厭氧污水處理

在厭氧處理過程中，廢水中的有機物經大量微生物的共同作用，被最終轉化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨等。在此過程中，不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成了複雜的生態系統。對高分子有機物的厭氧過程的敘述，有助於了解這一過程的基本內容。

高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段：水解階段、發酵(或酸化)階段、產乙酸階段和產甲烷階段。

水解可定義為複雜的非溶解性的聚合物被轉化為簡單的溶解性單體或二聚體的過程。

高分子有機物因相對分子量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。它們在第一階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如：纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，澱粉被澱粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被蛋白質酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產物能夠溶解於水並透過細胞膜為細菌所利用。水解過程通常較緩慢，因此被認為是含高分子有機物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、有機物的組成、水解產物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。水解速度的可由以下動力學方程加以描述：ρ=ρo/(1+Kh.T)

ρ——可降解的非溶解性底物濃度（g/L）

ρo———非溶解性底物的初始濃度（g/L）

Kh——水解常數（d^-1）

T——停留時間（d）

發酵可定義為有機物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過程，在此過程中溶解性有機物被轉化為以揮發性脂肪酸為主的末端產物，因此這一過程也稱為酸化。

在這一階段，上述小分子的化合物發酵細菌（即酸化菌）的細胞內轉化為更為簡單的化合物並分泌到細胞外。發酵細菌絕大多數是嚴格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在於厭氧環境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護像甲烷菌這樣的嚴格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產物有揮發性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等，產物的組成取決於厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。與此同時，酸化菌也利用部分物質合成新的細胞物質，因此，未酸化廢水厭氧處理時產生更多的剩餘污泥。

在厭氧降解過程中，酸化細菌對酸的耐受力必須加以考慮。酸化過程pH下降到4時能可以進行。但是產甲烷過程pH值的範圍在6.5～7.5之間，因此pH值的下降將會減少甲烷的生成和氫的消耗，並進一步引起酸化末端產物組成的改變。

在產氫產乙酸菌的作用下，上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質。

其某些反應式如下：

CH3CHOHCOO-+2H2O—>CH3COO-+HCO3-+H++2H2ΔG’0=-4.2KJ/MOL

CH3CH2OH+H2O－>CH3COO-+H++2H2OΔG’0=9.6KJ/MOL

CH3CH2CH2COO-+2H2O－>2CH3COO-+H++2H2ΔG’0=48.1KJ/MOL

CH3CH2COO-+3H2O－>CH3COO-+HCO3-+H++3H2ΔG’0=76.1KJ/MOL

4CH3OH+2CO2－>3CH3COO-+2H2OΔG’0=-2.9KJ/MOL

2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO-+4H2OΔG’0=-70.3KJ/MOL

這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。

甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳和氫氣等轉化為甲烷的過程有兩種生理上不同的產甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產生甲烷，前者約佔總量的1/3，後者約佔2/3。

最主要的產甲烷過程反應有：

CH3COO-+H2O－>CH4+HCO3-ΔG’0=-31.0KJ/MOL

HCO3-+H++4H2－>CH4+3H2OΔG’0=-135.6KJ/MOL

4CH3OH－>3CH4+CO2+2H2OΔG’0=-312KJ/MOL

4HCOO-+2H+－>CH4+CO2+2HCO3-ΔG’0=-32.9KJ/MOL

在甲烷的形成過程中，主要的中間產物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。

需要指出的是：一些書把厭氧消化過程分為三個階段，把第一、第二階段合成為一個階段，稱為水解酸化階段。在這裡我們則認為分為四個階段能更清楚反應厭氧消化過程。

厭氧污水處理工藝的基建投資一般情況下比氧化溝和SBR工藝高，但隨著規模的增大，氧化溝和SBR的基建費也成倍增加，而常規活性污泥法的投資則以較小的比例增加，兩者的差距越來越小。當污水廠達到一定規模后，常規活性污泥法的投資比氧化溝與SBR還省，所以，污水廠規模越大，常規活性污泥法的優勢就越大。常規活性污泥法、A/O和A2/O法的主要缺點是處理單元多，操作管理複雜，特別是污泥厭氧消化要求高水平的管理，消化過程產生的沼氣是可燃易爆氣體，更要求安全操作，這些都增加了管理的難度。但由於大型污水廠背靠大城市，技術力量強，管理水平較高，能滿足這種要求，因而常規活性污泥法的缺點不會成為限制使用的因素。

與污水的好氧生物處理工藝相比，污水的厭氧生物處理工藝具有以下主要優點：

①大量降低能耗，而且還可以回收生物能(沼氣);

厭氧生物處理工藝中沒有為微生物提供氧氣的鼓風曝氣裝置，可以降低大量的能耗。在大量去除有機物的同時，厭氧處理工藝還會伴有大量沼氣產生。而沼氣中的甲烷是一種可以燃燒的氣體，具有很高的利用價值，可以直接用於鍋爐燃燒或發電;

②污泥產量很低;

由於污水中大部分有機污染物在厭氧生物處理過程中被轉化為沼氣——甲烷和二氧化碳，而用於細胞合成的有機物相對較少；同時，微生物增殖速率好氧工藝要比厭氧高很多，產酸菌的產率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產甲烷菌的產率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

③厭氧可以對好氧微生物不能降解的一些有機物進行降解或部分降解；因此，對於污水中含有難降解有機物質時，利用厭氧工藝進行處理后的效果更好一些，或者也可以將厭氧工藝作作為提高污水可生化性預處理工藝，為後續好氧處理工藝處理效果提供基礎。