（环境科学专业论文）中药废水两相厌氧处理工艺及其微生物学基础的研究.pdf

a b s t r a c t a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a lc h i n e s cm e d i c i n e ( t c m ) i n d u s t r yd e v e l o p e dr a p i d l y , m o s t w a s t e w a t c rf r o mi t s p r o d u c t i o nw a sd i s c a r d e dw i t h o u tt r e a t m e n t i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o ph i g h p o w e r e d , s i m p l e , e c o n o m i c a l ，e f f i c i e n ta n ds t a b l et c mw a s t e w a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s t h et c mw a s t e w a t e ri so n ek i n do fh i g hs t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e r w i t hm u l t ic o n t a m i n a t i o na n dc o m p l i c a t e dc o m p o n e n ta tp r e s e n t ，m o s tt c mw a s t e w a t e r b i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s s e sa r c ：f o c u s e do i le a s i l yb i o d e g r a d e dw a s t e w a t e rw h o s ec h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ( c o d ) i sl e s st h a n5 0 0 0m 班b u tt h ec o do ft h ew a s t e w a t c rd i s c h a r g e d f r o mh a r b i ns e c o n dt c m f a c t o r yw a sm o r et h a n1 8 0 0 0m g lam o d e lp r o j e c tw i t ht w o - p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s sw a sd e v e l o p e dt ot r e a tt h eh i g hc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t o r y o r g a n i cw a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mh a r b i ns e c o n dt c mf a c t o r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e c o da v e r a g er e m o v a lo ft o t a lp r o c e s sw a sa r o u n d9 4 0 6 t h e r e f o r e ，t h et w o - p h a s e a n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s sc a nc o n q u e rt h i sp r o b l e m t h i sp a p e rp a r t i c i p a t e di nt h e d e s i g nr e s e a r c ho ft h et w o - p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o n p r o c e s sp r o j e c tt r e a t i n gh i g hc o n c e n t r a t i o na n dr e f r a c t o r yw a s t c w a t e rd i s c h a r g e df r o mh a r b i n s e c o n d a r yt c mf a c t o r y , d i dt h er e s e a r c hf o rt h em i c r o o r g a n i s mo ft h ea c i d o g e n i cp h a s ea n d t h ee t h a n o g e n i cp h a s e ，a n de n r i c h e da n ds e p a r a t e dt h eg e r m s d e p e n do nt h es h a p eo f m i c r o b i a lc e l l sa n di t sc h a r a c t e r i s t i e s , w ec a nk n o wh o wt h em i c r o b ew o r k sa n dh o wt h e y i n f l u e n c et h er e a c t o rs y s t e m si nt h ea c i d o g c n i cp h a s ea n dt h ee t h a n o g e n i cp h a s e t h i sp a p e r p r o v i d e dar e f e r e n c ef o ri n c r e a s i n ge f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo ft h ea c i d o g e n i cp h a s ea n dt h e e t h a n o g e n i cp h a s e w es e p a r a t e d2 4g e r m sf r o mt h ea c i d o g e n i cp h a s er e a c t o ra n d1 9g e r m sf r o mt h e e t h a n o g e n i cp h a s er e a c t o ri nh a r b i ns e c o n dt c mf a c t o r y 。a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e2 4g e r m sf r o mt h ea c i d o g e n i cp h a s ea n dt h a to ft h e1 9g e r m sf r o mt h ee t h a n o g e n i c p h a s e ， w ec h o s et h en o 2 4g e r mf r o mt h ea c i d o g e n i c p h a s ea n d t h en o 1 if o r mf r o mt h ee t h a n o g e n i c p h a s e a n dw e d i dt h er e s e a r c hf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en o 2 4g e r ma n dt h en o 1 1g e r m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h en o 2 4g e r mg r a m - p o s i t i v e ，n o n - m o t i l e ，t h ec e l ls i z ei s0 6 4 p m x 0 7 坤咀，t h eg r o w t ho ft h en o 2 4g e r ms u s t a i n i n gc y c l ei s4 5h t h en o 1 1g e r mi sg r a m - p o s i t i v e , n o n - m o t i l e , a n dt h ec e l ls i z eo ft h en o 1 1g e r mi s0 6 4 l m x 0 。7 t m 。t h eo p t i m a l r a n g e so ft h en o 1 1g e r ma r e3 7 c ，p h7a n dn a a3 ，a n di ti sj u d g e dm e t h a n o c o c c u sm a z e i k e y w o r d st w o - p h a s ea n a e r o b i cp r o c e s s ；t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ew a s t e w a t e r ； m e t h a n o g e n ；a c i d p r o d u c i n gb a c t e r i a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知i ，除j 文中特别加以标注莉i 致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得盘些挂些盘堂或其他教育 机构的学匣或证书而使用过的材料。与我同：r f 作的涮志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示蒯意。 学位论文作者签名： 夼卿 签字f i 期：0 。7 年占月，4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞i 垦盐些盘鲎有关保留、使用学位沦文的规 定，有权探留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阑。本人授权盘i 堡盐些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有 天数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 瓠童气 导州j 签名 ：彩砧 签字日期：如 年6 , l tr 平日签：# 闩期：。雄月厂r 曰 1 ， 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通汛地址： i u 话 邮编 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 水资源是基础的自然资源，是生态环境的控制性因素之一，同时又是战略性经济资 源，是一个国家综合国力的有机组成部分。 我国的水资源匮乏，总量不足，时空分布不均匀，水污染严重。近年来，随着社会 经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对水环境质量的要求越来越高。根据全国 水环境监测网2 0 0 5 年的水质监测资料和国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 8 8 ) ， 对七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中。i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例 分别为4 1 、3 2 和2 7 其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水 质较差，海河污染严重。8 6 的城市河段水质污染超标，许多河流湖泊存在富营养化问 题，环境状况不容乐观。中国环境科学研究院等研究指出，我国长江、黄河等七大江河 2 0 0 4 年水质污染预测结果，c o d 的污染负荷比为9 9 5 。这表明我国水污染的主要污染 物是有机污染。另据报道l n ，在当前我国水体的有机污染物中占主体地位的是高浓度有 机废水( 高浓度有机废水一般是指由造纸、皮革、食品及制药等行业排放的、c o d 在 2 0 0 0m g l 以上的废水) ，仅化工行业每年产生的这类废水就达上百亿吨，其中染料、医 药及中间体等生产废水，因其浓度高、毒性大、难以降解而成为世界公认的难题。由于 高浓度工业废水的净化处理对我国国民经济的顺利发展和水资源保护具有重要意义，所 以高浓度有机废水的治理早在4 七五”期间已被列为国家科技攻关项目，“九五”期问 又被列入国家要努力解决的环保重点攻关课题1 2 】。因此，控制和处理有机废水污染尤其 是高浓度有机废水污染，是迫切解决我国水环境污染的重要目标之一 中药是中华民族几千年灿烂文化的瑰宝，是我国人民智慧的结晶，它以独特的功 效，在医学领域占据了十分重要的地位。随着生活水平的提高，人们对健康的要求也相 应提高。近几年来我国中药制药工业迅猛发展，中药废水排放量也因此相应的大大增 加。然而，令人遗憾的是，在中药行业蓬勃发展的同时，有关于中药废水的治理却没能 跟上，中药废水的处理率很低，大量废水未经处理直接排放。这样，不仅影响了我国中 药制药行业的发展，而且对环境生态产生了负面影响，严重地阻碍了我国向集约型社会 迈进的步伐。 中药生产企业生产的废水是一种污染物种类繁多、成分复杂的高浓度有机废水。该 废水虽无毒但有害，由于浓度高。有机物含量大，直接排放会对环境造成严重污染。但 由于处理困难，多数厂家都未经处理直接排放。所以，如何经济、高效地处理中药废水 不仅是一个函待解决的问题，也是目前废水处理领域中的难点和热点。对于高浓度难降 解中药有机废水的处理来说，既要将难降解的大分子有机物迅速转化成为易降解的小分 子底物，从而提高废水的可生化性，同时又要大幅度降低废水的浓度，显然采用常规处 东北林业大学硕“i ：学位论义 理工艺是难以收到理想效果的。另外，如何提高处理效率、降低投资对于高浓度、难降 解的有机废水处理来说也十分关键。 有机污染的治理一般优先采用的方法是生物处理技术，它与物化处理技术相比具有 效果好、处理费用低等优点。而高浓度有机废水由于有机污染物种类复杂、含量高，所 以在治理中采用厌氧生物技术比好氧生物处理技术更具优越性。厌氧生物技术为消除环 境有机污染开辟了一条高效低耗的新途径。 目前，废水的两相厌氧处理技术以其高效率、低能耗、低运行成本、低污泥产率等 突出特点，日渐成为公认的治理高浓度难降解有机废水的有效处理途径。该技术是1 9 7 1 年g h o s h 和p o l a n d 提出的概念，即两相厌氧生物处理工艺( t w o - p h a s ea n a e r o b i cp r o c e s s ) 3 - 6 1 ，它的本质特征是实现了生物相的分离，即通过一定的调控手段，使产酸相( a c i d o g e n i c p h a s e ) 和产甲烷相( m e t h a n o g e n i cp h a s e ) 成为两个独立的处理单元，各自形成产酸发酵微 生物和产甲烷发酵微生物的最佳生态条件，实现完整的厌氧发酵过程，从而能够大幅度 提高废水的处理能力和反应器的运行稳定性。 在中药废水两相厌氧处理工艺的技术和运行等方面仍然存在很多难题，比如：中药 废水中主要污染物的去除机理；两相厌氧系统处理中药废水时的群落演替以及优势种群 的生态结构等，这些都有待于进一步深入的研究与探讨，这对中药废水和其它难降解有 机废水的处理具有重要的意义。 1 2 中药废水的污染物种类及其特征 中药废水主要来自各车间生产过程中的洗药、煎煮、瓶罐清洗等工序，另有一部分 管道及地面冲洗水，蒸汽冷凝水和处理离子交换树脂酸碱液的中和水等，其水质、水量 变化大，且为间歇排放。 中药废水中的污染物大致分两类【7 j ： ( 1 ) 水溶性的物质。水溶性的污染物主要来自煎煮工序，主要成分是糖类、纤维 素、蛋白质、木质素、淀粉、有机酸、生物碱等有机物，另外还有制片工序引入的无毒 色素等。 ( 2 ) 水不溶性的物质。水不溶性的污染物主要来自洗药、煎煮等工序，主要构成 物是泥沙、植物类悬浮物及无机盐的微细颗粒等。 由于中药制药原料中大多含有天然有机物质如植物的根、茎、叶和动物的皮、毛、 骨，含有各种复杂有机化合物，从而使中药废水水质成分也很复杂，废水中溶解性物 质、胶体和固体物质的浓度都很高，其具体特征如下： ( 1 ) 中药生产的原材料主要来源于中药材，在生产过程中必须使用一些媒质、溶 剂或辅料，因此水质成分复杂。 ( 2 ) c o d 浓度高，一般为1 0 0 0 4 0 0 0m g l ，最高可达1 0 0 0 0 0m w l ，有些浓渣水 甚至更高。 ( 3 ) 中药废水一般属易于生物降解的有机废水，可生化性较好，相对容易生物处 l 绪论 理，但有些中药废水中还是存在一些不容易生物降解的有机物和需要“多酶”协同作用 才能降解的高聚化合物。 ( 4 ) 废水中s s 浓度较高，主要是动植物类的碎片，微细颗粒及胶体。 ( 5 ) 水量间歇排放，水质波动较大 ( 6 ) 在中药制药过程中要用酸或碱处理，p h 经常变化。 ( 7 ) 由于常常采用煎煮或熬制工艺，排放废水的温度较高，中药废水具有颜色和 中草药气味 1 3 中药废水处理技术的研究现状 中药废水治理方法目前在我国报道的很少，大多数中药厂家生产的中药废水都未经 处理，直接排放。根据已有的报道，中药废水的治理方法通常采用了传统的制药废水处 理方法，通过采用传统工艺的强化或多种方法的联合使用来增强中药废水的处理效果。 中药废水的基本的处理方法基本分三类：物化法、生物法和物化一生物法。 1 3 1 物化处理方法 所谓物化法处理中药废水即是利用各种物理、化学方法，如：混凝、气浮、吸附、 离子交换、膜分离等方法将废水中所含的各种污染物与水分离或加以分解，使其净化的 过程。 物化法具有处理效果稳定，不受水质水量波动的影响的特点，对于中药废水来说， 物化法通常用来对废水进行预处理，提高废水的可生化性，来减轻后续生物处理的负 担；或者就是在排放之前对废水进行后处理，用来强化处理效果，使达标排放但由于 物化处理方法需要投加大量化学药剂导致其处理费用较高，操作复杂，同时生成较多的 化学污泥，处理不当容易造成二次污染。物化处理法作为一种独立的处理方法，具有很 大的局限性，不适合大规模的废水处理，该方法处理中药废水的例子在国内并不多见， 将其处理结果列于表卜1 中肾1 1 1 。 表1 - 1 物化法处理中药废水的研究以及成果旷1 ” 乐北林业大学硕 ：学位论文 1 3 2 生物处理方法 废水的生物处理方法就是利用微生物的新陈代谢功能，使废水中呈溶解和胶体状态 的有机污染物被降解并转化为无害的物质，使废水得以净化。与物化处理方法如吸附法 和混凝法相比，生物处理法是比较彻底的降解了有机物，而吸附法或混凝法只是将有机 物转移，所以生物处理方法越来越受到重视，也是目前有机废水处理的主要途径之一。 生物处理方法广泛用于生活污水和工业废水的处理，技术成熟，运行管理方便，费用低 廉。在中药废水处理中，常用的生物处理方法有：厌氧生物处理工艺、好氧生物处理工 艺、厌氧一好氧工艺和水解( 酸化) 一好氧工艺等。 目前，国内外高浓度有机废水的处理方法基本上是以厌氧发酵为主。与好氧处理方 法相比，厌氧法在处理高浓度有机废水方面通常具有以下优点【1 2 划； ( 1 ) 有机物负荷高； ( 2 ) 污泥产率低。产生的生物污泥易于脱水； ( 3 ) 营葬物需要量少； ( 4 ) 不需曝气，能耗低； ( 5 ) 可以产生沼气，回收能源； ( 6 ) 对水温的适应范围较广： ( 7 ) 活性厌氧污泥保存时间长。 厌氧生物处理工艺是处理中药废水时最常用的一种处理方法，能够去除有机废水中 的大部分污染物。目前多数研究都是利用两相厌氧消化中的产酸相将大分子有机物分解 成小分子物质，提高有机废水的可生化性，再进行厌氧或好氧处理。有研究人员对高效 产酸发酵反应器、两相厌氧消化法、复合式厌氧反应器处理中药废水的效果进行了试验 论证，当进水c o d 不超过1 6 0 0 0m g l 时，出水水质接近医药废水排放标准1 1 4 a 5 1 。但是 出水c 0 d 仍然普遍高于污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 制药工业级排放标准 所要求的1 5 0m e , n , ，需要进一步加以处理。 与厌氧生物处理工艺相比。好氧生物处理工艺处理有机废水反应周期短，运行操作 条件易控制，管理简单。尤其是序批式间歇反应器s b r 法，其具有工艺简单、运行费 用较低、占地面积小、投资省、均化水质、无需污泥回流、抗冲击负荷能力强、污泥活 性高、运行稳定等优点，比较适合于处理间歇排放、水量水质波动大的废水。 生物接触氧化法兼有活性污泥法和生物膜法两者的特点，具有抗冲击负荷能力较 强、处理效率较高、操作简单、运行方便、易于维护管理、勿需污泥回流、无污泥膨 胀、污泥生成量少等优点，能够处理引起污泥膨胀的有机废水。生物接触氧化处理技术 具有多种净化功能，除了能有效地去除有机污染物外，如果运行得当还能够用以脱氮， 因此可以作为三级处理技术。目前，生物接触氧化法已成功用于中药废水的处理f 1 6 , 1 7 。 厌氧生物法和好氧生物法处理中药废水各有优缺点，将这两种工艺进行组合，利用 各自的工艺特点实现对中药废水的净化，逐渐是目前的研究热点。对于处理高浓度有机 废水，厌氧阶段能够水解酸化。具有把大分子及不溶性有机物分解为小分子可溶性有机 1 绪论 物的作用。通过此种途径，废水可生物降解性得以改善，有利于后续的生物处理。利用 高效厌氧工艺容积负荷高，c o d 去除效率高、耐冲击负荷的优点，可以减少稀释水量 并且能较大幅度地削减c o d ，以降低基建、设备投资和运行费用，并回收沼气。厌氧 阶段还具有脱色的作用，这对于处理高色度的中药废水具有很大的意义。而好氧阶段则 可以为微生物提供较好的外部环境，促使微生物有效地去除污染物，保证厌氧阶段的出 水经处理后达到排放标准。 哈药集团中药二厂废水处理工程采用以两相厌氧生物处理和好氧生物接触氧化法为 主体的综合处理工艺，结果表明，此工艺可以有效地处理该厂高浓度难降解中药废水， 在进水浓度为7 0 0 0 4 0 0 0 0m g f l 时，c o d 总去除率可达9 9 以上，出水可以达到松花 江水系排放标准i 堋。 1 3 3 物化生物处理方法 所谓物化一生物处理法，是以生物处理法为主体处理工艺，以物化处理法为预处理 或后处理工艺的物化一生物处理工艺，在中药废水处理中有着广泛的应用。物化一生物 处理法一般按照前处理一厌氧( 或水解酸化) 处理一好氧处理一后处理的途径来组合。 前处理的目的是使废水的性状适合于后续生物法处理的要求，除调节、稳定水量与 水质( 如c o d 、s s 、碱度、p h 、物料营养比例等) 外，还有去除生物抑制物质，提高 废水可生化性的作用。前处理方法应根据废水特点及试验结果而定，以沉淀、絮凝、过 滤等方法为主。 废水的生物厌氧水解法通常是为了提高废水的可生物降解性而用于废水的预处理。 厌氧处理的目的是利用高效厌氧工艺容积负荷高、c o d 去除效率高、耐j 中击负荷的优 点，减少稀释水量并且能较大幅度地削减c o d 。 好氧处理的目的是保证厌氧出水经处理后达标排放。常用的好氧工艺有生物接触氧 化、生物流化床、s b r 和曝气生物滤池。这些工艺的优点是污泥不需要回流而且剩余污 泥少，基建投资和占地面积少，运行稳定且成本低于其它好氧工艺。 当废水经好氧生物法处理后仍不能达标时，还会在其后布置后处理工序，一般以砂 滤、气浮法、吸附法和沉淀法为主。废水经过物化一生物法处理，其出水水质一般可以 达到制药废水二级排放标准的要求，甚至可以满足一级排放标准。将其处理结果列于表 l - 2 中。 东北林业人学硕士学位论文 表1 - 2 物化生化法处理中药废水的研究与成果1 1 嘲 1 4 两相厌氧工艺的提出及研究进展 1 4 1 厌氧发酵的基本过程 厌氧发酵是个由多种微生物互相协作共同完成的将复杂有机物转化成简单末端产物 ( c h 4 、c 0 2 ) 的过程，按照各阶段的不同产物可以将其分为四个阶段【2 1 l ： ( 1 ) 水解阶段。发酵细菌通过胞外酶的分解作用，将一些高分子悬浮态的有机物 转化成简单溶解性的有机物。水解过程通常较缓慢，因此是含高分子有机物或悬浮物废 液厌氧降解的限速阶段。 ( 2 ) 发酵阶段。发酵过程本质上是多种不同代谢类型的微生物以水解产物为原 料，各种有机酸为最终电子受体的氧化还原过程。在此过程中，水解阶段产生的小分子 化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌 到细胞外。这一阶段的末端产物主要有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、 氨、硫化氢等。 ( 3 ) 产乙酸阶段。此过程中，发酵阶段的产物在产氢产乙酸菌的作用下进一步转 化为乙酸，氢气，二氧化碳。到这一步为止，一般比较复杂的有机物己被降解成简单的 小分子物质，可以直接来接好氧生物处理，也可以接下去继续厌氧降解过程。所以一般 的水解酸化预处理就用到这个阶段为止。 ( 4 ) 产甲烷阶段。这一阶段，主要由两种产甲烷菌，通过不同的代谢方式，将上 一阶段的产物转化为甲烷：一种是嗜乙酸甲烷菌，以乙酸为底物生成甲烷，将有机物从 液相彻底脱离出来，转为气相；另外一种以气体( h 2 、c 0 2 ) 为原料，生成甲烷。一般 而言，前一过程占主导，约7 0 的甲烷产生于此：后者产生3 0 的甲烷，如图1 1 | 2 1 1 。 复杂有机物 碳水化合物、蛋白质、脂类 ( 1 )水解 籁单溶解性有机物 ( 1 ) 发酵 1 ( 1 ) 黯肪酸、酵类( 丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等) ( 1 ) ，c 夕一一乙弋， 氢气 ( 3 ) - 二氧化碳乙酸 同型产乙酸 k 晰用作用石 甲烷、二氧化碳 ( 1 ) 发酵细菌( 2 ) 产氢产乙酸菌( 3 ) 同型产乙酸菌 ( 4 3 利用h 2 、0 3 2 的产甲烷菌( 5 ) 分解乙酸产甲烷菌 匿1 - 1 有机物厌氧分解过程田】 1 4 2 两相厌氧工艺的提出 厌氧处理过程中，多种微生物共同作用，将大分子有机物最终转化为甲烷、二氧化 碳、水、硫化氢和氨等。在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形 成复杂的生态系统。7 0 年代初。g h o s h 和p h o l a n d l 2 2 2 3 j 根据厌氧生物分解机理和微生物 类群的理论首先提出了两相厌氧消化的概念：将产酸菌和产甲烷菌分别是于两个串联的 反应器内并提供各自所篙的最佳条件，使这两类细菌群都能发挥最大的活性，提高反应 器的处理效率。这两个串联的反应器分别称为产酸反应器( 产酸相) 和产甲烷反应器 ( 产甲烷相) 。 厌氧发酵细菌主要由产酸菌群和产甲烷菌群组成。产酸细菌种类多，繁殖快，对周 围环境的适应能力强，而产甲烷菌种类少，对底物要求高，只能直接利用少数的基质， 且繁殖速度慢，受温度、p h 、毒物等环境因素的影响较大。 为了使这两类细菌分别获得最佳生长因子，以利于发挥它们的活性，提高处理效 乐北林业大学帧上学位论文 率，增加运行稳定性，将有机物的酸化和产甲烷过程分别在两个独立的反应器中进行， 使两大类细菌各司其职：产酸相的主要功能是改变基质的可生化性，为产甲烷相提供适 宜的基质；产甲烷相的主要作用是去除c o d ，这就是两相厌氧技术。 1 4 3 两相厌氧工艺的特点 ( 1 ) 两相厌氧消化工艺将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应器内并为它们提供 了最佳的生长和代谢条件，使它们能够发挥各自最大的活性，较单相厌氧消化工艺的处 理能力和效率大大提高剐。 ( 2 ) 两相分离后，两个反应器的分工更明确，产酸相反应器能够将大分子的难降 解有机污染物降解成为可生化性好的小分予有机物，既能为产甲烷相反应器提供适合的 底物基质，又能够消除或减少废水中的有毒物质，如硫酸根、重金属离子的毒性。产酸 相反应器不仅改变了难降解有机污染物的结构，同时也降低了废水对产甲烷菌的毒害作 用和影响，增强两相厌氧消化系统的稳定性。 ( 3 ) 为了抑制产甲烷菌在产酸相反应器中的生长，应适当地提高产酸相反应器的 有机负荷率，提高产酸相反应器的处理能力。产酸菌的缓冲能力比较强，因而造成的酸 积累不会对产酸相反应器有明显的影响，也不会对后续的产甲烷相反应器运行造成危 害，能够有效地预防在单相厌氧消化工艺中常出现的“酸败”现象。即使出现“酸败” 也易于调整与恢复，提高了整个两相厌氧消化系统的抗冲击能力。 ( 4 ) 产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌，产酸菌的产酸速度高于产甲烷茵降解 酸的速率【2 5 瑚l ，在两榍厌氧消化工艺中产酸反应器的体积总是小于产甲烷反应器的体 积。对于不同水质的污水，体积比有所不同。 同单相厌氧消化工艺相比，对于高浓度有机废水、悬浮物浓度很高的废水、含有毒 物质及难降解物质的工业废水和污泥，两相厌氧消化工艺具有很大的优势，能够得到满 意的处理效果。 1 4 4 两相厌氧工艺的沿革 两相厌氧消化工艺发展到现在大致经历了三个阶段： ( 1 ) 从7 0 年代初两相厌氧消化提出到8 0 年代中期，研究主要着眼于如何用动力 学的方法实现相分离，两相微生物的生理生态特性研究及产酸相和产甲烷相反应器的一 些主要运行参数的确定。 ( 2 ) 8 0 年代中期以后，研究方向着重于将两相工艺用于实际的污水污泥处理工程 中，获得了大量的实际运行经验，实际运行中遇到的问题又反过来推进了更深入的研 究。 ( 3 ) 进入9 0 年代，随着对两相厌氧消化概念和厌氧降解机理的进一步理解，如何 针对不同的水质并结合各种新型高效厌氧反应器的特点进行产酸相和产甲烷的组合才能 达到更好的处理效果，成为新的研究方向。 1 绪论 1 4 5 两相厌氧消化工艺的适用范围 由于两相厌氧具有一系列优点，使它具有以下的适用范围闭： ( 1 ) 适合处理富含碳水化合物而有机氮含量低的高浓度废水。在两相厌氧工艺 中，由于产酸相与产甲烷相分开在两个反应器中进行，便于控制，不容易出现“酸败” 现象，以至于影响废水处理系统的正常运行。 ( 2 ) 适合处理有毒性的工业废水。许多工业的有机废水中含有浓度较高的硫酸 盐、苯甲酸、氰、酚等成分由于产酸菌能改变毒物的结构或将其分解使毒性减弱甚至 消失，因此，产酸相反应器能有效的消除毒物对产甲烷相中产甲烷菌的毒害抑制作用。 ( 3 ) 适合处理含有高浓度悬浮固体的有机废水。由于产酸菌的水解酸化作用，使 废水中的悬浮固体浓度大大降低，解决了悬浮物质引起的厌氧反应器的堵塞问题，有利 于废水在产甲烷相反应器中的进一步处理。 ( 4 ) 适合处理含有难降解物质的有机废水。一些大分子难降解物质在单相厌氧反 应器中易积累，到一定浓度时对产甲烷菌会产生抑制作用。但在两相厌氧消化系统中， 产酸相反应器当中的产酸菌可以将这些大分子难降解物质水解成为小分子物质，便于在 产甲烷相反应器中产甲烷菌进一步的代谢。 1 4 6 两相厌氧工艺在高浓度中药废水处理巾的优越性和必要性 实践证明，好氧过程或者厌氧过程的前期阶段( 水解酸化过程) 只能降解少部分比 较简单的有机物。在高浓度有机废水处理过程中，由于底物较复杂、可生化性较差，如 果只经过耗氧过程而不经过完全的厌氧过程，那么废水中的复杂有机污染物的降解就不 完全，从而导致好氧生化降解过程难以进行。另外，对于某些高浓度、多成分的中药废 水而言，仅仅采用厌氧过程的前两个阶段( 水解酸化) 是远远不够的，虽然能改善废水 的可生化性，但没有从很大程度上减轻后续好氧处理的负担。因此，完全的厌氧过程是 高浓度中药废水中难降解成分得以处理的有力保证。 在工艺的高效性和稳定性方面，实现相分离的两相厌氧工艺要比单相厌氧工艺要更 加优越。产酸菌和产甲烷菌分开培养可避免不同种群微生物之间的相互干扰和代谢产物 转化不均衡而造成的抑制作用，从而易获得不同微生物生长所需的最优环境条件，提高 处理效果1 2 9 j 。产酸相的存在，使两相厌氧消化系统耐冲击负荷能力更强，运行更加稳 定。产酸相不但能够去除掉一部分有机物，减轻产甲烷相的负担，而且能够提供产甲烷 相适合的底物。当水质水量变化时，产酸相还能起到预调节作用，在一定程度上减轻了 条件的变化对产甲烷相产生的影响。 综上所述，将两相厌氧技术运用于高浓度中药废水处理领域，不仅发挥了生物处理 经济、高效的特点，体现了可持续发展的思想，也能为该技术在高浓度有机废水处理领 域扩大了应用范围，拓宽了视野。 1 5 产酸菌的研究进展 在国内由于乳酸饮品和酿醋业的发展，对于产乳酸和产醋用的产酸菌的研究开展较 东北林业火学硕士学位论义 为广泛。宋悦红等【刈对于乳球菌m g l 3 6 3 、i l l 4 0 3 和乳酸杆菌a t c c 4 3 5 6 进行了革兰氏 染色、各种糖发酵生化特征等几种表型特征的研究，进而可以利用其表型特征迸行筛选 鉴定载体系统，用于食品及医药领域中构建表达系统。方祥等【3 1 i 对从动物粪便中分离得 到的乳酸菌后，利用平皿培养计数法对乳酸菌进行耐酸性、胆盐耐受性等生长特性的研 究。鉴定出适宜于工业发酵生产益生菌产品的乳酸菌0 2 菌株。 由于国内外对优质醋酸菌的选育和醋酸发酵机理的研究日益重视，多人开展了对于 高效生产食醋类的产乙酸菌的进行分离鉴定及生理生化方面的研究。张彩1 3 2 1 从不同醋醅 中分离出三株高效好氧产醋酸菌，其具有在较高乙醇体积分数下产酸快，产酸量高的特 点，可以应用于纯粹培养醋酸菌的食酷酿造，具有捅当鸽经济效益。目前国内应用纯粹 培养醋酸菌的食醋酿造厂家多采用a s l 4 1 号醋酸菌进行醋酸发酵，在稳产高产方面取 得了较好效果，但a s l - 4 1 号菌株产酸在发酵温度高于3 7 ，酒度大于8 条件下，生 长会受到抑制，发酵能力下降。为解决高温高酒精度情况下醋酸发酵酒精转化率低，产 酸速度慢的问题，邵建宁等( 3 3 】在发酵良好的“火醅”中，在高温高酒精度条件下分离筛 选出n 9 、f 1 7 两株醋酸菌，经紫外线、硫酸二乙酯逐级诱变，分别获得编号为h n l 5 、 h f 6 两株耐高温耐高酒度醋酸菌株。在培养温度4 0 ，培养基酒度1 2 m 条件下， 两株菌都具有较高的醋酸转化率，为在高温高酒精度条件下生产食醋分离出了良好菌 种。 在制药废水处理中对两相厌氧法的研究主要集中在对处理工艺和后续处理构筑物对 废水处理的水质的研究。孙京敏等1 3 4 】在对利用该方法处理青霉素废水的运行条件：水力 停留时问、c o d e r 负荷率的研究中发现采用水解酸化工艺作为生物处理的预处理手段对 浓度高毒性大的青霉素废水进行处理可以降低废水毒性、提高废水可生化性，并且 c o d c t 的去除率可以达到2 0 。虽然二级水解酸化一s b r 法存在工艺复杂的缺点，但 是韦力等【3 5 l 在维生素b 1 制药废水处理研究中，在进水c o d c r 为4 5 0 0 - 5 5 0 0m e n - , 。停留 时间为3 0h 条件下，出水c o d e r 可降至5 0 0m g l 以下，去除率可达9 0 以上，当废水 水量过大时，二级水解酸化- s b r 法还是有其应用前景。由此，应用两相厌氧法作为厌 氧段处理制药废水是行之有效的，可以达到水处理的预期目标。在启动中药二厂的两相 厌氧生物处理工艺段中，施悦【1 8 】等发现产酸相中的产酸菌可以把原水中含有一些在 c o d 铡定中不能被重铬酸钾氧化的物质如苯、甲苯、吡啶等在产酸相中被“破环”、 “拆链”，由大分子变成小分子，使得在反应器运行初期出水c o d 值大于进水，但是在 产酸掘运行稳定之后c o d 的去除率可以稳定在4 7 1 ；密水中的挥发酸浓度显著提 高，利于产甲烷相的运行。c l a u d i af r a n k 矧在研究产乙酸菌新陈代谢时发现芳香醛可以 作为碳源。可是芳香醛对产乙酸菌利用果糖的能力有撺制作用。 而对于两相厌氧法中的产酸相中的产氢产乙酸菌的研究并不是很多，边文骅1 3 7 等对 利用厌氧一好氧工艺处理制药厂综合有机废水的厌氧段三个不同的厌氧反应器活性污泥 中的主要微生物生理群进行了计数培养，定性的说明污泥中存在产氢产乙酸菌但并未分 离出产氢产乙酸菌，根据微生物生理群的计数情况发现拥有不同主要微生物生理群的反 1 绪论 应器具有不同去除有机物能力。但在卫生填埋场中有分离出产氢产乙酸菌的报道【堋。对 于产氢产乙酸菌的生理生化研究中，产氢产乙酸菌、耗氢产烷菌及耗醋酸盐菌在含植物 油、f c 的连续流中活性影响比较研究，并不能具体判断产氢产乙酸菌对于有机物有利 用能力1 3 9 1 。产氢产乙酸菌对生存条件要求苛刻，y u y o ul i 等【柏l 在研究c o d s 含量比 例关系对属于产氢产乙酸菌属的硫酸盐还原菌( s r b ) 的影响时发现，只有在c o d s 不大于1 5 的情况下，s r b 才可以大量降解苯系物，将硫酸盐转化为硫化物，抑制甲烷 的生成；当硫酸盐浓度过高时，苯系物的降解将会受到抑制。邢德锋【4 l i 等从连续流运行 的制氢反应器中分离到一株具有较强的产氢能力，生长能力和耐酸能力的乙醇发酵新种 属菌株x 2 1 ，不仅为乙醇型发酵产氢理论找到了直接证据，还为今后其作为优势菌种参 与大规模发酵产氢提供了条件。程瑶【4 2 】从连续流生物制氢反应器c s t r 中分离纯化到一 株专性厌氧乙醇发酵细菌r 1 2 ，在最适条件下，最大产氢速率可达到2 6 1 1m m o lh 2 僖 d r y c e l l h ；并且她对r 1 2 的生活条件如r 1 2 对金属离子浓度的适应性，各种有机物的 利用性的研究为对产氢产乙酸菌生理生化特性分析有着良好的借鉴作用。李永峰【4 3 4 4 1 等 对发酵产氢细菌分离培养的厌氧实验操作技术进行总结，认为诸如h u n g a t e 滚管技术、 平板夹层技术都是非常适用于厌氧菌的分离，并且有机氮源比无机氮源更适于发酵细菌 的利用，并且根据这些技术手段分离出三株高效产氢细菌，为发酵法生物制氢工程提供 了宝贵的微生物种质资源。 综上所述，开展对哈药集团中药二厂生产废水中的产酸细菌的分离鉴定是可以加强 对该菌属生理生化条件的了解，为调整该厂两相厌氧法的产酸相的运行条件使其能够成 为优势菌种，优化该相中的出水条件而获得实际的运行效益。 1 6 产甲烷菌的研究进展 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物作为底物，在厌氧条件下转化形成甲烷和 二氧化碳的古细菌，它是严格厌氧细菌，属于水生古细菌门( e u r y a r c h a e o t a ) 。它们生 活在各种自然环境下，甚至一些极端环境中，如反刍动物的瘤胃、动物的肠道、人类的 消化系统、稻田、湖泊或海底沉积物、沼泽地、热油层和盐池，以及污泥消化和沼气反 应器等人为环境中1 4 5 】。产甲烷菌是厌氧消化过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自 然界碳素物质循环中的关键链条，在自然界碳素循环的动态平衡中具有重要作用。 关于产甲烷菌的研究是开始于1 8 9 9 年，当时的俄国微生物学家奥姆良斯基 ( b l o m e f i a n s k ) 将厌氧分解纤维素的微生物分为两类：一类是产氢的细菌，另一类是 产甲烷细菌，后来称为奥氏甲烷杆菌( m e t h a n o b a c i l l u so m e l a u s k i i ) 。s c h n e l l e n 第一个 从消化污泥中分离纯化得到了甲酸甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i u mf o r m i c i u m ) 和巴氏甲烷八 叠球菌( m e t h a n o s a r c i n ab a r k e d ) ：1 9 0 1 年s o h z g e n 对产甲烷菌的特征及对物质转化作用作 了详细的研究。1 9 3 6 年b a r k e r 对奥氏甲烷菌进行了分离纯化。但是由于厌氧分离产甲 烷菌的技术尚不完善，这些研究尚未取得较大的进展。直到1 9 5 0 年亨盖特( h u n g a t e ) 第 一次创造了无氧分离技术才使产甲烷菌的研究得到了快速的发展，这个技术后来被称为 东北林业人学硕二 学位论义 “亨盖特技术”。在“亨盖特技术”之后，出现了许多微生物学家、生物化学家及污水处 理专家，从产甲烷菌的形态、结构、生理、生化及生态学等多方面进行了研究，为厌氧 消化技术的应用提供了坚实的理论基础【匍。 随着产甲烷菌的培养与分离纯化技术的日益成熟和广泛的应用，许多关于产甲烷菌 的研究便日益深入，目前关于产甲烷菌的研究集中体现在产甲烷菌分类、个性特征、影 响因素的研究以及产甲烷菌在处理有机废水、固体废弃物和温室气体调控等方面的应 用。 1 6 1 产甲烷菌的分类 e b 于产e p 烷菌是一类十分严格的厌氧细菌，对其进行研究需要较高的技术手段，产 甲烷菌的分类直到2 0 世纪7 0 年代以后才被分类学家提出讨论。产甲烷菌的分类，早期 主要是根据菌体细胞的形态学特征，再辅以某些生理性状和对基质的利用范围进行分类 的。根据1 9 7 4 年伯杰氏手册第八版的分类，产甲烷只有一个科，即甲烷细菌科，分三 个属，有9 个种。1 9 8 9 年版的伯杰士细菌鉴定手册第九版中将产甲烷菌列为三个目、六 个科、十三个属、四十三个种。由于目前国内的多数教科书仍然沿用3 个目4 0 余种的 旧的分类方法，所以将最新分类系统列出，仅供参考( 如图卜2 ) m 。 、w h 斗删- l = 蛆丛a 衄噬l ：僦基 - 怂世l 蜷l l 触毪a j = 吐 - m 引h a l 嫱c l l l l 铲n s m 芏! h a l 纶纽a 芏醯z ! 丛 一 m e l h a l l o f o u l , , m t - i i n a j l o b ：l c t e l i ；, c t m v m i i | i l l i i o , _ , ( 1 l i i l i i i m 1 i l i a i m t l + ( + 1 i + i i l m m r l l i l l i o i l l i c | - o l l i l i ， -m h h a l l o l l r p 、g j a c i r r m e l l l h l l o p l ：l i a u s - 、