厌氧生物处理的基本原理

#废水生物处理基本原理#前面的已经介绍过好氧生物处理的基本原理，今天介绍一下厌氧的。厌氧生物处理（AnaerobicProcess）是在厌氧条件下,形成了厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件,通过厌氧菌和兼性菌代谢作用，对有机物进行生化降解的过程。今天的内容比较长，本来是想分两篇来进行介绍的，不过太懒了，就合作了一篇，没耐心一次看完的可以收藏一下，下次接着看。厌氧处理基本生物过程厌氧生物处理在早期被称为厌氧消化或厌氧发酵，指的是在厌氧条件下，在多种微生物（厌氧微生物、兼性微生物）的作用下，将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。由此可见，厌氧处理过程中产生的是一种气体，主要成分是甲烷和二氧化碳，也就是我们常说的沼气。厌氧生物处理的基本生物过程有一个很明显的特点，就是其具有阶段性，根据不同的依据，可以分为两阶段、三阶段甚至四阶段。两阶段理论该理论认为有机物在厌氧条件下首先进行酸性发酵阶段（产酸阶段），然后进行碱性发酵阶段（产气阶段）。产酸阶段的主要微生物为发酵细菌或产酸细菌，这些微生物生长快，适应性很强，对环境条件不是非常敏感。会将有机物进行水解和酸化，产生脂肪酸、醇类、二氧化碳和氢气。产气阶段的主要微生物为产甲烷细菌，其生长非常缓慢，生长倍增时间会达到几天，而且对于环境条件的变化非常敏感。会将产酸阶段产生的中间产物转化为甲烷和二氧化碳。两阶段理论，虽然形象且直接的描述了厌氧生物处理的过程，但是有学者发现，产甲烷细菌只能利用一些简单的有机物（比如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类等）来产生甲烷，并不能利用两个碳以上的脂肪酸（乙酸除外）和醇类（甲醇除外）直接作为它的底物（参与生化反应的物质称为底物）。还有一种“奥式产甲烷菌”，其实是由两种细菌组合而成，其中一种细菌将乙醇氧化为乙酸和氢气，另一种细菌则利用氢气和环境中的二氧化碳来产生甲烷。、所以说，两阶段理论是存在一定局限性的，因此年，Bryant又提出了“三阶段理论”。三阶段理论该理论认为，除了产酸细菌和产甲烷细菌之外，还存在第三种细菌，称为产氢产乙酸细菌，三阶段的过程如下图所示：厌氧生物处理三阶段理论过程图分为水解、发酵阶段（Ⅰ），产氢产乙酸阶段（Ⅱ）和产甲烷阶段（Ⅲ）。首先是发酵型细菌将有机物转变为脂肪酸和醇类，然后产乙酸细菌利用脂肪酸和醇类产生乙酸、氢气和二氧化碳，最后产甲烷细菌利用乙酸、氢气、二氧化碳产生甲烷和二氧化碳。从这里我们还可以了解到，产甲烷细菌主要分为两大类。一是以乙酸作为基质的嗜乙酸产甲烷细菌，另一类是以氢气和二氧化碳为基质的嗜氢型产甲烷细菌。一般情况下，我们认为整个厌氧生物处理过程中，70%的甲烷来自于分解乙酸，剩余的30%来自于氢气和二氧化碳的反应。几乎在Bryant提出“三阶段理论”的同时，Zeikus发现在这三种厌氧菌之外，还有一种将氢气和二氧化碳转化为乙酸的同型产乙酸菌，由此构建了“四阶段理论”。四阶段理论该理论实际上是在三阶段理论的基础上增加了一个过程，如下图所示：当然了，有关研究也表明，由同型产乙酸菌转化的乙酸占比是比较少的，大约为全部乙酸的5%，因此在某些情况下这部分乙酸也是可以忽略不计的。综上所述，三阶段理论和四阶段理论对于厌氧生物处理过程的描述就是非常全面的。厌氧微生物根据厌氧生物处理的基本过程中介绍的内容可以看到，整个厌氧处理的过程中，主要涉及到发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌，四大类微生物，这里分别进行一下介绍。发酵细菌这些细菌大多数为厌氧菌，兼性细菌的数量也很多，按照功能可以分为纤维素分解菌类、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌和脂肪分解菌，包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属和双歧杆菌属等。他们的主要功能就是针对复杂有机物或者颗粒状有机物进行水解和产酸。不溶性有机物在水解细菌或水解酶的作用下，转化为可溶性的有机物，然后酸化细菌将这些有机物转化为脂肪酸和醇类。发酵细菌的水解过程比较缓慢，尤其是对于纤维素、木质素之类的有机物，水解时间会更久。整个水解过程还容易受到很多因素的影响；但是产酸过程就相对快很多了。产氢产乙酸菌这些细菌多数都是严格的厌氧菌，主要包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属等。主要功能是将高级的或长链的脂肪酸和分子量比较大的醇类，氧化分解为乙酸和氢气，主要反应如下：产氢产乙酸菌对有机物的分解通常情况下，只有当乙酸浓度和氢气分压非常低的时候，上述反应才会迅速的进行。乙酸和氢气正好作为后续产甲烷菌的基质，所以产氢产乙酸菌想要进行正常的分解过程，就必须与产甲烷菌密切合作，通过产甲烷菌迅速的消耗掉乙酸和氢气，从而促进产氢产乙酸进程的加速进行。产甲烷菌产甲烷菌在分类学上属于古细菌，其外观及大小与真细菌相同，但是细胞成分是特别的，细胞壁的结构上非常的特殊，在自然界中的分布也与一般细菌不同。产甲烷菌的生存分布环境作为一种严格的厌氧菌，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用。在上个世纪六十年代以前，我们对其了解是非常少的。但是美国微生物学家R.E.Hungate在二十世纪六十年代发明了亨盖特滚管技术之后，一切就不一样了。严格厌氧微生物培养技术的发展，让我们对严格厌氧菌的认知越来越丰富。产甲烷菌可以简单的分为乙酸营养型产甲烷菌（甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌）和氢气营养型产甲烷细菌，厌氧反应器中约70%的甲烷来自于乙酸的氧化和分解，其余的来自氢气营养型产甲烷菌。产甲烷菌的分类1而根据产甲烷菌的生理形态特征，还可以做如下分类：其中作为常见的就是产甲烷球菌属、丝菌属和杆菌属：产甲烷菌的分类2产甲烷菌的增殖速度非常慢，倍增时间一般为3~5天。其主要功能是将乙酸、氢气和二氧化碳转变为甲烷和二氧化碳，使整个厌氧生物处理过程顺利的进行。典型的产甲烷反应有如下8种：产甲烷菌8种典型的产甲烷反应厌氧处理的影响因素厌氧生物的处理过程主要受到温度、pH值和碱度、氧化还原电位、营养物质、有机物负荷和有毒物质的影响。温度温度对于厌氧微生物的影响是非常明显的。与好氧微生物不同的是，厌氧微生物有两个温度段，嗜热菌（高温菌）的温度一般为55℃，甚至可以达到65℃，嗜温菌（中温菌）的温度一般在35℃左右。温度与微生物活性之间有如下关系曲线：温度与微生物活性的关系曲线对于相同的原料物质，高温厌氧处理的反应速率肯定是要比中温反应速率快很多，大约为1.5~1.9倍，虽然高温产气率较高，但是气体中的甲烷含量是比较低的，毕竟高温下，气体在水中的溶解率会降低很多。当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，采用高温处理就可以取得比较好的杀灭效果。pH值和碱度pH值对厌氧生物也有很大的影响，特别是对产甲烷菌更为严重。对于产甲烷菌而言，其最适宜的pH值范围是6.8~7.2，实际运行中稍微放宽到6.5~8.0也不是不行。当pH值超过范围，产甲烷菌就会受到严重的抑制，导致整个厌氧处理过程的恶化。整个厌氧处理体系中的pH值也是受到多种因素影响的，比如进水的水质及pH，有机物的种类和浓度，以及整个反应中过程中的一些生化反应和酸碱平衡等。所以说，厌氧反应体系实际上是一个主要有碳酸盐体系控制的pH值的缓冲体系。上面的内容中，我们介绍过了，厌氧过程分为将有机物变为酸性挥发酸的酸性厌氧阶段、将挥发酸或有机酸转化为甲烷和二氧化碳气体的产甲烷阶段，两个阶段的进行，势必会影响到整个体系的pH值变化。碱度的作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持pH值。因此在实际运行中，我们需要维持足够的碱度。所以说厌氧体系一般来说是怕酸不怕碱的，倒不是说碱度没有影响，只是酸化对于厌氧生物的影响要大很多，一旦酸化需要很长的时间才能恢复，稍微偏碱就有可能直接恢复。氧化还原电位严格的产甲烷菌对氧化还原电位的要求非常的严格，一般来说要求在-mV至mV以下；而其它的厌氧菌（产酸菌、水解菌和产氢产乙酸菌）对于氧化还原电位的要求就相对宽松到+mV至-mV。营养物质厌氧微生物对于氮和磷等营养物质的需求是低于好氧微生物的，通常CODcr：N：P=：5：1就可以达到其要求。但是，厌氧微生物对于一些微量元素（铁钴镍钼等）的要求是比较高的。而且多数的厌氧菌并不具有合成其必要维生素或氨基酸的功能，有时候就需要有针对性的进行投加。有机负荷与好氧生物处理相比，厌氧生物处理没有传氧的限制，还可以有更高的生物量，所以其有机负荷比较高。如果用容积负荷来表示，可以达到5~10kgCOD/(m·d)，甚至50~80kgCOD/(m·d)，这里的m指的是厌氧反应器的体积。但是由于产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，两阶段的平衡不容易控制，所以厌氧过程中的有机负荷的选择也需要非常慎重，否则会导致产酸阶段大量的积累酸，使反应器发生酸化现象。有毒物质这里的有毒物质主要有硫化物（或硫酸盐）、氨氮、重金属、氰化物和某些特殊的有毒有害的有机物等。厌氧处理的主要特征厌氧生物处理的主要特征主要是与好氧生物处理相比的。主要优点能耗低，不需要供氧和曝气，还可以回收一定的生物能（沼气）；厌氧微生物相比于好氧微生物而言，增殖速率低，所以污泥产量非常低；能对好氧生物不能降解的某些有机物进行全部或部分降解；主要缺点反应过程较为复杂，分多个阶段，不同功能的微生物协同工作比较困难；厌氧微生物对于环境条件的变化非常敏感；厌氧生物处理的出水水质通常比较差，对氨氮的去除基本没有效果，需要通过好氧法进一步的处理；含硫物质被转化为硫化氢或其他含硫的物质，气味比较大，臭鸡蛋味了解一下。当然了高浓度的硫化氢可以说是没有味道的，毕竟高浓度硫化氢会麻痹你的嗅觉，甚至导致突然死亡，谁也不知道啥味道不是。

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