在厭氧生物處理的過(guò)程中,復(fù)雜的有機(jī)化合物被分解,轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的化合物,同時(shí)釋放能量。其中,大部分的能量以甲烷的形式出現(xiàn),這是一種可燃?xì)怏w,可回收利用。同時(shí)僅少量有機(jī)物被轉(zhuǎn)化而合成為新的細(xì)胞組成部分,故相對(duì)好氧法來(lái)講,厭氧法污泥增長(zhǎng)率小得多。好氧法因?yàn)楣┭跸拗埔话阒贿m用于中、低濃度有機(jī)廢水的處理,而厭氧法及適用于高濃度有機(jī)廢水,又適用于中、低濃度有機(jī)廢水。同時(shí)厭氧法可降解某些好氧法難以降解的有機(jī)物,如固體有機(jī)物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。
原理
在厭氧處理過(guò)程中,廢水中的有機(jī)物經(jīng)大量微生物的共同作用,被最終轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨等。在此過(guò)程中,不同微生物的代謝過(guò)程相互影響,相互制約,形成了復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)高分子有機(jī)物的厭氧過(guò)程的敘述,有助于我們了解這一過(guò)程的基本內(nèi)容。
高分子有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程可以被分為四個(gè)階段:水解階段、發(fā)酵(或酸化)階段、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。
(1)水解階段
水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體的過(guò)程。
高分子有機(jī)物因相對(duì)分子量巨大,不能透過(guò)細(xì)胞膜,因此不可能為細(xì)菌直接利用。它們?cè)诘谝浑A段被細(xì)菌胞外酶分解為小分子。例如,纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖,淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖,蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過(guò)細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用。水解過(guò)程通常較緩慢,因此被認(rèn)為是含高分子有機(jī)物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、有機(jī)物的組成、水解產(chǎn)物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。水解速度的可由以下動(dòng)力學(xué)方程加以描述:ρ=ρo/(1+Kh.T)
ρ ——可降解的非溶解性底物濃度(g/L);
ρo———非溶解性底物的初始濃度(g/L);
Kh——水解常數(shù)(d^-1);
T——停留時(shí)間(d)
(2)發(fā)酵(或酸化)階段
發(fā)酵可定義為有機(jī)物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過(guò)程,在此過(guò)程中溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物,因此這一過(guò)程也稱為酸化。
在這一階段,上述小分子的化合物發(fā)酵細(xì)菌(即酸化菌)的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外。發(fā)酵細(xì)菌絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌,但通常有約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中,這些兼性厭氧菌能夠起到保護(hù)像甲烷菌這樣的嚴(yán)格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等,產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。與此同時(shí),酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細(xì)胞物質(zhì),因此,未酸化廢水厭氧處理時(shí)產(chǎn)生更多的剩余污泥。
在厭氧降解過(guò)程中,酸化細(xì)菌對(duì)酸的耐受力必須加以考慮。酸化過(guò)程pH下降到4時(shí)能可以進(jìn)行。但是產(chǎn)甲烷過(guò)程pH值的范圍在6.5~7.5之間,因此pH值的下降將會(huì)減少甲烷的生成和氫的消耗,并進(jìn)一步引起酸化末端產(chǎn)物組成的改變。
(3)產(chǎn)乙酸階段
在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下,上一階段的產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。
其某些反應(yīng)式如下:
CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL
CH3CH2OH+H2O-> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL
CH3CH2CH2COO-+2H2O-> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL
CH3CH2COO-+3H2O-> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL
4CH3OH+2CO2-> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL
2HCO3-+4H2+H+->CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL
(4)甲烷階段
這一階段,乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。
甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳和氫氣等轉(zhuǎn)化為甲烷的過(guò)程有兩種生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成,一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷,另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷,前者約占總量的1/3,后者約占2/3。
最主要的產(chǎn)甲烷過(guò)程反應(yīng)有:
CH3COO-+H2O->CH4+HCO3- ΔG’0=-31.0KJ/MOL
HCO3-+H++4H2->CH4+3H2O ΔG’0=-135.6KJ/MOL
4CH3OH->3CH4+CO2+2H2O ΔG’0=-312KJ/MOL
4HCOO-+2H+->CH4+CO2+2HCO3- ΔG’0=-32.9KJ/MOL
在甲烷的形成過(guò)程中,主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M(CH3-S-CH2-SO3-)。
需要指出的是:一些書把厭氧消化過(guò)程分為三個(gè)階段,把第一、第二階段合成為一個(gè)階段,稱為水解酸化階段。在這里我們則認(rèn)為分為四個(gè)階段能更清楚反應(yīng)厭氧消化過(guò)程。
上述四個(gè)階段的反應(yīng)速度依廢水的性質(zhì)而異,在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中,水解易成為速度限制步驟;簡(jiǎn)單的糖類、淀粉、氨基酸和一般蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解,對(duì)含這類有機(jī)物的廢水,產(chǎn)甲烷易成為限速階段。雖然厭氧消化過(guò)程可分為以上四個(gè)過(guò)程,但是在厭氧反應(yīng)器中,四個(gè)階段是同時(shí)進(jìn)行的,并保持某種程度的動(dòng)態(tài)平衡。該平衡一旦被pH值、溫度、有機(jī)負(fù)荷等外加因素所破壞,則首先將使產(chǎn)甲烷階段受到抑制,其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致低級(jí)脂肪酸的積存和厭氧進(jìn)程的異常變化,甚至導(dǎo)致整個(gè)消化過(guò)程停滯。
影響因素
厭氧法對(duì)環(huán)境條件的要求比好氧法更嚴(yán)格。一般認(rèn)為,控制厭氧處理效率的基本因素有兩類:一類是基礎(chǔ)因素,包括微生物量(污泥濃度)、營(yíng)養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機(jī)負(fù)荷等;另一類是環(huán)境因素,如溫度、pH值、氧化還原電位、有毒物質(zhì)等。
技術(shù)特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):
1、高效對(duì)污水進(jìn)行處理
2、簡(jiǎn)單易行
3、靈活適用于大小規(guī)模
4、容積負(fù)荷率的提高使得對(duì)空間的需求降低
5、能耗低
6、剩余污泥量少
7、污泥穩(wěn)定性良好,具有良好的脫水性能,有利于污泥的最重處置
8、厭氧污泥可以在不嚴(yán)重影響其活性和其他重要特性的情況下被保持很長(zhǎng)時(shí)間
9、低營(yíng)養(yǎng)需求(對(duì)N、P等需求很低)
缺點(diǎn):
1、厭氧微生物對(duì)pH、溫度和毒性等環(huán)境條件極其敏感
2、厭氧反應(yīng)器的初次啟動(dòng)期很長(zhǎng)
3、處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生惡臭味氣體
但這些缺點(diǎn)可以被逐漸的克服,厭氧處理過(guò)程非常穩(wěn)定;只有在處理工業(yè)廢水的時(shí)候可能需要控制pH;厭氧處理微生物容易適應(yīng)低溫環(huán)境,也能夠忍耐很多種毒性物質(zhì);而在一定情況下,恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、建設(shè)以及適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行反應(yīng)器能夠完全除去惡臭氣體??傮w來(lái)說(shuō),廢水的厭氧生物處理比較適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境情況,有利于可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)行。
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