（环境工程专业论文）EGSB全温厌氧处理中高浓度有机废水的研究.pdf

摘要 摘要 随着厌氧技术的发展，传统的中、高温厌氧被拓展到低温( 6 0 ) 等更广泛的领域。本文结合现有的文献报道和 工程实例，首次提出全温厌氧的概念，主张废水优先在其排放温度下直接进行厌氧处理， 而不采取升温或降温措施，从总体上控制运营成本。 全温厌氧概念可以适用于以下几种情况： 废水浓度较低，排放水温也较低，城市污水是该类废水的代表； 废水浓度较高，水温随季节变化，在冬季维持短时间低温； 废水排放温度较高，在夏季属于高温或亚高温，而冬季属于中温或更低； 一些超高温冷却水的处理，如造纸冷凝液； 废水季节性排放，夏季较多，冬季较少，水温随季节变化； 当气体产量不高或气体中甲烷含量不高，不适宜燃烧，如含硫酸盐废水，含脂肪废水。 由于e g s b 的出色性能及其简单的构造和低廉的造价，所以选择e g s b 为主要反应 器，在广州环境温度下对自配高浓度有机废水进行全温厌氧处理，并在海南对高浓度木 薯淀粉废水进行处理，而且对中温颗粒污泥向高温颗粒污泥的转化也进行了研究。 在夏季进行的市政污泥接种e g s b 反应器的常温启动实验历时9 5 天，o l r 达到6 6 3 k g c o d m 。d ，c o d ；。1 去除率达9 0 9 6 ，顺利的实现了有机负荷的迅速提高和污泥的 颗粒化。实验结束时，污泥的v s s s s 由0 3 3 增至0 5 7 ，比产甲烷活性达到0 8 7k gc o d k gv s s d 。与同类的研究结果相比，本实验虽然周期较长，但负荷提升较快，且反应 器中滞留了大量污泥，为反应器的稳定运行创造了有利条件，这点在工程运用中非常重 要。 8 3 天的广州环境温度运行实验表明，当气温在5 3 1 间变化，水温在1 2 2 9 间变化，e g s b 处理高浓度有机废水可以在不加热的情况下实现良好运行。接种颗粒污 泥的e g s b 反应器启动较快，在平均水温2 5 8 时，2 1 天内将负荷提至1 3 5k g c o d m 。 d ，c o d 。i 去除率达到9 0 1 ，完成启动。即使在最不利的条件下，系统也可以在o l r 为l ok g c o d m 。d 。1 左右时，使c o d 。i 去除率维持在8 0 以上。颗粒污泥经过8 3 天的运 行，污泥粒径有了明显增大，且其比产甲烷活性由o 3 4 9 c o d g v s s d 。1 增至 0 6 9 9 c o d - g v s s d 一。 e g s b 处理自配中高浓度葡萄糖有机废水，在l o 下至少可以稳定运行在4k g c o d m - 3 d 1 的有机负荷下。2 0 。c 时，进水c o d 在1 0 0 0 0 m g l 以上，e g s b 反应器至少可以 稳定运行在1 9 7k gc o d m - 3d 1 的负荷下。而在3 5 。c 下，可以达到4 0 1k gc o dm - 3 d 。 的有机负荷，且c o ds o l 去除率达到8 8 7 。 华南理工大学硕士论文 在e g s b 反应器中先将温度升至5 0 运行1 8 天，后升至5 5 运行2 2 天，经过共 4 0 天的培养，颗粒污泥成功的由中温转为高温。在转型初期系统不稳定，c o d 。t 去除 率有较大波动：但一旦完成转变，负荷提升很快，在第4 0 天系统o l r 己达9k gc o d m 。3 d ，c o ds o i 去除率达8 8 3 。 采用e g s b 一稳定塘工艺处理高浓度木薯淀粉废水，当进水c o d 浓度为8 0 0 0 1 2 0 0 0 m g 几时，出水c o d 小于3 0 0 m g ，l 。采用e g s b 反应器处理木薯淀粉废水有机负 荷可达l o k g c o d m 。3 d ，颗粒污泥形成后，有机负荷更高，c o d 去降率在9 2 以上。 总之，以e g s b 反应器为工艺主体，在广州市环境温度下进行全温厌氧处理中高浓 度有机废水是可行的。 关键词：全温厌氧：e g s b ；高浓度有机废水；颗粒污泥；低温；高温 i i a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fa n a e r o b i c w a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a lm e t h o p h i l i ca n dt h e r m o p h i l i ca n a e r o b i cd i g e s t i o nw e r eb r o a d e n t om o r ep o p u l a rf i e l d ，s u c ha sa m b i e n tt e m p e r a t u r ed i g e s t i o n ，s u b t h e r m o p h i l i c d i g e s t i o n a n ds u p e r - t h e r m o p h i l i c d i g e s t i o n a c c o r d i n g t oi s s u e dr e f e r e n c ea n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t h ec o n c e p t i o n o f f u l l t e m p e r a t u r er a n g e a n a e r o b i c d i g e s t i o n w a si n t r o d u c e d ，w h i c ha d v o c a t e st h a tw a s t e w a t e rs h o u l db et r e a t e d d i r e c t l yd u r i n g i t sn a t u r a l t e m p e r a t u r er a n g ep r i o r i t i l y ，i n s t e a d o ft r e a t e db y l o w e r i n g o r r a i s i n g i t s t e m p e r a t u r e t ot h es o c a l l e d o p t i m u mt e m p e r a t u r e r a n g e ，i n o r d e rt oc o n t r o lt h e o p e r a t i o n c o s t t h ec o n c e p t i o no ff u l l t e m p e r a t u r e r a n g ea n a e r o b i cd i g e s t i o n c a nb e a p p l i e d t oc o n d i t i o n sl i s t e db e l o w ： ( 1 ) t h es t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r eo fw a s t e w a t e ri s l o w ，s e w a g e i st h i s t y p e ， ( 2 ) w a s t e w a t e r ss t r e n g t hi s h i g h ，i t st e m p e r a t u r e v a r i e sw i t hs e a s o n ，l a s to n l ys h o r tt i m eo fl o wt e m p e r a t u r ed u r i n gw i n t e r ( 3 ) t h et e m p e r a t u r eo fw a s t e w a t e ri s h i g h ，i n t h es u b t h e r m a lo rt h e r m a lr a n g ei ns u m i l l e r , w h i l ei nt h em e t h o p h i l i cr a n g e o re v e nb e l o wi nw i n t e r ( 4 ) s o m ec o o l i n gw a t e rw i t he x t r e m et e m p e r a t u r e s ( 7 0 8 0 0 c ) ( 5 ) t h ee f f i u e n ta m o u n ta n dt e m p e r a t u r eo fw a s t e w a t e rv a r i e sw i t hs e a s o n ，a n dt h ew a s t e w a t e ri s d i s c h a r g e d m o r ei ns u m m e r ，l e s si nw i n t e r ( 6 ) t h eg a sp r o d u c t i o nv o l u m eo ft h ew a s t e w a t e ri sl o wo rm e t h a n ep e r c e n t a g ei nt h e g a s i s l o w , n o ts u i t a b l ef o rc o m b u s t i o n ，s u c ha s s u l f a t e c o n t a i n e dw a s t e w a t e r ，f a t a n d l i p i d w a s t e w a t e r b e c a u s eo ft h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo fe g s ba n di t s s i m p l ec o n f i g u r a t i o n a n dl o wc o s t ，i t sc h o s e na st h em a i nr e a c t o rt oc o n d u c tf u l l t e m p e r a t u r e r a n g e a n a e r o b i cd i g e s t i o no fs i m u l a t e dh i g h s t r e n g t ho r g a n i c w a s t e w a t e ri n g u a n g z h o ua m b i e n tt e m p e r a t u r e ，t o t r e a th i g h s t r e n g t h c a s s a v as t a r c hw a s t e w a t e ri nh a i n a np r o v i n c e ，a n dt or e a l i z et h ec o n v e r s i o nf r o mt h e m e t h o p h i l i cg r a n u l a rs l u d g e t o t h e r m o p h i l i cs l u d g e t h es t a r t u po fe g s b ，i n o c u l a t e dw i t hs e w a g e s l u d g e a ta m b i e n tt e m p e r a t u r ei ns u m m e r ，l a s t e d9 5d a y s e n d e dw i t ho l ro f6 6 3k gc o dm 3d 一，c o d s 0 1r e m o v a le f f i c i e n c yo f9 0 9 6 a n ds l u d g eg r a n u l a t i o n i nc o m p a r i s o n w i t hs i m i l a rs t u d i e s ，i nt h i s e x p e r i m e n tt h eo l rw a sr a i s e df a s t ，a n dal o to fs l u d g ew e r ed e t e n ti nt h er e a c t o r , w h i c hc r e a t e s a d v a n t a g ef a c t o r f o rt h e s t e a d yo p e r a t i o n o ft h er e a c t o ra n di s q u i t ei m p o r t a i i i 华南理j _ = 大学硕士学位论文 n ti n e n g i n e e r i n g 8 3d a y so fo p e r a t i o na t g u a n g z h o ue n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r es h o w e dt h a t ，w h e n t e m p e r a t u r e a l f r e db e t w e e n5 - - 3 1 ，w a t e r t e m p e r a t u r e v a r i e db e t w e e n1 2 2 9 e g s br e a c t o r t r e a t i n gh i g hs t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e rc a nm a i n t a i ns t a b l eo p e r a t i o nw i 山o u t h e a t i n g 。s t a r t - u p o fe g s br e a c t o ri n o c u l a t e dw i t hg r a n u l a r s l u d g e i sf a s te v e n w h e nw a t e r t e m p e r a t u r ei s 2 5 89 c a v e r a g e l y ，o l rc a nb er a i s e d t o1 3 5 k gc o dm 一3 d ，a n dc o d s o lr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e d9 0 1 e v e ni nt h em o s td i s a d v a n t a g ec o n d i t i o n s ，s y s t e mc a no p e r a t ew e l lw i t ho l ro f 1 0k gc o dm _ 3d ，a n dc o d s o ir e m o v a l e f f i c i e n c y c a nb em a i n t a i n e da b o v e8 0 ，a f t e r8 3 d a y so fc u l t i v a t i o n ，g r a n u l a r s l u d g e ss i z e i n c r e a s e d a p p a r e n t l y , a n d i t sm e t h a n ea c t i v i t yi n c r e a s e df r o mo 3 4 9 c o d g 。1 v s s d 一1t o o 6 9 9 c o d g v s s d e g s br e a c t o r t r e a t i n g s i m u l a t e dm e d i u ma n dh i g h s t r e n g t hg l u c o s eo r g a n i cw a s t e w a t e r , o l ro f4k gc o dm 一d c a nb er e a c h e d a t2 0 。c ，w h e ni n f l u e n tc o dc o n e e n t r a t i o ni s h i g h e rt h a n1 0 0 0 0 m g l ，t h eo l ro fe g s bc a n r e a c h1 9 7 k gc o d m 一 3 d a t3 5 。c ，t h eo l ro fe g s bc a nr e a c h4 0 1 k g c o dm 。3d ，a n dt h ec o d s o lr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e d8 8 3 。 t h et e m p e r a t u r eo ft h ee g s br e a c t o rw a si n c r e a s e dt o5 0 。c f i r s t l y a n dt h e nt o 5 5 。c a f t e r4 0d a y sc u l t i v a t i o n ，m e t h o p h i l i c g r a n u l a rs l u d g e w a sc h a n g e dt o t h e r m o p h i l i c s l u d g es u c c e s s f u l l y i n t h e e a r l ys t a g e ，t h es y s t e mw a su n s t a b l e ，c o d s o i r e m o v a l e f f i c i e n c y f l u c t u a t e d g r e a t l y ；b u t a f t e rt h e c o m p l e t i o n o ft h ec h a n g e ，t h eo l ro ft h e s y s t e mr a i s e dq u i c k l y , r e a c h i n g 9 k gc o dm 一3d ，w h i l ec o d s o ir e m o v a le f f i c i e n c y r e a c h e d8 8 3 e g s b s t a b i l i z a t i o nt a n kp r o c e s sw a st a k e nt ot r e a t h i g hs t r e n g t h c a s s a v as t a r c hw a s t e w a t e r ，w h e ni n l e tc o ds t r e n g t hw a s8 0 0 01 2 0 0 0 m g l ，e f f l u e n tc o ds t r e n g t hc o u l db el e s st h a n 3 0 0 m g f l w h e nt r e a t i n g c a s s a v as t a r c hw a s t e w a t e r , o l ro ft h ee g s b r e a c t o rc a nr e a c h1 0k gc o dm d - 1 ，a n da f t e rt h e s l u d g eg r a n u l a t i o n ，o l r c a l lb e e v e n h i g h e r , a n dc o d r e m o v a le f f i c i e n c yc a nb em o r et h a n9 2 i na 1 1 i ti sf e a s i b l et ot a k ee g s br e a c t o ra st h em a i np r o c e s st ot r e a t h i g h s t r e n g t ho r g a n i c w a s t e w a t e rw i t ht h e f u l l t e m p e r a t u r er a n g ea n a e r o b i cd i g e s t i o nc o n c e p t i o n a t g n a n g z h o ua m b i e n tt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：f u l l t e m p e r a t u r er a n g ea n a e r o b i cp r o c e s s ；e g s b ；h i g hs t r e n g t ho r g a n i c w a s t e w a t e r ；g r a n u l a rs l u d g e ；p s y c h r o p h i l i c ；t h e r m o p h i l i c i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：6 呻纶c 暑 日期：抄乒年6 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密莨。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：1 冲咯c 厉 导师签名： 硝国镭 日期：埘年6 月日 日期：m 卿年月 日 第一章绪论 1 1 厌氧技术的发展 第一章绪论 厌氧处理造价低，占地少，能耗小，又能回收利用资源，体现了3 r ( r e d u c e ，r e c y c l e ， r e u s e ) 的现代环保思想。而颗粒污泥的引入大大提高了厌氧反应器的有机负荷，在一 些热带地区，u a s b 已经成功的用于城市污水处理【2 】。随着厌氧技术的发展，特别是以 e g s b 为代表的第三代厌氧反应器的开发，越来越多的研究者将传统的中、高温厌氧拓 展到低温( 6 0 ) 。许多传统的 观念都受到质疑，如高温厌氧不如中温稳定，低温处理效率低等。而所有这些对厌氧技 术的实验研究和对传统理论的挑战，都将大大推动厌氧技术的工业化应用。从现有的研 究结果看，厌氧技术有望运用于很大的温度范围f 5 - - 7 0 ) ，远远超出传统的中、高温 领域。 1 2 低温厌氧的研究 1 2 1 低温厌氧的经济性和可行性 一些废水的温度较低( 气候温和地区的城市污水及许多工业废水，如垃圾渗滤液， 酿酒废水，麦芽糖废水，软饮料废水和瓶装废水等) ，而且这些废水的浓度也较低 ( 1 0 0 0 m g l 以下) ，将其加热到中温要耗费很多的能量，在经济上是升i 可取的。近年来， 国外许多学者对低温下工业废水和城市污水的厌氧处理进行了探索，取得了一定成果。 实验结果表明，低温( 2 0 ) 厌氧处理同中温( 3 0 一3 5 ) ，高温( 5 0 一5 5 ) 厌氧一 样可以在较高的负荷下取得令人满意的处理效果。 1 2 2 废水低温厌氧处理特点 低温时废水的理化性质发生改变，粘度变大，这使搅拌和气水液的三相混合更加困 难。同时有机物在废水中的扩散更缓慢，如l o 时的扩散系数是3 0 。c 的0 5 7 【3 1 ，颗粒 沉降也更慢，使得低浓度废水更难处理。复杂废水的降解更加困难，需要更长的h r t 和更大的生物量。比如蛋白质和脂肪废水的处理，悬浮物和胶体状c o d 的降解更加困 难，可能导致酸化或去除率下降，严重时会导致系统运行失败。而工业废水常常含有蛋 华南理t 大学硕士学位论文 白质，不同来源的s s ，脂肪或长链脂肪酸。 废水中溶解的气体量变大。溶解氧的增大更有利于兼性菌生长【“，抑制厌氧菌的繁 殖，对于颗粒污泥来说，兼性菌的大量繁殖导致污泥上浮，出水水质恶化。二氧化碳过 多会使p h 值降低，有可能导致酸化。甲烷在水中的溶解量增大，使得能够利用的甲烷 气变少，不利于回收利用，同时也可能导致更多的气泡黏附在颗粒表面，引起污泥上浮。 氢气的积累会使丙酸的降解受到抑制f 5 l ，导致出水v f a 和c o d 变高。而h 2 s ，n h 4 的 溶解量增大则会对微生物产生更大的毒性。 在低温下，利用氢产甲烷菌比利用乙酸产甲烷菌的活性低的多，这一点与高温和中 温时相似。但g o u r a n g a 等( 1 9 9 7 ) 认为如果加强搅拌从而加强气体的传递，也许可以 增强氢利用产甲烷菌的活性【6 】。同时，l e t t i n g a 等( 1 9 9 9 ) 证实，即使在5 c 的低温下， 微生物也可具有很高的丙酸降解率【”。 总的说，在低温下，产酸菌和产甲烷菌的活性都有不同程度的降低，导致污泥比产 甲烷活性( s m a ) 降低，单位容积产气率也降低，固液混合减弱，传质受到限制。相 较而言，产甲烷菌的活性降低更快。因此，产酸菌和产甲烷菌在中温或常温下建立的平 衡有可能被破坏，以致v f a 积累，导致反应器的酸化。v a nl i e r 等( 1 9 9 7 ) 发现由于产 酸菌的大量繁殖，黏附在原有的颗粒污泥表面，使其密度变小，会引起颗粒污泥上浮【8 l 。 但同时，微生物的净产率( g 生物量g 。基质转化) 随温度降低而升高( 可能是由于微 生物的内源呼吸减弱所致) ，这对于反应器在低温下运行维持较大的生物量很有利。 在低温下，可溶性微生物产物( s m p ) 变多占到出水c o d 。o 【的8 0 以上例。据 猜测，这些物质绝大部分是胞外产物，随着温度的降低和基质浓度的降低，微生物分泌 表1 1 厌氧反应的活化能随温度的变化 t a b l e1 - 1g i b b sf r e e e n e r g yc h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni na n a e r o b i cc o n v e r s i o n 2 第一章绪论 的越多。它们在厌氧条件下很难降解，而在好氧条件下却可以几乎全部降解，因而要获 得较高要求的水质，好氧后处理似乎是必不可少的。 关于低温对脱氮除磷和除硫影响的研究较少。从热力学角度看，硫化物去除更容易。 低温下，化学和生化反应更慢，大多数反应需要更多的能量来维持。但利用氢产甲烷反 应和产乙酸的反应需要更少的能量( 表l 一1 ) 。g o u r a n g a 等( 1 9 9 7 ) 报道说 6 】，低温下 硫酸盐还原菌仍能保持较高的活性，相对于中温时还原更多的c o d 。 有毒物质在低温下对厌氧微生物的影响比高温下小。周洪波等( 2 0 0 1 ) 发现在1 5 和 3 5 下加入4 m m o l l 的癸酸，对颗粒污泥的s m a 有4 5 和5 l 的抑制作用 i 。 1 2 3 低温下颗粒污泥及厌氧微生物的研究 如今大部分高效厌氧反应器的运行都是以颗粒污泥为基础，因此要想在低温下实现 高效运行，对低温下颗粒污泥的研究至关重要。这包括颗粒污泥中的优势营养菌，以及 低温下运行对它们的生长代谓f 的影响等。r e b a c 等( 1 9 9 5 ) 发现即使在l o 的低温下， 接种污泥的产甲烷活性仍在运行一段时问以后有了显著提高，这说明中温产甲烷菌可以 在低温下很好的生长i ，而在低温下运行的反应器中刻意加入嗜冷菌是不必要的。v a n l i e r 等( 1 9 9 7 ) 对厌氧颗粒污泥的一些研究发现，在低温下培养3 0 0 天后污泥的活性在 恢复到中温时甚至超过了中温污泥的活性m 】。而对温度响应曲线的测定表明，在3 1 2 下生长的污泥的最佳活性范围仍是中温( 3 0 一4 0 ) ，但这也不能说明一定没有嗜冷 菌的出现。他们认为这可能是由于中温厌氧菌的大量繁殖阻碍了嗜冷菌的生长和繁殖 陷 。r e b a c 等( 1 9 9 8 ) 发现在4 下贮存6 个月后，依然保持良好活性，这意味着利用 低温下生长的颗粒污泥可以迅速实现低温厌氧反应器的启动 1 。 m e r k e l 等( 1 9 9 9 ) 发现无论哪一种污泥，或是哪一种废水或运行温度，在所有检 测的污泥中都有产甲烷鬃毛菌的出现，这种菌对颗粒污泥的形成和性能至关重要【l ”，低 温下也不例外。s h a r o nm c h u g h 等( 2 0 0 3 ) 利用独立培养技术研究了六种厌氧污泥的 微生物结构 1 4 l ，其中包括在低温( 1 0 一1 4 ) 下运行了3 0 0 多天的颗粒污泥。利用 1 6 sr r n a 基因序列和系统重组分析发现，六种污泥中的产甲烷菌都以产甲烷鬃毛菌为 代表，特别是在低温下。这从一个侧面说明，在低温下颗粒污泥的运行是可行的。 目前还没有文献报道直接用嗜冷菌对废水进行处理，大部分的研究都是利用中温污 泥在低温下驯化，因此，大多数研究者所用的细菌不是真正的嗜冷菌而是耐冷菌。近来， 科学家从冻土地区和北极的生态系统中分离了一些嗜冷菌并加以研究。1 4 种嗜冷产甲 烷占细菌和近7 组产酸菌被分离出来【l ”，这些微生物甚至可以在l 的低温下生长。这 些研究者仅就温度对分离的微生物的影响作了研究，而其他特征，如这些微生物的形态 和种类以及其产甲烷活性还有待深入研究。 而对细胞水平以及酶的产甲烷活性的研究也将有助于决定如何控制厌氧条件，从雨 华南理工大学硕士学位论文 优化大规模应用下的产甲烷过程 l “。最近的研究表明在低温下，不同的驯化过程会产生 不同的酶来实现不同的产甲烷过程。因此，可以利用基因工程增加低温活性酶的热稳定 性，来催化其产甲烷过程。对于嗜冷厌氧菌的反应器设计研究的文献报道还很缺乏，有 必要深入研究，来评价运行参数和其他一些参数，如负荷率，接种量，v f a 浓度，h r t ， 最佳碳氮比，生长动力学和水解动力学等。 1 2 4 低温下厌氧微生物动力学研究的必要性及进展 国外许多学者对低温下厌氧微生物动力学进行了研究，试图找到合适的动力学模 型及相应的温度表达式来描述和预测低温下厌氧微生物的产甲烷活性。但就目前的研究 来看，由于基质或被处理废水的种类不同，微生物对其驯化时间不同，很难找到完全合 适的模型和动力学参数相匹配。通常，都是用m o n o d 和a r r h e n i u s 公式进行参数推导。 但g o u r a n g a 等( 1 9 9 7 ) 的研究结果表明，在低温下，特别是5 以下【6 】，这些公式都不 适用。目前，还没有找到合适的动力学模型及参数对低温下厌氧微生物的活性进行预测， 而且大部分学者都是进行批式实验，对反应器中的连续反应研究较少，这从另一个方面 阻碍了低温厌氧技术的发展。 l i n 等研究了温度范围为i 5 3 5 时v f a 产甲烷过程的生物动力学常数与温度的关 系，给出如下关系式：( k ) t = 7 4 ( 1 0 7 7 ) ”5 ( 1 5 。c t 3 5 。c ) ( k s ) t = 2 3 0 ( 0 9 3 9 ) ”。”( 1 5 t 3 5 ) g o u r a n g a 等( 1 9 9 7 ) 对低温下运行的a s b r 中的污泥进行研究1 6 】，得出相应的动力 学参数，从表1 2 可以看出2 5 时的k 值是1 5 时的1 4 2 倍，而1 7 5 时是7 5 时 的2 7 2 倍，随着温度的下降，微生物的活性大幅度下降。而在5 。c 时，k 和k s 是负值， 说明m o n o d 方程式不适合该温度以下。 表1 - 2a s b r 中微生物动力学参数 t a b l e1 - 2m i c r o b e p a r a m e t e r si na s b r r h k e t t u n e n 等( 1 9 9 7 ) 用u a s b 反应器污泥和消化污泥接种【1 7 1 ，以垃圾渗滤液作为 基质，对其低温下的产甲烷活性做了研究和对比，并以乙酸，氢或丙酸为基质，研究了 5 2 9 时乙酸和氢代谢产甲烷菌的活性和低温下初始乙酸和丙酸浓度对其活性的影 响。研究结果表明，对于不同基质浓度和不同时期，所适用的公式不同，这说明在低温 下微生物发生着某种变化。在低温下，经过驯化对垃圾渗滤液有适应性的微生物的产甲 烷活性比未经驯化的有了明显的提高，在1 1 时( o 7 5 0 0 4 t a l c i - 1 4 9v s s 。h 。1 ) 是后者 4 第一章绪论 的7 倍，2 2 。c 1 付( 3 1 2 + 0 1m l c h 4 9v s s 。1 h 。1 ) 是后者的5 倍，但产甲烷活性的提高对c o d 的去除率并没影响，在任何温度都可以达到8 0 。他们认为既然在批实验中，出水 中的c o d ，乙酸，丙酸浓度不受温度影响，那么即使在低温连续处理中，也定可以 取得良好的处理效果。因此，低温下处理效果变差，可能源于超负荷运转，而非微生物 特性不同所致。 表1 - 3 温度对颗粒污泥最大基质降解活性a 。的影响 1 4 2 ( a ) 产酸菌，h 2 ( b ) 氢营养菌 s a l i h r e b a c 等( 1 9 9 9 ) 1 8 1 以挥发酸为基质，采用批式试验，研究了1 0 - - 1 2 。c 下- e g s b 反应器中运行了3 0 6 天的颗粒污泥的动力学参数，实验得出的污泥的最大比基质降解活 性( a 一) 相对较大( 见表1 3 ) 。由于e g s b 利用回流实现了良好的水力条件，饱和常 数( k s ) 普遍很低，丙酸代谢菌的k s 甚至只有7m gc o dl ，这充分说明了足够的水 力搅拌对于k s 的影响；而随着运行时间的延长，丁酸代谢菌的k s 从2 4 3m gc o d l “ 降到1 4 2m gc o dl ，这说明微生物对基质有了一定的适应性。 表1 - 4 不同温度下v 。，k s 比值 a 用同一温度下的k s 值计算；b 用3 0 下的k s 计算 k s 的下降，即对基质亲和力的增加，可产生温度补偿效应，也就是说，随着温度的 降低，尽管最大比活性( v 一) 大大降低，污泥实际上仍保持着较高活性。当细菌的生 长可以忽略时，如在高生物量而低基质浓度时，可以用m i c h a e l i sm e n t e n 动力学公式来预 测温度效应；当基质浓度远小于k s 时，可以用v 一，i ( s 的值来预测温度补偿效应，并反 映基质降解率。将同一温度下v 。s 和不同温度下v 。( 不同温度) k s ( 3 0 ) 的值 比较( 表1 3 ) ，当前者小于后者，证明有温度补偿作用。乙酸和丙酸的k s 随温度降低而 降低，丁酸的则随温度降低而升高。因此，乙酸和丙酸有温度补偿效应，而丁酸则没有。 低温限制了厌氧菌的降解速率但并未限制它们的生长，即使在l o 的低温下，中 5 华南理工大学硕士学位论文 温厌氧菌的生长仍占优势，从而完全可以接种中温污泥在低温下运行。延长反应器工作 时间，如加大h r t ，可以降低k s ，而这对于低浓度废水的处理至关重要。总之，通过 对低温下动力学参数的研究，可以得出结论，中温厌氧污泥可以在低温下很好的生长并 保持良好活性，因而在低温下运行厌氧反应器是可行的。 1 2 5 低温厌氧反应器研究 低温下污泥活性降低，对于反应器的要求更高，即使小量的污泥流失也可能导致系 统失败。此外，要求反应器内有更大的污泥量来弥补污泥活性的不足。因此，对反应器 的设计要求：( 1 ) 足够的污泥停留时间，即保证足够大的s r t ，一般讲，要在5 0 天左 右。( 2 ) 足够的水力搅拌，保证基质传递不受限制。( 3 ) 单位体积内容纳更多的生物 量，或许3 0gv s s l 以上。( 4 ) 即使在很小的水力停留时间下仍能保证处理效率，这 对于低温下低浓度废水的处理来说尤为重要。( 5 ) 相对较高的负荷低温下反应器的效 率相对中高温时较小，但对于颗粒污泥反应器来说，仍应保持在5k gc o d m 3d 。左右。 此外，厌氧反应系统的稳定运行还取决于废水的特征，污染物的可降解性和颗粒物 的沉降性能等。而反应器运行成功的关键是使反应器中微生物合成的生物量大于流失的 生物量。对此，国内外学者进行了探索( 表1 5 ) 。 表1 5 低温下厌氧反应器的研究 t a b l el - 5t h er e s e a r c ho f p s y c h r o p h i l i ca n a e r o b i cr e a c t o r a 厌氧序批式反应器b 厌氧折板式反应器c 两级u a s bd 可溶性c o d 去除率 1 3 高温厌氧的研究 某些行业排放的废水温度较高( 5 0 - - 7 0 。c ) ，如酒精，柠檬酸，味精，制浆造纸， 食品) j h q - ，罐头加工，咖啡生产废水等，若能在高温下进行厌氧处理，可节省大量投资。 1 3 1 高温厌氧的优点及局限 6 第一章绪论 高温厌氧的优点： ( 1 ) 相对高的细菌生长率意味着高温下厌氧微生物有更高的活性，中温和高温下的比 较研究也表明高温下厌氧消化或废水处理到一定程度所需的时间减少。而很多在中温或 低温下难以降解或降解速度较慢的有机污染物，在高温下会加速降解。 ( 2 ) 高温下废水中的病源微生物可以更好的去除，因为高温下嗜温的病源微生物更容 易死亡裂解。如中温消化后大肠杆菌群在1 0 21 0 4 m p n g ，而高温消解后则是1 0 0 m p n g ， 对肠球菌和沙门氏菌的中高温消解对比研究也有类似结果阱1 ( 3 ) 嗜温菌尽管生长率高，但由于其相对较高的死亡率，高温过程污泥的净增长率较 低，因此剩余污泥量少。 ( 4 ) 高温下溶液粘度低，因此废水与污泥易于混合，形成的颗粒污泥沉淀性能更好。 高温厌氧的局限： ( 1 ) 一般用于废水排放温度较高或有废热可利用的场合，否则废水加热需要太多能量。 ( 2 ) 高温下n h 3 和某些其它化合物，如油酸的毒性增加【2 3 】，而且微生物对金属离子( 如 n a + ，k + ) 比中温下更敏感【2 4 】。 ( 3 ) 丙酸及其它中间产物的积累f 2 5 1 。 ( 4 ) 高温下在含硫废水中，硫酸赫还原菌竞争超过产甲烷菌【2 。 ( 5 ) 臭味比中温下更大，这可能源于出水中较高的v f a 浓度，和较高的细菌死亡率。 此外。传统观念认为高温厌氧的稳定性差，抵抗温度波动能力差，且出水水质较差。 但由近期一些中高温对比研究，尤其是在高效厌氧反应器中的实验来看，事实并非如此。 1 3 2 中高温厌氧工艺比较研究 1 3 2 1c s t r 中的比较 较早的比较在c s t r 中进行，分别用来处理含有咖啡磨料的咖啡废水f 2 ”，橄榄油生 产废水2 ”，由鸡粪和市政污泥等组成的混和固体废弃物 ”。在处理咖啡废水的对比试 验中，虽然高温下o l r 可达1 6k g c o d m od 一，比中温下的1 3 k g c o d m 。d 。略高， 但由于脂类物质的积累，导致运行不稳，在第5 0 天左右出现v f a 升高现象。而在橄榄 油生产废水的对比试验中，高温反应器在h r t 为l o 天到4 0 天时，分别去除9 4 6 和 8 4 4 的c o d ，而中温反应器在h r t 为l o 天时，基质利用率和甲烷产量略低。高温甲 烷产率比中温高2 8 ，而且其它动力学参数也表明，高温比中温效果更好，如中温污 泥产率0 1 8 9 v s s 住c o d ，高温o 0 6g v s s g c o d ，中温用于维持微生物生存的基质利用 率0 1 2g c o d g v s s d ，高温0 2 7g c o d g v s s d 。在对由鸡粪和市政污泥等组成的混 和固体废弃物的消解试验中，在消解时间2 0 天以内时，高温消解效果更好。在极限负 7 华南理_ 大学硕士学位论文 荷时，中温系统不如高温抗冲击能力强。但是高温消解污泥的脱水性能不如中温。传统 的观点认为高温比中温的反应速率更高，但稳定性差。但从以上的对比研究来看，在 c s t r 中，对不同的废水，高温和低温的稳定性不可一概而论。 1 。3 2 2a f 中的比较 在a f 中，学者们分别对脱脂奶粉3 0 】，模拟淀粉废水 3 1 】，纸浆废液 3 2 1 和模拟造纸废 水 3 3 1 在中高温下的厌氧处理进行了对比。在处理脱脂奶粉的实验中，h r t 为4 8 h 时， 有机负荷( o l r ) 为2 0k gc o dm od ，两种温度下的产气量相似。但当h r t 为1 2 h 时，o l r 为5 5 1 3 7 5k gc o dm 3d 1 ，中温下的产气量比高温下少3 5 。而处理淀粉废 水时，在o l r 大于8 5k gc o d m - 3d - “时，高温优于中温。在处理模拟淀粉废水的实验 中，改进的s t o v e r k i n c a n n o n 模型被用来对结果进行预测分析，表明高温生物滤池对 c o d 的最大利用率几乎是中温滤池的1 5 倍。在处理纸浆废液的对比实验中，h r t 从 1 1 7 h 到2 6 2 h ，o l r 在1 7 0 一3 t 8