厭氧反應機理及應用 

1.  厭氧消化反應的機理

厭氧消化法是在無氧的條件下，借兼性菌及專性厭氧細菌降解有機污染物，分解的產物是以甲烷為主的消化氣(沼氣、生物氣)。

    有機物厭氧分解的全過程細分又可分為三個階段，*階段為水解發酵階段(即酸性消化)，此階段利用的是兼性水解發酵細菌(即產酸菌)，將復雜有機物---碳水化合物、蛋白質和脂類等發酵成為有機酸、醇類、CO2、H2、NH3和H2S等；第二階段為產氫產乙酸階段，此階段利用的是專性厭氧的產氫產乙酸細菌，將*階段細菌的代謝產物---丙酸及其它脂肪酸、醇類和某些芳香酸轉化為乙酸、CO2和H2；第三階段為產甲烷階段，此階段利用產甲烷菌將*、第二階段產生的乙酸、CO2和H2為主要基質(還有甲酸、甲醇及甲胺)終轉化為甲烷和CO2，產甲烷菌包括兩種特異性很強的細菌：一種主要利用H2把CO2還原為CH4；另一種產甲烷菌主要以乙酸為基質(也可利用甲醇和甲胺），把它分解為CH4和CO2。在這一階段中，據研究還有一種同型產乙酸菌可把CO2和H2合成為乙酸。

        有機物在厭氧條件下消化降解的過程可簡單分為兩個階段，即酸性消化(酸性發酵)階段和堿性消化(堿性發酵或甲烷消化)階段。

        酸性消化階段：參與的微生物為酸性腐化菌或產酸細菌。在這一階段中，含碳有機物被水解成單糖，蛋白質被水解成肽和氨基酸，脂肪被水解成甘油脂肪酸。水解的終產物是包括丁酸、丙酸、乙酸和甲酸在內的有機酸以及醇、氨、CO2、硫化物、氫以及能量，為下一階段的甲烷消化作準備。酸性腐化細菌對pH值、有機酸及溫度的適應性很強，世代短，數分鐘到數小時即可繁殖一代，多屬于異養型兼性細菌群。

        在酸性消化階段，由于有機酸的形成與積累，pH值可下降至6，甚至可達5以下。此后，由于有機酸和溶解性含氮化合物的分解，產生碳酸鹽、氨、氮及少量的二氧化碳等，從而使酸性減退，pH值可回升到6.6-6.8左右。

        經酸性消化后的污泥外觀呈黃色或灰黃色，比較粘稠不易脫水，仍易于腐化發臭。

        堿性消化階段：參與的微生物是甲烷細菌。甲烷細菌對營養的要求不高，一般的營養鹽類、二氧化碳、醇和氨都可作為碳、氮源，屬于專性厭氧細菌群。

        堿性消化階段就是消化氣的形成過程。酸性消化階段的代謝產物，在甲烷細菌的作用下，進一步分解成消化氣，其主要成分是甲烷、二氧化碳。

       已發現的甲烷細菌屬有甲烷球菌屬(Metharnococcus)，八疊甲烷球菌屬(Me-thanosarcirla)，甲烷桿菌屬(Methanobacterium)和甲烷桿菌屬(Methano-bacillus)等。

     甲烷細菌屬的特點是：

    (1)對pH值的適應性較弱，適宜的范圍是6.6-7.8，pH值為6.8-7.2；

     (2)對溫度的適應性也較弱，根據對溫度的適應范圍甲烷細菌可分為中溫 (30-35℃)及高溫(50-60℃)兩類。當甲烷細菌在一定的溫度內被馴化后，溫度增減2℃就可能破壞甲烷消化作用，特別是高溫甲烷細菌，溫度增減1℃，就有可能使消化過程遭到破壞。因此甲烷消化要求保持溫度恒定；

      (3)甲烷細菌的世代都較長，一般約4-6天繁殖一代；

      (4)甲烷細菌的專一性很強，每種甲烷細菌只能代謝特定的底物，如甲酸甲烷桿菌(Methanobacterium formicium)僅能利用H2，CO2和甲酸CHOOH，低氧甲烷桿菌(Methanobacterium suboxydans)只能把戊酸分解成乙酸與丙酸。因此，在厭氧消化條件下，有機物分解往往是不*的；

     (5)所有的甲烷細菌都能氧化分子狀態的氫，并利用CO2作為電子接受體: 

                                      4H2+CO2-→CH4+2H2O

      由于甲烷細菌具有上述特點，而且又是專性厭氧細菌，因此甲烷消化階段控制著厭氧消化的整個過程。

                                 1kgCOD產生0.35Nm3CH4 (相當于0.25kgCH4)

2. 厭氧生物控制指標：

 厭氧處理裝臵在實際運行中，主要控制進水水質、負荷、溫度、PH值、揮發酸、氮磷營養、沼氣組分、有毒物質等。

      1.溫度的控制：分常溫(10-34℃)、中溫(35-40℃)、高溫(50-55℃)三種類型，厭氧消化常采用中溫消化。

      2.PH值、堿度、揮發酸的影響：消化液中的PH值一般應維持在6.5-7.8之間，范圍在6.8-7.2左右；堿度(ALK)值在2000-4000mg/L之間，正常值為1000-5000mg/L；酸度(VFA)值在50-500mg/L之間，正常50-2500mg/L。

       在反應器正常運行時，進水PH值一般在6.0以上。處理因含有機酸而使PH值偏低的廢水時，正常運行時PH值可略低，如4-5左右；若處理含無機酸而使PH值低的廢水，應將PH值調到6以上。具體控制要根據反應器的緩沖能力決定。 

       消化液的緩沖作用：由于酸性腐化細菌與甲烷細菌對溫度、PH值的適應性不同，世代長短相差懸殊。當酸性消化速度超過堿性消化速度時，有機酸就會積累，使PH值降低，不利于堿性消化，甚至破壞堿性消化。但由于消化池中存在的消化液(污泥水)具有緩沖作用，以維持消化正常進行。

       可見，當有機酸增加時，反應向右進行。若所增加的有機酸數量較重碳酸鹽與碳酸的數量少，則[HCO3-]/[H2CO3]變化不大。從而可保持甲烷菌的消化條件。因此消化池的堿度要保持在合理的范圍內(厭氧反應器的堿度一般在2000-4000mg/L；正常為1000-5000mg/L)，使緩沖能力充分，有效地防止PH值下降。同時，為了使堿性消化能順利地進行，消化系統中的有機酸含量應維持在合理范圍內(一般在50-500mg/L；正常50-2500mg/L)。

3. 厭氧設備的啟動

      厭氧反應器在試車之前，應檢查施工、安裝質量，確保池體不漏水、不漏氣，一切附屬設施完好。在投料前，應向池內灌滿清水，并增壓至29.4kPa，如24h之內壓力下降小于10%，即可認為池體密封性符合要求。否則應立即采取補救措施，再按上述方法檢驗，直至合格為止。

       與反應器配套的所有管道、閥門均應根據其各自的運行壓力，分別按照工業管路檢驗標準用清水進行承壓檢驗。

       對于污泥、水、蒸汽、沼氣的壓力表，流量計、液面、電氣、溫度、PH值等計量儀表，加熱器、攪拌器、電機、水泵等設備，均應按各自的產品質量檢驗標準和設計要求，進行單機調試和聯動試運行，以保證其安全、可靠、靈活和準確。這是非常重要的基礎工作，否則待運行后若再發現上述先天性的缺陷，維修的工作量很大，且難以進行。厭氧設備在進入正常運行之前應進行氣密性試驗后，以氮氣吹掃，然后進行厭氧污泥的培養和馴化。

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