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厭氧生物處理的基本原理，厭氧生物處理的機理

生物
2023-05-30

目錄
厭氧生物處理的三個階段
厭氧消化四階段理論圖
厭氧生物處理的機理
厭氧處理污水的原理
好氧和厭氧生物處理原理

厭氧生物處理的三個階段

厭氧生物一般進行無氧呼吸，把葡萄糖分解成肆棚賀乳酸，醋酸和頃和酒精獲取少量能量，酒，醋，裂派酸奶，泡菜都是靠它們的無氧呼吸得來的

厭氧消化四階段理論圖

根據(jù)厭氧四階段來解前滲肢釋

（1）第一階段:水解、發(fā)酵階段（發(fā)酵性細菌）

由厭氧或兼性厭氧慧世發(fā)酵性細菌起主要作用.主要功能有兩種：（1）水解-在胞外酶的作用下將不溶性有機物水解成可溶性有機物；（2）酸化-將可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化成脂肪酸、醇類等.

這些細菌的水解過程較緩慢,并受多種因素（pH、SRT、有機物種類等）影響,有時會成為厭氧反應(yīng)的限速步驟.

(2)第二階段:產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段階段（產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌）

厭氧或兼性厭氧產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌在厭氧消化中的生理功能是將第一階段的發(fā)酵產(chǎn)物如高級脂肪酸和醇類等氧化分解成乙酸、 H2和CO2 ,為產(chǎn)甲烷菌提供合適的基質(zhì).

主要的反應(yīng)過程如下：

CH3CH2COOH +2H2O→CH3COOH+CO2+3H2

CH3CH2OH+H2O→CH3COOH+2H2

(3)第三階段:耗氫產(chǎn)乙酸階段階段（同型產(chǎn)乙酸菌）

同型產(chǎn)乙酸菌,它們既能利用H2、CO2生成乙酸,也能代謝糖類生成乙酸.

2CO2+4H2→CH3COOH+2H2O

C6H12O6→3CH3COOH

（4）第四階段:產(chǎn)甲烷階段（耗乙酸產(chǎn)喊腔甲烷菌、耗氫產(chǎn)甲烷菌）

由嚴格厭氧的產(chǎn)甲烷菌群來完成,其主要功能是將產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物乙酸、甲醇、甲胺、H2/CO2等轉(zhuǎn)化為CH4和CO2 .

生成CH4的主要反應(yīng)如下：

CH3COOH→CH4+CO2

CH3COONH4+H2O→CH4+NH4HCO3

4H2+CO2→CH4+2H2O

4HCOOH→CH4+3CO2+2H2O

4CH3OH→3CH4+CO2+2H2O

在此過程中,可降解的有機物逐漸被厭氧菌群分解利用,產(chǎn)生沼氣,有機氮被分解形成氨氮,有機分解形成磷酸鹽,導(dǎo)致厭氧消化液的高氨氮高磷特性.

厭氧生物處理的機理

厭氧生物處理的基本原理如下：

其基本原理是通過控制厭氧微生物的生長和代謝過程,將有機廢水中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為沼氣和有機肥料,從而達到凈化態(tài)簡水質(zhì)的目的。

水的凈化方法：物理處理法、化學(xué)處理法、物理化學(xué)法和生物處理法。

水的凈化方法不只靜置沉淀、吸附沉淀、過濾、蒸餾，這些歸類在物理凈化中，大量的凈化水，如實驗室用水一般用去離子水，采用離子交換的方法獲得，屬于物化方法。具體的凈化水方法有四大類：即物理處理法、化學(xué)處理法、物理化學(xué)法和生物處理法。

物理處理法，通過物理作用，以分離、回收廢水中不溶解的呈懸浮狀態(tài)污染物質(zhì)（包括油膜和油珠），常用的有重力分離法、離心分離法、過濾法等。

化學(xué)處理法，向污水中投加某種化學(xué)物質(zhì)，利用化學(xué)反應(yīng)來分離、回收污水中的污染物質(zhì)，常用的有化學(xué)沉淀法、混凝法、中和法、氧化還原（包括電解）法等。

物理化學(xué)法，利用物理化學(xué)作纖和用去除廢水中的污染物質(zhì)，主要有吸附法、離子交換法、膜分離法、萃取法等。

生物處理法，通過微生物的代謝作用，使廢水中呈溶液、膠體以及微細懸浮狀態(tài)的有機性污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無害的物質(zhì)，可分為好氧生物處理法和厭氧生物處理法。

常用的水凈化方法如下：

靜置沉淀法：利用明礬溶于水后生成的膠狀物對雜質(zhì)的吸附，使雜質(zhì)沉淀，來達到凈水的目的。

吸附沉淀法：用具有吸附作用的固體過濾液體，可以濾去液體中的不溶性物質(zhì)，還可以吸附一些溶解的雜質(zhì)，除去臭味。如：有些凈水器就是利用活性炭來吸附、過濾水中的雜質(zhì)的。經(jīng)過凈化后的水雖然邊澄清了，但所得的水仍然不是純水。

過濾：把不溶于液體的固體物質(zhì)與液體分開的一種方法。

蒸餾：根據(jù)各物質(zhì)沸點不同的原理把相互溶解的液體物質(zhì)進行分離的一種方法。凈化程度相對較高。制取蒸餾水的過程是物理變化。

殺菌：水中含有細菌、病菌?？煞湃脒m量的藥物進行殺菌、消毒。如：漂白粉、氯氣及新帆豎褲型消毒劑二氧化氯等。

煮沸：溶有較多含鈣、鎂物質(zhì)的水是硬水，長期飲用硬水對人體健康不利，生活中可用煮沸的方法減少或消除硬水的危害。

凈水器凈化：可以過濾水中的一些致癌物質(zhì)和殺死的病毒等。

厭氧處理污水的原理

高分子有機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段：水解階段、發(fā)酵(或酸化)階段、產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化為簡單的溶解性單體或二聚體的過程。

高分子有機物因相對分子量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。它們在第一階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如，纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白質(zhì)酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產(chǎn)物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。水解過程通常較緩慢，因此被認為是含高分子有機物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、有機物的組成、水解產(chǎn)物的濃度等可能影響水解的速度與氏瞎水解的程度。水解速度的可由以下動力學(xué)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）發(fā)酵可定義為有機物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過程，在此過程中溶解性有機物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，因此這一過程也稱為酸化。

在這一階段，上述小分子的化合物發(fā)酵細菌（即酸化菌）的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外。發(fā)酵細菌絕大多數(shù)是嚴格厭氧菌，但通常有約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環(huán)境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護像甲烷菌這樣的嚴格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等，產(chǎn)物的組成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。與此同時，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細胞物質(zhì)，因此，未酸化廢水厭氧處理時產(chǎn)生更多的剩余污泥。

在厭氧降解過程中，酸化細菌對酸的耐衡核罩受力必須加以考慮。酸化過程pH下降到4時能可以進行。但是產(chǎn)甲烷過程，因此pH值的下降將會減少甲烷的生成和氫的消耗，并進一步引起酸化末端產(chǎn)物組成的改變。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，上一階段的產(chǎn)物被進一步轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質(zhì)。

其某些反應(yīng)式如下：

CH3CHOHCOO-+2H2O —咐鬧> 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 這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質(zhì)。

甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳和氫氣等轉(zhuǎn)化為甲烷的過程有兩種生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的1/3，后者約占2/3。

最主要的產(chǎn)甲烷過程反應(yīng)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

在甲烷的形成過程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3-）。

需要指出的是：一些書把厭氧消化過程分為三個階段，把第一、第二階段合成為一個階段，稱為水解酸化階段。在這里我們則認為分為四個階段能更清楚反應(yīng)厭氧消化過程。

上述四個階段的反應(yīng)速度依廢水的性質(zhì)而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解，對含這類有機物的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。雖然厭氧消化過程可分為以上四個過程，但是在厭氧反應(yīng)器中，四個階段是同時進行的，并保持某種程度的動態(tài)平衡。該平衡一旦被pH值、溫度、有機負荷等外加因素所破壞，則首先將使產(chǎn)甲烷階段受到抑制，其結(jié)果會導(dǎo)致低級脂肪酸的積存和厭氧進程的異常變化，甚至導(dǎo)致整個消化過程停滯。