（环境工程专业论文）剩余污泥厌氧发酵产挥发性脂肪酸的研究.pdf

苏州科技学院硕十论文摘要 摘要 挥发脂肪酸是污泥厌氧发酵过程的一种重要的中间产物，它也是脱氮除磷微生物 优先利用的有机碳源。p h 值是影响污泥厌氧发酵的一个主要因素，表面活性剂和葡 萄糖都广泛存在于生活中。本文通过改变剩余污泥厌氧发酵的初始p h 值及利用投加 表面活性剂和葡萄糖来研究对污水厂剩余污泥发酵产酸的影响，从而为促进剩余污泥 生物高效产酸提供了一种新的途径。 通过对比不同的p h 值、投加不同类型不同浓度的表面活性剂、投加不同浓度的 葡萄糖对剩余污泥发酵产酸的影响发现，适当的p h 值、活化剂和葡萄糖加入都可以 促进剩余污泥厌氧发酵产酸。在相同的操作条件下，p h 值为1 0 o 时产生的w a s 浓 度最高；不同类型和浓度的表面活化剂对污泥厌氧发酵产酸都能起到很大的促进作 用；葡萄糖的存在也能促进污泥厌氧发酵产酸，并且在研究范围内污泥发酵产生的 v f a s 浓度随着加入葡萄糖浓度的增加而增加。 通过对三种不同类型的表面活化剂对污泥厌氧发酵产酸的影响发现，在两性离子 表面活化剂作用下产生的w a s 的浓度最高，从污泥产酸量以及经济成本的角度考虑， 十二烷基苯磺酸钠、咪唑啉和十六烷基三甲基氯化铵的最适投加量为0 0 2 9 g 、o 3 9 g 和0 1 9 g 。表面活化剂的存在还能促进污泥释放大量的p 吼3 一- p 和n i t , + - n 。在整个发酵 过程中，不论表面活化剂是否存在，剩余污泥的p h 值都随着发酵的进行而升高。 关键词：挥发性脂肪酸，剩余污泥，厌氧发酵，影响因素 苏州科技学院硕十论文a b s t r a c t 鼍m 一 一 m m _ 皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇! 曼曼曼曼曼曼! 曼鼍曼! ! 曼! 曼曼! 曼皇曼! 曼! 曼曼皇! 曼曼! ! 曼! 曼曼! 曼! ! ! 曼 a b s t r a c t v o l a t i l ef a t t ya c i d s ( v f a s ) ，t h ep r e f e r r e dc a r b o nf o rb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ，i s t h ei m p o r t a n ti n t e r m e d i a t ep r o d u c t so fs l u d g ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n p hi sa ni m p o r t a n t i n f l u e n c i n go fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n s u r f a c t a n ta n dg l u c o s ea r ew i d e l yf o u n di no u rl i v e s i nt h i si n v e s t i g a t i o nt h ee f f e c to fp h ，s u r f a c t a n ta n dg l u c o s eo nv f a sp r o d u c t i o nf r o m w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) w a si n v e s t i g a t e dt of i n do u tat e c h n i q u ef o ri m p r o v i n g v f a sb i o l o g i c a lp r o d u c t i o nf r o mw a s e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp h ，d i f f e r e n tk i n d so fs u r f a c t a n t sa n d d i f f e r e n tc o n s i s t e n c yo fg l u c o s eo nw a sa c i d i f i c a t i o ns h o w e dt h a ta l lo ft h e mc o u l d i m p r o v ev f a sp r o d u c t i o nf r o mw a s u n d e rt h es a m eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s ，10 0 i st h e b e s tp hf o rv f a sp r o d u c t i o n ；d i f f e r e n tk i n d so fs u r f a c t a n t sc o u l dp r o m o t ev f a s p r o d u c t i o n ；t h eg l u c o s ec o u l da l s oi m p r o v ev f a sp r o d u c t i o n e x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h ee f f e c t so fd i f f e r e n tk i n d so fs u r f a c t a n t so nw a s a c i d i f i c a t i o ns h o w e dt h a tt h ev f a sp r o d u c t i o nw i t ha m p h o t e f i cs u r f a c t a n tw a st h el a r g e s t t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rt h el a r g e s tv f a sp r o d u c t i o n sw a r ea tar a t i oo fa m p h o t e r i c s u r f a c t a n t d o s a g e t od d rs l u d g eo f 0 3 e d g ，c a t i o n i cs u r f a c t a n td o s a g et od r ys l u d g eo f 0 1g ga n da n i o ns u r f a c t a n td o s a g et od r ys l u d g eo f0 0 2 e d g t h ec o n c e n t r a t i o n so fb o t l l p 0 4 - pa n dn i t 4 十- ni nf e r m e n t a t i o nl i q u o ri n c r e a s e di nt h ep r e s e n c eo fa l lk i n d so f s u r f a c t a n t d u r i n gt h ee n t i r ef e r m e n t a t i o nt i m ep hv a l u e sk e p ti n c r e a s i n gn om a t t e ri ft h e s u r f a c t a n t sa r e k e yw o r d s ：v o l a t i l ef a t t ya c i d ( v f a s ) ，w a s t ea c t i v a t e ds l u d g e ( w a s ) ，a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，i n f l u e n c i n gf a c t o r 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 做储摊：埒聃：耻年上月日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 论文作者签名： 盔、塑日期：旦l 年l 月二日 指导教师签名：三i 燃v , f - 日期：j ! 乒年l 月j l 日 苏州科技学院硕十论文第一章绪论 1 1研究背景和意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 国民经济的持续快速发展势必导致城市生活污水排放量逐年增长。据报道【l 】， 2 0 0 5 年全国城镇生活污水排放总量为4 9 6 0 亿吨，比上年增长3 9 3 。污水排放量的 加大，则处理力度也势必随着增加。目前，8 6 2 的污水处理厂采用活性污泥法【2 1 ， 导致污水处理过程中的副产物污泥大量产生。就一座二级污水处理厂而言，产生 的污泥量约占总处理污水的0 3 o 5 ( 体积) ，若再进一步深度处理，污泥量还可能 增加0 1 倍1 0 倍1 3 1 。2 0 0 0 年全国湿污泥产生量高达1 9 4 5 万吨，之后以每年2 0 的速度快速增长【4 ，5 】。由于污泥处理处置费用通常占到污水处理操作成本的6 0 以上 1 4 ，快速增长的城市污泥必然促使污水处理成本成倍提高。因此，发展对城市污泥进 行经济有效的处理处置技术迫在眉睫【7 8 j 。目前我国城市污水处理厂每年排放干污泥 大约3 x 1 0 5 吨，而月还以每年大约1 0 的速度增长，其中剩余污泥的产生是由于微生 物在处理废水的过程中，通过自身的新陈代谢作用对废水中的有机物进行降解或转 化，从而使得微生物自身得到了增殖。增殖的微生物是剩余污泥的重要组成部分这些 剩余污泥不仅包括增殖的微生物，还包含被污泥吸附的有机物，如果不及时处理将会给 环境带来二次污染。然而，剩余污泥的含水率较高，这给处理带来了很很大的困难。 污水处理厂的全部建设费用中，用于处理污泥的约占2 0 5 0 ，甚至7 0 9 1 。因此，如 何合理处理和处置废水生物处理过程中产生的剩余污泥是急待解决的问题。 城市污水厂污泥的资源化利用是最现实可行的处置方式。剩余污泥既是污水处理 厂产生的废弃物质和环境污染物，又是很好的有机资源，其中有机物的含量在6 0 左右，生物易降解有机组分在4 0 以上i lo 。这些生物易降解有机物主要是蛋白质、 多糖等，它们是微生物丰富的营养源，可以在一定的条件下经微生物的作用转化为有 机酸。显然，如果将剩余污泥转化为有机酸，不仅减少了它对环境的污染，又可以生 产出具有广泛用途的有机酸。这样就实现了剩余污泥的减量化、稳定化、资源化及减 少环境污染的目的。 1 1 2 研究意义 众所周知，国内污水的悬浮固体物的浓度较低，因而产生酸的量十分有限。考虑 到污水处理厂每天要产生大量的剩余污泥，它们含有糖、蛋白质等有机物，如果能将 其转化为挥发脂肪酸，则既可减少剩余污泥的排放量，又产生生物除磷脱氮微生物需 苏州科技学院硕十论文第一章绪论 要的碳源。因此本文从节省能源和保护环境的角度出发，研究污泥厌氧消化高效转化 为挥发脂肪酸的实践可行性，以期解决污泥问题的同时节约能源，为今后相关领域的 研究和应用提供参考依据。 水体富营养化是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。我国富营养化问题更 加严重，从中国2 0 0 4 年环境状况公报中可知 l 列：七大水系的省界断面中，一类和劣 类水质断面比例分别为3 3 9 和2 9 8 ，污染较重的为海河和淮河水系的省界断面。 三湖湖泊水库富营养化程度严重，水质均为劣类，主要污染指标是总氮、总磷。海域 污染也日益严重，赤潮累计发生面积达到2 6 6 3 x 1 0 4 k m 2 。 富营养化的危害很大，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。 富营养化水体在很多方面，都被认为是劣质水体。它对水体功能和水质的影响和危害 表现在使水味变得腥臭难闻、降低水体的透明度、消耗水体的溶解氧、向水体释放有 毒物质、影响供水水质并增加制水成本等1 1 3 , t 4 】。 有机酸( 特别是挥发性脂肪酸，包括乙酸、丙酸等) 是在污泥厌氧消化过程中产生 的十分重要的中间产物，它们不但可用于农药、油漆、涂料等原料的制备【1 5 】，在污水 生物脱氮除磷过程中也是微生物必需的重要有机碳源【1 6 7 1 。研究表明，在强化生物除 磷系统中，每去除的磷就需要一的短链脂肪酸【1 8 】。然而，在多数情况下，废水中的短 链脂肪酸都不能够满足较低的出水磷浓度1 1 9 】，尤其是南方城市污水中的有机物浓度更 是不足，这就使得大量的磷排放到环境中引发了水体的富营养化。为了使出水中的磷 浓度达到污水排放标准，就需要在生物处理系统，投加易于生物利用的有机碳源。 当进水c o d 浓度较低时脂肪酸的数量难以满足除磷菌的需要，解决这一问题可 以考虑外加碳源，但是从废水和污泥处理系统内部，亦从污水处理厂本身，将污泥进 行水解酸化获取用于生物除磷需要的生物易降解基质，比如乙酸和其他挥发性脂肪酸 等则是一举两得的事情，污泥生物转化为有机酸用于强化生物除磷的研究，丰富了生 物除磷和污泥处理与资源化等研究内容，同时对于许多污水厂碳源少的情况也有着一 定的实际应用价值。鉴于污水生物处理过程中产生大量剩余污泥，这些污泥中含有糖、 蛋白质等有机物，它们在一定条件下经水解和酸化作用可转化为短链脂肪酸。因此， 通过微生物的作用在常温常压下将污泥中的有机物生物转化为短链脂肪酸，不但为污 水生物除磷脱氮微生物提供丰富和优质的碳源，提高了污水生物处理效果，而且减少 了污泥的排放量。 1 2 0 世纪8 0 年代以来，国外针对于厌氧消化的水解酸化阶段的研究越来越多，其中 大多是利用污水处理厂的初沉池污泥水解发酵来产生挥发性脂肪酸，也有采用初沉污 泥和剩余污泥的混合污泥进行研究l z u j ，我国的研究多数是对较高浓度的污水进行水解 酸化，单独针对于城市污水厂剩余污泥产酸用于生物除磷的研究才刚刚起步【2 。 2 苏州科技学院硕十论文第一章绪论 1 2国内外污泥处理处置技术和资源化利用 随着全球经济的不断发展、人口剧增，市政污水处理厂的建设规模与处理程度也 在不断扩大和提高，从而导致剩余污泥的产量与日俱增。目前，世界上许多国家已不 再将污泥作为无用的废弃物而简单处置并丢弃。在全球普遍倡导的可持续发展战略的 影响下，污泥作为一种可以回收利用的资源与能源的载体，对它们的处理和处置正朝 着无害化、减量化、稳定化、资源化的方向发展。然而，不同地区、不同国家的经济 发展水平和环境保护法规各不相同，以致各自对污泥处理、处置的方法和管理办法也 不尽相同。 当前，随着污水处理厂在各主要城市相继建成并投入运行，与此同时污水处理厂 又产生大量的残渣即污泥，且前世界上污水厂生产的污泥己达1 亿吨年( 于污泥) ， 我国已达9 0 0 万吨年( 含干污泥3 0 0 万吨年 3 5 0 万吨年) 【2 2 1 。国内外污泥处理处置的 方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、干化等工艺处理后有效利用( 主要为农用) 、 填埋及焚烧等方法处置，或用其中某几种方法组合处置】。污泥的最终出路不外是资 源化利用或以某种形式回到环境中去，随着海洋投弃被禁止，污泥弃置的比例正逐渐 减小，同时土地填埋也受到越来越严格的限制【2 4 1 。人们认识到污泥处理的优先顺序是 减容、利用、废弃，污泥减量化、稳定化、无害化处理后作为资源回用已经成为主流。 污泥处理的目的就是减量化、稳定化、无害化、资源化，要达到这一目的，必通过各 种机械和处理构筑物的结合，组成污泥处理、处置系统。污泥处理、处置的基本步骤 为：浓缩、脱水、干燥、焚烧等。 1 2 1 国外污泥处理处置技术 污泥的处理处置研究中，国外大多采用初沉污泥或初沉污泥与剩余活性污泥二者 的混合污泥，而对于单独的剩余活性污泥研究较少。无论是初沉污泥还是剩余活性污 泥，其有机物含量都比较高。但这两类污泥的性质也存在一些差异，如初沉污泥其有 机成分多以碳水化合物和脂类为主，而剩余活性污泥则以蛋白质居多。 通常情况下，国外的城市污泥处理系统工艺流程一般有下列四类： ( 1 ) 原污泥一浓缩一脱水一处置脱水滤饼 ( 2 ) 原污泥一浓缩一脱水一焚烧一处置灰分 ( 3 ) 原污泥一浓缩一消化一脱水一处置脱水滤饼 ( 4 ) 原污泥一浓缩一消化一脱水一焚烧一处置灰分 根据日本对3 1 8 个污水处理厂的统计，污泥处理方式( 1 ) 占3 4 ；方式( 2 ) 占8 8 ； 方式( 3 ) 占2 6 ；方式( 4 ) 占5 7 ；其它方式占2 5 5 。 3 苏州科技学院硕十论文第章绪论 在污泥处理过程中，影响污泥性质稳定的是污泥中的有机物量，这些有机物含大 量不稳定的腐殖质组分极不稳定，在短时间内就会散发难闻的气味，因此需要进行稳 定化处理，最终的脱水泥饼或者焚烧后的残渣还需要进一步处置。城市污水处理厂产 生的污泥量与每个国家、每个地区污水处理负荷、处理方法以及污水组成等有关【2 5 】。 1 2 2 国内污泥处理处置技术 从国内已建成运行的城市污水厂来看，污水污泥处理工艺大体可归纳为浓缩 池一最终处置、双层沉淀池污泥一最终处置、浓缩池一湿污泥池一最终处置、浓缩 池一两级消化池一机械脱水一最终处置等l8 种工艺流程。从国内已运行的城市污水 处理厂来看，污泥处理工艺包括污泥浓缩、稳定、脱水、最终处置四个主要过程。 污泥浓缩主要是降低污泥中的空隙水，通常采用的是物理处理方法，主要包括重 力浓缩法、气浮浓缩法、离心浓缩法等。其中初沉污泥用重力浓缩法处理最为经济。 对于剩余污泥来说，由于剩余活性污泥浓度低，有机物含量高，浓缩困难，采用重力 浓缩法效果不好，而采用气浮浓缩、离心浓缩则设备复杂，费用高，也不适合中国国 情。所以，目前国内推行将剩余活性污泥送回初沉池与初沉污泥共同沉淀的重力浓缩 工艺，利用活性污泥的絮凝性能，提高初沉池的沉淀效果，同时使剩余污泥得到浓缩。 污泥稳定，国内目前常用的污泥稳定方法是厌氧消化，好氧消化和污泥堆肥，并 且污泥堆肥正处于不断研究阶段，而热解和化学稳定方法或者是由于技术的原因或者 是由于经济、能耗的原因而很少被采用。国内污泥稳定方法所占的比例：无污泥稳定 占5 5 7 0 ，厌氧消化占3 8 0 4 ，污泥堆肥占3 4 5 ，好氧消化占2 81 。 污泥脱水，国内现有的污泥脱水措施主要是机械脱水，而干化场由于受到地区、 气候条件的限制很少被采用，污泥脱水技术在国内所占的比例为：无污泥脱水占 4 8 6 5 ，滚压、带式脱水占3 7 8 4 ，干化场占1 0 8 1 ，压滤脱水占1 3 5 ，真空吸 滤脱水占1 3 5 。 需要说明的是无论是单一预处理方法还是不同预处理方法相结合，研究的目的大 多是为了提高污泥中有机质转化为甲烷或氢气产量的比率。因此，针对产甲烷最适的 污泥预处理手段是否同样适宜用来预处理污泥以增强厌氧发酵产酸效率仍需进一步 研究。 1 2 3 污泥的资源化利用 由于可持续发展的社会需求和政府的政策扶持，当今固体废物处理的重心已从污 染控制转向资源开发。应用生物技术策略将有机废物转化为生物能源和生物化学品业 已成为目前有机固体废物处置的热剧2 6 1 。在生物转化过程中，即使需要加热耗能，这 4 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! ! ! ! ! 鼍i i：曼曼曼曼曼鼍曼曼曼量皇曼皇! ! 曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼寰曼曼! ! 曼曼! 毫! 鼍曼曼皇曼曼曼! ! ! ! 皇! 些策略也被认为最终能实现收支平衡，甚至产能大于耗能。目前，在应用生物技术策 略将污泥中有机物质转化为生物能源和生物化学品方面，大部分研究者集中于生物能 源，如甲烷【2 7 】和氢气【2 8 l 。但是污泥无论是用来产甲烷，还是产氢气，获得的产物附 加值含量都比较低，导致污泥资源化的经济效益不容乐观【2 9 1 。因此，利用污泥这种廉 价的底物生产附加值更高的生物化学品将成为污泥资源化的新途径【3 们。 挥发性脂肪酸是污泥厌氧消化过程中产生的重要的中间代谢产物。这些脂肪酸包 括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸等，其附加值不仅要高于生物氢，而且 还远大于甲烷。乙酸、丙酸、异丁酸和丁酸等这些脂肪酸用途广泛，具有较高的价值。 比如，在污水处理厂可作为内源碳被脱氮除磷菌利用以去除富营养化污水中的氮和 磷，使污水达到排放标准1 3 l j ；丁酸和丙酸等脂肪酸经提取分离或者经过耦合系统可作 为发酵工业的生产原料被微生物进一步利用来获得生物可降解塑料【3 2 1 。此外，这些脂 肪酸经提取后还可在其它行业上作为原料用于合成其它的化学品。因此，采用一些生 物技术策略控制污泥厌氧消化在酸化阶段获取以乙酸等挥发性脂肪酸为目标产物是 实现污泥资源开发的一条具有广阔应用前景的途径。这条途径不仅具有较大的社会、 环境和经济意义，而且还具有较高的学术意义。 1 3 污泥厌氧发酵产酸的原理和主要微生物 1 3 1 污泥厌氧发酵产酸的原理 2 0 世纪3 0 6 0 年代，被普遍接受的是“两阶段理论”，第一阶段：发酵阶段，又 称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、 c 0 2 和h 2 等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌。第二阶段：产甲 烷阶段，又称碱性发酵阶段：是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为c h 4 和c 0 2 ；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌。 对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过 程，不能真实反映厌氧反应过程的本质。上世纪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 的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先 把乙醇氧化为乙酸和h 2 ( 一种产氢产乙酸细菌) ，另一种细菌则利用h 2 和c 0 2 产生 c h 4 ( 一种真正意义上的产甲烷细菌嗜氢产甲烷细菌) ；因而，b r y a n t 提出了厌氧消 化过程的“三阶段理论”。 几乎与b r y a n t 提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌 群学说 ，实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌同型产乙酸 菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的h 2 c 0 2 合成为乙酸。但研究表明， 实际上这一部分由h 2 c 0 2 合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5 而州科技学院硕十论文第一章绪论 左右。 厌氧消化三阶段理论，是当前较为公认的理论模式。第一阶段，是在水解和发酵 细菌作用下，碳水化合物、蛋白质与脂肪水解和发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、 甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物 进一步分解为氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段，是通过两组生理上不同的产甲烷菌的 作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。 污泥的发酵产酸过程包含三阶段理论中的前两个阶段，而这两个阶段还可以分为 水解阶段和发酵( 酸化) 阶段。 1 ) 、水解 水解是复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。自 然界的许多物质( 如蛋白质、糖类、脂肪等) 能在好氧、缺氧或厌氧条件下进行水解， 其中厌氧水解最为常用。研究表明，只有分子量小于1 0 0 0 的低分子量物质才能通过 微生物的细胞膜【3 3 】，高分子有机物因相对分子量大，不能透过细胞膜，不能被细菌直 接利用，而是先在微生物的体外被微生物产生的水解酶水解为低分子量的有机物，而 后被微生物吸收同化。 2 ) 、酸化 发酵( 酸化) 是有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。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。酸化阶段的末端产物主要有挥发性脂肪酸 ( v f a s ) 、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。同时，发酵细菌也利用部分 物质合成新的细胞物质。发酵阶段的末端产物挥发性脂肪酸( v f a s ) 、醇类、乳酸等在 产乙酸阶段进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质【州。 水解、发酵酸化和产乙酸阶段是瞬时连续发生的。其中水解阶段包括蛋白质水解、 碳水化合物水解和脂类水解；发酵酸化阶段包括氨基酸和糖类的降解、较高级脂肪酸 与醇类的降解；产乙酸阶段包括从中间产物中形成乙酸和氢气，以及由氢气和二氧化 碳形成乙酸。 水解和酸化阶段在理论上可以区分，但是大量的研究结果表明，除去采用水解酶 工艺外，在实际中的混合微生物系统中，即使严格控制条件，水解和酸化也是无法截 然分开。这主要是因为水解菌是一种具有水解能力的发酵细菌，水解是耗能过程，发 酵细菌付出能量进行水解的目的，就是为了获取进行发酵的水溶性基质，并通过胞内 的生化反应取得能源，同时排出代谢产物。 1 3 2 厌氧消化过程中的主要微生物 1 3 2 1水解和酸化阶段的主要微生物 6 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 参与水解和酸化阶段的微生物包括细菌、原生动物和真菌。原生动物主要有鞭毛 虫、纤毛虫和变形虫；真菌主要有毛霉、根霉、曲霉等。细菌是完成水解酸化作用的 主要微生物，可以称为水解与发酵细菌还有一些专门分解或合成乙酸的细菌，这里可 以把它们一起统称为发酵产酸细菌1 3 5 , 3 6 】。这些细菌大多数为专性厌氧菌，也有不少兼 性厌氧菌。根据其生理代谢功能可分为以下几类： 纤维素分解菌参与对纤维素的分解，纤维素的分解是厌氧消化的重要一步，对 消化速度起着制约的作用。这类细菌利用纤维素并将其转化为c 0 2 、h 2 、乙醇和乙酸。 碳水化合物分解菌这类细菌的作用是水解碳水化合物成葡萄糖，以具有内生抱 子的杆状菌占优势。丙酮、丁醇梭状芽胞杆菌能分解碳水化合物产生丙酮、丁醇、乙 酸和氢等。 蛋白质分解菌这类细菌的作用是水解蛋白质形成氨基酸，进一步分解成有机 酸、硫醇、氨和硫化氢。在一些消化池中，蛋白质分解菌主要是革兰氏阳性菌，其中 梭菌占优势。非蛋白质的含氮化合物，如嘌呤、嘧啶等物质也能被其分解。 脂肪分解菌这类细菌的功能是将脂肪分解成短链的脂肪酸，脂肪酸进一步分解 成甲烷和二氧化碳。在消化池中弧茵是占优势的脂肪分解菌。 1 3 2 2 产乙酸阶段的主要微生物 产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和h 2 ； 为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生关系。产氢 产乙酸菌在消化池中产氢是利用已分解的有机物包括丙酮酸、甲酸和脂肪酸等，也可 能是降解芳香族酸和其它有机酸而生成乙酸、h 2 。在降解奇数碳素能源时还形成c 0 2 。 丙酮酸是微生物降解碳水化合物的主要中间产物。一些产氢菌能在厌氧条件下转化丙 酮酸成乙酸、c 0 2 ，并放出h 2 l j 。 产氢产乙酸反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行，因 此产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物 乙酸和h 2 消耗掉。主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌 属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。 1 3 2 3 产甲烷阶段的主要微生物 2 0 世纪6 0 年代h u n g a t e 开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细菌的 研究才得以广泛进行。产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物乙酸和 h 2 c 0 2 转化为c h 4 和c 0 2 ，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可分为两大类：乙 酸营养型和h 2 营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；般 来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有产甲烷八叠球菌和产甲烷丝 状菌，但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中 7 苏州科技学院硕十论文第一章绪论 曼皇曼! 曼鼍曼曼曼曼曼曼曼鼍曼! i 一 _lil - i i e _ i 兰曼 乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说有7 0 左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。 产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：产甲烷杆菌；产甲烷球菌；产甲 烷八叠球菌；产甲烷丝菌等等。 在生物分类学上，产甲烷菌属于古细菌，大小、外观上与普通细菌相似，但实际 上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁结构较为特殊；在自然界的分布，一般可以认为 是栖息于一些极端环境中( 地热泉水、深海火山口、沉积物等) ；产甲烷菌都是严格厌 氧菌，要求氧化还原电位在1 5 0 m v 4 0 0 m v ，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产 甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达4 6 天。大部分甲烷菌的最适温度在 3 5 4 0 之间，也有一些甲烷菌可以在高温环境下存活，比如6 3 7 9 。而甲烷菌 适宜的p h 值为6 3 8 0 ，即中性条件。甲烷菌的分解代谢为产能反应，其生命活动和 增殖所需的能量来自其代谢过程中释放的能量。甲烷菌的能量代谢主要是从还原成和 转化甲酸、乙酸和甲醇等物质产生能量。这些能量绝大部分都用于维持细菌的生活， 只有很少能量用于合成新细胞，因此细胞的增殖很少。 1 4 污泥发酵产酸的影响因素的研究 。 1 4 1 水力停留时间( h r t ) h r t 对反应器的影响随着反应器的功能不同而不同。h r t 是厌氧消化反应器运行 控制的重要操作参数之一，是征底物同微生物接触时间的工艺参数。对于单纯以水解 为目的的反应器，h r t 越长，被水解物质与水解微生物接触时间也越长，相应地水解 效率也就越高。p e l e f s i n i o f i s 和o l d h a m 采用了两种不同的实验室规模的连续流反应器 ( 上流式厌氧污泥床和完全混合反应器) 研究h r t 对初沉污泥产酸发酵的影响，研究结 果表明，无论上流式厌氧污泥床还是完全混合反应器，当水力停留时间升高至1 1 2 h 时， 产生的v f a s 的浓度和产率( 单位：为m g v f a s m g v s s d ) 逐渐升高，并且没有发现甲烷气 体产生，当h r t 为1 2 h ，得到最大的产酸率大约为0 1 2 m g v f a s m g v s s d ；当h r t 为1 5 h 时，观察到污泥发生甲烷化；产生v f a s 的主要成分为乙酸和丙酸，并且发现上流式 厌氧污泥床和完全混合反应器的数值略有些差别1 3 8 j 。 1 4 2 污泥停留时间( s r t ) 污泥停留时间也称为污泥龄。- l r t 和s r t 是两个不同的运行参数，在没有污泥 回流的连续运行反应装置中，h r t 与s r t 几乎是相同的。可以通过控制系统的污泥 龄而使得厌氧消化过程处在水解发酵阶段或产甲烷阶段。根据m h e n z e 等的研究， 由于消化池上清液的回收，s r t h r t 可以提高到1 5 2 0 t 3 9 1 。而e 1 e f s i n i o t i s 等的研究 过程中，v f a s 组成分布受到污泥停留时间的影响，特别是当污泥停留时f - j 为1 0d 时， 8 苏州科技学院硕士论文第一章绪论 高分子量的v f a s 包括异丁酸、正戊酸和异戊酸的百分含量较其它条件增加显著。s r t 的范围为5 d 2 0 d ，h r t 固定为1 2 h ，从而s r t h r t 为1 0 - - 4 0 。 s d a n i e l 等采用某污水厂初沉污泥进行发酵产酸用于增强生物除磷的效率，分析 研究了s l 汀对污泥产酸的影响1 4 0 。实验中采用了5 个4 l 的反应器，s r t 分别为2 、3 、4 、 5 、6 d ，初沉污泥的总固体量( t s ) 平均为2 6 ，t s 的8 0 为污泥总挥发性固体量。s r t 为5 d 时，得到最大的产酸量为0 2 6 m g m g ：s r t 为5 d 时，得到最小的产酸量为0 2 m g m g 。 1 4 3 温度 温度对水解酸化细菌的影响主要通过对酶活性的影响来影响微生物生长速率与 基质的代谢速率，因而与有机物的降解速率和污泥量的变化有关。温度可以从微生物 的种群结果、酶活性的高低、微生物的生长速率、基质降解速率和生化反应的速率等 几个方面影响污泥发酵的过程。水解与发酵产酸细菌对温度的适应性很强，在低温、 中温和高温环境中都可以很好的生存。但是，高温运行发酵方式耗热量多，过程不稳 定，运行管理要求也比其它两种发酵类型高而且复杂。 中温厌氧发酵方式基本不存在高温厌氧发酵方式的缺点，并且中温发酵反应较 快，所需发酵时间又比较短，又不需要消耗大量的能量，目前在厌氧处理中多数采用 中温发酵。当初沉池污泥发酵在中温运行时，j a e a s t m a n 等得出不溶性有机物质水 解为可利用有机物是厌氧消化产酸阶段的限速步骤【4 1 1 。r m o s e r - e n g e l e r 等用6 0 的 初沉污泥和4 0 的剩余污泥进行产酸研刭4 引，研究得到在2 0 和1 0 时，底物的水解 速率k h 值分别0 1 5 2 d _ 和0 0 4 7 d ，2 0 的k h 值为1 0 的2 3 倍左右，即温度升高 有利于污泥厌氧发酵产酸过程。 1 4 4p h 值 p h 值是影响酶活性的主要因素之一，因此适应于每一种酶生长的p h 有一定的 范围。产酸发酵细菌都存在一个适宜生长的p h 值范围，超出这个范围将导致其生理 活性丧失。在厌氧消化系统中，如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速率超过甲烷阶 段，则p h 会降低，影响甲烷菌的生活环境。如5 0 p i l lo 0 p h 9 0 p h 8 0 ：在酸性条件下( 4 0 、5 0 、6 0 和7 0 ) s c o d 的大d q l l 页序为p h 6 0 p h 7 0 p h 5 0 4 o o 2 o o o 0 0 123458 7 89