厭氧生物處理:主要內容,定義,分類,區別,主要特徵,工作原理,水解階段,發酵階段,

在相當長的一段時間內，厭氧消化在理論、技術和套用上遠遠落後於好氧生物處理的發展。20世紀60年代以來，世界能源短缺問題日益突出，這促使人們對厭氧消化工藝進行重新認識，對處理工藝和反應器結構的設計以及甲烷回收進行了大量研究，使得厭氧消化技術的理論和實踐都有了很大進步，並得到廣泛套用。厭氧消化具有下列優點：無需攪拌和供氧，動力消耗少；能產生大量含甲烷的沼氣，是很好的能源物質，可用於發電和家庭燃氣；可高濃度進水，保持高污泥濃度，所以其溶劑有機負荷達到國家標準仍需要進一步處理；初次啟動時間長；對溫度要求較高；對毒物影響較敏感；遭破壞後，恢復期較長。污水厭氧生物處理工藝按微生物的凝聚形態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（upflow anaerobic sludge blanket,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盤。

基本介紹

中文名：厭氧生物處理
外文名：Anaerobic Process
分類：厭氧活性污泥法和厭氧生物膜法
工作原理：水解，發酵、產乙酸和產甲烷階段
優點：動力消耗少；能產生大量甲烷
使用範圍：可用於發電和家庭燃氣
pH值：6.5～7.5之間

主要內容,定義,分類,區別,主要特徵,工作原理,水解階段,發酵階段,產乙酸階段,甲烷階段,

主要內容

定義

厭氧生物處理（Anaerobic Process）是在厭氧條件下,形成了厭氧微生物所需要的營養條件和環境條件,通過厭氧菌和兼性菌代謝作用，對有機物進行生化降解的過程。

分類

污水厭氧生物處理工藝按微生物的凝聚形態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（upflow anaerobic sludge blanket,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盤。

區別

好氧生物處理效率高，套用廣泛，已成為城市污水處理的主要方法。但好氧生物處理的能耗較高，剩餘污泥量較多，特別不適宜處理高濃度有機廢水和污泥。厭氧生物處理與好氧生物處理的顯著差別在於：

1、不需供氧；

2、最終產物為熱值很高的甲烷氣體，可用作清潔能源；

3、特別適宜於處理城市污水處理廠的污泥和高濃度有機工業廢水。

主要特徵

1、處理過程中可以大大降低能耗，而且還可以回收生物能（沼氣）；

2、污泥產量很低，厭氧微生物的增值速率比好氧微生物低得多，產酸菌的產率Y為0.15~0.34 kgVSS/kgCOD，產甲烷菌的產率Y為0.03 kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產率約為0.25~0.6 kgVSS/kgCOD；

3、厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機物進行降解或部分降解；

4、反應過程較複雜，厭氧消化是由多種不同性質、不同功能的微生物協同工作的一個連續的微生物過程；

5、對溫度、pH值等環境因素較敏感；

6、單獨使用厭氧處理，其出水水質很難達標，需進一步利用好氧法進行處理；

7、氣味較大，特別是有臭味；

8、對氨氮的去除效果不好等。

工作原理

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、發酵(或酸化)階段、產乙酸階段和產甲烷階段。

水解階段

水解可定義為複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，澱粉被澱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胺基酸等。這些小分子的水解產物能夠溶解於水並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=ρ_o/(1+Kh·T)

ρ ——可降解的非溶解性底物濃度（g/L）；

ρ_o———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）

發酵階段

發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酵細菌（即酸化菌）的細胞內轉化為更為簡單的化合物並分泌到細胞外。發酵細菌絕大多數是嚴格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在於厭氧環境中，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，產物的組成取決於厭氧降解的條件、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餘污泥。

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，因此pH值的下降將會減少甲烷的生成和氫的消耗，並進一步引起酸化末端產物組成的改變。

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

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，後者約占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。在這裡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、澱粉、胺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，並保持某種程度的動態平衡。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。

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