厌氧消化技术在处理污染方面的研究现状

厌氧消化技术已成功应用在很多领域，利用厌氧微生物将复杂的大分子有机物转化成甲烧等产生了能源，例如在在城市水处理和城市垃圾处理方面起到了很大的作用。

1.厌氧消化的基本原理

厌氧消化是指在厌氧(无氧)条件下，利用厌氧微生物将复杂的大分子有机物转化成甲烧、二氧化碳、水、硫化氧和氨等简单化合物的过程。在厌氧消化过程中,多种不同微生物的代谢过程相互影响、干扰,形成了非常复杂的生化过程。

20世纪70年代以来，大量学者和研究人员对厌氧消化过程中的微生物及其代谢过程进行了深入研究，并取得了很大的进步。复杂有机物的厌氧消化过程可以分为以下四个典型阶段。

(1)水解阶段

水解是在水解酶的作用下将化合物裂解成两个或多个简单化合物的生物化学过程。由于纤维素、淀粉、蛋白质等复杂大分子有机物不能直接透过细胞膜，也不可以直接被细菌消化使用，所以需要在细菌水解酶的作用下水解转变成可以透过细胞膜的小分子溶解性物资,然后被细菌消化。

(2)酸化(发酵)阶段

在酸化(发酵)阶段，水解阶段产生的小分子溶解性化合物通过细胞膜进入酸化菌的细胞内部，转化成更简单的如挥发性脂肪酸(VFA)、醇类、乳糖等末端产物并分泌到细胞外。同时，酸化菌也利用部分物质合成了新的细胞物质。

(3)产酸阶段

酸化(发酵)阶段的末端产物在厌氧微生物(产氧产乙酸菌)的作用下，转化为乙酸、CCb、H2以及新的细胞物质。

(4)产甲焼阶段

在产甲烧阶段，产甲院菌将乙酸、氧气、碳酸、甲酸和甲醇等物质转化为甲焼、二氧化碳和细胞物质。这一阶段,产甲焼菌既可以分解乙酸产生甲烧，也可以由氧气还原二氧化碳产生甲焼。

2.厌氧消化过程的影响因素

(1)温度

温度的变化对酶的活性有很大影响，而微生物的生长速率以及代谢速率都受微生物细胞内酶的控制，所以温度对厌氧消化过程中微生物的生长速率和代谢速率有很大影口向，进而温度也影响着消化过程中沼气的产量、有机物的去除率和反应器所能达到的有机负荷率。同时,温度也影响着生化反应中有机物的流向、中间产物的形成以及各种物质的溶解度，这样就会影响到沼气的产量和成分等。最后，在厌氧消化反应装置和设备的运行中，要维持一定的反应温度与能耗和运行成本有关。

不同的厌氧微生物，有不同的适宜温度。厌氧微生物可分为嗜冷微生物、嗜温微生物和嗜热微生物，以这三类微生物为优势种群的厌氧处理工艺分别被称为低温厌氧消化、中温厌氧消化和高温厌氧消化。

厌氧反应器的温度控制主要有两种方式，一种是直接在厌氧反应器内进行温度控制，另一种是对厌氧反应器本身进行保温处理。

(2)酸碱度(pH值)

pH值对微生物的生长有很大影响，所以厌氧消化需要一个相对稳定的pH值范围。一般来说，产甲焼细菌的最适pH范围为6.5~7.5，如果生长环境pH值过高(8.0)或过低(<6.0)，就会抑制产甲焼菌的生长代谢和繁殖，进而对整个厌氧消化过程产生严重的不利影响。

在厌氧体系中，其他非产甲烧细菌如发酵细菌等对pH值的变化不太敏感，在pH值发生变化时，受到的影响相对较小，能继续将系统中的有机物转化为有机酸等物质，导致反应器内酸碱平衡失调，最终导致反应器运行失败。因此,在厌氧生物处理过程中，应特别注意反应器内pH值变化，一般应使pH值维持在6.5~7.5(最佳6.8~7.2)之间。为了维持这样的pH值，在厌氧消化过程中，有时就需要投加酸(或碱)来调节控制反应器内的pH值。

(3)厌氧消化过程中的营养物质

厌氧消化过程是由大量微生物完成的，因此必须保证微生物有良好的生长状态，否则微生物最终会从反应器中流失，所以反应基质中必须含有足够的微生物用以合成自生长需要的细胞物质化合物。

参与厌氧消化过程的微生物有多种(如水解细菌、产酸细菌、产氧产乙酸细菌、产甲烧细菌等)，但由于产甲院细菌处在整个厌氧消化系统食物链的最后，并且它的世代周期长，对环境条件的要求高，对环境条件变化很敏感，产甲烧细菌的生长状态和活性情况会影响到整个厌氧消化过程运行。所以产甲焼菌是系统中最关键的一种细菌，在讨论厌氧消化过程中的营养物质时，主要关心的就是产甲焼细菌的营养要求。

产甲烧菌与普通细菌一样，对生物细胞中的基本元素C、H、0、N有需求。除了C、H、0、N以外，产甲焼菌的主要营养物质有N、P、K和S，生长所必须的少量元素有Ca、Mg、Fe，微量金属元素有Ni、Co、Mo、Zn、Mn、Cu等。

(4)厌氧消化过程中的抑制物质

常见的可能对厌氧消化过程造成毒性或抑制作用的物质有VFAs、pH、游离氨和硫化氧等;还有一些盐类或外源性物质也能对消化过程产生毒性或抑制作用。

VFAs是厌氧生物降解有机物的中间产物，这类物质容易进入细胞内部,如果大量积累则毒性很大，其中两酸和丁酸的抑制作用最大，VFA的毒性作用和毒性阈值都受pH值和碱度的影响。

NH3为系统提供微生物不可缺少的N元素营养物质，在到达一定浓度时游离氨过多会抑制产甲烧菌的活性。氨抑制作用和阈值受pH、溶解度和温度的影响。

硫化氛的毒性行为与氨类似，很大程度上受环境条件的影响，如pH值和碱度。有关文献中给出的阈值范围是200~1500mg/L，除去环境影响因素，阈值的大小还受微生物种类的影响，不同的微生物种类对硫化氧的敏感度不同。铁离子能与硫化氧反应生成FeS沉淀，可消除硫化氧毒性。

3.联合厌氧消化技术

联合厌氧消化是指对两种或两种以上不同来源有机废弃物的混合物进行厌氧消化处理，将不同类型的废弃物放到同一个处理设备中进行消化处理。

将城市有机固体废弃物与其他几种类型的废弃物一起进行联合厌氧消化处理，既可以优化厌氧消化过程;节约了处理成本;增加了可用厌氧消化过程处理的有机废弃物类型;提高有机废弃物的产甲院潜力;使沼气发电厂更经济可行。

有机物废弃物厌氧消化不仅是废弃物稳定化的一种方法，还能在消化过程中获得新的能源，同时消化液能作为有机肥料投入农业生产，将有机废弃物转变成一种宝贵的资源。

4.国内外联合厌氧消化技术研究现状

近年来，联合厌氧消化技术得到了国内外相关研究人员的广泛关注，各种不同类型的垃圾混合后厌氧消化产氧、产甲焼过程成为研究热点。

联合消化的关键在于混合基质的几个平衡参数，厌氧消化处理工艺性能稳定的先决条件是足够的营养元素、适当的碳氮比、稳定的pH值。

碳氮较低会引起氨的积累产生毒性作用，碳氮比过高，则氮元素缺乏。向系统中加入其它类型的废弃物可以来稀释氨浓度或者调解系统碳氮比，以此来缓解氨的毒性作用。小麦稻杆与牛粪联合厌氧消化产气量显著高于稻轩、牛粪单独发酵处理，牛粦与稻秆的配比是1:1时产气量比結秆、牛粪单独消208.7%和11.5%稻草或鸡粪单独厌氧消化相比，混合厌氧消化能够显著提高原料产气率。

营养元素缺乏的废弃物可以与营养元素丰富的废弃物一起混合消化，改善了系统的营养平衡，能有效提高产甲焼量。水果和蔬菜废弃物(FVW)与屠宰废水(AW)的联合厌氧消化，发现不论是HRT为20天还是10天，联合厌氧消化的气体产量都比单独的厌氧消化高。

挥发性有机酸(VFA)的积累会导致pH值的下降，可以加入缓冲能力强的废弃物使pH保持稳定。类似的可以通过对不同类型废弃物的混合，化解某一化合物在消化过程中可能引起的毒性。污泥和餐厨垃圾混合消化可降低潜在抑制性物质的浓度，显著提高系统稳定性。添加混合基质提局系统缓冲能力，提局系统适应的OLR，进而提高产气量向生物垃圾厌氧消化应装置中添加城市有机垃圾和均质化厨余垃圾的压滤液或脱纤维食物垃圾，不仅提高沼气产率也提高了总产气量。

对于含有高浓度难降解有机质(如木质纤维素等)的有机垃圾，与富含易生物降解有机质的垃圾一起联合厌氧消化，可以有效地提高沼气的产量。将易生物降解性垃圾与其他垃圾混合，有效地改善了混合垃圾中有机部分的生物降解性能。

有机工业垃圾中通常就含有大量易生物降解的物质(如糖类、脂质和蛋白质)，具有较高产沼气潜力。掠油厂废水与瘤胃液rumenfluid(RF)联合厌化COD去除率达到96.48%，产生的沼气中甲焼含量占61.8%且整个反应过程pH值稳定[27]。高浓度的活性生物质物质能更好的消除消化过程中某些化合物的抑制作用，加入易生物降解的底物不仅可以实现较好地经济的可行性，还能稳定化厌氧消化过程128]。此外，餐厨垃圾与稻稻联合厌氧消化与单一稻稻发酵相比，容积产气效率提高，且沼气中甲烧含量提高近20%。

最后，通过添加含固率低的垃圾(如粦肥)来稀释高含固率的垃圾(如城市有机固体垃圾)，可以解决处理过程中的粟水和机械处理问题。玉米稻秆猪粪混合发酵可以加快玉米稻秆产气速率并可大幅度提高玉米稻秆产气量。