厭氧消化

在無氧條件下，污泥中的有機物由厭氧微生物進行降解和穩定的過程。

厭氧消化的優點是有機質經消化產生了能源，殘餘物可作肥料。厭氧消化開始用於廢物處理，現在厭氧消化已應用於多個領域，如工業廢水處理、城市垃圾的處理及潛在能源的開發、作燃料與動力、並且已建立了大規模的厭氧消化工廠。

污水中不溶性大分子有機物，如多糖、澱粉、纖維素、烴類（烷、烯、炔等）水解，主要產物為甲、乙、丙、丁酸、乳酸；緊接著氨基酸、蛋白質、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的書又把水解產酸分為二個階段）。

第Ⅰ階段產物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等小分子有機物在產甲烷菌的作用下，通過甲烷菌的發酵過程將這些小分子有機物轉化為甲烷。所以在水解酸化階段COD、BOD值變化不很大，僅在產氣階段由於構成COD或BOD的有機物多以CO2和H2的形式逸出，才使廢水中COD、BOD明顯下降。

在酸化階段，發酵細菌將有機物水解轉化為能被甲烷菌直接利用的第1類小分子有機物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第2類為不能被甲烷菌直接利用的有機物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厭氧消化或發酵到此結束。如果繼續全厭氧過程，則產氫、產乙酸菌將第2類有機物進一步轉化為氫氣和乙酸。

產甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基質通過不同途徑轉化為甲烷，其中最主要的基質為乙酸。

厭氧要求有機物濃度較高，一般大於1000mg/L以上。所以厭氧適於處理高濃度有機廢水和污泥處理。和好氧生物處理一樣，厭氧處理也要求供給全面的營養，但好氧細菌增殖快，有機物有50～60%用於細菌增殖，故對N、P要求高；而厭氧增殖慢，BOD僅有5～10%用於合成菌體，對N、P要求低。

COD∶N∶P=200∶5∶1或C∶N=12～16

（好氧COD∶N∶P=100∶5∶1）

厭氧過程對環境條件要求比較嚴格：

Ⅰ、氧化還原電位（φE）與溫度

氧的溶入和氧化態、氧化劑的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+會使體系中電位升高，對厭氧消化不利。

高溫消化——500～600mv，50～55℃

中溫消化——300～380mv，30～38℃

產酸菌對氧還—還電位要求不甚嚴格+100～－100mv

產甲烷菌對氧還—還電位要求嚴格<－350mv

Ⅱ、pH及鹼度

pH主要取決於三個生化階段的平衡狀態，原液本身的pH和發酵系統中產生的CO2分壓（20.3～40.5kpa），正常發酵pH=7.2～7.4，有機負荷太大，水解和酸化過程的生化速率大大超過產氣速率。將導致水解產物有機酸的積累使pH下降，抑制甲烷菌的生理機能，使氣化速率銳減，所以原液pH=6～8，發酵過程有機酸濃度不超過3000mg/L為佳（以乙酸計）。

HCO3-及NH3是形成厭氧處理系統鹼度的主要原因，高的鹼度具有較強的緩衝能力，一般要求鹼度2000mg/L以上，NH3濃度50～200mg/L為佳。

Ⅲ、毒物——凡對厭氧處理過程起抑制和毒害作用的物質都可稱為毒物，無機酸濃度不應使消化液pH<6.8；不應高於1500mg/L，其它陰離子濃度參見P148表9-2。

● ● 生物量——大小以污泥濃度表示，一般介於10～30gvss/L之間，為防止反應器中污泥流失，可採用裝入填料介質使細菌附著掛膜，調節水流速度或污泥迴流量。

● ● 負荷率——表示消化裝置處理能力的一個參數，負荷率有三種表示方法：

①容積負荷率——反應器單位有效容積在單位時間內接納的有機物量kg/m3·d。

②污泥負荷率——反應器內單位重的污泥在單位時間內接納的有機物量kg/kg·d。

③投配率——每天向單位有效容積投加的材料的體積m3/m3·d。

投配率的倒數為平均停留時間或消化時間，單位為d（天），投配率池可用百分率表示。

負荷率的影響：

①當有機物負荷率很高時，營養充分，代謝產物有機酸產量很大，超過甲烷菌的吸收利用能力，有機酸積累pH下降，是低效不穩定狀態。

②負荷率適中，產酸細菌代謝產物中的有機物（有機酸）基本上能被甲烷菌及時利用，並轉化為沼氣，殘存有機酸量僅為幾百毫克/升。pH=7～7.5，呈弱鹼性，是高效穩定發酵狀態。

③當有機負荷率小，供給養料不足，產酸量偏少，pH>7.5是鹼性發酵狀態，是低效發酵狀態。

Ⅲ、溫度控制——發酵要求較高的溫度，每去除8000mg/L的COD所產沼氣，能使水溫升高10℃，一般工藝設計中溫消化30～35℃。

Ⅳ、pH的控制——當液料pH<6.5或高於8.0，則要調整液料pH。

pH<6.8～7，應減少有機負荷率，

pH<6.5，應停止加料，必要時加入石灰中和。

厭氧消化技術是最重要的生物質能利用技術之一，它使固體有機物變為溶解性有機物，再將蘊藏在廢棄物中的能量轉化為沼氣用來燃燒或發電，以實現資源和能源的回收；厭氧消化后殘澄量少，性質穩定；反應設備密閉，可控制惡臭的散發。厭氧消化極大地改善了有機廢棄物處理過程的能量平衡，在經濟上和環境上均有較大優勢。

用有機廢物生產沼氣已有一百多年的歷史，但其發現是在三百多年前。早在1630年海爾曼(Van Helmont)首先發現有機物腐爛過程中可以產生一種可燃氣體，並發現動物腸道也存在這種氣體。其後，C.A.Voltal於1776年認定可降解有機物的數量與可燃氣體的產生量有直接聯繫，1808年，H.Davy在牛糞厭氧消化氣體中也檢測到甲烷氣體的存在。1859年，印度孟買建成世界上第一座消化廠；1896年，在英國一座小城市(Exeter)中建起一座處理生活污水污泥的厭氧消化池，所產沼氣被當作一條街道的照明燃料。據有關調查，世界上已有600～800萬個家庭式或低技術含量的厭氧消化器，厭氧消化產生的沼氣主要用於炊事和照明。

生物質的有機物組成主要為三類：碳水化合物、蛋白質及脂肪。碳水化合物由C、H、O三種元素組成，主要包括澱粉類物質、纖維素類物質、多糖及單糖等，大分子糖降解生成小分子單糖。蛋白質是一種複雜的有機化合物，主要是由C、H、O、N組成，一般還會含有P、S等元素。氨基酸是蛋白質的基本單位，通過脫水縮合肽鏈連接組成。脂肪由、、三種元素組成。脂肪是由甘油和脂肪酸組成的三丑甘油酯，甘油組成比較簡單，脂肪酸的種類和長短卻不相同。在厭氧消化過程中，不同的有機物的降解途徑不同。四階段理論的反應機理見圖它將整個過程分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化。

在厭氧消化過程中，溫度的範圍是很寬泛的，從低溫到高溫都存在。例如北極下水道中發現有極低溫度下存活的甲烷菌。通常我們依據微生物活性把溫度範圍分為三類：一類是嗜寒的，溫度範圍從10℃~20℃；—類是嗜溫的，溫度範圍從20℃~45℃：，通常使用37℃；一類是嗜熱的，溫度範圍從50~65℃，通常是55℃。

碳氮比的關係是指有機原料中總碳和總氮的比例。厭氧消化過程中碳氮比是有最適範圍的，一般是從20:1到30:1，既不能太高也不能太低，否則都會對厭氧發酵過程產生影響。不合適的碳氮比會造成大量的氨態氮的釋放或是揮發性脂肪酸的過度累積，而氨態氮和揮發性脂肪酸都是厭氧消化中重要的中間產物，不合適的濃度都會抑制甲烷發酵過程。

pH值是反映水相體系中酸濃度的重要指標之一。厭氧發酵菌尤其是產甲烷菌對反應體系中的酸濃度是極為敏感的。較低pH值條件下，甲烷菌的生長就會受到抑制。許多研究者已經研究厭氧消化中不同階段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。

有機負荷是指消化反應器單位容積單位時間內所承受的揮發性有機物量，它是消化反應器設計和運行的重要參數。有機負荷的高低與處理物料的性質、消化溫度、所採用的工藝等有關。研究表明，對於處理蔬菜、水果、廚餘等易降解的有機垃圾，有機負荷一般為1～6.8kg VS/(m·d)。