厭氧反應(yīng)四個(gè)階段

一般來(lái)說(shuō)，廢水中復(fù)雜機(jī)物物料比較多，通過(guò)厭氧分解分四個(gè)階段加以降解：

（1）水解階段：高分子機(jī)物由于其大分子體積，不能直接通過(guò)厭氧菌的細(xì)胞壁，需要在微生物體外通過(guò)胞外酶加以分解成小分子。廢水中的機(jī)物質(zhì)比如纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠通過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入到細(xì)胞的體內(nèi)進(jìn)行下一步的分解。

（2）酸化階段：上述的小分子機(jī)物進(jìn)入到細(xì)胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡(jiǎn)單的化合物并被分配到細(xì)胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），同時(shí)還部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生。

（3）產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一步的產(chǎn)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細(xì)胞物質(zhì)。

（4）產(chǎn)甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。這一階段也是整個(gè)厭氧過(guò)程為重要的階段和整個(gè)厭氧反應(yīng)過(guò)程的限速階段。

水解反應(yīng)

水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的溶解性單體和二聚體的過(guò)程。水解反應(yīng)針對(duì)不同的廢水類型差別很大，這要取決于胞外酶能否效的接觸到底物。因此，大的顆粒比小顆粒底物要難降解很多，比如造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質(zhì)素、大分子纖維素就很難水解。

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）。

一般來(lái)說(shuō)，影響Kh的因素很多，很難確定一個(gè)定的方程來(lái)求解Kh，但我們可以根據(jù)一些定條件的Kh，反推導(dǎo)出水解反應(yīng)器的容積和非常好的反應(yīng)條件。在實(shí)際工程實(shí)施中，條件的話，應(yīng)針對(duì)要處理的廢水作一些Kh的測(cè)試工作。通過(guò)對(duì)內(nèi)外一些報(bào)道的研究，提出在低溫下水解對(duì)脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個(gè)時(shí)候，可以不考慮厭氧處理方式。對(duì)于生活污水來(lái)說(shuō)，在溫度15的情況下，Kh=0.2左右。但在水解階段我們不需要過(guò)多的COD去除效果，而且在一個(gè)反應(yīng)器中你很難嚴(yán)格的把厭氧反應(yīng)的幾個(gè)階段區(qū)分開來(lái)，一旦停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)工程的性就不太。如果就單的水解反應(yīng)針對(duì)生活污水來(lái)說(shuō)，COD可以控制到0.1的去除效果就可以了。

把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動(dòng)力學(xué)方程中，可以得到停留水解停留時(shí)間：

T=13.44h

這對(duì)于水解和后續(xù)階段處于一個(gè)反應(yīng)器中厭氧處理單元來(lái)說(shuō)是一個(gè)很短的時(shí)間，在實(shí)際工程中也完可以實(shí)現(xiàn)。如果條件的地方我們可以適當(dāng)提高廢水的反應(yīng)溫度，這樣反應(yīng)時(shí)間還會(huì)大大縮短。而且一般對(duì)于城市污水來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當(dāng)廢水流到廢水處理場(chǎng)時(shí)，這個(gè)過(guò)程也在很大程度上完成，到目前為止還沒(méi)看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反應(yīng)的限速報(bào)道。

發(fā)酵酸化反應(yīng)

發(fā)酵可以被定義為機(jī)化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過(guò)程，在此過(guò)程中機(jī)物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物。

酸化過(guò)程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌來(lái)完成的，在這些細(xì)菌中大部分是專性厭氧菌，只1%是兼性厭氧菌，但正是這1%的兼性菌在反應(yīng)器受到氧氣的沖擊時(shí)，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時(shí)也保護(hù)了產(chǎn)甲烷菌的運(yùn)行條件。

酸化過(guò)程的底物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。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應(yīng)的主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。

在這個(gè)階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反應(yīng)是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA過(guò)高會(huì)使廢水的PH下降，逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進(jìn)行，使產(chǎn)氣量減小，同時(shí)整個(gè)反應(yīng)的自然堿度也會(huì)較少，系統(tǒng)平衡PH的能力減弱，整個(gè)反應(yīng)會(huì)形成惡性循環(huán)，使得整個(gè)反應(yīng)器終失敗。氨氮它起到一個(gè)平衡的，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH具更大的緩沖能力，同時(shí)又給生物體合成自生生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但過(guò)高的氨氮會(huì)給微生物帶來(lái)毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來(lái)的，的生活污水中含20-50mg/l左右的氨氮，這個(gè)范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。

另外一個(gè)重要指就是廢水中氫氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：

CH3(CH2)15COO-+14H2O—> 7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14H2

產(chǎn)乙酸反應(yīng)

發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進(jìn)一步降解成乙酸，其常用反應(yīng)式如以下幾種：

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

產(chǎn)甲烷反應(yīng)

在厭氧反應(yīng)中，大約70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個(gè)階段中遵循莫諾方程反應(yīng)的階段。

另一類產(chǎn)生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大約占30%左右。其中約一般的嗜氫細(xì)菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。主要的產(chǎn)甲烷過(guò)程反應(yīng)：

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-）。