厭氧轉(zhuǎn)化過程的相分離理論
廢水中有機(jī)污染物的厭氧生物轉(zhuǎn)化過程實(shí)際是在一定條件下通過一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)完成的。廢水中的有機(jī)物經(jīng)大量起不同功能的微生物種群的共同作用，由底物轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為沼氣、水和氨等終產(chǎn)物。其中各種群微生物的代謝過程相互影響、彼此制約，形成一個(gè)類似于宏觀生態(tài)的復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，各類微生物間通過營養(yǎng)底物的代謝產(chǎn)物形成共生或共營關(guān)系。因而，為使處于此微生態(tài)系統(tǒng)中的各類微生物正常生長繁殖、使其中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和能量的流動(dòng)高效暢通而獲得穩(wěn)定高效的處理效果，必須根據(jù)厭氧反應(yīng)過程的機(jī)理，對(duì)厭氧反應(yīng)器工藝進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
從生物化學(xué)和微生物學(xué)的角度，厭氧生物處理過程中有機(jī)物(尤其是復(fù)雜有機(jī)物——在廢水中以懸浮物或膠體形態(tài)存在的高分子有機(jī)物)的降解途徑可分為水解、發(fā)酵產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷四個(gè)階段(如下圖)。
水解酸化階段利用微生物的胞外酶對(duì)不能通過細(xì)胞膜為微生物直接利用的大分子有機(jī)物分解為小分子的過程，這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶于水并透過細(xì)胞膜而為微生物利用，例如淀粉通過淀粉酶的作用而被水解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為短肽和氨基酸，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖和葡萄糖等。發(fā)酵產(chǎn)酸階段則在發(fā)酵菌(酸化菌)的作用下降上述水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為更簡單的化合物并分泌到細(xì)胞外，其主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、春類、乳酸、二氧化碳、氫、氨、硫化氫等。同時(shí)，酸化菌亦利用部分基質(zhì)以合成新的細(xì)胞物質(zhì)(因而未酸化廢水進(jìn)行厭氧處理時(shí)將產(chǎn)生較多的剩余污泥)。上述發(fā)酵產(chǎn)物將在產(chǎn)乙酸階段進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為乙酸、氫、碳酸及新的細(xì)胞物質(zhì)，這些產(chǎn)物最后通過產(chǎn)甲烷作用而被最終轉(zhuǎn)化為沼氣等終產(chǎn)物和新的細(xì)胞物質(zhì)。
根據(jù)所處理廢水中所含污染物類型的不同，上述厭氧分解的階段有所不同，但總是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的連續(xù)的微生物反應(yīng)過程，不同微生物僅能利用某些特定的底物、具有不同的生長繁殖速度并需要不同的環(huán)境條件。其中產(chǎn)酸菌(包括酸化和產(chǎn)乙酸菌)種類較多，代謝能力強(qiáng)，繁殖速度快，世代期最短僅需十幾分鐘，它們對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性亦較強(qiáng)(如可在pH為5~8的環(huán)境中發(fā)揮作用)，可利用的底物種類較多;產(chǎn)甲烷菌的種類則較少，可利用的底物較有限，繁殖速率慢，世代期最長可達(dá)4~6天，而且對(duì)環(huán)境條件如溫度、pH(最適pH為6.8~7.2)及有毒物質(zhì)的影響十分敏感。由于這兩大類微生物對(duì)環(huán)境條件的要求存在很大的差異(如下表)，因而在一個(gè)具有單一空間的反應(yīng)器中要維持它們?cè)跀?shù)量、對(duì)基質(zhì)的利用速度等方面的協(xié)調(diào)平衡，即保證微生態(tài)系統(tǒng)的長期正常有效運(yùn)行是很困難的，經(jīng)常發(fā)生的問題是由于產(chǎn)酸速度與產(chǎn)甲烷速度的不平衡而導(dǎo)致酸的積累，并從而使反應(yīng)器的pH降低至超出產(chǎn)甲烷菌的適宜范圍而抑制其功能的發(fā)揮，使反應(yīng)器的處理能力和效果大大降低，甚至導(dǎo)致整個(gè)工藝處理過程的失敗。兩相或多級(jí)厭氧處理的概念正是針對(duì)此問題而提出的。通過將一個(gè)反應(yīng)器隔成一定數(shù)量的空間或采用一定數(shù)量串聯(lián)的反應(yīng)器，使廢水依次流經(jīng)各空間或反應(yīng)器而創(chuàng)造利于分別培養(yǎng)發(fā)酵產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的環(huán)境條件，從而提高處理效能和運(yùn)行穩(wěn)定性。
表 產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的特性
參數(shù)發(fā)酵產(chǎn)酸菌產(chǎn)甲烷菌
種類
生長速率
對(duì) pH 的敏感性
氧化還原電位 Eh
對(duì)溫度的敏感性
對(duì)毒物的敏感性
對(duì) H 2 的敏感性
特殊輔酶多
快
不太敏感，最優(yōu) pH5.5~7.0
一般低于 -150mV ~200mV
最佳溫度 20~35 ℃
一般性敏感
敏感
沒有特殊輔酶相對(duì)較少
慢
敏感，最優(yōu) pH6.8~7.2
一般低于 -350mV~-560mV
中溫 30~38 ℃，高溫 50~55 ℃
敏感
不太敏感
含有特殊輔酶
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