厌氧生物处理（一）

3.5 厌氧生物处理 

3.5.1 什么是厌氧生物处理工艺？ 

厌氧生物处理又称为厌氧消化或厌氧发酵，它是一个复杂的生物化学过程，主要依靠水解产酸菌、 产氢产乙酸菌和产甲烷菌的共同作用来完成。厌氧生物处理工艺是指在无氧的条件下，通过厌氧和兼氧微生物的共同作用，使污水中的碳水化合物、脂肪和蛋白质等复杂有机物经厌氧分解，转化成短链脂肪酸等简单且稳定的物质，同时释放能量。如果控制条件适宜，产甲烷细菌将继续进行厌氧反应，最终形成甲烷和二氧化碳等。由于仅有少量的有机物被转化成新的细胞组织，相对于好氧生物处理，厌氧生物处理的污泥增长率要小得多。厌氧生物处理既适用于高浓度有机废水的处理，又可用于降解某些好氧生物处理难以降解的有机物。 在大多数高浓度有机废水的处理中，厌氧生物处理多是作为好氧生物处理的预处理工艺，目的是提高处理效果和节省运行费用。 

3.5.2 什么是厌氧消化的三阶段？ 

厌氧消化过程可以划分为水解酸化、产乙酸和产甲烷三个连续的阶段。 第一阶段为水解酸化阶段。在水解产酸菌胞外酶的作用下，将复杂的大分子和不溶性的有机物水解为小分子和溶解性的有机物，只有这些小分子和溶解性的有机物才能够渗入细胞体内，被细菌直接利用，分解产生出挥发性有机酸、醇类和醛类等。由于简单碳水化合物的分解产酸作用比含氮有机物的分解作用为快，蛋白质的水解只能在碳水化合物的水解后发生。含氮有机物水解产生的氨，除 了提供合成细胞的氮源外，在水中还可以部分形成碳酸氢氨，缓冲消化液中pH值的影响。 第二阶段为产乙酸阶段。在产乙酸菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸、乙酸盐、氢和二氧化碳。及时有效地消耗和利用所产生的氢，才能保证产乙酸反应的高效进行，而产甲烷反应则是消耗氢的反应过程。 第三阶段为产甲烷阶段。主要是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组是将氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是将乙酸或乙酸盐脱羧后产生甲烷。前者约占甲烷产量的1/3，后者约占2/3。 

3.5.3 厌氧生物处理有哪些特点？ 

厌氧生物处理不需提供外加能量，它以被还原的有机物作为受氢体，同时产生甲烷气体。厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，也适用于低浓度有机废水。与好氧生物处理相比，厌氧生物处理有以下优点。 ① 应用范围广。因供氧的限制，好氧生物处理一般只适用于中、低浓度有机废水的处理。厌氧生 物处理不仅适用于高浓度有机废水的处理，也可用于中、低浓度有机废水的处理。有些有机物对好氧生物处理是难降解的，而对厌氧生物处理却是可降解的，如某些固体有机物、蒽醌和偶氮染料等。 ② 对营养物质需求量少。BOD∶N∶P的比值应为350～500∶5∶1，一般不需添加营养物质。 ③ 剩余污泥量少。处理过程中，产生的剩余污泥量较少，且脱水性能好，污泥易处理。 ④ 可以间断或季节性运行。厌氧污泥可长期储存，添加底物后便可迅速响应。 ⑤ 污泥负荷和容积负荷高。可承受较高的污泥负荷和容积负荷，故工艺占地面积小。 ⑥ 动力成本低。该工艺动力消耗少，处理成本低，产生的甲烷气还可作能源加以利用。 同时，与好氧生物处理相比，厌氧生物处理也存在着以下缺点。 ① 出水水质一般不能到达排放标准，还需要进一步经过好氧处理才能达标。 ② 厌氧过程会产生有毒有害气体，厌氧处理设备应尽量密闭。 ③ 由于厌氧微生物世代周期长、增殖速率低，导致污泥增长缓慢，一般需要8～12周甚至更长时间才能完成厌氧生物处理的初期启动。 ④ 厌氧微生物对如温度、pH值、抑制物等环境条件的变化较为敏感，操作不当可能导致反应器运行条件的恶化。 

3.5.4 影响厌氧生物处理的主要因素有哪些？ 

影响厌氧生物处理的主要因素如下。 （1）温度  温度是影响厌氧微生物生长速率和对基质代谢的重要因素，厌氧生物处理受温度及其波 动的影响很大。选择合适的处理温度，主要是考虑处理效果和能耗。温度较高，处理效果较好，自身产能较高，但能耗也较高。对于较低浓度的有机废水，如果反应器内的生物量较大，温度对厌氧处理的影响就不再至关重要，厌氧反应可以在常温条件下进行，以节省运行费用。产酸细菌的最佳环境温度是35℃左右，当低于25℃时，产酸速率将迅速下降。（2）pH值和碱度  厌氧微生物对pH值的变化非常敏感，相对稳定的pH值对厌氧微生物的生长和代谢活动至关重要。一般认为，产甲烷菌的最适宜pH值范围为6.5～7.5，如果pH值过高或过低，产甲烷菌的生长和繁殖就会受到严重抑制，进而导致整个厌氧消化过程的恶化。而产酸菌的适宜pH值范围较宽，在5.0～8.5之间。在厌氧微生物产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统对pH值的降低 有良好的缓冲能力，避免因pH值的突然降低而导致厌氧微生物的活性受到抑制，一般要求系统的碱度在2000mg/L以上为宜。 （3）氧化还原电位（ORP）  氧化还原电位表示厌氧系统中氧化剂和还原剂的相对强度。氧化还原电位的大小，主要是影响微生物种群中专性厌氧和兼性厌氧菌的相对比例。产酸发酵菌适宜的ORP在-250～+100mV之间，严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件，氧的溶入和氧化剂的存在都会使系统的ORP升高，对产甲烷菌不利。产甲烷菌的适宜ORP为-300～-500mV，且在培养产甲烷菌初期的ORP不能高于-320mV，并应尽量保持pH值的中性和装置的密闭性。（4）营养物  产甲烷菌对生物细胞中基本元素碳、氢、氧和氮的需求，与好氧微生物基本相同。除此以外，产甲烷菌由于其自身的特殊性，必需的少量元素有磷、钾、硫、钙、镁、铁、镍和钴等。 一般情况下，厌氧生物处理要求的有机物浓度较高，一般大于2000mg/L。与好氧生物处理一样， 厌氧生物处理也需要N、P等营养物质，但由于好氧微生物增殖速率较快，BOD₅中有50%～60% 用于微生物的增殖，故对N、P要求较高。而厌氧微生物增殖速率较慢，BOD₅中仅有5%～10%用于厌氧微生物的增殖，故对N、P等营养物质要求较低，BOD₅∶N∶P=350∶5∶1即可。 （5）食微比  厌氧生物处理的污泥负荷比好氧生物处理高，一般可达5～50kgCOD/（m³·d），有 的甚至还高。污泥负荷过高时，由于营养物质充分，产酸量很大，超过了产甲烷菌的吸收利用能力，有机酸的积累，会导致系统的pH值下降，处理效果不稳定。当污泥负荷过低时，由于营养物质的不足，产酸量较少，系统处于低效的发酵状态。只有污泥负荷适当，产酸细菌代谢产物中的有 机酸，基本上能被产甲烷菌及时利用，系统的pH值在7～7.5之间，系统的处理效果才会处于稳定状态。 （6）有毒物质  在工业废水的厌氧生物处理过程中，微量的重金属对厌氧微生物的生长能起到刺激作用，但含量过大时，却会抑制厌氧微生物的生长。氨氮浓度在50～200mg/L时，对厌氧消化过程 中pH值的变化有一定的缓冲能力，同时对厌氧微生物的生长也有一定的刺激作用。厌氧微生物经驯化后，对氨氮的适应能力虽有所提高，但在1500～3000mg/L时，也会有明显的抑制作用。硫酸 盐和其他硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物，但可溶的硫化物达到一定浓度时， 也会对厌氧消化过程产生抑制作用。几乎所有的苯环化合物都会对厌氧微生物有一定的毒化及抑制作用，尤其是硝基苯的毒性最大。 （7）水力停留时间  水力停留时间过短将影响有机物的转化程度，给后续的好氧生物处理带来困难。同时，较短的水力停留时间会使反应器内的上升流速增大，容易造成污泥从反应器中流失。（8）污泥浓度  在厌氧生物处理系统中，通常是以污泥保有量高为主要特点。一般情况下，可以达 到30～50g/L，从而显著提高厌氧生物处理的效率。在一定范围内，厌氧污泥浓度越高，厌氧消化的效率也就越高。