主要生态因子对产酸细菌的影响

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：对于易降解的溶解性有机物来说，产酸细菌的代谢过程在厌氧生物处理中并不构成限速步骤，影响产酸细菌的生态因子主要有pH氧化还原电位、温度、水力停留时间、有机负荷等。目前，根据产酸细菌生理生态学研究，三种发酵类型发生的生态因子研究已取得进展。在产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH迅速降低而导致某些厌氧细菌受到抑制。

对于易降解的溶解性有机物来说，产酸细菌的代谢过程在厌氧生物处理中并不构成限速步骤，影响产酸细菌的生态因子主要有pH氧化还原电位（ORP）、温度、水力停留时间、有机负荷等。对产酸细菌的研究不但要关注其降解速率，更重要的是考虑到产酸阶段要为产甲烷阶段提供适宜的底物，因此不能不重视对产酸发酵类型的研究。目前，根据产酸细菌生理生态学研究，三种发酵类型（丁酸型发酵、丙酸型发酵和乙酸型发酵）发生的生态因子研究已取得进展。研究结果表明，各种生态因子对产酸细菌的代谢速率均有不同程度的影响，但影响发酵类型的限制性生态因子（即起决定性的生态因子）主要有pH和ORP。

1.pH值

pH值是非常重要的生态因子之一，不但影响产酸发酵的代谢速率及生长速率，而且影响发酵类型。产酸细菌生存的声值范围很宽，在pH3.5～8的范围均可生存，一般认为，最适pH值为6～7。但事实上，最佳代谢速率的适宜pH值随不同发酵类型细菌种类差异较大。研究结果表明，在正常厌氧条件下的ORP（-150～-400mV）范围内，pH4～4.5往往发生乙醇型发酵；pH4.5～5常发生丁酸型发酵，但亦可发生乙醇型发酵；pH5左右时，乙酸、丙酸、丁酸和乙醇等产物的产量相差无几，并随ORP的高低主要产物种类有所差异，此时发生可称为混合酸型发酵的发酵类型；pH5.5左右发生丙酸型发酵；pH6以上往往发生丁酸型发酵。在单相反应器中，由于必须考虑到产甲烷细菌的生存条件，所以反应器中产酸发酵区域的pH值不应低于5.5，而对于两相厌氧生物处理的产酸相反应器来说，应根据废水性质和运行控制能力控制不同的发酵类型，以获得目的产物。

2.氧化还原电位（ORP）

与pH值一样，ORP亦是一个非常重要的生态因子。ORP的高低主要影响着生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌的比例，一般认为，产酸细菌的最适ORP范围为-200～-300mV。反应器中的ORP高低主要与进水的废水种类、反应器密闭性等有关。一般来说，当ORP高于-100mV时，丙酸产率较高，特别是当ORP高于-50mV时，几乎在所有pH值范围内均易发生丙酸型发酵。为了降低氧化还原电位，厌氧反应系统可适当添加还原剂，也可添加铁粉获得较低的ORP，同时也可避免乳酸大量产生，因为乳酸存在生成丙酸的潜在危害。

氧是产生氧化还原电位最普通的原因，氧浓度可用能斯特（Nernst）于1889年导出的关系式确定：

式中：Eh——相对于标准氢电极的还原电位；

pagenumber_ebook=249,pagenumber_book=237 ——平衡条件下的电位；

F——法拉弟常数；

n——反应过程中的电子转移数目。

在下列反应中，O2+4H++4e-→2H2O，系统还原电位只是氧浓度的函数。根据电位与浓度的关系，就可确定出氧浓度。

3.碱度

水中碱度是中和酸能力的一个指标，主要来源于弱酸盐，在厌氧生物处理中主要形成碳酸氢盐碱度，而在pH值较低的体系（产酸反应器）中还存在乙酸盐碱度。在产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH迅速降低而导致某些厌氧细菌受到抑制。因此，碱度是厌氧生物处理中重要的控制参数。

厌氧反应器液相中的CO（2aq）与气相中的CO（2g）处于两相平衡状态，并构成碳酸盐缓冲系统（pH＜8的体系中 pagenumber_ebook=249,pagenumber_book=237 形态不存在）。

根据亨利定律，CO2（g）与CO2（aq）间的气一液平衡由下式给定：

式中：k— —亨利常数，30℃时为2.82×10-5mol（hPa·L）；

pagenumber_ebook=249,pagenumber_book=237 ——相平衡时CO2分压（hPa），=（P-30）/VT；

pagenumber_ebook=249,pagenumber_book=237 /VT——发酵气中CO2占总气体体积的比率；

P——气相总压力（hPa）；

30——30℃条件下体系中水蒸气分压近似值（hPa）。

反应器内的分子态碳酸以CO2（aq）形态存在，而不是以H2CO3的形态存在。液相碳酸平衡如下：

式中：K——CO2（aq）与H2CO3间平衡常数，30℃时为3.9×10-3；

Ka——H2CO3与 pagenumber_ebook=250,pagenumber_book=238 间电离平衡常数，30℃时为1.66×10-4；

pagenumber_ebook=250,pagenumber_book=238 ——综合平衡常数，30℃时为6.47×10-7，p =6.19。

由式（9-6）和式（9-7）可得

根据亨德森—黑赛巴切公式，缓冲溶液的pH值为

可见，厌氧反应器CO2分压较高的体系中将形成二氧化碳—碳酸氢盐缓冲系统，缓冲强度最大值发生在pH等于6左右，介质的pH值主要取决于CO2分压和 pagenumber_ebook=250,pagenumber_book=238 的相对浓度平衡。如果系统中挥发酸浓度提高，可消耗H，CO2分压提高，使pH值下降。

采用厌氧生物处理法处理某些工业废水时，为提高碱度而投加碱（如石灰等），需较高的运行成本。清楚地了解各种缓冲体系，可利用工艺特点和废水性质开发新型反应器，从而降低运行费。

总碱度中除碳酸氢盐碱度外，还有挥发性脂肪酸（如乙酸，HAc）盐碱度。乙酸盐碱度常发生于pH为4.7左右的厌氧环境中。

式中： pagenumber_ebook=250,pagenumber_book=238 —HAc与Ac-间平衡常数，30℃时为3.0×10-3。

蛋白质等含氮有机废水厌氧代谢中通过氨化作用可产生大量的氨（NH3），氨与铵离子（ pagenumber_ebook=250,pagenumber_book=238 ）亦可构成碱度。

此外，硫酸盐和亚硫酸盐的还原过程亦可产生碱度，如：

由此可见，在厌氧生物处理中除可通过投加碱提高缓冲能力外，厌氧微生物代谢过程中所产生的CO2、挥发性脂肪酸、氨以及硫酸盐等对环境中的酸碱平衡起到了不同方向和程度的作用。

4.温度

温度对厌氧微生物的生长和代谢速率普遍有较大的影响。一般来说，产酸细菌最佳工作温度为35℃左右，当温度低于25℃时，产酸速率迅速降低，20℃以下产酸速率将降低50%以上。

5.水力停留时间和有机负荷

有机负荷对产酸细菌的影响不是很大，在正常范围内，如有机负荷为5～60kgCOD/（m3·d），产酸细菌可发挥良好的作用。一般来说，当有机负荷超过100kgCOD/（m3·d），由于渗透压（水活度）等影响，产酸细菌所形成的活性污泥易发生解体，并且污泥颜色变浅，生物活性迅速降低。水力停留时间过短将影响底物的转化程度，出水中含有较多的未完全降解的底物，同时相对密度较小的微生物絮体很容易随水流出。

主要生态因子对产酸细菌的影响

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