污水的厌氧生物处理

厌氧生物技术简介

厌氧生物处理是指利用厌氧微生物(包括兼氧微生物）的代谢过程，在无氧条件下把污水中的有机污染物转化为无机物和少量细胞物质的污水处理方法,也称为厌氧消化。

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。

与好氧过程的根本区别：不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。

与好氧生物处理技术相比，它具有以下突出优点：

• 能耗低(约为好氧的10％～15％）

• 厌氧对N、P的含量要求低，COD:N:P=800:5:1即可满足营养要求

• 可回收生物能源（沼气）

• 产生的剩余污泥量少（相当于好氧的1/10～1/6），节省污泥脱水费用

• 可承受的有机负荷高，占地少（人口密集、地价昂贵的地区）

• 可季节性运行或间断性运行（厌氧菌能保持至少1年以上的活性）

缺点：

• 受温度等影响大，要保温

• 厌氧水力停留时间一般较长，厌氧的启动时间一般也较长

• 厌氧处理后出水COD、BOD值较高，难以达标（需好氧处理作为后处理）

• 有恶臭（H2S）

综合看来：

在处理高浓度难降解有机废水时，首选厌氧，再辅之以好氧处理。

厌氧处理理论基础

厌氧生物降解过程可分为四个阶段：

1.水解阶段

2.酸化阶段(也叫发酵阶段)

3.乙酸化阶段

4.产甲烷阶段

• 水解阶段

水解细菌将不溶性有机物转变成可溶性有机物,将高分子溶性有机物转变成小分子有机物(通过细菌胞外酶作用)

纤维素被纤维素酶水解成纤维二糖和葡萄糖

淀粉被淀粉酶水解成麦芽糖和葡萄糖

蛋白质被蛋白酶水解成短肽和氨基酸

脂肪被脂肪酶水解成丙二醇和脂肪酸

• 酸化阶段

水解阶段产生的小分子水解产物在酸化菌的细胞内转化为更简单的化合物并分泌到细胞外,这一阶段的主要产物有VFA\醇类\乳酸\CO2\NH3\H2S等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质。

发酵细菌(产酸细菌)

主要包括梭菌属(Clostridigm)

似杆菌属(Bacteroides)

丁酸弧菌属(Butyrivibrio)

真细菌属(Eubacterium)

双歧杆菌属(Bifidobacterium)

• 乙酸化阶段

在此阶段，酸化阶段的产物被进一步转化为乙酸、H2、碳酸等以及新的细胞物质。

产氢产乙酸菌

近年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包括互营单孢菌属(Syntrophomonas)、杆菌属(Syntrophobacter)、梭菌属(Clostridium)、暗杆菌属(Petobacter)等。

• 产甲烷阶段

在此阶段，乙酸、H2、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为CH4、CO2和新的细胞物质。

整个厌氧降解的速率取决于以上四个阶段中速度最慢的那个阶段，因为产甲烷菌的生长缓慢,所以产甲烷的反应较慢,所以一般产甲烷阶段是整个厌氧降解过程的速率限制性阶段.

产甲烷阶段的菌种

嗜甲烷菌或称产甲烷菌（Methanogens）,是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于绝对厌氧细菌，主要代谢产物是甲烷。常见的有四种：

1、甲烷杆菌，杆状细胞，连成链或长丝状，或呈短而直的杆状

2、甲烷球菌，球形细胞呈正圆或椭圆形，排列成对或成链

3、甲烷八叠球菌，它可繁殖成为有规则的，大小一致的细胞，堆积在一起

4、甲烷螺旋菌，呈有规则弯曲杆状和螺旋丝状

厌氧过程四阶段

厌氧法的影响因素

• 温度条件

温度对厌氧消化过程的影响

甲烷菌最适温度在35℃～38℃和52℃～55℃各有一个。因此，甲烷菌可分为两类，即中温甲烷菌；高温甲烷菌，两区之间的温度，反应速度反而减退。

中温或高温厌氧消化允许的温度变动范围为±1.5～2.0℃。当有±3℃变化时，就会抑制消化速率，有±5℃的急剧变化时，就会突然停止产气，有机酸大量积累而破坏厌氧消化。

• pH值

产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0之间。

产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.0-7.2，pH6.6-7.4较为适宜。

在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内。

• 氧化还原电位（ORP）

厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。

高温厌氧消化系统：适宜氧化还原电位为-500～-600mV；

中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统：氧化还原电位应低于-300～-380mV。

产酸细菌：对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；

甲烷细菌：最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。

就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的值。

• 有机负荷

在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/m3·d)。

对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kg COD/(kg污泥·d)。

在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。

在通常的情况下：厌氧消化工艺处理高浓度

工业废水的有机负荷：

中温为2-3 kgCOD/(m3·d)，

在高温下为4-6 kgCOD  /(m3·d)。

上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流

化床等新型厌氧工艺的有机负荷

在中温下为5-15 kgCOD/(m3·d)，

可高达30 kgCOD/(m3·d)。

• 污泥浓度

各种反应器要求的污泥浓度不尽相同，一般介于10～30gVSS/L之间。 

为了保持反应器的生物量不致因流失而减少，可采用多种措施：

如安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥量等。

• 搅拌和混合

通过搅拌：

消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触

避免产生分层，促进沼气分离。

进料迅速与池中原有料液相混匀。

搅拌程度与强度要适当。

搅拌的方法：

机械搅拌器搅拌法

消化液循环搅拌法

沼气循环搅拌法等

沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量

• 废水的营养比

厌氧法中碳:氮:磷控制为200-300:5:1为宜。

在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明，合适的C/N为10-18:1。

• 有毒物质

有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。