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        厌氧生物处理过程解析

        文章出处:未知发表时间:2021-07-29 14:55:03

               在无氧条件下进行的生物处理称为厌氧生物处理。厌氧生物处理(或称厌氧发酵)是一种普遍存在于自然界的微生物过程。凡是有水和有机物存在的地方,只要供氧条件不好并且有机物含量较多,都会发生厌氧发酵现象,使有机物经厌氧分解而产生CH4、CO2和H2S等气体。厌氧生物处理是一种多菌群多层次的厌氧发酵过程,菌类种群繁多,相互关系复杂,其中数量最多且作用最大的微生物是细菌。真菌(丝状真菌和酵母)和部分原生动物虽也能存活,但数量不多,难以发挥重要作用。
                厌氧生物处理过程中参与有机物逐级降解的细菌以专性厌氧菌和兼氧菌为主,主要有三大类群,依次为(1)发酵细菌、(2)产氢产乙酸细菌和(3)甲烷细菌。此外,还存在着一种利用厌氧过程中产生的H2和CO2等无机基质横向转化为乙酸的细菌,称为同型产乙酸细菌。
                厌氧生物处理过程可分为三个阶段。在第一阶段(通常称为水解发酵阶段),参与菌群为发酵细菌。废水中不溶性的大分子有机物(如蛋白质、纤维素、淀粉和脂肪等)经水解酶的作用,在溶液中分解为水溶性的小分子有机物(如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖和甘油等)。原先颗粒状的各种可见物“消失”了,变成了均质的溶液。
                在第二阶段(通常称为产氢产乙酸阶段),参与菌群为发酵细菌和产氢产乙酸细菌。首先,第一阶段产生的水解产物被发酵细菌摄入细胞内,经过一系列生化反应后,将代谢产物排出细胞外。由于发酵细菌种群不一,代谢途径各异,故代谢产物也各不相同。其中无机的CO2及H2和有机的三甲一乙(甲酸、甲醇、甲胺和乙酸)可直接被产甲烷细菌吸收利用,转化为甲烷和二氧化碳。而其他众多的代谢产物(如丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸等有机酸,以及乙醇、丙酮等有机物质)必须进一步经过第二类菌群产氢产乙酸细菌转化为氢和乙酸后,方能被产甲烷细菌吸收利用,并转化为甲烷和二氧化碳。因此,在第二阶段实际上前后发生分别有发酵细菌和产氢产乙酸细菌参与的两次产酸过程,使溶液酸度增加,pH值下降。
                  在第三阶段(通常称为产甲烷阶段),参与菌群为甲烷细菌。甲烷细菌直接利用第二阶段产生的CO2、H2、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸,将其转化为CH4和CO2等气态产物的形式逸出,从而除去了废水赖以构成COD和BOD的主要元素“有机碳”。厌氧生物处理的全过程如图1所示。
                参与厌氧生物处理的细菌,除以上三个种群外,还有一个同型产乙酸细菌种群,这类细菌可将中间代谢产物的H2和CO2(甲烷细菌能直接利用的一组基质)转化为乙酸(甲烷细菌能直接利用的另一种基质)。由于它是中间产物的横向转换,因而没有将它算作独立的有机物纵向降解阶段。

        ① — 发酵性细菌;② — 产氢产乙酸细菌;③ — 同型产乙酸菌;
        ④ — 利用H2和CO2的产甲烷菌;⑤ — 分解乙酸的产甲烷菌;
        图1   厌氧生物处理全过程示意

                根据有机物在厌氧生物处理过程中所要求达到的分解程度的不同,可将厌氧生物处理工艺分为两种大的类型,即水解酸化处理和甲烷化处理。水解酸化处理是一种不完全或不彻底的有机物厌氧降解过程,仅经历上述厌氧生物处理的第一阶段和第二阶段,最终发酵产物是主要是水溶性的有机酸及少量的醇和酮等。
                水解酸化的目的仅在于使复杂的有机物经过水解和发酵,转化为简单的有机物,为后续的好氧生物处理准备易于氧化分解的有机基质。因而,它仅是一种生物预处理工序,或者是厌氧—好氧联合生化处理系统中的前期处理工序。
                水解酸化过程中废水的COD或BOD值的变化可能有三种情况:(1)降低了,但最大不超过20~30%;(2)基本上为降低,如葡萄糖转化为丙酸、乙酸和甲酸的发酵;(3)个别情况下会略有升高,如将难化学氧化物转化为易化学氧化物时。
                 由于基质的多样性和复杂性,致使参与厌氧消化的细菌种群比较复杂,有机和无机基质的转化关系也较为多样化,除了上述主要厌氧细菌种群及其参与的降解过程外,还包括硫酸盐还原菌(SRB)和硝酸盐还原菌(NRB)对还原性有机物的氧化作用,生产HCO3-、乙醇、H2S和NH3;以及SRB和NRB对乙醇的氧化作用,生产HCO3-等。
                 甲烷化处理是一种完全的或彻底的有机厌氧降解过程,全部经历厌氧生物处理的三个阶段,以气态的甲烷和二氧化碳为最终降解产物。甲烷发酵具有以下两个特点:(1)有机物一旦转化为气态产物后,废水中构成COD和BOD的化学物质(主要为有机碳)即以CH4和CO2的形式逸出。因此,它是一种降低COD和BOD的方法。(2)由于有机物的最终转化产物中含有大量高热值的CH4气体,因此它也是一种能产能或回收生物能的处理方法。
         
         

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