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污水處理工藝中的水解酸化與厭氧消化的區(qū)別

來源:科柏盛環(huán)保     發(fā)布時(shí)間:2022-06-02

一、厭氧的四階段理論

1、水解階段

       水解過程是指復(fù)雜的固體有機(jī)物在水解酶的作用下被轉(zhuǎn)化為簡單的溶解性單體或二聚體。微生物無法直接代謝碳水化合物(如淀粉、木質(zhì)纖維素等)、蛋白和脂肪等生物大分子,必須先降解為可溶性聚合物或者單體化合物才能被酸化菌群利用。淀粉在淀粉酶作用下被水解成麥芽糖、葡萄糖和糊精。纖維素是由糖苦鍵結(jié)合成纖維二糖再聚合而成的,在多種纖維素酶的協(xié)同作用下水解成糖。由于自然狀態(tài)下的纖維素一般都與木質(zhì)素結(jié)合成高度聚合狀態(tài),以抵抗微生物的分解,所以纖維素降解是沼氣發(fā)酵限速步驟之一。蛋白質(zhì)是植物合成的一種重要產(chǎn)物,它在蛋白酶作用下肽鍵斷裂生成二肽和多肽,再生成各種氨基酸。脂肪*先在脂肪水解酶的作用下水解為長鏈脂肪酸及甘油,甘油在甘油激酶催化下生成磷酸甘油,繼而被氧化為磷酸二羥丙酮,再經(jīng)異構(gòu)化生成磷酸甘油酸,經(jīng)糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸,*終進(jìn)入糖酵解途徑實(shí)現(xiàn)徹底氧化及利用。

2、酸化階段

       產(chǎn)酸發(fā)酵過程是指將溶解性單體或二聚體形式的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以短鏈脂肪酸或醇為主的末端產(chǎn)物。這些水解成的單體會進(jìn)一步被微生物降解成揮發(fā)性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化產(chǎn)物和氫、二氧化碳,并分泌到細(xì)胞外。產(chǎn)酸菌是一類快速生長的細(xì)菌,它們傾向于生產(chǎn)乙酸,這樣能獲取*高的能量以維持自身生長。末端產(chǎn)物組成取決于灰氧降解條件、底物種類和參與生化反應(yīng)的微生物種類同時(shí)氨基酸的降解*先通過氧化還原氮反應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫氨基作用,生成有機(jī)酸、氫氣及二氧化碳。

3、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段

       該階段主要是將水解產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的兩個(gè)碳以上的有機(jī)酸或醇類等物質(zhì),轉(zhuǎn)化為乙酸等可為甲烷菌直接利用的小分子物質(zhì)的過程。標(biāo)準(zhǔn)情況下,有機(jī)酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程不能自發(fā)進(jìn)行,氫氣會抑制此步反應(yīng)的進(jìn)行,降低系統(tǒng)的氫分壓有利于產(chǎn)物產(chǎn)生。如果氫分壓超過大氣壓,有機(jī)酸濃度增大,甲烷產(chǎn)量受到抑制。避免氫氣在此階段的積累尤其重要。在厭氧過程中,氫分壓的降低必須依靠氫營養(yǎng)菌來完成。

4、甲烷化階段

       產(chǎn)甲烷階段是由嚴(yán)格專性厭氧的產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、一碳化合物和H2、CO2等轉(zhuǎn)化為CH4和CO2的過程。大約的甲烷來自于乙酸的分解,是由乙酸歧化菌通過代謝乙酸鹽的甲基基團(tuán)生成,剩下的28%由CO2和H2合成。產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝速率一般較慢,對于溶解性有機(jī)物厭氧消化過程,產(chǎn)甲烷階段是整個(gè)厭氧消化工藝的限速。

二、水解(酸化)池與厭氧消化的區(qū)別

       從原理上講,水解(酸化)是厭氧消化過程的*、二兩個(gè)階段但水解(酸化)工藝和厭氧消化追求的目標(biāo)不同,因此是截然不同的處理方法。

       水解(酸化)系統(tǒng)中的的目的主要是將原水中的非溶解態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物,特別是工業(yè)廢水處理,主要是將其中難生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到馕镔|(zhì),提高廢水的可生化性,以利于后續(xù)的好氧生物處理。考慮到后續(xù)好氧處理的能耗問題,水解(酸化)主要用于低濃度難降解廢水的預(yù)處理。在混合厭氧消化系統(tǒng)中,水解酸化是和整個(gè)消化過程有機(jī)地結(jié)合在一起,共處于一個(gè)反應(yīng)器中,水解、酸化的目的是為混合厭氧消化過程中的甲烷化階段提供基質(zhì)。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸段(產(chǎn)酸相)是將混合厭氧消化中的產(chǎn)酸段和產(chǎn)甲烷段分開,以便形成各自的*佳環(huán)境,同時(shí),產(chǎn)酸相對所產(chǎn)生的酸的形態(tài)也有要求(主要為乙酸)。此外,廢水中如含有高濃度的硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽時(shí),這些物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物不僅對甲烷苗有毒,而且影響沼氣的質(zhì)量,也在產(chǎn)酸相中予以去除。因此,盡管水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段、兩相法厭氧發(fā)酵工藝中的產(chǎn)酸相和混合厭氧消化工藝中的產(chǎn)酸過程均產(chǎn)生有機(jī)酸,但由于三者的處理目的不同,各自的運(yùn)行環(huán)境和條件存在著明顯的差異,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)Eh不同

       在混合厭氧消化系統(tǒng)中,由于完成水解、酸化的微生物和產(chǎn)甲烷微生物共處于同一反應(yīng)器中,整個(gè)反應(yīng)器的氧化還原電位Eh的控制必須*先滿足對Eh要求嚴(yán)格的甲烷菌,一般為一300mv以下,因此。系統(tǒng)中的水解(酸化)微生物也是在這一電位值下工作的。而兩相厭氧消化系統(tǒng)中,產(chǎn)酸相的氧化還原電位一般控制在一100mv一一300mv之間。據(jù)研究,水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段為——典型的兼性過程,只要置Eh控制在+50mv以下,該過程即可順利進(jìn)行。

(2)pH值不同

       在混合厭氧消化系統(tǒng)中,消化液的pH值控制在甲烷菌生氏的*佳pH范圍,一般為6.8—7.2。而在兩相厭氧消化系統(tǒng)中,產(chǎn)酸相的pH值一般控制在6.0一6.5之間,pH降低時(shí),盡管產(chǎn)酸的速率增大,但形成的有機(jī)酸形態(tài)將發(fā)生變化,丙酸的相對含量增大,而丙酸對后續(xù)的甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌會產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。對于水解(酸化)一好氧處理系統(tǒng)來說,由于后續(xù)處理為好氧氧化,不存在丙酸的抑制問題,因此,控制的pH范圍也較寬,從而可獲得較高的水解(酸化)速率,一般pH維持在5.5—6.5之間。

(3)溫度不同

       三種工藝對溫度的控制也不同,通;旌蠀捬跸到y(tǒng)以及兩相厭氧消化系統(tǒng)的溫度均嚴(yán)格控制,要么中溫消化(30一35℃),要么高溫消化(50一55℃)。而水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段對工作溫度無特殊要求,通常在常溫下運(yùn)行,也可獲得較為滿意的水解(酸化)效果。

三、影響水解(酸化)過程的主要因素

1)基質(zhì)的種類和形態(tài)

       基質(zhì)的種類和形態(tài)對水解(酸化)過程的速率有著重要影響。就多糖、蛋白質(zhì)和脂肪三類物質(zhì)來說,在相同的操作條件下,水解速率依次減小。同類有機(jī)物,分子量越大,水解越困難,相應(yīng)池水解速率就越小。比如,就糖類物質(zhì)來說,二聚糖比三聚糖容易水解;低聚糖比高聚糖容易水解。就分子結(jié)構(gòu)來說,直鏈比支鏈易于水解;支鏈比環(huán)狀易于水解;單環(huán)化合物比雜環(huán)或多環(huán)化合物易于水解。

2)水解液的pH值

       水解液的pH值主要影響水解的速率、水解(酸化)的產(chǎn)物以及污泥的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。大量研究結(jié)果表明,水解(酸化)微生物對pH值變化的適應(yīng)性較強(qiáng),水解過程可在pH值寬達(dá)3.5—10.0的范圍內(nèi)順利進(jìn)行,但*佳的pH值為5.5—6.5。pH朝酸性方向或堿性方向移動時(shí),水解速率都將減小。水解液pH值同時(shí)還影響水解產(chǎn)物的種類和含量。

3)水力停留時(shí)間

       水力停留時(shí)間是水解反應(yīng)器運(yùn)行控制的重要參數(shù)之一。它對反應(yīng)器的影響,隨著反應(yīng)器的功能不同而不同。對于單純以水解為目的的反應(yīng)器,水力停留時(shí)間越長,被水解物質(zhì)與水解微生物接觸時(shí)間也就越長,相應(yīng)的水解效率也就越高。一般為3-4小時(shí)。

4)溫度

       水解反應(yīng)是一典型的生物反應(yīng),因此,溫度變化對水解反應(yīng)的影響符合一般的生物反應(yīng)規(guī)律,即在一定的范圍內(nèi),溫度越高,水解反應(yīng)的速率越大。但研究表明,當(dāng)溫度在10一20℃之間變化時(shí),水解反應(yīng)速率變化不大,由此說明,水解微生物對低溫變化的適應(yīng)較強(qiáng)。

5)粒徑

       粒徑是影響顆粒狀有機(jī)物水解(酸化)速率的重要因素之—粒徑越大,單位重量有機(jī)物的比表面積越。馑俾室簿驮叫。由于顆粒態(tài)有機(jī)物的粒徑對水解速率影響較大,因此,一些研究者建議,對含顆粒態(tài)有機(jī)物濃度較高的廢水或污泥,在進(jìn)入水解反應(yīng)器前可利用泵或研磨機(jī)破碎,以減小污染物的粒徑,從而加快水解反應(yīng)的進(jìn)行。

四、影響厭氧消化的主要因素

1)溫度

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

2)碳氮比

       碳氮比的關(guān)系是指有機(jī)原料中總碳和總氮的比例。厭氧消化過程中碳氮比是有*適范圍的,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(fā)酵過程產(chǎn)生影響。不合適的碳氮比會造成大量的氨態(tài)氮的釋放或是揮發(fā)性脂肪酸的過度累積,而氨態(tài)氮和揮發(fā)性脂肪酸都是厭氧消化中重要的中間產(chǎn)物,不合適的濃度都會抑制甲烷發(fā)酵過程。

3)酸堿度

       pH值是反映水相體系中酸濃度的重要指標(biāo)之一。厭氧發(fā)酵菌尤其是產(chǎn)甲烷菌對反應(yīng)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(jīng)研究厭氧消化中不同階段的*佳pH值。甲烷菌的*佳pH值是7.20左右。

4)有機(jī)負(fù)荷量

       有機(jī)負(fù)荷是指消化反應(yīng)器單位容積單位時(shí)間內(nèi)所承受的揮發(fā)性有機(jī)物量,它是消化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù)。有機(jī)負(fù)荷的高低與處理物料的性質(zhì)、消化溫度、所采用的工藝等有關(guān)。研究表明,對于處理蔬菜、水果、廚余等易降解的有機(jī)垃圾,有機(jī)負(fù)荷一般為1~6.8kg VS/(m3·d)。
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