（环境科学专业论文）中低温度下厌氧处理城市污水及污泥颗粒化的研究.pdf

中低温度下厌氧处理城市污水及污泥颗粒化的研究 a b s t r a c t r a p i du r b a n i z a t i o na n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nc h i n ah a sl e dt ot h ea n n u a l i n c r e a s eo fq u a n t i t yo fd i s c h a r g e dm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t h e r e f o r e ，i tb e c o m e sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n tt o d e v e l o pa p p r o p r i a t ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ，w h i c h c o m b i n e sh i g ht r e a t m e n te f f i c i e n c yw i t hl o wc a p i t a li n v e s t m e n t ，m a i n t e n a n c ec o s t s a n ds i m p l eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s ，e s p e c i a l l yi nm o s t o fs m a l lc i t i e sa n dt o w n s a n a e r o b i ct r e a t m e n t t e c h n o l o g y i sa na t t r a c t i v ea l t e r n a t i v e p r o c e s s f o rs m a l l c o m m u n i t i e sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb e c a u s ei t sa d v a n i a g e si n c l u d i n gl o w e re n e r g y c o n s u m p t i o n ，l o w e ri n v e s t m e n t ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s t s ，l i t t l es l u d g e p r o d u c t i o na n de n e r g yr e c o v e r yi nt h ef o r mo fb i o g a sa n de t c i ts e e m st ob ea ni d e a l a n ds u s t a i n a b l es o l u t i o nf o rw a t e re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n o v e rt h el a s tt w od e c a d e s ，r e s e a r c h e r sa l la r o u n dt h ew o r l dh a v er e a l i z e dt h e s i g n i f i c a n c eo ft h eh i g hr a t i oo fs r t h r tb yt h es t u d y i n go nt h ed y n a m i c st h e o r i e s ， a n dd e v e l o p e das e r i e so fa d v a n c e da n a e r o b i cr e a c t o rs y s t e m sa l o n gw i t ht h ed e e p u n d e r s t a n d i n go ft h eb i o l o g yf i x a t i o nt e c h n o l o g i e ss u c ha ss l u d g eg r a n u l ea n db i o f i l m a l t h o u g ht h ea n a e r o b i ct r e a t m e n to fd o m e s t i cs e w a g eh a sb e e na p p l i e do n al a r g e s c a l ei ns e v e r a lt r o p i c a lc o u n t r i e s ( m a n ya su a s br e a c t o r s ) w i t hg r e a ts u c c e s s ，t h e p r o c e s si s s of a rn o ta p p l i e do naf u l ls c a l ei ns u b t r o p i c a lc o u n t r i e s t t sab i g c h a l l e n g et oe x t e n dt h ee x p e r i e n e e sf r o mt r o p i c a la r e a st os u b t r o p i c a la n dm o d e r a t e c l i m a t ea r e a s i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h en e w e s tr e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t s ，w er e s e a r c h e dt h e g r a n u l a t i o np r o c e s si nu a s br e a c t o r sw h i c ht r e a t i n gv e r yl o ws t r e n g t hw a s t e w a t e r , i n o c u l a t e dw i t hd i g e s t e ds l u d g e t h e n ，af e a s i b l em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s ，t h ea f + a hs y s t e m ，s e e d i n gw i t ht h eg r a n u l a rs l u d g ew e h a dc u l t i v a t e d ，w a s d e v e l o p e da n dt h ep r o c e s sp e r f o r m a n c e w a sd i s c u s s e d i ts h o w st h a tt h es l u d g eg r a n u l a t i o nc a nb er e a l i z e di na b o u tt w om o n t h se v e nt h e i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o nl o wa s1 0 0 - 2 0 0 m g c o d la ta m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 2 5 9 、i n u a s br e a c t o r s t h ea v e r a g ed i a m e t e ro ft h eg r a n u l ei sm o r et h a n0 。5 m m t h es v io f t h eg r a n u l ei sb e t w e e n2 3 4t o2 7 7m l g ，m e a n sg o o ds e t t l e b i l i t y t h es m ao ft h e g r a n u l ei so 0 5 0 2 3 9 c o d ，( g v s s d ) ，d e p e n d i n go nt h eu s e dt e m p e r a t u r ea n di n f l u e n t c o n c e n t r a t i o n t h eg r a n u l eg r o w i n gi nt h ew a s t e w a t e ro f10 0 2 0 0 m g c o d la n da tt h e t e m p e r a t u r eo f2 5 9 h a st h el o w e s ts m a o f0 0 5g c o d ( g v s s d 1 ， t h ea f + a hs y s t e mw a su s e dt ot r e a tt h er e a ls e w a g es e e d e dw i t ht h em i x t u r eo f i i 硕士学位论文 t h eg r a n u l e sw eh a dc u l t i v a t e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea f r e a c t o rc a ne n t r a pa n d p a r t i a l l yh y d r o l y z et h es u s p e n d e ds o l i d si nt h es e w a g e e f f i c i e n t l y t h er e s o l v a b i l i t ya n db i o d e g r a d a b i l i t yo ft h ee f f l u e n to ft h ea fr e a c t o rh a s b e e ni m p r o v e d t h eg r a n u l ei nt h el o w e r p o r t i o no ft h ea hr e a c t o ri st h em a i np a r to f b i o d e g r a d a t i o np r o c e s sb e f o r et h ef o r m a t i o no fb i o f i l mi n t h ea fr e a c t o r s i tc a n r e m o v e3 3 9 - 9 3 5 o ft h ec o di nt h ei n f i u e n tv i z t h ee m u e n to ft h ea f lr e a c t o r a b o u t7 0 3 o ft h er e m o v e dc o dw a sc o n v e r t e di n t oc h d h o w e v e ro n l y6 5 5 o f t h et o t a lp r o d u c t i o no fc h 4c a nb er e u s e di nt h ef o r mo fb i o g a s ，t h eo t h e rw a s d i s s o l v e da n dd i s c h a r g e dw i t ht h ee f f l u e n t i ns t e a d y s t a t ec o n d i t i o n st h et w o s t e p a f + a hs y s t e mc a nr e m o v e4 7 。6 - 9 8 。1 o ft o t a lc o di nt h es e w a g ed e p e n d i n go nt h e h r ta n d t e m p e r a t u r e t h ea v e r a g e c o dr e m o v a ie f f i c i e n e i e s a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e ( 1 1 8 - 1 7 5 ) ，2 5 ，3 0 a r e7 7 4 ，8 9 1 a n d9 3 5 r e s p e c t i v e l y ，t h e c o dc o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n ti sl o w e rt h a n5 0 m g l t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti nt h ep r o c e s so fa n a e r o b i ct r e a t m e n to fl o ws t r e n g t h w a s t w a t e r ，t h es l u d g eg r a n u l a t i o nc a nb ea c h i e v e di na b o u tt w om o n t h e s t h et w o - s t e p a f + a hs y s t e m i n o c u l a t e dw i t hm a t u r eg r a n u l e s i se f f i c i e n tt ot r e a td o m e s t i cs e w a g e a tl o wt e m p e r a t u r ea n ds h o r th r fa n dt h ee x c e s ss l u d g ei s v e r yl i t t l ea n dw e l l s t a b i l i z e d h o w e v e r ，i t sl i m i t e dt or e m o v et h en u t r i t i o u ss u b s t a n c es u c ha sna n dp k e yw o r d s ：a n a e r o b i ct r e a t m e n t ；g r a n u l a rs l u d g e ；a m b i e n tt e m p e r a t u r e ；h t r ； s u b t r o p i c a la r e a ；d o m e s t i cs e w a g e i i l 中低温度f 厌氧处理城市污水及污泥颗粒化的研究 插图索引 图1 1 复杂物料厌氧降解过程示意图2 图1 2 乙酸浓度与细菌a 和b 生长速率的关系 5 图1 3 甲基辅酶m 在甲烷形成中的作用示意图6 图1 4u s s b 反应器示意图8 图1 5a b r 反应器示意图9 图1 6p a b r 反应器示意图1 0 图1 7i c 反应器示意图 1 0 图2 1细胞向基质迁移的不同机制 1 9 图2 2 污泥颗粒化的过程示意图2 0 图2 3 颗粒形成的质子转移脱水模型示意图 2 l 图3 ，1u a s b 反应器示意图2 9 图3 2 激光粒度仪分析颗粒粒径分布结果 3 l 图3 3 颗粒污泥的s e m 照片3 3 图3 4 颗粒污泥外观照片 3 3 图3 5 各反应器的h r t 变化图 3 4 图3 6 各反应器的v l r 和c o d 去除率变化图 3 4 图3 ，7 各反应器的比产甲烷活性的测定 3 5 图4 1a f + a h 反应器示意图 4 0 图4 2a f l 反应器进、出水总c o d 和可过滤性c o d 的变化4 2 图4 3a f l 反应器c o d 。去除率随v l r 的变化图 4 3 图4 4 不同温度下a f l 反应器c o d 。去除率随h r t 的变化图4 4 图4 5a f l 反应器c o d 。和c o d f 的去除率比较 4 4 图4 6a h 反应器c o d 。去除率随v l r 的变化图 4 5 图4 7 不同温度下a h 反应器c o d 。去除率随h r t 的变化图4 6 图4 8a h 反应器出水c o d t 和c o d f 值的比较 4 7 图4 9 两步a f + a h 系统c o d t 去除率变化图 4 7 网4 1 0 不同温度下a f + a h 系统反应器c o d t 去除率 随h r t 的变化图4 8 图4 1 1 甲烷收集量与v l r 的关系图 5 0 图4 1 2 甲烷气体、溶解性甲烷与v l r 的关系图 5 1 图4 1 3a f 反应器出水v f a 与v l r 的变化图 5 2 图4 1 4a h 反应器出水v f a 与v l r 的变化图 5 2 硕士学位论文 图4 15a f + a h 系统进、出水n h 4 + 一n 含量变化图 5 3 图4 1 6a h 反应器中颗粒污泥外观 5 4 图4 1 7a h 反应器中颗粒污泥的s e m 照片 5 4 图4 1 8不同温度下颗粒污泥的s m a 的测定 5 5 图4 1 9a h 反应器中不同粒径颗粒污泥的s m a 测定 5 6 中低温度f 厌氧处理城市污水及污泥颗粒化的研究 附表索引 表1 1 产乙酸反应 4 表1 2 废水及主要污染物排放量的统计 1 l 表2 1促进颗粒化的s l r 与接种污泥浓度的文献值与推荐值的比较 2 6 表3 1模拟污水的组成 2 9 表3 2 缓冲液的成份 3 1 表3 3各反应器的污泥特征参数 3 2 表3 ，4 接种污泥指标及s m a 的测定 3 5 表4 1 进水指标 4 0 表4 2 接种污泥指标 4 0 表4 3近年来厌氧处理城市污水的研究总结 4 9 表4 4a f + a h 系统进、出水s s 含量的变化 5 0 表4 、5a h 反应器处理原污水和预沉污水时甲烷的产量 5 l 表4 6a h 反应器中颗粒污泥s m a 的测定 5 5 表4 7a h 反应器中颗粒污泥粒径的分布 5 6 表4 8不同粒径的颗粒污泥产甲烷活性的测定 5 7 表4 9a h 反应器中颗粒污泥特征参数 5 7 表5 1厌氧工艺出水的后处理 5 9 表附e 1 产甲烷活性测定中使用的污泥和底物浓度 8 4 湖南大学 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 山本人承担。 作者签名：胡梅：痔 日期：矽匹年r 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：y 心年支月名e 1 日期：渺r 年广月，0 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 厌氧生物处理技术的发展 厌氧生物处理是指污水中的有机污染物( 以化学需氧量c o d 和生物需氧量 b o d 表示) ( c h e m i c a lo x g e nd e m a n d ，简称c o d ；b i o l o g i c a lo x g e nd e m a n d ，简 称b o d ) 经大量厌氧微生物的共同作用，最终被转化为少量污泥和大量沼气( 主要 为c h 4 ，c 0 2 ) 的过程。 厌氧生物技术已经经历了相当长时间的发展在微生物学和生物化学原理方 面取得了一些突破。b e c h a m p 于1 8 6 8 年首次从微生物的角度阐述了甲烷的形成 机理；1 8 7 5 年俄国学者p o p o f f 较系统研究了由各种底物发酵产甲烷的过程；到 1 9 0 6 年，荷兰的n l s o h n g e n 培养出一种八叠球菌和杆状菌的共生培养物，但未 能进步分离鉴定1 1 2 】；厌氧发酵在微生物学原理卜的一大突破是s c h n e l l e n 培养 并分离出甲烷八叠球菌和甲烷杆菌属的两个纯种，命名为m e t h a n o s a r c i n ab a r k e r i 和m e t h a n o b a c t e r i u mf o r m i c i c u m l 3 】。l9 6 7 年，m p b r y a n t 发现乙醇转化为甲烷的 过程并非由一种微生物完成，而是由两种共生菌一起完成的，其中一种微生物把 乙醇转化为已酸和氢气，另一种利用氢气把二氧化碳转化为甲烷。这一发现揭示 出能被产甲烷的微生物利用的底物是有限的，其中主要有乙酸、氢气、碳酸氢盐、 甲醛和甲醇。进一步的研究发现。污水的厌氧处理过程中，其中的有机物经大量 微生物的共同作用，最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氧和氨。降解过程中， 不同的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。对复杂物 料的厌氧降解过程的认识经历了1 9 3 0 年b u s w e l l 和n e a v e 的两阶段学说、1 9 7 9 年m p b r y a n t 的三阶段理论和1 9 8 0 年j g z e i k u s 的四种群说理论【4 l 的发展，到现 在基本形成四阶段理论的共识，即复杂有机物的厌氧消化过程可分为水解、发酵 ( 或酸化1 、产乙酸和产甲烷四个阶段，不同阶段的转化由不同的微生物完成，但 只有当每一顺序的微生物利用上一步反应的产物的速度和该产物的生成速度一致 时厌氧过程才能很好的进行下去【1 , 2 , 5 , 6 1 。图1 1 显示了复杂有机物料的厌氧降解过 程。 1 1 1 水解阶段 在这一阶段，复杂的非溶解性的聚合物被转化为低分子量的溶解性的单体或 二聚物。水解过程通常较为缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌 氧降解的限速阶段。这个过程需要由发酵细菌所分泌的胞外酶参与，胞外酶能否 有效接触到底物对水解速率的影响很大，因此大颗粒底物比小颗粒底物的降解要 l 中低温度r 厌氧处理城市污水及污泥颗粒化的研究 缓慢得多。蛋白质的降解通过( 多) 肽到氨基酸，碳水化合物被转化为溶解性糖( 单 糖或多糖) ，脂类被转化为长链脂肪酸和甘油。水解速率可能限制厌氧消化总反应 速率，特别是脂类在2 0 。c 以下的转化速率非常慢。多种因素可能影响水解的速度 与水解的程度，例如：水解温度：有机物在反应器内的保留时间；有机物 的组成；有机物颗粒的大小；p h 值；氨的浓度；水解产物的浓度等。 水 解 发 酵 菌 复杂有机物( 碳水化合物、蛋白质、脂类) 水 解 发 酵 菌 h 2 ，c 0 2 水解剧酵菌 简单有机物( 糖、氨基酸等1 水解划醇菌 挥发性脂肪酸( 丙酸、r 酸等) 水 解 发 酵 菌 水 解 发 酵 菌 乙酸 氢营养型产甲烷道广 乙酸营养到产甲烷茼 1c h 4 c 0 2r 1 二j 圈1 1 复杂物料厌氧降解过程示意图 1 1 2 发酵酸化阶段 在水解阶段产生的溶解性化合物被发酵细菌所吸收并分泌出简单的有机物如 挥发性脂肪酸、乙醇、乳酸和无机物如c 0 2 、h 2 、n h 3 、h 2 s 等。酸化过程由大 量的多样的细菌种群完成。其中重要的有梭状芽孢秤菌( c l o s t r i d i u m ) 和拟杆菌 ( b a c t e r i o d e s ) 。梭状芽孢杆菌是厌氧的芽孢细菌，因此能在恶劣的条件下存活。拟 杆菌大量存在于有机物丰富的地方，分解糖、氨基酸和有机酸。上述细菌绝大多 数是严格厌氧菌，但通常也有1 左右的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，保护像 甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的抑制与损坏p j 】 酸化的末端产物的组成取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的微生 物种群。例如，如果酸化过程在专门的酸化反应器里进行，糖作为主要的底物， 则末端产物将是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、c 0 2 和h 2 的混合物；而在一个稳定的 一步反应器内，乙酸、c 0 2 和h 2 将是酸化细菌最主要的末漏产物，其中h 2 又能 有效地被产甲烷菌利用或被硫酸盐还原菌或脱氮菌利用。氢气的有效去除使发酵 细菌能产生更多的供其氧化并从中获得能量的中间产物。大多数发酵菌可以利用 发酵过程中产生的质子，有两种途径：一是使用自身的代谢产物，例如形成乙醇； 二是在氢化酶作用下把质子转化为氢气：2 h + + 2 e h 2 。后。一种情况下，不同时产 2 硕士学位论文 生乙醇、丙酸、乳酸、丁酸和其它产物，几乎只同时生成乙酸。 氨基酸的分解通过s t i c k l a n d 反应进行。此反应通过两种氨基酸共同参与完 成，其中一个氨基酸分子进行氧化脱氮，同时产生质子使另外一种氨基酸的两个 分子还原，两个过程同时伴随着氨基酸的去除。例如丙氨酸和甘氨酸的降解： c h 3 c h n h 2 c o o h + 2 h 2 0 - - c h 3 c o o h + n h 3 + 4 h + + ) 2 c h 2 n h 2 c o o h + 4 h + 。2 c h 3 c o o h + 2 n h 3 c h 3 c h n h 3 c o o h + 2 c h 2 n h 2 c o o h + 2 h 2 0 3 c h 3 c o o h + 3 n h 3 + c 0 2 某些氨基酸只能作为质子供体，另一些只能作为质子受体，也有一些既可作 为质子受体也可作为质子供体。除了这种耦合降解之外，也有一些氨基酸能被单 独降解。由于氨基酸的降解能够产生n h 3 ，因此这一过程会影响到溶液中的p h 值。n h 3 的存在对厌氧过程十分重要，一方面n h 3 在高浓度下对细菌有抑制作用， 另方面，它又是微生物的营养，因为细菌利用氨态氮作为其氮源。 较高级的脂肪酸遵循b 氧化机理进行，圭物降解。即脂肪酸末端每次脱落两个 碳原子，对含偶数个碳原子的脂肪酸，这一反应最终产物为乙酸，对于含奇数个 碳燎子的脂肪酸，最终要形成一个丙酸。不饱和脂肪酸先通过氢化作用变成饱和 脂肪酸，然后按照b 氧化过程降解。例如含1 6 个碳原子的棕榈酸的降解反应是： c h 3 ( c h 2 1 1 4 c o o 。+ 1 4 h 2 0 - - s c h 3 c o o + 7 h + + 1 4 h 2 含有17 个碳原子的脂肪酸的降解反应是： c h 3 ( c h 2 ) l5 c o o 。+ 14 h z o - - + 7 c h 3 c o o + c h 3 c h 2 c o o 。+ 7 h + + l4 h 2 从反应式可以看出，骺肪酸发酵会产生大量氢气，因此这一反应的顺利进行， 必须依赖于消耗氢的产甲烷过程以便使氢的浓度维持在较低的水平。 厌氧降解过程中，酸化菌对酸的耐受力较强，p h 值下降到4 仍可以进行，但 j “甲烷菌的最佳p h 值在6 5 7 5 问，p h 值的下降会减少甲烷生产和氢的消耗， 并进一步引起酸化末端产物组成的改变，产乙酸菌没有足够的能力克服这种改变， 甲烷菌的活力下降又进一步加剧了酸的积累，使p h 值进一步下降，厌氧降解过 程因之恶化，这就是反应器的酸化现象。 1 1 _ 3 产乙酸阶段 发酵酸化阶段的产物在产乙酸阶段被产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 表1 1 例出了产乙酸过程的一些反应，表中a g o 是反应的标准吉布斯自由能 ( p h = 7 ，2 5 和1 0 1 3 1 0 5 p a ) ，假定水为纯液体，所有化合物在溶液中的浓度为 l m o l k g 。 由表1 1 可以看出，在标准条件下乙醇、丁酸和丙酸不会被降解，因为这些 反应中不能产生能( g o 为正值) 。但氢浓度的降低可以将反应导向产物方向。这 可以由反应中实际自由能的计算看出，对这些反应自由能计算如下： 中低温度f 厌氧处理城市 v s a 及污泥颗粒化的研究 假定反应为a a + b b - - ，c c + d d ，则 排蚶删n 滞 ， 式中：r 一气体常数( 8 2 8 j ) ； t 绝对温度( k ) 。 表1 1 产乙酸反应 c h 3 c h o h c 0 0 。+ 2 h 2 0 c h 3 c o o 一十h + + h c o f + 2 h 2 g o ，_ 一4 2 k j t o o l c h3 c h 2 0 h + h 2 0 + c h 3 c o o 。+ h + + 2 h 2 a g o = 9 6 k j m o i c h 3 c h 2 c h 2 c o o + 2 h 2 0 一2 c hs c o o 一十h + 2 h 2a g o = 4 8 1 k j t o o l c h3 c h 2 c o o 。+ 3 h 2 0 c h3 c o o 一十h + + h c 0 3 十3 h 2 a g o = 7 6 ，i k j m o l 4 c h 3 0 h + 2 c 0 2 - - - + 3 c 1 1 ，c o o + 3 h + + 2 1 - 1 2 0a g o 一29 k j m o l 2 h c o f + 4 h 2 + h + - - - , c h 3 c o o 一+ 4 h 2 0 a g o 一7 0 3 k j m o l 在运行良好的反应器中，氢的分压一般不高于1 0 p a ，平均值约为0 1 p a 。当 作为反应产物之一的氢的分压如此之低时，乙酸、丁酸和丙酸的降解则成为可能， 即反应的实际自由能a g 。成为负值。只有在产乙酸菌产生的氢被利用氢的产甲烷 菌有效利用时，系统中的氢才能维持很低的分压。根据平均氢分压可以计算出反 应器罩一个氢分子平均在o 5 s 以内已被消耗。这意味着氢分子在产生后仅能移动 0 1 m m 的距离。这也说明这种生化反应需要密切的共生关系存在于菌种之间。这 种现象称为“种间氢传递”( i n t e r s p e c i e sh y d r o g e nt r a n s f e r ) 。通常在厌氧颗粒污泥 中存在着微生态系统，在此系统中，产乙酸菌靠近利用氢的细菌生长，因此氢可 以很容易的被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。除了许多产甲烷菌可以利用氢外， 硫酸盐还原菌和脱氮菌也能消耗氢，此外少量的产乙酸菌也能利用氢。 1 1 4 产甲烷阶段 在厌氧反应器中，所产甲烷的大约7 0 由乙酸歧化菌产生，反应中，乙酸的 羧基从分子中分离转化为c 0 2 ，甲基最终转化为甲烷。已知利用乙酸的甲烷菌为 索氏甲烷丝菌( m e t h a n o t h r i xs o e h n g e n i i ) 和巴氏甲烷八叠球菌( m e t h a n o s a r c i n a b a r k e r i 、，两者的生长速率有较大区别【3 1 。在其它环境因素不变时，细菌的生长速 率取决于底物浓度，这一关系可用下式表示： ：掣 ( 1 2 ) k+p 式中：l l 细菌生长率：p 。一细菌最大生长率； d 一底物浓度：k 。一半饱和常数或底物亲和力常数。 4 ：， ! ! 堕堡! 垦量丝堡堡查重查墨鎏丝墼垫些墼堡蜜 假定反应为a a + b b - 一c c d d ，则 一埘一n 褂 ， 式中：r 气体常数( 8 2 8 j ) ；t - - 绝对温度( k ) 。 表1 1 产乙酸反应 1 1 c i i z c h o h c o o 。+ 2 h 2 0 1 c h3 c o o + h + + h c 0 3 + 2 h 2 a g o = 42 k j m o c h s c h , o i i + h z o - c i l 3 c o o 。+ h + + 2 h 2 c h 3 c h 2 c h 2 c 0 0 + 2 h 2 0 2 c h 3 c o o 。+ h + + 2 h 2 c h 3 c h 2 c o o 。+ 3 h 2 0 _ c h 3 c o o 。+ h + + h c o f + 3 h 2g d 。- 7 6 1 k j m o 4 c h 0 h + 2 c 0 2 斗3 c h 3 c o o + 3 h + + 2 h2 0 a g o = 一2 9 k j m o o n 。_ 7 03 kr m o i 在运行良好的反应器中，氢的分压般不高于1 0 p a ，平均值约为o i p a 。当 作为反应产物之一的氢的分压如此之低时，乙酸、丁酸和丙酸的降解则成为可能， 即反应的实际自由能a g o 成为负值。只自在产乙酸菌产生的氢被利用氢的产甲烷 菌有效利用时，系统中的氢才能维持很低的分压。根据平均氢分压可以计算出反 廊器里一个氢分子平均在0 5 s 以内已被消耗。这意味着氢分子在产生后仅能移动 0 | m i l l 的距离。这也说明这种生化反应需要密切的共生关系存在于菌种之间。这 种现象称为“种问氢传递”( i n l e r s p e e i e s h y d r o g e nt r a n s f e r ) 。通常在赝氧颗粒污泥 中存在着微生态系统，在此系统中，产乙酸茁靠近利崩氢的细菌生长，因此氧可 以很容翁的被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。除了许多产甲烷菌可以利用氨外， 硫酸盐还原菌和脱氯菌也能消耗氢，此外少量的产乙酸莆也能利用氢。 1 14 产甲烷阶段 在厌氧反应器中，所产甲烷的大约7 0 由乙酸歧化菌产生，反应中，乙酸的 羧基从分子中分离转化为c 0 2 ，甲基最终转化为甲烷。已知利用乙酸的甲烷茵为 索氏甲烷丝菌( m e t h a n o t h r i xs o e h n g e n i i ) 和巴氏甲烷八叠球菌r m e t h a n o s a r c i n a b a r k c r i ) ，曲者的生长速率打较大区别l 。在其它环境因素不变时，细菌的生氏速 率取决于麻物浓度，这一关系可用下式表示： ，b 穹! 心( 1 2 ) 凡。+ p 式中：“一细菌生长率；。；一细菌攮大生陈率； p 一底物浓度：k ：半饱和常数或底物亲和力常鼓。 口一底物浓度：k 。一半饱和常数或底杨亲和力常数。 4 硕十学位论文 式( 1 2 ) 中k 。可以定义为细菌生长率在等于最大生长率一半时的底物浓度。 m e t h a n o t h r i x 的k 。值远远低于m e t h a n o s a r c i n a ，虽然其最大生长速率也低于 m e t h a n o s a r c i n a 。这意味着在乙酸浓度很低时，m e t h a n o t h r i x 较之m e t h a n o s a r c i n a 优势生长( 见图1 2 ) ，而这种优势生长是我们所希望的，理由如下： ( j ) 由于m e t h a n o t h r i x 对底物有更高的亲和力( f l o 较小的k 。值) ，因此在废水处 理中有可能取得较高的有机物去除率。 ( 2 ) m e t h a n o t h r i x 的生长有利于形成品质良好的颗粒污泥。m e t h a n o s a r c i n a 也 能形成颗粒，但这种颗粒通常较小( 小于0 5 m m ) ，因此容易从反应器中洗出。 02 5 0 2 蒋o 1 5 翌o 1 删00 5 0 01 2 3 4 乙酸浓度( m mo i t l ) a - 巴氏甲烷八叠球菌，u 。= o ，4 5 d ，k 。= s m m o l b 一索氏甲烷丝菌，= o 1 d ，k 。= o 2 m m o l 图1 2 乙酸浓度与细菌a 和b 生长速率的关系1 1 另一类产甲烷的微生物是由h 2 和c 0 2 形成甲烷的嗜氢甲烷菌，它们产生的 甲烷约占总量的3 0 。大约一半的嗜氢甲烷菌也能利用甲酸，这个过程可以直接 进行： 4 c h o o h c h d + 3 c 0 2 + 2 h e o 或间接进行： 4 c h o o h 4 c 0 2 + 4 h 2 4 h 2 + c 0 2 c h 4 + 2 h 2 0 甲醇的降解在自然界的生态系统中并非十分重要，但在厌氧处理含甲醇废水 时它的作用相当重要。甲醇能被m e t h a n o s a r c i n a 直接转化为甲烷，也能由梭状芽 孢杆菌( c i o s t r i d i a ) 先转化为乙酸，然后被利用乙酸的甲烷菌进一步转化为甲烷。 最重要的产甲烷过程有： c h 3 c o o 。+ h 2 0 一c h 4 + h c o s x g o 一3 1 0 k j m o l h c 0 3 一+ h + + 4 h 2 一c h 4 + 3 h 2 0g o 。2 一l3 5 6 k j m o l 4 c h 3 0 h - 3 c h 4 + c 0 2 + 2 h 2 0g o - 3 1 2 k j m o l 4 h c o o 一+ 2 h + c h 4 + c 0 2 + 2 h c 0 3 g o k 一3 2 9 k j m o l 在甲烷形成的生物化学过程中，主要的中间产物是甲基辅酶m ，其分子式为 s 中低温度h 厌氧处理城市污水及污泥颗粒化的研究 c h 3 - s - c h 2 一c h 2 一s 0 3 。 c o z 转化为甲基辅酶m 包括多步以氢为电子供体、涉及相当多的中间产：物的 还原过程，这个过程如图】3 所示。 圈1 3 甲基辅酶m 在甲烷形成中的作用示意图“1 在理论突破的同时，厌氧工艺经历了从传统的厌氧消化池到厌氧接触工艺再 到高速厌氧工艺的发展。 厌氧消化池工艺是指在一个池内实现厌氧发酵反应及液体与污泥的分离。污 水或污泥定期或者连续排入池内，经消化的污泥和污水分别由池底和上部排出， 产生的沼气由池顶排出。为使进料与厌氧污泥充分接触，一般进行周期性的搅拌。 18 9 6 年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，所产生的沼气用丁二街 道照明。至1 9 1 4 年，美国有1 4 座城市建立了厌氧消化池。2 0 世纪4 0 年代在澳 大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，改善了厌氧污泥与污水的混合，提高了处 理效率。但在本质上，这些反应器中的微生物( 即厌氧污泥) 与废水或废料是完全 混合的，污泥在反应器里的停留时间( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ，简称s r t ) 与废水的 停留时间( h y d r o l i cr e t e n t i o n t i m e ，简称h r t ) 相同，反应器里污泥浓度较低，处 理效果差。废水在反应器里的停留时间往往长达2 0 3 0d ，这主要是因为：系 统内没有足够的微生物，特别是产甲烷微生物；污水和微生物没有充分接触。 保持系统内尽可能高的微生物浓度始终是生物处理技术的核心。由于厌氧微生物 生长缓慢，世代时间长，所以保持足够长的污泥停留时间是厌氧消化工艺成功的 关键。此时的厌氧生物技术主要用于污泥与粪肥的消化，它尚不能经济地用于城 市污水的处理。 2 0 世纪5 0 年代中期出现了厌氧接触工艺，它参照了好氧活性污泥的工艺流 程，在一个厌氧的完全混合反应器后增加了污泥的分离和回流装置，使部分厌氧 污泥又重新返回到反应器中，从而增加了反应器中污泥的浓度，使厌氧污泥在反 应器中的停留时间第一次大于水力停留时间，因此其处理负荷与效率均显著提高。 这是厌氧处理技术的一个重要发展。尽管如此，厌氧接触工艺的负荷仍然较低， 不能算作高速厌氧工艺。随着对颗粒污泥和生物膜等生物固定技术的深入了解， s r t 得以极大的延长，而在保持同样的处理效果时，s r t 的提高能大大缩短h r t ， 硕士学位论文 从而减少反应器容积，或在相同反应器容积时增加处理量。在此基础上研究