废水厌氧生物处理过程设计和优化

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1、废水厌氧生物处理过程设计与优化 一 厌氧生物处理过程及其特征二 厌氧消化微生物三 厌氧生物处理的影响因素四 厌氧消化工艺的发展及其应用五 升流式厌氧污泥床反应器的设计六 升流式厌氧污泥床反应器的启动和应用七 第三代厌氧反应器 废水厌氧生物处理过程设计与优化 一 厌氧生物处理过程及其特征厌氧生物处理过程又称厌氧消化 是在厌氧条件下由活性污泥中的多种微生物共同作用 使有机物分解并生成CH4和CO2的过程 人们对有机物厌氧消化的认识不断深化 两段说三段说四种群说 1 两段说 1930年Buswell和Neave肯定了Thumm和Reichie 1914 与Imhoff 1916 的看法 把有机物厌氧

2、消化过程分为 酸性发酵和碱性发酵两个阶段 两阶段厌氧消化过程 有机物厌氧消化过程中pH的变化 2 三阶段理论 1979年布利安特 Bryant 等人提出了厌氧消化的三阶段理论 三阶段理论认为 厌氧消化过程是按以下步骤进行的 三阶段厌氧消化过程 第一阶段 水解 发酵阶段 复杂有机物在微生物作用下进行水解和发酵 例如 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 如丙酸 丁酸 乳酸等 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 第二阶段 产氢 产乙酸阶段 由一类专门的细菌 称为产氢产乙酸菌 将丙酸 丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸 H2和C02 第三阶段 产甲烷阶段 由产甲烷细

3、菌利用乙酸和H2 C02 产生CH4 研究表明 厌氧生物处理过程中约有70 CH4产自乙酸的分解 其余少量则产自H2和CO2的合成 三阶段理论是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述 几乎与Bryant提出三阶段理论的同时 Zeikus 1979 在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论 4 四种群说理论 复杂有机物厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与 四种群即是 水解发酵菌 产氢产乙酸菌 同型产乙酸菌 又称耗氢产乙酸菌 以及产甲烷菌 四种群说有机物厌氧降解示意图 5 有硫酸盐存在条件下葡萄糖的厌氧消化 6 厌氧生物处理的主要特征 与好氧生物处理相比较 厌氧生物处理的主要特征有 能量需求大大

4、降低 还可产生能量 因为厌氧生物处理不要求供给氧气 相反却能生产出含有50 70 甲烷 CH4 的沼气 含有较高的热值 约为21000 25000Kg m3 可用作能源 为去除1kgCOD 好氧生物处理大约需消耗0 5 1 0kW h电能 而厌氧生物处理每去除1kgCOD大约能产生3 5kW h电能 污泥产量极低 因为厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多 一般 厌氧消化中产酸细菌的产率 VSS COD 为0 15 0 34 产甲烷细菌为0 03左右 混合菌群的产率约0 17 而好氧微生物的产率约为0 25 0 6 因此 去除每千克COD 好氧生物处理的污泥产量约为250 600gVSS 而厌

5、氧生物处理的污泥产量仅为180 200gVSS 对温度 pH等环境因素更为敏感 厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类 其适宜的温度范围分别为55 左右和35 左右 如温度降至10 以下 厌氧微生物的活动能力将非常低下 而好氧微生物对温度的适应能力较强 在5 以上的温度条件下均能较好地发挥作用 产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为小 如温度降至10 以下 厌氧微生物的活动能力将非常低下 而好氧微生物对温度的适应能力较强 在5 以上的温度条件下均能较好地发挥作用 产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为小 温度对微生物活性的影响 处理后废水有机物浓度高于好氧处理 厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机

6、物进行降解 或部分降解 处理过程的反应较复杂 厌氧消化是由多种不同性质 不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物学过程 远比好氧生物处理中的微生物过程复杂 二 厌氧消化微生物 一 发酵细菌 产酸细菌 主要包括梭菌属 Clostridigm 似杆菌属 Bacteroides 丁酸弧菌属 Butyrivibrio 真细菌属 Eubacterium 和双歧杆菌属 Bifidobacterium 等 这类细菌的主要功能是先通过胞外酶的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物 再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸 醇类等 不溶性有机物可溶性有机物可溶性的大分子有机物小分子 研究表明 该类细菌对有机物的水解

7、过程相当缓慢 pH和细胞平均停留时间等因素对水解速率的影响很大 因此 当处理的废水中含有大量难水解的类脂时 水解就会成为厌氧消化过程的限速步骤 但产酸的反应速率较快 并远高于产甲烷反应 发酵细菌大多数为专性厌氧菌 但也有大量兼性厌氧菌 除发酵细菌外 在厌氧消化的发酵阶段 也可发现真菌和为数不多的原生动物 二 产氢产乙酸菌 近年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包括互营单孢菌属 Syntrophomonas 杆菌属 Syntrophobacter 梭菌属 Clostridium 暗杆菌属 Petobacter 等 这类细菌能把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2 其反应如下 降解乙醇CH3CH2OH十H2

8、O CH3COOH 2H2降解丙酸CH3CH2COOH十2H2O CH3COOH 3H2 CO2降解丁酸CH3CH2CH2COOH 2H2O 2CH3COOH 2H2 上述反应只有在乙酸浓度低 液体中氢分压也很低时才能完成 产氢产乙酸细菌可能是绝对厌氧菌或是兼性厌氧菌 三 产甲烷细菌 产甲烷菌大致可分为两类 一类主要利用乙酸产生甲烷 另一类数量较少 利用氢和CO2合成生成甲烷 也有极少量细菌 既能利用乙酸 也能利用氢 以下是两个典型的产甲烷反应 利用乙酸CH3COOH CH4 CO2利用H2和CO24H2十CO2 CH4 2H2O 产甲烷菌都是绝对厌氧细菌 要求生活环境的氧化还原电位在 150

9、 400mV范围内 氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用 产甲烷菌的增殖速率慢 繁殖世代期长 甚至达4 6d 因此 在一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的控制阶段 四 厌氧微生物群体间的关系 在厌氧生物处理反应器中 不产甲烷菌和产甲烷菌相互依赖 互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和条件 但又相互制约 厌氧微生物群体间的相互关系 1 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质不产甲烷细菌把各种复杂的有机物质 如碳水化合物 脂肪 蛋白质等进行厌氧降解 生成游离氢 二氧化碳 氨 乙酸 甲酸 丙酸 丁酸 甲醇 乙醇等产物 丙酸 丁酸 乙醇等又可被产氢产乙酸菌转化为氢 二氧化碳 乙酸等 所

10、以 不产甲烷细菌通过其生命活动为产甲烷细菌提供了合成细胞物质和产甲烷所需的碳前体和电子供体 氢供体和氮源 产甲烷细菌充当厌氧环境有机物分解中微生物食物链的最后一个生物体 2 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件厌氧发酵初期 由于加料使空气进入发酵池 原料 水本身也携带氧气 这对产甲烷细菌是有害的 不产甲烷细菌类群中那些需氧和兼性厌氧微生物将其去除 各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应不相同 通过它们有顺序地交替生长和代谢活动 使发酵液氧化还原电位不断下降 逐步为产甲烷细菌生长和产甲烷创造适宜的氧化还原条件 3 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质在以工业废水或废弃物为发酵原料时 其中可

11、能含有酚类 苯甲酸 氰化物 长链脂肪酸 重金属等对于产甲烷细菌有毒害作用的物质 不产甲烷细菌中有许多种类能裂解苯环 降解氰化物等从中获得能源和碳源 这些作用不仅解除了对产甲烷细菌的毒害 而且给产甲烷细菌提供了养分 此外 不产甲烷细菌的产物硫化氢 可以与重金属离子作用生成不溶性的金属硫化物沉淀 从而解除一些重金属的毒害作用 4 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制其本身的不断形成 氢的积累可以抑制产氢细菌的继续产氢 酸的积累可以抑制产酸细菌继续产酸 A BC D 在正常的厌氧发酵中 产甲烷细菌连续利用由不产甲烷细菌产生的氢 乙酸 二氧化碳等 使厌氧系统中不

12、致有氢和酸的积累 就不会产生反馈抑制 不产甲烷细菌也就得以继续正常的生长和代谢 例如 降解乙醇CH3CH2OH十H2O CH3COOH 2H2 5 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值在厌氧发酵初期 不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类 淀粉等物 产大量的有机酸 产生的二氧化碳也部分溶于水 使发酵液的pH明显下降 而此时 一方面不产甲烷细菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用 产生的氨中和部分酸 厌氧消化过程 另一方面 产甲烷细菌利用乙酸 甲酸 氢和二氧化碳形成甲烷 消耗酸和二氧化碳 因此 两个类群的共同作用使pH稳定在一个适宜范围内 三 厌氧生物处理的影响因素 由于产甲烷菌对环境因素的

13、影响较非产甲烷菌 包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌 敏感得多 产甲烷反应常是厌氧消化的控制阶段 1 温度温度是影响微生物生命活动最重要因素之一 其对厌氧微生物尤为显著 可见 厌氧消化速率随温度的变化比较复杂 在厌氧消化过程中存在着两个不同的最佳稳度范围 一为55 左右 一为35 左右 厌氧微生物分为嗜热菌 高温细菌 和嗜温菌 中温细菌 两大类 相应的厌氧消化则被称为高温消化 55 左右 和中温消化 35 左右 高温消化的反应速率约为中温消化的1 5 1 9倍 产气率也高 但气体中甲烷所占百分率却较中温消化为低 当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时 采用高温消化可取得较理想的卫生效果 消化后污泥

14、的脱水性能也较好 在工程实践中 当然还应考虑经济因素 采用高温消化需要消耗较多的能量 当处理废水量很大时 往往不宜采用 随着各种新型厌氧反应器的开发 温度对厌氧消化的影响由于生物量的增加而变得不再显著 因此处理废水的厌氧消化反应常在常温条件 20 25 下进行 以节省能量的消耗和运行费用 2 pH产甲烷菌最适pH范围为6 8 7 2 在pH 6 5以下或pH 8 2以上的环境中 厌氧消化会受到严重的抑制 这主要是对产甲烷菌的抑制 水解细菌和产酸菌也不能承受低pH的环境 厌氧发酵体系中的pH除受进水pH的影响外 还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡 影响酸碱平衡的主要参数 挥发性脂肪酸 碱度和C

15、O2含量 但产甲烷细菌的作用会产生HCO3 使系统的pH回升 系统中没有足够的HCO3 将使挥发酸积累 导致系统缓冲作用的破坏 即所谓的 酸化 3 氧化还原电位绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件 可以用氧化还原电位表示厌氧反应器中含氧浓度 不产甲烷菌可以在氧化还原电位为 100 100mV的环境下进行正常的生理活动 产甲烷菌的最适氧化还原电位为 150 400mV 培养产甲烷菌的初期 氧化还原电位不能高于 320mV 4 营养厌氧微生物对碳 氮等营养物质的要求略低于好氧微生物 但大多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能 为了保证细菌的增殖和活动 还需要补充某些专门的营养

16、 如钾 钠 钙等金属盐类是形成细胞或非细胞的金属络合物所必需的 而镍 铝 钴 钼等微量金属 则可提高若干酶系统的活性 使产气量增加 主要是对化工废水 5 食料 微生物比与好氧生物处理相似 厌氧生物处理过程中的食料 微生物比对其进程影响很大 在实际中常以有机负荷 COD VSS 表示 单位为kg kg d 在有机负荷 处理程度和产气量三者之间 存在着密切的联系和平衡关系 一般 较高的有机负荷可获得较大的产气量 但处理程度会降低 再者 由于厌氧消化过程中产酸阶段的反应速率比产甲烷阶段的反应速率高得多 必须十分谨慎地选择有机负荷 使挥发酸的生成及消耗平衡 不致形成挥发酸的积累 有机负荷 处理程度 产气量 为保持系统的平衡 有机负荷的绝对值不宜太高 随着反应器中生物量 厌氧污泥 浓度的增加 有可能在保持相对较低污泥负荷的条件下得到较高的容积负荷 这样 能够在满足一定处理程度的同时 缩短消化时间 减少反应容积 总的说来 厌氧生物 处理可采用较 好氧生物 处理高得多的有机负荷 一般COD浓度可达5 10kg m3 d 有的甚至可高达50kg m3 d 6 有毒物质有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度