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厭氧消化(anaerobic digestion)是在無氧條件下,污泥中的有機物由厭氧微生物進行降解和穩定的過程。

厭氧消化的生化階段

  第Ⅰ階段–水解產酸階段
  污水中不溶性大分子有機物,如多糖、淀粉、纖維素、烴類(烷、烯、炔等)水解,主要產物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸;緊接著氨基酸、蛋白質、脂肪水解生成氨和胺,多肽等(所以有的書又把水解產酸分為二個階段)。

  第Ⅱ階段–厭氧發酵產氣階段
  第Ⅰ階段產物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有機物在產甲烷菌的作用下,通過甲烷菌的發酵過程將這些小分子有機物轉化為甲烷。所以在水解酸化階段COD、BOD值變化不很大,僅在產氣階段由于構成COD或BOD的有機物多以CO2和H2的形式逸出,才使廢水中COD、BOD明顯下降。
  在酸化階段,發酵細菌將有機物水解轉化為能被甲烷菌直接利用的第1類小分子有機物,如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等;第2類為不能被甲烷菌直接利用的有機物,如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等,不完全厭氧消化或發酵到此結束。如果繼續全厭氧過程,則產氫、產乙酸菌將第2類有機物進一步轉化為氫氣和乙酸。
  第Ⅱ階段生化過程是產甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質通過不同途徑轉化為甲烷,其中最主要的基質為乙酸。

發酵條件控制

(1)營養與環境條件

  厭氧要求有機物濃度較高,一般大于1000mg/L以上。所以厭氧適于處理高濃度有機廢水和污泥處理。和好氧生物處理一樣,厭氧處理也要求供給全面的營養,但好氧細菌增殖快,有機物有50~60%用于細菌增殖,故對N、P要求高;而厭氧增殖慢,BOD僅有5~10%用于合成菌體,對N、P要求低。
   COD∶N∶P=200∶5∶1或C∶N=12~16
 ?。ê醚魿OD∶N∶P=100∶5∶1)

  厭氧過程對環境條件要求比較嚴格:

 ?、?、氧化還原電位(φE)與溫度
  氧的溶入和氧化態、氧化劑的存在:Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+會使體系中電位升高,對厭氧消化不利。
  高溫消化–500~600mv,50~55℃
  中溫消化–300~380mv,30~38℃
  產酸菌對氧還-還電位要求不甚嚴格+100~-100mv
  產甲烷菌對氧還-還電位要求嚴格<-350mv

 ?、?、pH及堿度
   pH主要取決于三個生化階段的平衡狀態,原液本身的pH和發酵系統中產生的CO2分壓(20.3~40.5kpa),正常發酵pH=7.2~7.4,有機負荷太大,水解和酸化過程的生化速率大大超過產氣速率。將導致水解產物有機酸的積累使pH下降,抑制甲烷菌的生理機能,使氣化速率銳減,所以原液pH=6~8,發酵過程有機酸濃度不超過3000mg/L為佳(以乙酸計)。
  HCO3-及NH3是形成厭氧處理系統堿度的主要原因,高的堿度具有較強的緩沖能力,一般要求堿度2000mg/L以上,NH3濃度50~200mg/L為佳。

   Ⅲ、毒物–凡對厭氧處理過程起抑制和毒害作用的物質都可稱為毒物,無機酸濃度不應使消化液pH<6.8;氨氮濃度不宜高于1500mg/L,其它化學物質的抑制濃度見下表。一般來說,多數毒物對甲烷細菌的毒性比對其它細菌的毒性要大。

一些化學物質的抑制濃度
物 質 抑制濃度 物 質 抑制濃度
S2- 100 Al 50
Cl 200 TNT 60
Cr+6 3 Na2S2O3 200
Cu2+ 100~250 去垢劑 100(陽離子型)
Cr3+ 25 去垢劑 500(陽離子型)
CN 2~10 HCHO <100

(2)工藝操作條件

 ?、?、生物量–大小以污泥濃度表示,一般介于10~30gvss/L之間,為防止反應器中污泥流失,可采用裝入填料介質使細菌附著掛膜,調節水流速度或污泥回流量。

 ?、?、負荷率–表示消化裝置處理能力的一個參數,負荷率有三種表示方法:
   ①容積負荷率–反應器單位有效容積在單位時間內接納的有機物量kg/m3·d。
   ②污泥負荷率–反應器內單位重的污泥在單位時間內接納的有機物量kg/kg·d。
 ?、弁杜渎?#8211;每天向單位有效容積投加的材料的體積m3/m3·d。
  投配率的倒數為平均停留時間或消化時間,單位為d(天),投配率池可用百分率表示。
  負荷率的影響:
 ?、佼斢袡C物負荷率很高時,營養充分,代謝產物有機酸產量很大,超過甲烷菌的吸收利用能力,有機酸積累pH下降,是低效不穩定狀態。
 ?、谪摵陕蔬m中,產酸細菌代謝產物中的有機物(有機酸)基本上能被甲烷菌及時利用,并轉化為沼氣,殘存有機酸量僅為幾百毫克/升。pH=7~7.5,呈弱堿性,是高效穩定發酵狀態。
 ?、郛斢袡C負荷率小,供給養料不足,產酸量偏少,pH>7.5是堿性發酵狀態,是低效發酵狀態。

 ?、?、溫度控制–發酵要求較高的溫度,每去除8000mg/L的COD所產沼氣,能使水溫升高10℃,一般工藝設計中溫消化30~35℃。

 ?、?、pH的控制–當液料pH<6.5或高于8.0,則要調整液料pH。
    pH<6.8~7,應減少有機負荷率,
    pH<6.5,應停止加料,必要時加入石灰中和

厭氧消化
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