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水解酸化與厭氧消化的區(qū)別
2023-12-2 閱讀(391)
水解酸化與厭氧消化是很常見(jiàn)的細(xì)菌厭氧代謝的利用，本文兩者有什么異同點(diǎn)，本文將詳細(xì)的介紹一下！
一、厭氧的四階段理論
1、水解階段
水解過(guò)程是指復(fù)雜的固體有機(jī)物在水解酶的作用下被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體。微生物無(wú)法直接代謝碳水化合物(如淀粉、木質(zhì)纖維素等)、蛋白和脂肪等生物大分子，必須先降解為可溶性聚合物或者單體化合物才能被酸化菌群利用。淀粉在淀粉mei作用下被水解成麥芽糖、葡萄糖和糊精。纖維素是由糖苦鍵結(jié)合成纖維二糖再聚合而成的，在多種纖維素酶的協(xié)同作用下水解成糖。由于自然狀態(tài)下的纖維素一般都與木質(zhì)素結(jié)合成高度聚合狀態(tài)，以抵抗微生物的分解，所以纖維素降解是沼氣發(fā)酵限速步驟之一。蛋白質(zhì)是植物合成的一種重要產(chǎn)物，它在蛋白酶作用下肽鍵斷裂生成二肽和多肽，再生成各種氨基酸。脂肪首先在脂肪水解酶的作用下水解為長(zhǎng)鏈脂肪酸及甘油，甘油在甘油激酶催化下生成憐酸甘油，繼而被氧化為憐酸二輕丙酮，再經(jīng)異構(gòu)化生成磷酸甘油酸，經(jīng)糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，最終進(jìn)入糖酵解途徑實(shí)現(xiàn)徹di氧化及利用。
2、酸化階段
產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程是指將溶解性單體或二聚體形式的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以短鏈脂肪酸或醇為主的末端產(chǎn)物。這些水解成的單體會(huì)進(jìn)一步被微生物降解成揮發(fā)性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化產(chǎn)物和氫、二氧化碳，并分泌到細(xì)胞外。產(chǎn)酸菌是一類(lèi)快速生長(zhǎng)的細(xì)菌，它們傾向于生產(chǎn)乙酸，這樣能獲取最高的能量以維持自身生長(zhǎng)。末端產(chǎn)物組成取決于灰氧降解條件、底物種類(lèi)和參與生化反應(yīng)的微生物種類(lèi)同時(shí)氨基酸的降解首先通過(guò)氧化還原氮反應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫氨基作用，生成有機(jī)酸、氫氣及二氧化碳。
3、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段
該階段主要是將水解產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的兩個(gè)碳以上的有機(jī)酸或醇類(lèi)等物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為乙酸、和等可為甲烷菌直接利用的小分子物質(zhì)的過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)情況下，有機(jī)酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行，氫氣會(huì)抑制此步反應(yīng)的進(jìn)行，降低系統(tǒng)的氫分壓有利于產(chǎn)物產(chǎn)生。如果氫分壓超過(guò)大氣壓，有機(jī)酸濃度增大，甲烷產(chǎn)量受到抑制。避免氫氣在此階段的積累尤其重要。在厭氧過(guò)程中，氫分壓的降低必須依靠氫營(yíng)養(yǎng)菌來(lái)完成。
4、甲烷化階段
產(chǎn)甲烷階段是由嚴(yán)格專(zhuān)性厭氧的產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、一碳化合物和H2、CO2等轉(zhuǎn)化為CH4和CO2的過(guò)程。大約的甲烷來(lái)自于乙酸的分解，是由乙酸歧化菌通過(guò)代謝乙酸鹽的甲基基團(tuán)生成，剩下的28%由CO2和H2合成。產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝速率一般較慢，對(duì)于溶解性有機(jī)物厭氧消化過(guò)程，產(chǎn)甲烷階段是整個(gè)厭氧消化工藝的限速。
二、水解(酸化)池與厭氧消化的區(qū)別
從原理上講，水解(酸化)是厭氧消化過(guò)程的第一、二兩個(gè)階段但水解(酸化)工藝和厭氧消化追求的目標(biāo)不同，因此是截然不同的處理方法。
水解(酸化)系統(tǒng)中的的目的主要是將原水中的非溶解態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)有機(jī)物，特別是工業(yè)廢水處理，主要是將其中難生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐咨锝到馕镔|(zhì)，提高廢水的可生化性，以利于后續(xù)的好氧生物處理。考慮到后續(xù)好氧處理的能耗問(wèn)題，水解(酸化)主要用于低濃度難降解廢水的預(yù)處理。在混合厭氧消化系統(tǒng)中，水解酸化是和整個(gè)消化過(guò)程有機(jī)地結(jié)臺(tái)在一起，共處于一個(gè)反應(yīng)器中，水解、酸化的目的是為混合厭氧消化過(guò)程中的甲烷化階段提供基質(zhì)。而兩相厭氧消化中的產(chǎn)酸段(產(chǎn)酸相)是將混合厭氧消化中的產(chǎn)酸段和產(chǎn)甲烷段分開(kāi)，以便形成各自的最佳環(huán)境，同時(shí)，產(chǎn)酸相對(duì)所產(chǎn)生的酸的形態(tài)也有要求(主要為乙酸)。
此外，廢水中如含有高濃度的硝咳鹽、亞硝酸鹽、硫酸盆、亞硫酸鹽時(shí)，這些物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物不僅對(duì)甲烷苗有毒，而且影響沼氣的質(zhì)量，也在產(chǎn)酸相中予以去除。因此，盡管水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段、兩相法厭氧發(fā)酵工藝中的產(chǎn)酸相和混合厭氧消化工藝中的產(chǎn)酸過(guò)程均產(chǎn)生有機(jī)酸，但由于三者的處理目的不同，各自的運(yùn)行環(huán)境和條件存在著明顯的差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1、Eh不同
在混合厭氧消化系統(tǒng)中，由于完成水解、酸化的微生物和產(chǎn)甲烷微生物共處于同一反應(yīng)器中，整個(gè)反應(yīng)器的氧化還原電位Eh的控制必須首先滿(mǎn)足對(duì)Eh要求嚴(yán)格的甲烷菌，一般為一300mV以下，因此。系統(tǒng)中的水解(酸化)微生物也是在這一電位值下工作的。而兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的氧化還原電位一般控制在一100mV一一300mV之間。據(jù)研究，水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段為——典型的兼性過(guò)程，只要置Eh控制在+50mv以下，該過(guò)程即可順利進(jìn)行。
2、pH值不同
在混合厭氧消化系統(tǒng)中，消化液的pH值控制在甲烷菌生氏的最佳pH范圍，一般為6.8—7.2。而在兩相厭氧消化系統(tǒng)中，產(chǎn)酸相的pH值一般控制在6.0一6.5之間，pH降低時(shí)，盡管產(chǎn)酸的速率增大，但形成的有機(jī)酸形態(tài)將發(fā)生變化，丙酸的相對(duì)含量增大，而丙酸對(duì)后續(xù)的甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。對(duì)于水解(酸化)一好氧處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于后續(xù)處理為好氧氧化，不存在丙酸的抑制問(wèn)題，因此，控制的pH范圍也較寬，從而可獲得較高的水解(酸化)速率，一般pH維持在5.5—6.5之間。
3、溫度不同
三種工藝對(duì)溫度的控制也不同，通?；旌蠀捬跸到y(tǒng)以及兩相厭氧消化系統(tǒng)的溫度均嚴(yán)格控制，要么中溫消化(30一35oC)，要么高溫消化(50一55oC)。而水解(酸化)一好氧處理工藝中的水解(酸化)段對(duì)工作溫度無(wú)特殊要求，通常在常溫下運(yùn)行，也可獲得較為滿(mǎn)意的水解(酸化)效果。
三、影響水解(酸化)過(guò)程的主要因素
1、基質(zhì)的種類(lèi)和形態(tài)
基質(zhì)的種類(lèi)和形態(tài)對(duì)水解(酸化)過(guò)程的速率有著重要影響。就多糖、蛋白質(zhì)和脂肪三類(lèi)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，在相同的操作條件下，水解速率依次減小。同類(lèi)有機(jī)物，分子量越大，水解越困難，相應(yīng)池水解速率就越小。比如，就糖類(lèi)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，二聚糖比三聚糖容易水解；低聚糖比高聚糖容易水解。就分子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，直鏈比支鏈易于水解；支鏈比環(huán)狀易于水解；單環(huán)化合物比雜環(huán)或多環(huán)化合物易于水解。
2、水解液的pH值
水解液的pH值主要影響水解的速率、水解(酸化)的產(chǎn)物以及污泥的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。大量研究結(jié)果表明，水解(酸化)微生物對(duì)pH值變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，水解過(guò)程可在pH值寬達(dá)3.5—10.0的范圍內(nèi)順利進(jìn)行，但最佳的pH值為5.5—6.5。pH朝酸性方向或堿性方向移動(dòng)時(shí)，水解速率都將減小。水解液pH值同時(shí)還影響水解產(chǎn)物的種類(lèi)和含量。
3、水力停留時(shí)間
水力停留時(shí)間是水解反應(yīng)器運(yùn)行控制的重要參數(shù)之一。它對(duì)反應(yīng)器的影響，隨著反應(yīng)器的功能不同而不同。對(duì)于單純以水解為目的的反應(yīng)器，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，被水解物質(zhì)與水解微生物接觸時(shí)間也就越長(zhǎng)，相應(yīng)地水解效率也就越高。一般為3-4小時(shí)。
4、溫度
水解反應(yīng)是一典型的生物反向，因此.溫度變化對(duì)水解反應(yīng)的影響符合一般的生物反應(yīng)規(guī)律，即在一定的范圍內(nèi)，溫度越高，水解反應(yīng)的速率越大。但研究表明，當(dāng)溫度在10一20 oC之間變化時(shí)，水解反應(yīng)速率變化不大，由此說(shuō)明，水解微生物對(duì)低溫變化的適應(yīng)較強(qiáng)。
5、粒徑
粒徑是影響顆粒狀有機(jī)物水解(酸化)速率的重要因素之—粒徑越大，單位重量有機(jī)物的比表面積越小.水解速率也就越小。由于顆粒態(tài)有機(jī)物的粒徑對(duì)水解速宰相效率影響較大，因此，一些研究者建議，對(duì)含顆粒態(tài)有機(jī)物濃度較高的廢水或污泥，在進(jìn)入水解反應(yīng)器前可利用泵或研磨機(jī)破碎，以減小污染物的粒徑，從而加快水解反應(yīng)的進(jìn)行。
四、影響厭氧消化的主要因素
1、溫度
在厭氧消化過(guò)程中，溫度的范圍是很寬泛的，從低溫到高溫都存在。例如北極下水道中發(fā)現(xiàn)有極低溫度下存活的甲烷菌。通常我們依據(jù)微生物活性把溫度范圍分為三類(lèi)：一類(lèi)是嗜寒的，溫度范圍從10℃~20℃；—類(lèi)是嗜溫的，溫度范圍從20℃~45℃：，通常使用37℃；一類(lèi)是嗜熱的，溫度范圍從50~65℃，通常是55℃。
2、碳氮比
碳氮比的關(guān)系是指有機(jī)原料中總碳和總氮的比例。厭氧消化過(guò)程中碳氮比是有最適范圍的，一般是從20:1到30:1，既不能太高也不能太低，否則都會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生影響。不合適的碳氮比會(huì)造成大量的氨態(tài)氮的釋放或是揮發(fā)性脂肪酸的過(guò)度累積，而氨態(tài)氮和摔發(fā)性脂脅酸郁是厭氧消化中重要的中間產(chǎn)物，不合適的濃度都會(huì)抑制甲烷發(fā)酵過(guò)程。
3、酸堿度
pH值是反映水相體系中酸濃度的重耍指標(biāo)之一。厭氧發(fā)酵菌尤其是產(chǎn)甲烷菌對(duì)反應(yīng)體系中的酸濃度是極為敏感的。較低pH值條件下，甲烷菌的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制。許多研究者己經(jīng)研究厭氧消化中不同階段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。
4、有機(jī)負(fù)荷量
有機(jī)負(fù)荷是指消化反應(yīng)器單位容積單位時(shí)間內(nèi)所承受的揮發(fā)性有機(jī)物量，它是消化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù)。有機(jī)負(fù)荷的高低與處理物料的性質(zhì)、消化溫度、所采用的工藝等有關(guān)。研究表明，對(duì)于處理蔬菜、水果、廚余等易降解的有機(jī)垃圾，有機(jī)負(fù)荷一般為1～6.8kg VS/(m3·d)。
