厌氧反应部分

厌氧反应部分厌氧消化反应的机理厌氧消化法是在无氧的条件下，借兼性菌及专性厌氧细菌降解有机污染物，分解的产物是以甲烷为主的消化气(沼气、生物气)。有机物厌氧分解的全过程细分又可分为三个阶段，第一阶段为水解发酵阶段(即酸性消化)，此阶段利用的是兼性水解发酵细菌(即产酸菌)，将复杂有机物---碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO2、H2、NH3和H2S等；第二阶段为产氢产乙酸阶段，此阶段利用的是专性厌氧的产氢产乙酸细菌，将第一阶段细菌的代谢产物---丙酸及其它脂肪酸、醇类和某些芳香酸转化为乙酸、CO2和H2；第三阶段为产甲烷阶段，此阶段利用产甲烷菌将第一、第二阶段产生的乙酸、CO2和H2为主要基质(还有甲酸、甲醇及甲胺)最终转化为甲烷和CO2，产甲烷菌包括两种特异性很强的细菌：一种主要利用H2把CO2还原为CH4；另一种产甲烷菌主要以乙酸为基质(也可利用甲醇和甲胺），把它分解为CH4和CO2。在这一阶段中，据研究还有一种同型产乙酸菌可把CO2和H2合成为乙酸。有机物在厌氧条件下消化降解的过程可简单分为两个阶段，即酸性消化(酸性发酵)阶段和碱性消化(碱性发酵或甲烷消化)阶段。两阶段的示意图：酸性消化阶段：参与的微生物为酸性腐化菌或产酸细菌。在这一阶段中，含碳有机物被水解成单糖，蛋白质被水解成肽和氨基酸，脂肪被水解成甘油脂肪酸。水解的最终产物是包括丁酸、丙酸、乙酸和甲酸在内的有机酸以及醇、氨、CO2、硫化物、氢以及能量，为下一阶段的甲烷消化作准备。酸性腐化细菌对pH值、有机酸及温度的适应性很强，世代短，数分钟到数小时即可繁殖一代，多属于异养型兼性细菌群。在酸性消化阶段，由于有机酸的形成与积累，pH值可下降至6，甚至可达5以下。此后，由于有机酸和溶解性含氮化合物的分解，产生碳酸盐、氨、氮及少量的二氧化碳等，从而使酸性减退，pH值可回升到6.6-6.8左右。经酸性消化后的污泥外观呈黄色或灰黄色，比较粘稠不易脱水，仍易于腐化发臭。碱性消化阶段：参与的微生物是甲烷细菌。甲烷细菌对营养的要求不高，一般的营养盐类、二氧化碳、醇和氨都可作为碳、氮源，属于专性厌氧细菌群。碱性消化阶段就是消化气的形成过程。酸性消化阶段的代谢产物，在甲烷细菌的作用下，进一步分解成消化气，其主要成分是甲烷、二氧化碳。已发现的甲烷细菌属有甲烷球菌属(Metharnococcus)，八叠甲烷球菌属(Me-thanosarcirla)，甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷杆菌属(Methano-bacillus)等。甲烷细菌属的特点是：(1)对pH值的适应性较弱，适宜的范围是6.6-7.8，最佳pH值为6.8-7.2；(2)对温度的适应性也较弱，根据对温度的适应范围甲烷细菌可分为中温(30-35℃)及高温(50-60℃)两类。当甲烷细菌在一定的温度内被驯化后，温度增减2℃就可能破坏甲烷消化作用，特别是高温甲烷细菌，温度增减1℃，就有可能使消化过程遭到破坏。因此甲烷消化要求保持温度恒定；(3)甲烷细菌的世代都较长，一般约4-6天繁殖一代；(4)甲烷细菌的专一性很强，每种甲烷细菌只能代谢特定的底物，如甲酸甲烷杆菌(Methanobacteriumformicium)仅能利用H2，CO2和甲酸CHOOH，低氧甲烷杆菌(Methanobacteriumsuboxydans)只能把戊酸分解成乙酸与丙酸。因此，在厌氧消化条件下，有机物分解往往是不完全的；(5)所有的甲烷细菌都能氧化分子状态的氢，并利用CO2作为电子接受体:4H2+CO2-→CH4+2H2O由于甲烷细菌具有上述特点，而且又是专性厌氧细菌，因此甲烷消化阶段控制着厌氧消化的整个过程。1kgCOD产生0.35Nm3CH4(相当于0.25kgCH4)厌氧生物控制指标：厌氧处理装置在实际运行中，主要控制进水水质、负荷、温度、PH值、挥发酸、氮磷营养、沼气组分、有毒物质等。1.温度的控制：分常温(10-34℃)、中温(35-40℃)、高温(50-55℃)三种类型，厌氧消化常采用中温消化。2.PH值、碱度、挥发酸的影响：消化液中的PH值一般应维持在6.5-7.8之间，最佳范围在6.8-7.2左右；碱度(ALK)最佳值在2000-4000mg/L之间，正常值为1000-5000mg/L；酸度(VFA)最佳值在50-500mg/L之间，正常50-2500mg/L。在反应器正常运行时，进水PH值一般在6.0以上。处理因含有机酸而使PH值偏低的废水时，正常运行时PH值可略低，如4-5左右；若处理含无机酸而使PH值低的废水，应将PH值调到6以上。具体控制要根据反应器的缓冲能力决定。消化液的缓冲作用：由于酸性腐化细菌与甲烷细菌对温度、PH值的适应性不同，世代长短相差悬殊。当酸性消化速度超过碱性消化速度时，有机酸就会积累，使PH值降低，不利于碱性消化，甚至破坏碱性消化。但由于消化池中存在的消化液(污泥水)具有缓冲作用，以维持消化正常进行。所谓的缓冲能力即由于有机物消化降解过程中产生的重碳盐(HCO3-)与碳酸(CO2)形成的：H++HCO3-H2CO3K‘=[H+][HCO3-]/[H2CO3]取对数PH=-lgK’+lg[HCO3-]/[H2CO3]式中K‘---电离常数可见，当有机酸增加时，反应向右进行。若所增加的有机酸数量较重碳酸盐与碳酸的数量少，则[HCO3-]/[H2CO3]变化不大。从而可保持甲烷菌的消化条件。因此消化池的碱度要保持在合理的范围内(厌氧反应器的碱度一般在2000-4000mg/L；正常为1000-5000mg/L)，使缓冲能力充分，有效地防止PH值下降。同时，为了使碱性消化能顺利地进行，消化系统中的有机酸含量应维持在合理范围内(一般在50-500mg/L；正常50-2500mg/L)。3.氮磷比：C：N：P=(200-300)：5：1厌氧设备的运转厌氧设备的启动厌氧反应器在试车之前，应检查施工、安装质量，确保池体不漏水、不漏气，一切附属设施完好。在投料前，应向池内灌满清水，并增压至29.4kPa，如24h之内压力下降小于10%，即可认为池体密封性符合要求。否则应立即采取补救措施，再按上述方法检验，直至合格为止。与反应器配套的所有管道、阀门均应根据其各自的运行压力，分别按照工业管路检验标准用清水进行承压检验。对于污泥、水、蒸汽、沼气的压力表，流量计、液面、电气、温度、PH值等计量仪表，加热器、搅拌器、电机、水泵等设备，均应按各自的产品质量检验标准和设计要求，进行单机调试和联动试运行，以保证其安全、可靠、灵活和准确。这是非常重要的基础工作，否则待运行后若再发现上述先天性的缺陷，维修的工作量很大，且难以进行。厌氧设备在进入正常运行之前应进行气密性试验后，以氮气吹扫，然后进行厌氧污泥的培养和驯化。(1)接种物由于厌氧微生物生长缓慢，为加速厌氧反应器的启动过程，需投加含有各种厌氧微生物的种污泥(即接种物)，应尽量选择含甲烷菌多的污泥作为接种物，如城市污水厂污泥消化池与各种厌氧消化池的污泥和排出液，好氧活性污泥，经过脱水的厌氧、好氧污泥，农村沼气池排出物，堆涩的猪粪、牛粪等，以及长期贮存、排放废水的阴沟、水塘污泥、藕塘污泥等。在选择接种物时，尽量采用与所处理废水的特征有机物相似的污泥作为接种物，以就近、易得为宜。若有条件，可对选择的种污泥进行产气试验。(2)接种污泥的处理应尽量避免粗大物质与惰性物质进入反应器，对过稠的接种物，可用水稀释、过筛、沉淀。对经脱水的干污泥应尽快将其浸渍水中，并将块状物打碎，去除粗大物质及沉于底部的砂、石、土等无机物质，经处理后的接种物挥发分(VSS)应大于60%。(3)接种物的驯化与反应器启动在启动过程中，控制升温为1℃/h，达到要求温度即保持恒温并搅拌；注意保持PH值在6.8-7.8之间；此外，有机负荷常常成为影响启动成功的关键性因素。启动的初始有机负荷因工艺类型、废水性质、温度等工艺条件以及接种污泥的性质而异。常取较低的初始负荷，继而通过逐步增加负荷而完成启动。有的工艺对负荷的要求格外严格，例如厌氧污泥床反应器启动时，初始负荷仅为0.1-0.2kgCOD/(kgVSS.d)(相应的容积负荷则依污泥的浓度而异)，至可降解的COD去除率达到80%，或者反应器出水中挥发性有机酸的质量浓度已较低(1000mg/L)的时候，再以每一步按原负荷的50%递增幅度增加负荷。如果出水中挥发性有机酸浓度较高，则不宜再提高负荷，甚至应酌情降低。其他厌氧消化器对初始负荷以及随后负荷递增过程的要求，不如厌氧污泥反应器拘谨，故启动所需的时间往往较短些。此外，当废水的缓冲性能较佳时(如猪粪液类)，可取较高的负荷下完成启动，如1.2-1.5kgCOD/(kgVSS.d)，这种启动方式时间较短，但对含碳水化合物较多、缺乏缓冲性物质的料液，需添加一些缓冲物质，才能高负荷启动，否则，易使系统酸坏、启动难以成功。正常的成熟污泥呈深灰到黑色，带焦油气，无硫化氢臭，PH值在7.0-7.5之间，污泥易脱水和干化。当进水量达到要求、取得较高的去除效率、产气量大、含甲烷成分高时，可认为启动基本结束。消化污泥培养正常时的指标及参数主要控制条件项目允许范围最佳范围项目允许范围最佳范围PH值氧化还原电位ORP/mV挥发性VFA(以乙酸计)/(mg/L)碱度ALK(以CaC03计)/(mg/L)6.4-7.8-490∽-55050-25001000-50006.5-7.5-520∽-53050-5001500-3000VFA/ALK沼气中CH4含量(体积比)/%沼气中C02含量(体积比)/%0.1-0.555400.1-0.36035在工程上，如何控制厌氧反应器，根据有关报道及研究实践，可以归纳出以下应该考虑的因素:①发酵液的PH值、温度；②发酵液的氧化还原电位；③发酵液的碱度；④发酵原料的碳、氮比例；⑤厌氧处理的有机负荷(包括固体物质含量)；⑥单位基质的甲烷产气率；⑦基质的去除率，特别要注意难降解有机物质及固体有机物质的降解程度；⑧厌氧反应器的水力条件，包括搅拌、循环百分比(回流量)等；⑨反应器的挥发酸分布及组成；⑩发酵气体(沼气)的组分；⑪反应器的容积和个数，并联、串联运行方式；⑫接种污泥的性质与接种量；⑬厌氧处理系统中，流出损失的微生物浓度；⑭厌氧处理出水中的残存有机酸浓度；⑮厌氧反应器污泥的产甲烷活性及主要微生物类群；⑯控制各种有毒物质的进入量。厌氧处理装置在实际运行中，主要控制进水水质、负荷、温度、PH值、挥发酸、氮磷营养、沼气组分、有毒物质等。根据装置的发酵进程与反应器的缓冲能力控制投料负荷。(1)温度的选择与控制根据微生物的最宜生存条件将它们分成低温菌、中温菌、高温菌三类。各类厌氧菌的温度范围细菌种类生长的温度范围/℃最适温度/℃低温菌中温菌高温菌10-3030-4050-60约2035-3851-53尽管产甲烷菌可按生存的温度范围分为三类菌群，但大多数产甲烷菌的最适温度是在35-40℃之间。厌氧处理工艺一般分为常温(10-34℃)、中温(35-40℃)、高温(50-55℃)3种。由于中温(特别是产甲烷菌)种类多、易于培养驯化、活性高，因此厌氧处理常采用中温消化。高温有利于纤维素的分解与对病毒、病菌的灭活作用，对于处理高温工业废水是有利的。对于一个反应器来说其操作温度以稳定为宜，波动范围一般1d不宜超过±2℃。水温对微生物的影响很大，对微生物和群体的组成、微生物细胞的增殖，内源代谢过程和污泥的沉降性能都有影响。但是温度对微生物的影响是缓慢的，在操作运行中，人们发现反应器温度突然下降，然后又恢复到原来水平，并不妨碍反应器恢复正常处理效率。对于中温厌氧反应器应该避免温度超过42℃，因为在这种温度下微生物的衰退速度过大，从而大大降低污泥的活性。此外，在反应器温度偏低时，可根据运行情况及时调整负荷与停留时间，反应器运行仍可稳定，但这时则不能充分发挥反应器的处理能力，而且需要较高的管理水平，否则，可能导致反应器不能正常运行。(2)PH值、碱度、挥发酸的影响①反应器消化液中的PH值在厌氧消化中，产甲烷菌