（环境工程专业论文）栲胶对厌氧菌活性影响的研究.pdf

栲胶对厌氧菌活性影响的研究 摘要 本文首次引入了毒理学和微生物学的概念，以常用的杨梅栲胶和 荆树皮栲胶为代表，较系统地研究了栲胶对厌氧微生物的抑制作用和 抑制机理。为了较好说明栲胶的抑制作用，本文还以几种多羟基酚( 邻 苯二酚、对苯二酚、间苯二酚、没食子酸和焦性没食子酸) 作为栲胶 的简化，研究他们对厌氧菌的抑制作用及抑制机理。 抑制作用大小的研究是分别在等c o d 和等v o a 下，培养好的 污泥中，加入不同浓度的多羟基酚及栲胶，研究几种多羟基酚和栲 胶对厌氧菌的抑制情况和恢复情况，以产甲烷的体积来衡量活性污 泥中产甲烷菌的活性，并得出其半数致死量。 研究表明，几种多羟基酚和栲胶对厌氧污泥中的产甲烷菌的活 性有显著的抑制作用。上述物质的浓度越高，受影响越大。低浓度 时，上述物质可在一定程度上激活甲烷菌的活性，对甲烷气的产生 有促进作用；当达到一定浓度时，将会对甲烷菌造成极大程度上的 伤害；高浓度的上述物质能严重的抑制菌体。但是这种抑制作用均 是可逆的，而且当这些物质低于某一定值时，只会延长甲烷菌消解 有机物的时间，不会影响其消解有机物的总量。去除上述物质后， 产甲烷菌的活性的得到一定程度的恢复，但仍受一定影响。且随着 上述物质浓度的增加，恢复越来越差，说明上述物质都属于生理毒 素。 通过对比在等c o d 和等v o a 条件下的情况，还可得出v o a 用 量的增加可以明显提高甲烷菌的活性。 上述物质对产甲烷菌的半数致死浓度受污泥活性的影响很大。 等量v o a 条件下的半数致死浓度明显高于等量c o d 条件下的半数 致死浓度。分子量越高，羟基数量越多，半数致死量越低，对厌氧 微生物的抑制作用越大；羟基位置不同，半数致死量也不同，羟基 在对位 邻位 间位。 焦性没食子酸的半数致死浓度明显高于其它物质，是由于焦性 没食子酸水溶液在偏碱性条件下，能迅速自我氧化，释放出0 2 ，生 成小分子物质，从而降低了其对甲烷菌的毒性。 抑制机理的研究是在培养好的污泥中，加入不同浓度的多羟基 酚及栲胶，通过测量累计产甲烷量的变化( 以产甲烷的量判断厌氧 菌的活性) ，污泥中辅酶f 4 2 0 的变化和胞外多聚物的变化，与空白 作对比，得出多羟基酚和栲胶对厌氧活性污泥中辅酶f 4 2 0 和胞外多 聚物的影响。 研究表明，多羟基酚和栲胶的加入，影响辅酶f 4 2 0 的的生成、 胞外多糖的生成和蛋白质的生成，使污泥的活性降低。加入上述物 质越多，对辅酶f 4 2 0 的影响越大。并且每种物质都有一个阙值，超 过这个值，其对f 4 2 0 的影响幅度变小。加入上述物质越多，对胞外 多聚物的影响越大，并且对胞外多糖和胞外蛋白质的含量有不同程 度的降低，对蛋白质的下降幅度较大。说明，多羟基酚和栲胶对辅 酶f 4 2 0 、多糖和蛋白质生成的影响是多羟基酚和栲胶影响厌氧污泥 活性的原因之一。 此外，厌氧颗粒污泥对杨梅栲胶和荆树皮栲胶有降解作用。杨 梅栲胶可能降解为羧酸类物质、芳环烃类物质和新的醇类物质；杨 梅栲胶的苯环和取代基有变化。荆树皮栲胶的多苯环联体可能被分 解为单个的苯环，或其上的键被分解。 高效厌养生物处理工艺应用于制革废水处理的研究起步很晚， 目前还没有系统的理论研究和实际的工业化应用。本文通过研究几 种多羟基酚和栲胶对厌养生物抑制作用和抑制机理，为高效厌养生 化工艺处理制革废水技术的工业化应用提供理论支持和实际指导， 并为正确评价制革废水对环境的影响提供科学的依据。 关键词：制革废水，厌氧，抑制和恢复作用，产甲烷活性，半数致 死量，辅酶f 4 2 0 ，胞外多聚物 s t u d yo ni n h i b i t o r ye f f e c t o fv e g e t a b l ee x t r a c t s o na n a e r o b i cm i c r o b e a b s t r a c t i ti st h ef i r s tt i m et h a ti nt h ev i e wo f t o x i c o l o g ya n dm i c r o b i o l o g y t h ei n h i b i t o r ye f f e c t so ft a n n i ne x t r a c t so na n a e r o b i cm i c r o b ea n d i n h i b i t o r y m a c h a n i s ma r e s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e db yb a y b e r r yt a n n i n e x t r a c ta n dw a t t l ee x t r a c ta sw e l la s as e v e r a l p o l y h y d r i cp h e n o l ( p y r o c a t e c h o l 、h y d r o c h i n o n e 、1 ，3 一d i h y d r o x y b e n z e n e 、g a l l i ca c i da n d p y r o g a l l i ca c i d ) t h ei n h i b i t o r ye f f e c t sa r es t u d i e db ya d d i n gd i f f e r e n tl e v e l so f p o l y h y d r i cp h e n o la n dt a n n i ne x t r a c t st ob e s tt r a i n a b l ea c t i v a t e ds l u d g e t od e a lw i t ha r t i f i c i a lw a s t ew a t e rw i t hs a m ev a l u eo fc o da n dv o a i n d i v i d u a l l y t h ea c t i v i t yo fs l u d g ea n di t sm e d i a nl e t h a ld o s ea r e e s t i m a t e db yt h ev o l u m eo fm e t h a n er e l e a s i n gi nt h ea n a e r o b i cr e a c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep o l y h y d r i cp h e n o la n dt a n n i ne x t r a c t s h a v eam a r k e di n h i b i t i o ne f f e c to nt h ea c t i v i t yo fm e t h a n o g e n s t h eh i g h e ri t sc o n c e n t r a t i o ni s ，t h el a r g e rt h ee f f e c to fi ti s t h e p o l y h y d r i cp h e n o la n dt a n n i ne x t r a c t si nl o w e rc o n c e n t r a t i o na c t i v i z e t h ea c t i v i t yo fm e t h a n o g e n si nac e r t a i ne x t e n ts oa st op r o m o t et h e p r o d u c t i o n o fm e t h a n eg a s b u ti tw i l lc a u s es e v e r eh a r mt o m e t h a n o g e n s w h e ni t sc o n c e n t r a t i o n sr e a c ht oac e r t a i nv a l u e i nh i g h e r c o n c e n t r a t i o n si t si n h i b i t i o nt ot h ea c t i v i t yo fm e t h a n o g e n si ss e r i o u s a n dh o w e v e r ，r e v e r s i b l e i to n l yp r o l o n g sp e r i o dw h e nm e t h a n o g e n s d i g e s t so r g a n i cm a t t e ra n dd o s e n te f f e c tt h et o t a la m o u n to fo r g a n i c m a t t e rd i g e s t e d w h e ni t sc o n c e n t r a t i o nb e l o wac e r t a i nl e v e l a f t e r r e m o v a lo fm a t e r i a l ss u c ha sv e g e t a b l ee x t r a c t se t c ，t h ea c t i v i t yo f m e t h a n o g e n sc a nb er e c o v e r e dt o ac e r t a i nd e g r e e ，b u tn o tt ot o t a l d e g r e e a n dt ol o w e rl e v e lw i t hh i g h e rc o n c e n t r a t i o no fm a t e r i a l sa b o v e a c c o r d i n gt oe x h i b i t i o no ft h e s em a t e r i a l s ，t h e i rt o x i c i t yc o u l db e a s c r i b e dt op h y s i o l o g i c a lt o x i n i i i b yc o n t r a s tw i t ht h es i t u a t i o ni ne q u a lc o da n de q u a lv o a ，i t s h o w st h a ti n c r e a s i n gt h ev o aa m o u n tc a ni m p r o v eo b v i o u s l yt h e a c t i v i t yo fm e t h a n o g e n s s l u d g ea c t i v i t yg r e a t l ye f f e c t st h em e d i a nl e t h a ld o s e t h em e d i a n l e t h a ld o s ei ne q u a lv o ai sh i g h e rt h a nt h a ti ne q u a lc o d t h el a r g e r m o l e c u l a rw e i g h ta n dt h en u m b e ro fh y d r o x y lo fm a t e r i a l sh a v e ，t h e l o w e rm e d i a nl e t h a ld o s em a t e r i a l sh a v e ，a n dt h eg r e a t e ri n h i b i t i o no n m e t h a n o g e n s t h e m e d i a nl e t h a ld o s ei s d i f f e r e n t ，w h i l eh y d r o x y l l o c a t i o ni sd i f f e r e n t ，w i t ht h er u l ea s ：p a r ap o s i t i o n o r t h op o s i t i o n m e t a p o s i t i o n t h em e d i a nl e t h a ld o s eo fp y r o g a l l i ca c i di sh i g h e rt h a nt h eo t h e r s b e c a u s ep y r o g a l l i ca c i ds o l u t i o nc a ns e l f - o x i d i z er a p i d l y ，r e l e a s e0 2 a n df o r ml o w m o l e c u l a rs u b s t a n c e ，u n d e rt h ea l k a l i n ec o n d i t i o n s t h e n ， t h ei n h i b i t o r ye f f e c t so nm e t h a n o g e n sd e c r e a s e i n h i b i t o r ym e c h a n i s mi s s t u d i e db y a d d i n gd i f f e r e n tl e v e l so f p o l y h y d r i cp h e n o la n dt a n n i ne x t r a c t st ob e s tt r a i n a b l ea c t i v a t e ds l u d g e a c c o r d i n gt o t h ev o l u m eo fm e t h a n e ，t h ec h a r a c t e ro fm e t h a n e b a c t e r i u mi nt h ea n a e r o b i cr e a c t i o ni se s t i m a t e d t h ei n f l u e n c eo f v e g e t a b l ee x t r a c t s e t c o nt h ec o e n z y m ef 4 2 0a n dp o l y m e ro u t s i d et h e c e l la r es t u d i e db yo b s e r v i n gt h ed if f e r e n c eb e t w e e nt e s ta n dc o n t r o lt e s t t h ei n f l u e n c eo fv e g e t a b l ee x t r a c t sa n dp o l y h y d r i cp h e n o lo nt h e c o e n z y m ef 4 2 0a n do t h e r sa r es h o w n a sr e s u l t s r e g a r d i n gt oc o e n z y m e f 4 2 0 ，a d d i n go fd i f f e r e n tl e v e l so fp o l y h y d r i cp h e n o la n dv e g e t a b l e e x t r a c ta f f e c t sf o r m a t i o no ft h ec o e n z y m ef 4 2 0 ，e x t r a - p 0 1 y s a c c h a r i d e a n de x t r a c e l l u l a rp r o t e i n ，s oa st or e d u c et h ea c t i v i t yo fm e t h a n o g e n s ， b u tw i t ha d d i n gt oa g i v e n l e v e l so fm a t e r i a l s a b o v e ，i n f l u e n c e b e c o m i n gs m a l l e r r e g a r d i n gt oe x t r a c e l l u l a rp o l y m e r ，t h eq u a n t i t yo f e x t r a c e ll u l a rp r o t e i na n de x t r a p o l y s a c c h a r i d ed e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g o fv e g e t a b l ee x t r a c t se t c ，a n de s c e p e c i a l l yt oe x t r a c e l l u l a rp r o t e i n ，w i t h al a r g ee x t e n td e c r e a s i n g s o ，i tc o u l db es u p p o s e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f v e g e t a b l ee x t r a c t so ns l u d g ea c t i v i t yr e a l i z e db yd i f f r e n tw a y s ，b e t w e e n w h i c hr e d u c i n go fc o e n z y m ef 4 2 0a n de x t r a p o l y s a c c h a r i d ea n d e x t r a c e l l u l a rp r o t e i ni si m p o r t a n t i v i na d d i t i o n ，a n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec a nd e g r a d eb a y b e r r yt a n n i n e x t r a c ta n dw a t t l ee x t r a c t b a y b e r r yt a n n i ne x t r a c tm a yb ed e g r a d e di n t o a c i d ss u b s t a n c e s ，a r o m a t i ch y d r o c a r b o na n dn e wa l c o h o l s ，w i t hc h a n g e i nb e n z e n e r i n ga n ds u p p l a n t e ro fb a y b e r r yt a n n i ne x t r a c t w a t t l e e x t r a c tm a yb ed e g r a d e di n t oas i n g leb e n z e n er i n g ，o ri t sc h e m i c a lb o n d m a yb ed e g r a d e d h i g he f f i c i e n c ya n a e r o b i ct r e a t m e n tt e c h n i q u ea p p l i e dt ot h e t a n n e r yw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts t a r t si nv e r ys h o r tt i m e f o rt h ep r e s e n t ， t h e r ei s n ts y s t e m a t i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n t h ep a p e r p r o v i d e st e c h n o l o g ya n dt h e o r y f o ri n d u s t r i a l i z a t i o no f t r e a t i n gt a n n e r yw a s t e w a t e rw i t hh i g he f f i c i e n c ya n a e r o b i ct e c h n i q u e ，n - 1h ec o n c l u s l o n sd r e wa c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t sm a vb ei m p o r t a n t r e f e r e n c et ot a n n e r yw a s t e w a t e rt r e a t m e n t k e yw o r d s ：t a n n e r yw a s t e w a t e r ， r e j u v e n a t i o n ，m e t h a n o g e n i ca c t i v i t y ， e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r v a n a e r o b i c ，i n h i b i t o r ye f f e c ta n d m e d i a nl e t h a ld o s e ，c o e n z y m ef ， 栲胶对厌氧菌活性影响的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 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责任由本人承担。 论文作者签名：圣兰美! 丕 日 期：2 q q 窆生受旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规 论文作者签名：乏垒盈导师签 栲胶对厌氧菌活性影响的研究 l 前言 1 1 水污染与废水的厌氧生物处理技术 环境保护已经成为我国的一项基本国策。世界经济发展的实践规律充分证 明，解决好发展与环境保护之间的矛盾，才能真正实现经济的可持续发展。事 实上，近代工业飞速的发展，产生了一系列严重的环境问题，其已经对人类的 生存和可持续发展造成了直接或者潜在地威胁。 造成水污染最重要的污染物始终是废水中的有机物，它是引起水域变质， 发黑，发臭的主要罪魁祸首。有毒有害化合物在废水中也存在很多，因此对废 水中有机物的处理，在保护环境和控制污染的工作中显得非常重要的。 悬浮物、胶体物或溶解性有机物是废水中有机物存在的方式，在水污染控 制中以t s s ( t o t a ls u s p e n d e ds o l i d ，悬浮物) 、c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ， 化学需氧量) 、b o d ( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，生化需氧量) 作为主要的监测 指标。一般讲去除废水中有机物最经济有效的方法是生物方法，特别是对于 b o d 含量高的有机废水更为适宜。废水的生物处理就是利用微生物生命过程 中的代谢活动，将有机物分解为简单无机物从而去除废水中有机污染物的过 程。根据微生物代谢过程中对氧的需求情况，微生物可以分为好氧微生物，厌 氧微生物和介于两者之间的兼性微生物。因此，相应的废水处理工艺也可以分 为两大类。好氧生物处理利用好氧微生物生命代谢活动来处理废水，它在处理 过程中需要不断向废水中补充大量空气或氧气，以使好氧微生物所需要的足够 溶解氧浓度得以维持。有机物最终在好氧条件下被氧化成为水和二氧化碳等， 部分有机物被微生物同化产生新的微生物细胞。厌氧生物处理是利用厌氧微生 物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下，将废水中有机物转化为无机物和少 量细胞物质，这些无机物主要指大量的生物气( 即沼气) 和水。沼气的主要成分 是约1 3 的二氧化碳和2 3 的甲烷，其是一种可回收的清洁能源1 。 厌氧废水处理是一种低成本的废水处理技术，它又是把废水处理和能源回 收利用相结合的一种技术】。大多数发展中国家，包括中国在内，都面临环境 污染严重、能源短缺以及经济发展与环境治理资金不足等问题，这些国家在实 现经济发展与环境质量不断提高的过程中，需要既有效、简单又费用低廉的技 术。厌氧生物技术由于符合节能环保的原则和发展趋势，因而是特别适合我国 国情的一种技术。同时，厌氧废水处理技术也可以作为能源生产和环境保护体 系的一个核心部分，产物可以被积极利用而产生经济价值伫l 。 陕两科技大学硕士学位论文 1 1 1 厌氧生物处理的基本原理 厌氧生物处理又称为厌氧消化、厌氧反应，是指在厌氧条件下多种( 厌氧 或兼性) 微生物的共同作用，使有机物分解并产生c h 4 和c 0 2 的过程。厌氧过 程广泛地存在于自然界中。从18 8 1 年，法国的l o u i s m o u r a s 发明“自动净化器” 处理污水污泥开始，一百多年来，人们对厌氧过程不断进行深入的研究，相继 发明了一批高速厌氧反应器，并成功地将其应用于大规模的废水处理，取得了 很好的处理效率。 在2 0 世纪3 0 - - 6 0 年代，人们普遍认为厌氧消化过程可以简单的分为两个 阶段( 如图1 1 所示) ，即两阶段理论： 图l l 厌氧消化过程的两阶段理论 f i g l - it w o - s t a g et h e o r yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n 第一阶段称为反应阶段或产酸阶段或酸性反应阶段，废水中的有机物在反 应细菌的作用下，发生水解和酸化反应，而被降解为以脂肪酸、醇类、c 0 2 和 h 2 等为主的产物。参与反应的微生物则被统称为反应细菌或产酸细菌。 第二阶段则被称为产甲烷阶段或碱化反应阶段，所产生的反应是产甲烷菌 利用前一阶段的产物脂肪酸、醇类、c 0 2 和h 2 为基质，并最终将其转化为c h 4 和c 0 2 。参与反应的微生物被统称为产甲烷菌。 但是随着对厌氧微生物学研究的不断深入，很多学者都发现上述过程不能 真实完整地反映厌氧消化过程的本质。研究表明，产甲烷菌是一类非常特别的 细菌，它们只能利用一些简单的有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及 h 2 c 0 2 等，而不能利用除乙酸以外的含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇 类。2 0 世纪7 0 年代，b r y a n t 发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细 2 酸性发酵阶段 碱性发酵阶段 栲胶对厌氧茵活性影响的研究 菌，实际上是由两种细菌共同组成的，其中一种细菌先将乙醇氧化为乙酸和 h 2 ，另一种细菌则利用h e 、c 0 2 以及乙酸产生c h 4 。由此，b r y a n t 提出了厌氧 消化过程的三阶段理论( 如图1 2 所示) ： 有机钧 ii 嬲嘲_ 曩 械哆蹲 l 产氢产乙酸曹 c - 。k 图1 2 厌氧消化过程的三阶段和四类群理论 f i g l - 2t h r e e - s t a g ea n df o u r - p o p u l a t i o nt h e o r yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n 三阶段理论认为，整个厌氧消化过程可以分为三个阶段，即水解反应阶段， 产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。有机物首先通过反应细菌的作用生成乙酸、丙 酸、丁酸和乳酸等，接着通过产氢产乙酸菌的降解作用而被转化为乙酸和 h 2 c 0 2 ，然后再被产甲烷菌利用，最终被转化为c h 4 和c 0 2 。产氢产乙酸菌和 产甲烷菌之间存在着互营共生的关系。该理论将厌氧反应微生物分为反应细菌 群、产氢产乙酸细菌群和产甲烷菌群。 几乎与三阶段理论提出的同时，z e i k u s 提出了四菌群学说集，即四类群理 论( 见上图) 。与三阶段理论相比，该理论增加了同型( 耗氧) 产乙酸菌群，该 菌群的代谢特点是能将h 2 c 0 2 合成为乙酸。但是研究结果表明，这一部分乙 酸的量较少，一般可以忽略不计。 目前为止，三阶段理论和四类菌群理论是对厌氧生物处理过程较全面和较 准确的描述。 1 1 2 厌氧生物处理的技术特点f 3 】 考虑到我国当前环保资金短缺，能源不足与水污染严重的现状，厌氧废水 处理技术有其明显的优点： a 厌氧废水处理技术可作为环境保护，能源回收与生态良性循环结合起 来的综合系统的核心技术，具有良好的环境和经济效益【1 1 ； b 厌氧废水处理技术是非常经济的技术，在废水处理成本上比好氧处理要 便宜很多，特别是对中等以上浓度( c o d i5 0 0 m g l ) 的废水更是如此【4 l 。 3 陕西科技大学硕士学位论文 p i c h o n 5 】比较了处理2 5 0 0 m 3 d c o d 、b o d 浓度分别为2 6 0 0 m g l 和1 0 0 0 m g l 的工业废水的费用，当用好氧技术处理时每吨水成本为0 4 美元，而用厌氧技 术处理时每吨水的成本仅为o 14 美元，这其中还没有计入所产沼气的价值。 厌氧技术成本的降低主要是由于动力的大量节省，营养物添加费用和污泥 脱水费用的减少。即使不计所产沼气作为能源带来的收益，厌氧技术处理成本 也仅为好氧技术处理成本的1 3 左右。如所产沼气能被利用，则费用更会大幅 度降低，甚至会带来相当的利润。 c 厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源。据报道1 ，每处理 l t c o d 的废水，厌氧工艺只需要耗电2 7 10 8 j ( 7 5 k w h ) ，而好工艺需耗电 3 6 x 1 0 8 j ( 1 0 0 0 k w h ) 。厌氧法在理论上每除去1 k g c o d 可以产生0 3 5 m 3 的纯 甲烷气( 0 、1 0 13 10 5 p a 下) 。纯甲烷气的燃烧值为3 9 3 x 107 j m 3 ，高于天 然气3 5 3 1 0 7 j m 3 的燃烧值，每l m 3 甲烷可发电8 6 4 x 1 0 6 j ( 2 4 k w h ) ，因此甲 烷时很好的能源。含甲烷约6 0 8 0 的沼气也可以用于锅炉燃料或家用燃气。 以日排放1 0 t c o d 的工厂为例，若c o d 去除率为8 0 ，甲烷产量为理论值的 8 0 ，则可日产甲烷2 2 4 0 m 3 ，其热量相当于2 5 0 0 m 3 天然气或优质原煤3 8 5 t ， 可发电1 9 9 4 x 1 0 川j ( 5 4 0 0 k w h ) 。 d 厌氧废水处理设备负荷高，占地少。厌氧反应器容积负荷比好氧法要高 很多，单位反应器容积的有机物去除量也因此要高得多，特别是使用新一代的 高速厌氧反应器更是如此。因此其反应器体积小，占地省。这一优点对于人口 密集，地价昂贵的地区是非常重要的。澳大利亚某造纸厂在改造旧有的好氧工 艺时，引入厌氧处理先行处理废水，在占地面积不变的情况下，使废水处理能 力增加了一倍d i 。 e 厌氧方法产生的剩余污泥量比好氧法少得多，且剩余污泥的脱水性能 好，浓缩时可不使用脱水剂，因此剩余污泥的处理要比好氧污泥容易得多。由 于厌氧微生物增殖缓慢，因此处理同样数量的废水仅产生相当于好氧法 1 10 1 6 的剩余污泥。厌氧法所产生的污泥高度无机化，可用作农田肥料或作 为新运行的厌氧废水处理设备的种泥出售。 f 厌氧方法对营养物的需求量小。一般认为，若以可以生物降解的 c o d ( c o d b d ) 为计算依据，好氧方法氮和磷的需求量为c o d a d ：n ：p = 10 0 ：5 ：l ， 而厌氧方法为c o d b d ：n ：p = ( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：l 。有机废水一般已含有一定量的氮 和磷及多种微量元素，因此厌氧方法可以不添加或少添加营养盐。 g 厌氧方法可处理高浓度的有机废水。当废水浓度较高时，不需要大量的 稀释水。 4 栲胶对厌氧菌活性影响的研究 h 厌氧方法的菌种( 例如厌氧颗粒污泥) 可以在中止供给废水与营养的情 况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上。它的这一特性为其间断 的或季节性的运行提供了有利条件，厌氧颗粒污泥因此可作为新建厌氧处理厂 的种泥出售。 j 厌氧系统规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作，无需昂贵的设备。 目前处理工业废水的上流式厌氧污泥床反应器( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ， 简称u a s b ) 由几十立方米到上万立方米的规模运行。由荷兰b i o t h a n e 公司为 加拿大b a t h u r s t 造纸公司设计的上流式厌氧污泥床反应器容积为1 5 6 0 0 m 3 ，可 日处理制浆造纸废水1 8 5 t c o d t 。 综上所述，厌氧处理的种种优点相当适合我国的国情，是一种很值得推广 的技术。但同时也应该看到，厌氧方法用于大规模的工业废水的处理还只是近 4 0 年间的事，厌氧技术的发展还不是很充分，其经验与知识的积累尚有一定的 局限性。作为一种新兴的废水处理技术，它也具有以下一些不足之处： 曩厌氧方法虽然负荷高，去除有机物的绝对量与进液浓度高，但其出水 c o d 浓度高于好氧处理出水浓度，原则上还需要后处理才能达到较高的废水 排放标准。 b 厌氧微生物对有毒物质较为敏感，因此，对于有毒废水性质了解的不足 或操作不当在严重时可能导致反应器运行条件的恶化。但是随着人们对有毒物 质的种类、毒性物质的允许浓度和可驯化性的了解以及厌氧工艺上的改进，这 一问题正在得到很好的克服。近年来，人们通过研究还发现，厌氧细菌经驯化 后可以极大地提高其对毒性物质的耐受力。 c 厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要8 1 2 周时间。这是因为厌氧 细菌增殖缓慢所致，但也正是这个原因，厌氧技术处理系统可以产生很少的剩 余污泥。由于厌氧污泥可以长期保存，因此新建的厌氧处理系统在其初次启动 时可以使用现有厌氧系统的剩余污泥接种，启动慢的问题既可得到解决。 1 1 3 厌氧生物处理技术发展历程 废水厌氧处理工艺的实质是利用厌氧微生物的代谢特性，将废水中有机物 进行还原，同时产生甲烷气体的一种经济而有效的处理技术。事实上，厌氧消 化工艺并不是一个新的工艺，在一百多年前人们就认识到沼气的产生是一个微 生物学过程，并开始利用厌氧工艺来处理城市生活污水。在厌氧工艺出现的一 百多年的历史中，厌氧废水处理技术发展非常缓慢。直到2 0 世纪六七十年代， 随着经济的快速发展以及城市的迅猛增容，环境污染和能源紧张问题变得越来 5 陕西科技大学硕士学位论文 越严重时，厌氧废水处理工艺作为一种低能耗的有机废水生物处理方法，才得 到人们越来越广泛的重视。 在厌氧生物处理工艺发展过程中，厌氧反应器是发展最快的领域之一。从 一百多年前的厌氧消化工艺开始，厌氧反应器的发展距今已经历了三个时代 1 。 a 第一代厌氧反应器 作为第一代厌氧反应器代表的厌氧消化池最早于l8 9 6 年出现在英国，用 于处理城市生活污水，所产生的沼气可用来照明p 】。随后的几十年中，厌氧处 理技术有了较快的发展并得到了比较广泛的应用。至19 l4 年，美国有l4 座城 市建立了厌氧消化池。2 0 世纪4 0 年代澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池， 改善了厌氧污泥与废水的混合，提高了处理效率。厌氧微生物增殖很缓慢，世 代时间长，足够长的停留时间是厌氧技术成功的关键，但很显然，这些厌氧反 应器采用的是污泥与废水完全混合的模式，污泥在反应器里的停留时间( s l 汀) 与废水在反应器中的停留时间( h l 订) 是相同的，因此污泥在反应器里浓度很 低，处理效果很差。废水在反应器里要停留几天到几十天之久。此时的厌氧处 理技术主要用于污泥与粪肥的消化，尚不能经济地用于工业废水的处理。 s c h r o e p f e r 在2 0 世纪5 0 年代开发了厌氧接触反应器。这种反应器是在连 续搅拌反应器的基础上于出水沉淀池中增设污泥回流装置，使部分厌氧污泥又 重新返回到反应器中，从而增大了反应器中厌氧污泥的浓度，使厌氧污泥在反 应器中的停留时间( s r t ) 第一次大于水力停留时间( h r t ) ，提高了其负荷和 处理效率，一般其容积负荷可达到4 5 9 c o d ( l d ) 左右。厌氧接触反应器的出 现是厌氧技术的一个重要发展。就反应器中污泥浓度通过液固分离回流来提 高这一点来说，厌氧接触工艺与好氧活性污泥工艺颇为相似。 b 第二代厌氧反应器 高效厌氧技术处理系统必须满足以下两个条件：系统内能够保持大量 的活性厌氧污泥；反应器进水与污泥能够保持良好的接触。 依据这一原则，借鉴生物反应工程中固定化技术取得的成就，基于微生物 固定化原理的高速厌氧反应器得以发展，出现了一系列的第二代高速厌氧反应 器。 第一个突破性发展是在2 0 世纪6 0 年代末由m c c a r t y 和y o u n g 推出的厌氧 滤器( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ，分上流式和下流式厌氧滤器) ( 见图1 3 ) 。 它的成功之处在于在反应器中加入固体填料( 如沙砾等) ，微生物附着生长在 填料的表面上形成生物膜。生物膜与填料一起形成固定的滤床。微生物膜由于 附着于填料上免于反应器水力的冲刷而得到保留，巧妙地将平均水力停留时间 6 栲胶对厌氧菌活性影响的研究 与生物固体停留时间相分离，其固体停留时间可以延长达上百天，把水力停留 时间和污泥停留时间分别对待的思想是厌氧反应器发展史上的一个里程碑。 a b 图l 3 上流式厌氧滤器( a ) 和下流式厌氧滤器( b ) f i g l - 3u p f l o wa n a e r o b i cf i l t e rr e a c t o r ( a ) a n dd o w n f l o wa n a e r o b i cf i l t e rr e a c t o r ( b ) 1 9 7 4 年，荷兰w a g n i n g e n 农业大学的l e t t i n g a 教授领导的研究小组研究和 开发了u a s b 反应器。u a s b 反应器最大的技术特点是反应器内颗粒污泥的形 成保证了高浓度的厌氧污泥，u a s b 反应器的出现标志着厌氧反应器研究进入 了一个新的时代。 u a s b 反应器是目前应用最为广泛的高速厌氧反应器。u a s b 反应器主体 部分由反应区和气、液、固三相分离区组成，其结构如图1 4 所示。 如图1 4 所示，反应器在运行时，废水由反应器底部进入，反应器主体为 无填料的空容器，其中含有大量的厌氧污泥。由于废水以一定流速从下而上流 动以及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥混合充分，有机质被 吸附分解，所产沼气经由上部的三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥的废 水进入三相分离器的沉淀区，由于沼气已从废水中分离，沉降区不再受到沼气 搅拌作用的影响，废水在平稳上升过程中，其中沉降性能良好的污泥经沉降面 返回反应器主体部分，从而保证了反应器内高的污泥浓度。含有少量较轻污泥 的废水从反应器上方溢流排出。u a s b 反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗 粒污泥，能够允许较大的上流速度和很高的容积负荷。 7 陕两科技大学硕士学位论文 图1 4u a s b 反应器1 7 1 f i g1 4u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e dr e a c t o r 1 7 1 u a s b 反应器内有机负荷高，水力停留时间短，处理周期大为缩短：反应 器内无填料，无污泥回流装置，无搅拌装置，建设成本和运行费用大大降低； 反应器初次启动可直接以污泥颗粒接种，目前已成为应用最为广泛的厌氧处理 工艺。 虽然u a s b 反应器是目前应用最为广泛的厌氧反应器，然而u a s b 反应器 在设计中的局限性也不断从运行经验中暴露出来。u a s b 的局限性与反应器内 污泥的洗出有关。尽管颗粒污泥本身有着良好的沉降性能，然而在高的上流气 速和上流液速的情况下，u a s b 反应器中污泥的保留也越来越困难。对于低浓 废水，为了防止因上流速度过高而导致污泥的洗出，反应器的容积负荷被局限 在5 - 8 9 c o d ( l d ) ，在这个负荷率下，最小的水力停留时间为4 - 5 h 。对于高浓 废水而言，为了防止因产气量的增加而使得湍动程度加剧，从而导致污泥的洗 出，反应器的容积负荷率又被限制在1 0 2 0g c o d ( l d ) 范围内。 进一步分析发现，颗粒污泥的最大潜在产甲烷活性似乎要比生产性u a s b 反应器中一般所采用的污泥负荷率要高得多，因此可以看出反应器内污水混合 物没有达到最佳混合状态，其传质过程受到限制，进而影响了其处理能力。众 所周知，污泥与有机物的良好接触主要是靠进水和产气的搅动。因此，强化传 质过程最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而，高负荷所 产生的剧烈搅动会使u a s b 反应器中的污泥处于完全膨胀状态，使原本是 s r t h r t 的反应器状态向s r t = h r t 的方向转变，导致污泥的过量