厭氧反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用 

1.  厭氧消化反應(yīng)的機(jī)理

厭氧消化法是在無氧的條件下，借兼性菌及專性厭氧細(xì)菌降解有機(jī)污染物，分解的產(chǎn)物是以甲烷為主的消化氣(沼氣、生物氣)。

    有機(jī)物厭氧分解的全過程細(xì)分又可分為三個(gè)階段，*階段為水解發(fā)酵階段(即酸性消化)，此階段利用的是兼性水解發(fā)酵細(xì)菌(即產(chǎn)酸菌)，將復(fù)雜有機(jī)物---碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類等發(fā)酵成為有機(jī)酸、醇類、CO2、H2、NH3和H2S等；第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段，此階段利用的是專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌，將*階段細(xì)菌的代謝產(chǎn)物---丙酸及其它脂肪酸、醇類和某些芳香酸轉(zhuǎn)化為乙酸、CO2和H2；第三階段為產(chǎn)甲烷階段，此階段利用產(chǎn)甲烷菌將*、第二階段產(chǎn)生的乙酸、CO2和H2為主要基質(zhì)(還有甲酸、甲醇及甲胺)終轉(zhuǎn)化為甲烷和CO2，產(chǎn)甲烷菌包括兩種特異性很強(qiáng)的細(xì)菌：一種主要利用H2把CO2還原為CH4；另一種產(chǎn)甲烷菌主要以乙酸為基質(zhì)(也可利用甲醇和甲胺），把它分解為CH4和CO2。在這一階段中，據(jù)研究還有一種同型產(chǎn)乙酸菌可把CO2和H2合成為乙酸。

        有機(jī)物在厭氧條件下消化降解的過程可簡單分為兩個(gè)階段，即酸性消化(酸性發(fā)酵)階段和堿性消化(堿性發(fā)酵或甲烷消化)階段。

        酸性消化階段：參與的微生物為酸性腐化菌或產(chǎn)酸細(xì)菌。在這一階段中，含碳有機(jī)物被水解成單糖，蛋白質(zhì)被水解成肽和氨基酸，脂肪被水解成甘油脂肪酸。水解的終產(chǎn)物是包括丁酸、丙酸、乙酸和甲酸在內(nèi)的有機(jī)酸以及醇、氨、CO2、硫化物、氫以及能量，為下一階段的甲烷消化作準(zhǔn)備。酸性腐化細(xì)菌對pH值、有機(jī)酸及溫度的適應(yīng)性很強(qiáng)，世代短，數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)即可繁殖一代，多屬于異養(yǎng)型兼性細(xì)菌群。

        在酸性消化階段，由于有機(jī)酸的形成與積累，pH值可下降至6，甚至可達(dá)5以下。此后，由于有機(jī)酸和溶解性含氮化合物的分解，產(chǎn)生碳酸鹽、氨、氮及少量的二氧化碳等，從而使酸性減退，pH值可回升到6.6-6.8左右。

        經(jīng)酸性消化后的污泥外觀呈黃色或灰黃色，比較粘稠不易脫水，仍易于腐化發(fā)臭。

        堿性消化階段：參與的微生物是甲烷細(xì)菌。甲烷細(xì)菌對營養(yǎng)的要求不高，一般的營養(yǎng)鹽類、二氧化碳、醇和氨都可作為碳、氮源，屬于專性厭氧細(xì)菌群。

        堿性消化階段就是消化氣的形成過程。酸性消化階段的代謝產(chǎn)物，在甲烷細(xì)菌的作用下，進(jìn)一步分解成消化氣，其主要成分是甲烷、二氧化碳。

       已發(fā)現(xiàn)的甲烷細(xì)菌屬有甲烷球菌屬(Metharnococcus)，八疊甲烷球菌屬(Me-thanosarcirla)，甲烷桿菌屬(Methanobacterium)和甲烷桿菌屬(Methano-bacillus)等。

     甲烷細(xì)菌屬的特點(diǎn)是：

    (1)對pH值的適應(yīng)性較弱，適宜的范圍是6.6-7.8，pH值為6.8-7.2；

     (2)對溫度的適應(yīng)性也較弱，根據(jù)對溫度的適應(yīng)范圍甲烷細(xì)菌可分為中溫 (30-35℃)及高溫(50-60℃)兩類。當(dāng)甲烷細(xì)菌在一定的溫度內(nèi)被馴化后，溫度增減2℃就可能破壞甲烷消化作用，特別是高溫甲烷細(xì)菌，溫度增減1℃，就有可能使消化過程遭到破壞。因此甲烷消化要求保持溫度恒定；

      (3)甲烷細(xì)菌的世代都較長，一般約4-6天繁殖一代；

      (4)甲烷細(xì)菌的專一性很強(qiáng)，每種甲烷細(xì)菌只能代謝特定的底物，如甲酸甲烷桿菌(Methanobacterium formicium)僅能利用H2，CO2和甲酸CHOOH，低氧甲烷桿菌(Methanobacterium suboxydans)只能把戊酸分解成乙酸與丙酸。因此，在厭氧消化條件下，有機(jī)物分解往往是不*的；

     (5)所有的甲烷細(xì)菌都能氧化分子狀態(tài)的氫，并利用CO2作為電子接受體: 

                                      4H2+CO2-→CH4+2H2O

      由于甲烷細(xì)菌具有上述特點(diǎn)，而且又是專性厭氧細(xì)菌，因此甲烷消化階段控制著厭氧消化的整個(gè)過程。

                                 1kgCOD產(chǎn)生0.35Nm3CH4 (相當(dāng)于0.25kgCH4)

2. 厭氧生物控制指標(biāo)：

 厭氧處理裝臵在實(shí)際運(yùn)行中，主要控制進(jìn)水水質(zhì)、負(fù)荷、溫度、PH值、揮發(fā)酸、氮磷營養(yǎng)、沼氣組分、有毒物質(zhì)等。

      1.溫度的控制：分常溫(10-34℃)、中溫(35-40℃)、高溫(50-55℃)三種類型，厭氧消化常采用中溫消化。

      2.PH值、堿度、揮發(fā)酸的影響：消化液中的PH值一般應(yīng)維持在6.5-7.8之間，范圍在6.8-7.2左右；堿度(ALK)值在2000-4000mg/L之間，正常值為1000-5000mg/L；酸度(VFA)值在50-500mg/L之間，正常50-2500mg/L。

       在反應(yīng)器正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水PH值一般在6.0以上。處理因含有機(jī)酸而使PH值偏低的廢水時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)PH值可略低，如4-5左右；若處理含無機(jī)酸而使PH值低的廢水，應(yīng)將PH值調(diào)到6以上。具體控制要根據(jù)反應(yīng)器的緩沖能力決定。 

       消化液的緩沖作用：由于酸性腐化細(xì)菌與甲烷細(xì)菌對溫度、PH值的適應(yīng)性不同，世代長短相差懸殊。當(dāng)酸性消化速度超過堿性消化速度時(shí)，有機(jī)酸就會積累，使PH值降低，不利于堿性消化，甚至破壞堿性消化。但由于消化池中存在的消化液(污泥水)具有緩沖作用，以維持消化正常進(jìn)行。

       可見，當(dāng)有機(jī)酸增加時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行。若所增加的有機(jī)酸數(shù)量較重碳酸鹽與碳酸的數(shù)量少，則[HCO3-]/[H2CO3]變化不大。從而可保持甲烷菌的消化條件。因此消化池的堿度要保持在合理的范圍內(nèi)(厭氧反應(yīng)器的堿度一般在2000-4000mg/L；正常為1000-5000mg/L)，使緩沖能力充分，有效地防止PH值下降。同時(shí)，為了使堿性消化能順利地進(jìn)行，消化系統(tǒng)中的有機(jī)酸含量應(yīng)維持在合理范圍內(nèi)(一般在50-500mg/L；正常50-2500mg/L)。

3. 厭氧設(shè)備的啟動

      厭氧反應(yīng)器在試車之前，應(yīng)檢查施工、安裝質(zhì)量，確保池體不漏水、不漏氣，一切附屬設(shè)施完好。在投料前，應(yīng)向池內(nèi)灌滿清水，并增壓至29.4kPa，如24h之內(nèi)壓力下降小于10%，即可認(rèn)為池體密封性符合要求。否則應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施，再按上述方法檢驗(yàn)，直至合格為止。

       與反應(yīng)器配套的所有管道、閥門均應(yīng)根據(jù)其各自的運(yùn)行壓力，分別按照工業(yè)管路檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用清水進(jìn)行承壓檢驗(yàn)。

       對于污泥、水、蒸汽、沼氣的壓力表，流量計(jì)、液面、電氣、溫度、PH值等計(jì)量儀表，加熱器、攪拌器、電機(jī)、水泵等設(shè)備，均應(yīng)按各自的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行單機(jī)調(diào)試和聯(lián)動試運(yùn)行，以保證其安全、可靠、靈活和準(zhǔn)確。這是非常重要的基礎(chǔ)工作，否則待運(yùn)行后若再發(fā)現(xiàn)上述先天性的缺陷，維修的工作量很大，且難以進(jìn)行。厭氧設(shè)備在進(jìn)入正常運(yùn)行之前應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)后，以氮?dú)獯祾撸缓筮M(jìn)行厭氧污泥的培養(yǎng)和馴化。

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