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水解酸化池與厭氧反應器區別,不只是一半那么簡單!

2019-07-17 點擊量:106

水解酸化池與厭氧反應器區別,不只是一半那么簡單!

     一、厭氧的四階段理論
 
  1、水解階段
 
  水解過程是指復雜的固體有機物在水解酶的作用下被轉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合成纖維二糖再聚合而成的,在多種纖維素酶的協同作用下水解成糖。由于自然狀態下的纖維素一般都與木質素結合成高度聚合狀態,以抵抗微生物的分解,所以纖維素降解是沼氣發酵限速步驟之一。蛋白質是植物合成的一種重要產物,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。脂肪首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憐酸甘油,繼而被氧化為憐酸二輕丙酮,再經異構化生成磷酸甘油酸,經糖酵解途徑轉化為丙酮酸,最終進入糖酵解途徑實現徹底氧化及利用。
 
  2、酸化階段
 
  產酸發酵過程是指將溶解性單體或二聚體形式的有機物轉化為以短鏈脂肪酸或醇為主的末端產物。這些水解成的單體會進一步被微生物降解成揮發性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化產物和氫、二氧化碳,并分泌到細胞外。產酸菌是一類快速生長的細菌,它們傾向于生產乙酸,這樣能獲取最高的能量以維持自身生長。末端產物組成取決于灰氧降解條件、底物種類和參與生化反應的微生物種類同時氨基酸的降解首先通過氧化還原氮反應實現脫氨基作用,生成有機酸、氫氣及二氧化碳。
 
  3、產氫產乙酸階段
 
  該階段主要是將水解產酸階段產生的兩個碳以上的有機酸或醇類等物質,轉化為乙酸、和等可為甲烷菌直接利用的小分子物質的過程。標準情況下,有機酸的產氫產乙酸過程不能自發進行,氫氣會抑制此步反應的進行,降低系統的氫分壓有利于產物產生。如果氫分壓超過大氣壓,有機酸濃度增大,甲烷產量受到抑制。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菌來完成。
 
  4、甲烷化階段
 
  產甲烷階段是由嚴格專性厭氧的產甲烷細菌將乙酸、一碳化合物和H2、CO2等轉化為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生成,剩下的28%由CO2和H2合成。產甲烷細菌的代謝速率一般較慢,對于溶解性有機物厭氧消化過程,產甲烷階段是整個厭氧消化工藝的限速。
 
  二、水解(酸化)池與厭氧反應器的區別
 
  從原理上講,水解(酸化)是厭氧消化過程的第一、二兩個階段但水解(酸化)工藝和厭氧消化追求的目標不同,因此是截然不同的處理方法。
 
  水解(酸化)系統中的的目的主要是將原水中的非溶解態有機物轉變為溶解態有機物,特別是工業廢水處理,主要是將其中難生物降解物質轉變為易生物降解物質,提高廢水的可生化性,以利于后續的好氧生物處理。考慮到后續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處理。在混合厭氧消化系統中,水解酸化是和整個消化過程有機地結臺在一起,共處于一個反應器中,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。而兩相厭氧消化中的產酸段(產酸相)是將混合厭氧消化中的產酸段和產甲烷段分開,以便形成各自的最佳環境,同時,產酸相對所產生的酸的形態也有要求(主要為乙酸)。此外,廢水中如含有高濃度的硝咳鹽、亞硝酸鹽、硫酸盆、亞硫酸鹽時,這些物質及其轉化產物不僅對甲烷苗有毒,而且影響沼氣的質量,也在產酸相中予以去除。因此,盡管水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段、兩相法厭氧發酵工藝中的產酸相和混合厭氧消化工藝中的產酸過程均產生有機酸,但由于三者的處理目的不同,各自的運行環境和條件存在著明顯的差異,主要表現在以下幾個方面:
 
  (1)Eh不同
 
  在混合厭氧消化系統中,由于完成水解、酸化的微生物和產甲烷微生物共處于同一反應器中,整個反應器的氧化還原電位Eh的控制必須首先滿足對Eh要求嚴格的甲烷菌,一般為一300mV以下,因此。系統中的水解(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中,產酸相的氧化還原電位一般控制在一100mV一一300mV之間。據研究,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,該過程即可順利進行。
 
  (2)pH值不同
 
  在混合厭氧消化系統中,消化液的pH值控制在甲烷菌生氏的最佳pH范圍,一般為6.8—7.2。而在兩相厭氧消化系統中,產酸相的pH值一般控制在6.o一6.5之間,pH降低時,盡管產酸的速率增大,但形成的有機酸形態將發生變化,丙酸的相對含量增大,而丙酸對后續的甲烷相中的產甲烷菌會產生強烈的抑制作用。對于水解(酸化)一好氧處理系統來說,由于后續處理為好氧氧化,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,通常混合厭氧消化系統以及兩相厭氧消化系統的溫度均嚴格控制,要么中溫消化(30一35oC),要么高溫消化(50一55oC)。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)基質的種類和形態
 
  基質的種類和形態對水解(酸化)過程的速率有著重要影響。就多糖、蛋白質和脂肪三類物質來說,在相同的操作條件下,水解速率依次減小。同類有機物,分子量越大,水解越困難,相應池水解速率就越小。比如,就糖類物質來說,二聚糖比三聚糖容易水解;低聚糖比高聚糖容易水解。就分子結構來說,直鏈比支鏈易于水解;支鏈比環狀易于水解;單環化合物比雜環或多環化合物易于水解。
 
  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)的產物以及污泥的形態和結構。大量研究結果表明,水解(酸化)微生物對pH值變化的適應性較強,水解過程可在pH值寬達3.5—10.0的范圍內順利進行,但最佳的pH值為5.5—6.5。pH朝酸性方向或堿性方向移動時,水解速率都將減小。水解液pH值同時還影響水解產物的種類和含量。
 
  3)水力停留時間
 
  水力停留時間是水解反應器運行控制的重要參數之一。它對反應器的影響,隨著反應器的功能不同而不同。對于單純以水解為目的的反應器,水力停留時間越長,被水解物質與水解微生物接觸時間也就越長,相應地水解效率也就越高。一般為3-4小時。
 
  4)溫度
 
  水解反應是一典型的生物反向,因此.溫度變化對水解反應的影響符合一般的生物反應規律,即在一定的范圍內,溫度越高,水解反應的速率越大。但研究表明,當溫度在10一20 oC之間變化時,水解反應速率變化不大,由此說明,水解微生物對低溫變化的適應較強。
 
  5)粒徑
 
  粒徑是影響顆粒狀有機物水解(酸化)速率的重要因素之—粒徑越大,單位重量有機物的比表面積越小.水解速率也就越小。由于顆粒態有機物的粒徑對水解速宰相效率影響較大,因此,一些研究者建議,對含顆粒態有機物濃度較高的廢水或污泥,在進入水解反應器前可利用泵或研磨機破碎,以減小污染物的粒徑,從而加快水解反應的進行。
 
  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現有極低溫度下存活的甲烷菌。通常我們依據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
 
  碳氮比的關系是指有機原料中總碳和總氮的比例。厭氧消化過程中碳氮比是有最適范圍的,一般是從20:1到30:1,既不能太高也不能太低,否則都會對厭氧發酵過程產生影響。不合適的碳氮比會造成大量的氨態氮的釋放或是揮發性脂肪酸的過度累積,而氨態氮和摔發性脂脅酸郁是厭氧消化中重要的中間產物,不合適的濃度都會抑制甲烷發酵過程。
 
  3)酸堿度
 
  pH值是反映水相體系中酸濃度的重耍指標之一。厭氧發酵菌尤其是產甲烷菌對反應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。許多研究者己經研究厭氧消化中不同階段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。
 
  4)有機負荷量
 
  有機負荷是指消化反應器單位容積單位時間內所承受的揮發性有機物量,它是消化反應器設計和運行的重要參數。有機負荷的高低與處理物料的性質、消化溫度、所采用的工藝等有關。研究表明,對于處理蔬菜、水果、廚余等易降解的有機垃圾,有機負荷一般為1~6.8kg VS/(m3·d)。
 
  

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