厌氧生化处理技术

废水厌氧生化处理在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氢等为受氢体。一厌氧法基本原理——三阶段、四种群理论研究表明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类和H2/CO2，但不能利用两碳以上的脂肪酸和除甲醇以外的醇类产生甲烷。四种群理论1产甲烷菌特点：形态：薄、扁平、直角几何形态；细胞结构：组分特异性；含有内含子；代谢：特殊的辅酶，代谢多样性；呼吸类型：多为厌氧；繁殖速度：比细菌慢；生活习性：适应极端环境。2厌氧生物处理微生物群体间的关系（1）不产甲烷细菌（包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌）为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质。（2）不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件。（3）不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质。(4）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制（降低H2分压）。二影响厌氧处理效率的因素与非产甲烷菌(包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌)相比，产甲烷菌对环境因素的变换要敏感得多，通常把产甲烷反应作为厌氧生化反应的控制过程。以下主要讨论对产甲烷菌有影响的各种环境因素。环境因素：温度、pH、氧化还原电位、有毒物质基础因素：污泥浓度（微生物量）、营养比、混合接触情况、有机负荷2.1温度产甲烷菌的温度范围为5～60℃，在35℃（中温消化）和53℃（高温消化）上下可以分别获得较高的消化效率。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时间内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中的甲烷含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。2.2pH值与水解菌和产酸菌相比，产甲烷菌对pH值更为敏感。水解菌和产酸菌适应的pH值范围为5.0~8.5；产甲烷菌对pH值变化的适应性很差，其最适pH值范围为6.8～7.2，在pH6.5以下或8.2以上的环境中，厌氧消化会受到严重的抑制。受破坏的厌氧消化体系需要很长的时间才能恢复。微生物对pH值的波动十分敏感，在适宜的pH值范围内pH值的改变也会引起细菌活性的明显下降。因此厌氧系统必须具备一定的缓冲能力以维持pH值处于相对稳定的范围。2.3氧化还原电位所谓的氧化还原电位就是用来反映水溶液中所有物质表现出来的宏观氧化-还原性。氧化还原电位越高，氧化性越强，电位越低，氧化性越弱。电位为正表示溶液显示出一定的氧化性，为负则说明溶液显示出还原性。无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一，产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感。产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330mV,相当于2.36×1056L水中有1mol氧。在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为+0.1～-0.1V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3～-0.35V（中温消化）与-0.56～0.6V（高温消化），常温消化与中温相近。产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。2.4有毒物质有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。比如挥发性脂肪酸（VFA）是厌氧消化的产物，也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+(铬)3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd（镉）150K2500～4500重金属被认为是抑制厌氧反应最普遍和最主要的因素。它通过与微生物酶中的巯基、氨基、羧基等结合而使酶失活。2.5污泥浓度厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉淀性能。作用效能主要取决于活微生物的比例及其对底物的适应性和活微生物中生长速率低的产甲烷菌的数量是否达到与不产甲烷菌数量相适应的水平。活性污泥的沉淀性能与污泥的凝聚性有关，以SVI衡量。SVI：污泥容积指数，是衡量活性污泥沉降性能的指标。指曝气池混合液经30min静沉后,相应的1g干污泥所占的容积(以mL计),即:SVI=混合液30min静沉后污泥容积(mL)/污泥干重(g)，即SVI=SV30/MLSS。厌氧处理时，废水中的有机物主要靠活性污泥中的微生物分解去除，故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率也愈高。但至一定程度后，效率的提高不再明显。这主要因为：⑴厌氧污泥的生长率低、增长速度慢，积累时间过长后，污泥中无机成分比例增高，活性降低；⑵污泥浓度过高有时易于引起堵塞而影响正常运行。•图15-6和图15-7分别说明污泥浓度与最高处理量和产气量之间的关系。2.6有机负荷2.7营养比厌氧消化原料既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。厌氧菌生命活动需要一定比例的氮素和碳素。同时，厌氧过程细胞的增殖很少，只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为氨氮。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。C/N比过高，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。C/N比过低，易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。一般认为，厌氧法C：N：P控制在300~500：5：1，此比值大于好氧法的100：5：1。2.8混合接触情况目的：使物料、温度分布均匀，增加微生物与物料的接触，提高消化效率、增加产气量；搅拌方法包括：气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌：搅拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环：用泵使沼气池内料液循环流动，达到搅拌的目的；气体搅拌：沼气加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合大、中型的沼气工程。厌氧处理的优点（1）应用范围广好氧法因供氧限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的、如固体有机物、着色剂蒽酿和某些偶氮染料等。为什么好氧、厌氧对有机废水浓度适应性会有所不同？对于好氧处理，有机物浓度越高，所需氧气浓度越高，曝气费用越高。即好氧处理的有机物浓度越高，处理成本越大。厌氧处理不存在这一问题。为什么厌氧可以降解某写好氧难以降解的有机物？（水解酸化阶段胞外酶作用将大分子转化为小分子）(2)能耗低好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要供氧，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。—般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。(3)有机负荷高通常好氧法的有机容积负荷为2~4kgBOD/m3.d，而厌氧法为2～10kgCOD/m3.d，高的可达50kgCOD／m3.d。为什么有机负荷有所不同？厌氧法处理的有机物浓度高于好氧，自然有机负荷高于好氧(4)剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好。好氧法每去除1kgCOD将产生0.4~0.6kg生物量，而厌氧法去除1kgCOD只产生0.02~0.1kg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％~20％。同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。污泥的主要成分：微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物。厌氧处理产生的剩余污泥量较少的原因？厌氧菌的繁殖的世代期较长（两次细胞分裂之间的时间）。厌氧生化污泥处理和处置简单的原因？首先，有机物被厌氧消化分解，可使污泥稳定化，使之不易腐败。其次，通过厌氧消化，大部分病原菌或蛐虫卵被杀灭或作为有机物被分解，使污泥无害化。第三，随着污泥被稳定化，将产生大量高热值的沼气，作为能源利用，使污泥资源化。另外，污泥经消化以后，其中的部分有机氮转化成了氨氮，提高了污泥的肥效。污泥的减量化虽然主要借浓缩和脱水，但有机物被厌氧分解，转化成沼气，这本身也是一种减量过程。(5)氮、磷营养需要量较少好氧法一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法的BOD：N：P为100：2.5：0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。为什么需氮、磷较少？厌氧过程细胞的增殖很少，只需要很少的氮、磷转化为细胞物质，大部分可生物降解的氮都转化为氨氮。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。(6)厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。(7)厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。厌氧处理的缺点（1）厌氧微生物增殖缓慢，设备启动时间长。好氧处理体系的活性污泥通常只需7天就可培育成功，厌氧处理活性污泥需8到12周才能培育成功。（2）厌氧处理出水有机物浓度较高，需要进一步处理。一般厌氧处理的有机负荷高，有机负荷高则处理程度较低。有机物经过水解酸化后生成小分子有机物，再经产氢产乙酸菌的作用生成乙酸，产甲烷对环境要求较高，因此很难将废水中的所有有机物都进一步分解成甲烷、水和简单无机物。厌氧反应无法除去废水中的N、P。（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂厌氧菌尤其是产甲烷菌对温度、pH值变化以及毒物比较敏感。废水污染物浓度过高时，仅仅靠曝气无法提供污染物质降解所消耗的溶解氧或者成本过高，而厌氧生化法无需曝气，利用的是厌氧和兼氧的微生物初步降解或者降解污染物，只要保证废水处于厌氧状态即可，所以说既适用于高浓度废水又适用于中低浓度废水。但是一方面低浓度废水中溶解氧含量不易达到厌氧要求，一方面厌氧生化的效果不如好氧，而且所需周期较长，所以一般用来作为中高浓度废水的预处理。