请问,垃圾渗滤液中,为什么厌氧池产氢产乙酸后的剩余污泥可以回流利用,而产甲烷后的剩余污泥不能再利用
这跟产甲烷的微生物(污泥)特征有关,产甲烷细菌是一类很特别的古细菌,只能够利用非常简单的有机物:甲酸、甲醇、甲基胺类、乙酸、H2和CO2作为基质。因此,将甲烷菌回流不会产生任何效果。而产氢产乙酸的微生物能够利用较复杂的脂肪酸类、醇类,产生乙酸及H2和CO2。因此,回流产氢产乙酸污泥可以起到降解作用,而甲烷菌污泥只能在产甲烷阶段起作用。
第一阶段,水解和发酵。在这一阶段中复杂有机物在微生物(发酵菌)作用下进行水解和发酵。多糖先水解为单糖,再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。蛋白质则先水解为氨基酸,再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。脂类转化为脂肪酸和甘油,再转化为脂肪酸和醇类。
第二阶段,产氢、产乙酸(即酸化阶段)。在产氢产乙酸菌的作用下,把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物,如脂肪酸(丙酸、丁酸)和醇类(乙醇)等水溶性小分子转化为乙酸、H2和CO2。
第三阶段,产甲烷阶段。甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H2+CO2)等基质通过不同的路径转化为甲烷,其中最主要的基质为乙酸和(H2+CO2)。厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解,少量来源于H2和CO2的合成。
从发酵原料的物性变化来看,水解的结果使悬浮的固态有机物溶解,称之为“液化”。发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸,使溶液显酸性,称之为“酸化”。甲烷菌将乙酸等转化为甲烷和二氧化碳等气体,称之为“气化”。
主要介绍其中的发酵细菌(产酸细菌)、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。
1、发酵细菌(产酸细菌):
发酵产酸细菌的主要功能有两种:① 水解——在胞外酶的作用下,将不溶性有机物水解成可溶性有机物;② 酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等;主要的发酵产酸细菌:梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等;水解过程较缓慢,并受多种因素影响(pH、SRT、有机物种类等),有时回成为厌氧反应的限速步骤;产酸反应的速率较快;大多数是厌氧菌,也有大量是兼性厌氧菌;可以按功能来分:纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。
2、产氢产乙酸菌:
产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2;为产甲烷细菌提供合适的基质,在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。
主要的产氢产乙酸反应有:
注意:上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行,因此产氢产乙酸反应的顺利进行,常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物乙酸和H2消耗掉。
主要的产氢产乙酸细菌多为:互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等;多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。
3、产甲烷菌
20世纪60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术之后,对产甲烷细菌的研究才得以广泛进行;产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2,使厌氧消化过程得以顺利进行;主要可分为两大类:乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌,或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌;一般来说,在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少,只有Methanosarcina(产甲烷八叠球菌)和Methanothrix(产甲烷丝状菌),但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多,特别是后者,因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质,一般来说有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。
生物处理的基本原理目前被人们广泛接受的是三阶段理论。此理
论将复杂的厌氧生化过程大致可以分为三个阶段,即:水解、发一
酵阶段;产氢产乙酸阶段;产甲烷阶段。相应的,将厌氧发酵微
生物分为发酵细菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群三个主要的
细菌群。三个阶段过程是相互独立但又相互联系的。
第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段,复杂的有机物在厌氧
菌胞外酶晦作用下,首先被分解成简单的有机物,如纤维素经水
解转化成较简单的糖类;蛋白质转化成较简单的氨基酸;脂类转
化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下
经过
等。
厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类
参与这个阶段的水解发酵蘸主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。
第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段,产氢产乙酸菌把除
乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物,如丙酸、丁
酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢,并有C02产生。
第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中,产甲烷菌把第一阶段
和第二阶段产生的乙酸、H2和C02等转化为甲烷。
三阶段理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、H2/c02和甲醇
等以外的有机酸和醇类,长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸
菌转化为乙酸、Hz和C02等后,才能被甲烷菌利用。
几乎与三阶段理论提出的同时,有科学家提出了四菌群学
说。该理论认为复杂有机物的厌氧硝化过程有四种厌氧微生物菌
群参与,即增加了同型(耗氢)产乙酸菌群,该菌群的代谢特点
是能将H2/C02合成为乙酸。
三阶段理论和四菌群理论有机物降解的过程如图72所示。
有机物
11发酵性细菌
脂肪碱、醇类等
乙酸
CH4
圈72厌氧反应的三阶段理论和四类菌群理论
说明:1.I、Ⅱ、Ⅲ为三阶段理论,I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为四类群理论I
2.所产生的细胞物质未表示在图中
厌氧处理中最慢步骤的特点表现为限制速度步骤之前基质的
积累。如果这种基质的形式为非酸类有机物,如乙醇,则对整个
微生物群体无不良影响。- 。
微生物群体中反应最慢的成员常常是丙酸或乙酸利用菌,所
以丙酸和乙酸的积累会抵消系统中的碳酸氢盐碱度,这样的运行
故障有可能使系统的pH值降低,进而对整个微生物群体产生不
利的影响。同时低pH值恰好会对构成这一问题的利用丙酸和乙
酸的微生物抑制最大。
从产甲烷的串联反应可以类推出结论:只有每一顺序的微生
物利用有机中间产物的速度和这些中间产物产生的速度相同,厌
氧过程才能很好地进行下去。
第一阶段:水解酸化阶段,复杂的大分子、不溶性有机物在胞外酶的作用下水解成小分子、溶解性有机物渗入胞内产生高级脂肪酸;
第二阶段:产氢产乙酸阶段,第一阶段产生的高级脂肪酸,在产氢产乙酸细菌的作用下被分解转化成乙酸、氢和二氧化碳:
第三阶段:产甲烷阶段,产甲烷细菌把乙酸、乙酸盐、氢和二氧化碳转化为甲烷。