废水厌氧生物处理中的微生物学原理.doc

12.2 废水厌氧生物处理中的微生物学原理12.2.1概述随着工业的飞速发展和人口的不断增加，能源、资源和环境等问题日趋严重，近30年来，能源的短缺变得更加突出。采用传统的好氧生物处理方法处理废水要消耗大量的能源，发达国家用于废水处理的能耗已占到了全国总电耗的1%左右。废水好氧生物处理方法的实质是利用电能的消耗来达到改善废水品质使其符合水域环境质量要求的一种技术措施。所以废水好氧生物处理是耗能型的废水处理技术。世界各国尤其是第三世界国家，已日益感到为了解决环境问题所需付出大量能耗的沉重负担，正在不断研究和探索采用高效率低能耗的新型废水处理技术。在众多的废水生物处理工艺中，人们又重新认识采用厌氧生物处理工艺处理有机废水和有机废物的重要性。若把厌氧生物处理替代好氧生物处理，则不仅可把好氧生物法过高的能耗节省下来，而且厌氧生物法可把有机物转化为生物能沼气。由此可见厌氧法是一种既节能又产能的废水生物处理工艺。经过各国学者的不断研究所取得的进展，厌氧生物法不仅可以处理高浓度有机废水，而且能够处理中等浓度的有机废水，还成功地实现了处理低浓度有机废水的可行性，为废水处理方法提供了一条既高效能的，又是低能耗的，且符合可持续发展的治理废水途径。12.2.2废水厌氧降解机理 在废水的厌氧处理过程中，废水中的有机物经大量微生物的共同作用，被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此过程中，不同的微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。对复杂物料的厌氧过程的叙述，有助于我们了解这一过程的基本内容。所谓复杂物料，即指那些高分子的有机物，这些有机物在废水中以悬浮物或胶体形式存在。 复杂物料的厌氧降解过程可以被分为三个阶段：水解发酵阶段：将大分子不溶性复杂有机物在细菌胞外酶的作用下，水解成小分子溶解性高级脂肪酸（醇类、醛类、酮类等），然后渗入细胞内，参与的微生物主要是兼性细菌与专性细菌，兼性细菌的附带作用是消耗掉废水带来的溶解氧，为专性厌氧细菌的生长创造有利条件。此外还有真菌（毛霉Mucor、根霉Rhigopus、共头霉Syncephastrum、曲霉Aspergillus）以及原生动物（鞭毛虫、纤毛虫、变形虫）等。可统称为水解发酵菌。碳水化合物水解成单糖，是最易分解的有机物；含氮有机物水解产氨较慢，故蛋白质及非蛋白质的含氮化合物（嘌呤、嘧啶等）继碳水化合物及脂肪的水解后进行，经水解为月示 、胨、肽后形成氨基酸；脂肪水解产物主要有甘油、醛等。不溶性有机物水解发酵速度较缓慢。 产乙酸阶段：在此阶段，上一阶段的产物被进一步转化为简单脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等）、氢气、碳酸以及新的细胞物质。参与作用是兼性或专性厌氧菌（产氢产乙酸菌、硝酸盐还原菌、硫酸盐还原菌等），此阶段速度较快。 产甲烷阶段：这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。参与作用的微生物是绝对厌氧菌（甲烷菌），已发现的产甲烷菌及其代谢底物列举于表12-6。 上述三个阶段中，以产甲烷阶段的反应速度最慢，为厌氧消化的限制阶段。与好氧氧化相比，厌氧消化的产能量是很少的，所产生能量大部分用于细菌的自身的生命活动，只有少量用于合成新的细胞物质，故厌氧生物处理产生的污泥量远少于好氧工艺。表12-6产甲烷菌及其代谢底物产甲烷菌种代谢底物马氏甲烷球菌 Methanococcus mazei乙酸盐、酪酸盐产甲烷菌 Methanococcus vannielii蚁酸盐、氨、H2甲烷八叠球菌 Methanosarcina methanica乙酸盐、酪酸盐Methanosarcina barkerii甲酸、乙酸盐、HCO3-、H2分解乙酸甲烷菌 Methanosaeta乙酸、H2乙酸降解菌 Methvacuolata甲酸、H2甲烷杆菌 Methformicium蚁酸、CO2、H2奥氏甲烷杆菌 Methomelianskii乙醇、H2甲烷杆菌 Methpropionicum丙酸盐孙氏甲烷菌 MethSohngenii乙酸盐、酪酸盐甲烷杆菌 Methsuboxydans乙酸盐甲烷杆菌 Methruminantium酪酸盐、戌酸盐、乙酸盐甲烷杆菌 Methanothrix乙酸盐甲烷菌Methanobrevibacter sppH2在以上阶段里，还包含着以下这些过程：a水解阶段里有蛋白质水解、碳水化合物的水解和脂类水解； b发酵酸化阶段包含氨基酸和糖类的厌氧氧化与较高级的脂肪酸与醇 产甲烷 CH4+CO2 H2S + CO2 硫酸盐还原硫酸盐还原 图12-13 厌氧降解过程示意图 产 乙 酸 产甲烷 复杂有机物 脂肪酸(C2) H2+CO2 乙 酸 水解、发酵硫酸盐还原 SO42- SO42- SO42-类的厌氧氧化；c产乙酸阶段里有从中间产物中形成乙酸、氢气和由氢气与二氧化碳形成乙酸；d甲烷化阶段包括由乙酸形成甲烷和从氢气与二氧化碳形成甲烷。除以上这些过程之外，当废水含有硫酸盐时还会有硫酸盐还原过程。复杂化合物的厌氧降解如图12-13所示。12.2.3废水厌氧生物处理工艺（1）厌氧生物滤池（AF）CH4+CO2出 水进 水填料CH4+CO2进 水出 水填料 厌氧生物滤池是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。因此其结构与原理类似于好氧生物滤床。图12-14中的a图为上流式厌氧生物滤池示意图，废水进入反应器底部并均匀布水，在向上流动的过程中，废水中的有机物被生物膜吸附并分解，进而通过微生物的代谢作用将有机物转化为甲烷和二氧化碳。沼气和出水由反应器上部分别排出。填料表面的生物膜不断生长，部分老化的生物膜剥落随出水排出，在厌氧生物滤池后设置的沉淀池中分离成为剩余污泥。（a）升流式厌氧生物滤池 （b）下流式厌氧生物滤池图12-14 厌氧生物滤池示意图 厌氧生物滤池也可以采用下流式（图12-14中的b图）。下流式厌氧生物滤池有利于解决上流式中出现的悬浮物堵塞问题和可能形成的短流，但是其膜的形成较慢，反应器的容积负荷也较低。厌氧生物滤池采用的填充材料是多种多样的，通常使用孔隙度大、价格便宜的材料，例如多孔陶瓷与塑料。（2）厌氧流化床 厌氧流化床（如图12-15）采用微粒状填料（例如砂粒）作为微生物固定化的材料，厌氧微生物附着在这些微粒上形成生物膜。由于这些微粒粒径较小，反应器内采用一定范围的高的升流速度，因此在反应器内的这些微粒形成流态化。为维持较高的升流速度，流化床反应器高度与直径的比例大于其它同类的反应器，同时它采用较大的回流比。厌氧流化床由于使用较小的微粒，因此形成比表面积很大的生物膜，流态化又充分改善了有机质向生物膜传递的传质速率，同时它克服了厌氧生物滤池中可能出现的短流和堵塞。在这一工艺中，流态化的形成是前提条件，较轻的颗粒或絮状的污泥将会从反应器中连续冲出，流态化的真正形成必须依赖于所形成的生物膜在厚度、密度、强度等方面相沼气剩余污泥脱膜器回流载体出水进水循环水图12-15 厌氧流化床示意图对均一或形成的颗粒的均一。但实际上，生物膜的形成与剥落是难以控制的，在反应器内将会有各种大小和密度不同的颗粒。在一定流速下，没有形成生物膜或生物膜剥落的颗粒会沉淀于反应器底部，而轻的、附着有絮状污泥的颗粒会存在于反应器上部甚至被冲出反应器。 至今很少有生产规模的流化床，其原因也还在于其工艺控制较困难、投资和运行成本高。另一方面，一些已建造的所谓厌氧流化床实际上并未实现流态化，它们仅仅是“膨胀床”而已。（3）上流式厌氧污泥床（UASB） 图12-16为UASB反应器的示意图。如图所示，废水由反应器底部进入，反应器主体为无填料的空容器，其中含有大量厌氧污泥。由于废水以一定流速自下向上流动以及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥充分混合，有机质被吸附分解。所产沼气经由反应器上部三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥的废水进入三相分离器的沉降区，由于沼气已从废水中分离，沉降区不再受沼气搅拌作用的影响，废水在平稳上升过程中，其中沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分，从而保证了反应器内高的污泥浓度。含有少量较轻污泥的废水从反应器上方排出。UASB反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，能够允许较大的上流速度和很高的容积负荷。悬浮污泥区颗粒污泥区污泥污泥沼气沼气水三相分离器集水槽沼 气出 水进 水配水系统图12-16 上流式厌氧污泥床示意图 至今，UASB反应器在所有高速厌氧反应器中是应用最为广泛的，其处理的废水包括几乎所有以有机污染物为主的废水，例如各类发酵工业、淀粉加工、制糖、罐头、饮料、牛奶与乳制品、蔬菜加工、豆制品、肉类加工、皮革、造纸、制药及石油精炼及石油化工等各种来源的有机废水。目前最大的UASB反应器是荷兰Paques公司为加拿大建造的处理造纸废水的UASB反应器，其容积15600m3，设计能力为日处理COD 185t。（4）膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB） EGSB反应器是在UASB反应器的基础上于80年代后期在荷兰农业大学环境系开始研究的新的厌氧反应器。EGSB反应器与UASB反应器的结构非常相似，所不同的是在EGSB反应器中采用高达2.56mh的上流速度，这远远大于UASB反应器所采用的约0.52.5mh的上流速度。因此在EGSB反应器中颗粒污泥床处于部分或全部“膨胀化”的状态，即污泥床的体积由于颗粒之间平均距离的增加而扩大。为了提高上流速度，EGSB反应器采用较大的高度与直径比和大的回流比。在高的上流速度和产气的搅拌作用下，废水与颗粒污泥间的接触更充分，因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间，从而EGSB可处理较低浓度的有机废水。一般认为UASB反应器更宜于处理浓度高于150