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厭氧發(fā)酵的基本理論與影響因素

發(fā)布時間:2024-07-10
在制藥、造紙、食品、釀酒等工業(yè)生產過程中,會產生大量高濃度有機廢水。工業(yè)廢水的厭氧發(fā)酵處理是一種具有可行性的資源化處理技術,已經有一百多年的歷史,在現階段能源緊缺的情況下,厭氧發(fā)酵處理工業(yè)廢水是一種可以在不產生二次污染的同時供應能源的環(huán)保新技術。厭氧發(fā)酵不僅能夠降低廢水中污染物濃度,過程中產生的代謝產物甲烷有較高肥效,具有降低溫室氣體排放的巨大潛力,作為目前*具前景的生物質能源利用技術之一而備受關注。
一、厭氧發(fā)酵的基本理論
厭氧發(fā)酵的4個基本過程可分為水解過程、發(fā)酵過程、產氫產乙酸過程和產甲烷過程,按基本過程的劃分厭氧發(fā)酵的基本理論可以分為二階段理論、三階段理論和四階段理論。
1.1二階段理論
二階段理論包括酸性發(fā)酵階段和甲烷發(fā)酵階段,酸性發(fā)酵階段是厭氧酸性發(fā)酵細菌將大分子有機物分解成小分子中間產物如二氧化碳、氫氣、羧酸類和醇類等。在甲烷發(fā)酵階段,酸性發(fā)酵階段產生的中間產物在產甲烷菌的作用下轉化成甲烷。
1.2三階段理論
三階段理論比二階段理論多了一個水解發(fā)酵階段,在這個階段,專性厭氧菌和兼性厭氧菌把復雜的有機物分解成較為簡單的有機物,如纖維素分解成簡單的糖類,蛋白質分解成氨基酸,脂類分解成脂肪酸和甘油等。然后產酸菌把這些簡單有機物分解成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類等。
1.3四階段理論
四階段理論就是把三階段理論的水解發(fā)酵階段分成兩步,四階段包括復雜有機物分解成簡單有機物的水解階段、簡單有機物發(fā)酵生成揮發(fā)性脂肪酸和醇類的發(fā)酵階段、中間產物進一步轉化為乙酸和氫氣的產氫產乙酸階段、乙酸和氫氣轉化為甲烷的產甲烷階段。
二、厭氧發(fā)酵的影響因素
厭氧發(fā)酵過程受到多種因素的影響作用,如ph、發(fā)酵溫度、碳氮比、微量元素、有機負荷、污泥濃度等。
2.1ph
在厭氧發(fā)酵過程中,產甲烷菌適宜的ph在6.8~7.2之間,ph在6.4以下和9以上都會對產甲烷菌產生抑制作用。厭氧發(fā)酵過程中ph的變化是一個動態(tài)平衡過程,一般情況下不用人為去調節(jié)。
2.2溫度
溫度是通過影響細菌生長代謝以及酶活性來影響厭氧發(fā)酵效果的,理論上來講,溫度在10~60℃,厭氧發(fā)酵都能正常產氣。厭氧發(fā)酵按溫度可以分為低溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵:低溫(10~30℃)、中溫(30~40℃)和高溫(50~60℃)。在一定的溫度范圍內,厭氧發(fā)酵的產氣量和產氣率都隨著溫度的升高而增高。
2.3碳氮比(c/n)
物料碳氮比能直接影響厭氧發(fā)酵的處理效率和厭氧微生物的增長。通常認為只要c/n比達到(22~35):1,就可以滿足厭氧發(fā)酵的營養(yǎng)要求。如果c/n高,反應器內氮源不足,系統的緩沖能力比較低,容易造成揮發(fā)性脂肪酸的累積,使得ph下降。如果c/n低,反應器內氮量過多,ph容易上升,會導致銨鹽的累積,進而抑制厭氧發(fā)酵進程??傊^高或過低的c/n都會減弱厭氧微生物的活性,進而影響厭氧發(fā)酵效果。
2.4微量元素
微量元素鐵(fe)、鈷(co)、鎳(ni)等可以促進產甲烷菌的生長,在微生物的酶系統中對產甲烷階段起調控作用,加快甲烷的生成進度。微量元素不僅可以提高揮發(fā)性脂肪酸的轉化效率,從而消除揮發(fā)性脂肪酸在厭氧發(fā)酵系統中的積累,提高甲烷產量,而且還可以拮抗氨氮和鈉離子的抑制作用,進一步保證了厭氧發(fā)酵系統的穩(wěn)定運行。
2.5有機負荷
有機負荷是厭氧發(fā)酵的重要影響因素,在一定范圍內沼氣和甲烷產量隨著有機負荷的增加而增加。但有機負荷如果過高的話,往往會導致反應器內丙酸的累積,使得反應器“酸化冶,從而抑制產甲烷菌的生長,嚴重的話會使得厭氧發(fā)酵反應失敗。而有機負荷過低的話,會影響厭氧發(fā)酵效率,降低產氣率,增加厭氧發(fā)酵的運行成本。
2.6污泥濃度
厭氧發(fā)酵反應體系中的污泥濃度也是影響厭氧發(fā)酵的關鍵因素,污泥濃度低,發(fā)酵系統中產甲烷菌的濃度也低,難以快速降解在產酸過程中產生的小分子物質,會造成揮發(fā)性脂肪酸的累積,使得發(fā)酵速率變慢,產氣周期增長,嚴重時就會導致厭氧發(fā)酵反應失敗。污泥濃度高,會縮短厭氧發(fā)酵的啟動周期,提高厭氧發(fā)酵處理效率,但過高的污泥濃度則會降低厭氧發(fā)酵物料的處理效率。
2.7有毒物質
氨氮、重金屬、硫酸鹽等物質,都會嚴重影響產甲烷菌的生長增殖,特別是硫酸鹽,很容易抑制厭氧發(fā)酵的產甲烷過程,使得反應失敗。加入鐵(fe)、鈷(co)、鎳(ni)等金屬元素,可以有效緩沖有毒物質的毒害,促進產甲烷進程。
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