WQE2-chapter15-2废水厌氧生物处理.ppt.ppt
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1、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,15.2 厌氧生物处理机理,15.2.1 机理 15.2.2 微生物学 15.2.3 2个关键问题,15.2.1 机理 二、三、四 三+四,两阶段理论,1930年Buswell和Neave肯定了Thumm和Reichie(1914)与Imhoff(1916)的看法,有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段.,两阶段理论,三阶段论,两阶段理论这一观点,几十年来
2、一直占统治地位(近50年),在国内外有关厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。 M.P.Bryant(1979)根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果,认为两阶段理论不够完善,提出了三阶段理论。,三阶段理论,创新点:,该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸,H2/CO2,和甲醇等以外的有机酸和醇类,长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2等后,才能被产甲烷菌利用。,四种群说,J.C.Zeikuus(1979)在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论。,四种群说,#三阶段四种群说,复杂有机物(多糖、脂、蛋白质),A类有机物,B类有机物,CO2+H2O,NH3,H2S,产甲烷作
3、用,甲基合成,氢还原,CH4+CO2,NH3,H2S,水解发酵作用,产氢产乙酸作用,A类有机物: 三甲一乙:甲酸、甲醇、甲胺、乙酸 B类有机物: A类有机物之外的其它简单有机物 有机酸、醇、酮等,Overview Anaerobic Biodegradation,Polymers,(proteins, polysaccharides),Monomers,(sugars, amino acids, peptides),butyrate,propionate,H2 + CO2,acetate,CH4 + CO2,Hydrolytic enzymes,Fermentative bacteria,Sy
4、ntrophic acetogenic bacteria,Homoacetogenic bacteria,Methanogens,Methanogenic Consortium,第一阶段,液化 水解 不溶解性大分子有机物经胞外水解酶的作用,在溶液中分解为水溶性的小分子有机物,如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等 纤维素经水解转化成较简单的糖类; 蛋白质转化成较简单的氨基酸; 脂类转化成脂肪酸和甘油等。,发酵(酸化) 这些简单的有机物在产酸菌的作用下(胞内酶)经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。 完成者:发酵细菌(厌氧菌和兼性厌氧菌)。,第二阶段,酸化 水解的产物被发酵细菌摄入
5、体内,进行代谢,由于菌种不同,产物也不一样,众多产物中仅CO2、H2、三甲一乙可以被产甲烷细菌利用. 其它产物(丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类)经产氢产乙酸细菌进一步转化成H2和乙酸等方可被利用 完成者:发酵细菌、产氢产乙酸细菌(同型产乙酸细菌),第三阶段,气化 产甲烷细菌利用CO2、H2、三甲一乙将有机物中的碳最终以CH4、CO2等产物形式逸出。 完成者:产甲烷菌,15.2.2 微生物学,1水解发酵细菌群 2产氢产乙酸细菌群 3同型产乙酸细菌群 4甲烷细菌群,1水解发酵细菌群,A:种类 发酵细菌是一个相当复杂而又庞大的细菌群。 主要包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分
6、解菌等。,B:发酵细菌的功能可概括为两个方面,1将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物。水解作用是在胞外水解酶的催化作用下完成的。水解过程是在细菌细胞的表面或周围介质中完成的。 发酵细菌群中仅有一部分细菌种属具有分泌水解酶的功能,而水解产物却一般可被其它的发酵细菌群所吸收利用。,2发酵细菌将水解产物吸收进细胞内,经细胞内复杂的酶系统的催化转化,将一部分供能源使用的有机物转化为代谢产物,转入细胞外的水溶液里,成为参与下一阶段生化反应的细菌群(主要是产氢产乙酸细菌)吸收利用的基质(主要是有机酸、醇、酮等)。,发酵细菌主要是专性厌氧菌和兼性厌氧菌,大多数属异养菌。其优势种属随环境条件和发酵基
7、质的不同而异。 发酵细菌对环境条件(如温度、pH值、氧化还原电位等)的变化有较强的适应性。 此外,发酵细菌的世代期短,数分钟到数十分钟即可繁殖一代。,基 质,纤维素(动植物残体和食草动物的粪便) 淀粉(淀粉废液、酒精发酵残渣) 蛋白质(奶酪厂废水) 富含肉类罐头的残渣 硫酸盐含量高的消化液(硫酸盐制浆黑液) 生活垃圾和鸡场废弃物,2产氢产乙酸细菌群,发现S菌株的意义 产氢产乙酸反应的调控,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。 1967年,M.P.Bryant采用改良的Hungate技术将共生的Omelia
8、nsky甲烷杆菌分纯。证明了它是甲烷杆菌MOH菌株和“S”菌株的共生体,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。,S菌株和MOH菌株 营共生,S菌株可以能发酵乙醇产生乙酸和分子氢; MOH菌株是一种能利用分子氢产生甲烷、不能运动、革兰氏染色不定的厌氧杆菌。 资科表明,当氢分压大于4.9104Pa时,S菌株的代谢即受到抑制。,发现S菌株的意义 1,(1)以证实奥氏甲烷芽胞杆菌非纯菌种作为突破口,随之又从热力学上进一步断定,以前命名的几种甲烷细
9、菌(如能将丁酸和己酸等偶碳脂肪酸氧化成乙酸和甲烷,以及能将戊酸等奇碳脂肪酸氧化成乙酸、丙酸和甲烷的弱氧化甲烷杆菌,能将丙酸氧化成乙酸、丙酸和甲烷的弱氧化甲烷杆菌等)均非纯种,使得甲烷细菌的种属进一步得到纯化和确认。,发现S菌株的意义 2,(2)否定了原以为可作为甲烷细菌基质的许多有机物(如:乙醇、丙醇、异丙酵、正戊醇、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和己酸等),而将甲烷细菌可直接吸收利用的基质范围缩小到仅包括“三甲一乙”甲酸、甲醇、甲胺类(一甲胺、二甲胺、三甲胺)、乙酸的简单有机物和以H2CO2组合的简单无机物等为数不多的几种化学物质。,发现S菌株的意义 3,(3)厌氧消化中,第一酸化阶段的发酵产物除
10、可供甲烷细菌吸收利用的“三甲一乙”外,还有许多其它重要的有机代谢产物。如三碳及三碳以上直链脂肪酸、二碳及二碳以上的醇,以及酮和芳香族有机酸等。据实际测定和理论分析,这些有机物至少占发酵基质的50以上(以COD计)。它们最终转化成甲烷,表明还存在着一大批功能和S菌株类似的能为甲烷细菌提供基质的产氢产乙酸细菌群。 也就是说,在有机物的厌氧转化链条上,出现了一个新的环节或阶段,从而为厌氧消化三阶段奠定了基础。,产氢产乙酸反应的调控,产氢产乙酸细菌的代谢产物中有分子态氢,所以体系中氢分压的高低对代谢反应的进行起着重要的调控作用: 或加速反应,求减慢反应,或中止反应。,?厌氧消化系统一旦发生故障时, 为
11、什么经常出现丙酸积累?,不同底物,其反应的难易程度也就不一样。 大气压为单位时,当氢分压小于0.15时,乙醇即能自动进行产氢产乙酸反应, 而丁酸则必须在氢分压小于2103下进行, 而丙酸则要求更低的氢分压(9105)。 在厌氧消化系统中,降低氢分压的工作必须依靠甲烷细菌来完成。,由此可见,通过甲烷细菌利用分子态氢以降低氢分压对产氢产乙酸细菌的生化反应起着何等重要的调控作用。 在以上互营系统中,一旦甲烷细菌因受环境条件的影响而放慢对分子态氢的利用速率,其结果必须是放慢产氢产乙酸细菌对丙酸的利用,接着依次是丁酸和乙醇。这也说明了厌氧消化系统一旦发生故障时,为什么经常出现丙酸积累的原因所在。,在下水
12、污泥中,有人分离出4.2108个/L的产氢产乙酸细菌。其数量与发酵细菌比较接近。,3同型产乙酸细菌群,在厌氧条件下,能产生乙酸的细菌有两类: 一类是异养型厌氧细菌,能利用有机基质(糖类)产生乙酸;(归类于发酵细菌) 一类是混合营养型厌氧细菌,既能利用有机基质产生乙酸,也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。称之为同型产乙酸细菌(耗氢产乙酸菌)。(不是一种细菌),目前对这类细菌的研究还处于初级阶段,其在厌氧消化中的重要性尚难作出恰当结论。 但有一点是比较肯定的: 因能利用氢以降低氢分压,对产氢的发酵细菌有利; 同时对利用乙酸的甲烷细菌也有利。,4甲烷细菌群,甲烷细菌的细胞结构与一般细菌细胞的结构有显著
13、差异,特别是细胞壁的结构,后者都有肽聚糖,而前者却没有或缺少肽聚糖。从生物学发展谱系考察,甲烷细菌属于与真核生物和普通单细胞生物无关的第三谱系,称之为原始细菌(古细菌)的谱系。 甲烷细菌的另一特点是对氧和其它氧化剂十分敏感,屑于严格的专性厌氧菌。,甲烷细菌的形态,大致可分为四类:球状、杆状、螺旋状和八叠状。 (1)球状甲烷细菌通常为正圆形或椭圆形,排成对或链状。 (2)杆状甲烷细菌呈短杆、长杆、竹节状或丝状。 (3)螺旋状甲烷细菌仅发现一种呈规则的弯曲卷状,最后发展为能运动的螺旋丝状。 (4)八叠状甲烷细菌,球形细胞形成规则的或不规则的堆积状。,甲烷细菌的能源和碳源物质主要有5种,即H2CO2
14、、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸。,环境条件,氧化还原电位(ORP) 温度(T) PH值 化学物质,氧化还原电位(ORP) (Oxidation Reduction Potential),甲烷细菌细胞内具有许多低氧化还原电位的酶系。当体系中氧化态物质的标准电位高和浓度大时(亦即体系的氧化还原电位高时),这些酶系将被高电位不可逆转地氧化破坏,使甲烷细菌的生长受到抑制,甚至死亡。 氧是厌氧消化系统中拒绝存在的氧化态物质,极少量即能毒害甲烷细菌的生长。,一般认为,参与中温消化的甲烷细菌要求环境中应维持的氧化还原电位应低于-350mV;对参与高温消化的甲烷细菌则应低于-500600mV。,温 度,根据甲烷细菌
15、对温度的适应范围,可将甲烷细菌分为三类:低温菌、中温菌和高温菌。 低温菌的适应范围为20250C,中温菌为30450C。高温菌为45750C。 经鉴定的甲烷细菌中,大多数为中温菌,低温菌较少,而高温菌的种类也较多。,甲烷细菌要求的最适温度范围和厌氧消化系统要求维持的最佳温度范围经常是不一致的。 之所以存在差异,原因在于厌氧消化系统是一个混合菌种共生的生态系统,必须照顾到各菌种的协调适应性,以保持最佳的生化代谢之间的平衡。如果为了满足嗜热自养甲烷杆菌,把温度升至6570,则在此高温下,大部分厌氧的产酸细菌就很难正常生活。,pH值,影响菌体及酶系统的生理功能和活性; 影响环境的氧化还原电位; 影响
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