UNIT2厌氧发酵和氧化

厌氧发酵和氧化厌氧发酵和氧化过程主要被用来污泥处理（图2.1）和高强度有机污染物。然而，稀释污水的应用也已被证明，并且越来越普遍。由于低生物量产量和在形成甲烷过程中能量可以由有机物基质的生物转化恢复，使得厌氧发酵进程占有优势。尽管很多的发酵进程在中温（30到35℃）进行，任然有越来越的人对单独高温发酵或预中温发酵感兴趣。后者被定义为两相厌氧消化（TPAD），它被典型设定为先是污泥停留时间3到7天，温度50到60℃的高温相，最后是7到15天的中温相。高温厌氧发酵消化进程被用来杀死病原菌以生产能够无线重复利用的A级生物固体。在处理高强度工业污水时，由于在节约能量，增加营养物和反应器容量方面的原因，厌氧发酵展现出比好氧进程更高效的选择性。由于出水水质不如好氧处理，厌氧处理通常作为污水进入市政收集系统前的预处理步骤，或者在好氧进程前面。过程描述污水厌氧氧化涉及三个基础步骤：（i）水解，（ii）发酵（也被称为产酸），（iii）产甲烷。三个步骤以图表的形式在图表2.2中阐述。特殊应用的流程图起点取决于被处理污水的性质。水解对于大多数发酵过程的第一步中，特殊物质被转化为可溶性化合物，然后被进一步水解为被细菌用来完成发酵的简单单体物质，这叫做水解。对于一些工业污水。发酵可能是厌氧过程的第一步。发酵第二步是发酵（也叫产酸）。在发酵过程中，氨基酸，糖类和脂肪酸被降解，如图2.2.有机基质同时充当电子供体和受体。发酵的主要产物是醋酸盐，氢，二氧化碳，丙酸盐和丁酸盐。丙酸盐和丁酸盐进一步发酵同样产生氢，二氧化碳和醋酸盐。因此，发酵的最终产物（醋酸盐，氢，二氧化碳）是甲烷形成（产甲烷）的前提。自由能的改变与丙酸盐和丁酸盐的转化有关，要求系统中氢在低浓度（H210-4atm）,否则反应无法进行。产甲烷第三步，产甲烷，由一组统称为产甲烷菌的生物。甲烷的产生包含两组产甲烷生物。一组称为分解乙酸的产甲烷菌，能把醋酸盐分解为甲烷和二氧化碳。第二组称为利用氢的产甲烷菌，用氢作为电子供体，二氧化碳作为电子受体来生成甲烷。厌氧过程中的细菌叫做产乙酸菌，同样能够利用二氧化碳来氧化氢并且形成乙酸。然而，乙酸将被转化为甲烷，所以这个反应的影响是微小的。如图表2.3所示，厌氧消化产生的甲烷中72%由醋酸盐形成。微生物学用来水解和发酵的不产甲烷微生物由兼性和专性厌氧菌组成。厌氧消化分离的生物体包括……和大肠杆菌。其他生理学上的种群目前包含这些生产的蛋白酶，脂类酶，尿素酶，或纤维素酶。产甲烷的微生物被分类为古生菌，严格专性厌氧。许多厌氧消化中的产甲烷菌类似于这些在反刍动物的胃或在湖河有机沉积物中发现的菌类。微生物的主要种类在中温环境被识别，包括杆菌和球菌。甲烷八叠球菌和甲烷丝菌（也叫甲烷鬓菌）是仅有的能利用醋酸盐生产甲烷和二氧化碳的生物。其他的以二氧化碳作为电子受体氧化氢来生产甲烷，而且利用醋酸盐的产甲烷菌也在高温反应器被发现。一些甲烷八叠球菌在65℃下受抑制，一些不会。但甲烷丝菌没有表现出受抑制现象。对于利用氢的产甲烷菌在超过60℃的温度下，甲烷细菌属被发现非常丰富。发酵中的共生关系产甲烷菌和产醋酸菌形成共生关系（互利关系），在这个关系中产甲烷菌将发酵终产物如氢、甲酸盐和醋酸转化为甲烷和二氧化碳。因为产甲烷菌能够维持更多氧化终产物（例如甲酸盐和醋酸）在超低的压强。产醋酸菌和其他厌氧菌通过产甲烷菌对氢产物的利用称为种间氢传递。事实上，产甲烷菌作为氢气的贮存罐让发酵反应进行。如果进程发生混乱或者产甲烷菌对氢产物的利用不够快，丙酸盐和丁酸盐发酵会因为厌氧反应器中挥发性脂肪酸的积累而变慢，并且有可能降低pH。不太好的生物体厌氧操作中不太好的生物体是硫酸盐还原菌，当污水中硫酸盐的浓度较高时就会成为一个问题。这些生物体能够将硫酸盐还原为硫化物，这在高浓度时对产甲烷菌有毒害作用。硫化物出现高浓度的地方，一个解决的办法就是加定量的铁形成硫化亚铁沉淀。细菌形态多种多样，但有相同特性，能利用硫酸盐作为电子受体，并且根据是否可产生脂肪酸或利用醋酸盐而被分为两类。第一类硫酸盐还原剂能利用多种系列有机化合物作为他们的电子供体，氧化它们为醋酸盐并且还原硫酸盐为硫化物。在厌氧生化操作中发现一种常见种属是脱硫弧菌。第二类硫酸盐还原剂氧化脂肪酸，尤其是醋酸盐来生成二氧化碳，同时还原硫酸盐为硫化物。这类常见的细菌种属是脱硫酸菌。厌氧发酵和氧化的化学计量有限的基质被产甲烷生物利用，其反应被定义为二氧化碳和甲基类型的反应。如下所示，分别包括氧化氢，甲酸，CO，甲醇，甲胺和醋酸盐。分解乙酸的产甲烷菌的反应如方程式2.6所示，醋酸盐被分解形成甲烷和二氧化碳。COD的平衡用来解释发酵中COD的变化。不是用氢气解释COD变化，而是用厌氧反应中生成甲烷来解释COD的减少。与甲烷等价的COD可通过化学计量被确定。甲烷的COD是将甲烷氧化为二氧化碳和水的需氧量。综上所诉，每摩尔甲烷的COD是2，标准状况（0℃，1atm）下每摩尔甲烷的体积是22.414L，所以甲烷等价的COD转化为厌氧条件下是22.414/64=0.35LCH4/gCOD.