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厌氧消化(anaerobic digestion)是在无氧条件下,污泥中的有机物由厌氧微生物进行降解和稳定的过程。

厌氧消化的生化阶段

  第Ⅰ阶段–水解产酸阶段
  污水中不溶性大分子有机物,如多糖、淀粉、纤维素、烃类(烷、烯、炔等)水解,主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸;紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺,多肽等(所以有的书又把水解产酸分为二个阶段)。

  第Ⅱ阶段–厌氧发酵产气阶段
  第Ⅰ阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有机物在产甲烷菌的作用下,通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷。所以在水解酸化阶段COD、BOD值变化不很大,仅在产气阶段由于构成COD或BOD的有机物多以CO2和H2的形式逸出,才使废水中COD、BOD明显下降。
  在酸化阶段,发酵细菌将有机物水解转化为能被甲烷菌直接利用的第1类小分子有机物,如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等;第2类为不能被甲烷菌直接利用的有机物,如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等,不完全厌氧消化或发酵到此结束。如果继续全厌氧过程,则产氢、产乙酸菌将第2类有机物进一步转化为氢气和乙酸。
  第Ⅱ阶段生化过程是产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质通过不同途径转化为甲烷,其中最主要的基质为乙酸。

发酵条件控制

(1)营养与环境条件

  厌氧要求有机物浓度较高,一般大于1000mg/L以上。所以厌氧适于处理高浓度有机废水和污泥处理。和好氧生物处理一样,厌氧处理也要求供给全面的营养,但好氧细菌增殖快,有机物有50~60%用于细菌增殖,故对N、P要求高;而厌氧增殖慢,BOD仅有5~10%用于合成菌体,对N、P要求低。
   COD∶N∶P=200∶5∶1或C∶N=12~16
  (好氧COD∶N∶P=100∶5∶1)

  厌氧过程对环境条件要求比较严格:

  Ⅰ、氧化还原电位(φE)与温度
  氧的溶入和氧化态、氧化剂的存在:Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+会使体系中电位升高,对厌氧消化不利。
  高温消化–500~600mv,50~55℃
  中温消化–300~380mv,30~38℃
  产酸菌对氧还-还电位要求不甚严格+100~-100mv
  产甲烷菌对氧还-还电位要求严格<-350mv

  Ⅱ、pH及碱度
   pH主要取决于三个生化阶段的平衡状态,原液本身的pH和发酵系统中产生的CO2分压(20.3~40.5kpa),正常发酵pH=7.2~7.4,有机负荷太大,水解和酸化过程的生化速率大大超过产气速率。将导致水解产物有机酸的积累使pH下降,抑制甲烷菌的生理机能,使气化速率锐减,所以原液pH=6~8,发酵过程有机酸浓度不超过3000mg/L为佳(以乙酸计)。
  HCO3-及NH3是形成厌氧处理系统碱度的主要原因,高的碱度具有较强的缓冲能力,一般要求碱度2000mg/L以上,NH3浓度50~200mg/L为佳。

   Ⅲ、毒物–凡对厌氧处理过程起抑制和毒害作用的物质都可称为毒物,无机酸浓度不应使消化液pH<6.8;氨氮浓度不宜高于1500mg/L,其它化学物质的抑制浓度见下表。一般来说,多数毒物对甲烷细菌的毒性比对其它细菌的毒性要大。

一些化学物质的抑制浓度
物 质 抑制浓度 物 质 抑制浓度
S2- 100 Al 50
Cl 200 TNT 60
Cr+6 3 Na2S2O3 200
Cu2+ 100~250 去垢剂 100(阳离子型)
Cr3+ 25 去垢剂 500(阳离子型)
CN 2~10 HCHO <100

(2)工艺操作条件

  Ⅰ、生物量–大小以污泥浓度表示,一般介于10~30gvss/L之间,为防止反应器中污泥流失,可采用装入填料介质使细菌附着挂膜,调节水流速度或污泥回流量。

  Ⅱ、负荷率–表示消化装置处理能力的一个参数,负荷率有三种表示方法:
   ①容积负荷率–反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量kg/m3·d。
   ②污泥负荷率–反应器内单位重的污泥在单位时间内接纳的有机物量kg/kg·d。
  ③投配率–每天向单位有效容积投加的材料的体积m3/m3·d。
  投配率的倒数为平均停留时间或消化时间,单位为d(天),投配率池可用百分率表示。
  负荷率的影响:
  ①当有机物负荷率很高时,营养充分,代谢产物有机酸产量很大,超过甲烷菌的吸收利用能力,有机酸积累pH下降,是低效不稳定状态。
  ②负荷率适中,产酸细菌代谢产物中的有机物(有机酸)基本上能被甲烷菌及时利用,并转化为沼气,残存有机酸量仅为几百毫克/升。pH=7~7.5,呈弱碱性,是高效稳定发酵状态。
  ③当有机负荷率小,供给养料不足,产酸量偏少,pH>7.5是碱性发酵状态,是低效发酵状态。

  Ⅲ、温度控制–发酵要求较高的温度,每去除8000mg/L的COD所产沼气,能使水温升高10℃,一般工艺设计中温消化30~35℃。

  Ⅳ、pH的控制–当液料pH<6.5或高于8.0,则要调整液料pH。
    pH<6.8~7,应减少有机负荷率,
    pH<6.5,应停止加料,必要时加入石灰中和

厌氧消化
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