废水厌氧生物处理综述

水污染控制理论与技术课程论文

废水厌氧生物处理技术综述

摘要：本文首先介绍了废水厌氧生物处理技术基本原理；其次，按照厌氧反应器的发展进程，将其发展分为三代，并介绍了每一代厌氧反应器的主要代表；最后，本文介绍了厌氧生物处理技术的发展趋势。

关键词：厌氧生物处理；厌氧反应器；基本原理；发展历程；发展趋势

Abstract: First of all, this paper introduced the basic theory of anaerobic treatment of wastewater. Then, based on the development history, this paper divided the anaerobic reactors into three generations and introduced the representative reactors of every generation. Finally, this paper introduced the advance of anaerobic treatment of wastewater.

Keywords: anaerobic treatment of wastewater, anaerobic reactors, basic theory, development history, advance.

厌氧生物处理利用微生物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下将有机物转化为CH4、CO2、H2O和少量细胞产物。经过各国学者的不断研究，厌氧处理工艺不仅可以处理高浓度的有机废水，而且能处理中等浓度有机废水，甚至实现了低浓度有机废水的处理，为废水处理方法提供了一条高效率、低能耗且符合可持续发展原则的治理废水的有效途径。

厌氧处理工艺自问世以来应用范围不断拓展，其主要特点为：

（1）废水厌氧处理作为将环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统，具有较好的环境与经济效益。厌氧工艺非常经济，在处理成本上与好氧工艺相比要便宜得多，特别适合中高浓度废水的处理。

（2）设施占用空间少、剩余污泥处置费用低。厌氧反应器容积负荷为3.2～32kgCOD/m3·d，比好氧工艺0.5～3.2kgCOD/m3·d的负荷率要高得多，反应器体积小，占地少。此外，由于厌氧微生物增殖缓慢，厌氧工艺的剩余污泥产量少。

（3）厌氧工艺减少了补充营养物的费用。一般认为，好氧工艺的N、P需求量为COD:N:P=200:5:1，而厌氧工艺仅为(350～500):5:1。有机废水一般已含有一定量的氮和磷及多种微量元素，因此厌氧工艺可以不添加或少量添加营养盐。

（4）厌氧工艺可以处理季节性废水，如处理酒厂、糖厂等的季节性废水。厌氧颗粒污泥可以在中止供给废水与营养的情况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上。这一特性为其间断的或季节性的运行提供了有利条件，厌氧颗粒污泥因此可作为新建厌氧处理厂的种泥。

1 厌氧生物处理基本原理[1-2]

废水厌氧处理是包括多种不同类型的微生物所完成的代谢过程，是一个相互影响、相互制约、同时进行的极其复杂的生物化学过程。1930年Buswell和Neave

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肯定了Thumm，Reichie和Imohff(1916)的看法，将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段，即两阶段理论。 1.1两阶段理论

第一阶段：复杂的有机物，如糖类、脂类、蛋白质等，在产酸菌的作用下被分解成为低分子的中间产物，主要是一些低分子的有机酸，如乙酸、丙酸、丁酸、和醇类等，并有H2、CO2、NH4+和H2S等产生。因为该阶段有大量脂肪酸产生，使发酵液的pH值降低。所以，此阶段被称为酸性发酵阶段，或称为产酸阶段。

第二阶段：产甲烷菌将第一阶段所产生的中间产物继续分解为CH4和CO2等。由于有机酸不断在第二阶段转化为CH4和CO2，同时系统内还有NH4+的存在，使发酵液的pH不断升高，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，也成为产甲烷阶段。图1-1表达了复杂有机物的两阶段厌氧消化过程。 1.2三阶段理论

1979年M.P.Bryant根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了三阶段理论。该理论认为，产甲烷菌不能利用除乙酸，H2/CO2和甲烷等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸和醇类必须先由产氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2等，才能被产甲烷菌利用。三阶段理论包括：

水解发酵阶段：在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化为较简单的糖类；蛋白质转化为较简单的氨基酸；脂类转化成脂肪酸和甘油等。然后，这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸和醇类。参与该阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。

产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇等以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和H2，并有CO2产生。

产甲烷阶段：在该阶段中，产甲烷菌把第一和第二阶段产生的乙酸、H2和CO2，转化为CH4。一组是H2和CO2转化为CH4，另一组是乙酸脱羧转化为CH4。

此外，厌氧发酵过程中还存在一个横向转化过程，即在产氢产乙酸菌的作用下把H2、CO2和有机基质转化为乙酸。 1.3四种群学说

几乎在三阶段理论提出的同时，J.G.Zeikus又根据代谢差异将厌氧消化过程中的微生物划分为4类菌群，水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型产乙酸细菌群和产甲烷细菌群，在三阶段理论的基础上增加了同型产乙酸过程，即由同型产乙酸细菌把H2/CO2转化为乙酸，但这类细菌所产生的的乙酸往往不到乙酸

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总量的5%。

1.4厌氧微生物菌群间的关系

废水的生物处理系统存在着种群繁多，关系复杂的微生物区系，甲烷的产生是这个微生物区系中各种微生物相互平衡、协调作用的结果。在厌氧消化过程中，不产甲烷细菌，包括水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型产乙酸细菌群，和产甲烷细菌相互依赖，互为对方创造良好的环境条件并相互构成共生关系，相互支持又相互制约。高效的厌氧消化效果正是这种共生关系调节在最佳状态时的外在表现的结果。

（1）不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长和产甲烷所必须的基质

不产甲烷菌把各种复杂的有机物如碳水化合物、脂肪、蛋白质进行降解，生成游离氢、二氧化碳、氨、乙酸等。这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌提供了合成细胞物质和产甲烷所需的碳前体和电子供体、氢供体和氮源。产甲烷菌充当厌氧环境有机物分解中微生物食物链的最后一个生物体。

（2）不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境

各种微生物适宜生长的氧化还原电位（Eh）不同，一般好氧微生物的Eh值为300~400mV，Eh值在100mV以上即可生长。兼氧微生物在100mV以上时进行好氧呼吸，而在100mV以下进行无氧呼吸或发酵作用。厌氧微生物只能在以下甚至为负值时才能生长。产甲烷菌生长适宜的Eh在-300mV以下。

在一个厌氧消化器的启动初期，由于废水和接种物中都带有溶解氧，这时的氧化还原电位不利于产甲烷菌的生长。其氧化还原电位的降低有赖于不产甲烷菌中的好氧微生物及兼性厌氧微生物的活动，它们在开始阶段都会以氧作为最终电子受体，使环境中的氧被消耗而使氧化还原电位下降，同时它们以及厌氧微生物本身在代谢过程中还会产生有机酸类、醇类等还原性物质。各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应也不相同，通过它们有顺序的交替生长和代谢活动，使发酵液氧化还原电位不断下降，逐步为产甲烷菌生长代谢创造适宜的氧化还原条件。

（3）不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质。

在处理工业废水时，其中可能含有酚类、苯甲酸、抗菌素、氰化物、重金属等对于产甲烷菌有害的物质。不产甲烷菌中有许多种类能裂解苯环，并从中获得能量和碳源，有些能以氰化物为碳源，这些作用不仅解除了对产甲烷菌的毒害，而且给产甲烷菌提供了养分。此外，不产甲烷菌代谢所生成的硫化氢，可与重金属离子作用生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除一些重金属的毒害作用。

（4）产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制。

在厌氧条件下，由于外源电子受体的缺乏，不产甲烷菌只能将各种有机物发酵而生成H2、CO2及有机酸、醇等各种代谢产物，这些代谢产物的积累所引起

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的反馈作用对不产甲烷菌的代谢会产生抑制作用。而作为厌氧消化食物链末端的产甲烷菌，则像清洁工一样将不产甲烷菌的代谢产物加以清除，使不产甲烷菌得以继续生长和代谢。

（5）不产甲烷菌和产甲烷菌共同维持环境中适宜的pH值。

在厌氧发酵初期，不产甲烷菌首先降解原料中的糖类、淀粉等物质，产生大量的有机酸和二氧化碳，使发酵液的pH值明显下降。而此时，一方面不产甲烷菌中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨中和部分酸；另一方面，产甲烷细菌利用乙酸、甲酸、氢和二氧化碳形成甲烷，消耗酸和二氧化碳，两个类群的共同作用使pH值稳定在一个适宜范围内。

2厌氧生物处理工艺的发展历程

从1881年法国Cosmos杂志报道应用厌氧生物工艺处理市政污水中的大量易腐败有机物起，厌氧处理工艺已经有120余年的发展历史。近三、四十年是工艺发展的高潮期。其代表是下面两个杰出的研究成果。一个是1969年J.C.Young和P.L.McCarty开发研究的厌氧生物滤池，这是现代厌氧处理工艺发展的一个里程碑，开创了在常温下对中等浓度有机废水的厌氧生物处理，拓展了厌氧处理工艺的应用范围。另一个是Lettinga等人在20世纪70年代开发的上流式厌氧污泥床反应器，生物固体的颗粒化开辟了全新的生物固定化途径，从而提高了厌氧反应器的有机负荷，极大地推动了厌氧处理工艺的工业应用。厌氧反应器按照其发展年代和工艺特点分为三代。 2.1第一代厌氧反应器

第一代厌氧反应器化粪池和隐化池(双层沉淀池)主要用于处理生活污水下沉的污泥。传统消化池与高速消化池用于处理城市污水厂初沉池和二沉池排出的污泥。其特点是污泥龄(Sludge Retention Time，SRT)等于水力停留时间(Hydraulic Retention Time，HRT)。为了使污泥中的有机物达到厌氧消化稳定，必须维持较长的污泥龄，即较长的水力停留时间，所以反应器的容积很大且处理效能较低。 2.2第二代厌氧反应器

第二代厌氧反应器在20世纪70年代末期，人们成功地开发了以提高厌氧微生物浓度和停留时间，强化传质作用，缩短液体停留时间为基础的一系列高速厌氧反应器。主要有厌氧滤池、厌氧流化床反应器、上流式厌氧污泥床反应器等。这些反应器的一个共同的特点是可以将固体停留时间与水力停留时间相分离，固体停留时间可以长达上百天。这使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天可以缩短到几天或几小时。 2.2.1厌氧滤池(Anaerobic Filter, AF)

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1969年Young和McCarty研发的厌氧滤池开创了常温下对中等浓度有机废水的厌氧处理。AF采用生物固定化技术延长SRT，把SRT和HRT分别对待，其结构和原理类似于好氧生物滤床，厌氧菌在填充材料上附着生长形成生物膜。根据水的流向，厌氧滤池可分为上流式和下流式两种。上流式厌氧滤池滤膜形成较快，容积负荷比较高，但是容易堵塞，需要定期的反冲洗；而下流式厌氧滤池膜的形成比较慢，容积负荷也比较低厌氧滤池一般采用上流式，在负荷较低时，能够取得良好的处理效果。AF内厌氧污泥浓度可达到10～20gVSS/L，其处理溶解性废水时的容积负荷为10～15kgCOD/m3·d。以AF工艺处理高蛋白含量的鱼类加工废水时，负荷为10kgCOD/m3·d，COD去除率可达90%。另外，AF也被用于处理乳清废水和高浓度硫酸盐废水[3]。

该工艺也存在的问题主要是：用AF处理含悬浮物浓度高的有机废水易发生堵塞；对布水装置要求较高，否则易发生短流，影响处理效果。 2.2.2厌氧流化床反应器(Anaerobic Fluidized Bed, AFB)

为了解决厌氧滤池的堵塞和提高负荷等问题，美国的Jeris等于20世纪70年代初开发了厌氧流化床工艺。

AFB反应器依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜来保留厌氧污泥。填料在较高的上升流速下处于流化状态，克服了AF中易发生的堵塞，且能使厌氧污泥与废水充分混合，提高了处理效率。AFB具有反应器内微生物浓度高、占地面积小、传质速度快、处理效率稳定等特点，可用于高浓度和低浓度有机废水处理。采用AFB反应器处理酒厂废水，有机负荷可达到38kgCOD/m3·d。但是由于其工艺控制较难，投资和运行成本高，至今实际工程中很少有应用[4-5]。 2.2.3上流式厌氧污泥床反应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)[6-8]

荷兰农业大学环境系Lettinga等人在20世纪70年代开发了UASB反应器。UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成，如图1。

UASB原理如下，在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累

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