（环境工程专业论文）egsb反应器处理高浓度有机废水的过程动力学研究.pdf

r e s e a r c h o n d y n a m i c s o f t h e e g s b r e a c t o r t r e a t i n g h i g h c o d o r g a n i c wa s t e w a t e r ab s t r a c t i n t h is p a p e r , a k in d o f e g s b r e a c to r d e v e lo p e d b y d r . z h a n g z h e n j ia w a s u s e d to t r e a t t w o k i n d s o f h i g h c o d o r g a n i c w a s t e w a t e r . i n th e c o u r s e o f n a t u r a l i z a t i o n , t h o u g h v f a h a s r e a c h e d t h e c o n c e n t r a t i o n o f 1 0 0 0一3 0 0 0 m g / l , t h e r e a c t o r d i d n t s h o w a n y e v id e n c e o f a c i d i f i c a t i o n . i t d e m o n s t r a t e d t h a t e g s b r e a c t o r h a d v e r y g o o d b u f fe r i n g a b i l i t y a n d s t a b i l i t y . o n e e x p e r i m e n t i s t r e a t m e n t o f r i c e w i n e b y m e s o s p h e r i c e g s b r e a c t o r , w h i c h w a s i n o c u l a t e d w it h a n a e r o b i c g r a n u l a r s l u d g e i n i t s s t a rt u p . a t t h e e n d o f i t s n a t u r a l i z a t i o n s t a g e , w h e n t h e i n fl u e n t c o d w a s k e p t a c o n c e n t r a t i o n o f 2 5 ,2 8 0 m g / l , i t s e f f l u e n t c o d c o u l d r e a c h 4 , 7 5 0 m g / l . t h e c o d r e m o v a l r a t e a n d v o l u m e l o a d r a t e w e r e 8 1 %a n d 2 0 k g c o d / ( m 3 d ) r e s p e c t iv e ly . t h e b io d e g r a d a t io n p r o g r e s s o f s u b s t r a t e a c c o r d e d w i t h mo n o d m o d e l w i t h t h e u m a x = 0 .4 8 1 d , k s = 8 4 6 m g / l . a n d t h e r e a c t o r d e s i g n f o r m u l a a n d d y n a m i c s m o d e l o f g a s p r o d u c t i o n w e r e a l s o w o r k e d ou t t h e o t h e r e x p e r i m e n t m a i n l y c o n c e r n e d t h e d y n a m i c s o f s t a r tu p , r u n n i n g a n d t h e s u b s t r a t e b i o d e g r a d a t i o n i n t h e c o u r s e o f t r e a t m e n t o f s t a r c h p r o d u c t i o n w a s t e w a t e r b y m e s o s p h e r i c e g s b r e a c t o r . i n o c u l a t e d w i t h t h e a n a e r o b i c d i g e s t io n s l u d g e f r o m t h e w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t , t h e g r a n u l a r s l u d g e w as f o r m e d a t t h e 4 2 n d d a y o f i t s r u n n i n g . t h e f i n a l c o d o f i n fl u e n t a n d e f f l u e n t w a s 5 ,9 7 0 m g / l a n d 7 7 8 m g / l r e s p e c t i v e l y , c o d r e m o v a l r a t e a n d v o l u m e l o a d r a t e w e r e 8 7%a n d 5 .3 k g c o d / ( m 3 d ) . t h e m o n o d m o d e l d y n a m i c s p a r a m e t e r s o f t h e e g s b r e a c t o r w e r e u -=1 .0 9 3 d . k s = 8 4 . 5 m g 几. k e y w o r d s : a n a e ge g s b ( e x p a n d e d g r a n u l a r s l u d g e b e d ) a n a e r o b i c b i o l o g i c a l t r e a t m e n t m e t a m o r p h i c s t a r c h p r o d u c t i o n b i o d e g r a d a t i o n d y n a m i c s r i c e w i n e p r o d u c t i o n w a s t e w a t e r wa s t e wa t e r g as p r o d u c t i o n d y n a m i c s 犷尹 . 补硒产 决 若 诀 弥 f g s b / r b i 器 f 1 1 d 7 y橙 丫 争 拟改 琳内il l f 14 夕 夕 学解九 男一肴 赌 老 第一章 绪论 1 . 1 厌氧生物处理技术的发展 从城产 物处理技术是一种节能、低耗的废水净化技术。在无氧条件下，利用兼性 仄it t 菌和专性厌氧菌的代谢作用，将有机化合物转化为甲烷和二氧化碳等气体 ( 统称 为沼 户 。厌氧处理技术把废水处理与能源回收利用相结合，其处理成本较低，现广 泛应川j 立 高浓度有机废水的处理。 仄找生物处理技术已有百年历史了，厌氧反应器目前已经发展到第五代。反应器 的负1 ;1 越来越高、容积越来越小、适应有毒物质的能力越来越强、处理效率越来越 局 a 1 8 8 1 年 l o u i s m o u r a s 设 计了 一 种自 动净化器 ( a u t o m a t i c s c a v e n g e r ) 用于 厌氧处 理，从 此厌氧处理技术开始用于有机物和污水的处理川 。1 8 %年英国出现了第一座用于 处理 活污水的厌氧消化池， 所产生的沼气用于街道照明。 2 0 世纪4 0 年代在澳大利亚 出现 j 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。但 在木灿 卜 ，反应器中的微生物与废料是完全混合在一起的，污泥在反应器内的停留时 间 ( s k t )与废水的停留时间 ( h r t )是相同的，因此污泥在反应器里的浓度较低， 处p1!效果差。废水在反应器里要停留几天到几十天之久，占地面积大，基建及管理费 用c flj 贵。致使在废水处理领域很长时间未受人们的重视，只是用于污泥的消化。而好 氧生物处理长期占据废水处理领域的主导地位。 i 戊 后的 5 0 年代初，由于一些发达国家工业发展高度集中，城市人口急剧增加， 环境和 ， 染日 趋严重，水资源危机日 益加剧。而用好氧生物技术处理高浓度有机废水在 技术和经济上都不甚理想。为了 摆脱困境，在发达国家里兴起了 应用厌氧发酵技术的 高潮。5 0年代中期出现了厌氧接触反应器。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了污泥回流装置，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第一次大于水力 e g s b i . 沼 t cr r ;a t h /1 t b l e k / z f f 幼/i x 些1 刃-肴 劝z e 1 -, ii f u l 1,f1 , lk i 此其处理效率与负荷e ll 著提高，其 c o d容积负荷一般为 1 -5 k g / ( m d ) ， 去 除 率为7 0 - 8 0 9 。 这 是 厌 氧 处 理 技 术的 一 个 重 要 发 展 气 卜 世纪 7 0年代的石油危机以及随之而来的能源价格的上涨，使厌氧生物处理因 其节能.箭 效的特点再一次受到人们的关注，并开发出了很多高效厌氧生物反应器。第 一个，。 : 破性发展出现于 6 0年代末，y o u n g和 m c c a rt y发明了厌氧滤床 ( a n a e r o b i c f i l t e r ,简称 a f ) 。厌氧滤池是采用填充材料作为微生物载体的一种高效厌氧反应 器，u ; 氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的 滤 床 庆 氧 滤 床 在 处 理 溶 解 性 废 水 时c o d 容 积 负 荷 可 达5 - 1 5 k g / ( m 3 d ) . 7 0 年代以 来， 厌氧生物处理最大的突 破是荷兰农业大学l e t t i n g a 等 (u 人开发研制的 升 流j 戈 厌氧污泥床 ( u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t , 简称u a s b )。 废水由 反应器底 部进入，反应器主体为无填料的空容器，其中含有大量厌氧污泥。由于废水以一定流 速自卜 而上流动以及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥充分混合，有 机物被吸附分解。所产沼气经由反应器上部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降区，由于沼气已经从废水中分离，沉降区不再受沼气搅 拌作川的影响，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 l 力士 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， 一 般在实 际工 程中 其负 荷可 达到8 -1 0 k g / ( m 3 d ) 。 至 今 u a s b反应器在所有高效厌氧反应器中应用最为广泛。从 7 0 年代末 u a s b反应器首次 建介 门忙 性装置以来，目前从世界范围内采用厌氧工艺的统计看，绝大多数采用了 u a s b反应器:其处理的废水包括几乎所有以有机污染物为主的废水，例如各类发酵 工业、淀粉工业、制糖、饮料、牛奶与乳制品、蔬菜加工、豆制品、肉类加工、皮 革、造纸、 制药、石油精炼及石油化工等各种来源的有机废水。 a f 与u a s b的发明，推动了以 微生物固定化和提高污泥和废水混合效率为基础的 一系列新的高速厌氧反应器的研究和发展。例如厌氧流化床 ( a f b )、上流式厌氧复 合床 ( u a h b )、膨胀颗粒污泥床 ( e g s b )等等。 )氧流化床 ( a n a e r o b i c f l u i d i g e d b e d ，简称a f b ) 最先由j e r i s 和o w e n s 用于废 水的脱氮处理(5, ， 后来 s w i t l e n k a u m和l e w e l 又用于处理低浓度的废水(5, 。在流化床系统 中，依靠 在惰性载体微粒表面形成的生物膜来保留厌氧污泥。液体与污泥的混合、物 质的转递，是通过使带有生物膜的微粒形成流态化来实现;流态化依靠一部分出水回 厂 6 5 b / 沙厂 群必之 碧 子 诀 拱 世泞 次度 沙/f l 理月 f g s /3 / 1 b h n l i; i t d /) ! b力华解乡 公 男 -蔚 琳老 流来: 现。至今很少有生产规模的流化床反应器，其原因还在于其工艺控制较困难、 投资和运行成本高，而且一些流化床反 应器还需要一个单独的预酸化反应器门 ， 这使其 造价，迎 j, 11 o另一方面，一些己建造的所谓厌氧流化床实际上并未实现流态化，它们仅 仅足 “ 膨胀床”而己 川 。 1 9 8 4 年，加拿大g u i o t 等, u 人首次提出了复合床反应器的概念。这种将u a s b 和厌 氧滤池相结合的反应器，被简称为 u b e反应器或 u a h b反应器，上流式厌氧复合床 ( u p il o w a n a e r o b i c h y b r i d b e d , 简称u a h b ) 反 应器的 叫 法是由 张振家 首次 使 用的。 u a h 1 3 反应器是在污泥床层与三相分离器之间加入了 填料层，利用厌氧生物滤床收集 悬浮、 ， 泥，从而减少污泥的洗出并延长了生物固体停留时间。u a h b研究大部分停留 右小试和中试阶段，工程实例还比较少。在高温处理玉米酒精糟液的中试试验中， i 1 a h b 的 容 积负 荷 达 到了2 0 k g / ( m 3 d 尹 。 e g s b ( e x p a n d e d g r a n u la r s l u d g e b e d ) 反 应 器是 在u a s b 反 应 器基 础上由 荷兰 的 w a g e n i n g g g e n 农业大学的l e t t i n g e 等人 (11)在9 0 年代初开 发研制的的 高效 厌氧反 应器气 其1 1 , j ),; 市场的速度非常快，在新建厌氧处理装置中占有很大的比例。目前己占厌氧工 艺应川总数的 6 %左右11 。己应用于实际工程的 e g s b商业化装置有 i c ( i n t e rn a l c i r c u l a t i o n r e a c t o r )反应器、a n a e g反应器等等。 i g s b的工作原理与 u a s b相似， 特征是由 底部进水，水流在反应器中向上部均 匀流 ;j 1 ，经过特殊设计的气一固一液三相分离器后，以溢流的方式流出。区别在于前 者采川高达6 - - 1 2 m / h 的上流速度，远远高于u a s b反应器所采用 1 - 2 m / h 的上流速度， 从而使反应器中的颗粒污泥床处于膨胀悬浮状态。为了提高上流速度，e g s b反应器采 用大的回流比和较大的高径比，其高度可以为 u a s b装置的 2倍以上，因此占地面积 更小 4高的上流速度和产气的搅拌作用下，污水与颗粒污泥间的接触更充分，因此可 以允凶污水在反应器中有很短的水力停留时间，所以 e g s b不但适于处理高浓度废 水，ii u ll 也适于处理低浓度有机物污水。当沼气产率低、混合强度低时，较高的进水 动能和颗粒污泥床的膨胀高度将获得比 “ 通常的”u a s b反应器更好的运行结果。 e g s b反应器也可以处理含悬浮物质和有毒物质的污水。目前，e g s b反应器已经被广 泛应川于 工业污水处理领域，应用情况见表 1 - 1 0 e g s b / l f f q h f l r % i 7 式 /l c f b g 起 一 k d l i f r l / l am fr/ / 7 i 0 , -? -0绪i 出生化反应过程中各种变量之间的相互关系。因此用这些方法进行设计带有一 定的自目 性，难以经济合理地设计处理系统，也难以预测和指导当系统发生变化时的 运行竹理。 5 0年代以来，国外一些学者把反映生化机理的微生物生长动力学引入废水处理领 域，使废水生物处理的设计和运行管理更加理论化和系统化，提高了人们对废水生物 处理机理的认识，进一步促进了生物处理设计理论的发展。已有不少数学模式在废水 生物处理工程中得到应用，使处理系统的设计和运行更加合理。 在厌氧处理不溶性有机物时，脂肪的降解是厌氧反应的速率限制性阶段;在处理 溶性丫 j 机物时，挥发性有机酸 ( 主要是乙酸)分解成甲烷的反应是整个厌氧反应的速 率限制性阶段。所以在进行厌氧处理动力学常数的研究与估价的初期，通常采用脂肪 酸或打发性有机酸作为微生物的唯一碳源进行研究，混合性底物 ( 例如某类废水或某 石 占 万扮力 厂 尹器之 n 4 c t ke g s h i e及 泞 次尿 . 从衬c t r功沙 学aj/无 男-肴 琳价 类污泥) 的资料很少，只有 o r o u r k c在 1 9 6 8年他的斯坦福大学博士论文 “ 降温厌氧 处理动力 学” 中， 给出了 生活污水污泥在 p h = 6 . 7 - 7 .7 之间的 厌氧降解动力学参数， 现 一 力列入表 1 - 2 中，以供参考。从表 1 - 2 可以看出，与好氧处理过程比较，厌氧处理中 的 pi ii 、一 般小 底物 至两个数量级， 表 而k s 值一般则较大。 1 - 2单一基质的厌氧动力学参数( 2 3 ) 温度 p丁 ” a x i / d y c m g v s s / m g c o d i / d ks m g c o d 几 0 - 2 50 . 0 4 0 月1 52 0 0 0 0 . 1 70 . 0 4 35一25 i . 污水污泥 004一011 0 . 1 4 ( li , i ii 酸 ( c - 1 8 ) 拓矛 1 口 酸 ( c - 1 6 ) 一 四烷酸 ( c - 1 4 ) 0 . 01 5 0 . 01 5 0 . 01 0 3 7 2 0 4 6 2 0 41 7 143一105 0 】 乙酸 丙酸 j 酸 0 . 1 】 0 . 3 4 - 0 . 4 4 0 . 1 1 0 . 0 4 - - 0 . 0 50 刀1 5 1 6 5 - 2 5 0 加一37一37-37-35 60一13 0 . 0 4 2 0 . 0 4 7 0.01 0 0 . 0 2 7 35-35 山于 废水处理过程是由混合菌种来降解混合基质的复杂的生化过程，单一基质的 动力学研究还是不能确切表达废水降解过程。从而研究转向了人工的混合基质的动力 学研究 表1 - 3 所列的一些混合基质的动力学参数。 表1 - 3中 温厌氧处理工艺的 动力学参数(2 4 ) li c 物1 一 艺 na.i/d y c m g v s s / m g c o d 1b1/d u m a l g c o d / g v s s - d ks m g c o d 几 碳水化合物酸生成 7 . 2 - - 3 00 . 1 4 - 4. 1 76 . 11 . 3 3 - 7 0 石 2 2 . 5 - - 6 3 0 长链脂肪酸酸化 0 . 0 8 5 - - -0 . 5 50 . 0 44 . 1 10 乃1 - 0 刀1 50 . 7 7 - 6. 6 71 0 5 - 3 1 8 0 短链), i 肪酸*酸化0 . 1 3 - 1 . 2 0 0 . 0 2 5 - 0 . 0 4 70 . 0 1 - 0 . 0 2 7 6 . 2 -1 7 . 11 2 - 5 0 0 乙酸甲烷发酵 0 . 0 8- 0 70 刀1 - - 0 . 0 5 40 . 0 0 4 - 0 , 0 3 72 . 6 - 1 1 . 6 1 1 - 4 1 2 h 2 / - a ,化碳甲烷发酵0 . 0 54 . 0 70 .0 1 7 - 4.0 4 5 0 . 0 8 81 . 9 2 - 9 0 4 . 8 x 1 0 - * * 0 . 6 * 除了乙酸* * a t m h z p a v l o s t a t h i s a n d g i r a l d o - g o me z , 1 9 9 1 e c s e 芳-肴 姗老 迈年来，不少学者开始把目 光转向工业废水的厌氧处理动力学研究，并得到了不 少实ia! _ 程运行上的重要参数，见表 1 - 4 0 表1 - 4实际废水的降解动力学模型及其参数 e g s b k应器赶 r进 黔 冶 ol k h 次彦劝必理 表必沙 *n / m 毋-君 绪 1 . 3 率高 本论文的目的以及构成 f g s b反应器是当今国际上最新型的高效处理装置。它以传质效果好、有机物去除 、容积负荷高、占地面积小、运行稳定、管理方便等特性，其推广速度非常迅 速。然而如上所述，有关 e g s b处理实际废水过程的反应动力学研究很少，这些反应 器大多数根据经验数据来进行设计和运行，如何能够更有效地设计反应装置，使之在 最佳状态下更稳定地运行，是实际工作中面临的主要问题。 本研究采用由张振家研制的 a n a e g( 以下简称 e g s b )反应器处理两种高浓度有 机废水。着重讨论了其驯化过程和正常运行下的各种监测指标的变化情况，在借鉴和 总结了前人的研究理论和研究经验的基础上，主要针对基质降解模式进行探讨，试着 用动力学模式来表达这一过程，并求出其动力学参数，为工程设计提供可靠的理论依 据和设计 参数，以 期更能合理地设计出稳定的工艺设备， 达到最佳的运行效果。 刁 、 论文主要由四部分构成:第一章主要介绍厌氧生物技术发展和动力学研究的现 状，第二章主要阐述了厌氧生物处理的生化机理和常用的动力学模式。第三章为用 e g s b反应器来处理米酒废水的中试试验部分，讨论以颗粒污泥为接种污泥处理酒糟废 液时的驯化阶段的各种监测指标的变化情况以及驯化过程的动力学模式和动力学参 数;而且讨论在水质突变和高负荷冲击下的 e g s b反应器的耐冲击能力，并求出高负 荷下的 e g s b反应器处理有机物的动力学模式。第四章为用 e g s b反应器处理变性淀 粉废水实际工程的现场调试部分，观察以消化污泥为接种污泥处理变性淀粉废水时的 驯化阶段的各种监a ll 指标的变化情况，以便与以颗粒污泥为接种污泥时的驯化过程作 比 较;探讨 e g s b反应器内部的流态，进而导出较准确描述 e g s b处理废水运行规律 的动力学模型及其动力学参数。 e g a k /x / w 群迎 i ,i 爪/ f 乃 次拨 才p 夕 t t fwj沙 学 l7 n 刃_ _ 夕 2 七 河 兰徽迎 r型必淤理w 少 y 劝力岁葆孟 c 第二章 厌氧生物处理的原理及其动力学模式 2 . ! 厌氧生物处理的生物化学原理 厌氧生物处理过程是在无氧条件下，由一系列兼性及专性厌氧菌将有机物分解 的 个 极其 复 杂的 生 化过 程。 其 降 解 过 程见图2 - 1 。 在 此 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。为了便于研究，将这复杂的生 化过程大致分为四个阶段:水解阶段、酸化阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段。当然 在) i 氧反应器中， 这四个阶段是瞬间 连续发生的 m m 图2 - 1 厌氧降解过程示意图 m c c a r t y a n d s m i t h , 1 9 8 6 a gs : 召/ x 应群分j 竹j 产 抓 交 份 户 次产婆 汤夕 如 岁 表 必/l 1 j/ f 9 i 男_蔚贾汀全勿迎r/ / j a m,m刀劝力4燕矛 t 水解阶段 水解阶段是指将复杂的非溶解性聚合物分解成简单的溶解性单体或二聚体的过 积卜 要是促使有机物增溶和缩小体积的反应。在污水的生物处理过程中，脂肪、 :f l l 质和多糖类等高分子有机物因相对分子量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能 为 111 1翔 直接利用。所以它们必须在细菌胞外酶作用下分别水解成小分子。例如纤维 奈被纤维素酶水解为纤维二搪与葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋 自d , 被蛋自酶水解为短肤与氨基酸，脂肪水解为长链脂肪酸等。这些小分子的水解 ， 户 ， 物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。 蛋自质和多糖类的水解速度比较快，脂肪的水解速度比较慢，因而脂肪的水解 对小溶性有机物在厌氧处理时的稳态程度起控制作用，使水解反应成为整个厌氧反 应过程的速率限制性阶段。 衫响水解速度和程度的因素有多种:水解温度: 有机物在反应器内的停留 时j ;有机物的组成 ( 木素、碳水化合物、蛋白质与脂肪的质量分数);有机 物l i ,q l 粒的大小; p h值;水解产物的浓度 ( 如挥发性脂肪酸); 氨的浓度; ( r 1 包 外酶能否与有机底物有效接触。 2 . 、 2 酸化阶段: 发酵酸化是指有机化合物既作为电子供体也作为电子受体的生物降解过程。在 此过程中，水解形成的溶性小分子有机物被产酸细菌作为碳源和能源，在发酵细菌 c il 酸化菌)的细胞内 转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。这一阶段的主要 产物有挥发性脂肪酸 ( v f a)、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与 此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化的污水进行厌氧处 理i i寸 会产生更多的剩余污泥。 酸化过程是由大量的多种多样的发酵细菌完成的。其中主要的类群有梭状芽抱 m i 菌 ( c l o s t r i d i u m) 和拟杆菌 ( b a c e r i o d e s )。这些细菌大多数是严格的厌氧菌，但 通,i, 有约 1 %的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，它们能够保护这样的严格厌氧菌免受 找的损害和抑制(3x 气 二 。召 /u / 夕 月 h f l / $ t k % f 1 ii d l cj t x o l t c 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 种川例如，如果酸化过程在一个专门的酸化反应器 ( 作为两相厌氧处理的第一 步)i p- . 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、二氧 化i v i: 和氢气的混合物。而在一个稳定的一步反应器 ( 即酸化与产甲烷在同一反应器 ， 卜止 行)中，则乙酸、一 二 氧化碳和氢气是酸化细菌最主要的末端产物，其中氢气又 能d i i a 有效地被产甲烷菌利用，故在反应器中往往只能检测到乙酸和二氧化碳，同 时，f 6 气也可以被能利用氢的硫酸rma l 还原菌或脱氮菌所利用。 这一阶段的反应速率很快，根据 a n d r e w a和 p e a r s o n的介绍，当进水中溶解性 的价 f 碳物质，在庆氧反应器污泥中的平均停留时间小于产甲烷细菌能生长的时间 时，便己经大部分转化为挥发酸了。因此可以认为，产酸和脱氢阶段不会成为整个 仄气 反应过程的速率限制性阶段。 2 . !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、 细胞物质 们) f ， 。本阶段微生物主要是产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌， h : 和 c o : 以 及新的 在产氢产乙酸菌的 一些脂肪酸和醇类等物质转化为乙酸。经过产乙酸阶段后， 进水中约 7 0 % 的( o d被转化为乙酸。 各种基质的产乙酸反应，见表2 - l 0 表2 - 1各种基质的产乙酸反应 底物 go c i -i ; c h o h 0 0 0 -( 乳酸 ) + 2 h 2 0”c h 3 0 0 0 + h c 0 3 + h 十 + 2 h 2 - 4 . 2 kj / mo l c h ; c h 2 0 h( 乙 醇) + h 2 o*c h 3 0 0 0 - + h + 2 h z + 9 . 6 k j / mo l c l i ;c h 2 c h 2 0 0 0 -( t 酸 ) + 2 h 2 0“2 c h 3 0 0 0 + h+ 2 h 2 + 4 8 . 1 k 1 / mo l c i i ;c h 2 0 0 0 -( 丙 酸 ) + 3 h 2 0“c h 3 0 0 0 - + h c 0 3 + h + 3 h 2 + 7 6 . 1 k j / mo l 4 c h , o h ( 甲 醇) + 2 c o 2 一 3 c h 3 0 0 0 - + 2 h 2 - 2 .9 kj / m o l 2 h c 0 3 碳ft) + h + + 4 h 2 - c h 3 0 0 0 - + 4 h 2 0 - 7 0 . 3 k j / mo l i f + i . c , 物在溶液中浓度为1 m o l / k g o e (is 13一一 一于 *iw l c 在标准条件下乙醇、丁酸和丙酸不会被降解，因为在这些反应中不产生能 ( g o 为 丁 )。但氢浓度的降低可把这些反应导向产物方向。只有在产乙酸菌产生的氢 被刊川氢的产甲烷菌有效利用时，系统中氢刁能维持很低的水平。通常在厌氧颗粒 补 ， 泥， ! ” 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 ; 引月ir 容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。 2 . i . 4 产甲烷阶段: 产甲 烷的反应由 严格的专一性厌氧细菌来完成，这类细菌将产酸阶段产生的短 链扫发酸 ( 主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳和新的细胞物质，产甲烷过程往往 足击解性有机物的厌氧消化过程的限速步骤。 甲烷细菌是参与有机物厌氧消化过程的最后一类也是最重要的一类细菌群，从 ， 物学发展谱系的角度考察，它们属于与真核生物和普通单细胞生物无关的第三谱 系，人们把它们划归于古细菌。甲烷细菌的形态多种多样，但大致可分为球状、杆 状、螺旋状和八叠状四类。 甲 烷菌能利用的能源和碳源物质十分有限，即 h 2 / c o 2 、甲 酸、甲 醇、甲 胺和乙 酸其中，乙酸是形成甲烷的主要基质，大约 7 0 %的甲烷来源于乙酸。在反应中， 乙p4妙i ， 的梭基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，竣基转化为二氧化碳。利 川乙酸的甲 烷菌主要有索氏甲 烷丝菌 ( m e t h a n o t h r i x s o e h n g e n i i ) 和巴氏甲 烷八叠菌 ( m e t h a n o s a r c i n a b o r k e r i )。索氏的u m a , o . l d 1 . k s = 0 .2 m m o l ;巴氏的1 t m e z 0 .4 5 d - ， 、 k s = 5 m m o 1 。上村(s)等人在用高温 u a s b处理酒精废水时，观察到形成的颗粒污泥 中巴氏菌成优势菌，也有些索氏菌。在反应器运转正常的情况下，甲 烷总量的 3 0 % 来i 于 c 0 2 + h : 的反应。 利用二氧化碳和氢形成甲 烷的细菌称作嗜氢甲 烷菌。 大约 的嗜氢甲烷菌也可利用甲酸。 一 般认为，甲烷细菌生长繁殖得很慢，倍增时间长达几小时至几十小时，而好 氧细菌的倍增时间仅需数十分钟。 在厌氧降解过程中，产甲烷菌对酸的耐受力必须加以考虑。酸化过程在 p h下 降到4 时仍可以进行。但是产甲 烷过程的最佳p h值在6 . 5 - 7 . 5 间，因此p h值的下 降将会减少甲 烷生成和氢的消耗，并进一步引起酸化末端产物组成的改变，一些产 物例如丙酸会大量生成。产乙酸菌没有足够的能力克服这种改变，甲 烷菌活力的下 略 e g ti 1竺 r a o n ;r x 英 f id 的a . l . d o w n i n g 等都较深入地 研究了 基质降 解和 微生 物生 长的 规律，以 便更合 理 地进行处理构筑物的设计与运行。由于活性污泥法使用比较普遍，所以目 前所提出 的数学模式主要是根据活性污泥法推导出来的，不过这些模式对于其他好氧生物处 理刀 、 和厌氧生物处理法也基本适用。 所谓厌氧生物处理动力学主要包括cs l .基质降解动力学:涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素之间的关系; 2 .微生物增长动力学:涉及微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因 素乙间的关系; 3 .甲 烷生成动力学: 在厌氧处理过程中，存在着许多串联和平行的生化反应，因此，准确地从数学 土来描述是十分复杂的。 然而经过近2 0 年的研究， 在对设计有意义的范围内，许多 学者根据各自 研究的成果提出了不少描述上述关系的数学表达式或数学模式。在各 个模式中含有一些常数， 这些常数的数值表示了一类废水生物降解的 特点。 对污水处理领域来说，底物的比降解速度比微生物的比增殖速度更实际，应用 们 : 史强，所以基质降解规律是讨论研究的主要对象。 e g s r /x / w 器刃a v 4裕11 l 为p i a 冰加.i2 , , 力学fj f 9 男-箭贾欠全勿处理 夕 原 理及j k s ，故k s 可忽略不计， u=u - i 丫 1 7= 一 则式 ( 2 - 1 7 ) 变为: ( 2 - 1 9 ) d s d t ( 2 - 2 0 ) x得 e l i 式( 2 - 1 9 ) 和( 2 - 2 0 ) , d s .。一; 二 d t - x u m - ( 2 - 2 1 ) d x d t- y o 亩 ( 2 - 2 2 ) 子 = y ou _ x ( 2 - 2 3 ) 令k = y o u m s. ， 则 式 ( 2 - 2 3 ) 变为 : 些_ k x (2 - 2 4 ) d t 式 ( 2 - 2 4 ) 与e c k e n f e l d e r 的 微 生 物生长 率 上 升阶 段 所求 得的 式 ( 2 - 2 ) 一 致。 在高浓度有机底物的条件下，有机底物以最大的速度进行降解，而与有机底物 的浓度无关，呈零级反应关系。有机底物的浓度再行提高，降解速度也不会提高， 因为在这一条件下， 微生物处于对数增殖期，其酶系统的活性位置都被有机底物所 饱f l i o ( 2 ) 在低底物浓度的条件下， s +k s ， 故s 可忽略不计，则式( 2 - 1 7 ) 变为: 。 = v . s k , 令:x / k c = k， 则 式 ( 2 - 2 5 ) 变为: ( 2 - 2 5 ) e g s r /x / h . a必理a3 h /j 为 次龄a k / j 理 名动力笋解1 势-肴厌汀 全数妙理功鸿 氰 里夕 男 2 劝力学摊 c 口=尤5 在低浓度有机底物的条件下 成为有机底物降解的控制因素， 高，微生物增殖处于内源呼吸期 1 d s 丫 。 一x d t : . 丝= - k x s d t ( 2 - 2 6 ) ，有机底物降解遵循一级反应，有机底物的含量己 因为在这种条件下，混合液中有机底物浓度已经不 ，微生物酶系统尚未饱和。 ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 式( 2 - 2 8 ) 与e c k e n f e l d e r 的微生 物生长率下降阶段所求得的式( 2 - 1 1 ) 一致。 山此可见，e c k e n f e l d e r 的二相说和mo n o d 的一相说本质上是类同的。所不同的 仅仅是连续函数和非连续函数之别，而二相说中的两个非连续函数只是一相说中的 连续函数的两种特殊情况。 2 .有毒有害基质存在时的mo n o d 修正式 通常所用的 m o n o d方程仅适用于无毒性的基质。如有毒性物质存在，且其浓度 达到一定程度，微生物的生长将受到抑制。j .f .a n d e r w s于 1 9 6 8年根据 j . b .s . h a l d a n e 的高基质浓度酶受到抑制的关系提出了下列修正式: 尸- ( 2 - 2 9 ) 同样的也可以写出同比增长速率u 相对应的基质比去除速度u 与有毒基质浓度 的关系式: u . - u = 下x 丁下 s i十 十 s k ( 2 - 3 0 ) 2 . 2 . 2 微生物增长动力学 在完全混合稳态条件下， q x o + y ( s o 一 s e ) q- k d xv二 qx 进入反应器的v s s 量反应器内 微生物纯增长量从反应器流走的v s s t e c s t t / 0v 解必p x ,!狡 乃 .炙度7 k dd 夕 过度 沐 夕 / l tj f ) i 男-aft厌汀 全匆老迈 碧 必荣 迎夕少 乙 必沙 笋度式 x _ x o + y (s o - s , ) ( 2 - 3 1 ) 1 + k , t 移j iii 井各项除以y x ，则变为一直线方程: 忽略 x o ，则 知 一 x l + y )t 二 s o - s,x 补 y )t一 .s. - s ,x ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 是就可根据试验，用图解法求出 k d和 y ，但要注意采用碱性发酵阶段的数 2 . 2 . 3 甲烷生成动力学 厌氧分解所产生的气体主要是 c h ; 和 c 0 2 ，在正常运行的情况下，c h 4 约占 6 5 %, c 0 2 约占3 0 %. 甲烷的氧当量可按下式计算: c h 4 + 2 0 2 c 0 2 + 2 h 2 0 上 式表明l m o l ( 1 6 g ) 的甲 烷需2 m o l ( 6 4 g ) 的 氧， 这 相当 于2 m o l ( 6 4 g ) c o d / j : 成 i m o l 甲烷。在标准条件 ( 0 和 0 . 1 mp a )下，1 m o l 甲烷的体积为 2 2 .4 l 。这 样，1 g c o d在标准状态下可生成的甲 烷体积为2 2 .4 / 6 4 = 0 .3 5 l o 在 标准 状 态( 0 0c , l a t m ) 下， 每 去 除1 k g c o d产 生0 .3 5 m 3 c h 4 。 但 是 并 非 全 部被去除的基质都转化成了代谢产物，其中一部分组成了细胞物质，所以须减去这 部分相当的氧量。而每克干细胞完全氧化所需的单体氧为1 .4 2 g o 所以c h 4 的产气量为: v c h ; 一 0 .3 5 q ( s 。 一 s e ) 一 1 .4 2 q y ( s 。 一 s e ) x 一 k d v x x 1 护 “沼 “反应群处理而;狡 故肴 衣废术2 冲 理召 玩 沙 夕 学 城 夕 沙 了 刃二箭e c s e必理次雇 乡 以 次必功试i 第三章 e g s b处理米酒废水的中试试验 3 . l 概述 3 . . 1 白酒工业现状 酒是我国传统的蒸馏酒，也是世界上六大蒸馏酒之一。我国白酒生产采用的 产白 固态酒酩发酵和固态蒸馏传统操作，是世界上独特的酿酒工艺。白酒品种繁多、 占 饮料酒 5 0 %以上，是广大人民喜好的饮料。随着人民生活水平的提高， 以 洒1量也逐年增长， 白酒行业是耗能 生产能力己 超过6 5 0 万t , 1 9 9 8 年白酒产量为5 8 5 万砂。 、耗粮大户，白酒属嗜好性消费品，国家以征收高税的方式限 制 u 发展。所以全行业企业停产现象普遍存在，但仍有6 0 多家企业白酒产量在 i 万 t 以 几 ，合计产量占全国白酒总量的3 1 . 1 %，其中 1 0 万t 以上企业有 3 家。 自酒生产工艺可分为固态法和液态法两种。前者原辅材料消耗多、 八 . 质量好，大多用于名优白酒生产;后者先用液态法生产使用酒精 产量小，但 ，再进行串 吞、凋香和固液勾兑，又称新工艺白酒，即液态法白酒，其产量大、原辅材料消耗 己成为我国大众化、物美价廉的饮料。以固态法为例，生产 i t 粮食白酒需耗用 粮食 ( 2 .5 t 原料、0 . 5 t 制曲用粮、原料出酒率 4 0 %)、i t 标准煤、5 0 k w h电和 一 8 0 m 3 水。 小3t40 我国白酒生产大多以高粱、小麦、玉米等为原辅材料，只是酿酒工艺各有不 但无论采用哪种工艺，其废水的排放点基本上为以下几处，且均属间歇式排 白酒从生产到贮藏陈化过程所排放的工业废水， 同放 分为高浓度废水，如蒸馏锅底排水、 库渗漏水、 “ 下沙 ”与 “ 糙沙 ” 发酵池盲沟水、 基本上可分为两个部分。一部 蒸馏工段地面冲洗水、地下酒 工艺操作期排放废水等，其 1 0 0 . 0 0 0 m g / l , 1 1 ; 的 5 %左右。 b o d 。 有时高 达 4 4 , 0 0 0 m g / l ， 但这部 分废水 量很小 其余绝大部分废水属于低浓度废水，如冷却水、 c o d有时高达