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水解酸化池与厌氧反应器区别,不只是一半那么简单!

来源:    时间:2019-07-18 08:59:57

         一、厌氧的四阶段理论
 
  1、水解阶段
 
  水解过程是指复杂的固体有机物在水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚体。微生物无法直接代谢碳水化合物(如淀粉、木质纤维素等)、蛋白和脂肪等生物大分子,必须先降解为可溶性聚合物或者单体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麦芽糖、葡萄糖和糊精。纤维素是由糖苦键结合成纤维二糖再聚合而成的,在多种纤维素酶的协同作用下水解成糖。由于自然状态下的纤维素一般都与木质素结合成高度聚合状态,以抵抗微生物的分解,所以纤维素降解是沼气发酵限速步骤之一。蛋白质是植物合成的一种重要产物,它在蛋白酶作用下肽键断裂生成二肽和多肽,再生成各种氨基酸。脂肪首先在脂肪水解酶的作用下水解为长链脂肪酸及甘油,甘油在甘油激酶催化下生成怜酸甘油,继而被氧化为怜酸二轻丙酮,再经异构化生成磷酸甘油酸,经糖酵解途径转化为丙酮酸,最终进入糖酵解途径实现彻底氧化及利用。
 
  2、酸化阶段
 
  产酸发酵过程是指将溶解性单体或二聚体形式的有机物转化为以短链脂肪酸或醇为主的末端产物。这些水解成的单体会进一步被微生物降解成挥发性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化产物和氢、二氧化碳,并分泌到细胞外。产酸菌是一类快速生长的细菌,它们倾向于生产乙酸,这样能获取最高的能量以维持自身生长。末端产物组成取决于灰氧降解条件、底物种类和参与生化反应的微生物种类同时氨基酸的降解首先通过氧化还原氮反应实现脱氨基作用,生成有机酸、氢气及二氧化碳。
 
  3、产氢产乙酸阶段
 
  该阶段主要是将水解产酸阶段产生的两个碳以上的有机酸或醇类等物质,转化为乙酸、和等可为甲烷菌直接利用的小分子物质的过程。标准情况下,有机酸的产氢产乙酸过程不能自发进行,氢气会抑制此步反应的进行,降低系统的氢分压有利于产物产生。如果氢分压超过大气压,有机酸浓度增大,甲烷产量受到抑制。避免氢气在此阶段的积累尤其重要。在厌氧过程中,氢分压的降低必须依靠氢营养菌来完成。
 
  4、甲烷化阶段
 
  产甲烷阶段是由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、一碳化合物和H2、CO2等转化为CH4和CO2的过程。大约的甲烷来自于乙酸的分解,是由乙酸歧化菌通过代谢乙酸盐的甲基基团生成,剩下的28%由CO2和H2合成。产甲烷细菌的代谢速率一般较慢,对于溶解性有机物厌氧消化过程,产甲烷阶段是整个厌氧消化工艺的限速。
 
  二、水解(酸化)池与厌氧反应器的区别
 
  从原理上讲,水解(酸化)是厌氧消化过程的第一、二两个阶段但水解(酸化)工艺和厌氧消化追求的目标不同,因此是截然不同的处理方法。
 
  水解(酸化)系统中的的目的主要是将原水中的非溶解态有机物转变为溶解态有机物,特别是工业废水处理,主要是将其中难生物降解物质转变为易生物降解物质,提高废水的可生化性,以利于后续的好氧生物处理。考虑到后续好氧处理的能耗问题,水解(酸化)主要用于低浓度难降解废水的预处理。在混合厌氧消化系统中,水解酸化是和整个消化过程有机地结台在一起,共处于一个反应器中,水解、酸化的目的是为混合厌氧消化过程中的甲烷化阶段提供基质。而两相厌氧消化中的产酸段(产酸相)是将混合厌氧消化中的产酸段和产甲烷段分开,以便形成各自的最佳环境,同时,产酸相对所产生的酸的形态也有要求(主要为乙酸)。此外,废水中如含有高浓度的硝咳盐、亚硝酸盐、硫酸盆、亚硫酸盐时,这些物质及其转化产物不仅对甲烷苗有毒,而且影响沼气的质量,也在产酸相中予以去除。因此,尽管水解(酸化)一好氧处理工艺中的水解(酸化)段、两相法厌氧发酵工艺中的产酸相和混合厌氧消化工艺中的产酸过程均产生有机酸,但由于三者的处理目的不同,各自的运行环境和条件存在着明显的差异,主要表现在以下几个方面:
 
  (1)Eh不同
 
  在混合厌氧消化系统中,由于完成水解、酸化的微生物和产甲烷微生物共处于同一反应器中,整个反应器的氧化还原电位Eh的控制必须首先满足对Eh要求严格的甲烷菌,一般为一300mV以下,因此。系统中的水解(酸化)微生物也是在这一电位值下工作的。而两相厌氧消化系统中,产酸相的氧化还原电位一般控制在一100mV一一300mV之间。据研究,水解(酸化)一好氧处理工艺中的水解(酸化)段为——典型的兼性过程,只要置Eh控制在+50mv以下,该过程即可顺利进行。
 
  (2)pH值不同
 
  在混合厌氧消化系统中,消化液的pH值控制在甲烷菌生氏的最佳pH范围,一般为6.8—7.2。而在两相厌氧消化系统中,产酸相的pH值一般控制在6.o一6.5之间,pH降低时,尽管产酸的速率增大,但形成的有机酸形态将发生变化,丙酸的相对含量增大,而丙酸对后续的甲烷相中的产甲烷菌会产生强烈的抑制作用。对于水解(酸化)一好氧处理系统来说,由于后续处理为好氧氧化,不存在丙酸的抑制问题,因此,控制的pH范围也较宽,从而可获得较高的水解(酸化)速率,一般pH维持在5.5—6.5之间。
 
  (3)温度不同
 
  三种工艺对温度的控制也不同,通常混合厌氧消化系统以及两相厌氧消化系统的温度均严格控制,要么中温消化(30一35oC),要么高温消化(50一55oC)。而水解(酸化)一好氧处理工艺中的水解(酸化)段对工作温度无特殊要求,通常在常温下运行,也可获得较为满意的水解(酸化)效果。
 
  三、影响水解(酸化)过程的主要因素
 
  1)基质的种类和形态
 
  基质的种类和形态对水解(酸化)过程的速率有着重要影响。就多糖、蛋白质和脂肪三类物质来说,在相同的操作条件下,水解速率依次减小。同类有机物,分子量越大,水解越困难,相应池水解速率就越小。比如,就糖类物质来说,二聚糖比三聚糖容易水解;低聚糖比高聚糖容易水解。就分子结构来说,直链比支链易于水解;支链比环状易于水解;单环化合物比杂环或多环化合物易于水解。
 
  2)水解液的pH值
 
  水解液的pH值主要影响水解的速率、水解(酸化)的产物以及污泥的形态和结构。大量研究结果表明,水解(酸化)微生物对pH值变化的适应性较强,水解过程可在pH值宽达3.5—10.0的范围内顺利进行,但最佳的pH值为5.5—6.5。pH朝酸性方向或碱性方向移动时,水解速率都将减小。水解液pH值同时还影响水解产物的种类和含量。
 
  3)水力停留时间
 
  水力停留时间是水解反应器运行控制的重要参数之一。它对反应器的影响,随着反应器的功能不同而不同。对于单纯以水解为目的的反应器,水力停留时间越长,被水解物质与水解微生物接触时间也就越长,相应地水解效率也就越高。一般为3-4小时。
 
  4)温度
 
  水解反应是一典型的生物反向,因此.温度变化对水解反应的影响符合一般的生物反应规律,即在一定的范围内,温度越高,水解反应的速率越大。但研究表明,当温度在10一20 oC之间变化时,水解反应速率变化不大,由此说明,水解微生物对低温变化的适应较强。
 
  5)粒径
 
  粒径是影响颗粒状有机物水解(酸化)速率的重要因素之—粒径越大,单位重量有机物的比表面积越小.水解速率也就越小。由于颗粒态有机物的粒径对水解速宰相效率影响较大,因此,一些研究者建议,对含颗粒态有机物浓度较高的废水或污泥,在进入水解反应器前可利用泵或研磨机破碎,以减小污染物的粒径,从而加快水解反应的进行。
 
  四、影响厌氧消化的主要因素
 
  1)温度
 
  在厌氧消化过程中,温度的范围是很宽泛的,从低温到高温都存在。例如北极下水道中发现有极低温度下存活的甲烷菌。通常我们依据微生物活性把温度范围分为三类:一类是嗜寒的,温度范围从10℃~20℃; —类是嗜温的,温度范围从20℃~45℃:,通常使用37℃;一类是嗜热的,温度范围从50~65℃,通常是55℃。
 
  2)碳氮比
 
  碳氮比的关系是指有机原料中总碳和总氮的比例。厌氧消化过程中碳氮比是有最适范围的,一般是从20:1到30:1,既不能太高也不能太低,否则都会对厌氧发酵过程产生影响。不合适的碳氮比会造成大量的氨态氮的释放或是挥发性脂肪酸的过度累积,而氨态氮和摔发性脂胁酸郁是厌氧消化中重要的中间产物,不合适的浓度都会抑制甲烷发酵过程。
 
  3)酸碱度
 
  pH值是反映水相体系中酸浓度的重耍指标之一。厌氧发酵菌尤其是产甲烷菌对反应体系中的酸浓度是极为敏感的。较低pH值条件下,甲烷菌的生长就会受到抑制。许多研究者己经研究厌氧消化中不同阶段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。
 
  4)有机负荷量
 
  有机负荷是指消化反应器单位容积单位时间内所承受的挥发性有机物量,它是消化反应器设计和运行的重要参数。有机负荷的高低与处理物料的性质、消化温度、所采用的工艺等有关。研究表明,对于处理蔬菜、水果、厨余等易降解的有机垃圾,有机负荷一般为1~6.8kg VS/(m3·d)。

2019年第一期

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