厌氧反应器的四个反应阶段及反应原理

厌氧反应四个阶段
一般来说，废水中复杂有机物物料比较多，通过厌氧分解分四个阶段加以降解：
（1）水解阶段：高分子有机物由于其大分子体积，不能直接通过厌氧菌的细胞壁，需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的有机物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被分解成短肽和氨基酸。分解后的这些小分子能够通过细胞壁进入到细胞的体内进行下一步的分解。
（2）酸化阶段：上述的小分子有机物进入到细胞体内转化成更为简单的化合物并被分配到细胞外，这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸（vfa），同时还有部分的醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。
（3）产乙酸阶段：在此阶段，上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、氢气以及新的细胞物质。
（4）产甲烷阶段：在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化成甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程最为重要的阶段和整个厌氧反应过程的限速阶段。
水解反应
水解可定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化成简单的溶解性单体和二聚体的过程。水解反应针对不同的废水类型差别很大，这要取决于胞外酶能否有效的接触到底物。因此，大的颗粒比小颗粒底物要难降解很多，比如造纸废水、印染废水和制药废水的木质素、大分子纤维素就很难水解。
水解速度的可由以下动力学方程加以描述：
ρ=ρo/(1+kh.t)
ρ ——可降解的非溶解性底物浓度（g/l）；
ρo———非溶解性底物的初始浓度（g/l）；
kh——水解常数（d－1）；
t——停留时间（d）。
一般来说，影响kh的因素很多，很难确定一个特定的方程来求解kh，但我们可以根据一些特定条件的kh，反推导出水解反应器的容积和非常好的反应条件。在实际工程实施中，有条件的话，应针对要处理的废水作一些kh的测试工作。通过对国内外一些报道的研究，提出在低温下水解对脂肪和蛋白质的降解速率非常慢，这个时候，可以不考虑厌氧处理方式。对于生活污水来说，在温度15的情况下，kh=0.2左右。但在水解阶段我们不需要过多的cod去除效果，而且在一个反应器中你很难严格的把厌氧反应的几个阶段区分开来，一旦停留时间过长，对工程的经济性就不太实用。如果就单独的水解反应针对生活污水来说，cod可以控制到0.1的去除效果就可以了。
把这些参数和给定的条件代入到水解动力学方程中，可以得到停留水解停留时间：
t=13.44h
这对于水解和后续阶段处于一个反应器中厌氧处理单元来说是一个很短的时间，在实际工程中也完全可以实现。如果有条件的地方我们可以适当提高废水的反应温度，这样反应时间还会大大缩短。而且一般对于城市污水来说，长的排水管网和废水中本生的生物多样性，所以当废水流到废水处理场时，这个过程也在很大程度上完成，到目前为止还没有看到关于水解作为生活污水厌氧反应的限速报道。
发酵酸化反应
发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程，在此过程中有机物被转化成以挥发性脂肪酸为主的末端产物。
酸化过程是由大量的、多种多样的发酵细菌来完成的，在这些细菌中大部分是专性厌氧菌，只有1%是兼性厌氧菌，但正是这1%的兼性菌在反应器受到氧气的冲击时，能迅速消耗掉这些氧气，保持废水低的氧化还原电位，同时也保护了产甲烷菌的运行条件。
酸化过程的底物取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生物种群。对于一个稳态的反应器来说，乙酸、二氧化碳、氢气则是酸化反应的最主要产物。这些都是产甲烷阶段所需要的底物。
在这个阶段产生两种重要的厌氧反应是否正常的底物就是挥发性脂肪酸（vfa）和氨氮。vfa过高会使废水的ph下降，逐渐影响到产甲烷菌的正常进行，使产气量减小，同时整个反应的自然碱度也会较少，系统平衡ph的能力减弱，整个反应会形成恶性循环，使得整个反应器最终失败。氨氮它起到一个平衡的作用，一方面，它能够中和一部分vfa，使废水ph具有更大的缓冲能力，同时又给生物体合成自生生长需要的营养物质，但过高的氨氮会给微生物带来毒性，废水中的氨氮主要是由于蛋白质的分解带来的，典型的生活污水中含有20-50mg/l左右的氨氮，这个范围是厌氧微生物非常理想的范围。
另外一个重要指标就是废水中氢气的浓度，以含碳17的脂肪酸降解为例：
ch3(ch2)15coo-+14h2o—> 7ch3coo-+ch3ch2coo-+7h++14h2
产乙酸反应
发酵阶段的产物挥发性脂肪酸vfa在产乙酸阶段进一步降解成乙酸，其常用反应式如以下几种：
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
产甲烷反应
在厌氧反应中，大约有70%左右的甲烷由乙酸歧化菌产生，这也是这几个阶段中遵循莫诺方程反应的阶段。
另一类产生甲烷的微生物是由氢气和二氧化碳形成的。在正常条件下，他们大约占30%左右。其中约有一般的嗜氢细菌也能利用甲酸产生甲烷。最主要的产甲烷过程反应有：
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
在甲烷的形成过程中，主要的中间产物是甲基辅酶m（ch3-s-ch2-so3-）。

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