厭氧消化(anaerobic digestion)是在無(wú)氧條件下,污泥中的有機(jī)物由厭氧微生物進(jìn)行降解和穩(wěn)定的過(guò)程。
厭氧消化的生化階段
第Ⅰ階段–水解產(chǎn)酸階段
污水中不溶性大分子有機(jī)物,如多糖、淀粉、纖維素、烴類(lèi)(烷、烯、炔等)水解,主要產(chǎn)物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸;緊接著氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪水解生成氨和胺,多肽等(所以有的書(shū)又把水解產(chǎn)酸分為二個(gè)階段)。
第Ⅱ階段–厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣階段
第Ⅰ階段產(chǎn)物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和CO2+H2等小分子有機(jī)物在產(chǎn)甲烷菌的作用下,通過(guò)甲烷菌的發(fā)酵過(guò)程將這些小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷。所以在水解酸化階段COD、BOD值變化不很大,僅在產(chǎn)氣階段由于構(gòu)成COD或BOD的有機(jī)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(fā)酵細(xì)菌將有機(jī)物水解轉(zhuǎn)化為能被甲烷菌直接利用的第1類(lèi)小分子有機(jī)物,如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等;第2類(lèi)為不能被甲烷菌直接利用的有機(jī)物,如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等,不完全厭氧消化或發(fā)酵到此結(jié)束。如果繼續(xù)全厭氧過(guò)程,則產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌將第2類(lèi)有機(jī)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣和乙酸。
第Ⅱ階段生化過(guò)程是產(chǎn)甲烷細(xì)菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質(zhì)通過(guò)不同途徑轉(zhuǎn)化為甲烷,其中最主要的基質(zhì)為乙酸。
發(fā)酵條件控制
(1)營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境條件
厭氧要求有機(jī)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(jī)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(yíng)養(yǎng),但好氧細(xì)菌增殖快,有機(jī)物有50~60%用于細(xì)菌增殖,故對(duì)N、P要求高;而厭氧增殖慢,BOD僅有5~10%用于合成菌體,對(duì)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(guò)程對(duì)環(huán)境條件要求比較嚴(yán)格:
?、?、氧化還原電位(φE)與溫度
氧的溶入和氧化態(tài)、氧化劑的存在:Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+會(huì)使體系中電位升高,對(duì)厭氧消化不利。
高溫消化–500~600mv,50~55℃
中溫消化–300~380mv,30~38℃
產(chǎn)酸菌對(duì)氧還-還電位要求不甚嚴(yán)格+100~-100mv
產(chǎn)甲烷菌對(duì)氧還-還電位要求嚴(yán)格<-350mv
?、颉H及堿度
pH主要取決于三個(gè)生化階段的平衡狀態(tài),原液本身的pH和發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)生的CO2分壓(20.3~40.5kpa),正常發(fā)酵pH=7.2~7.4,有機(jī)負(fù)荷太大,水解和酸化過(guò)程的生化速率大大超過(guò)產(chǎn)氣速率。將導(dǎo)致水解產(chǎn)物有機(jī)酸的積累使pH下降,抑制甲烷菌的生理機(jī)能,使氣化速率銳減,所以原液pH=6~8,發(fā)酵過(guò)程有機(jī)酸濃度不超過(guò)3000mg/L為佳(以乙酸計(jì))。
HCO3-及NH3是形成厭氧處理系統(tǒng)堿度的主要原因,高的堿度具有較強(qiáng)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(duì)厭氧處理過(guò)程起抑制和毒害作用的物質(zhì)都可稱(chēng)為毒物,無(wú)機(jī)酸濃度不應(yīng)使消化液pH<6.8;氨氮濃度不宜高于1500mg/L,其它化學(xué)物質(zhì)的抑制濃度見(jiàn)下表。一般來(lái)說(shuō),多數(shù)毒物對(duì)甲烷細(xì)菌的毒性比對(duì)其它細(xì)菌的毒性要大。
物 質(zhì) | 抑制濃度 | 物 質(zhì) | 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(yáng)離子型) |
Cr3+ | 25 | 去垢劑 | 500(陽(yáng)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(yīng)器中污泥流失,可采用裝入填料介質(zhì)使細(xì)菌附著掛膜,調(diào)節(jié)水流速度或污泥回流量。
?、?、負(fù)荷率–表示消化裝置處理能力的一個(gè)參數(shù),負(fù)荷率有三種表示方法:
①容積負(fù)荷率–反應(yīng)器單位有效容積在單位時(shí)間內(nèi)接納的有機(jī)物量kg/m3·d。
②污泥負(fù)荷率–反應(yīng)器內(nèi)單位重的污泥在單位時(shí)間內(nèi)接納的有機(jī)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(shù)為平均停留時(shí)間或消化時(shí)間,單位為d(天),投配率池可用百分率表示。
負(fù)荷率的影響:
?、佼?dāng)有機(jī)物負(fù)荷率很高時(shí),營(yíng)養(yǎng)充分,代謝產(chǎn)物有機(jī)酸產(chǎn)量很大,超過(guò)甲烷菌的吸收利用能力,有機(jī)酸積累pH下降,是低效不穩(wěn)定狀態(tài)。
?、谪?fù)荷率適中,產(chǎn)酸細(xì)菌代謝產(chǎn)物中的有機(jī)物(有機(jī)酸)基本上能被甲烷菌及時(shí)利用,并轉(zhuǎn)化為沼氣,殘存有機(jī)酸量?jī)H為幾百毫克/升。pH=7~7.5,呈弱堿性,是高效穩(wěn)定發(fā)酵狀態(tài)。
③當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率小,供給養(yǎng)料不足,產(chǎn)酸量偏少,pH>7.5是堿性發(fā)酵狀態(tài),是低效發(fā)酵狀態(tài)。
?、?、溫度控制–發(fā)酵要求較高的溫度,每去除8000mg/L的COD所產(chǎn)沼氣,能使水溫升高10℃,一般工藝設(shè)計(jì)中溫消化30~35℃。
?、簟H的控制–當(dāng)液料pH<6.5或高于8.0,則要調(diào)整液料pH。
pH<6.8~7,應(yīng)減少有機(jī)負(fù)荷率,
pH<6.5,應(yīng)停止加料,必要時(shí)加入石灰中和