厭氧生物處理

1、分類

　　污水厭氧生物處理工藝按微生物的凝聚形態(tài)可分為厭氧活性污泥法和厭氧生物膜法。厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸消化池、升流式厭氧污泥床（upflowanaerobicsludgeblanket，UASB）、厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）等；厭氧生物膜法包括厭氧生物濾池、厭氧流化床和厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)。

2、工作原理

　　高分子有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程可以被分為四個(gè)階段：水解階段、發(fā)酵(或酸化)階段、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

　　（1）水解階段

　　水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體的過(guò)程。

　　高分子有機(jī)物因相對(duì)分子量巨大，不能透過(guò)細(xì)胞膜，因此不可能為細(xì)菌直接利用。它們?cè)诘谝浑A段被細(xì)菌胞外酶分解為小分子。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過(guò)細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用。水解過(guò)程通常較緩慢，因此被認(rèn)為是含高分子有機(jī)物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、有機(jī)物的組成、水解產(chǎn)物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。水解速度的可由以下動(dòng)力學(xué)方程加以描述：ρ=ρo/(1+Kh.T)

　　ρ——可降解的非溶解性底物濃度（g/L）；

　　ρo———非溶解性底物的初始濃度（g/L）；

　　Kh——水解常數(shù)（d^-1）；

　　T——停留時(shí)間（d）

　　（2）發(fā)酵階段

　　發(fā)酵可定義為有機(jī)物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過(guò)程，在此過(guò)程中溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，因此這一過(guò)程也稱為酸化。

　　在這一階段，上述小分子的化合物發(fā)酵細(xì)菌（即酸化菌）的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外。發(fā)酵細(xì)菌絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護(hù)像甲烷菌這樣的嚴(yán)格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等，產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。與此同時(shí)，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細(xì)胞物質(zhì)，因此，未酸化廢水厭氧處理時(shí)產(chǎn)生更多的剩余污泥。

　　在厭氧降解過(guò)程中，酸化細(xì)菌對(duì)酸的耐受力必須加以考慮。酸化過(guò)程pH下降到4時(shí)能可以進(jìn)行。但是產(chǎn)甲烷過(guò)程pH值的范圍在6.5～7.5之間，因此pH值的下降將會(huì)減少甲烷的生成和氫的消耗，并進(jìn)一步引起酸化末端產(chǎn)物組成的改變。

　　（3）產(chǎn)乙酸階段

　　在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，上一階段的產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。

　　其某些反應(yīng)式如下：

　　CH3CHOHCOO-+2H2O—>CH3COO-+HCO3-+H++2H2ΔG’0=-4.2KJ/MOL

　　CH3CH2OH+H2O－>CH3COO-+H++2H2OΔG’0=9.6KJ/MOL

　　CH3CH2CH2COO-+2H2O－>2CH3COO-+H++2H2ΔG’0=48.1KJ/MOL

　　CH3CH2COO-+3H2O－>CH3COO-+HCO3-+H++3H2ΔG’0=76.1KJ/MOL

　　4CH3OH+2CO2－>3CH3COO-+2H2OΔG’0=-2.9KJ/MOL

　　2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO-+4H2OΔG’0=-70.3KJ/MOL

　　（4）甲烷階段

　　這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。

　　甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳和氫氣等轉(zhuǎn)化為甲烷的過(guò)程有兩種生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的1/3，后者約占2/3。

　　最主要的產(chǎn)甲烷過(guò)程反應(yīng)有：

　　CH3COO-+H2O－>CH4+HCO3-ΔG’0=-31.0KJ/MOL

　　HCO3-+H++4H2－>CH4+3H2OΔG’0=-135.6KJ/MOL

　　4CH3OH－>3CH4+CO2+2H2OΔG’0=-312KJ/MOL

　　4HCOO-+2H+－>CH4+CO2+2HCO3-ΔG’0=-32.9KJ/MOL

　　在甲烷的形成過(guò)程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。

　　需要指出的是：一些書(shū)把厭氧消化過(guò)程分為三個(gè)階段，把第一、第二階段合成為一個(gè)階段，稱為水解酸化階段。在這里我們則認(rèn)為分為四個(gè)階段能更清楚反應(yīng)厭氧消化過(guò)程。

　　上述四個(gè)階段的反應(yīng)速度依廢水的性質(zhì)而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡(jiǎn)單的糖類、淀粉、氨基酸和一般蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解，對(duì)含這類有機(jī)物的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。雖然厭氧消化過(guò)程可分為以上四個(gè)過(guò)程，但是在厭氧反應(yīng)器中，四個(gè)階段是同時(shí)進(jìn)行的，并保持某種程度的動(dòng)態(tài)平衡。該平衡一旦被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(huì)導(dǎo)致低級(jí)脂肪酸的積存和厭氧進(jìn)程的異常變化，甚至導(dǎo)致整個(gè)消化過(guò)程停滯。