厌氧生物处理技术的原理及应用

张敏

梅州市环境监测中心站514021

摘要：生活污水处理是中国面临急待解决的环境问题。分析厌氧反应器的分类与特点及去污机理，与其它污水处理技术比较，总结出生活污水采用厌氧生物法处理具有投资少、运行费用低、出水水质好、操作简单等优点。对厌氧反应器在生活污水处理的应用前景进行了展望。

引言：

随着世界经济的发展，水资源污染性短缺日益严重的情况已经引起世界各国的重视。工业企业排放废水对水体污染程度日益加重，污染物的种类日趋复杂多样。废水生物处理以投资省、能耗低等优点一直受到环保界人士的重视。废水生物厌氧处理技术更是以能耗低、负荷高、剩余污泥产量少、耐冲击负荷、回收能源等诸多的优点受到业内人士的青睐。

1厌氧生物处理的基本原理

厌氧生物处理又被称为厌氧消化、厌氧发酵，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程，厌氧过程广泛地存在于自然界中，1881年，法国的LouisMouras发明了“自动净化器”，用以处理污水污泥，从而开始了人类利用厌氧生物过程处理废水废物的历程。随后人类开始较多地应用厌氧过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和活性污泥工艺中产生的剩余污泥（如各种厌氧消化池等）。从20世纪60年代开始,随着能源危机的加剧，人们加强了利用厌氧消化过程处理有机废水的研究，相继出现了一批现代高速厌氧消化反应器，如：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）、厌氧附着膜膨胀床反应器（AAFEB）等，从此厌氧消化工艺开始大规模地被应用于废水处理，这些现代高速厌氧生物反应器的水力停留时间大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大提高。

1.1厌氧消化过程

1.1.1两阶段理论

在20世纪的30～60年代，人们普遍认为厌氧消化过程可以简单地分为两个阶段：如图1所示，即“两阶段理论”：第一阶段被称为发酵阶段或产酸阶段或酸性发酵阶段，废水中的有机物在发酵细菌的作用下，发生水解和酸化反应，而被降解为以脂肪酸、醇类、CO2和H2等为主的产物。参与反应的微生物则被统称为发酵细菌或产酸细菌，其特点主要有:1、生长速率快，2、对环境条件：如温度、pH、抑制物等的适应性较强；第二阶段则被称为产甲烷阶段或碱性发酵阶段,所发生的反应是产甲烷菌利用前一阶段的产物脂肪酸、醇类、CO2和H2等为基质，并最终将其转为CH4和CO2.参与反应的微生物被统称为产甲烷菌，其主要特点有:1、生长速率很慢；2、对环境条件：如温度、pH、抑制物等非常敏感。

但是随着对厌氧微生物学研究的不断深入，很多学者都发现上述过程不能真实完整地反映厌氧消化过程的本质。厌氧微生物学的研究结果表明，产甲烷菌是一类非常特别的细菌，它们只能利用一些简单的有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用除乙酸以外的含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；70年代,Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，其中一种细菌先将乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌则利用H2和CO2以及乙酸产生CH4，由此，Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”(如图2所示)

2厌氧消化过程中的主要微生物及影响厌氧消化的因素

2.1.1厌氧消化过程中的主要微生物

根据厌氧消化过程的三阶段理论，厌氧微生物主要可以分为以下三大类群，即发酵细菌、产酸细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌。（发酵细菌、产酸细菌）的主要功能是：（1）水解。在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；（2）酸化。将可溶性大分子有机物

转化为脂肪酸、醇类等小分子有机物。这类细菌分属梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等，其中大多数是厌氧菌，但也有大量的是兼性厌氧菌。

2.2发酵细菌

发酵细菌（产酸细菌）的主要功能是:①水解:即在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；②酸化：即将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等小分子有机物。这类细菌分属梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等，其中大多数是厌氧菌，但也有大量是兼性厌氧菌，一般来说，水解过程比较缓慢，并会受到多种因素影响（pH、水力停留时间、有机物种类等），有时会成为厌氧反应的限速步骤；但产酸反应的速率一般是比较快的。如果按功能来分类，则可将发酵细菌分为；纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。

2.2产氢产乙酸菌

产氢产乙酸菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2.涉及到的主要反应有:

乙醇:CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2

丙酸:CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H+CO2

丁酸:CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2

上述各个反应只有在系统中的乙酸浓度、和氢分压均很低时才能顺利进行，主要的产氢产乙酸菌分属互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。

2.3产甲烷菌

对产甲烷菌的研究在很长时间内并没有较大的进展。直到20世纪60年代，Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术，随后产甲烷菌的研究才得以广泛开展。许多研究结果表明，产甲烷菌在分类学上属于古细菌(Archaebacteria)，它们与直细菌的一般特性不同的是细胞壁中没有肽聚糖，细胞中也不含有细胞色素C，而含有其它真细菌所没有的酶系统，产甲烷菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行。一般可以简单地将其分为两大类，即乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌；一般来说，自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，主要只有产甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和产甲烷丝状菌(Methanothrix)两大类，但在厌氧反应器中，这两种细菌的数量一般较多，而且有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。

根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其进行分类，目前最新的Bergy's细菌手册第九版中将产甲烷菌共分为：三目、七科、十九属、65种。

产甲烷菌具有各种不同的形态,常见的有:①产甲烷杆菌；②产甲烷球菌；③产甲烷八叠球菌；④产甲烷丝菌；等.前已述及,在生物分类学上，产甲烷菌(Methanogens)属于古细菌(Archaebacteria)、大小、外观上与普通细菌即真细菌(Eubacteria)相似，但实际上，其细胞成分特别是细胞壁的结构和酶系统较特殊。产甲烷菌在自然界中的分布，一般认为它们常栖息于一些极端环境中(如地热泉水、深海火山口、沉积物等)，但实际上其分布极为广泛，如污泥、反刍动物的瘤胃、昆虫肠道、湿的树木、厌氧反应器等。产甲烷菌都是极严格的厌氧细菌，一般要求其生境中的氧化还原电位为-150～400mV，氧和其它任何氧化剂都对其具有极强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖的世代时间很长，可长达4～6天甚至更长，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。

3厌氧生物处理的影响因素

一般来说,产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段,因此,在讨论厌氧生物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素，主要有:温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等。

3.1温度

温度对厌氧微生物的影响尤为显著，厌氧细菌可分为嗜热菌(或高温菌)、嗜温菌(中温菌)。相应地，厌氧消化分为：高温消化(55℃左右)和中温消化(35℃左右)，高温消化的反应速率约为中温消化的1.5～1.9倍，产气率也较高,但气体中甲烷含量较低.当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好.随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的影响不再非常重要，主要原因是新型反应器内的生物量很大，因而在一定程度上减轻了温度对反应速率的影响。因此有时可以常温条件下(20～25℃)进行厌氧处理，从而节省能量和运行费用。

3.2pH值和碱度

pH值是厌氧消化过程中最重要的影响因素。主要原因是为产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8～7.2，在<6.5或>8.2时，产甲烷菌都会受到严重抑制，并且可能进而导致整个厌氧消化过程的严重恶化。实际上，厌氧体系中的pH值会受到多种因素的影响，如:进水pH值、进水水质(有机物浓度、有机物种类等)、反应器中所发生的生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等。厌氧体系实际上是一个pH值的缓冲体系，一些研究结果表明它主要由碳酸盐体系所控制，就一般工程控制的角度来说:厌氧系统中脂肪酸含量的增加(累积)，将会导致系统的pH值下降。而产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生致碱物质如HCO3-等，而使系统的pH值回升。碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，以维持合适的pH值，厌氧体系一旦发生酸化即脂肪酸严重积累，pH值严重下降(低于5.5)，则需要很长的时间才能恢复。

3.3氧化还原电位

由于所有的产甲烷菌都是严格厌氧细菌，因此严格的厌氧环境是其进行正常生理活动的基本条件。非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100～-100mV的环境正常生长和活动；而产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150～-400mV，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mV。但值得注意的是，这里所指的氧化还原电位是指产甲烷菌所处的微生境，而不是指整个厌氧反应器，因此在实际操作运行中，并不要求一定要保证进入厌氧反应器的废水的氧化还原电位要达到上述的要求。

3.4营养要求

厌氧细菌对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD∶N∶P=200∶5∶1.但多数厌氧菌不具备合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时(特点是在进行实验研究时)还需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类;②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质:酵母浸出膏、生物素、维生素等。

3.5F/M比

厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高,一般可以达到5～10kgCOD/m3d，甚至可达50～80kgCOD/m3d；主要原因是:①与好氧法相比,在厌氧处理中没有传氧的限制；②新型厌氧反应器的设计可以保证在反应器中积聚更高浓度的生物量.但是,由于产酸阶段的反应速率远远高于产甲烷阶段的反应速率，因此必须十分谨慎地选择和控制反应器的有机负荷，特别是在调试行阶段，必须采用较低负荷来启动运行，否则可能会导致反应器发生酸化现象，而使调试工作受阻。当然，高的有机容积负荷的前提是在反应器中拥有高的生理量，从而可以保证相应较低的污泥负荷；高的有机容积负荷可以大大缩短水力停留时间，从而减少反应器的体积，节省投资。

3.6有毒物质

常见的抑制厌氧生物过程的物质主要有:硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些特殊有

机物等。硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物。可溶性的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程特别是产甲烷过程产生严重的抑制作用。投加某些金属盐类如Fe2+可以去除S2-，或采用吹脱法从系统中去除H2S等都可以减轻硫化物对厌氧过程的抑制作用。氨氮是厌氧消化的缓冲剂，有利于维持较高的pH值，同时也可以被产甲烷菌作为氮源而利用。但如果氨氮浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度一般认为是50～200mg/L，但经过一定驯化后，适应能力会得到加强。重金属：重金属主要是通过破坏厌氧细菌的酶系统而抑制厌氧过程；不同的重金属离子以及不同的存在形态，会导致不同程度的抑制。

4厌氧技术处理城市生活污水

厌氧生物处理技术主要被应用于高浓度有机工业废水的处理，但由于它具有较多优点，不少国家如荷兰、巴西、印度、哥伦比亚、意大利等的一些大学和研究机构，针对生活污水浓度低、水量大等特点进行了常温试验研究，并已有较多生产性装置投入运行。Lettinga等人于1979年就开始了用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器处理生活污水的研究。他们用120L的反应器，接种颗粒污泥，在温度为8～20℃，水力停留时间为12h下运行，COD的去除率达65%～85%，即使在雨季也有50%～70%.1981年到1983年又进行了6m3反应器的运行试验,证明了在15℃以上均可获得较好的处理效果。后来Grin等人还研究了自接种法，即利用未沉淀的生活污水中原有的大量有机悬浮物，在反应器中沉淀后作为接种污泥进行启动，这样就省去了初沉池。他们的研究结果表明，当温度在25℃以上时，用此法启动是可以的.。Barbosa等人在污水温度为18～28℃、HRT为4h的条件下用自接种法启动，COD的去除率达到74%，这个效果是相当好的。

结语：

废水的厌氧生物处理技术与好氧技术相比具有应用范围广、能耗抵、负荷高、剩余污泥量少、氮磷营养需要少等优点，越来越受到环保工作者的亲睐。近年来该技术在废水处理工程中得到了广泛应用，尤其是水体富营养化的加剧，国家对污水排放中的氮磷等污染物指标控制更加严格。

参考文献：

[1]周本省.工业水处理技术化学工业出版社.2008.6

[2]贺延龄.废水的厌氧生物处理.北京:中国轻工业出版社,1998:1-41.

[3]胡纪萃.废水厌氧生物处理理论与技术.北京:中国建筑工业出版社,2003:19.

[4]王凯军.低浓度污水厌氧-水解处理工艺.北京:环境科学出版社,1991:10.