摘要

从厌氧生物处理技术的基本原理出发, 着重介绍了厌氧生物处理技术的影响因素、以及如何提高厌氧生物处理的效能展。

关键词            厌氧生物技术，影响因素，颗粒污泥，生物相，混合流态

前言    

厌氧生物处理技术由于具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质的特点等, 近年来已成为国内外环境科学与工程领域研究的热点，可以作为环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统的核心技术来发展, 具有良好的环境效益与经济效益。

厌氧生物处理的基本原理

    厌氧生物处理是一个复杂的微生物作用过程, 需要厌氧或兼性微生物种群进行综合而协调的代谢活动, 最终使复杂的有机物完全降解为CH4 、CO2 、H2S和HN3 。

    由厌氧法的基本原理可知, 厌氧过程通过多种生理上不同的微生物类群联合作用来完成。如果把产甲烷菌以外的所有微生物统称为不产甲烷菌, 与产甲烷菌相比, 它对pH 值、温度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性, 且增殖速度快; 而产甲烷菌是一群非常特殊的严格厌氧的细菌, 它对生长环境条件的要求比不产甲烷菌更严格, 而且其繁殖的世代期更长。因此产甲烷菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物, 产甲烷阶段是厌氧过程速率的阶段, 正因为如此, 在讨论厌氧过程的影响因素时, 多以产甲烷菌的生理、生态特征来说明。

2影响因素

一般认为, 控制厌氧处理效率的基本因素有两类。一类是基础因素, 包括微生物量( 污泥浓度) 、营养比、混合接触状况、有机负荷等；另一类是环境因素, 如温度、p H 值、氧化还原电位、毒性物质等。

2. 1 温度

温度是影响微生物生存及生物化学反应的最主要因素之一。各类微生物适应的温度范围是不同的, 根据微生物生长的温度范围, 习惯上将微生物分为三类:嗜冷微生物( 生长温度5~ 20C ) ；嗜温微生物( 生长温度20~ 42C )；嗜热微生物( 生长温度42~ 75C) 。相应地, 废水的厌氧处理工艺也分为低温、中温、高温三类。

与其它酶介质细菌反应一样, 厌氧降解过程的速率受温度的影响非常明显。低温厌氧工艺由于微生物反应速率较低, 相应污泥活性明显低于中温和高温, 其反应负荷也较低。当温度在45C以上时, 中温细菌已达到生长极限, 消化速率将迅速减小; 在25C以下时,消化速率急剧下降, 在气温更低的环境下, 细菌将逐渐停止或减弱其代谢活动, 菌种处于休眠状态, 其生命力可维持相当长的时间, 一旦温度上升至原来的生长温度时, 细菌的活性将很快得到恢复。目前中温工艺以30~ 40C最为常见。2. 2 pH 值各种微生物生长所能适应的pH 值范围不同。在厌氧处理中, 水解菌与产酸菌不如产甲烷菌敏感, 其适应的pH 值范围较广。大多数这类细菌可在pH 值为5. 0~ 8. 5 范围内生长良好, 甚至一些产酸菌在pH 值小于5. 0 时仍能生长。产甲烷菌要求环境介质pH 值在中性附近, 最佳pH 值为6. 5~ 7. 8。微生物对pH 值的波动十分敏感, 即使在适应其生长的pH 值范围内, pH 值的突然改变也会引起细菌活性的明显下降, 表明细菌对pH值变化比对温度变化的适应过程要慢得多。因此, 厌氧系统必须具备一定的缓冲能力以维持pH 值在一个相对稳定的范围内。

2. 3 氧化还原电位

无氧环境是严格的产甲烷菌繁殖的最基本的条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感, 这是因为它不像好氧菌那样具有过氧化氢酶, 对厌氧反应器内介质中氧的浓度可以由氧化还原电位来表达。研究表明, 产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于- 330mV。在厌氧消化过程中, 不产甲烷阶段可在兼性条件下完成, 氧化还原电位为+ 0. 1~ - 0. 1V； 而在产甲烷阶段, 氧化还原电位必须控制在- 0. 3~ - 0. 35V ( 中温消化) 与- 0. 56~ - 0. 6V ( 高温消化) 之间, 常温消化与中温消化相近, 产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为- 0. 2V。

2. 4 厌氧活性污泥( 生物量)

厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物和无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化效能有密切的关系。厌氧活性污泥的性质主要表现在它的作用效能与沉淀性能, 活性污泥的沉降性能是指污泥混合液在静止状态下的沉降速率, 它与污泥的凝聚状态及密度有关, 以SVI 衡量。一般认为, 在颗粒污泥反应器中, 当活性污泥的SVI 为15~20mL/ g 时, 可认为污泥具有良好的沉降性能。厌氧处理时, 废水中的有机物主要是靠活性污泥中的微生物分解去除, 故在一定范围内, 活性污泥浓度愈高, 厌氧消化的效率也愈高, 但至一定的程度以后,消化效率的提高不再明显。这主要是因为: 厌氧污泥的生长率低, 增长速度慢, 积累时间过长后, 污泥中的无机成分比例增高, 活性下降; 污泥浓度过高有时易引起堵塞而影响正常运行。

2. 5 有机负荷

在厌氧法中, 有机负荷通常指容积有机负荷, 简称容积负荷, 即消化器单位容积每天接受的有机物量( kgCOD/ m3 d) 。有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素, 直接影响产气量和处理效率。在一定时间内, 随着有机负荷的提高, 产气量增加, 但处理程度下降, 反之亦然。对于具体的应用场合, 进料的有机物浓度是一定的, 有机负荷的提高意味着水力停留时间缩短, 有机物分解率将下降, 势必使处理程度降低,但因反应器相对处理量增多了, 单位容积的产量将提高。

2. 6 营养物与微量元素

除了对碳和氮等大量营养物的基本要求外, 大量厌氧菌没有合成某些必需维生素的能力。因此为保持细菌的生长和活动, 还需要补充某些专门的营养物。厌氧微生物的生长繁殖需要一定比例地摄取碳、氮、磷及镍等微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷的比例, 因为其它营养元素不足的情况较为少见。不同的微生物在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷的比例不完全一致。一般认为, 厌氧法C： N：P 控制在300~ 500：5：1 为宜；此比值大于好氧法的100：5：1。

3培 养颗粒污泥提高厌氧生物处理效能    

厌氧颗粒污泥（Anaerobic Granular Sludge） 是在高水力剪切作用下， 由产甲烷菌、产乙酸菌和水解发酵菌等因生物凝聚作用而形成的呈灰色或褐黑色的特殊生物膜， 厌氧颗粒污泥表面被大量的丝状菌覆盖，这些丝状菌互相缠绕，形成了表面凹凸不平的形状，使颗粒的比表面积增加，有利于泥水接触，提高传质效果。

颗粒污泥一般分为3 种类型：①球形颗粒污泥：此种颗粒污泥主要由杆状菌、丝状菌组成，因而也称为杆状菌颗粒污泥，颗粒粒径约1 ～ 3 mm；②松散球形颗粒污泥： 此种污泥主要由松散互卷的丝状菌组成，丝状菌附着在惰性粒子的表面，因而也称为丝状菌颗粒污泥，颗粒粒径在1 ～ 5 mm；③紧密球状颗粒污泥：此种颗粒污泥主要由甲烷八叠球菌组成，其颗粒粒径较小，一般为0.1 ～ 0.5 mm。

3.1进水水质及有机物浓度

目前， 人们已经成功地利用很多废水培养出厌氧颗粒污泥，如酿造废水、食品工业废水、造纸工业废水和生活污水等。对淀粉、蔗糖、乙醇、丁酸盐—丙酸盐等不同基质进行研究发现， 所形成的颗粒污泥均表现出很高的沉降速率，由此在反应器内可保持很高的生物量，500 d 运行后, COD 去除量最大时分别达到7.6，10.5，32.1，42.6 g/(L·d)。在不同基质下长期生长改变了细菌的种类和营养组成以及颗粒污泥的特性。培养颗粒污泥的进水COD 质量浓度一般以1 000~ 5 000 mg/L 为宜，高的进水浓度有利于底物向构成颗粒污泥的细菌细胞内传递， 因而有利于颗粒污泥的形成和生长。但浓度不能过高，过高时细菌生长过快，形成的污泥结构松散、沉降性能差；过低会延长培养时间，甚至难以形成厌氧颗粒污泥。

3.2 接种污泥的影响

接种污泥按其来源可以划分为颗粒污泥和非颗粒污泥， 共同点是污泥内必须含有可降解目标废水中有机物的微生物。所需的接种量目前还没有明确的界定， 一般认为接种量为UASB 反应器有效容积的10% ~ 30%为佳[8]。以消化过的污泥、牛粪等为接种物均可生成颗粒污泥。国内的研究也表明用阴沟污泥、厌氧消化过的猪粪、鸡粪、初沉池污泥等为接种物都可形成颗粒污泥。在中温下用好氧活性污泥作接种物，也培养出了性能良好的颗粒污泥。

厌氧颗粒污泥提高了污泥的沉降性能， 有利于固液分离； 也可更有效地控制污泥停留时间与水力停留时间，提高反应器中的微生物浓度，改善了活性污泥的生化条件，从而提高反应器的处理能力，推动了高效厌氧技术的发展。

4 生物相对厌氧生物处理的影响

4.1 产酸相的效能分析

传统观点认为, 厌氧生物处理的限速步骤是产甲烷阶段, 因而, 国内外的研究工作大都集中在产甲烷菌的生理生化和生态学等方面, 对产酸发酵过程的研究尚少。事实上, 产酸发酵细菌的微生物学、生物化学、生态学及运行控制对策等方面的研究, 无疑对厌氧生物处理系统的成败起着关键作用。一方面, 产酸相发酵速率要快, 并尽可能消除由于有机酸的大量产生而抑制或阻遏了产酸菌的活性; 另一方面, 因为产酸相的发酵产物将作为产甲烷相的底物, 所以, 提供易于被产甲烷菌利用、并且减少丙酸含量和可能转化为丙酸的产物, 是保证产甲烷相高效、稳定运行的重要因素。

4.2　容积负荷对产甲烷相有机物去除率的影响

根据李建政的试验，表明产甲烷相对COD 的去除率始终保持在85% 以上。进水COD 浓度2500～4000moL 时, 产甲烷相对COD 的去除率平均为92%; 当进水COD 浓度提高到4000～ 6500mol 时, 其COD 去除率则降为85% (平均值)。产甲烷相对BOD5 的去除率始终稳定在95% 左右。

4.2　水力停留时间对产甲烷相产气率的影响

产甲烷相的水力停留时间(HRT ) 在低于1d 时, 仍能保持高效、稳定地运行。当HRT 小于018d 时, 产甲烷相反应器中才发生有机酸的积累现象。在整个正常运行期间, 尽管产酸相出水水质(COD 浓度、发酵末端产物浓度、MLSS、pH 值等) 时有变化, 而产甲烷相始终保持着稳定的运行状态, 对水力负荷的冲击表现出较强的承受能力。这恰恰证明了选择乙醇型发酵作为产酸相最佳发酵类型的优越性, 也表明产酸相为提高整个二相厌氧生物处理系统的处理能力及运行稳定性作出了贡献。

(1) 可对产酸相有关运行参数进行单独控制, 使之为产甲烷相提供最佳末端发酵产物组成, 提高产酸发酵的相对收率, 使产甲烷相的处理能力得到相应提高。因此, 整个二相厌氧生物处理系统的处理能力与运行稳定性也因之有大幅度提高。

(2) 相分离不仅没有破坏厌氧发酵各类菌群之间的协同作用, 而且, 由于人为地创造了产酸相微生物和产甲烷相微生物生存需要的最佳环境, 控制产酸相使之发酵产物更加适合产甲烷菌的转化, 从而使二相微生物之间的协同作用大大加强, 而彼此之间的制约作用却得到削弱。这样, 不仅增加了厌氧生物处理系统的处理能力, 而且使厌氧生物处理系统具有较强的抗冲击负荷能力, 使运行更加稳定。

5 混合流态对厌氧生物处理的影响

废水厌氧生物处理中, 反应器的设计和运行性能除与参与反应过程的微生物( 或酶) 类群特性有密切的关系外, 还与反应物料在反应器内的流动与混合状况有极大的关系。反应器中物料的流动与混合状况不仅影响反应或处理过程中底物的转化效率, 而且与工艺的运行稳定性、所需的反应时间及设备的投资有关, 因而流态类型是决定反应进行状况的重要工程因素。

目前, 混合流态的研究对反应器工艺优化设计的重要性在新型废水处理反应器, 尤其是厌氧处理反应器工艺的研究开发中正得到日益的重视。如前所述, 废水厌氧处理的相分离技术是从微生物生理生态角度出发提高处理效果及运行稳定性的重要发展方向和研究课题。因而, 将产酸和产甲烷阶段分别控制在不同的反应器或同一反应器的不同空间内是厌氧处理工艺设计的必然选择。与此同时, 由两个或多个反应器组成的工艺系统中泥水的混合流态, 对系统的处理效果也有着十分重要的影响。由于在反应器中保持高浓度的生物量(污泥) 是废水厌氧工艺获得有效处理的重要前提, 而泥水的接触混合程度将直接影响处理效果。因而对厌氧处理反应器混合流态的研究就具有更重要的实际意义。

推流混合流态的反应器在同样的条件下可获得比完全混合流态的反应器更好的处理效果。其原因在于推流反应器中具有比完全混合流反应器更大的传质推动力, 而后者因存在返混而一方面降低了传质推动力, 另一方面因反应器的􀀁 宏观均匀混合导致了进水基质的微观短路 (RTD) 而影响了对有机物的去除速率。但对厌氧反应器而言, 良好的泥水混合( 宏观混合) 是必须的, 只有这样, 大量的生物体才能与进水中的基质良好接触而发挥其降解功能, 否则泥水接触不良, 则易造成反应器的大量死区而不仅严重影响处理效果, 而且会大大降低反应器的容积利用率。事实上, 厌氧反应器中的混合作用除可通过人工措施实现外, 目前大多是通过合理设计反应器中水流的方向及其流速以及通过产气作用而实现的, 因而不仅是需要的而且也是不可避免的。

为此, 具有复合流态( 即局部完全混合, 整体趋于推流) 的反应器工艺已开始成为第三代新型高效厌氧工艺研究和开发的发展主流。其原理在于利用局部空间或单个反应器的混合而提高微生物与进水基质的良好均匀接触, 利于其降解功能的充分发挥、提高反应器的容积利用率; 利用整体推流所具有的高传质推动力及反应速率而利于处理效果和处理能力的提高。

参考文献

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