厌氧的基本原理及影响其效果的因素

厌氧生化法的基本原理及影响其效果的因素
一、厌氧生化法的基本原理
废水厌氧生物处理是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，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。

因而粗略地将厌氧消化过程分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，如下图所示：
24% 28%
CH4 52% 72%
乙酸
第一阶段为水解酸化阶段。

复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。

这个阶段主要产生较高级脂肪酸。

含氮有机物分解产生的NH3除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，
形成NH4HCO3，具有缓冲消化液PH值的作用。

第二阶段为产氢产乙酸阶段。

在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。

第三阶段为产甲烷阶段。

产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化成甲烷。

虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。

这种动态平衡一旦被PH值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，甚至会导致整个厌氧消化过程停滞。

二、影响厌氧处理效果的因素
水解产酸细菌和产氢产乙酸细菌，可统称为不产甲烷菌，它包括厌氧细菌和兼性细菌，尤以兼性细菌居多。

与产甲烷菌相比，不产甲烷菌对PH值、温度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性，且其增殖速度快。

而产甲烷菌是一群非常特殊的、严格厌氧的细菌，它们对环境条件的要求比不产甲烷菌更严格，而且其繁殖的世代期更长。

因此，产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。

1、温度条件
温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。

各种产甲烷菌的适应温度区域不一致，而且最适温度范围较小。

根据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温厌氧消化（10—30℃）、中温厌氧消
化（35—38℃）和高温厌氧消化（50—55℃）三种类型。

温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。

应尽可能采取一定的控温措施，温度变化幅度不超过2—3℃/h 。

然而，温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复，只是温度降低持续的时间较长时，恢复所需的时间也相应延长。

2、PH值
每种微生物可在一定的PH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及产甲烷细菌敏感，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PH值为7.0—7.2 ，PH6.6—7.4较为适宜。

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。

PH值条件失常，首先使产氢产乙酸作用和产甲烷作用受抑制，使产酸过程所形成的有机酸不能被正常地代谢降解，从而使整个消化过程的各阶段间的协调平衡丧失。

若PH值降到5以下，对产甲烷菌毒性较大，同时产酸作用本身也受抑制，整个厌氧消化过程即停滞。

即使PH值恢复到7.0左右，厌氧装置的处理能力仍不易恢复；而在稍高的PH值时，只要恢复中性，产甲烷菌能较快地恢复活性。

所以，厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。

3、氧化还原电位（无氧环境）
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，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。

对厌
氧反应器介质中的氧浓度可根据其与电位的关系来判断，即由氧化还原电位来表达。

研究表明，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。

可见产甲烷菌对介质中分子态氧极为敏感。

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+0.1V—-0.1 V；而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3 V — -0.35 V（中温消化）与-0.56V— -0.6V（高温消化），常温消化与中温消化相近。

4、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）。

也有用污泥负荷表达的，即kgCOD/kg污泥·d 。

有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素，直接影响产气率和处理效率。

在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位重量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。

对于具体应用场合，若进料的有机物浓度一定，有机负荷的提高意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，势必使单位重量物料的产气量减少。

但因反应器相对的处理量增多了，单位容积的产气量将提高。

厌氧处理系统正常运转取决于产酸与产甲烷反应速率的相对平衡。

一般产酸速度大于产甲烷速度，若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸（产甲烷）率，挥发酸将累积而使PH值下降、破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停顿，系统失败，并难以调整复苏。

此外，若有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率
而降低消化效率。

相反，若有机负荷过低，物料产气率或有机物去除率虽可提高，但容积产气量降低，反应器容积将增大，使消化设备的利用效率降低，投资和运行费用提高。

有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水废物的种类及其浓度而异。

在通常的情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为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（ＵＡＳＢ）、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—10kgCOD/m3·d，ＩＣ或ＥＧＳＢ等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下可达１０－30kgCOD/m3·d。

5、厌氧活性污泥
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。

性状良好污泥是厌氧消化效率的基本保证。

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。

厌氧活性污泥的作用效能，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。

厌氧活性污泥的沉淀性能，是指污泥混合液在静止状态下的沉降速度，它与污泥的凝聚性有关，与好氧处理一样，也可用SVI衡量。

在上流式厌氧污泥床反应器中，当其SVI为15—20ml/g时，污泥具有良好的沉淀性能。

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：
①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；
②污泥浓度过高，有时易于引起堵塞而影响正常运行。

6、搅拌与混合
混合搅拌也是提高消化效率的工艺条件之一。

没有搅拌的厌氧消化池，池内料液常有分层现象。

通过搅拌可消除池内梯度，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。

搅拌的方法有：机械搅拌器搅拌法；消化液循环搅拌法；沼气循环搅拌法等。

其中沼气循环搅拌，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。

7、废水的营养比
厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。

工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。

不同的微生物、在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷比例不完全一致。

一般认为，厌氧进水中碳：氮：磷控制为200—300：5：1为宜。

此比值大于好氧进水时的100：5：1 ，这与厌氧微生物对碳素养分的利用率较好氧微生物低有关。

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 。

在厌氧处理时提供氮源，除满足合成菌体所需之外，还有利于提高反应器的缓冲能力。

若氮源不足，即碳氮比太高，则不仅厌氧菌增殖缓慢，而且消化液的缓冲能力降低，PH值容易下降。

相反，若氮源过剩，即碳氮比太低，氮不能被充分利用，将导致系统中氨的过分积累，PH值上升至8.0以上，而抑制产甲烷菌的生长繁殖，使消化效率降低。

8、有毒物质
厌氧系统中的有毒物质会不同程度地对过程产生抑制作用，这些物质可能是进水中所含成分，或是厌氧菌代谢的副产物，通常包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。

对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。

重金属被认为是使反应器失效的最普通及最主要的因素，它通过与微生物酶中的巯基、氨基、羧基等相结合，而使酶失活，或者通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。