第18章厌氧生物处理18.1厌氧生物处理的发展18.1.1 第一代厌氧生物反应器化粪池、双层沉淀池，厌氧消化池等，特点：① 水力停留时间（HRT）很长，② 虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果不理想；③ 具有浓臭的气味，18.1.2第二代厌氧生物反应器主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等。
主要特点：① HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。
18.1.3第三代厌氧生物反应器进UASB反应器的广泛应用，在其基础上以颗粒污泥为主要特征的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。
18.2厌氧生物处理的主要特征18.2.1主要优点1）能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）。
2）污泥产量很低。
3）厌氧微生物可以对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解。
18.2.2主要缺点1）厌氧生物处理过程中所涉及的生化反应过程较为复杂，因此在厌氧反应器运行过程中对技术要求很高；2）厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；3）虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质通常较差，一般需要利用好氧工艺进一步处理；4）厌氧生物处理的气味较大；5）对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化作用导致氨氮浓度的上升。
18.3 厌氧生物处理基本原理Bryant认为消化经历四个阶段：1.水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶水解；2.酸化；3.乙酸化阶段,指进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化4.第四阶段是甲烷化阶段。
根据厌氧消化的两大类菌群，厌氧消化过程又可分为两个阶段，即：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段，如(图 19-1)所示。
1.酸性发酵阶段两阶段理论将液化阶段和产酸阶段合称为酸性发酵阶段。
在酸性发酵阶段，高分子有机物首先在兼性厌氧菌胞外酶的作用下水解和液化，然后渗入细胞体内，在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性有机酸和硫化物。
pH 值下降。
氢的产生，是消化第一阶段的特征，所以第一阶段也称作“氢发酵”。
兼性厌氧菌在分解有机物的过程中产生的能量几乎全部消耗作为有机物发酵所需的能源，只有少部分合成新细胞。
因此酸性消化时，细胞的增殖很少。
产酸菌在低 pH 值时也能生存，具有适应温度、 pH 值迅速变化的能力。
2.碱性消化阶段专性厌氧菌将消化过程第一阶段产生的中间产物和代谢产物均被甲烷菌利用分解成二氧化碳、甲烷和氨，pH 值上升。
由于消化过程第二阶段的特征是产生大量的甲烷气体，所以第二阶段称为“甲烷发酵”。
由于甲烷菌的生长条件特别严格，即使在合适的条件下其增殖速度也非常小，因此甲烷化过程控制污水或者污泥的厌氧消化进程。
厌氧消化两阶段示意图废水处理工艺中的厌氧微生物在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（ non-menthanogens ）和产甲烷细菌（ menthanogens ）。
厌氧消化过程的非产甲烷菌和产甲烷菌的生理特性有较大的差异，对环境条件的要求迥异。
产酸菌和产甲烷菌的特性参数非产甲烷菌又称为产酸菌（ acidogens ），它们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸（ VFA ）和醇类物质，使处理系统中液体的 pH 值降低。
非产甲烷菌包括：1 ．水解发酵细菌群水解发酵细菌（ hydrolytic-fermentative bacteria ）主要参与复杂有机物的水解，并通过乳酸发酵、乙醇发酵、丙酸发酵、丁酸发酵和混合酸发酵等将水解产物转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有机酸及乙醇。
水解发酵细菌群具体包括：纤维素分解菌、碳水化合物分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌。
2 ．产氢产乙酸菌群产氢产乙酸菌群（ H2 -producing acetogens ）有专性厌氧菌和兼性厌氧菌，它们将水解发酵菌群产生的挥发性有机酸和醇转化为乙酸、 CO2和 H2。
3 ．同型产乙酸菌群同型产乙酸菌群（ homo-acetogens ）可将 CO2（或 CO32-）和 H2转化为乙酸。
正是由于同型产乙酸菌可利用H2，因而可以保持系统中较低的氢分压，有利于厌氧发酵过程的正常进行。
产甲烷菌属于绝对厌氧菌，必须在氧浓度低于 1.48³10-56 mol/L 时才能生存。
一组是将氢气和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氢气合成甲烷；另一组是将乙酸脱羧生成甲烷和二氧化碳。
迄今为止，已经分离鉴定的产甲烷菌有 70 多种，分属于 3 个目， 7 个科， 19 个属。
常见的有，产甲烷丝菌属（Methanothrix ）、产甲烷球菌属（Methanococcus ）、产甲烷杆菌属（Methanobacterium ）、产甲烷螺菌属（Methanospirillum ）和产甲烷八叠球菌属（Methanosarcina ）等。
厌氧消化机理和厌氧处理技术厌氧消化机理如下图所示。
产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）18.4 厌氧消化的影响因素与控制要求甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。
18.4.1 影响因素1. 温度因素温度与有机物负荷、产气量关系见图：温度与有机物负荷、产气量关系图消化温度与消化时间的关系见图：温度与消化时间关系曲线厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。
因此要严格控制料液的消化温度，允许温度变动范围为 1.5～2.0 ℃，当有 3 ℃的变化时，就会抑制消化速率，有 5 ℃的急剧变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌氧消化。
根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化、中温消化（ 35 ℃左右）和高温消化（ 54 ℃左右）。
1）常温消化的温度为 10～30℃，其优点是消化池不需升温设备和外加能源，建设费用低，原料用量少。
但分解缓慢，产气少。
2）中温消化的产气量比常温消化高出许多倍。
3）高温消化温度的特点是原料分解快，产气量高，固体停留时间短和反应器容积小，但甲烷含量略低于中温和常温消化，并需消耗大量热能。
目前，利用太阳能来提高沼气池温度，增加产气率是新能源综合利用的方向之一。
目前，废物的厌氧消化大多是在中温下进行的 , 但随着废物处理排放卫生指标的提高，高温厌氧消化越来越引起关注。
高温条件对于有机废物的降解和病原菌的杀灭是更有效的，尤其对于厌氧消化残余物须用于土地处理的情况 , 高温处理更是必要的。
几种常见病菌与寄生虫的死亡温度2. 生物固体停留时间（污泥龄）与负荷消化池的容积负荷和水力停留时间的关系见图：容积负荷和水力停留时间关系曲线3 .搅拌和混合有机物的厌氧消化过程是微生物的代谢活动，因此需要微生物与物料之间始终保持良好的接触，使微生物不断接触到新的食料和进行高效的消化，搅拌是实现此目的的一种简单的有效方法。
搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接触机会，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。
同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。
消化池在不搅拌的情况下，消化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消化效果。
污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。
机械搅拌时机械搅拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。
机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。
4 .营养与C/N比除了矿物油和木质素外，自然界中的有机物质一般都能被微生物利用产生沼气，但不同的有机物产气量和产气速度不同，一般气体发生量是由消化物的组成所决定的。
垃圾中几种物质厌氧消化产气量厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。
这些营养物质中最重要的是碳素和氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素。
实验表明，碳氮比（ C/N ）在（ 12～16 ） :1 时厌氧菌最活跃，单位质量的有机物产气量也最多。
原料 C/N 比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。
若 C/N 比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。
各种废物的碳氮比（C/N）5. 氨氮厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。
消化系统中的由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。
实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以 NH4+及 NH3等形式存在于消化液中， NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。
6 .有毒物质有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。
抑制剂的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。
例如，消化系统中的微量的氧存在就会对产甲烷菌形成抑制。
另外，厌氧消化过程中由于甲烷菌的生长受到了抑制，挥发性脂肪酸和氢气的积累，往往也会导致消化系统崩溃。
此外，还有一些抑制物质。
当其浓度超过限制值时，也会对厌氧微生物产生不同程度的抑制作用。
对厌氧消化具有抑制作用的物质7. 酸碱度、pH 值和消化液的缓冲作用厌氧微生物的生命活动、物质代谢与 pH 有密切的关系， pH 值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的 pH 值，过高或过低的 pH 对微生物是不利的，表现在：1）由于 pH 的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收； 2） pH 除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞； 3 ） pH 强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的 pH 值时才能发挥最大活性，不适宜的 pH 值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。
厌氧消化体系中的产甲烷菌对 pH 的变化非常敏感，大多数产甲烷菌适合的 pH 范围在 6.17～7.14 之间， pH 在 6.8～7.2 时产甲烷菌的活性最高。
