厌氧生物处理的基本理

传统上，污泥在脱水作{zh1}处置前进行厌氧处理，称污泥消化（详见第十二章），“消化”也常作为厌氧处理的简称。早期的厌氧处理研究都针对污泥消化。

    污泥的厌氧处理面对的是固态有机物，所以称为消化。对批量污泥静置考察，可以见到污泥的消化过程明显分为两个阶段。固态有机物先是液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；整个过程历时半年以上。{dy}阶段最显著的特征是液态污泥的pH值迅速下降，不到10d，降到{zd1}值（即使在室温下，露在空气中的食物几天内就变馊发酸），所以，称酸化阶段更为合适。污泥中的固态有机物主要是xx高分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和CO₂、H₂、NH₃、H₂S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。转化产物中有机酸是主体，在一个月左右，达到{zg}值。低pH值有抑制xx生长的作用，NH3的溶解产物NHaOH有中和作用，经过长时间的酸化阶段，pH值回升后，进入气化阶段。气体类似沼泽散发的气体，可称消化气，主体是甲烷，因此气化阶段常称甲烷化阶段，与酸化阶段相应。二氧化碳也相当多，还有微量硫化氢。参与消化的xx，酸化阶段的统称产酸或酸化xx，几乎包括所有的兼性xx；甲烷化阶段的统称甲烷xx，已经证实的已有80多种。

    1967年，Bryant报告认为消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被xx的胞外酶所水解；第二阶段是酸化；在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。然而甲烷化效率很高的甲烷八叠球菌能够代谢甲醇，乙酸和二氧化碳为甲烷。

    在工程技术上，研究甲烷xx的通性是重要的，这将有助于打破厌氧生物处理过程分阶段的现象，从而{zd0}限度地缩短处理过程的历时。经验和研究表明， pH值和温度是影响甲烷xx生长的两个重要环境因素。pH值应在6.8～7.2之间。在35℃～38℃和52℃～55℃各有一个最适温度。

    污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱度中和有机酸，其pH值有可能维持在6.8之上，酸化和甲烷化两大类xx就有可能共存，从而xx分阶段现象。此外，消化池池液的充分混合对调整pH值也是必要的。

    从液温看，消化可在中温（35℃～38℃）进行（称中温消化），也可在高温 （52℃～55℃）进行（称高温消化）。但后者需要的热量比前者要高很多。

    近年，打破了好氧处理和厌氧处理绝然分立的传统观念，开发了好氧技术和厌氧技术联合运用的方法，大大推进了生物处理技术的研究和应用。

    Bryant在分离培养奥氏杆菌的研究中，发现长期来被称为Methanobacteri- UlTIOmelianskii的奥氏杆菌实际上是由两株生理功能不同的xx组成，一株为 M.S.，另一株为M.OH.。奥氏杆菌并不象人们以前认为的能简单地直接利用产酸阶段的产物乙醇，而必须先在M.S.的作用下使乙醇氧化为乙酸放出H₂，然后M.OH.利用产生的H₂还原CO₂产生甲烷。

    Bryant的研究明确和突出了产乙酸xx和产甲烷xx之间严格的共生关系。如果奥氏杆菌M.OH.受到抑制，则H₂就会积累，反过来会使M.S.亦受到抑制。同样，如M.S.受到抑制，则不会产生乙酸和还原CO₂所需的H₂。 McC_arty的研究表明，复杂有机物的绝大部分（72%的COD）是经过乙酸生成甲烷的。研究这种共生关系对于厌氧工艺的改进有实际意义。因此有人提出，考虑到这种共生关系，反应器中的剪切力要注意控制，不能在系统内进行连续的剧烈搅拌。前xx德国一个果胶厂废水厌氧处理装置的运行实践也证实，当采用低速循环泵代替高速泵进行搅拌时，处理效果就会提高。

    研究还表明，脱硫弧菌（硫酸还原xx）也具有与产乙酸xx相类似的作用，能将乳酸、丙酮酸和乙醇转化为H₂、CO₂和乙酸。但在含硫无机物（SO₄^2-、 SO₃^2-）存在时，它将优先还原硫酸根和亚硫酸根，产生H₂S，形成与甲烷xx对基质的竞争。因此，当厌氧处理系统中硫酸根和亚硫酸根浓度过高时，产甲烷过程就会受到抑制。消化气中CO₂成份提高，并含有较多的H₂S。H₂S对甲烷xx的毒害作用更进一步影响整个系统的正常工作。

    甲烷xx是专性厌氧的。目前已从纯培养中分离出数十种甲烷xx。它们在形态上有明显的差别，但在细胞壁的结构方面有许多相似之处。值得提出的是甲烷八叠球菌，它的效率高，能利用甲醇、乙酸和CO₂作为基质。

    与产酸菌相比，甲烷xx对温度、pH值、有毒物质等更为敏感。甲烷xx对温度的变化很敏感，因此要保持温度的恒定。通常采用的厌氧处理的温度一般选择在中温（35℃一38℃）或高温（52℃～55℃）。甲烷xx要求的pH值严格控制在6.8～7.2。

    基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的增长，但与好氧法相比，对废水中N、P的含量要求低。有资料报导，只要达到COD：N：P二800：5：1即足够。

    厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间长?这是由有机物厌氧分解的反应所决定的。与好氧法相比，厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低（与好氧法相比，在相同时，要相差一个数量级）。要克服这些缺点，最主要的方法应是增加参加反应的微生物数量（浓度）和提高反应时的温度。但要提高反应温度，就要消耗能量（而水的比热又很大）。因此，厌氧生物处理法目前还主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理。