厌氧消化,污水净化处理厌氧生物处理的三个阶段是怎样的?

理论研究认为三个阶段，即厌氧消化过程分为水解发酵阶段、产乙酸产氢阶段、产甲烷阶段三部分。
水解发酵阶段和产乙酸产氢阶段又可合称为酸性发酵阶段。在这个阶段，污水中的复杂有机物，在酸性腐化菌或产酸菌的作用下，分解成简单的有机物，如有机酸，醇类等，以及CO2、NH3和H2S等无机物。由于有机酸的积累，污水的pH值下降到6以下。此后，由于有机酸和含氮化合物的分解，产生碳酸盐和氨等使酸性减退，pH值回升到6.6～6.8左右。
⑴ 水解酸化阶段。污水中复杂的大分子、不溶性的有机物在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，水解产生挥发性有机酸、醇类及醛类等。
⑵ 产氢产乙酸阶段。在产氢产酸菌的作用下，各种有机酸分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。
⑶ 产甲烷阶段。产甲烷菌将乙酸、氢及二氧化碳转化为甲烷。

两级：是串联消化器，每个消化器中，反应原理相同，厌氧反应过程是完整的。不同的是反应条件差异，前一个需要搅拌、加热，负荷大。后面串联依靠余热继续反应，负荷小。后级可作为前级的补充反应空间，节约能耗。（简单讲，每一级反应器都是完整的厌氧反应）
两相：由于酸化和甲烷化两个阶段的反应环境要求不同，将酸相和产甲烷相的细菌分别在两个反应器中，两相反应器分别执行厌氧反应过程的前部分和后两部分。提高控制阶段的产甲烷菌活性和整个系统的稳定性及处理效果。（简单讲，每一相反应器都是部分的厌氧反应）

污泥滞留型厌氧消化器特征为通过采用各种固液分离方式使污泥滞留于消化器内，从而提高了消化器的效率，缩小了所需消化器的体积。该类消化器包括厌氧接触工艺、升流式厌氧污泥床、升流式固体反应器和折流式反应器。 （1）厌氧接触工艺 该工艺是在完全混合消化器之外加了一个沉淀池来收集污泥，并使其再回流入消化器内，其工艺流程如图8-9所示。从完全混合消化器排出的混合液，首先在沉淀池中进行固液分离，上清液由沉淀池上部排出，沉淀下的污泥再回流至消化器内，这样既减少了出水中的固体物含量，又提高了消化器内的污泥浓度，从而在一定程度上提高了设备的有机负荷率和处理效率。由于厌氧接触工艺具有这些优点，故在生产上被普遍采用。 图8-9 厌氧接触工艺示意图 实践表明，该工艺允许污水中含有较高的悬浮固体，耐冲击负荷，具有较大缓冲能力，操作过程比较简单，工艺运行比较稳定。该工艺的优点与完全混合消化器相同，并可在较高的负荷下运行。其缺点是需要额外的设备来使固体和微生物沉淀与回流。 （2）升流式厌氧污泥床 升流式厌氧污泥床（UASB）是由Lettinga等于1974—1978年研制成功的一项新工艺，是目前世界上发展最快的消化器，由于该消化器结构简单，运行费用低，处理效率高而得到广泛应用。该消化器适用于处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成，其结构如图8-10所示。 图8-10 UASB消化器结构示意图 在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它们转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动，污泥浓度较稀薄，污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室的沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。 （3）升流式固体反应器 升流式固体反应器（USR）是一种结构简单，适用于高悬浮固体原料的消化器（图8-11）。USR反应器采用上流式污泥床原理，原料从底部进入消化器内，消化器内不需要污泥回流，不使用机械搅拌，产气率因温度不同为0.4～1.2。未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物，靠被动沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部排出，这样就可以得到比水力停留时间高得多的固体滞留时间以及微生物滞留期，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。 图8-11 USR消化器示意图 采用USR发酵工艺处理畜禽粪便原料，产生的沼渣沼液中COD浓度含量很高，不适宜好氧处理达标排放，一般用于农田施肥进行生态化处理，是典型的能源生态型沼气工程工艺。 （4）折流式反应器 折流式反应器如图8-12所示。在这种消化器里，由于挡板的阻隔使污水上下折流穿过污泥层，这样每一个单元都相当于一个反应器。折流式反应器在我国近年来的使用效果一直欠佳。究其原因，一是折流式反应器将一个消化器分成若干小室，进料负荷全部集中于第一个小室中，这就造成第一个小室严重超负荷运行，引起发酵液酸化，使产甲烷菌的活动受到抑制，导致发酵失败。二是在折流式反应器内，料液呈塞流式流动，酸化了的第一室料液会逐渐把后面各室中的污泥推出并使之酸化。有人为了克服酸化现象采用回流污泥方式将产甲烷菌送入第一室内。因第一室在不断进料，所以，回流量小时，起不到防止酸化的作用，回流量大时，则出现完全混合，这时才能防止酸化，那样就不如采用完全混合式更为方便。 图8-12 折流式反应器示意图 以上几种污泥滞留型消化器中，活性污泥以悬浮状态存在，人们采用各种方法使污泥滞留于消化器内，从而取得了较长的固体滞留时间以及微生物滞留期，因而效率明显比常规型消化器要高，但是在受到冲击负荷或有毒物质时，常会因挥发酸上升而引起污泥流失。因而要定时对发酵情况进行监测，以保持消化器的正常运行。

附着膜型厌氧消化器的突出特点是将微生物固定于安放在消化器内的惰性介质上，在允许原料中的液体和固体穿流而过的情况下，固定微生物于消化器内。应用或研究较多的附着膜型反应器有厌氧滤器（AF）、流化床（FBR）和膨胀床（EBR）。 （1）厌氧滤器（AF） 厌氧滤器（图8-13）内部装有惰性介质（又称填料），过去多采用石块、焦炭、煤渣或蜂窝状塑料制品，现在多采用合成纤维填料。沼气发酵细菌，尤其是产甲烷菌具有在固体表面附着的习性，它们呈膜状附着于惰性介质上，并在介质之间的空隙里互相黏附成颗粒状或絮状存留下来，当污水自下而上或自上而下流动通过生物膜时，有机物被细菌利用而生成沼气。 图8-13 厌氧滤器示意图 （2）流化床和膨胀床 流化床和膨胀床都属于附着生长型生物膜反应器，在反应器的内部填有像沙粒一样大小（0.2～0.5毫米）的惰性（如细沙）或活性（如活性炭）颗粒供微生物附着，如焦炭粉、硅藻土、粉煤灰或合成材料等，当有机污水自下而上穿流过细小的颗粒层时，污水及所产气体的气流使介质颗粒呈膨胀或流动状态。每一个介质颗粒表面都被生物膜所覆盖，其表面积可达300米2/米3，能支持更多的微生物附着，造成比水力停留时间更长的微生物滞留期，因而使消化器具有更高的效率。 这两种反应器可以用在相当短的水力停留时间的情况下，允许进料中的液体和少量固体物穿流而过。适用于容易消化的低固体物含量的有机污水的处理。这两种系统的优点是可以为微生物附着提供更大表面积，一些颗粒状固体物可以穿过支持介质；缺点是为了使介质颗粒膨胀或流态化需要0.5～10倍的料液再循环，这就提高了运行过程的能耗。因此，该两种工艺研究较多，而实际应用较少。

第Ⅰ阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等小分子有机物在产甲烷菌的作用下，通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷。所以在水解酸化阶段COD、BOD值变化不很大，仅在产气阶段由于构成COD或BOD的有机物多以CO2和H2的形式逸出，才使废水中COD、BOD明显下降。在酸化阶段，发酵细菌将有机物水解转化为能被甲烷菌直接利用的第1类小分子有机物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第2类为不能被甲烷菌直接利用的有机物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厌氧消化或发酵到此结束。如果继续全厌氧过程，则产氢、产乙酸菌将第2类有机物进一步转化为氢气和乙酸。 厌氧要求有机物浓度较高，一般大于1000mg/L以上。所以厌氧适于处理高浓度有机废水和污泥处理。和好氧生物处理一样，厌氧处理也要求供给全面的营养，但好氧细菌增殖快，有机物有50～60%用于细菌增殖，故对N、P要求高；而厌氧增殖慢，BOD仅有5～10%用于合成菌体，对N、P要求低。COD∶N∶P=200∶5∶1或C∶N=12～16（好氧COD∶N∶P=100∶5∶1）厌氧过程对环境条件要求比较严格：Ⅰ、氧化还原电位（φE）与温度氧的溶入和氧化态、氧化剂的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+会使体系中电位升高，对厌氧消化不利。高温消化——500～600mv，50～55℃中温消化——300～380mv，30～38℃产酸菌对氧还—还电位要求不甚严格+100～－100mv产甲烷菌对氧还—还电位要求严格7.5是碱性发酵状态，是低效发酵状态。Ⅲ、温度控制——发酵要求较高的温度，每去除8000mg/L的COD所产沼气，能使水温升高10℃，一般工艺设计中温消化30～35℃。Ⅳ、pH的控制——当液料pH<6.5或高于8.0，则要调整液料pH。pH<6.8～7，应减少有机负荷率，pH<6.5，应停止加料，必要时加入石灰中和。

厌氧消化技术主要有以下特点：
（1）具有过程可控制、降解快、生产过程全封闭的特点；
（2）能源化效果好，可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气；
（3）易操作，与好氧处理相比厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节）能型处理方法；
（4）产物可再利用，适于处理高浓度有机废水和废物，经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以作农肥、饲料或堆肥化原料；
（5）厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；
（6）厌氧过程中会产生H2S等恶臭气体。