廢水厭氧生物處理

 　　在厭氧生物處理的過程中，復雜的有機化合物被分解，轉化為簡單、穩(wěn)定的化合物，同時釋放能量。其中，大部分的能量以甲烷的形式出現，這是一種可燃氣體，可回收利用。同時僅少量有機物被轉化而合成為新的細胞組成部分，故相對好氧法來講，厭氧法污泥增長率小得多。好氧法因為供氧限制一般只適用于中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法及適用于高濃度有機廢水，又適用于中、低濃度有機廢水。同時厭氧法可降解某些好氧法難以降解的有機物，如固體有機物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。

　　原理

　　在厭氧處理過程中，廢水中的有機物經大量微生物的共同作用，被最終轉化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨等。在此過程中，不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成了復雜的生態(tài)系統(tǒng)。對高分子有機物的厭氧過程的敘述，有助于我們了解這一過程的基本內容。

　　高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段：水解階段、發(fā)酵(或酸化)階段、產乙酸階段和產甲烷階段。

　　(1)水解階段

　　水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉化為簡單的溶解性單體或二聚體的過程。

　　高分子有機物因相對分子量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。它們在第一階段被細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，蛋白質被蛋白質酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。水解過程通常較緩慢，因此被認為是含高分子有機物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、有機物的組成、水解產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力學方程加以描述：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(d^-1);

　　T——停留時間(d)

　　(2)發(fā)酵(或酸化)階段

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

　　在這一階段，上述小分子的化合物發(fā)酵細菌(即酸化菌)的細胞內轉化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外。發(fā)酵細菌絕大多數是嚴格厭氧菌，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像甲烷菌這樣的嚴格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產物有揮發(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，酸化菌也利用部分物質合成新的細胞物質，因此，未酸化廢水厭氧處理時產生更多的剩余污泥。

　　在厭氧降解過程中，酸化細菌對酸的耐受力必須加以考慮。酸化過程pH下降到4時能可以進行。但是產甲烷過程pH值的范圍在6.5～7.5之間，因此pH值的下降將會減少甲烷的生成和氫的消耗，并進一步引起酸化末端產物組成的改變。

　　(3)產乙酸階段

　　在產氫產乙酸菌的作用下，上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質。

　　其某些反應式如下：

　　CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL

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

　　CH3CH2CH2COO-+2H2O-> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL

　　CH3CH2COO-+3H2O-> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL

　　4CH3OH+2CO2-> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL

　　2HCO3-+4H2+H+->CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL

　　(4)甲烷階段

　　這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。

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

　　最主要的產甲烷過程反應有：

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

　　HCO3-+H++4H2->CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL

　　4CH3OH->3CH4+CO2+2H2O ΔG’0=-312KJ/MOL

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

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

　　需要指出的是：一些書把厭氧消化過程分為三個階段，把第一、第二階段合成為一個階段，稱為水解酸化階段。在這里我們則認為分為四個階段能更清楚反應厭氧消化過程。

　　上述四個階段的反應速度依廢水的性質而異，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;簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般蛋白質均能被微生物迅速分解，對含這類有機物的廢水，產甲烷易成為限速階段。雖然厭氧消化過程可分為以上四個過程，但是在厭氧反應器中，四個階段是同時進行的，并保持某種程度的動態(tài)平衡。該平衡一旦被pH值、溫度、有機負荷等外加因素所破壞，則首先將使產甲烷階段受到抑制，其結果會導致低級脂肪酸的積存和厭氧進程的異常變化，甚至導致整個消化過程停滯。

　　影響因素

　　厭氧法對環(huán)境條件的要求比好氧法更嚴格。一般認為，控制厭氧處理效率的基本因素有兩類：一類是基礎因素，包括微生物量(污泥濃度)、營養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機負荷等;另一類是環(huán)境因素，如溫度、pH值、氧化還原電位、有毒物質等。

　　技術特點

　　優(yōu)點：

　　1、高效對污水進行處理

　　2、簡單易行

　　3、靈活適用于大小規(guī)模

　　4、容積負荷率的提高使得對空間的需求降低

　　5、能耗低

　　6、剩余污泥量少

　　7、污泥穩(wěn)定性良好，具有良好的脫水性能，有利于污泥的最重處置

　　8、厭氧污泥可以在不嚴重影響其活性和其他重要特性的情況下被保持很長時間

　　9、低營養(yǎng)需求(對N、P等需求很低)

　　缺點：

　　1、厭氧微生物對pH、溫度和毒性等環(huán)境條件極其敏感

　　2、厭氧反應器的初次啟動期很長

　　3、處理過程會產生惡臭味氣體

　　但這些缺點可以被逐漸的克服，厭氧處理過程非常穩(wěn)定;只有在處理工業(yè)廢水的時候可能需要控制pH;厭氧處理微生物容易適應低溫環(huán)境，也能夠忍耐很多種毒性物質;而在一定情況下，恰當的設計、建設以及適當的運行反應器能夠完全除去惡臭氣體?？傮w來說，廢水的厭氧生物處理比較適應當前的環(huán)境情況，有利于可持續(xù)發(fā)展的進行。