（环境工程专业论文）厌氧酸化——psb两级流化床处理高浓度有机废水.pdf

硕士学位论文 摘要 本研究以万寿菊发酵废水为研究对象，进行了光合细菌法处理氨氮含量高的 高浓度有机废水的研究。采用的光合细菌工艺包括两个阶段，即可溶化预处理段、 光合细菌处理段。研究内容包括：可溶化段及光合细菌段工艺参数的确定；光合 细菌法处理系统中氮转化的途径和去除的机理；光合细菌段生物相研究。 可溶化预处理段试验结果表明，可溶化段最佳工艺参数为：进水p h 值为6 o ， 水力停留时间1 2 h ，容积负荷为1 2 0 k gc o d m 3 d 。在该工艺条件下，当絮凝预处 理后进水c o d 和b o d 5 的浓度分别为6 0 0 0 0 m l 和3 1 2 0 0 m l 时，对应的去除率 分别为2 1 0 2 和1 8 6 1 ，出水中t v f a ( 总挥发性有机酸) 的含量也达最高，其 值为3 2 4 2 3 m l ，出水b o d 5 c o d 值为o 5 6 ，n 陌a c o d 值为0 。7 1 4 ，有利于后续 光合细菌段的处理。 光合细菌反应段分2 级，称p s b l 和p s b 2 ，两级分别投加不同的填料，p s b l 内投加的轻质多孔炭渣具有较高的孔隙率和比表面积为光合细菌提供良好的附着 空间，其质轻方便在曝气气流作用下形成流化状态；p s b 2 内的活性碳在提供光合 细菌附着空间的同时，对光合细菌释放出水溶性的红色色素具有良好的吸附作用， 从而使得系统对光合细菌所产生的色素引起的水体浊度具有6 2 7 的去除率。 光合细菌段试验结果表明，光合细菌段最佳工艺参数为：p s b l 黑暗条件下微 好氧曝气，d o 控制在o 5 1 3 m l ，白天光照机械搅拌，厌氧；p s b 2 ，白天光照，d o 白天为2 2 5 m l ，夜间4 3 5 3 m l ，两段h i 玎( 水力停留时间) 均为2 4 h ，容 积负荷p s b l 为1 0 k g c o d ( m 3 d ) 、p s b 2 为3k g c o d ( m 3 d ) ，工艺运行稳定后，每 隔三个周期定量投加新鲜光合细菌( 以保持光合细菌为优势菌) ，光合细菌投加量 与进水量比为l ：5 ( 经济性) ，此时出水中c o d 的含量为3 2 7m l ，对应的去除 率达9 7 2 ，n h 3 - n 及t n 去除率分别是9 7 6 、7 1 3 。说明在适宜的工艺条件 下，光合细菌具有耐受高浓度的氨氮并具有高效去除有机污染物的能力。 生物相观察结果表明，反应器中光合细菌的优势度较高，且存在着不同种属 的混合菌株，为光合细菌段实现脱氮作用提供了的生物学依据。 本研究关于可溶化段及光合细菌段工艺参数的控制和选择及其氮转化和去除 机理等方面的研究成果，对光合细菌法用于难处理的高浓度有机废水的大规模工 业化应用提供理论依据。( 固液分离) 关键词：光合细菌法，万寿菊发酵废水，废水处理，可溶化 厌氧酸化两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 a b s t r a c t a s t l l d yo n 仃e 舳铋to ft l l ef h n tw a s t e w a t e ro fm 撕g o l dp r o c e s s i n gw i t hl l i g h c o n c e i l t r a t i o na l l l l l l o i l i aa n dh i 曲c 0 n c e l l t r a t i o no r g 锄i cm a t t e rb yu s i n gp h o t o s y n t h e t i c b a c t 嘶a ( p s b )p r o c e s sw 弱 c o n d u c t e d t h ep s bp r o c e s sw 勰d i v i d e di n t o2 s t a g e s ，n a m e l y ，p r e t r e 舳e n tb ys 0 1 u a b i l i z a t i o n ，m a i n t r e a t i i l e l l t w i t hp s b t h i s p 印e r f o c u s e do nt l l ec h o i c eo fo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e rf o rs o l u a b i l i z a t i o ns t a g ea n d p s bs t a g e ，m e c h a l l i s mo f 砌n o v a lo rc o n v e r s i o no fm t r o g e l lb i o s p e c i e so fp s bp h a s e w 嬲i n v e s t i g a t e d ，a i l dc o s t - e f f e “v e l l e s sa n a l y s i so fm e 仃e 砌e i l tm 撕g o l dw a s t e w a t e r b yp s bp r o c e s sw a s t r i e d o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t ，m eo p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rs o l u a b i l i z a t i o n p h a s ew e r e s e l e c t e da s f o l l o w s ：p h6 0 ，h 抓i i a u l i c r e t e i l t i o n t i m e ( h r t ) l2 l l a i l d v 0 1 u m e t r i cl o a d i n gr a t e12 0 k g c o d m d u n d e rt h i so p t i m 啪c o n d i t i o n sa n da tac o d c o n c e n t r a t i o no f6 0 0 0 0m la n db o d 5o f312 0 0m li l lt h ei n n u e n t ，t h ea v e m g e r e n l o v a lr a t e so fc o d 锄db o d 5w e r e2 1 0 2 a n d1 8 6 l ，r e s p e c t i v e l y ，a i l dt 1 1 e r e d u c e dr a t eo fs u l f a t ew a s5 2 5 t 1 1 et o t a lv o l a t i l e a c i d ( t 、下a ) ，m er a t i oo f b o d 5 c o da 1 1 dt f v c o do fe 蝴u e n tr e a c h e d3 2 4 2 3 m lm l ，0 5 6 a i l d 0 7l4 ，r e s p e c t i v e l y ，w 1 1 i c hw e r ef a v o r a b l et ot h ef o l l o w i n gp s b s t a g e t l l ee x p 甜m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt i l a tt h eo p t i l a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o r1 1 1 ef i r s t p h o t o s y l l t h e t i cb a c t 嘶af l u i d i z e db e di sb a c k f i l l e dw i ml i g h tc a r b o nr e s i d u ew 油p o r o u s ， m es e c o n do n ei sb a c k f i l l e dw i ma c t i v a t e dc a r b o 玛a n dt h ea 酉t a t ew a ya r em e c h a i l i c a l a 百t a t e d 锄dm e c h a i l i c a la 西t a t c dc o n l b i n e dw i ma i ra 百t a t c d ，s t a b l eo p e r a t i o nf o r4 0 d a y s t h er e s u l t e ds h o w s ，a r e rd i l u t e dt 08 0 0 0 l2 0 0 0 m lb yd o m e s t i cs e w a g ee n t e r 缸of l u i d i z e db e dr e a c t o l l sa n dm c i ls t a yf o r4 8 hu i l d e r 孤a e r o b i ci i lt l l ed a ”i m e m i c r o a d b i ci i lt l l ee v e i l i n gc o n d i t i o nt 1 1 ec o dd e c r e a s e dt 02 9 5 8 4 2 0 m l ，m o r e t l l a n9 6 2 c o dr e m o v a l sw 嬲a c h i e v e ds oa st h er e i l l o v a l so fn h 3 一na n dt nw e r e 9 7 6 、7 1 3 m i c r o 乒印h sa i l dm er e s u l t so fc o u n t i l l go fm i c r o o r g a l l i s mi i l d i c a t e dm a tt l l e d o m i n a m1 e v e lo fp s bw 硒h i g ha n dm i x e dp s bs 仃a i ne x i s t e di i lt h er e a c t o ro fp s b s t a g e ，砒c hs u p p l i e di m p o r t a n tb i 0 1 0 百c a l f o u n d a t i o no fd 觚研f i c a t i o n锄d d e s u l i 碱z a t i o no fp s b d i 侬玎e n tk i n do fp a c k i n g sa r eb a c k f i l l e dw i t hd i f j 衙e 1 1 tp h a s e ，p s b1i sb a c k f i l l e d w i m1 i 曲tc a r b o nr e s i d u ew i t l lp o r o u s 锄di t sl l i 曲p o r o s i t yi sc o n t e t e dt oa t t a d l m e n t s p a c ef o rp h o t o s y n m e t i cb a c t 嘶a ；p h o t o s y n m e t i cb a c t 丽aw i l lr e l e a s ew a t e 卜s o l u b l e p i g m e n ta i l d t h ea c t i v a t e dc a r b o nh a sh i 曲e f ：f i c i e l l c yi nw a t 昏s o l u b l ep i 舯e n t a b s o r b t e d s ot h e 崩n o v a l so ft u r b i d i t yc a u s e db yw a t * s o l u b l ep i g m 饥ti s6 2 7 1 1 硕十学位论文 、 u s e df o r l e 协：a t r n e mm 撕g o l dw a s t e w a t e r n o to i l l yc 趾p s bp r o c e s sm a k e 协：a t e d e f f l u 饥tm e c td i s c h a r g es 伽1 d 砌b u ta l s oi tn e e d e dl e s s c 印i t a l a i l do p 酬i n g c o s t t h e r e f o r ep s b p r o c e s sw 嬲c o n s i d e r c da saf i c 硒i b l eo n e i np r a c t i c e t h ee x p 谢m e i l t a lr e s u l t s ，i n c l u d i n gm ec h o i c eo fm eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r 锄dt h ec o n 们lo fo p t i m a l0 p e r a t i n gc o n d i t i o n sf o rs 0 1 诎i l i z a t i o n 觚dp s bp h a s e ，t h e m e c h 觚i s mo fr e m o v a lo rc o n v e r s i o no fi l i n o g e n ，e t c ，w a ss i 盟i f i c a l l tf o r 廿l e 叩p l i c a t i o n o fp s bp r o c e s st om e 仃e 咖e i l to fl l i g l lc o n c c l l t r a t i o no 唱a n i cw a s t e w a t e ro nm e l a 唱e s c a l e k e yw o r d s ：p h o t o s y n t h e t i cb a c t 面a ( p s b ) p r o c e s s ，m 撕g o l dw a s t e w a t e r ，w a s t e w a t e r 仃e a t i n e n t s 0 1 ua _ b i l i z a t i o n i i l 附录4 ：学位论文原创性声明和版权使用授权书 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：挚移够 日期：抄睁歹月岁日 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，即： 学校有权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。本人授权兰州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。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。 日期：如矿年歹月，厂日 日期：沈桶年f 月加日 硕士学位论文 第一章绪论 光合细菌是地球上最早出现的原核生物之一，国外关于光合细菌的应用研究 始于六十年代并取得了迅速发展，我国开展光合细菌研究始于七十年代，并在许 多领域取得了进展。8 0 年代以来在利用光合细菌处理废水方面也开展了大量的研 究工作。随着人们对光合细菌形态、分类、生理和生态特性研究的不断深入，光 合细菌多种多样的生理类群及重要的碳、氮代谢途径和光合作用机制正吸引着人 们对其进行发掘和研究应用。 1 1 光合细菌的分类及其主要生理生态特征 光合细菌( p h o t o s y n t h e t i cb a c t 舐a ，简称p s b ) 是一大类能利用光能进行光合作 用的原核生物的总称。它是自然界中广泛存在的最古老的细菌类群之一，属于水 圈微生物的一种p j 。自然界几乎所有有光能可供利用的地方都能发现p s b 的存在。 p s b 广泛分布于水沟、湖、海等自然水体；甚至在温度高达9 0 的温泉，南极海 岸及含盐3 0 的水体中都能找到p s b 的踪迹；p s b 还可生长于能受到光照的土 壤表层【4 1 ；在许多人工环境中如废水生物处理设施中也能找到p s b ，如从厌氧生物 反应器【5 1 、发酵废水流经沟渠的污泥【6 1 、生活污水沟道【7 】中都曾分离到p s b 。 1 1 1 光合细菌的分类 p s b 属于原核生物界细菌门真菌纲的红螺菌目，b e r g e y sm a n u a lo f d e t e n i l i n a t i v eb a c t 嘶o i o d y 第九版( 1 9 9 4 ) 将光合细菌分为4 个科、2 3 属、8 0 余种， 4 个科分别为：红螺菌科( 1 d o s p i r i l l a c e a e ) ，主要包括紫色非硫细菌( p u r p l e n o n s u l 丘j rb a c t 嘶a ) ：着色菌科( c h r o m a t i a c e a e ) ，主要有紫色硫细菌( p u r p l es u l 缸 b a c t 舐a ) ，其中又包括紫色外硫细菌( s u l 缸g l o b u l e so u t s i d ec e l l s ) 和紫色内硫细菌 ( s u l 缸西o b u l e si n s i d ec e l l s ) ；绿硫菌科( c m o r o b a c t 耐a c e a e ) ，主要包括绿色硫黄细菌 ( g r c e ns u l f i l rb a c t 嘶a ) 和含菌绿素g 细菌( b a c t 耐aw 淌b c l l l 曲：绿色丝状菌科 ( c l l l o r o n e x a c e a e ) 主要包括多细胞绿丝菌( m u l t i c e l “a rj f i l 锄朗t 0 1 l sg r e e l lb a c t 面a ) 和 滑行绿色丝状菌( g i l d i n gf i l 锄e m o l l s 黟e e i lb a c t 嘶a ) 。 1 1 2 光合细菌的生理生态特征 在不同的环境中，p s b 具有固氮、脱氮、固碳、氧化硫化物等多种不同的功 能，在自然界的碳、氮、硫循环中起着重要的作用。p s b 的光合作用是一个厌氧 过程，可以分子氢、还原性硫化物或有机物为外源电子供体，利用p s b 含有的菌 厌氧酸化两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 体叶绿素( b a c t 耐a c m o r o p h y l l ，简称b c m ) 进行光合作用【8 1 。由于p s b 在进行光合 反应时不以h 2 0 作为最终电子供体，因此，p s b 在光合作用过程中不产生氧气。 可见，p s b 的共同特点是体内含有光合色素，在厌氧光照条件下能进行不产生0 2 的光合作用。与高等植物和藻类不同的是，其光合作用仅限于厌氧光照条件下进 行、且不产生氧气f 3 1 。 1 1 3 光合细菌对碳源的利用和代谢 p s b 能在厌氧光照条件下氧化某些有机物获得能量供细菌生长和繁殖。一般 来说，紫色非硫细菌既能在厌氧光照条件下氧化有机物丽获得碳源和能量，也能 在好氧黑暗的条件下利用有机物进行异养型营养方式生长，某些菌株还能还原 n 0 3 以反硝化的形式而发酵生长【3 】；绿色硫细菌在厌氧光照条件下主要靠氧化硫化 物和固定c 0 2 而进行自养型营养方式生长；紫色硫细菌既能氧化硫化物，也能氧 化有机物。 p s b 对有机物利用的能力按绿色硫细菌、紫色硫细菌、紫色非硫细菌的顺序 依次增强。绿色硫细菌能同化乙酸、丙酸和丙酮酸等，少量菌株能同化乳酸、谷 氨酸和葡萄糖，但只有提供大量c 0 2 和无机供氢体时，绿色硫细菌才同化复杂有 机物【9 1 。紫色硫细菌能同化某些简单有机物，除了厌氧光照条件下提供c 0 2 和无机 供氢体时可以同化有机物外，某些种可以在微好氧甚至好氧条件下通过化能异养 方式利用有机物。紫色非硫细菌利用有机物的范围十分广泛，能在厌氧光照条件 下通过光能异养作用同化有机物，还能在黑暗好氧条件下通过化能异养方式同化 有机物【3 8 ，不同条件下光合细菌具有不同的生长和获能方式。 1 1 4 光合细菌对含硫化合物的代谢 大多数p s b 在光合作用过程中都能以含硫化合物作为电子供体在光照厌氧条 件下同化c 0 2 。能被p s b 利用的含硫化合物包括硫化物、亚硫酸盐( s 0 3 2 ) 及硫代 硫酸盐( s 2 0 3 2 。) 等以及硫单质( s ) ，p s b 具体利用何种硫化物作为电子供体因不同菌 种而异。 p s b 利用硫化物时，一般是先将硫化物首先氧化为单质硫，紫色内硫细菌将 单质硫沉积于细胞内，而紫色外硫细菌、绿色硫细菌及紫色非硫菌( 某些种) 将单质 硫沉积于细胞外。当硫化物消耗完毕时，p s b 可以将外加的或沉积于细胞内外的 硫单质进一步氧化成s 0 4 2 【9 l o 】紫色非硫细菌的一些种还可直接将硫化物氧化为 s 0 4 2 。 虽然p s b 可以利用硫化物，但硫化物对其有很强的毒性：大多数紫色硫细菌 能忍受的基质中硫化物浓度为2 4 m m o l l ，少数紫色硫细菌耐受限值更低；紫色 硕士学位论文 非硫细菌只有在硫化物浓度很低时才利用它，超过2 n u n o l l ( 有些种仅为 o 5 m m o l l ) 即完全抑制其生长【9 】。武书彬等( 1 9 9 6 ) 研究表明：无机含硫化合物对光合 细菌的毒性顺序依次为：n a 2 s n a 2 s 0 3 n a 2 s c 4 n a 2 s 2 0 3 【1 。 1 1 5 光合细菌的氮代谢 大多数紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌都具有光合固氮的能力。早 期的研究认为p s b 的固氮作用严格依赖于光照，并需在厌氧条件下，后来的研究 表明，p s b 在微好氧或黑暗条件下都可能固氮。如r m b m m 、r a c i d o p h i l a 、 r c a p s u l a t a 等在黑暗条件下都能保持固氮活性【3 1 。又如荚膜红假单胞菌 ( r h c 印s u l a t a s ) 在光照厌氧、黑暗厌氧、光照微好氧、黑暗微好氧的条件下都可以 固氮，其中光照厌氧条件下固氮效率最高；而当其与不具固氮特性的异养菌混合 培养时，即使在好氧的环境也能利用异养菌分解产生的丙酮酸等进行有效的固氮 【1 2 】 o p s b 除了都具有固氮能力外，在厌氧条件下，某些p s b 还具有反硝化功能， 能以n 0 2 。或n 0 3 作为最终电子受体，以有机物为电子供体和营养源进行反硝化反 应，将n 0 2 或n 0 3 逐步转化为氮气。目前发现的具有反硝化能力p s b 主要为紫色 非硫细菌，如s a t o h ( 1 9 7 6 ) 从处理豆制品废水的污水池分离到的r s p h a e r o i d e sf o 咖a s p d e i l i t r i f i c a n s 【1 3 】等，其反硝化能力与电子供体的种类、光照强度和细菌所处的生 长期有关【。 1 1 6 光合细菌对其它物质的代谢 某些p s b 在氢酶参与下在光合同化c 0 2 的过程中可以利用h 2 作为电子供体吸 收氢，在厌氧黑暗条件下有氢酶参与时p s b 也能发酵有机物产生氢【3 j 。 磷是包括p s b 在内的所有微生物细胞合成核酸、核蛋白、磷脂及其它化合物 的重要元素，是多种辅酶和磷酸腺苷的组成部分，磷在糖等有机物代谢磷酸化作 用中起关键作用。许多p s b 对磷具有较强的吸收和积累能力l z j 。 一些紫色非硫细菌对有毒重金属氧化物或含氧酸盐表现出较高的耐受性，能 将硒、碲等金属的含氧酸盐还原为金属单质沉积于胞内或胞外。p s b 对重金属的 代谢作用可望用于去除废水中的重金属物质1 2 】。 1 1 7 光合细菌的色素系统 p s b 的光合作用过程需要光合色素作为媒介。p s b 细胞色素包括b c h l 和类胡 萝卜素( c a r o t e i l o i d ) 两大类。b c h l 是p s b 中主要的光合色素，是光合作用中心的主 要组成部分，不同b c h l 吸收峰波长不同，可以通过测定p s b 的吸收光谱来分析该 厌氧酸化两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 菌所含色素种类，以作为菌种鉴定的依据1 5 】。 1 1 8 本节小结 大多数p s b 能够能在厌氧光照、好氧黑暗环境中很好地增殖，并能耐受高浓 度有机物和无机盐，能利用多种硫化物或有机物作为其光合作用的供氢体和碳源， 具有很强的降解去除有机物的能力。特别是其中的紫色非硫细菌利用有机物获能 的方式有三种：( 1 ) 在厌氧光照条件下，它能利用低级脂肪酸、多种二羧酸、醇类、 糖类、芳香族化合物等低分子有机物作为光合作用的电子供体，进行光能异养生 长。其代谢反应式如下； h 2 a + c 0 2 _ 2 a + b i o m a s s + h 2 0 ；a 表示s 、p 等 c 4 h 7 0 2 n a + 2 h 2 0 牛2 c 0 2 小i o m a s s + n a h c 0 3 ( 2 1 在好氧黑暗的条件下，它能以低分子有机质为呼吸基质进行好氧异养生 长；( 3 ) 在厌氧黑暗条件下，可以通过反硝化或发酵方式分解有机物获取能量。 不同p s b 在不同条件下获能的方式有较大区别，这主要是基于p s b 具有随生 长条件的变化而灵活改变代谢类型的特点，其代谢途径可以在氧化磷酸和光合磷 酸之间进行自由灵活的切换的缘故。因此，p s b 既不像好氧活性污泥法那样受到 水中d o 浓度的限制，它可以利用光能进行高效的能量代谢，即使是微弱的光照 也能利用；也不像严格厌氧的产甲烷细菌等对氧的存在非常敏感，显示出了其在 高浓度、高盐度有机废水处理中的独特优势和广阔应用前景。另因p s b 菌体内富 含蛋白质和胡萝卜素，可作为单细胞蛋白应用于畜业和渔业，起到资源化利用的 作用，正成为废水生物处理和资源化利用技术研究的一个新方向。 1 2 利用光合细菌处理高浓度有机废水的原理 2 0 世纪6 0 年代j 日本科学家m k o b a y a s k 等把b o d 几千至上万m l 的 有机污水装入透明的玻璃瓶中，再加入少量的水田土壤放置于阳光下，发现在b o d 高达l o 0 0 0 m l 以上的污水中最初的1 个月大量生长繁殖的是异养菌，这些异养 菌将有机污水中的大分子碳水化合物、脂肪、蛋白质等分解成有机挥发酸、低糖、 氨基酸等小分子物质。当大分子有机物减少而其分解产物( 主要是有机酸) 的浓度达 到一定值时，异养茵的生长受到高浓度有机酸的抑制，其生长环境变得不适宜， 数量开始减少，而p s b 则利用这些低分子分解产物开始迅速增殖，液体变为红色， p s b 渐成优势。约两周后，大部分的低分子有机物已被p s b 利用，废水的b o d 降至1 0 0 0 m l 左右，此时p s b 开始迅速减少，而藻类、原生动物等开始增殖， p s b 渐渐被活性污泥微生物及藻类所取代，并进一步将b o d 降低到3 0 m l 以下。 硕士学位论文 在此净化过程中，污染物的变化、微生物菌群和菌数的生态替变情况分别见表1 1 和图l 。1 。 表1 1 高浓度有机废水自净过程污染物变化0 2 l f 3 1 各阶段菌种异养菌生长阶段光合细菌生长阶段藻类生长阶段 b o d 5 ( m g l ) 超过5 0 0 0 2 0 0 6 0 01 0 6 0 氨氮( m g l ) 超过5 0 0 0 2 0 0 5 0 01 0 5 0 朔，丑 图1 1 高浓度有机废水自然净化过程中微生物菌群的演变 可见，p s b 处理有机废水的反应过程为：第一阶段是先由异氧菌把复杂的有 机物降解为低级脂肪酸等小分子有机物( 酸化阶段) ，第二阶段是酸发酵后产生的大 量小分子有机酸适合于p s b 高速利用和生长，在厌氧光照条件下，p s b 很快形成 优势。 根据上述自净过程，m k o b a y a s l l i 等揭示了p s b 对高浓度有机废水分解净化 作用的依据是模拟自然界中废水净化的生态循环，并提出了利用p s b 处理有机废 水的设想【3 1 。之后，小林正泰的研究结果表明，高浓度有机废水在自然界中经过包 括p s b 在内的一系列微生物和藻类的生态学演替而被净化；在此生态系统中，p s b 和异养菌及藻类保持稳定的生态关系。这种生态学演替的规律和原理成为p s b 处 理高浓度有机废水的理论基础。 1 3 光合细菌法处理高浓度有机废水的工艺流程 尽管p s b 净化废水的作用原理早已被发现，但将p s b 应用于废水处理的工艺 研究则是近2 0 年才开始的。p s b 法工艺是自然界微生物生态演替净化污水过程的 典型体现。依据p s b 利用和降解低分子有机物的特性，可以设计出p s b 法的一般 埒 憎 憎 蝣 付 埘 懈 je、锈嚣露 厌氧酸化两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 工艺流程是：第一步，由异养细菌将高浓度高分于有机物降解为低分子有机酸、 醇、氨基酸等，即所谓的“可溶化处理”过程；第二步，由p s b 将小分子有机酸等 进一步降解，使有机物浓度大幅度降低；第三步，对经过p s b 法处理后的废水利 用好氧生物法或藻类进行后续进一步处理，使废水达到排放标准j 。 p s b 法的关键在第一步的可溶化处理和保持系统中p s b 为优势菌群这二方 面。可溶化段应使尽可能多的大分子有机物可溶化为小分子有机物。为了保证p s b 段内p s b 的优势，一般需在p s b 处理段设置回流培养槽和种子培养槽。即将p s b 段增殖的p s b 一部分回流至培养槽，并适当补充种子培养槽中旺盛的新鲜菌种， 控制适当的光照和d o ，进行活化培养并抑制处理过程中生长的杂菌后，再定期送 入p s b 处理系统。这样能增大菌体浓度，使处理槽内的p s b 处于优势菌群状态p j 。 p s b 法处理高浓度有机废水的一般工艺流程见图1 2 。 菌体利用 或处置 排放或 不再用 图i 2 光合细菌法处理废水的基本工工艺 对于有多股不同浓度废水的工厂，一般应先将高浓度废水单独收集进行p s b 处理。浓废水先经可溶化处理，可溶化处理后的出水经调整p h 或营养盐后进入 p s b 段处理，p s b 段出水经菌体分离后与厂内的其他稀废水混合后进入后续处理 【5 l 】 o 1 3 1 可溶化段微生物代谢 可溶化段( s o l u b i l i z e dp h a s e ) ”是指将不溶或难溶性的高分子有机物分解为水 溶性的小分子有机物的过程。由于在一些废水中往往含有不溶解性的高分子有机 物，如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等，这些物质难以被p s b 直接利用，只有经 可溶化段处理形成低分子有机物后，才能被p s b 快速利用。可见，可溶化段效果 的优劣将直接影响p s b 的处理效果。一些研究者采取的不经可溶化【1 7 棚1 而由p s b 硕士学位论文 直接处理废水是不够妥当的。因为废水中的污染物质是多种多样的，p s b 对一些 大分子有机物可能具有利用性，但其速度也是十分缓慢。有研究利用p s b 直接处 理废水取得了一定的降解效果，究其原因可能是由于进水中带有一定量的小分子 有机物，或进水中带入的其它异养细菌也发挥了作用，微生物膜法可溶化段微生 物代谢模型如图1 3 。 生物膜附着謇层 流动水 f j 内层 衣坛 图1 3 微生物膜法可溶化段微生物代谢模型 厌氧酸化一两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 可溶化处理可分为好氧可溶化处理和厌氧可溶化处理。好氧可溶化处理是在 废水中接种好氧、兼性异养菌或利用废水中带入的细菌，并给予一定量的曝气； 厌氧可溶化处理是在废水中接种异养菌，不曝气。在p s b 法的可溶化段中，其水 解酸化与厌氧生物处理三阶段理论中的第一阶段一水解酸化阶段在条件控制上存 在较大的区别【2 】：( 1 ) 在混合厌氧消化系统( 一相法) 中，整个反应器的氧化还原电位 必须满足甲烷菌的要求，一般为不大于3 0 0 m v ，即对氧的控制要求十分严格；两 相法厌氧消化系统中产酸相的氧化还原电位一般控制在一3 0 0 m v 一l o o m v 之间。 而可溶化段只要控制在+ 5 0 m v 左右或更高即可；( 2 ) 混合厌氧消化系统( 一相法) 是严格的专性厌氧过程，起主要作用的是厌氧菌，而可溶化段为一个典型的兼性 过程，起主要作用的是兼性菌；( 3 ) 对于少量曝气的可溶化段，其中的微生物有好 氧菌和兼性菌，在将大分子有机物小分子化的同时也可以利用氧将有机物氧化， 因此好氧可溶化处理除了可使大分子有机物分解为低分子有机物外，还可降解部 分有机物。 由于p s b 对于氧的要求不象厌氧法那么苛刻，因此可溶化处理也就更加灵活。 早期研究提出：p s b 处理工艺中，在可溶化段均对废水曝气2 0 2 4 h ，并认为经 2 0 2 4 h 曝气可以有效地分解蛋白质等物质【2 0 】；合适的可溶化条件与废水的性质密 切相关。例如，对于含高浓度s 0 4 2 。的有机废水，采用厌氧可溶化法比较不利，因 为厌氧处理过程中s r b 的作用将s 0 4 2 。转化为硫化物，硫化物会对后续的p s b 可 能产生毒害作用，而采用微曝气的可溶化处理至少在以下几点是有利的：( 1 ) 可以 通过曝气增加对反应器内混合液的搅动，增加传质效果；( 2 ) 可以抑制废水中s 0 4 扣 的还原反应，减轻h 2 s 对p s b 的毒害作用；( 3 ) 可以通过好氧呼吸作用增强异养细 菌对有机物的去除，减轻p s b 处理段的负荷【z 】。 在可溶化处理采用的反应器型式方面，早期的研究中均采用悬浮法。随着生 物膜法工艺的发展，设置填料的可溶化处理工艺也开始得到应用【2 。目前，水力 停留时间仍是可溶化段的主要设计参数，对可溶化段反应器的研究还很不深入。 因此，有必要对可溶化段的反应器类型、工艺参数等进行深入研究，为建立高效 的可溶化段反应器提供依据。 1 3 2 光合细菌段微生物代谢 1 3 2 1 光合细菌段的光照和供氧条件的选择 光照和供氧是影响p s b 法对高浓度有机废水处理效果的重要因素。根据供氧 和光照条件的不同，可将p s b 法的工艺分为厌氧光照、微好氧( 指环境中d o 的浓 度不大于1 o m l ) 光照、微好氧半光照( 白天自然光照，晚上黑暗) 、微好氧黑暗、 厌氧黑暗等。 填 料 硕七学位论文 从理论上讲，提供光照有利于保持p s b 的优势，但一方面，对系统采用光照， 会增加设备投资和能耗，虽然可采用自然光照的方法而节省能源，但也会受到当 地日照条件的限制；另一方面，在实际废水处理工程中，p s b 处理槽的深度一般 达4 m 以上，要保证处理槽中的p s b 得到光照是相当困难的；再加上p s b 的趋光 性及菌体本身颜色具有的遮光效应，使处理内部的菌体无法得到充足的光照【3 1 。 图1 4 生物膜法光合细菌反应器微生物代谢模型 尽管p s b 对氧的要求不很严格，能在厌氧光照条件下、好氧黑暗条件下灵活 地必变代谢的类型，但实验证明，p s b 在好氧黑暗条件下要比在厌氧光照条件下 对有机酸具有更高的去除率和菌体回收率，且生长繁殖过程中p s b 的生长停滞期 厌氧酸化两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 较短，能较快地进入对数生长期，具有更高的菌体生长速度【3 】。目前采取微好氧黑 暗或半光照的p s b 法处理废水的研究引起了较大的关注。其中生物膜法光合细菌 段微生物代谢模型如图1 4 。 1 3 2 2 光合细菌优势菌种的保持 目前，大多数p s b 法p s b 段内的微生物是由p s b 混合菌株和一些其它异养细 菌组成的，这就要求一方面要充分发挥p s b 与其它异养细菌的互生作用，以提高 处理效率；另一方面必须保证p s b 的相对优势，以充分发挥p s b 快速高效利用低 分于有机物的特性。 早期的研究中，m k d b a y a s h j ( 1 9 7 2 ) 提出在废水进行可溶化处理后p s b 处理前 采用紫外线、电磁波、超声波或投加次氯酸钠等灭菌方法来抑制其它异养细菌进 入p s b 系统【2 0 1 。这样虽然能有效地抑制杂菌，但同时也将增加废水处理费用，还 使系统运行过程变得复杂。 在实际工程中，可以通过控制适宜的p s b 生长条件、定期补充新鲜高浓度p s b 菌种，将p s b 段出水回流培养等方法来保证p s b 的优势。控制适宜于p s b 生长条 件的措施包括： ( 1 ) 保证p s b 段内进水中有较高的有机酸浓度。较高浓度的有机酸对一般异养 细菌会产生抑制作用，但却是p s b 快速生长的必要条件。因此，保证可溶化段的 酸化效果，使其出水含有较高浓度的有机酸有利于保持p s b 优势。 ( 2 ) 保持p s b 段微好氧条件。过高的d o 浓度可能使其它好氧异养细菌增殖过 快，这将导致p s b 的活性和优势度降低【2 2 2 3 1 。例s a w a d “1 9 7 7 ) 对紫色非硫细菌 r c a p s u l a t a 与k l e b s i e l l as p ( 兼性异养菌) 混合培养中，在微氧环境下( 氧分压o 5 1 ) ，p s b 占据主导地位，利用兼性异养菌发酵葡萄糖生成的低分子有机物大量增 殖，随着氧分压的提高( 氧分压1 5 ) ，兼性异氧菌进行有氧呼吸代谢并开始占据优 势【2 4 1 。 ( 3 ) 提供适宜的光照。在光照条件下，p s b 的活性随着光照强度的增加而增加， 处理效果也随之提高，光照有利于保持p s b 的优势i z 引。 大量研究表明，即使在开放系系中，只要培养液的有机物浓度、d 0 、光照强 度合适，p s b 就能保持优势生长【2 3 1 。 1 3 2 3 光合细菌段反应器类型 早期应用p s b 处理有机废水主要采用的是悬浮生长工艺，随着微生物固定化 技术的发展，许多研究者开始采用p s b 固定化技术研究，以防止p s b 随出水流失， 保持反应器内较高的p s b 浓度和优势生长，并可以省去悬浮法流程中的回流培养， 只需要定期地向反应系统中投加优势菌种【2 l 】。已报道的p s b 固定化技术有三种： 硕十学位论文 吸附固定，使用的固定化材料有软性纤维填料、弹性立体填料、纤维球、沸石、 活性炭、炭渣等。实践证明吸附固定可以有效地提高反应器内p s b 的浓度，使p s b 的优势地位和处理效果得到保证，还可在反应器的不同部位形成与高浓度有机废 水降解过程相应的生物相谱而达到脱氮除磷的效果【2 略。7 】；包埋固定，使用的包 埋材料有琼脂、海藻酸盐、聚乙烯醇及其混合材料。包埋固定可提高处理效果并 使p s b 不易沉降问题得到解决，交联固定，使用的固定化材料为戊二醛。目前， 包埋固定和交联固定存在固定化后会影响p s b 的活性、增大了传质阻力且存在颗 粒强度较差、包埋材料昂贵等缺点【2 8 1 ，仍处于试验阶段，尚未在实际生产中大量 应用。 1 3 3 后续处理工艺 虽然p s b 法处理高浓度有机废水时对有机物的降解效率很高，但其出水b o d 可能还有几百至上千m l ，不能达到直接排放的标准。因此，经p s b 法处理后废 水还需进一步的后续处理。后续处理的方法包括：生物法( 小球藻或绿藻处理【1 9 挪】、 活性污泥法、好氧生物膜法【2 7 2 8 2 9 1 ) 和化学混凝法【3 1 3 2 1 。在p s b 法处理过程中，易 生物降解的有机物被p s b 快速降解，出水的可生化性较原水相比大大下降。因此 将p s b 出水与其它浓度较低、可生化性较好的有机废水( 如生活污水) 混合后再进 行生物氧化处理是较为合理的【2 1 】。 经p s b 处理后的废水中常带有菌体和其它些有机物质，呈悬浮或胶体状态， 自然沉淀难以去除，通过投加混凝剂可以破坏胶体的稳定性从而取得较好的分离 效果。 1 4 光合细菌法处理高浓度有机废水研究进展 1 4 1 光合细菌法处理高浓度有机废水的研究内容 随着人们对p s b 形态分类和生理生态特性研究与认识的不断深入，p s b 在废 水处理和水体净化方面的应用研究逐渐引起人们重视，国内外先后报道了p s b 法 处理包括万寿菊发酵废水在内的高浓度有机废水的应用研究，取得了可喜的进展， 展示出广阔的开发应用前景。归纳起来，利用p s b 处理高浓度有机废水的研究内 容大致包括以下几个方面【2 】：见表1 2 。 厌氧酸化两级p s b 流化床处理高浓度有机废水 表1 2 光合细菌对废水处理的效果 有机物降解情况 条件废水种类原村出埘期翱备注 指标 吼) 缅一l ) 光照厌氧粪便废水 b o d 5 8 0 2 03 2 09 6 微氧可溶化 光照好氧 麦秸造纸黑液b o d 5 4 0 5 03 9 79 0 厌氧酸化预处理 光照微好氧制革废水 c o d8 0 2 07 0 8 9 l软性填料，间歇曝气可溶化 光照微好氧淀粉废水c o d1 6 7 9 4 ”1 0 5 89 4化学混凝预处理，中试 光照微好氧 丙酮一丁醇发酵废水 c o d5 6 0 0 “ 8 4 08 5化学混凝预处理 光照微好氧糖蜜酒精发酵废水 b o d 5 6 2 8 1 22 4 3 99