一、概述
厭氧生物處理技術(shù)在水處理行業(yè)中一直都受到環(huán)保工作者們的青睞，由于其具有良好的去除效果，更高的反應(yīng)速率和對毒性物質(zhì)更好的適應(yīng)，更重要的是由于其相對好氧生物處理廢水來說不需要為氧的傳遞提供大量的能耗，使得厭氧生物處理在水處理行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。
但由于總體反應(yīng)式基于莫諾方程的厭氧處理受到低濃度廢水Ks的限制，所以厭氧在處理低濃度廢水方面沒有太大的空間，可最近的一些報(bào)道和試驗(yàn)表明，厭氧如果提供合適的外部條件，在處理低濃度廢水方面仍然有非常高的處理效果。
我們可以根據(jù)厭氧反應(yīng)的原理加以動力學(xué)方程推導(dǎo)出厭氧生物處理低濃度廢水尤其在處理生活污水方面的合適條件。
二、厭氧反應(yīng)四個(gè)階段
一般來說，廢水中復(fù)雜有機(jī)物物料比較多，通過厭氧分解分四個(gè)階段加以降解：
�。�1）水解階段：高分子有機(jī)物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細(xì)胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中典型的有機(jī)物質(zhì)比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過細(xì)胞壁進(jìn)入到細(xì)胞的體內(nèi)進(jìn)行下一步的分解。
�。�2）酸化階段：上述的小分子有機(jī)物進(jìn)入到細(xì)胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡單的化合物并被分配到細(xì)胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），同時(shí)還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生。
（3）產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一步的產(chǎn)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細(xì)胞物質(zhì)。
（4）產(chǎn)甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。這一階段也是整個(gè)厭氧過程最為重要的階段和整個(gè)厭氧反應(yīng)過程的限速階段。
再上述四個(gè)階段中，有人認(rèn)為第二個(gè)階段和第三個(gè)階段可以分為一個(gè)階段，在這兩個(gè)階段的反應(yīng)是在同一類細(xì)菌體類完成的。前三個(gè)階段的反應(yīng)速度很快，如果用莫諾方程來模擬前三個(gè)階段的反應(yīng)速率的話，Ks（半速率常數(shù)）可以在50mg/l以下，μ可以達(dá)到5KgCOD/KgMLSS.d。而第四個(gè)反應(yīng)階段通常很慢，同時(shí)也是最為重要的反應(yīng)過程，在前面幾個(gè)階段中，廢水的中污染物質(zhì)只是形態(tài)上發(fā)生變化，COD幾乎沒有什么去除，只是在第四個(gè)階段中污染物質(zhì)變成甲烷等氣體，使廢水中COD大幅度下降。同時(shí)在第四個(gè)階段產(chǎn)生大量的堿度這與前三個(gè)階段產(chǎn)生的有機(jī)酸相平衡，維持廢水中的PH穩(wěn)定，保證反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。
三 水解反應(yīng)
水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化成簡單的溶解性單體和二聚體的過程。水解反應(yīng)針對不同的廢水類型差別很大，這要取決于胞外酶能否有效的接觸到底物。因此，大的顆粒比小顆粒底物要難降解很多，比如造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質(zhì)素、大分子纖維素就很難水解。
水解速度的可由以下動力學(xué)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(shù)（d－1）；
T——停留時(shí)間（d）。
一般來說，影響Kh的因素很多，很難確定一個(gè)特定的方程來求解Kh，但我們可以根據(jù)一些特定條件的Kh，反推導(dǎo)出水解反應(yīng)器的容積和最佳反應(yīng)條件。在實(shí)際工程實(shí)施中，有條件的話，最好針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作。通過對國內(nèi)外一些報(bào)道的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個(gè)時(shí)候，可以不考慮厭氧處理方式。對于生活污水來說，在溫度15的情況下，Kh＝0.2左右。但在水解階段我們不需要過多的COD去除效果，而且在一個(gè)反應(yīng)器中你很難嚴(yán)格的把厭氧反應(yīng)的幾個(gè)階段區(qū)分開來，一旦停留時(shí)間過長，對工程的經(jīng)濟(jì)性就不太實(shí)用。如果就單獨(dú)的水解反應(yīng)針對生活污水來說，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。
把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動力學(xué)方程中，可以得到停留水解停留時(shí)間：
T=13.44h
這對于水解和后續(xù)階段處于一個(gè)反應(yīng)器中厭氧處理單元來說是一個(gè)很短的時(shí)間，在實(shí)際工程中也完全可以實(shí)現(xiàn)。如果有條件的地方我們可以適當(dāng)提高廢水的反應(yīng)溫度，這樣反應(yīng)時(shí)間還會大大縮短。而且一般對于城市污水來說，長的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當(dāng)廢水流到廢水處理場時(shí)，這個(gè)過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒有看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反應(yīng)的限速報(bào)道。
四 發(fā)酵酸化反應(yīng)
發(fā)酵可以被定義為有機(jī)化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程，在此過程中有機(jī)物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物。
酸化過程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌來完成的，在這些細(xì)菌中大部分是專性厭氧菌，只有1％是兼性厭氧菌，但正是這1％的兼性菌在反應(yīng)器受到氧氣的沖擊時(shí)，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時(shí)也保護(hù)了產(chǎn)甲烷菌的運(yùn)行條件。
酸化過程的底物取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)器來說，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應(yīng)的最主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。
在這個(gè)階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反應(yīng)是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA過高會使廢水的PH下降，逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進(jìn)行，使產(chǎn)氣量減小，同時(shí)整個(gè)反應(yīng)的自然堿度也會較少，系統(tǒng)平衡PH的能力減弱，整個(gè)反應(yīng)會形成惡性循環(huán)，使得整個(gè)反應(yīng)器最終失敗。氨氮它起到一個(gè)平衡的作用，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH具有更大的緩沖能力，同時(shí)又給生物體合成自生生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)，但過高的氨氮會給微生物帶來毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來的，典型的生活污水中含有20-50mg/l左右的氨氮，這個(gè)范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。
另外一個(gè)重要指標(biāo)就是廢水中氫氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：
CH3(CH2)15COO-+14H2O—> 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14
脂肪酸的降解都會產(chǎn)生大量的氫氣，如果要使上述反應(yīng)得以正常進(jìn)行，必須在下一反應(yīng)中消耗掉足夠的氫氣，來維持這一反應(yīng)的平衡。如果廢水的氫氣指標(biāo)過高，表明廢水的產(chǎn)甲烷反應(yīng)已經(jīng)受到嚴(yán)重抑制，需要進(jìn)行修復(fù)，一般來說氫氣濃度升高是伴隨PH指標(biāo)降低的，所以不難監(jiān)測到廢水中氫氣的變化情況，但廢水本身有一定的緩沖能力，所以完全通過PH下降來判斷氫氣濃度的變化有一定的滯后性，所以通過監(jiān)測廢水中氫氣濃度的變化是對整個(gè)反應(yīng)器反應(yīng)狀態(tài)一個(gè)最快捷的表現(xiàn)形式。
五 產(chǎn)乙酸反應(yīng)
發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進(jìn)一步降解成乙酸，其常用反應(yīng)式如以下幾種：
CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL
CH3CH2OH+H2O－> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL
CH3CH2CH2COO-+2H2O－> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL
CH3CH2COO-+3H2O－> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL
4CH3OH+2CO2－> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL
2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL
從上面的反應(yīng)方程式可以看出，乙醇、丁酸和丙酸不會被降解，但由于后續(xù)反應(yīng)中氫的消耗，使得反應(yīng)能夠向右進(jìn)行，在一階段，氫的平衡顯得更加重要，同時(shí)后續(xù)的產(chǎn)甲烷過程為這一階段的轉(zhuǎn)化提供能量。實(shí)際上這一階段和前面的發(fā)酵階段都是由同一類細(xì)菌完成，都在細(xì)菌體內(nèi)進(jìn)行，并且產(chǎn)物排放到水體中，界限并沒有十分清楚，在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，沒有足夠的理由把他們分開。
六 產(chǎn)甲烷反應(yīng)
在厭氧反應(yīng)中，大約有70％左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個(gè)階段中遵循莫諾方程反應(yīng)的階段。
另一類產(chǎn)生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大約占30％左右。其中約有一般的嗜氫細(xì)菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。最主要的產(chǎn)甲烷過程反應(yīng)有：
CH3COO-+H2O－>CH4+HCO3- ΔG’0=-31.0KJ/MOL
HCO3-+H++4H2－>CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL
4CH3OH－>3CH4+CO2+2H2O ΔG’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(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。
在甲基輔酶M還原成甲烷的過程中，需要作用非常重要的甲基還原酶，其中含有重要的金屬離子Ni+。這對生活污水來說是比較缺乏微量金屬離子，所以在生活污水的厭氧生物處理過程中補(bǔ)充一定的微量金屬離子是非常必要的。 同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
七 低濃度廢水反應(yīng)速率的選擇
以生活污水為例，一般來說影響廢水厭氧反應(yīng)速率的因素有很多，包括反應(yīng)溫度、廢水的毒性、原水基質(zhì)濃度、原水的PH值、傳質(zhì)效率、營養(yǎng)物質(zhì)的平衡、微量元素的催化作用等等。對于生活污水來說，影響比較大的因素有反應(yīng)溫度、原水的基質(zhì)濃度、傳質(zhì)效率以及微量元素的催化。因?yàn)樯钗鬯臓I養(yǎng)比和PH值被公認(rèn)為非常適合生物的生長的。在前面的敘述中，已經(jīng)提及了厭氧反應(yīng)的前三個(gè)階段對于生活污水來說，很快就可以完成，尤其水解階段，不存在傳質(zhì)的限制，同時(shí)通常長距離的管網(wǎng)也給水解提供了足夠的時(shí)間。因此我們提出的厭氧處理低濃度廢水設(shè)計(jì)思想中，主要考慮產(chǎn)甲烷過程作為限速步驟。
由于產(chǎn)甲烷階段遵循莫諾方程，整個(gè)速率的確定以莫諾方程為基礎(chǔ)。在上式中，很難把總體反應(yīng)的Ks值估算出來，因?yàn)樗艿降挠绊懸蛩睾芏啵瑢τ诓煌愋偷膹U水差別很大。對于生活污水來說可以根據(jù)不同的單個(gè)因素影響列成很多分式莫諾方程，最后各式相乘再加上修正系數(shù)，這個(gè)方程可以得出比較接近的Ks值，作為厭氧處理生活污水時(shí)的參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
具體思想如下：
1、假定條件：a、厭氧處理該污水過程中主要受溫度、傳質(zhì)速率、基質(zhì)濃度以及微量元素的影響；b、微量元素可以通過外界條件的干預(yù)給予補(bǔ)充；c、反應(yīng)器為一體化反應(yīng)器；d、產(chǎn)甲烷單元反應(yīng)也近似遵循莫諾方程。
2、模型總體方程
Kst－溫度響應(yīng)半反應(yīng)速率常數(shù) mg/l
Ksv－傳質(zhì)速率半反應(yīng)速率常數(shù) mg/l
K－修正系數(shù)
在上式中，Kst針對不同的廢水是可以確定的，Ksv對不同的反應(yīng)器差別比較大，我們可以通過外界干預(yù)給以降低到一固定值偏差不大的范圍內(nèi)，比如通過強(qiáng)制攪拌或是提高反應(yīng)器的高徑比，出水回流都是比較好的解決辦法。
通過眾多的工程實(shí)例以及文獻(xiàn)報(bào)道，初步確定Kst在15攝氏度時(shí)針對生活污水值為3200mg/l左右。Ksv在有攪拌足夠的情況下15攝氏度時(shí)針對生活污水值為532mg/l。K值在重慶地區(qū)可以取0.85，μmax按照碳水化合物可取5KgCOD/KgMLSS.d，這樣針對進(jìn)水濃度為300mg/l的生活污水最大反應(yīng)速率為：
μ1＝5KgCOD/KgMLSS.d×（300/（3200＋300））×（300/（532+300））×0.85
�。�0.132 KgCOD/KgMLSS.d
在一體式反應(yīng)器中由于出水濃度很低，導(dǎo)致總體反應(yīng)速率降低，但對于幾種高效厭氧反應(yīng)器（包括UASB、EGSB、IC內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器、流化床、上流式厭氧生物濾池）可以假設(shè)其為推流式厭氧反應(yīng)器，濃度隨反應(yīng)器高度的增加均勻的減少，即反應(yīng)器中的濃度分布與高度成反比。這樣我們可以通過設(shè)定的出水濃度計(jì)算一個(gè)反應(yīng)器最低反應(yīng)速率，最后取平均值就得到整個(gè)反應(yīng)器的平均反應(yīng)速率。
同樣根據(jù)前面的莫諾模型，得出出水COD＝80mg/l的厭氧反應(yīng)速率：
μ2＝5KgCOD/KgMLSS.d×（80/（3200＋80））×（80/（532+80））×0.85
＝0.014 KgCOD/KgMLSS.d
所以反應(yīng)器的平均反應(yīng)速率為
μ＝（μ1+μ2）/2＝0.073 KgCOD/KgMLSS.d
如果我們能夠在反應(yīng)器內(nèi)保持穩(wěn)定的污泥濃度為20KgMLSS/m3，則整個(gè)反應(yīng)器的容積反應(yīng)速率為FV＝0.073 KgCOD/KgMLSS.d×20KgMLSS/m3
＝1.46 KgCOD/m3.d
在實(shí)際反應(yīng)器的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮污泥、氣體、液體分離的容積，反應(yīng)部分容積只占整個(gè)反應(yīng)器容積的40％，這樣實(shí)際整個(gè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)平均負(fù)荷變?yōu)椋?/P>
FV‘＝1.46 KgCOD/m3.d×0.4＝0.99 KgCOD/m3.d
核算停留時(shí)間為：HRT＝7.5h
八 中試與工程應(yīng)用應(yīng)注意的問題
通過上述實(shí)驗(yàn)室里理論的研究和推斷，采用新型高效厭氧反應(yīng)器處理城市污水完全是可行的。在中試和工程設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該從上述分析角度出發(fā)，完善厭氧系統(tǒng)，以下措施是必要的：
1、在反應(yīng)器的形式上優(yōu)先考慮推流式的活塞反應(yīng)器；
2、為了減少低濃度時(shí)，基質(zhì)傳質(zhì)速率（包括液相中的有機(jī)物向菌膠團(tuán)或顆粒污泥傳質(zhì)以及細(xì)胞壁外向細(xì)胞壁內(nèi)傳質(zhì)）對整個(gè)反應(yīng)速率的影響，在反應(yīng)器底部投加一定數(shù)量的活性炭作為載體是非常有必要的，但考慮到沼氣和布水的影響，投加數(shù)量不宜過多，初步考慮為40g/L顆粒狀活性炭；
3、建議在反應(yīng)器的上部設(shè)置氣、水、固三相分離系統(tǒng)；
4、設(shè)置一套完善的出水回流系統(tǒng)，并可以調(diào)節(jié)回流量，用儀表顯示并控制；
5、出水設(shè)置MLSS濃度計(jì)加以監(jiān)測，隨時(shí)了解反應(yīng)器的污泥情況；
6、在反應(yīng)器的底部、中部、頂部設(shè)置堿度監(jiān)測系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)的生物反應(yīng)條件；
7、設(shè)置一套啟動用的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素添加系統(tǒng)是十分有必要的；
8、設(shè)置溫度傳感器，了解原水水溫的變化對反應(yīng)器的沖擊影響；
9、進(jìn)水設(shè)置流量傳感器和有機(jī)物在線監(jiān)測儀器，并通過程序加以顯示到中央控制室中，隨時(shí)計(jì)算進(jìn)水污泥負(fù)荷以及上升流速；
10、必要的預(yù)處理措施，比如除渣處理措施；
11、在北方的廢水處理系統(tǒng)，反應(yīng)器建議修建在室內(nèi)或采取嚴(yán)密的保溫措施；
12、其他必要的輔助系統(tǒng)，如消除泥水界面泥渣層的噴淋系統(tǒng)。
同樣，一套設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)，沒有按照反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行的啟動，是不能稱之為成功的系統(tǒng)的，在這里，根據(jù)一些工程實(shí)踐以及國內(nèi)外一些報(bào)道，筆者對厭氧處理低濃度廢水時(shí)啟動提出一些參考性建議（針對生活污水）：
1、啟動時(shí)，先投加載體，在投加污泥，污泥的數(shù)量按照25KgMLVSS/m3池容計(jì)算，投加時(shí)的污泥必須通過篩網(wǎng)進(jìn)行粗渣的清除（這一點(diǎn)非常重要）；
2、由于原水具有比較好的生化性，進(jìn)水不需要馴化，但第一次進(jìn)水進(jìn)滿池體后，停止進(jìn)水，通過臨時(shí)配備的水下攪拌機(jī)進(jìn)行池底強(qiáng)制攪拌，連續(xù)8個(gè)小時(shí)攪拌以上，停止攪拌靜止8個(gè)小時(shí)，通過排泥管排除池體標(biāo)高2米以上的污泥，再攪拌8個(gè)小時(shí)，這8個(gè)小時(shí)同時(shí)按照比例投加氮肥和磷肥，投加微量金屬元素，保證池內(nèi)液相中的COD；
3、24個(gè)小時(shí)后，開始按設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)水并采取一定的出水回流，回流比根據(jù)反應(yīng)器的高度調(diào)整；（注意，出水帶出來的污泥不要回流）
4、24個(gè)小時(shí)后，減少回流比，保證出水不帶泥，如果出水繼續(xù)帶你就停止回流，并進(jìn)行污泥回流，同時(shí)投加營養(yǎng)物質(zhì)；
5、連續(xù)這樣運(yùn)行一個(gè)星期，隨時(shí)監(jiān)測各項(xiàng)出水指標(biāo)，以便正確反應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)生物的反應(yīng)狀態(tài)
6、作一些鏡檢。
九 結(jié)論
通過對厭氧微生物處理污水的機(jī)理研究得出，厭氧在常溫狀態(tài)下處理城市污水是有可能的，我們在實(shí)際中由于種種非生物本身反應(yīng)的原因而錯(cuò)過了利用厭氧處理城市污水的機(jī)會，并且在國外已經(jīng)有了成功的厭氧處理城市污水的情況，出水COD<40mg/l。完全能滿足有機(jī)物排放標(biāo)準(zhǔn)，如果加上簡短脫硝曝氣工藝（在去除了BOD后，只需要1.5H的時(shí)間就可以進(jìn)行NH3-N到NO-N的轉(zhuǎn)化），就是一個(gè)非常適合中國國情的低濃度廢水處理工藝，但在設(shè)計(jì)中，應(yīng)詳細(xì)認(rèn)真的作出設(shè)計(jì)前的調(diào)查和設(shè)計(jì)后的啟動工作。來源：谷騰水網(wǎng)
