厌氧反应部分

厌氧反应部分

厌氧消化反应的机理

厌氧消化法是在无氧的条件下，借兼性菌及专性厌氧细菌降解有机污染物，分解的产物是以甲烷为主的消化气(沼气、生物气) 。 有机物厌氧分解的全过程细分又可分为三个阶段，第一阶段为水解发酵阶段(即酸性消化) ，此阶段利用的是兼性水解发酵细菌(即产酸菌) ，将复杂有机物---碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO 2、H 2、NH 3和H 2S 等；第二阶段为产氢产乙酸阶段，此阶

段利用的是专性厌氧的产氢产乙酸细菌，将第一阶段细菌的代谢产物---丙酸及其它脂肪酸、醇类和某些芳香酸转化为乙酸、CO 2和H 2；第

三阶段为产甲烷阶段，此阶段利用产甲烷菌将第一、第二阶段产生的乙酸、CO 2和H 2为主要基质(还有甲酸、甲醇及甲胺) 最终转化为甲烷

和CO 2，产甲烷菌包括两种特异性很强的细菌：一种主要利用H 2把CO 2还原为CH 4；另一种产甲烷菌主要以乙酸为基质(也可利用甲醇和甲

胺），把它分解为CH 4和CO 2。在这一阶段中，据研究还有一种同型产

乙酸菌可把CO 2和H 2合成为乙酸。

有机物在厌氧条件下消化降解的过程可简单分为两个阶段，即酸性消化(酸性发酵) 阶段和碱性消化(碱性发酵或甲烷消化)

阶段。两阶段的示意图：

酸性消化阶段：参与的微生物为酸性腐化菌或产酸细菌。在这一阶段中，含碳有机物被水解成单糖，蛋白质被水解成肽和氨基酸，脂肪被水解成甘油脂肪酸。水解的最终产物是包括丁酸、丙酸、乙酸和甲酸在内的有机酸以及醇、氨、CO 2、硫化物、氢以及能量，为下一

阶段的甲烷消化作准备。酸性腐化细菌对pH 值、有机酸及温度的适应性很强，世代短，数分钟到数小时即可繁殖一代，多属于异养型兼

性细菌群。

在酸性消化阶段，由于有机酸的形成与积累，pH 值可下降至6，甚至可达5以下。此后，由于有机酸和溶解性含氮化合物的分解，产生碳酸盐、氨、氮及少量的二氧化碳等，从而使酸性减退，pH 值可回升到6.6-6.8左右。

经酸性消化后的污泥外观呈黄色或灰黄色，比较粘稠不易脱水，仍易于腐化发臭。

碱性消化阶段：参与的微生物是甲烷细菌。甲烷细菌对营养的要求不高，一般的营养盐类、二氧化碳、醇和氨都可作为碳、氮源，属于专性厌氧细菌群。 碱性消化阶段就是消化气的形成过程。酸性消化阶段的代谢产物，在甲烷细菌的作用下，进一步分解成消化气，其主要成分是甲烷、二氧化碳。

已发现的甲烷细菌属有甲烷球菌属(Metharnococcus)，八叠甲烷球菌属(Me- thanosarcirla)，甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷杆菌属(Methano-

bacillus) 等。

甲烷细菌属的特点是：

(1)对pH 值的适应性较弱，适宜的范围是6.6-7.8，最佳pH 值为6.8-7.2；

(2)对温度的适应性也较弱，根据对温度的适应范围甲烷细菌可分为中温(30-35℃) 及高温(50-60℃) 两类。当甲烷细菌在一定的温度内被驯化后，温度增减2℃就可能破坏甲烷消化作用，特别是高温甲烷细菌，温度增减1℃，就有可能使消化过程遭到破坏。因此甲烷消化要求保持温度恒定；

(3)甲烷细菌的世代都较长，一般约4-6天繁殖一代；

(4)甲烷细菌的专一性很强，每种甲烷细菌只能代谢特定的底物，如甲酸甲烷杆菌(Methanobacterium formicium) 仅能利用H 2，CO 2和甲酸CHOOH ，低氧甲烷杆菌(Methanobacterium suboxydans)只能把戊酸分解成乙酸与丙酸。因此，在厌氧消化条件下，有机物分解往往是不完全的；

(5)所有的甲烷细菌都能氧化分子状态的氢，并利用CO 2作为电子

接受体:

4H2+CO2-→CH 4+2H2O

由于甲烷细菌具有上述特点，而且又是专性厌氧细菌，因此甲烷消化阶段控制着厌氧消化的整个过程。 1kgCOD 产生0.35Nm 3CH 4 (相当于0.25kgCH 4)

厌氧生物控制指标：

厌氧处理装置在实际运行中，主要控制进水水质、负荷、温度、PH 值、挥发酸、氮磷营养、沼气组分、有毒物质等。

1. 温度的控制：分常温(10-34℃) 、中温(35-40℃) 、高温(50-55℃)

三种类型，厌氧消化常采用中温消化。

2.PH 值、碱度、挥发酸的影响：消化液中的PH 值一般应维持在

6.5-7.8之间，最佳范围在6.8-7.2左右；碱度(ALK)最佳值在

2000-4000mg/L之间，正常值为1000-5000mg/L；酸度(VFA)最佳值在50-500mg/L之间，正常50-2500mg/L。

在反应器正常运行时，进水PH 值一般在6.0以上。处理因含有机酸而使PH 值偏低的废水时，正常运行时PH 值可略低，如4-5左右；若处理含无机酸而使PH 值低的废水，应将PH 值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。

消化液的缓冲作用：由于酸性腐化细菌与甲烷细菌对温度、PH 值的适应性不同，世代长短相差悬殊。当酸性消化速度超过碱性消化速度时，有机酸就会积累，使PH 值降低，不利于碱性消化，甚至破坏碱性消化。但由于消化池中存在的消化液(污泥水) 具有缓冲作用，以维持消化正常进行。所谓的缓冲能力即由于有机物消化降解过程中产生的重碳盐(HCO3-) 与碳酸(CO2) 形成的：

H ++HCO3-H 2CO 3

K ‘=[H+][HCO3-]/[H2CO 3]

取对数 PH=-lgK’+lg[HCO3-]/[H2CO 3]

式中K ‘---电离常数

可见，当有机酸增加时，反应向右进行。若所增加的有机酸数量较重碳酸盐与碳酸的数量少，则[HCO3-]/[H2CO 3]变化不大。从而可保

持甲烷菌的消化条件。因此消化池的碱度要保持在合理的范围内(厌氧反应器的碱度一般在2000-4000mg/L；正常为1000-5000mg/L)，使缓冲能力充分，有效地防止PH 值下降。同时，为了使碱性消化能顺利地进行，消化系统中的有机酸含量应维持在合理范围内(一般在

50-500mg/L；正常50-2500mg/L)。

3. 氮磷比：C ：N ：P=(200-300)：5：1

厌氧设备的运转

厌氧设备的启动

厌氧反应器在试车之前，应检查施工、安装质量，确保池体不漏水、不漏气，一切附属设施完好。在投料前，应向池内灌满清水，并增压至29.4kPa ，如24h 之内压力下降小于10%，即可认为池体密封性符合要求。否则应立即采取补救措施，再按上述方法检验，直至合格为止。

与反应器配套的所有管道、阀门均应根据其各自的运行压力，分别按照工业管路检验标准用清水进行承压检验。

对于污泥、水、蒸汽、沼气的压力表，流量计、液面、电气、温度、PH 值等计量仪表，加热器、搅拌器、电机、水泵等设备，均应按各自的产品质量检验标准和设计要求，进行单机调试和联动试运行，以保证其安全、可靠、灵活和准确。这是非常重要的基础工作，否则待运行后若再发现上述先天性的缺陷，维修的工作量很大，且难以进行。厌氧设备在进入正常运行之前应进行气密性试验后，以氮气吹扫，然后进行厌氧污泥的培养和驯化。

(1)接种物 由于厌氧微生物生长缓慢，为加速厌氧反应器的启动过程，需投加含有各种厌氧微生物的种污泥(即接种物) ，应尽量选择含甲烷菌多的污泥作为接种物，如城市污水厂污泥消化池与各种厌氧消化池的污泥和排出液，好氧活性污泥，经过脱水的厌氧、好氧污泥，农村沼气池排出物，堆涩的猪粪、牛粪等，以及长期贮存、排放

废水的阴沟、水塘污泥、藕塘污泥等。在选择接种物时，尽量采用与所处理废水的特征有机物相似的污泥作为接种物，以就近、易得为宜。若有条件，可对选择的种污泥进行产气试验。 (2)接种污泥的处理 应尽量避免粗大物质与惰性物质进入反应器，对过稠的接种物，可用水稀释、过筛、沉淀。对经脱水的干污泥应尽快将其浸渍水中，并将块状物打碎，去除粗大物质及沉于底部的砂、石、土等无机物质，经处理后的接种物挥发分(VSS)应大于60%。

(3)接种物的驯化与反应器启动 在启动过程中，控制升温为1℃/h，达到要求温度即保持恒温并搅拌；注意保持PH 值在6.8-7.8之间；此外，有机负荷常常成为影响启动成功的关键性因素。

启动的初始有机负荷因工艺类型、废水性质、温度等工艺条件以及接种污泥的性质而异。常取较低的初始负荷，继而通过逐步增加负荷而完成启动。有的工艺对负荷的要求格外严格，例如厌氧污泥床反应器启动时，初始负荷仅为0.1-0.2kgCOD/(kgVSS.d)(相应的容积负荷则依污泥的浓度而异) ，至可降解的COD 去除率达到80%，或者反应器出水中挥发性有机酸的质量浓度已较低(

1.2-1.5kgCOD/(kgVSS.d)，这种启动方式时间较短，但对含碳水化合物较多、缺乏缓冲性物质的料液，需添加一些缓冲物质，才能高负荷启动，否则，易使系统酸坏、启动难以成功。

正常的成熟污泥呈深灰到黑色，带焦油气，无硫化氢臭，PH 值在7.0-7.5之间，污泥易脱水和干化。当进水量达到要求、取得较高的去除效率、产气量大、含甲烷成分高时，可认为启动基本结束。

消化污泥培养正常时的指标及参数

主要控制条件

水温对微生物的影响很大，对微生物和群体的组成、微生物细胞的增殖，内源代谢过程和污泥的沉降性能都有影响。但是温度对微生物的影响是缓慢的，在操作运行中，人们发现反应器温度突然下降，然后又恢复到原来水平，并不妨碍反应器恢复正常处理效率。对于中温厌氧反应器应该避免温度超过42℃，因为在这种温度下微生物的衰退速度过大，从而大大降低污泥的活性。此外，在反应器温度偏低时，可根据运行情况及时调整负荷与停留时间，反应器运行仍可稳定，但这时则不能充分发挥反应器的处理能力，而且需要较高的管理水平，否则，可能导致反应器不能正常运行。

(2)PH值、碱度、挥发酸的影响

①反应器消化液中的PH 值 在厌氧消化中，产甲烷菌的最适PH 值随甲烷菌种类的不同而略有差异。适应范围大致是6.6-7.5。PH 值的变化将直接影响产甲烷菌的生存与活动。一般来说，反应器的PH 值应维持在6.5-7.8范围，最佳范围在6.8-7.2左右。

在反应器正常运行时，进水PH 值一般在6.0以上。在处理因含有有机酸而使PH 值偏低的废水时，正常运行时PH 值可略低，如4-5左右；若处理含无机酸而使PH 值低的废水，应将进水PH 值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。

②碱度 在日常操作运行中，一般通过测反应器的碱度来判断消化液的缓冲能力，厌氧反应器合理的碱度范围一般在2000-4000mg/L，正常范围为1000-5000mg/L。

关于碱度，Yencko 和Backmey 等(1955)指出，总碱度为2000-3500mg/L是正常厌氧消化的数值。

在厌氧反应器中，PH 值、碳酸氢盐碱度及C02之间存在一定的关

系。一个厌氧反应器最佳运行的PH 值、酸碱度、CO 2含量尚由废水中

的有机物而定。如果反应器中碱度及缓冲力不够的话，厌氧消化过程中所产生的有机酸将会使反应器消化液的碱度和PH 值下降到抑制产甲烷反应的程度。因此对缓冲能力很低的反应器适当添加重碳酸钠，有提高沼气产量、控制PH 值、碱度、沉淀有毒金属、提高污泥的沉淀性能与处理效果等作用。

③测定挥发酸的必要性 由于消化液中存在氢氧化钠、碳酸氢盐等缓冲物质。PH 值难以判断消化液中的挥发酸积累程度，故及时分析VFA 是很有必要的。Bus Well经过多年研究，认为把挥发酸(以乙酸计) 的安全浓度控制在2000mg/L以内。当VFA 小于200mg/L时，一般是最好的。VFA 积累过多，将会抑制产甲烷菌的活性。一个反应器所能允许的VFA 浓度，是由许多因素决定的，也与反应器的类型有关。对上流式厌氧污泥床来说，其出水的VFA 一般都在200mg/L以下。在处理未经酸化的有机废水时，在反应器底部存在一定的酸化段。其

还可将消化池部分污泥回流至一级消化池，补充甲烷菌和碱度的损失。

②有机物投配超负荷 进污水量增大或泥量不变，而含固率或有机物浓度升高时，可导致有机物投配超负荷。大量的有机物进入消化液，使VFA 升高，而ALK 却基本不变，VFA/ALK会升高。控制措施是减少投泥量或回流部分二消污泥；当有机物超负荷系由于进水中有机物增加所致时(如大量化粪池污水或污泥进入) ，应加强上游污染源浓度控制或加大循环量。

③搅拌效果不好 搅拌系统出现故障、未及时排除、搅拌效果不佳，会导致局部VFA 积累，使VFA/ALK升高。

④温度波动太大 温度波动太大，可降低甲烷菌分解VFA 的速率，导致VFA 积累，使VFA/ALK升高。温度波动，如进泥量突变所致，则应增加进泥次数，减少每次进泥量，使进泥均匀。如因加热量控制不当所致，则应加强加热系统的控制调节。有时搅拌不均匀，使热量在池内分布不均匀，也会影响甲烷菌的活性，使VFA/ALK升高。 ⑤存在毒物 甲烷菌中毒以后，分解VFA 速率下降，导致VFA/ALK积累，使VFA 升高。此时应首先明确毒物的种类，如为重金属类中毒，可加入Na 2S 降低毒物浓度；如为S 2-类中毒，可加入铁盐降低S 2-浓度。

解决毒物问题的根本措施是加强上游来水水质管理。

(2)现象二 沼气中的C02含量升高，但沼气仍能燃烧。该现象是

现象一的继续，其原因及控制措施同现象一。现象一系VFA/ALK刚超过0.3，在一定的时间内，还不至于PH 值下降，还有时间进行原因分析及控制。但现象二系C02已经开始升高，此时VFA/ALK往往已经

超过了0.5，如果原因分析及控制措施不及时，很快导致PH 值下降，抑制甲烷菌的活性。如果已确认VFA/ALK大于0.5，应立即加入部分氮源，保持混合液的碱度，为寻找原因并采取控制措施提供时间。

(3)现象三 消化液的PH 值开始下降。该现象是现象二的继续。出现现象二，但没有予以控制或措施不当时，会导致PH 值下降。其原因及控制对策与现象一和现象二完全一样。当PH 值开始下降时，VFA/ALK往往大于0.8，沼气中甲烷含量往往在42%-45%之间，此时沼气已不能燃烧。该现象出现时，首先应立即向消化液内投入碱源，补充碱度，控制住PH 值的下降并使之回升；否则如果PH 值降至6.0以下，甲烷菌将全部失去活性，则需放空消化池重新培养消化污泥。其次，应尽快分析产生该现象的原因并采取相应的控制对策，待异常排除之后，可停止加碱。

(4)现象四 产气量降低。其原因及解决对策如下：

①有机物投配负荷太低。在其他条件正常时，沼气产量与投入的有机物呈正比，投入有机物越多，沼气产量越多；反之，投入有机物

减少，则沼气产量也越少。出现此种情况，往往是由于来水有机物质浓度在大幅度减少。

②甲烷菌活性降低。由于某种原因导致甲烷菌活性降低，分解VFA 速率降低，因而甲烷气产量也降低。水力超负荷、有机物投配超负荷、温度波动太大、搅拌效果不均匀、存在毒 物等因素，均可使甲烷菌活性降低，因而应具体分析原因，采取相应的对策。

(5)现象五 消化池气相出现负压，空气自真空安全阀进入消化池。其原因及控制对策如下：

①排出量大于进入量，使消化池液位降低，产生真空。此时应加强进、排出量的控制，使进、排出量严格相等。

②用于沼气输送压缩机的出气管路出现泄漏时，也可导致消化池气相出现真空状态，应及时修复管道泄漏处。(产率小于供气量导致抽吸现象)

③加入Ca(OH)2、NH 40H 、NaOH 等药剂补充碱度，控制PH 值时，

如果投加过量，也可导致气相出现真空状态，此时应加强抽气与产气量的调度平衡。

④一些处理厂用风机或压缩机抽送沼气至较远的使用点，如果抽气量大于产气量，也可导致气相出现真空状态，此时应加强抽气与产气量的调度平衡。

(6)现象六 消化池气相压力增大，自压力安全阀逸入大气。其原因及控制对策如下:

①产气量大于用气量，而剩余的沼气又无畅通的去向时，可导致消化池气相压力增大，此时应加强运行调度，增大用气量。

②由于某种原因(如水封罐液位太高或不及时排放冷凝水) 导致沼气管路阻力增大时，可使消化池压力增大。此时应分析沼气管阻力增大的原因，并及时予以排除。

③进入量大于排出量，而溢流管又被堵塞，导致消化池液位升高时，可使气相压力增大，此时应加强进、排出量的控制，保持消化池工作液位的稳定。

(7)现象七 消化池排放的上清液含固量升高，水质下降，同时还使排泥浓度降低。其原因及控制对策如下。

①上清液排放量太大，可导致含固量升高。如果排放太多，则由于排放的不是上清液，而是污泥，因而含固量升高。

②上清液排放太快时，由于排放管内的流速太大，会携带大量的固体颗粒被一起排走，因而含固量升高，所以应缓慢地排放上清液，且排放量不宜太大。

③如果上清液排放口与进泥口距离太近，则进入的污泥会发生短路，不经泥水分离直接排走，因而含固量升高。对于这种情况，应进行改造，使上清液排放口远离进泥口。(上流式UASB 不存在此现象)

(8)现象八 消化液的温度下降，消化效果降低。其原因及控制对策如下。

①蒸汽或热水量供应不足，导致消化池温度也随之下降。 ②投泥次数太少，一次投泥量太大时，可使加热系统超负荷，因加热量不足而导致温度降低，此时缩短投泥周期，减少每次投泥量。(此种状况对沼气池而言)

③混合不均匀时，会使污泥局部过热，局部由于热量不足而导致温度降低，此时应加强搅拌混合。