厌氧生物处理工艺条件及其控制

参加厌氧消化作用的混合菌种主要分为发酵（产酸）细菌和产甲烷菌，由于它们各自要求的生活条件不同，因此在发酵条件上常有顾此失彼的情况。 实践证明，往往因某一工艺条件的失控，就有可能造成整个厌氧生物处理系统运行的失败。 如温度波动范围太大，就会影响产气；发酵原料浓度过高，将会产生大量的挥发酸，使反应系统的pH 值下降，抑制产甲烷菌生长而影响产气。 因此，控制好沼气发酵的工艺条件，是维持正常发酵产气的关键。

1)温度

温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。 各类微生物适宜的温度范围不同。 一般认为，产甲烷菌的生存温度是5 ～60 ℃，在35 ℃和53 ℃左右可分别获得较高的消化效率，温度为40 ～45 ℃时，厌氧消化效率较低。 各种温度有时会因其他工艺条件的不同而有较大差异，如反应器内较高的污泥浓度，即有较高的微生物酶浓度，则温度的影响就不易显露出来。 在一定温度范围内，温度升高，有机物去除率增大，产气量增多。

同时，温度对反应速度的影响也很明显。 根据资料介绍，在其他工艺条件相同的情况下，温度每上升10 ℃，反应速度增加2 ～4 倍。 温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时间内温度升降5 ℃，沼气产量明显下降，波动幅度过大甚至会停止产气。 在高温厌氧消化时，温度的波动不仅影响沼气产量，还影响沼气中的甲烷含量。

2)酸碱度（pH 值)

每种微生物可在一定的pH 值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及产甲烷菌敏感，其适宜的pH 值范围较广，为4.5 ～8.0。 产甲烷菌要求环境介质pH 值在中性附近，最适pH 值为6.6 ～7.4。 在常规厌氧反应器（亦称一相厌氧反应器）中，为了维持平衡，避免过多的酸积累，常将pH 值保持为6.5 ～7.5。

在厌氧过程中，pH 值的升降变化除受外界影响外，还取决于有机物代谢过程中某些产物的增减。 产酸作用会使pH 值下降，含氮有机物分解产物氨的增加，会引起pH 值升高。 pH 值在6 ～8 内，控制消化液pH 值的主要化学系统是二氧化碳-重碳酸酸盐缓冲系统。

3)氧化还原电位

环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。 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。 厌氧反应器介质中的氧浓度可根据浓度与电位的关系判断，即由氧化还原电位表达。 氧化还原电位与氧浓度的关系可用Nernst 方程确定。

根据前人的研究结果，产甲烷初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330 mV，按Nernst 方程计算，相当于约2 500 L 水中有1 mol 氧。 由此可见，产甲烷菌对介质中分子态氧极为敏感。

在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为-0.1 ～+0.1 V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位需控制在-0.3 ～+0.35 V（中温厌氧）与-0.56 ～+0.6 V（高温厌氧），常温消化与中温相近。 产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2 V。

氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位的重要因素。 挥发性有机酸的增减、pH 值的升降以及铵离子浓度的高低等因素，均影响系统的还原强度。 如pH 值低，氧化还原电位高；pH 值高，氧化还原电位低。

4)容积有效负荷

容积有机负荷，是指厌氧消化反应器单位有效容积每天接受的有机物量，单位为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。 在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率下降，而消化气的容积产气量增加。

5)厌氧活性污泥

厌氧活性污泥主要是由厌氧微生物及其代谢和吸附的有机物、无机物组成。 厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切关系。 污泥的性状良好是厌氧消化高效率的基础。 厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉淀性能。 作用效能主要取决于微生物的比例及其对底物的适应性，以及微生物中生长效率低的产甲烷菌的数量是否达到与非产甲烷菌数量相适应的水平。 活性污泥的沉淀性能是指污泥混合液在静止状态下的沉降速度，它与污泥的凝聚性有关。 在厌氧处理时，废水中的有机物主要是靠活性污泥中的微生物分解去除。 在一定范围内，活性污泥浓度越高，厌氧效率也越高。 但当活性污泥浓度达到一定程度后，效率的提高不明显。

6)搅拌与混合

搅拌与混合也是提高消化效率的工艺条件之一。 没有搅拌的厌氧消化池，池内料液常有分层现象。 通过搅拌可消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。 在连续投料的消化池中，搅拌还能使进料迅速与池中原有料液相混匀。 采用搅拌措施能显著提高消化的效率，故在传统厌氧消化工艺中，也将有搅拌的消化器称为高效消化器。但对于混合搅拌程度与强度，尚有不同的观点。 如对于混合搅拌与产气量的关系，有资料说明，适当搅拌优于频频搅拌；也有资料说明，频频搅拌为好。 一般认为，产甲烷菌的生长需要相对较宁静的环境。 搅拌的作用还与污水的性状有关。 当含不溶性物质较多时，因易于生成浮渣，搅拌的功效更加显著；对含可溶性废物或易消化悬浮固体的污水，搅拌的功效相对小一些。(www.xing528.com)

7)废水的营养比

厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。 工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少出现。 不同的微生物在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷比例不完全一致。 一般认为，厌氧处理中碳、氮、磷的比例以（200 ～300）∶5∶1为宜。 在碳、氮、磷比例中，碳氮比对厌氧消化的影响更为重要。

在厌氧处理时提供氮源，除满足合成菌体所需外，还有利于提高反应器的缓冲能力。 若氮源不足，即碳氮比太高，则不仅厌氧菌增殖缓慢，而且消化液的缓冲能力降低，pH 值容易下降。相反，若氮源过剩，则碳氮比太低，氮不能被充分利用，将导致系统中氨过分积累，pH 值上升至8.0 以上，从而抑制产甲烷菌的生长繁殖，使消化效率降低。

8)有毒物质的抑制

系统中的有毒物质会不同程度地对厌氧过程产生抑制作用，这些物质是进水中所含成分，或是厌氧菌代谢的副产物，通常包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。 对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。 重金属被认为是使反应器失效的最普遍最主要的因素，它通过与微生物酶中的巯基、氨基、羧基等相结合，使生物酶失活，或者通过金属氢氧化物凝聚作用使生物酶沉淀。 金属离子对厌氧的影响按铬＞铜＞锌＞镉＞镍的顺序减小。

氨是厌氧生物处理过程中的营养物和缓冲剂，但高浓度时也产生抑制作用，主要是氨氮浓度增高和pH 值上升引起。

厌氧过程的中间产物——硫化物过量存在，对厌氧过程会产生强烈的抑制作用。 其一，由硫酸盐等还原为硫化物的反硫过程与产甲烷过程争夺有机物氧化脱出的氢；其二，当介质中可溶性硫化物积累后，会对细菌细胞的功能产生直接抑制，使产甲烷菌群减少。 据资料介绍，当硫浓度在100 mg/L 时，对产甲烷过程有抑制；超过200 mg/L，抑制作用十分明显。 硫化氢是产甲烷菌的必需营养物。 产甲烷菌的最佳生长需要量是11.5 mg/L（以H2S 计），厌氧处理仅可在有限的硫化氢浓度范围内运行。 据有关资料介绍，硫化物的浓度达60 mg/L（以H2S 计）时，产甲烷菌的活性将下降50%。 目的高负荷反应器中硫化物浓度在150 ～200 mg/L（以H2S计）时，可获得满意的负荷率和处理效果。

厌氧过程是一个脆弱的生物反应过程，其中的几大类群微生物之间存在脆弱的平衡，如果运行控制得不好，这种平衡很可能会遭到破坏，而使系统进入恶性循环，最终导致反应系统彻底失败。 因此，在厌氧反应器的运行过程中，适当的监测和控制手段十分必要，它可以防止运行过程中出现的小问题最终演变成大的灾难性问题。

在厌氧反应器的运行过程中，水力停留时间、有机容积负荷率、有机污泥负荷率是主要的3 种工艺控制参数。

（1）水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）

水力停留时间对于厌氧工艺的影响是通过上升流速来表现的。 一方面，高的液体流速可以增加污水系统内进水区的扰动，因此增加了污泥与进水有机物之间的接触，有利于提高去除率。 如在UASB 反应器中，一般控制反应区内的平均上升流速vup不低于0.5 m/h，这是保证颗粒污泥形成的主要条件之一；另一方面，上升流速也不能过高，因为vup超过一定值后，反应器中的污泥就可能会被冲刷出反应器，使得反应器内不能保持足够多的生物量，而影响反应器的运行稳定性和高效性，这样就会使得反应器的高度受到限制。 特别需要注意的是，当采用厌氧工艺处理低浓度有机废水（如生活污水）时，水力停留时间可能是比有机负荷更为重要的工艺控制条件。

（2）有机容积负荷率（organic volumetric loading rate，OVLR）

进水有机负荷率反映基质与微生物之间的供需关系。 有机负荷率是影响污泥增长、污泥活性和有机物降解的主要因素，提高有机负荷率可以加快活泥增长和有机物降解，同时也可以缩小所需要的反应器容积。 但是对于厌氧消化过程来讲，进水有机负荷率对于有机物去除和工艺的影响十分明显。 当进水有机负荷率过高时，可能发生产甲烷反应与产酸反应不平衡的问题。 对某种实际的有机工业废水，采用厌氧工艺进行处理时，反应器可以采用的进水有机容积负荷率一般应通过试验来确定。 但总体来说，进水有机容积负荷率与反应温度、废水的性质和浓度等有关。 进水有机负荷率不但是厌氧反应器的一个重要的设计参数，同时也是一个重要的控制参数。

（3）有机污泥负荷率（organic sludge loading rate，OSLR）

当进水有机容积负荷率和反应器的污泥量已知时，进水有机污泥负荷率可以根据这两个参数计算。 采用进水有机污泥负荷率，比容积负荷率更能从本质上反映微生物代谢与有机物的关系。 特别是厌氧反应过程，由于存在产甲烷反应和产酸反应的平衡问题，因此在运行过程中将反应器控制在适当的有机负荷下，才可以保证上述两种反应过程始终处于良性平衡的状态。 因此，也就可以消除由于偶然超负荷引起的酸化问题。

在处理常规的有机工业废水时，厌氧工艺采用的进水有机污泥负荷率一般为0.5 ～1.0 kg（BOD5/[kg（MLVSS）·d]），而通常好氧工艺的污泥负荷运行0.1 ～0.5 kgBOD5/[kg（MLVSS）·d]。 另外，厌氧反应器中的污泥浓度比好氧反应器中的通常可以高5 ～10 倍，这样就导致厌氧工艺的容积负荷通常比好氧工艺高10 倍以上，一般厌氧工艺的进水容积负荷率可以达5 ～10 kgBOD5/（m3·d），而好氧工艺的进水容积负荷一般仅为0.5 ～10 kgBOD5/（m3·d）。