化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
厭氧反應器的四個反應階段及反應原理
閱讀：15787 發(fā)布時間：2019-6-10厭氧反應四個階段
一般來說，廢水中復雜機物物料比較多，通過厭氧分解分四個階段加以降解：
（1）水解階段：高分子機物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中的機物質(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細胞壁進入到細胞的體內(nèi)進行下一步的分解。
（2）酸化階段：上述的小分子機物進入到細胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），同時還部分的醇類、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)物進一步被轉(zhuǎn)化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細胞物質(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、二氧化碳和新的細胞物質(zhì)。這一階段也是整個厭氧過程為重要的階段和整個厭氧反應過程的限速階段。
水解反應
水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化成簡單的溶解性單體和二聚體的過程。水解反應針對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力學方程加以描述：
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——停留時間（d）。
一般來說，影響Kh的因素很多，很難確定一個定的方程來求解Kh，但我們可以根據(jù)一些定條件的Kh，反推導出水解反應器的容積和非常好的反應條件。在實際工程實施中，條件的話，應針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作。通過對內(nèi)外一些報道的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個時候，可以不考慮厭氧處理方式。對于生活污水來說，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多的COD去除效果，而且在一個反應器中你很難嚴格的把厭氧反應的幾個階段區(qū)分開來，一旦停留時間過長，對工程的性就不太。如果就單的水解反應針對生活污水來說，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力學方程中，可以得到停留水解停留時間：
T=13.44h
這對于水解和后續(xù)階段處于一個反應器中厭氧處理單元來說是一個很短的時間，在實際工程中也完可以實現(xiàn)。如果條件的地方我們可以適當提高廢水的反應溫度，這樣反應時間還會大大縮短。而且一般對于城市污水來說，長的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當廢水流到廢水處理場時，這個過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反應的限速報道。
發(fā)酵酸化反應
發(fā)酵可以被定義為機化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程，在此過程中機物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物。
酸化過程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細菌來完成的，在這些細菌中大部分是專性厭氧菌，只1%是兼性厭氧菌，但正是這1%的兼性菌在反應器受到氧氣的沖擊時，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化還原電位，同時也保護了產(chǎn)甲烷菌的運行條件。
酸化過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。對于一個穩(wěn)態(tài)的反應器來說，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反應的主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。
在這個階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反應是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA過高會使廢水的PH下降，逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進行，使產(chǎn)氣量減小，同時整個反應的自然堿度也會較少，系統(tǒng)平衡PH的能力減弱，整個反應會形成惡性循環(huán)，使得整個反應器終失敗。氨氮它起到一個平衡的，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH具更大的緩沖能力，同時又給生物體合成自生生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)，但過高的氨氮會給微生物帶來毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來的，的生活污水中含20-50mg/l左右的氨氮，這個范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。
另外一個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
發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進一步降解成乙酸，其常用反應式如以下幾種：
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
在厭氧反應中，大約70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個階段中遵循莫諾方程反應的階段。
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菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。主要的產(chǎn)甲烷過程反應：
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
在甲烷的形成過程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。