因素（1）温度生物脱氮除磷系统温度在5～40℃范围内都能成功运行。（2）pH值与碱度生物脱氮最适pH：硝酸菌6.0~7.5，亚硝酸菌7.0~8.5，反硝化细菌7.0~7.5生物除磷最适pH：6.0~8.0。\n（3）溶解氧生物脱氮：硝化时溶解氧2.0mg/L；反硝化时溶解氧小于0.5mg/L。生物除磷：厌氧段溶解氧小于0.2mg/L；需氧段溶解氧1.5~2.5mg/L。