厭氧消化

編輯本段概述

       在無氧條件下，污泥中的有機物由厭氧微生物進行降解和穩(wěn)定的過程。

　　有機物質(zhì)被厭氧菌在厭氧條件下分解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過程。
　　因氧是在空氣缺乏的條件下從有機物中移出而生成CO2的。無論是酸性發(fā)酵，還是沼氣發(fā)酵，參與生化反應的氧都是來自于水、有機物、硝酸鹽或被分解的亞硝酸鹽。
　　厭氧消化的優(yōu)點是有機質(zhì)經(jīng)消化產(chǎn)生了能源，殘余物可作肥料。厭氧消化開始用于廢物處理，現(xiàn)在厭氧消化已應用于多個領(lǐng)域，如工業(yè)廢水處理、城市垃圾的處理及潛在能源的開發(fā)、作燃料與動力、并且已建立了大規(guī)模的厭氧消化工廠。

編輯本段生化階段

　　第Ⅰ階段——水解產(chǎn)酸階段
　　污水中不溶性大分子有機物，如多糖、淀粉、纖維素、烴類（烷、烯、炔等）水解，主要產(chǎn)物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸；緊接著氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的書又把水解產(chǎn)酸分為二個階段）。
　　第Ⅱ階段——厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣階段
　　第Ⅰ階段產(chǎn)物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有機物在產(chǎn)甲烷菌的作用下，通過甲烷菌的發(fā)酵過程將這些小分子有機物轉(zhuǎn)化為甲烷。所以在水解酸化階段COD、BOD值變化不很大，僅在產(chǎn)氣階段由于構(gòu)成COD或BOD的有機物多以CO2和H2的形式逸出，才使廢水中COD、BOD明顯下降。
　　在酸化階段，發(fā)酵細菌將有機物水解轉(zhuǎn)化為能被甲烷菌直接利用的第1類小分子有機物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第2類為不能被甲烷菌直接利用的有機物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厭氧消化或發(fā)酵到此結(jié)束。如果繼續(xù)全厭氧過程，則產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌將第2類有機物進一步轉(zhuǎn)化為氫氣和乙酸。
　　第Ⅱ階段生化過程是產(chǎn)甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質(zhì)通過不同途徑轉(zhuǎn)化為甲烷，其中最主要的基質(zhì)為乙酸。

70年代初Bryantlzgl等人對兩階段理論進行了修正，提出了厭氧消化的三階段理論，突出了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的地位和功能。和此同時，Zeikuslao等人提出了厭氧消化的四類群理論，反映了同型產(chǎn)乙酸菌的功能。該理論認為厭氧發(fā)酵過程可分為四個階段，第一階段（水解階段）摘要：將不溶性大分子有機物分解為小分子水溶性的低脂肪酸；第二階段（酸化階段）摘要：發(fā)酵細菌將水溶性低脂肪酸轉(zhuǎn)化為H2、CH3000H、CH3CH2OH等，酸化階段料液pH值迅速下降；第三階段(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段)摘要：專性產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對還原性有機物的氧化功能，生成H2、HCO3－、CH3COOH。同型產(chǎn)乙酸細菌將H2、HCO3－轉(zhuǎn)化為CH3COOH，此階段由于大量有機酸的分解導致pH值上升；第四階段(甲烷化階段)摘要：產(chǎn)甲烷菌將乙酸轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，利用H2還原CO2成CH4，或利用其他細菌產(chǎn)生甲酸形成CH4。無論是三階段理論，還是四類群理論，實質(zhì)上都是對兩階段理論的補充和完善，較好地揭示了厭氧發(fā)酵過程中不同代謝菌群之間相互功能、相互影響、相互制約的動態(tài)平衡關(guān)系，闡明了復雜有機物厭氧消化的微生物過程。

編輯本段發(fā)酵條件控制

　?。?）營養(yǎng)與環(huán)境條件
　　厭氧要求有機物濃度較高，一般大于1000mg/L以上。所以厭氧適于處理高濃度有機廢水和污泥處理。和好氧生物處理一樣，厭氧處理也要求供給全面的營養(yǎng)，但好氧細菌增殖快，有機物有50～60%用于細菌增殖，故對N、P要求高；而厭氧增殖慢，BOD僅有5～10%用于合成菌體，對N、P要求低。
　　COD∶N∶P＝200∶5∶1或C∶N＝12～16
　　（好氧COD∶N∶P＝100∶5∶1）
　　厭氧過程對環(huán)境條件要求比較嚴格：
　?、瘛?A class=ed_inner_link target=_blank _extended="true">氧化還原電位（φE）與溫度
　　氧的溶入和氧化態(tài)、氧化劑的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+會使體系中電位升高，對厭氧消化不利。
　　高溫消化——500～600mv，50～55℃
　　中溫消化——300～380mv，30～38℃
　　產(chǎn)酸菌對氧還—還電位要求不甚嚴格＋100～－100mv
　　產(chǎn)甲烷菌對氧還—還電位要求嚴格＜－350mv
　?、?、pH及堿度
　　pH主要取決于三個生化階段的平衡狀態(tài)，原液本身的pH和發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)生的CO2分壓（20.3～40.5kpa），正常發(fā)酵pH＝7.2～7.4，有機負荷太大，水解和酸化過程的生化速率大大超過產(chǎn)氣速率。將導致水解產(chǎn)物有機酸的積累使pH下降，抑制甲烷菌的生理機能，使氣化速率銳減，所以原液pH＝6～8，發(fā)酵過程有機酸濃度不超過3000mg/L為佳（以乙酸計）。
　　HCO3-及NH3是形成厭氧處理系統(tǒng)堿度的主要原因，高的堿度具有較強的緩沖能力，一般要求堿度2000mg/L以上，NH3濃度50～200mg/L為佳。
　?、蟆⒍疚铩矊捬跆幚磉^程起抑制和毒害作用的物質(zhì)都可稱為毒物，無機酸濃度不應使消化液pH＜6.8；不應高于1500mg/L，其它陰離子濃度參見 P148表9-2。
　　（2）工藝操作條件
　?、瘛⑸锪俊笮∫?A class=ed_inner_link target=_blank _extended="true">污泥濃度表示，一般介于10～30gvss/L之間，為防止反應器中污泥流失，可采用裝入填料介質(zhì)使細菌附著掛膜，調(diào)節(jié)水流速度或污泥回流量。
　?、颉?A class=ed_inner_link target=_blank _extended="true">負荷率——表示消化裝置處理能力的一個參數(shù)，負荷率有三種表示方法：
　　①容積負荷率——反應器單位有效容積在單位時間內(nèi)接納的有機物量kg/m3·d。
　　②污泥負荷率——反應器內(nèi)單位重的污泥在單位時間內(nèi)接納的有機物量kg/kg·d。
　?、弁杜渎省刻煜騿挝挥行莘e投加的材料的體積m3/m3·d。
　　投配率的倒數(shù)為平均停留時間或消化時間，單位為d（天），投配率池可用百分率表示。
　　負荷率的影響：
　?、佼斢袡C物負荷率很高時，營養(yǎng)充分，代謝產(chǎn)物有機酸產(chǎn)量很大，超過甲烷菌的吸收利用能力，有機酸積累pH下降，是低效不穩(wěn)定狀態(tài)。
　?、谪摵陕蔬m中，產(chǎn)酸細菌代謝產(chǎn)物中的有機物（有機酸）基本上能被甲烷菌及時利用，并轉(zhuǎn)化為沼氣，殘存有機酸量僅為幾百毫克/升。pH＝7～7.5，呈弱堿性，是高效穩(wěn)定發(fā)酵狀態(tài)。
　?、郛斢袡C負荷率小，供給養(yǎng)料不足，產(chǎn)酸量偏少，pH＞7.5是堿性發(fā)酵狀態(tài)，是低效發(fā)酵狀態(tài)。
　　Ⅲ、溫度控制——發(fā)酵要求較高的溫度，每去除8000mg/L的COD所產(chǎn)沼氣，能使水溫升高10℃，一般工藝設(shè)計中溫消化30～35℃。
　?、簟H的控制——當液料pH＜6.5或高于8.0，則要調(diào)整液料pH。
　　pH＜6.8～7，應減少有機負荷率，
　　pH＜6.5，應停止加料，必要時加入石灰中和。