（环境工程专业论文）高效厌氧反应器工作特性的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 降解能力依次为3 4 5 8k g ( m 3 d ) 、2 4 6 4k g ( m 3 d ) 和1 4 8 7k g ( m 3 d ) ；若以污泥a 的 最大比基质转化速率v 再t 为1 0 0 ，则三者的相对活性为1 0 0 、7 1 3 和4 3 0 。对丁酸 的降解能力依次为4 2 4 5k g ( m 3 d ) 、2 5 1 7k g ( m 3 d ) 和2 0 6 1k g ( m 3 d ) ；若以污泥a 的最大比基质转化速率v 丁蕞为1 0 0 ，则三者的相对活性为1 0 0 ，5 9 3 和4 8 6 。对乙 酸的降解能力依次为2 2 4 1k g ( m 3 d ) 、3 4 2 1k g ( m 3 d ) 和6 3 7 8k e d ( m 3 d ) ；若以污泥 a 的最大比基质转化速率v 乙t 为1 0 0 ，则三者的相对活性为1 0 0 、1 5 2 7 和2 8 4 6 。 从污泥a 对水解发酵基质( 蔗糖) ，产氢产乙酸基质( 乙醇、丙酸和丁酸) 和产甲 烷基质( 乙酸) 的降解能力判断，产甲烷阶段易成为厌氧消化过程的瓶颈步骤； 但从三种污泥对五种基质的降解能力判断，若水解发酵阶段的主要产物为丙酸或 丁酸，则产氢产乙酸阶段易成为厌氧消化过程的瓶颈步骤；若水解发酵阶段的主 要产物为乙醇，则水解发酵阶段易成为厌氧消化过程的瓶颈步骤。 4 ) 厌氧生物反应器的容积效能与碱度及v f a 浓度密切相关随着容积去除速 率的增加，总碱度和有效碱度下降。反应器i 、和i 容积去除率达到最大值时 所对应的有效碱度分别为1 5 4 0m g l 、1 1 5 0m g l 和1 0 8 2m g l ；所对应的 a l k 啦c o 风m 分别为o 1 2 、o 1 1 和o 1 0 。与最大容积去除率和最大容积产气率对 应的v f a 浓度分别为1 0 5 7m g l 、9 0 8m g l 和1 1 4 5m g l ，显著高于常效厌氧反应 器；与临界值对应的出水碱度与出水v f a 之比分别为1 2 5 、1 4 0 和1 1 3 ，显著低 于常效厌氧反应器。 关键词：厌氧反应器；中间产物；生物毒性；运行性能；动力学性能 i v 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e r p o l l u t i o nh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mi nc h i n a a n a e r o b i cb i o t e c h n o l o g yi s o fp a r t i c u l a rc o n c e r ni no r g a n i cp o l l u t i o nc o n t r o ld u et oi t sl o wo p e r a t i o n a lc o s ta n d e n e r g ys a v i n g b i o r e a c t o ri st h ec o r eo fa n a e r o b i cb i o t e c h n o l o g y , w h i c hm a r k st h el e v e l o fa n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n ts y s t e m s i th a sb e e nr e p o r t e dt h a tt h em a x i m u m o r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r ) o ff u l l - s c a l ea n a e r o b i cd i g e s t e r si sh i g h e rt h a n4 0 k g c o d ( m 3 。d ) t h u s ，t h eo l r o f4 0k g c o d ( m 3 d ) c a ns e r v ea sas t a n d a r df o rs u p e r h i 曲r a t ea n a e r o b i cb i o r e a c t o r s ( s i - m a b ) i ti sh e l p f u lt ot a k es h r a b a sm o d e la n dt o m a k ec l e a rt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h eo p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lo fa n a e r o b i c b i o r e a c t o r s t h ea c u t et o x i c i t yo f4t y p i c a li n t e r m e d i a t e si na n a e r o b i cp r o c e s s ，i e ， e t h a n o l ，a c e t a t e ，p r o p i o n a t ea n db u t y r a t e ，h a sb e e nd e t e r m i n e d ；a n dt h ep e r f o r m a n c e so f t h r e es 职a b sf e d 、 7 i t hs u c r o s e ，e t h a n o la n da c e t a t e ，r e s p e c t i v e l y , h a v eb e e n i n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y m a j o rr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) d i f f e r e n tb i o l o g i c a lt o x i c i t yo ft h ef o u rt y p i c a li n t e r m e d i a t e sw a so b s e r v e d 1 h e r e s u l t so fs i n g l et o x i c i t ye x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ei c 5 0v a l u e s ( h a l f i n h i b i t i o nc o n c e n t r a t i o nf o r15m i n ) o fe t h a n o l ，a c e t a t e ，p r o p i o n a t ea n db u t y r a t e w e r e2 7 0e , l ，3 9 6 虮，2 4 9g la n d6 0 0g l ，r e s p e c t i v e l y t h et o x i c i t y d e s c e n d e di nt h eo r d e ro fp r o p i o n a t e ，a c e t a t e ，b u t y r a t ea n de t h a n 0 1 t h e i n h i b i t i o no f 慨( v o l a t i l ef a t t ya c i d s ) i nt l l e i ru n i o n i z e df o r m sw a ss t r o n g e r t h a nt h a ti nt h e i ri o n i z e df o r m s t h ei c 5 0v a l u e so fu n i o n i z e da c e t i ca c i d , p r o p i o n i ca c i da n db u t y r i c a c i dw e r e2 3 4m e d l ，1 9m g l ，3 7m g 几， r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r e2 3 4 ，1 9 0 ，3 7 0t i m e so ft h ei c s ov a l u eo fs t a n d a r d t o x i c i t y r e f e r e n c es u b s t r a t e h g c l 2r e s p e c t i v e l y 田舱c o m b i n e dt o x i c i t y e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ec o m b i n e de f f e c t so fe t h a n o la n da c e t a t e ，e t h a n o l a n dp r o p i o n a t e ，e t h a n o la n db u t y r a t e ，a c e t a t ea n dp r o p i o n a t e ，a c e t a t ea n d b u t y r a t e ，p r o p i o n a t ea n db u t y r a t ew e r ea l la d d i t i v ee f f e c t t h ec o m b i n e de f f e c t o ff o u ra n a e r o b i cd i g e s t i o ni n t e r m e d i a t e sw a sa l s oa d d i t i v ee f f e c t 2 ) a n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s sc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：t h eh y d r o l y s i s f e r m e n t a t i o ns t a g e ，t h eh y d r o g e na n da c e t a t ep r o d u c i n gs t a g ea n dm e t h a n e p r o d u c i n gs t a g e r e a c t o r1w a sf e dw i t hs u c r o s ew h i c hi st h es u b s t r a t ef o r h y d r o l y s i sf e r m e n t a t i o n , r e a c t o ri iw a sf e d 谢t l le t h a n o lw h i c hi st h es u b s t r a t e f o rh y d r o g e na n dr e a c t o rh 1w a sf e dw i t ha c e t a t ew h i c hi st h es u b s t r a t ef o r m e t h a n ep r o d u c t i o n t h eo l r so fr e a c t o ri 1 i ，w e r ea sh i g ha s7 5 ，1 0 0a n d v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 0 0 k ( m 3 d ) ，r e s p e c t i v e l y f i t t i n gb ym o n o dk i n e t i c s ，t h em a x i m a l v o l u m e t r i c l o a d i n gr a t e so fr e a c t o r si i i ，w e r e8 9 0 ，1 7 0 6a n d2 2 7 5k g ( m 3 d ) ， r e s p e c t i v e l y i ti so b v i o u st h a tt h ev o l u m e t r i cl o a d i n gr a t ec o u l db ee n h a n c e db y s h o r t e n i n gt h ef o o dc h a i no fa n a e r o b i cd i g e s t i o n 3 ) t h ea c t i v i t yo ft h eb i o m a s st a k e nf r o mr e a c t o r si ，1 1a n d a f t e rl o n g - t e r m o p e r a t i o n ( n a m e l ys l u d g e 八ba n do s h o w e ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e t h e g l u c o s ec o n v e r s i o nr a t e s 醛) o fs l u d g ea ，b ，cw e n5 5 5 3 ，2 9 0 5a n d2 2 2 6 k g ( m 3 d ) ，r e s p e c t i v e l y t a k i n gv m 践o fs l u d g ea 髂1 0 0 ，t h em l a t i v ea c t i v i t yo f s l u d g e 八b ，cw e r e10 0 ，5 2 3a n d4 0 1 ，r e s p e c t i v e l y t h ee t h a n o lc o n v e r s i o n r a t e s 雠) o f s l u d g eab ，cw e r e4 5 5 7 ，8 6 4 7 ，3 6 5 6k g ( m 3 d ) ，r e s p e c t i v e l y t a k i n gv t 嗽o fs l u d g ea 豁1 0 0 ，t h er e l a t i v ea c t i v i t yo fs l u d g e 八b ，cw a s1 0 0 ， 18 9 8a n d8 0 2 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 ep r o p i o n a t ec o n v e r s i o nr a t e sf v m 腻) o fs l u d g e 八b ，cw e r e3 4 5 8 ，2 4 6 4 ，1 4 8 7k g ( m 3 d ) ，r e s p e c t i v e l y t a k i n gv l 眦o fs l u d g e aa s10 0 ，t h er e l a t i v ea c t i v i t yo fs l u d g eab ，cw a s10 0 ，7 1 3a n d4 3 0 ， r e s p e c t i v e l y t h eb u t y r m ec o n v e r s i o nr a t e s m 找) o fs l u d g e b ，cw e r e4 2 2 5 ， 2 5 1 7 ，2 0 6 1k g ( m 3 d ) ，r e s p e c t i v e l y t a k i n gv m 甄o fs l u d g ea 嬲1 0 0 ，t h e t e l a t i v ea c t i v i t yo fs l u d g ea ，b ，cw a s1 0 0 ，5 9 3a n d4 8 6 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 e a c e t a t ec o n v e r s i o nr a t e s 践) o fs l u d g e 八b ，cw e r e2 2 4 1 ，3 4 2 1 ，6 3 7 8 k g ( m 3 d ) ，r e s p e c t i v e l y t a k i n gv 血麟o fs l u d g ea 嬲1 0 0 ，t h er e l a t i v ea c t i v i t yo f s l u d g eab ，cw a s1 0 0 ，1 5 2 7a n d2 8 4 6 ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ec o n v e r s i o n r a t e so fs l u d g eaf o rh y d r o l y s i sf e r m e n t a t i o ns u b s t r a t e ，h y d r o g e na n da c e t a t e p r o d u c i n gs u b s t r a t ea n dm e t h a n ep r o d u c i n gs u b s t r a t e ，m e t h a n ep r o d u c i n gs t a g e w a sj u d g e d 嬲t h er a t e l i m i t i n gs t e po ft h ea n a e r o b i cd i g e s t i o n h o w e v e l e v a l u a t e db yt h ec o n v e r s i o nr a t e so ft h r e es l u d g e st ot h ef i v es u b s t r a t e s ，t h e h y d r o g e na n da c e t i ca c i dp r o d u c i n gs t a g e1 1 1 i g h tb et h er a t e - l i m i t i n gs t e pi ft h e m a i np r o d u c to fh y d r o l y s i sf e r m e n t a t i o ns t a g e w 豁p r o p i n a t eo rb u t y r a t e h o w e v e r , t h eh y d r o l y s i sf e r m e n t a t i o ns t a g ew o u l db et h er a t e l i m i t i n gs t e pi f t h ep r i m a r yp r o d u c to f h y d r o l y s i sf e r m e n t a t i o ns t a g ew a se t h a n 0 1 4 ) t h er e l a t i o n s h i po fv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e t o a l k a l i n i t y a n dv f a c o n c e n t r a t i o n si na n a e r o b i cb i o r e a c t o rw a se s t a b l i s h e d t h et o t a le f f l u e n t a l k a l i n i t ya n de f f e c t i v ea l k a l i n i t y d e c l i n e d 、) 1 7 i t l lt h ei n c r e a s eo fv o l u m e t r i c l o a d i n gr a t e t h ee f f e c t i v ea l k a l i n i t yw a s15 4 0 ，115 0a n d 10 8 2m j g 几i nr e a c t o ri ， 1 1a n d1 1 , r e s p e c t i v e l y , w h e nt h er e a c t o r sr e a c h e dt h e i rm a x i m a lv o l u m e t r i c l o a d i n gr a t e s ；a n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l i 乙。皿c c d 哪r a t i o sw e r e0 12 ，0 11 ， v i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 0 10 ，r e s p e c t i v e l y a tt h em a x i m a lv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t ea n dg a sp r o d u c t i o n r a t e ，t h ec o r r e s p o n d i n ge f f l u e n tv f ac o n c e n t r a t i o n sw e r e15 0 7 ，9 0 8 ，114 5m g l ， r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r em u c hh i g h e rt h a nt h o s ei nn o r m a lo p e r a t i o np e r i o d s ； t h ec o r r e s p o n d i n gr a t i o sb e t w e e ne f f l u e n ta l k a l i n i t ya n dv f aw e r e1 2 5 ，1 4 0 ， 1 1 3 ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r em u c hl o w o rt h a nt h o s ei nn o r m a lo p e r a t i o n p e r i o d s k e yw o r d s ：a n a e r o b i cr e a c t o r ；i n t e r m e d i a t e s ；b i o l o g i c a l t o x i c i t y ；o p e r a t i o n p e r f r o m a n c e ；k i n e t i cp e r f o r m a n c e i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：拿 签字日期：加，。年雩月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：拿一一 签字日期山卜引月7 日 导师签名匀) 孑 i 签字日期幽，。年；月洲，口， 日 浙江大学硕士学位论文序言 致谢 众里寻他千百度，暮然回首，那人却在灯火阑珊处。曾经，浙江大学如同天 上明月高不可攀；曾经，研究生如同梦中蝴蝶遥不可及。俯仰之间，在浙江大学 两年多的硕士生涯却将结束回首往事，岁月如梭，欢声笑语依然历历在目。在 华家池畔的时光，如悠悠流水般静默。如今，对所遇见的人和物，所经历的事与 情，纵有千言万语，也化成轻轻一句：谢谢! 谢谢导师，尊敬的郑平教授的谆谆教诲。我从一个对科研一窍不通的毛头小 子，到如今的略有所悟，不知花费了郑老师多少个日日夜夜，多么的呕心沥血。 为此，我向郑老师表示最衷心的感谢! 和诚挚的歉意! 三生有幸，能成为郑老师 的学生，是我今生的福分和前世的修为。郑老师治学严谨，求真求是，是人生路 上的一面旗帜，郑老师低调谦逊、踏实勤奋，是人生之旅的典型模范；而郑老师 废寝忘食、不畏艰难的科研精神，和宽容待人、高瞻远瞩的思想修养，以及不拘 小节、平易近人的生活作风，更是如同前行路上的一盏长明灯，指引着我，照耀 着我，温暖着我! 谢谢母校，浙江大学为我提供的学习场所和科研平台。是你，你所秉承的求 是、创新精神，赋予我神圣的使命感和责任感，赐予我不断进取的力量和希望。 谢谢环资学院领导和老师给予的关照和帮助，在你们的支持下，我顺利完成学业； 在你们的指引下，我散发光芒热量；在你们的呵护下，我得以茁壮成长。在此， 一并感谢你们。我会牢记承诺，以更加优异的成绩来回报学校，回报社会。 谢谢课题组，胡宝兰老师、吴东雷老师给我的关怀和鼓励。谢谢实验室的兄 弟姐妹们给我的帮助和支持，他们有孙建平、曾江宁、金仁村、李金页、张蕾、 胡安辉、蔡靖、陈小光、唐崇俭、陈建伟、汪彩华、陈婷婷、楼菊青、季军远、 张吉强、丁爽、沈李东、陆慧峰、张萌等。这里，一道感谢你们，祝愿大家事业 有成，兴旺发达! 最后，谢谢我的爸爸妈妈、爷爷奶奶、弟弟妹妹，史念和雅芳。你们成功时 与我分享、快乐时同我欢畅，失败时给我鼓励、困难时给我力量! 你们就是我脚 下的大地，也是头顶的蓝天大美而不言的你们，是世上最可爱的人! 已丑牛年 于杭州华家池畔 序言 本论文的完成受到了 国家8 6 3 项目( 2 0 0 6 a a 0 6 z z 3 3 2 ) 浙江省重大科技攻关项目( n o 2 0 0 5 c 1 0 0 4 ) 的资助， 谨此致谢! 谨以此文献给所有助我成长的人们! 浙江大学硕士学位论文 引言 1 1 我国水体污染状况 第1 章引言 根据2 0 0 8 年中国环境状况公报，全国废水排放量5 7 2 0 亿吨，其中工业废 水排放量2 4 1 9 亿吨；化学需氧量( c o d ) 排放量1 3 2 0 7 万吨，其中工业废水c o d 排放量4 5 7 6 万吨。在全国七大水系2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，v 类和劣v 类 水质的断面比例分别为2 4 2 和2 0 8 。在2 8 个国控重点湖( 库) 中，i v 类水质6 个，占2 1 4 ；v 类水质5 个，占1 7 9 ；劣v 类水质1 1 个，占3 9 。3 。太湖水 质总体为劣v 类，在湖体2 1 个国控监测点位中，类、v 类和劣v 类水质的点位 比例分别为1 4 3 、2 3 8 和6 1 9 全国地表水污染状况十分严重。 由于水体污染危及人类健康和生态安全，它已引起公众的严重不安，也已引 起党和政府的高度重视国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 明 确将“水体污染控制与治理”列为1 6 个重大专项之一，以求重点突破，为水体污 染防治提供技术支撑。 1 2 废水厌氧生物处理 在各种废水处理技术中，生物处理技术以其经济有效性而独占鳌头( 郑平，冯 孝善，2 0 0 6 ) 。只要可能，人们总是优先选用生物处理技术净化废水。生物处理技 术通常分为好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术两大类型。厌氧生物处理又称 厌氧消化，它是一个借助厌氧微生物的协同作用，将有机污染物转化为沼气( 主 要成分为c h 4 和c 0 2 ) 的过程( 图1 1 ) 回猡滔 产甲翱曹百一 巨固回 图1 1 厌氧生物处理过程 祈 学碰学论文 如图12 所示，与好氧生物处理相比，厌氧生物处理主要有如下优势：国无需 供氧，可以节省供氧设备和动力消耗； 产生招气，可以回收生物质能源： 污 泥产量少，可以降低污泥赴置费用： 能降解许多有机毒物，可以补充好氧生物 处理的功能不足。 髓l o 厌氯生轴楚墨与好氯生精是理比较 f i 9 1 2 c o m p a r i s i o eo f a u e r o b l e b i o t a e h a o l o g ya a d l e r a b i c b i o c e e b n o t o 盯 经过最近3 0 多年的研发，厌氧生物处理技术得到t 快速发展，涌现7 以厌氧 滤池、上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器、厌氧流化床( a f b ) 反应器、膨胀颗 粒污泥床( e g s b ) 反应器和内循环( 1 c ) 反应器为代表的一批高效厌氧生物反砬 器，井被广泛应用于有机废水处理工程，正在有机污染控制中发挥着重大作用 ( s p e e c e ，2 0 0 1 ；r e n a t o ，时a 1 2 0 0 6 ) 。 1 3 厌氧生物反应器研究进展 1 8 8 1 年法国c o s m o s 杂志介绍7 m o u r a s 自动净化器，美国著名环境工程学家 m c c a r t y 建议将这一年作为厌氧生物反应器研究和应用的开始，至今已有1 2 0 余年。 从发展历程看，厌氧生物反应器主要经历了三次重大革新。 1 3 1 第一代厌氧生物反应嚣 第一代厌氧生物反应器以传统消化器和高速消化器为代表，典型特征是不设 专门的污泥持留机制。1 9 1 2 年英国伯明翰建成露天敞口式厌氧消器后来德国人 k x e m e r 将其改进为密闭式消化器，这就是传统消化器( 田1 3 ) 。为了提高传统消 化器的容积效率，1 9 2 0 年英国人w a t s o n 增设了搅拌设备，强化了基质与微生物接 触，1 9 2 5 年德国人r u h r v e r b a a d n 增设了加热设备，提高了反应速度采用搅拌和 升温后，反应器容积效宰显著提高，称为高速消化器( 圈1 4 ) 。 一童号| 浙江大学硕士学位论文 引言 l 语气 传蕾蔫豫麓 图1 3 传统消化池 f i g1 3t r a d i t i o n a ld i g e s t e r 1 3 2 第二代厌氧生物反应器 纛l 蔫亿慧 圈1 4 高速消化池 f i g1 4h i g hr a t ed i g e s t e r 第二代厌氧生物反应器以厌氧接触消化器、厌氧滤器、上流式厌氧污泥床反 应器为代表，典型特征是设了专门的污泥持留机制。采用搅拌后，高速消化器的 水力停留时间( h r t ) 与污泥停留时间( s r t ) 相等，不利于通过缩短h r t 来提 高装置容积效率。1 9 5 6 年s c h r o e f e r 在高速消化器后增设二沉池，使污泥沉淀并回 流至反应器内，实现了h r t 与s r t 分离，提高了反应器内的污泥浓度，成功研发 了厌氧接触消化器( a c ，图1 5 ) 。1 9 6 7 年m c c a r t y 在装置内充填石块，成功研发 了厌氧滤器( a f ，图1 6 ) 。在厌氧滤器中，厌氧微生物附着生长于填料表面并以 生物膜的形式持留于装置内。但由于填料占据体积，厌氧滤器有效容积不大且易 发生堵塞。为了克服这些缺陷，1 9 7 4 年荷兰l e t t i n g a 将沉淀池设置于反应器上部， 发明了不加填料的上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器( 图1 7 ) 。u a s b 反应器容 积负荷可高达1 0 2 0k gc o o ( m 3 d ) ，在世界各地得到广泛应用，对废水厌氧生物 处理具有划时代的重要意义 图1 5 厌氧接触消化器 f i g1 5a n a e r o b i cc o n t a c td i g e s t e r 3 浙江大学硕士学位论文引言 f 沼气 图1 6 厌氧滤器 f i g1 6a n a e r o b i cf i l t e r 1 3 3 第三代厌氧生物反应器 图1 7u a s b 反应器 f i g1 7u a s br e a c t o r 第三代厌氧生物反应器以厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 反应器和厌氧内循环 ( i c ) 反应器为代表，典型特征是设了专门的反应液循环机制。u a s b 反应器内持 留大量颗粒污泥，为其高效运行创造了条件但因装置内混合强度不够，进i = i 端 容易超负荷，导致底部基质及其中间产物浓度过高，抑制厌氧微生物作用；也容 易形成短流( 图1 8 ) ，将基质及其中间产物直接携带至出i = i 端，影响转化效率。 1 9 7 6 年荷兰l e t t i n g a 通过对反应器径高比的合理设计以及对反应液的外部循环， 发明了e g s b 反应器( 图1 9 ) ；有效改善了进口端基质浓度过高，出i = l 端基质浓 度过低的状况，实现了装置内的养分自平衡；也有效改善了进口端碱度过少、出 口端碱度过多的状况，实现了装置内的碱度自平衡。生产性e g s b 反应器的h r t 可达1 8h ，容积负荷可达1 7 0k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率可达9 8 。1 9 8 5 年p a q u e s 公司将两个u a s b 反应器纵向串联，发明了i c 反应器( 图1 1 0 ) ；不仅通过气流 搅动，实现了装置内的营养自平衡，也通过气流驱动的反应液内循环，实现了装 置内的碱度自平衡；同时通过双室分隔，实现了功能菌群的区域分布和生态优化 生产性i c 反应器的h r t 可达2 0 2 5h ，容积负荷可达2 0 4 0k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率可达8 5 以上( l e t t i n g a ，e ta l ，1 9 9 1 ) 4 * 域学论i言 辩 黼 回 圈1 8u a s b 反应墨木流模型 f i 9 1 8 f l e w m e d e l0 f u a s br e a c t o r 编 型l01 ，f 邕 田1 9e g s 5 反应嚣 f 艳l j e g s br e l t d o f * n 大学十学论i 自 b l o p a t0 1 m i cf e a c t o r m 黼嘬n _ -一( 岫 圈1 1 0i c 反应器 f i 9 1 1 0 i cr d l c t o r 1 3 4 厌氧生物反应器发展趋势 纵观厌氧生物反应器的发展历程，厌氧生物反应嚣正朝着高效，稳定、易控 的方向发展，单元技术不断突破并整合至厌氧生物反应器系统中。 生态优化1 9 6 7 年美国著名微生物学家b r y a n t 根据他对厌氧消化微生物的研 究结果，提出了如田1l 所示的三阶段厌氧消化过程。由于发酵苗群产氢产乙酸 菌群和产甲烷菌群在生理特性营养要求和耳境条件上有显著差异，将它们放在 同一空间内进行厌氧消化反应，会限制其功能的正臂发挥为此，1 9 7 1 年美国人 g h o s h 提出了两相厌氧消化工艺( 国1 1 i ) 将产酸过程和产甲烷过程分别放在两 个反应垂内进行，有效地提高了厌氧污泥活性。在此基础上，1 9 8 8 年美国人t h i e l e 对两相厌氧消化工艺进行强化，并结合厌氧消化产物所具有的阴离子特性，提出 7 阴高子变换基质交换往复工艺，使备厌氧消化菌群的生长条件和代谢条件得到 j 进一步的优化，该工艺实验室试验的o l r 高迭3 7 0 - 4 3 0k g c o d ( m l d ) ，所啻j 造 的世界记录迄夸未破( t b i e l ea n d z e i k u s 1 9 8 8 ) 限制污泥纵向运对，使功能菌群 在装置内呈区域分布，有助干生态优化，增强反应活力。 浙江大学硕士学位论文 引言 出水回藏( 中和 产酸系维 产甲垸蓑缝 图1 1 l 两相厌氧消化工艺 f i g1 1 1t w o - p h a s ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s 养分平衡废水厌氧生物处理实质上是污染物被厌氧微生物作为营养物质利 用的过程。经过调节池的预处理后，从总体上看废水成分已能满足厌氧微生物对 营养物质的要求。但厌氧生物反应器有一定高度，进口端废水中的养分浓度及其 比例能够满足厌氧微生物的要求，出口端废水中的养分浓度及其比例未必就能满 足厌氧微生物的要求。采用反应液循环式反应器，可使整个反应器的养分浓度及 其比例得到平衡，满足各功能菌群的要求( h u l s h o f f p o l ，e t a l ，2 0 0 4 ) 。 碱度平衡厌氧消化过程由几个菌群协作完成。在复杂有机物的转化过程中， 产酸阶段可积累挥发性脂肪酸( v f a ) ，使发酵液酸化，但随着产甲烷阶段的进行， v f a 被转化成甲烷、二氧化碳和水，又可使发酵液重新碱化。在高负荷厌氧生物 反应器中，下部偏酸，上部偏碱，出水中的碱度得不到充分利用，易发生整个发 酵液酸化。设置反应液循环，可在反应器内实现酸碱自平衡，既消除进口端的酸 性抑制，也消除出口端的碱性抑制，满足各功能菌群的要求。 1 4 厌氧生物反应器工作过程分析 在厌氧反应器中，水解发酵菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷茵群不仅进行着 各自的代谢反应，也进行着菌群问的协同作用若以葡萄糖作为模式基质，厌氧 消化的一些代谢反应见表1 1 ( m c l n e m e y , 1 9 9 9 ；j a c k s o na n dm c l n e m e y , 2 0 0 2 ) 由 表1 1 可知，在标准状态下，位于食物网前端的产酸发酵反应以及位于食物网末端 的产甲烷反应的自由能变化皆为负值，能够自发进行，而位于食物网中间的产氢 7 浙江大学硕士学位论文引言 产乙酸反应的自由能变化为正值，不能自发进行要使产氢产乙酸反应顺利进行， 必须使产氢产乙酸菌与氢营养型产甲烷菌协同作用( m a l l ，e ta l ，1 9 9 9 ；j a c k s o na n d m c l n e m e y , 2 0 0 2 ) 表1 1 厌氧消化的代谢反应 ：! 业! ! ：! 堡竺! 璺垒2 1 韭堡些垡2 翌2 1 垒翌璺宝翌q i 坐罂ii 塾i 2 望 - 一 代表性反应a g o ( k j , 反应) 水解发酵反应 葡萄糖+ h 2 _ 2 乳酸盐+ 2 h + 一1 9 8 2 葡萄糖+ 4 h 2 0 2 乙酸盐+ 2h c 0 3 。+ 4 旷 2 0 6 3 葡萄糖+ 2 h 2 0 2 乙醇+ 2h c c h 。+ 2 盯 - 2 2 5 9 葡萄糖+ 2 h 2 2 丙酸盐+ 2h 2 0 佗矿 3 5 8 0 葡萄糖+ 2 h 2 0 2 丁酸盐+ 2h c o f + 3 h 、2 h 2 - 2 5 4 4 产氢产乙酸反应 乳酸盐+ 2 h 2 0 - + 乙醇+ h 2 0 一 丙酸盐+ 3 h 2 0 一 丁酸盐+ 2 h 2 0 一 产甲烷反应 2 乙酸盐+ h c 0 3 + l r + 2 h 2 乙酸盐+ 矿+ 2 h 2 2 乙酸盐+ h c 0 3 。+ h + + 3 h 2 2 乙酸盐+ l r + 2 h 2 4 h 2 + h 0 0 3 呵一c h 4 + 3 h 2 0 乙酸盐+ h 2 0 一c h 4 + h c c h 4 产氢产乙酸菌与氢营养型产甲烷菌的协同代谢反应 2 乳酸盐+ h 2 0 2 乙酸盐+ h c 0 3 + l 王+ 2 乙醇+ h c 0 3 一 2 乙酸盐+ c h 4 + h + + h 2 0 4 丙酸盐+ 3 h 2 0 4 乙酸盐+ 3 c h 4 + h c 0 3 一+ 矿 2 丁酸盐+ h c 0 3 + h 2 04 乙酸盐+ c h 4 + r 4 2 + 9 6 + 7 6 1 + 4 8 3 - 1 3 5 6 3 1 0 - 1 4 4 0 一1 1 6 4 1 0 2 4 3 9 o 在正常的厌氧消化系统中，乙酸盐和氢对甲烷的贡献率分别为6 8 和3 2 ， 其中通过原料发酵产生的乙酸盐和氢对甲烷的贡献率为5 7 ，通过中间产物丁酸 盐降解产生的乙酸和氢对甲烷的贡献率为8 ，通过中间产物丙酸盐降解产生的乙 酸和氢对甲烷的贡献率为3 5 ( m a h ，e ta l ，1 9 9 9 ) ，各种厌氧消化中间产物对产甲 烷的贡献见表1 2 由此可见，“水解发酵菌群一产甲烷发酵菌群”和“水解发酵 菌群一丙酸降解菌群一产甲烷茵群 是厌氧消化食物网的主要通道。 表1 2 各种厌氧消化中阊产物对产甲烷的贡献 产甲烷前体中间产物 对产甲烷的贡献( ) 8 浙江大学硕士学位论文引言 d o l f i n g ( 1 9 9 2 ) 认为，整个厌氧消化系统是一个“零总和社会”，各菌群协同 进行厌氧消化作用，共同分享基质释放的能量。一种中间产物浓度升高可为这种 产物的消费者增加特定额度的能量，但同时导致这种产物的生产者减少同等额度 的能量。三种厌氧消化模式的能量分配比较见表1 3 。由表1 3 可知，在厌氧消化 过程中，常见的丙酸乙酸甲烷型发酵模式并非是理想的厌氧消化模式，因为在各 功能菌群的能量分配中，水解发酵菌群独占了8 8 7 的能量份额，而产氢产乙酸茵 群和产甲烷茵群只分享了剩余1 1 3 的能量份额。如果细菌的生长与获得的能量成 正比( s t e p h a n o p o u l o s ，e ta l ，1 9 9 8 ) ，那么水解发酵菌群的生长极易超过其他两个菌 群而导致菌群之间的生长失衡，并由此造成厌氧消