厭氧的基本原理及影響其效果的因素

1、厭氧生化法的基本原理及影響其效果的因素一、厭氧生化法的基本原理廢水厭氧生物處理是在無分子氧條件下通過厭氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過程，也稱為厭氧消化。厭氧生物處理是一個復(fù)雜的微生物化學(xué)過程，依靠三大主要類群的細(xì)菌，即水解產(chǎn)酸細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌的聯(lián)合作用完成。因而粗略地將厭氧消化過程分為三個連續(xù)的階段，即水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段，如下圖所示： 4% H224%28% 76%復(fù)雜有機(jī)物 高級有機(jī)酸 CH4 52% 72% 20% 乙酸（1）水解酸化 （2）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸 （3）產(chǎn)甲烷第一階段為水解酸化階段。復(fù)

2、雜的大分子、不溶性有機(jī)物先在細(xì)胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機(jī)物，然后滲入細(xì)胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸、醇類、醛類等。這個階段主要產(chǎn)生較高級脂肪酸。含氮有機(jī)物分解產(chǎn)生的NH3除了提供合成細(xì)胞物質(zhì)的氮源外，在水中部分電離，形成NH4HCO3 ，具有緩沖消化液PH值的作用。第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下，第一階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和H2 ，在降解奇數(shù)碳素有機(jī)酸時還形成CO2 。第三階段為產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽、CO2 和H2 等轉(zhuǎn)化成甲烷 。雖然厭氧消化過程可分為以上三個階段，但是在厭氧反應(yīng)器中，三個階段是同時進(jìn)行的，并保持某種程度的動態(tài)平衡

3、。這種動態(tài)平衡一旦被PH值、溫度、有機(jī)負(fù)荷等外加因素所破壞，則首先將使產(chǎn)甲烷階段受到抑制，其結(jié)果會導(dǎo)致低級脂肪酸的積存和厭氧進(jìn)程的異常變化，甚至?xí)?dǎo)致整個厭氧消化過程停滯。 二、影響厭氧處理效果的因素水解產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌，可統(tǒng)稱為不產(chǎn)甲烷菌，它包括厭氧細(xì)菌和兼性細(xì)菌，尤以兼性細(xì)菌居多。與產(chǎn)甲烷菌相比，不產(chǎn)甲烷菌對PH值、溫度、厭氧條件等外界環(huán)境因素的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且其增殖速度快。而產(chǎn)甲烷菌是一群非常特殊的、嚴(yán)格厭氧的細(xì)菌，它們對環(huán)境條件的要求比不產(chǎn)甲烷菌更嚴(yán)格，而且其繁殖的世代期更長。因此，產(chǎn)甲烷細(xì)菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，產(chǎn)甲烷階段是厭氧過程速率的限制步驟。1、

4、溫度條件溫度是影響微生物生存及生物化學(xué)反應(yīng)最重要的因素之一。各種產(chǎn)甲烷菌的適應(yīng)溫度區(qū)域不一致，而且最適溫度范圍較小。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為常溫厭氧消化（1030）、中溫厭氧消化（3538）和高溫厭氧消化（5055）三種類型。溫度的急劇變化和上下波動不利于厭氧消化作用。應(yīng)盡可能采取一定的控溫措施，溫度變化幅度不超過23/h 。然而，溫度的暫時性突然降低不會使厭氧消化系統(tǒng)遭受根本性的破壞，溫度一經(jīng)恢復(fù)到原來水平時，處理效率和產(chǎn)氣量也隨之恢復(fù)，只是溫度降低持續(xù)的時間較長時，恢復(fù)所需的時間也相應(yīng)延長。2、PH值每種微生物可在一定的PH值范圍內(nèi)活動，產(chǎn)酸細(xì)菌對酸堿度不及產(chǎn)甲烷細(xì)菌敏

5、感，其適宜的PH值范圍較廣，在4.58.0之間。產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)PH值在中性附近，最適PH值為7.07.2 ，PH6.67.4較為適宜 。由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行，故為了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應(yīng)器內(nèi)的PH值在6.57.5（最好在6.87.2）的范圍內(nèi)。PH值條件失常，首先使產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用和產(chǎn)甲烷作用受抑制，使產(chǎn)酸過程所形成的有機(jī)酸不能被正常地代謝降解，從而使整個消化過程的各階段間的協(xié)調(diào)平衡喪失。若PH值降到5以下，對產(chǎn)甲烷菌毒性較大，同時產(chǎn)酸作用本身也受抑制，整個厭氧消化過程即停滯。即使PH值恢復(fù)到7.0左右，厭氧裝置的處理能力仍不易恢復(fù)；而在稍高的PH值時，只

6、要恢復(fù)中性，產(chǎn)甲烷菌能較快地恢復(fù)活性。所以，厭氧裝置適宜在中性或稍偏堿性的狀態(tài)下運(yùn)行。3、氧化還原電位（無氧環(huán)境）無氧環(huán)境是嚴(yán)格厭氧的產(chǎn)甲烷菌繁殖的最基本條件之一。產(chǎn)甲烷菌對氧和氧化劑非常敏感，這是因?yàn)樗幌蠛醚蹙菢泳哂羞^氧化氫酶。對厭氧反應(yīng)器介質(zhì)中的氧濃度可根據(jù)其與電位的關(guān)系來判斷，即由氧化還原電位來表達(dá)。研究表明，產(chǎn)甲烷菌初始繁殖的環(huán)境條件是氧化還原電位不能高于-330mV，相當(dāng)于2.361056L水中有1mol氧?？梢姰a(chǎn)甲烷菌對介質(zhì)中分子態(tài)氧極為敏感。在厭氧消化全過程中，不產(chǎn)甲烷階段可在兼氧條件下完成，氧化還原電位為+0.1V-0.1 V；而在產(chǎn)甲烷階段，氧化還原電位須控制為-0.3

7、V -0.35 V（中溫消化）與-0.56V -0.6V（高溫消化），常溫消化與中溫消化相近。4、有機(jī)負(fù)荷在厭氧法中，有機(jī)負(fù)荷通常指容積有機(jī)負(fù)荷，簡稱容積負(fù)荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機(jī)物量（kgCOD/m3d）。也有用污泥負(fù)荷表達(dá)的，即kgCOD/kg污泥d 。有機(jī)負(fù)荷是影響厭氧消化效率的一個重要因素，直接影響產(chǎn)氣率和處理效率。在一定范圍內(nèi)，隨著有機(jī)負(fù)荷的提高，產(chǎn)氣率即單位重量物料的產(chǎn)氣量趨向下降，而消化器的容積產(chǎn)氣量則增多，反之亦然。對于具體應(yīng)用場合，若進(jìn)料的有機(jī)物濃度一定，有機(jī)負(fù)荷的提高意味著停留時間縮短，則有機(jī)物分解率將下降，勢必使單位重量物料的產(chǎn)氣量減少。但因反應(yīng)器相對的處理

8、量增多了，單位容積的產(chǎn)氣量將提高。厭氧處理系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)取決于產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷反應(yīng)速率的相對平衡。一般產(chǎn)酸速度大于產(chǎn)甲烷速度，若有機(jī)負(fù)荷過高，則產(chǎn)酸率將大于用酸（產(chǎn)甲烷）率，揮發(fā)酸將累積而使PH值下降、破壞產(chǎn)甲烷階段的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時產(chǎn)甲烷作用停頓，系統(tǒng)失敗，并難以調(diào)整復(fù)蘇。此外，若有機(jī)負(fù)荷過高，則過高的水力負(fù)荷還會使消化系統(tǒng)中污泥的流失速率大于增長速率而降低消化效率。相反，若有機(jī)負(fù)荷過低，物料產(chǎn)氣率或有機(jī)物去除率雖可提高，但容積產(chǎn)氣量降低，反應(yīng)器容積將增大，使消化設(shè)備的利用效率降低，投資和運(yùn)行費(fèi)用提高。有機(jī)負(fù)荷值因工藝類型、運(yùn)行條件以及廢水廢物的種類及其濃度而異。在通常的情況下，常規(guī)厭氧消化工藝中

9、溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機(jī)負(fù)荷為23 kgCOD/m3d，在高溫下為46 kgCOD/m3d 。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（）、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機(jī)負(fù)荷在中溫下為510kgCOD/m3d，或等新型厭氧工藝的有機(jī)負(fù)荷在中溫下可達(dá)30kgCOD/m3d。5、厭氧活性污泥厭氧活性污泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機(jī)物、無機(jī)物組成。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關(guān)系。性狀良好污泥是厭氧消化效率的基本保證。厭氧活性污泥的性質(zhì)主要表現(xiàn)為它的作用效能與沉淀性能。厭氧活性污泥的作用效能，主要取決于活微生物的比例及其對底物的適應(yīng)性和活微生物中生長速率低的產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量是否達(dá)到

10、與不產(chǎn)甲烷菌數(shù)量相適應(yīng)的水平。厭氧活性污泥的沉淀性能，是指污泥混合液在靜止?fàn)顟B(tài)下的沉降速度，它與污泥的凝聚性有關(guān)，與好氧處理一樣，也可用SVI衡量。在上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中，當(dāng)其SVI為1520ml/g時，污泥具有良好的沉淀性能。厭氧處理時，廢水中的有機(jī)物主要靠活性污泥中的微生物分解去除，故在一定的范圍內(nèi)，活性污泥濃度愈高，厭氧消化的效率也愈高。但至一定程度后，效率的提高不再明顯。這主要因?yàn)椋簠捬跷勰嗟纳L率低、增長速度慢，積累時間過長后，污泥中無機(jī)成分比例增高，活性降低；污泥濃度過高，有時易于引起堵塞而影響正常運(yùn)行。6、攪拌與混合混合攪拌也是提高消化效率的工藝條件之一。沒有攪拌的厭氧消化池

11、，池內(nèi)料液常有分層現(xiàn)象。通過攪拌可消除池內(nèi)梯度，增加食料與微生物之間的接觸，避免產(chǎn)生分層，促進(jìn)沼氣分離。攪拌的方法有：機(jī)械攪拌器攪拌法；消化液循環(huán)攪拌法；沼氣循環(huán)攪拌法等。其中沼氣循環(huán)攪拌，還有利于使沼氣中的CO2 作為產(chǎn)甲烷的底物被細(xì)菌利用，提高甲烷的產(chǎn)量。7、廢水的營養(yǎng)比厭氧微生物的生長繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制進(jìn)料的碳、氮、磷比例，因?yàn)槠渌麪I養(yǎng)元素不足的情況較少見。不同的微生物、在不同的環(huán)境條件下所需的碳、氮、磷比例不完全一致。一般認(rèn)為，厭氧進(jìn)水中碳：氮：磷控制為200300：5：1為宜。此比值大于好氧進(jìn)水時的100：5：1 ，這與厭氧微生物對碳素養(yǎng)分的利用率較好氧微生物低有關(guān)。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例對厭氧消化的影響更為重要。研究表明，合適的C/N為1018：1 。在厭氧處理時提供氮源，除滿足合成菌體所需之外，還有利于提高反應(yīng)器的緩沖能力。若氮源不足，即碳氮比太高，則不僅厭氧菌增殖緩慢，而且消化液的緩沖能力降低，PH值容易下降。相反，若氮源過剩，即碳氮比太低，氮不能被充分利用，將導(dǎo)致系統(tǒng)中氨的過分積累，PH值上升至8.0以上，而抑制產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖，使消化效率降低。8、有毒物質(zhì)厭氧系統(tǒng)中的有毒物質(zhì)會不同程度地對過程產(chǎn)生抑整理用，這些物質(zhì)可能是進(jìn)水中所含成分