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h a b r 启动性能及其处理栲胶废水的研究 摘要 随着我国植物提取物产业的快速发展，其内容已不只限于中药材行业， 它包容了越来越广的与植物提取相关的产业，因此植化废水的污染与治理也 引起了人们的高度重视。以栲胶废水为例，它的特点是含有大量难降解的天 然有机成分，以单宁为主，其它还有糖、非单宁酚类、有机酸、色素及木素 衍生物等有机成分。而且具有较强的生物毒性，是一类很难降解的有机废水。 传统的厌氧反应器属于单相厌氧反应器，有毒物质会对微生物产生毒害 作用而使处理性能降低，而厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a m e dr e a c t o r , a b r ) 是有较多隔室的反应器，对毒物具有缓冲作用因而消除或减少了对微 生物毒害，处理效率高。在a b r 的上部悬挂弹性立体填料构成复合式厌氧 折流板反应器( h y b r i da n a e r o b i cb a 用e dr e a c t o r , h a b r ) ，它具有更加优于 a b r 的性能。本论文研究了h a b r 的启动性能及其预处理栲胶废水的效果。 本文在自行设计的h a b r 中进行了反应器启动、单宁驯化、预处理栲 胶废水等试验研究，试验结果表明： ( 1 ) 在h a b r 中接种厌氧污泥，以人工配制的葡萄糖废水为进水，并 加碳酸氢钠调节进水碱度，使之保持在9 0 0m g l ( c a c 0 3 ) 以上，在中温( 3 4 1 ) 的条件下，低负荷启动：先固定进水浓度逐渐缩短h r t ，得到此时 该反应器较合适的h r t 为1 8 h ；后固定h r t 为1 8 h ，逐渐增大进水浓度至 2 5 0 0 m g l ，历时3 8 天，最终的容积负荷为3 3 k g c o d ( m 3 d ) ，反应器的c o d 去除率可稳定在9 5 以上。在整个启动过程中，p h 、v f a 、碱度都表现出 一定的规律性和稳定性，从辅酶f 4 2 0 的监测结果可知污泥的产甲烷活性逐渐 得到了恢复。 ( 2 ) 在h a b r 的快速启动过程中，填料这一生物载体起到了关键的作 用。在较高负荷下，填料的物理截留作用，不仅避免了污泥的流失，而且增 大了反应器中微生物的有效占有空间。 ( 3 ) 反应器启动成功后，保持进水c o d 浓度为2 7 0 0 m g l ，h r t 为1 8 h ， 有机负荷为3 6 k g c o d ( m 3 d ) ，通过不断增加单宁浓度驯化h a b r 中微生物， 使单宁质量浓度为分别为0 0 8 ，o 1 6 ，o 2 4 ，o 2 8 ，0 3 2 ，o 4 ，0 8 ，1 2 9 l ， 相应逐渐减少葡萄糖成份，来研究h a b r 对单宁的去除效果及其反应器中 微生物的相变化，驯化历经3 6 d 。在整个驯化过程中，v f a ( 6 m m o l l 以下) 、 p h ( 6 6 7 5 ) 以及碱度( 5 0 0 - 1 2 0 0 r a g l ) 都在一个比较合理的范围内波动。驯化 结束后，辅酶f 4 2 0 的变化表明污泥有了更高的产甲烷活性。 ( 4 ) 经单宁驯化后的h a b r 中的微生物对栲胶废水c o d 有很好的去 除效果。对c o d 浓度为2 0 0 0 m g l ，质量浓度为1 s g l 的b a 浅色栲胶废水， 去除率能达到8 0 以上，对相同浓度的荆树皮栲胶废水，去除率在7 0 以 上。而且h a b r 处理b a 浅色栲胶废水后，可以在短时间内重新启动，污 泥活性能够很快恢复。 关键词：复合式厌氧折流板反应器( h a b r ) ，植物化工，栲胶废水，单宁， 颗粒污泥 r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e i u s t i c so f t h es t a l u 卜u pa n dt h et r e a m e n to f v e g e t a b l ew a s t e j ：a t e ro fh a b r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep l a n te x t r a c t si n d u s t r yi no u rc o u n t r y ， t h ec o n t e n to ft h ep l a n te x t r a c t sh a si n c l u d e dn o to n l yc h i n e s eh e r b a lm e d i c i n e i n d u s t r y ，b u ta l s om o r ea n dm o r ee x t e n s i v er e l e v a n ti n d u s t r y ，t h e r e f o r em u c h a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ep o l l u t i o no ft h ep l a n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dt h e r e l e v a n ts o l u t i o n s t a k i n gv e g e t a b l ew a s t e w a t e ra sa ne x a m p l e ，i t sm a i nf e a t u r e s a r ea sf o l l o w s ，c o n t a i n i n gal o to fn a t u r a lo r g a n i cc o m p o s i t i o n s ，m o s to fw h i c h a r et a n n i n s ，a l s oi n c l u d es o m es u g a r , t h ep h e n o l sb u tn o tt a n n i n s ，o r g a n i ca c i d s ， p i g m e n t s ，l i g n i nd e r i v a t i v e sa n ds oo n a l lo ft h e s eo r g a n i cc o m p o s i t i o n sa r e h a r d l yd e g r a d e d a n dh a v ec e r t a i n b i o l o g i c a lt o x i c i t y s o t h e v e g e t a b l e w a s t e w a t e ri sak i n do fo r g a n i ci n d u s t r yw a s t e w a t e rw h i c hi sd i f f i c u l tt ot r e a t t h et r a d i t i o n a la n a e r o b i cr e a c t o r sb e l o n gt os i n g l e - p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r s i nw h i c ht h et o x i cs u b s t a n c e sw i l lp r o d u c eh a r mo nt h em i c r o o r g a n i s ma n dm a k e t h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c er e d u c ew h i l et h ea n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) b e l o n g st ot w o p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r sw h i c hc a nm a k eh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o n a n dm e t h a n o g e n e s i sr e a c t i o ni nd i f f e r e n tc o m p a r t m e n t s ，w h i c hh a ss m a l la d v e r s e e f f e c t so nm i c r o o r g a n i s ma n dm a k et h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eh i g h t h eh y b r i d a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( h a b r ) w h i c hi sf i x e dt h r e e d i m e n s i o n a lp a c k i n g si n t h eu p p e rp a r to ft h ea b r p e r f o r m a n c e sb e t t e rt h a na b r t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h es t a r t u po fh a b ra n di t st r e a t m e n to f v e g e t a b l ew a s t e w a t e ra sap r e t r e a t m e n t w e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，an e wh a b rw a sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h ea b r , t h e n s o m er e l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v e b e e nd o n ew i t ht h er e a c t o r ，a tf i r s ti tw a s s t a r t e du pb yg l u c o s ew a s t e w a t e r , t h e nt h em i c r o o r g a n i s ma r et a m e db yt a n n i n ， f o rp r o c e s s i n gv e g e t a b l ew a s t e w a t e ra tl a s t , t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t a r t - u p o fh a b rw i t h g l u c o s e w a s t e w a t e ri n o c u l a t e dw i t h a n a e r o b i cs l u d g eu n d e rt h et e m p e r a t u r eo f ( 3 4 _ 1 ) a n dk e e pt h ea l k a l i n i t yo f i n f l u e n ta b o v e9 0 0 m g l ( c a c 0 3 ) w a sl i k et h i s ，a tf i r s t ，t h ef e e dw a t e r 1 1 1 c o n c e n t r a t i o nw a sf i x e dw h e nt h eh r tw a sg r a d u a l l ys h o r t e n e d , a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t sw eg o tt h a tt h em o r ea p p r o p r i a t e 肿f 0 rt h i sr e a c t o ri s18 h ；t h e nt h e h r tw a sf i x e da t18 h ，t h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o nw a si n c r e a s e df r o m10 0 0t o 2 5 0 0m g lg r a d u a l l y n l es t a r t - u pw a sc o m p l e t e d 谢也3 8d a y s ，i n i t i a l l y , t h e v o l u m eo r g a n i cl o a d i n gr a t ew a s3 3k g c o d ( m 3 d ) a n d 也ec o dr e m o v a lr a t e w a ss t e a d va t9 5 o rm o r e i nt h ew h o l ep r o c e s so ft h es t a r t - u p ，t h ep h ，认 a n da l k a l i n i t yo ft h ee f f l u e n ts h o w e dac e r t a i nr e g u l a r i t ya n ds t a b i l i t y w ek n o w t h a tm e t h a n e - p r o d u c i n ga c t i v i t yo ft h es l u d g ew a sg r a d u a l l yr e c o v e r e df r o mt h e c o e n z y m ef 4 2 0o fw em o n i t o r e d ( 2 ) t h ep a c k i n ga sab i o l o g i c a lc a r r i e ri nt h er e a c t o rh a sp l a y e dak e yr o l ei n t h ef a s ts t a r t - u po ft h eh a b r t h em a i nf u n c t i o no ft h ep a c k i n gw a sp h y s i c a l i n t e r c e p t i n gi nh i g hl o a d i tc o u l dn o to n l ya v o i dt h el o s so f t h es l u d g e ，b u ta l s o i n c r e a s et h ee f f e c t i v es p a c eo ft h em i c r o b e si nt h er e a c t o r ( 3 ) i nt h ep r o c e s so ft h el a m ew i t ht a n n i n ，t h ei n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o n w a sk e p ta t2 7 0 0m g l ，t h eh r tw a s18h ，a n dn o wt h eo r g a n i cl o a dw f l s3 6 k g c o d ( m 3 - d ) t h ep r o p o r t i o n o ft a n n i nw a si n c r e a s e dg r a d u a l l y , i t sm a s s c o n c e n t r a t i o n sw e r e0 0 8 ，0 16 ，o 2 4 ，0 2 8 ，0 3 2 ，0 4 ，0 8a n d1 2 e 扎s e p a r a t e l y 1 1 1 eg l u c o s ep a r tw a sg r a d u a l l yr e d u c e da tt h es a m et i m e n ep r o c e s sh a v et o o k 3 6 d i nt h ew h o l ep r o c e s so fd o m e s t i c a t i o n ，v f a ( b e l o w6 m m o l l ) ，p h ( 6 6 7 5 ) a n da l k a l i n i t y ( 5 0 0 - 12 0 0 m g l ) a r ek e p ta tas t a b l el e v e l a f t e rt h ed o m e s t i c a t i o n , s l u d g eh a dh i g h e rm e t h a n e - p r o d u c i n ga c t i v i t ys h o w e db yc o e n z y m ef 4 2 0 ( 4 ) t h eh a b ru s e dt ot r e a tt h ev e g e t a b l ew a s t e w a t e rh a dg o o de f f e c t sa l t e r t 1 1 et a m eo ft a n n i n f o rb al i g h tc o l o rv e g e t a b l ew a s t e w a t e r , w h e nt h ei n f l u e n t c o n c e n t r a t i o no fc o dw a s2 0 0 0m g l ，t h em a s sc o n c e n t r a t i o nw a s1 8 9 l ，t h e r e m o v a lr a t ec o u l da c h i e v e8 0 a b o v e ，a n df o rt h et h o r n sb a r kt a n n i ne x t r a c t s w a s t e w a t e ra ts a l l l ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，t h er e m o v a lr a t ew a s7 0 o rm o r e a n dt h eh a b rc o u l dr e s t a r ti nas h o r tt i m ew h e ni tt r e a t e db al i g h tc o l o r v e g e t a b l ew a s t e w a t e r , a n dt h ea c t i v e t yo ft h es l u d g ec o u l db er e c o v e r e ds o o n k e yw o r d s ：h y b r i da n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( h a b r ) ，p l a n ti n d u s t r y , v e g e t a b l ew a s t e w a t e r , t a n n i n ，g r a n u l a rs l u d g e h a b r 启动性能及其处理栲胶废水的研究 l 绪论 1 1 废水的厌氧生物处理概述 1 1 1 厌氧生物处理的基本原理 废水的厌氧生物处理工艺是指利用厌氧微生物的新陈代谢作用，在没有氧的条件下， 将有机物分解成c h 4 和c 0 2 的过程，国际上称之为厌氧消化。1 9 3 0 年b m w e l l 和n e a v e 肯定了前人的看法，主要根据所得产物的不同种类，把有机物的厌氧消化过程分为了酸 性发酵和甲烷发酵两个阶段q 这就是厌氧发酵最初的两阶段理论。具体如下：第一阶 段，大部分的多糖、长链脂质和高分子蛋白质等复杂的有机物，在产酸菌的作用下基本 上被分解成了小分子的中间产物，主要是一些挥发性有机酸，如乙酸、丙酸等，还有甲 醇、乙醇等醇类，同时伴有h 2 、c 0 2 、州、h 2 s 等的产生。此阶段也称为产酸阶段。 第二阶段，产甲烷菌将上一阶段的产物继续分解或转化生成c h 4 和c 0 2 等，此阶段也称 为产甲烷阶段。 随着人们对厌氧微生物及其代谢过程的不断研究，对厌氧消化反应的生物化学过程 认识的不断具体，取得了一系列的发现和成果，厌氧消化理论也得到了很大的完善，推 动着厌氧处理技术的发展。1 9 7 9 年，m e b d ，a n t 等提出三阶段理论将厌氧发酵分为产酸 发酵、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段【2 】。三阶段理论的创新点在于发现了产甲烷菌不能 直接利用大分子有机物，而只能利用乙酸、氢气、二氧化碳和甲醛等有机酸和简单醇类， 大分子的蛋白质、脂肪酸和醇类等首先要经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化 碳等后，才能被产甲烷菌利用。三阶段理论的主要内容如下： 第一阶段是水解发酵阶段。水解是复杂的有机物大分子在厌氧菌分泌出的胞外酶的 作用下被转化为简单的有机物的过程。高分子的有机物不能被细菌直接利用，因此它们 必须先转变为小分子物质，蛋白质被分解为较小分子的氨基酸，纤维素经纤维素酶的作 用转化为纤维二糖与葡萄糖，脂类被分解成甘油和脂肪酸等。接着这些比较简单的有机 物又在产酸菌的作用下，通过一系列厌氧发酵或氧化作用后转化成了乙酸等简单脂肪酸 以及醇类等。 第二阶段是产氢产乙酸阶段。发酵阶段的末端产物在这个阶段进一步被转化为乙酸、 氢气和碳酸，较高级的脂肪酸遵循氧化机理进行生物降解。在其降解过程中，水解酸化 的产物被产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 第三阶段是产甲烷阶段。此阶段在产甲烷菌的作用下，前两阶段产生的乙酸、氢气 和二氧化碳等物质就被最终转化成了甲烷。 在“三段理论 出现的同一时期，j g z c i k u s 又进一步提出了“四菌群学说 p 】， 它所阐述的四类菌群参与有机物厌氧降解的过程如图1 1 所示。由图1 1 可以看出，复 陕西科技大学硕士学位论文 杂有机物、碳水化合物、蛋白质、脂类在第1 类水解菌和发酵菌的作用下被转化为脂肪 酸、醇类、丙酸、丁酸、乳酸等。第1 i 类种群产氢产乙酸菌能把除乙酸以外的有机酸和 醇类转化成乙酸、h 2 和c 0 2 等。第1 类同型产乙酸菌将h 2 和c 0 2 合成为乙酸，这一类 反应的作用目前仍在研究中。第类种群产甲烷菌主要通过两者方式，分别是利用乙酸 和利用h 2 、c 0 2 来转化为c h 4 和c 0 2 ，前者约占甲烷产量的7 0 ，甲烷还可以通过甲酸、 甲醇等裂解产生。 图卜1 四种群说有机物厌氧降解示意图 f i g i ls c h e m a t i cd i a g r a mo f f o u rp o p u l a t i o nt h e o r yo f a n e r o b i cd e g r a d a t i o n “三阶段理论 和“四菌群说 实质上都是在两阶段理论的基础上取得的进步，是 对前面理论的不断补充和完善的过程。它们较好地揭示了厌氧降解过程中，不同微生物 种群的代谢过程之间相互制约、相互影响的关系，从而形成了复杂的生态系统。更确切 地阐明了复杂有机物厌氧降解的典型微生物过程。从两阶段理论发展到“三阶段理论 和“四菌群学说 的经历，是人们对有机物厌氧消化反应的不断研究、不断提高认识的 过程，这也从另一个方面表现出，有机物的厌氧降解过程是一个非常复杂的生物化学过 程，由多种不同微生物菌群相互合作、共同完成的，它涉及厌氧微生物、厌氧生物化学 和能量代谢等多方面的问题。 1 1 2 厌氧微生物 在厌氧消化系统中，数量最多作用最大的微生物是细菌，真菌虽也能存活但数量较 少，作用还不十分清楚，藻类和原生动物也偶有发现。参与有机物逐级厌氧降解过程的 细菌主要有四大类，依次为水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型产乙酸细菌群和 产甲烷细菌群。它们以厌氧菌和兼性厌氧菌为主【4 】。 ( 1 ) 水解酸化菌群 2 h a b r 启动性能及其处理栲胶废水的研究 在厌氧消化过程中，水解和发酵分别是由可以产生胞外酶的水解微生物和发酵细菌 来完成的。首先污水中的大分子不溶性有机物在水解细菌所分泌的胞外酶的作用下被水 解成了小分子的水溶性有机物，然后这些水解产物被发酵细菌摄入细胞内，再经细胞内 一系列复杂的酶系统的催化转化，生成了挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、 氨、硫化氢等物质，然后排出细胞外。这就为下一阶段生化反应的细菌群提供了可利用 的基质。 水解酸化菌主要是专性厌氧菌，也包括兼性厌氧菌，它们是异养菌，其优势种属随 环境条件和发酵基质的不同而不同。它们的世代周期都特别短，通常几分钟或十几分钟 就可繁殖一代。水解酸化菌对环境条件的变化有较强的适应性，发酵细菌中的梭状芽孢 杆菌属能在恶劣的环境条件下存活。在中温条件下，水解酸化菌群主要属于专性厌氧菌， 但是在高温下则有梭菌属和无芽孢的革兰氏阴性菌出现，少量的兼性厌氧菌的存在可以 保护像产甲烷菌这样严格的厌氧菌免受氧的损害和抑制【s , 6 1 。 水解酸化是高分子有机物厌氧降解的限速步骤，反应主要受三方面因素的制约：首 先是废水中各物质的组成成份及浓度；其次是代谢反应的类型，不同类型的反应的产物 不同；最后是后面利用水解酸化产物的生化反应的进行情况产酸发酵的类型主要包括 以下三种，即乙醇型发酵、丙酸型发酵和丁酸型发酵，发酵过程末端产物即由发酵类型 所决定，它的组成取决于厌氧降解的外界环境条件、底物组成种类以及参与发酵的微生 物种群。在不同产物中，乙醇转化为乙酸的速率最快，然后是丁酸较快，而且丙酸的后 续反应只有在氢气分压较低的情况下才能够进行，同时它的转化速率也是很慢的，所以 需要通过控制环境条件如p h 、氧化还原电位以及进水c o d 浓度等外部条件来控制发酵 类型，使发酵产物主要为能够尽量快速且容易转化为乙酸的甲醇、乙醇、丁酸等和乙酸， 尽量减少丙酸和乳酸的产量，这样可以为后续生化反应的顺利进行提供保障。另外，氢 气的有效去除能加快发酵细菌所进行的反应。因此保证产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌对 氢气的快速利用也是很重要的1 7 - 11 】。氢气也可以被能利用氢的硫酸盐还原菌或脱氮菌所 利用。 ( 2 ) 产氢产乙酸菌群 在酸化阶段的代谢产物中，只有氢气、二氧化碳和有机物中的甲酸、甲醇、甲基胺 类、乙酸，可以被产甲烷细菌吸收、利用和转化。据实际测定和理论分析，那些不能被 产甲烷菌直接利用的有机物至少占发酵基质的5 0 以上，它们最终转化为氢气、二氧化 碳和乙酸，就是依靠产氢产乙酸菌的作用。 近几年人们发现的产氢产乙酸菌有互营杆菌属、梭菌属、互营单胞菌属、暗杆菌属 等种类。它们把各种挥发性脂肪酸、醇类、乳酸等降解为乙酸和氢气。在反应的整个体 系中氢分压的高低情况对代谢反应的进行有着重要的影响，或加速反应或减慢反应或终 陕两科技大学硕士学位论文 止反应。氢分压的降低必须依靠氢营养菌来完成，只有通过产甲烷细菌利用分子态氢， 从而降低系统中氢气分压，对产氢产乙酸细菌的生化反应起着十分重要的作用【1 2 1 3 】。由 此可见，产氢产乙酸菌和产甲烷菌在各自反应进行的本质上是具有严格的互利共生、相 辅相成的关系的，虽然在厌氧消化过程的划分上，它们分别属于两个阶段，但在实际过 程中二者是不可能被分离的，它们是相互制约、相互影响的。 ( 3 ) n 型产乙酸菌群 在有机物的厌氧降解反应中，有两类能产生乙酸的细菌：一类是产氢产乙酸细菌， 它们能利用环境中的有机物生成乙酸；另一类就是同型产乙酸细菌，它们是混合营养型 厌氧菌，既能利用环境中的有机基质产生乙酸，同时也能利用分子氢和二氧化碳来合成 乙酸，该过程的反应方程式为：4 h 2 + 2 c 0 2 专c h 3 c o o h + 2 h 2 0 。同型产乙酸茵能利用 分子态氢生成乙酸，从而降低了体系中的氢分压，对产氢的发酵细菌有利。同时对产甲 烷细菌的生化反应过程的进行也起着非常好的作用，它们为产甲烷菌增添了反应物的来 源。据测定，这类细菌在下水污泥中的数量为1 0 5 1 0 6 个m l 。 ( 4 ) 产甲烷菌群 产甲烷茵是参与有机物厌氧降解反应的最后一类菌群，同时也是最重要的一类菌群， 属于绝对厌氧菌，产甲烷细菌的细胞结构和一般细菌细胞的结构有显著差异，它的细胞 壁上没有或有很少的肽聚糖。从生物学发展谱系考察，它属于原始细菌。目前，人们已 经分离得到了4 0 余种产甲烷菌，分属3 个目、6 个科和1 3 个属，常见的有甲烷球菌、 甲烷螺旋菌、甲烷杆菌以及甲烷八叠球菌等。 另外，根据所利用的碳源物质又可以把产甲烷菌分为：营无机物型、营有机物型和 混合营养型三类。产甲烷菌对温度的适应范围有三段：2 0 - - - 2 5 、3 0 - - 4 5 1 2 、4 5 7 5 ， 据此，还可将产甲烷菌划分为：低温茵、中温菌和高温菌三类，而且据资料研究鉴定中 温菌的数量是最多的。 产甲烷菌对环境比较敏感，p h 对产甲烷菌的生长有着重要的影响，大多数产甲烷菌 的最适宜p h 范围在6 8 7 2 之间，即只允许在中性附近波动。但是其它产甲烷菌的最适 p h 也是不尽相同的，从6 0 8 5 的整个范围内都有。 上述四大类细菌在厌氧多层次的混合发酵的过程中形成了一个复杂的生态系统，它 们在大分子有机物降解为能源物质甲烷的过程中分工不同但协同作用、相互依存和制约， 因为除产甲烷菌以外的剩余三大类细菌都能产生有机酸，故又将它们统称为产酸菌，虽 不十分精确，但是在宏观上便于把握生态系统的两个主要方面。产酸菌和产甲烷菌之间 的关系概括地讲主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 产酸菌通过水解和多种类多步骤的发酵，最终将各类有机物转化成了产甲烷菌可 以利用的唯一物质来源，产酸菌是产甲烷菌赖以生存的前提条件，为产甲烷细菌提供营 4 h a b r 启动性能及其处理栲胶废水的研究 养物质。 ( 2 ) 一般而言，代谢产物在环境中的积累会对相应的反应起到反馈抑制作用，因此产 甲烷茵对产酸菌的反应产物进行吸收、利用和转化，为产酸菌的持续反应奠定了动力学 和热力学基础i i 引。 1 1 3 厌氧反应器 从1 9 世纪中叶以后开始，人们就有目的地将厌氧消化技术作为环境保护方面的一种 有力手段，用以处理有机废水和有机污泥，至今已有1 5 0 年的历史。近4 0 年来，随着生 物科学技术的发展和人们对厌氧技术原理认识的深入，厌氧生物反应器在技术已成为水 污染控制工程中的一项重要治理技术，为各类高浓度工业有机废水和生活污水的处理提 供了合理有力的方法。概括的来讲，厌氧反应器的发展到现在经历了以下三个主要阶段： ( 1 ) 初期发展阶段 1 9 世纪后期，厌氧消化工艺经历了它的第一个发展阶段即第一代厌氧反应器，简单 的沉淀与厌氧发酵合池并行。1 8 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，以简易的沉淀池为基础，适当扩大了污泥贮存容积作为挥发性悬浮固体液化的场所。 2 0 世纪上叶，高效的、可加温和搅拌的消化池得到了发展，奠定了现代高速消化池的基 本条件。在这种完全混合的厌氧反应器中，由于里面所有的物质包括厌氧污泥与待处理 的废水，它们是全部混合在一起的，这必然使污泥停留时n ( s a t ) 与废水水力停留时间 ( h a t ) 是基本一致的。导致废水在反应器里的停留时间一般都很长，在中温系统下，停 留时间为2 0 - 3 0 天，导致反应器的体积很大，需要很大的占地面积，同时反应器的污泥 浓度低，所以处理效果也很差，此时处于刚起步的厌氧消化技术还不能有效地用于处理 工业废水。直到19 5 5 年，s c h r o e p h e r 、c o u l t e r 等人首次提出了厌氧接触工艺( a n a e r o b i c c o n t a c tp r o e e s s ，简称a c p ) ，该工艺与好氧活性污泥法相似，由厌氧消化池、沉淀池及 污泥回流系统组成，缩短了h r t ，增大了s r t ，能连续进水，并且保持池内负荷的均匀 和高的污泥浓度。这是厌氧处理技术的一个重要突破，从此打开了现代废水厌氧处理技 术前进的道路。 ( 2 ) 第二代厌氧反应器 2 0 世纪7 0 年代起，基于固定化酶化原理和固定化微生物处理技术的第二代厌氧反 应器得到了发展。这一时期的厌氧反应器以厌氧生物滤池( a n a e m b i cf i l t e r ，简称a f ) 和 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 l a n k e t ，简称u a s b ) y 口代表。a f 首 次在反应器内填充了各种类型的固体填料，使厌氧微生物部分生长在填料上，形成厌氧 生物膜，这样增大了污泥的泥龄和生物固体的浓度，提高了反应器耐冲击负荷和处理效 率，开创了现代厌氧生物处理技术发展的一个新的里程碑，扩大了在常温下对中等浓度 有机废水的厌氧生物处理的应用范围，它的缺点是填料如果使用不当容易使反应器发生 陕两科技大学硕士学位论文 短路或堵塞。在u a s b 中，生物固体的颗粒化能保持高生物量，大大提高了厌氧生物反 应器的有机负荷，为处理高浓度的有机废水奠定了良好的基础，从而极大的推动了厌氧 生物处理技术在处理高效高浓度工业废水上的应用。u a s b 和a f 反应器都能够保持大 量的厌氧活性污泥并且可以将h r t 和s r t 彻底分离，使二者没有绝对的联系，通过控 制条件可以使s r t 延长至几十天乃至上百天或者更长，同时可以使h r t 从过去的几十 天或几天缩短至几天甚至几小时。 ( 3 ) 第三代厌氧反应器 2 0 世纪9 0 年代初，国内外出现了新一代的厌氧生物处理工艺，包括升流式厌氧污 泥床过滤器( u b f ) 、厌氧折流板反应器( a b r ) 、厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e g s b ) 、厌 氧内循环反应8 ( i c ) 等。这些反应器的共同特点是微生物以颗粒污泥固定化的方式存在 于反应器中，保证了s r t 和h r t 的分离和反应器单位容积内的高生物量，同时使固液 两相充分接触，能承受更高的水力负荷，并且具有高的有机物去除效能，以达到真正高 效的目的，另外第三代厌氧反应器具有较大的高径比，缩小了占地面积l l 引。 1 2 复合式厌氧折流板反应器r ( h a b r ) 概述 1 2 1h a b r 的工作原理 a b r 是美国s t a n f o r d 大学的b a c h m a n 和m c c a r t y 等人于1 9 8 2 年前后开发、研制 的一种高效厌氧反应器1 1 6 ，i 丌。a b r 内设置若干竖向上、下折流的挡板，从而在水流方向 上形成彼此串联的几个反应室，其中每个隔室都类似于一个独立的上流式污泥床反应器。 废水进入反应器后沿着折流板上下折流前进，在主反应室里，水是由下往上流的，这样 依次通过各个反应室底部的污泥床，底泥中的微生物种群在在沿反应器的不同隔室中顺 次实现多相分离。废水通过每个反应室在与其中不同的微生物全面接触时有机物得到逐 级去除【埔】。该反应器是一类源于分阶段多相厌氧反应器( s t a g e dm u l t i p h a s ea n a e r o b i c r e a c t o r , s m p a ) 理论1 1 9 1 的新型反应器。而且具有良好的复合流态，由于整体上的推流流 态，不同隔室中的微生物优势种发生了生态位的分离，但是隔室的局部还有完全混合流 态，这样使得在它的每个隔室中可以驯化培养出与流至该反应室中的污水水质和形成的 环境状况相适应的微生物群落1 2 0 1 ，还存在一定的生态位重叠。从而导致不同种群微生物 的沿程分布，确保产酸菌和产甲烷菌可以分别生长在最适宜的环境条件下，充分发挥各 自的活性，实现较高的有机物降解效能和保持运行的稳定性。 总的来说，a b r 具有工艺构造简单，微生物活性高，抗冲击负荷和有毒物质能力强， 易于操作，处理效果稳定，固液分离效果好，建设和运行费用低，可以产生能源物质等， 比其他厌氧工艺更为优越的显著特性1 2 。但是在运行过程中由于产气的搅动和夹带作 用，反应器的污泥床高度一般仅占水深的一半左右。污泥床上部用于泥水分离的沉淀空 间浪费了大量的可利用空间，限制了a b r 反应器性能的提高。于是，在a b r 的上部增设 6 h a b r 启动性能及其处理栲胶废水的研究 填料就解决了这一问题，构成了新型的复合式厌氧折流板反应器( h a b r ) 。 事实上，h a b r 已经成为目前高效厌氧反应器研究的一个方向。h a b r 的每个反应 隔室都可以看作是一个上流式厌氧污泥床( u a s b ) 和一个厌氧生物滤池( a f ) 的组合反应 器。从整体上看，h a b r 是多个u a b f 系统的串联。因此，h a b r 既具有a b r 的特征， 同时又具有a f 和u a s b 的特点。该反应器的主要特点是：下部为颗粒污泥床，有效生物 量大，成熟的颗粒污泥去除c o d 的效率高。上部架设了填料，一方面利用了原有的未 被利用的空余容积，增加了生物的存在空间，另一方面填料可以使得夹带产气的污泥在 上升过程中与填料发生碰撞或摩擦，从而使气泡从污泥中跑出，气体上升溢出，污泥则 回落至池底，防止出现跑泥。h a b r 的另外一个优点是不需回流，传统的a b r 为了增 大传质效率给颗粒污泥提供有利条件，一般需要满足一定的上升水力流速，如果不设置 回流很难满足这一流速网，但是h a b r 中设置了填料，给微生物提供了更大的存在场所 和存在状态，不至于使污泥堆积在底部形成短流或沟流而阻碍了泥水的充分混合，它解 决了污泥存在状态与上升水力条件之间的矛盾。 1 2 2h a b r 的发展及应用 1 9 8 8 年意大利的b o o p a t h y 与t i l c h e 等人首次用h a b r 来处理高浓度的糖蜜废水，结 果表明在有机负荷高达2 0 k g c o d ( m 3 - d 】的时侯，c o d 的去除效率依然可达7 7 1 2 3 j 。同 年b o o p a t h y 等人还研究了h a b r 处理酒精废水的情况并取得了成功，在进水c o d 浓度 为5 0 k g l 时，反应器容积负荷为2 2 k g c o d ( m 3 d ) 的情况下，酒精废水的c o d 去除率 可高达9 1 以上，同时，b a e h m a n n 还发现h a b r 反应器比a b r 反应器在c o d 去除率 和甲烷气体产量方面均有明显提高【2 4 】。这首次表明h a b r 在处理高浓度有机废水方面具 有良好的效果。此外，m i b a l o c h 等人1 2 5 】对厌氧折流板颗粒污泥床反应器进行了研究， 以葡萄糖配水进水，开始h r t 为1 2 0 h ，容积负荷为lk g c o d ( m 3 d ) ，然后逐渐降低h r t 至6 h ，来增大容积负荷至2 0k g c o d ( m 3 d ) ，启动结束，在所有的负荷条件下，达到稳 定状态时可溶性c o d 的去除率都在9 5 以上。国内外的学者在a b r 处理低浓度污水方 面的研究比较多，涉及反应器的性能、微生物分布、出水组成等【2 6 - 2 9 。另外，由于a b r 的这种分隔室特性，使其在处理难降解或有毒有害废水方面具有独特的能力。k u s e u 3 0 l 等人研究了用a b r 处理对硝基酚( p n p ) 废水，进水c o d 浓度控制在3 0 0 0 m g l ，当p n p 的负荷为3 3 9 9 ( m 3 d ) 时，p n p 去除率最高可达到9 9 ，此时c o d 的去除率为9 0 。 k u s c u 还认在p n p 的降解过程中，对氨基酸是一种主要的中间产物。印染废水中也含有 许多难降解物质，比如合成有机着色剂中的大部分物质，一些染料，如芳香胺还是致癌 物质，所以此类物质也很难处理。b e l l 3 1 】等利用a b r 对印染废水进行了脱色研究，结果 发现，当酒石黄的浓度为2 5 0 m g l 时，随着时间的延长，微生物对环境条件不断的适应 后，c o d 的去除率在5 0 * , - 6 0 之间，色度去除可达9 5 。p a t i d a r 和t 眦【3 2 】对比研究了 7 陕西科技大学硕士学位论文 用u a s b 、a b r 、h a b r 处理硫酸盐废水的处理效果，在c o d s 0 4 2 为8 5 7 - 8 5 9 时，三 种反应器的c o d 去除率都在6 5 以上，当c o d s 0 4 2 减小到6 9 2 7 0 5 9 时，c o d 去除 率只有4 1 5 5 。这表明有机物的缺乏是反应器处理效果下降的主要原因。在a b r 和 h a b r 中，添加营养后，由于硫化物对微生物的毒害严重，去除率也很难恢复，只有 4 5 9 2 - 5 6 1 2 。 近年来，国内也有很多用a b r 或其组合工艺处理实际废水的工艺事例，强绍杰等【3 3 】 采用a b r 一接触氧化工艺处理漂染废水，废水经过a b r 后可生化性得到了提高，然后再 经悬浮填料接触氧化池的进一步降解和二沉池的沉淀处理后达到了排放标准。龚敏等【3 4 l 设计用a b r 工艺对木薯酒糟废水进行预处理，工程实际应用结果表明，a b r 预处理工 序在整个处理工艺中起着举足轻重的作用。赵辉等用a b r 处理中药废水，c o d 去除率在 7 0 以上，可生化性可提高到0 5 ；覃婵等采用“水解一a b r - u n i t a n k 工艺处理中成药废 水，进水c o d 约2 0 0 0 - 5 0 0 0 m g l ，出水水质可达到g b 8 9 7