（环境工程专业论文）木薯酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验.pdf

木薯酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 摘要 木薯酒精废液含有大量有机污染物质，其c o d 和固体悬浮物浓度都很 高。本研究以牛粪作为菌种来源，筛选出适合处理木薯酒精废液的厌氧发 酵菌，并研究了基质浓度、菌种投加量等生态因子对废液厌氧发酵过程中 c o d 降解以及甲烷产量方面的影响。同时，采用两相厌氧工艺处理木薯酒精 废液，并将它的处理效果与之前的单相厌氧发酵对比，旨在为该工艺的工 业应用提供数据支持。 在实验过程中，不添加外加刺激离子且在中温条件下，最佳发酵效果 发生在基质浓度为1 0 倍稀释液浓度、菌种投加量为1 6 5 9 l 、氮源投加比 例为c o d ：n = 1 0 0 ：2 5 的情况下，此时c o d 在1 5 天内的累积去除率为8 5 2 ， 甲烷产量为2 2 3 4 m l g c o d 去除。 外来刺激离子的添加以及高温均对厌氧发酵产生影响：在上述最佳条 件下，添加微量元素液，能使c o d 累积去除率达到9 2 3 ，甲烷产量提高到 2 3 6 9 m 1 g c o d 去除；碱金属以及碱土金属离子的添加，在c o d 累积去除率 以及甲烷产量上与上述对照组相差不大，但能明显缩短发酵时长；通过另 外两组不同设计的实验发现，亚铁离子的添加对c o d 的降解有一定的阻碍， 但甲烷产量能明显提高4 2 9 ；而高温条件下，c o d 的降解可达9 1 ，甲烷 产量高达2 8 9 1 m l g c o d 去除，相比于对照组有明显优势。 以厌氧菌接种产酸相的相分离效果不明显，产酸结束时，v f a s 换算成 c o d 后，占此时发酵液总c o d 的1 1 1 4 ；而接种好氧菌时，该比值可高 达4 7 9 。同时，实验还发现：高温产酸效果比中温产酸效果好；产酸过程 中糖的降解速率明显快于蛋白质；在产酸过程中，随着v f a s 的累积，碱度 呈下降趋势，而在产甲烷相中，随着蛋白质等含氮有机物降解释放出氨又 会使碱度略有上升。此外，产酸相的末端产物在进入产甲烷之前，仅调节 p h 值而不调节碱度将会导致后续产甲烷相运行的失败。 通过实验结果的对比发现两相厌氧发酵能在与单相厌氧发酵c o d 降解 相差不大的情况下缩短发酵时长，且明显提高甲烷产量。此外，通过对比 还发现，两相厌氧污泥比生成量更低，且在污泥c o d 特性方面与单相厌氧 的有差别。 关键词：牛粪木薯酒精废液厌氧发酵两相厌氧处理 s c r e e na n df e r m e n t a t i o nt r i a l so fa n a e r o b e s a c c l i m a t i z e dt oc a s s a v = f a l c o h o lw a s t e ，a t e r a b s t r a c t c a s s a v aa l c o h o lw a s t e w a t e rc o n t a i n e dp l e n 够o fo r g a i l i cc o n t a m i n a j l t s ，a n d 1 ec o n c e n t i 嘶o no fi t sc o da i l d s u s p e n d e ds o l i d sw e r ev e 叫h i 曲1 h e a n a e r o b e sw h i c hw a su s e dt ot h ec a s s a v aa l c o h o lw a s t e w a t e rt 1 e a 恤e n tw e r e s u c c e s s 如1 1 y s c r e e n e d 盘o mc o wm a n u r e ，a n dt 1 1 e e 师b c t so fs u b s 缸a t e c o n c e n t r a t i o n ，s 舰i n sd o s a g ea n ds o m eo m e rf a c t o r so nt h ea d dd e f a d a t i o n a n dm e m a l l ey i e l di nm ea n a e r o b i cf e m e n t a t i o nw e r ea l s os t u d i e d a tm es a h l e t i m e ，僦。一p h a s ea n a e r c b i cf e m e n t a _ t i o nw e r ea d o p t e di i lt h ec a s s a v aa l c o h o l w a s t e w a t e rt r e 稚n e n t ，a n di t sr e s u l t sw e r ea l s oc o m p a r e dw i t l l s i n 酉e p h a s e a n a e r o b i cf e m e n t a t i o ni i lo r d e rt os u p p l yu s e 如ld a t at oi i l d u s 仃y 印p l i c a t i o n s 1 1 1t 1 1 ee x p e r i m e n t ，a tm e s o l e m a l t e i n p e r 狐u a n dn oe x 舰i 1 1 f l u e n t i a li o n s a s p r e m i s e ，t l l eo p t i m a l r e s u l t sh 印p e n e da t l ec o n d i t i o n st h a ts u b s 仃a t e c o n c e l l _ 慨i o nw a s1ot 沛e sd i l u t i o n ，s 讹i n sd o s a g ew a s16 5 9 la n dc o d ：n w 弱1 0 0 ：2 5 ，w h i c ha c h i e v e d8 5 2 o ft h ea c c u m u l a t e dc o dr e m o v a lr a t ea n d 2 2 3 4 m 垤c o d r 锄0 v e do f m e t l l a n ey i e l di n15d a y s b o mm ea d d i t i o no fe x t r ai i l f l u e m i a l i o n sa n dt i l eu s eo f h i g ht e n l p e r a 臼l r e i n f l u e n c e dm ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ：a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o na b o v e ，a d d i t i o n i i i o ft r a c ee l e m e n t sc a nm a k et 1 1 ea c c u m u l a t e dc o d r e m o v a lr a t ea r r i v ea t9 2 3 a n dt h em e t h a n ey i e l da r r i v ea t2 3 6 9 m l 儋c o d r e m 。v e d ；、v h e n 也ea l l ( a l im e t a l s c o m b i n e dw i t ha l k a l i n e e a r t hm e t a l sw e r ea d d e d ，t h e r ew e r en os i g m f i c a m d i 虢r e n c eo fa c c u m u l a t e dc o d r e m o v a lr a t ea n dm e t h a n ey i e l db e t w e e nt h e 撕oe x p e r i m e n t s ，b u tt h ef e n i l e n t a t i o nt i m eo ft h ee x p e r i m e n tw i m a d d i t i v ec a i l b eo b v i o u s l yr e d u c e d ；ma n o m e rt w oe x p e r i m e n t so fd i a e r e n t d e s i g n s ，t h e a d d i t i o no ff e r r o u si o nb r o u 曲ta b o u ts o m ei n h i b i t i o n sm t 1 1 ec o d d e 铲a d a t i o n ， b u tt 1 1 em e t h a l l ey i e l di n c r e a s e d4 2 9 ；i nt h ee x p e r i m e n to f 1 1 i g ht e m p e r a m r e ， t h ec o d d e g r a d a t i o nc o u l dr e a c h91 ，a n dm e t h a n ey i e l dc o u l da r r i v e da t 2 8 9 1m l 儋c o d r e m o v e d ，w h i c hh a do b v i o u sa d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dw i mt h e c o n t r o lg r o u p t h es e p a r a t i o no ft h et w op h a s e sw a sn o ts u c c e s s 如1w h e nt h ea c i dp h a s e w a si n o c u l a t e dw i t ha n a e r o b e s ，a n da r e rt 1 1 ea c i d i cf e m e n t a t i o nc a m et oa ne n d ， t h ec o dv a l u eo fv f a sa c c o u n tf o r1 1 1 4 o f t h et o t a lc o d ；b u t 、h e nt 1 1 e a c i dp h a s ew a si n o c u l a t e dw i t ha e r o b e s ，t h er a t i oc a nr e a c h4 7 9 a tt h es 锄e t i m e ， t h ec o n c l u s i o nb e l o ww e r ea l s od i s c o v e r e d ： t h er e s u l to f a c i d i c f e n n e n t a t i o ni nh i g ht e m p e r a t u r ew a sb e t t e rt h a nt h eo n ei nm e s o t h e r m a l t e m p e 胁e ；i nm ep r o c e s so fa c i d i cf e m e n t a t i o n ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo f c a r b o h y d r a t e sw a sf a s t e rt 1 1 a nt h ed e g r a d a t i o nr a t eo fp r o t e i n s ；i nt 1 1 ea c i d i c f e 咖e n t a t i o n ，a l k a l i n i t yt e n d e dt od e c r e a s ea st h ea c c u m u l a t i o no fv f a s ，a n di i l t h em e t h a n o g e n i cp h a s e ，a l k a l i n i t yw o u l di n c r e a s es l i g m l ya st h er e l e a s eo f a m m o n i aw h i c hw a sp r o d u c e di i lt h ed e g r a d a t i o no fo 培a u l i c sc o n t a i n i n g n i 仃o g e n m o r e o v e r 廿1 eo p e r a t i o no fm e t h a n o g e l l i cp h a s e 、v o u l ds u 虢raf i a i l u r e d u et ot 1 1 el o wa l k a l i n i 够e v e nm ep hw a sa d j u s t e db e f o r em er e s i d u e so fm e a c i d i cp h a s ec a m ei n t om em e t h a n o g e n i cp h a s e w h e nc o m p a r e dw i ms i i l g l e - p h a s ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，t 1 1 et w o - p h a s e a n a e i i o b i cf e m e n t a t i o nc o u l dr e ( 1 u c et h ef - e m e ：n 1 【a t i o nt i m ea n di n c r e a s et 1 1 e m e m a n ey i e l do n 1 ep r e m i s eo fm es i m i l 2 u re f f e c t si i lc o dd e g r a d a t i o n m o r e o v e r ，m ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r ea l s od i s c o v e r e d ：t h es p e c i f i c 锄e r o b e s p r o i u c t i o n o f t w o - p h a s e a n a e r o b i cf e m l e n t a t i o nw a sl o w e rm a n廿1 e s i i l g l e - p h a s ea 1 1 a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，a n dt h e r ew e r ea l s od i 伍色r e n c ee x s i t 访g b e 伽e e nt h e 俩ot r e 她e n t si nt h ec o dc h 卸r a c t e ro ft h eb a c t e r i a k e yw o r d s ：c o wm a n u 他?c a s s a v aa l c o h o lw a s t e w a t e r !a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ； 押0 - p h a s ea n a e m b i ct a t m e n t v 符号 a s b r c o d c s t r e g s b g g 。 h r t 七 k n a d 十 n a d h n a d p + n a d p h o l 冲 s s d s b r s c o d s s r t c o d t k n t p t s s u a s b v f a s v s s 符号说明 意义 厌氧序批式反应器 化学需氧量 连续搅拌反应器 膨胀颗粒污泥床反应器 t 时刻的累积甲烷产量 最终甲烷产量 水力停留时间 一级底物降解速率常数 离解常数 氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 氧化还原电位 t 时刻的可生物降解底物的量 可生物降解底物的初始量 序批式活性污泥法 溶解性化学需氧量 悬浮固体颗粒浓度 厌氧消化时间 总化学需氧量 凯氏氮含量 总磷含量 总悬浮固体颗粒浓度 上流式厌氧污泥床反应器 挥发性脂肪酸含量 挥发性悬浮固体颗粒浓度 v i 单位或量纲 m g l 一1 | l m m h 矿 m l 1 l l l 1 l 1 v 恪 峪 矿u 矿 矿 矿q 扩“ m g g m g d m m m g m g 广西大学工程硕士学位论文 木暮酒精废液厌氧发醇菌种的筛选及其袅醇试验 1 1 选题背景 1 1 1 木薯酒精行业现状 第一章绪论 我国从2 0 世纪9 0 年代前后开始形成了木薯酒精加工业，以鲜木薯和木薯干片为原 料生产食用酒精和工业酒精，现有酒精企业3 0 多家，日产能力约4 0 0 0 t ，年产木薯酒 精7 0 万t n3 。其中，广西的木薯酒精企业占到2 0 余家，总生产能力达6 0 多万t ，占全 国生产能力的8 0 以上瞳1 。 随着全球能源危机的出现，燃料酒精做为石油燃料的替代品，逐渐受到重视，木薯 酒精生产也受到青睐。目前，作为木薯主要产地的广西，以将木薯酒精产业做为其今后 拉动广西经济增长、改善人民收入和生活水平的支柱产业。 1 1 2 木薯酒精废液来源与特点 木薯酒精废液主要来自发酵醪液进入粗馏塔后由底部排放的废液以及生产设备的 洗涤水口1 ，出水温度都高达9 0 。其中含有大量糖分、蛋白质、无机盐( 钙、磷、铁、 锌等元素) 、纤维素等，c o d 高达1 0 ，0 0 0 5 0 0 ，0 0 0 m g l ；其p h 值通常在3 5 之间，属 酸性废水；此外，刚排放的废液，如果未经离心等手段固液分离，是含有大量悬浮固体 物质的，其浓度在3 0 5 0 m g l 。 1 1 3 木薯酒精废液治理现状 目前，许多企业采用的处理技术非常落后，废液需经过长期自然氧化才能达到要求， 有的甚至未达标排放。比如广西和海南大多数木薯淀粉和酒精生产企业还是采用传统的 氧化塘方法n 1 ( 该工艺占地面积大，空气污染严重，处理耗时长) 。 在国内的木薯酒精废液治理的过程中，一些关键技术的应用推广不足，比如升流式 厌氧污泥床工艺( u a s b ) ，大部分酒精厂仍沿用第一代厌氧反应器技术，并且设计的工 艺路线不合理n 1 。 此外，根据木薯酒精废液的特点，被推荐的最多的处理方法是厌氧处理。厌氧处理 木薯酒精废液有以下优势：在降解废液c o d 的同时回收生物气( 甲烷或氢气) 能源；营 广西大掌工程硕士掌位论文 木薯酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 养需求低；污泥产量少：反应器体积小：能源消耗少；管理成本低等。好氧处理也有研 究瞄6 | ，但一般都用作木薯酒精废液的深度处理( 厌氧处理的后处理) 。其它方面处理方 法的研究也有报道，比如用酵母菌7 1 或培养小球藻的方法鹏3 处理木薯酒精废液。 1 2 传统单相厌氧发酵的介绍 1 2 1 厌氧发酵的主要过程 厌氧发酵过程可以分为水解、发酵酸化、产乙酸和产甲烷四个阶段阳1 。水解阶段为 复杂的非溶解性的聚合物转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程；发酵酸化为溶解性 有机物被转化为挥发性脂肪酸为主的末端产物；产乙酸阶段为酸化阶段的产物在产乙酸 菌作用下转化为乙酸、氢气和二氧化碳的过程；产甲烷阶段为最后一阶段，乙酸或氢气 和二氧化碳被直接转化为甲烷气体。 1 2 2 厌氧发酵微生物的主要类群 在厌氧消化有机物过程中，参与消化作用的微生物包括非产甲烷细菌和产甲烷细菌 两大类。产甲烷细菌完成上述四个阶段过程中的最后一阶段，而前面三阶段全都由非产 甲烷细菌完成。 非产甲烷细菌主要由专性厌氧菌和兼性厌氧菌组成，大约有1 8 个属，5 0 多种。这 些菌广泛分布于厌氧消化池中，其中优势种群依被消化的有机废物的不同而不同。 非产甲烷细菌对氧气、p h 值以及温度等环境条件的适应性比产甲烷菌要强，因为前 者大多数属于异养型兼性细菌群，而后者一般属于严格厌氧型。产酸茵的世代短，数十 分钟到数小时即可繁殖1 代。 非产甲烷主要由发酵细菌群、产氢产乙酸以及同型乙酸菌。 发酵细菌群参与厌氧消化的第一、二阶段，包括细菌、原生生物和真菌，大多数为 专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧茵。其代谢功能多种多样：有分解纤维素的，将其转化 为二氧化碳、氢气、乙醇和乙酸；有分解碳水化合物的；有分解蛋白质的，先将其分解 成氨基酸，进一步分解成硫醇、氨和硫化氢等( 非蛋白质的含氮化合物，如嘌呤、嘧啶 等物质也能被其分解) ；还有分解脂肪的，能将其分解成简易脂肪酸。 产氢产乙酸菌，主要参与第三阶段作用过程。他们中有专性厌氧菌，也有兼性厌氧 菌，他们能够在厌氧条件下，将丙酮酸及其他脂肪酸转化为乙酸、二氧化碳，并放出氢 2 广西大掌工程硕士学位论文木暮酒精废液厌摹发醇菌种的筛选及其发酵试验 气。这一过程需要吸收大量能量，有赖于产甲烷细菌同化氢气释放能量供其利用，因此 二者形成共生关系。 同型产乙酸菌，参与第三阶段的厌氧过程。他们能够将二氧化碳、氢气转化成乙酸， 也能将甲酸、甲醇转化为乙酸。由于其厌氧作用的产物唯一( 即乙酸) ，故称其为同型 乙酸菌。 产甲烷细菌是一类相比于其他厌氧菌具有独特性状的专性厌氧菌。他们在系统发育 上与典型的原核微生物有很大的差别，这类菌的细胞壁不含有胞壁酸和肽聚糖，属古细 菌； 产甲烷细菌的世代都比较长，一般约4 “d 繁殖l 代； 产甲烷细菌具有生物排他性； 产甲烷菌具有非光合作用的转化二氧化碳的能力( 不需要太阳能和叶绿体) ； 产甲烷细菌在紫外线下能发出荧光。其中一种物质f 4 2 0 ，是传递电子的辅酶。一般 认为，甲烷菌对氧的敏感与该物质有着密切关系。 1 2 3 非产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系 ( 1 ) 非产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需的基质 非产甲烷细菌把碳水化合物、脂肪以及蛋白质等复杂的有机物质降解为挥发性脂肪 酸、乙醇、二氧化碳、氢气以及氨等，其中的二碳以上的酸以及乙醇又可被进一步转化 为二氧化碳、氢气以及乙酸，供后续的产甲烷细菌使用。 ( 2 ) 非产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原电位 厌氧菌中非产甲烷细菌和产甲烷细菌的氧化还原电位适应范围有所不同，其中非产 甲烷细菌的最适电位在4 0 卜1 0 0 m v ，而产甲烷细菌的氧化还原电位不能高于3 2 0 m v 。 厌氧反应发酵刚开始时，由于不可避免的在加料的过程中混入了一定量的氧气，使的其 中的氧化行业电位较高，产甲烷茵的活性就会受到抑制。这时，非产甲烷菌中一部分菌 ( 主要是兼性厌氧菌) 就会消耗掉这部分分子态氧以及一部分以有机态形式存在的化合 态氧，从而使氧化还原电位下降至3 2 0 m v 以下，产甲烷茵恢复活性并发挥作用。 ( 3 ) 非产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质 许多工业废水含有酚、氰、苯甲酸以及重金属离子等对产甲烷菌有毒害作用的物质。 而一部分非产甲烷菌具有分解其中部分物质( 如苯环、氰化物等) 的能力，这样其对产 甲烷菌的毒害作用将会解除。此外，非产甲烷菌中有一部分具有还原硫酸盐生成硫化氢 广西大学工程硕士学位论文 木l 酒精废液厌匀o i l 醇菌种的筛选及其发酵试验 ( 对产甲烷菌有毒害作用) 的功能，硫化氢能与重金属离子结合生成沉淀，其对产甲烷 菌的毒害作用将得到解除。 ( 4 ) 产甲烷细菌能解除非产甲烷细菌在生化反应中形成的反馈抑制 在非产甲烷细菌作用时，相关生成物会对非产甲烷菌的分解转化作用产生反馈抑 制。而产甲烷细菌能将产生的二氧化碳、氢气以及乙酸转化为甲烷，降低其浓度，解除 相应产物对非产甲烷细菌的抑制。 ( 5 ) 非产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的p h 值 同氧化还原电位一样，维持非产甲烷细菌与产甲烷细菌活性所需的p h 值范围不一 样，前者的适应范围较广( 5 5 8 5 ) ，后者的适应范围仅在6 6 7 8 。当发酵开始时， 非产甲烷菌分解有机物产生大量v f a s 以及碳酸，p h 会下降，但产甲烷菌及时的利用掉 了乙酸，同时蛋白质等含氮物质的分解会产生氨，中和掉部分的酸。这样，条件适当就 能够保持一种平衡。 但在一些情况下，比如有机负荷较高的情况下，产酸作用强于产甲烷作用，使得过 多的酸出现累积，导致p h 值下降，p h 下降又会进一步抑制产甲烷菌作用，如此恶性循 环，这种现象称为酸化，是产甲烷过程中尽量避免的。 1 ，2 4 影响厌氧发酵的环境因素 ( 1 ) 温度 厌氧微生物按其适应生长的温度范围可分为嗜冷微生物、嗜温微生物以及嗜热微生 物三类( 相应的温度范围分别为5 2 0 、2 0 _ - 4 2 和4 2 7 5 ) 。每类微生物的生长 速率会随温度的上升而增大( 在其适宜的温度范围内) ，直到达到最大值，此时的温度 即为最适生长温度( 针对厌氧菌，一般嗜温微生物的最适温度为3 7 ，嗜热微生物的 最适温度为5 5 ) 。过了最适温度，到达最高生长温度之前，微生物生长活力随温度的 升高而下降，且这是一段相对较窄的温度范围。 一般地，在厌氧发酵过程中，温度低于适宜的温度生长范围，不会产生不可逆的影 响，一旦温度恢复正常，厌氧反应即可正常运行；但温度过高，往往会造成不可逆的影 响，如细胞死亡等。 对于厌氧反应，低温下，微生物的活力明显低于中温和高温，相应的处理效率因此 一般都很低，一般不采用。中温下，微生物活力较高，且较易实现，目前，大多数工艺 都是采用中温厌氧处理。高温下，有很多中温没有的优势，比如，高温对病毒、病菌有 4 广西大学工程硕士掌位论文 木l 酒精废液厌晕发醇菌种的筛选及其发酵试验 较强的灭活作用，对寄生虫卵杀灭率高达9 9 ：在高温条件下，大多数有机物的生物降 解反应相比于中温条件下更易进行，需要更少的能；高温能减少反应器和出水中溶解的 氢气、氨、甲烷以及硫化氢的量，从而提高出水水质：此外，较高的温度，还会使水的 表面张力减少，化合物在水中的扩散速率增加。然而，高温需要耗费更多的能量，这势 必会增加厌氧消化的成本。 此外，菌种的生长温度是菌种本身固有的特性。嗜温菌不能经过驯化“转变 成嗜 热菌，通常情况下，高温反应器中接种中温污泥启动成功可以理解为：中温时这些嗜热 菌处于休眠状态。 ( 2 ) p h 如前面几节所述，厌氧发酵菌可分为非产甲烷菌和产甲烷菌，且两者对p h 的适应 范围有明显的不同。非产甲烷菌适应范围较广( 5 5 8 5 ) ，而产甲烷茵适应范围较窄( 6 。6 7 8 ) 。因为产甲烷菌对p h 更敏感，所以一般厌氧处理都将p h 控制在6 6 7 8 之间。 细菌对p h 改变的适应要比对温度的改变适应过程要慢得多。当p h 超过最适p h 范 围时，会对细菌活力产生抑制，如果持续过久，会产生严重后果，如当p h 低于最适p h 下限且持续时间较长时，就会出现“酸化，即产甲烷菌活力严重受到抑制而非产甲烷 菌( 产酸茵) 大量繁殖，产酸菌作用的产物v f a s 电离会使p h 进一步下降，当酸化严重 时，反应器系统难以恢复至原有状态。 在两相厌氧处理工艺中，p h 值还会影响到产酸相的发酵路径，从而对产酸相的末端 产物( v f a s ) 的组成产生较大影响。 ( 3 ) 碳酸氢盐碱度 在探讨碳酸氢盐碱度对厌氧发酵的影响之前，有必要探讨一下碱度相关知识。碱度 表示水样中能与强酸中氢离子结合的物质的含量，属于这样的物质在废水中是多种多样 的，它们包括：强碱，例如k o h 、n a o h 等离解得到的o h 一：弱碱，例如氨、苯胺、吡啶 等：弱酸阴离子，例如c 0 3 2 _ 、h c 0 3 一、h 。p 0 。一、h p 0 。2 _ 、s o 。2 - 、h s 0 3 一、腐植酸阴离子、h s 一、s 2 一等。此外，厌氧发酵过程中产生的v f a s 阴离子也具有结合氢离子的能力，因此 也表现出碱度。 碱度能反映出废水在厌氧处理过程中所具有的缓冲能力。如果碱度相对较高，则可 以应对厌氧发酵过程中有机酸的累积，防治p h 降到适宜范围之外。 在厌氧处理中，由于发酵产物中有大量的二氧化碳，这种在气态中的高的分压，会 使发酵液中溶解性的二氧化碳含量大增，相应的碳酸增多，同样电离出的弱酸阴离子 广西大掌工程硕士掌位论文 木薯酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 h c 0 3 一的含量也会增多，这势必会在合适的p h 范围内增大溶液的碱度。同样是发酵过程 中生成的物质v f a s 也能产生大量弱酸阴离子，用来充当碱度。但两者作用范围是有区 别的，起到的作用也轻重不同。假设发酵液中的弱酸为h a ( 一元酸) ，它在水中离解有 下列平衡： 删 日+ + 彳一 离解常数为尼= h + a - h a 。 上式两边取对数则有： p h = p + l g a 一 h a 由于 a 与 h a 的和是个定值，通过函数分析，可以判断，当 a 一 = h a 时，这时 外加强酸或强碱，p h 变化最小。这说明当p h = 施时，该酸的缓冲能力最强。对于碳酸 p 尼= 6 3 5 ，而对于v f a s ，觚的值大约在4 8 。此外，正常发酵的p h 在6 8 之间。因此， 在正常发酵的范围内发酵液的碱度主要由h c o 。一引起，由h c o 。一所形成的碱度叫做碳酸氢 盐碱度，它是反映废水在厌氧处理过程中所具备的缓冲能力的更切合实际的指标。 ( 4 ) 营养盐及外来添加物 为了维持厌氧发酵微生物正常的代谢活动，除天然有机物的废水外( 这类废水中含 有较充足的氮和磷元素，一般不用调节) 其它如化工类废水等一般都需要将碳、氮以及 磷的含量调到合适的比例。 一般地，氮和磷的要求比值是很确定的，为5 ：1 ，这无论在好氧反应还是在厌氧反 应的需求上是一致的，但对碳的需求，两者是有区别的。厌氧反应过程中由于细胞合成 率低，因此碳的需求会更高。此外，不同性质废水所含碳的可生物利用率的不同也是导 致废水处理所需碳量不同的一个原因。 关于微量元素液，虽然厌氧菌需要的微量元素非常少，但微量元素的重要性不容忽 视。 这里讨论的外来添加物质包括一些含有特殊基团或者活性键的化合物、碱金属以及 碱土金属和氨氮等。第一类物质往往具有一定的生物可降解性，只有当浓度超过一定范 围时，其表现出的毒性才会对厌氧发酵菌产生抑制。 碱金属和碱土金属以及氨氮对厌氧微生物的作用可以概括为“低促高抑”，即低浓 度时促进微生物活动，高浓度时抑制微生物活性。表卜1 是m c c a 啊收集的部分碱金属 以及碱土金属离子对甲烷发酵速率的影响。此外，氨氮对甲烷菌表现出的毒性主要在游 离氨上体现，而高的p h 值，会提高游离态氨与铵离子的比值。 6 广西大掌工程硕士掌位论文 木暮酒精废液厌氧发醇菌种的筛选及其裳醇试验 表卜l 碱金属和碱土金属的刺激浓度和抑制浓度 m l b l e1 1t h ec o n c e n t r a t i o nw i l i c ha l k a l im e t a l sa i l da l k a l i n e - e a n hm e t a l ss t i m u l a t i o ni n h i b i t i o n 1 3 两相厌氧发酵的介绍以及应用 1 3 。1 两相厌氧工艺技术的特点及优越性 两相厌氧处理工艺由g h o s h 和p o l 锄d 于1 9 7 1 年提出n0 | ，它的本质特征是将微生物 产酸作用和产甲烷作用分开进行，使产酸菌与产甲烷菌这两类不同的菌分别在各自最佳 的工艺条件下作用。 按照两相分离的理论，可以将厌氧发酵的四阶段的前两阶段刚好归为产酸相阶段， 后两阶段归为产甲烷阶段：产酸阶段的微生物种类多，生产快，对环境条件变化不太敏 感；而产甲烷菌刚好相反，专一性很强，对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢。正是基于此 理论，两相厌氧工艺得以建立n 1 j 。 两相厌氧处理与传统的单相厌氧处理相比，有以下优点： 有更高的处理能力和效率。由于产酸相和产甲烷相分别置于两个反应器内并为它们提 供最佳的生长代谢条件，这使它们能够最大的发挥各自的活性，处理能力和效率自然就 得到提高； 能耐更高的冲击负荷。这是由于产酸相缓冲能力较强，冲击负荷造成的酸积累不会对 产酸相有明显的影响，也不会对后续的产甲烷相造成危害，提高了整个系统的抗冲击能 力： 有更高的系统稳定性。产酸相和产甲烷相分工明确，产酸相为后续产甲烷相提高合适 的基质，在这个过程中，产酸相能对有毒物质( 硫酸根离子以及重金属离子等) 起缓冲 作用，从而保证后续甲烷相高效稳定的进行； 代谢活动快，生长周期短的产酸相污泥能够得到及时的排出而不会导致产甲烷菌的丢 失： 由于污泥负荷得到了更大的提高，所有两相厌氧反应器体积可以做的更小n 射； 7 广西大学工程硕士掌位论文 木l 酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 对于处理高浓度的有机污水、悬浮物浓度很高的污水、含有毒物质及难降解物质的工 业废水，其优势更大，能取得远好于应用单相厌氧的废水处理效果。 1 3 2 实现两相分离的方法 目前，实现相分离的途径主要有化学法、物理法和动力学控制法n 3 | 。 化学法包括：向产酸相中投加产甲烷的选择抑制剂氯仿或四氯化碳等来抑制产甲烷 细菌的生长；还可以调节p h 值，利用在偏酸性的环境下甲烷菌代谢活性受到抑制的特 点来实现相分离。 物理法包括：向产酸反应器中供给一定量的氧气，调整反应器内的氧化还原电位， 利用产甲烷菌对溶解氧和氧化还原电位比较敏感的特点来抑制其在产酸相反应器中生 长。 动力学控制法：主要利用产酸菌繁殖速度快、世代时间短( 甲烷菌刚好相反) 的特 点，缩短产酸相的水力停留时间，使产甲烷菌还为来得及繁殖就被出流带走，而产酸菌 能保持相对恒定的生物量，从而实现相的分离。 上述三种方法中，运用的最为广泛的是动力学控制法。 1 3 3 产酸相发酵类型及其影响因素 ( 1 ) 产酸相中的三大发酵类型 在废水的厌氧生物处理过程中，有机物既作为电子受体也作为电子供体。根据末端 发酵产物组成的不同可分为丁酸型发酵、丙酸型发酵以及乙醇型发酵，这三种发酵与生 物化学中经典的丁酸、丙酸发酵及混合酸发酵较类似，但由于生态环境及生物种群有一 定差别，所以发酵末端产物并不完全相同。丁酸型发酵主要末端产物为丁酸、乙酸、二 氧化碳、氢气和少量的丙酸；丙酸发酵末端产物为丙酸和乙酸，氢气和二氧化碳的产生 量很少，甚至没有( 一般的，含氮有机化合物，如酵母膏、明胶、肉膏等，以及难降解 碳水化合物，如纤维素等的酸性发酵往往呈丙酸型发酵) ；乙醇型发酵( 任南琪等人发 现并定名) 不同于经典的乙醇发酵，发酵产物中除了有乙醇和二氧化碳外，还有大量氢 气( 在这一过程中，丙酮酸走乙酰辅酶a 旁路，即丙酮酸在丙酮酸铁氧还原酶和氢酶的 作用下生成乙酰c o a ，并同时生成氢气、二氧化碳。之后，乙酰c o a 经乙醛脱氢酶作用 转变为乙醛，再被乙醇脱氢酶催化生成乙醇，同时伴有乙酸的生成) 。 ( 2 ) 影响产酸发酵类型形成的生态因子及其调控 广西大掌工程硕士掌位论文木i 酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 影响三种发酵类型的生态因子包括接种污泥、污泥负荷、p h 值以及氧化还原电位 ( 0 r p ) 等。这些因子综合作用，任何一种因子的最佳作用范围是随其他因子既定条件 的改变而会出现变化的。这种综合作用还表现在即便一个生态因子多么的适应某一种发 酵类型的菌群，如果其他生态因子不利于他们的生理代谢和生长发育，该发酵类型就很 难形成或即使形成也不能出现该发酵类型典型的末端产物组成。因此，以下做的讨论是 在其他条件一定时研究的单因子对产酸发酵类型的影响。 首先看接种污泥，参与产酸作用的污泥( 菌种) 必须足够多样化，应包括不同发酵 类型的所有微生物。其浓度必须足够大( t s s 在2 0 9 l 以上) ，保证反应器的正常并快 速的启动。此外，接种的污泥以好氧泥或曝气培养后的厌氧泥为佳，比直接接种厌氧污 泥的驯化时间要缩短一倍。 再看下污泥负荷，有研究报道n 4 3 当以糖蜜为发酵基质，在连续流实验中，污泥负荷 在1 8 k g c o d ( k g v s s d ) 以下时，产酸类型为丁酸型发酵，能够实现快速启动；当污泥 负荷范围为2 3k g c o d ( k g v s s d ) 时，产酸类型为乙醇型发酵；当污泥负荷范围在3 k g c o d ( k g v s s d ) 以上时，末端产物中丙酸含量会非常高( 即向丙酸型发酵转变) 。 接着看下p h 值( 恒定p h ) ，m o o nh h w m g n 5 1 等以葡萄糖为基质，在中温条件下， 采用分批发酵的方式研究恒定p h 对氢气发酵路径( 即产酸路径) 的影响。在他们的研 究中发现，p h 值( 恒定p h ) 分别在4 0 - - 4 5 、4 5 5 0 、5 o 一6 0 取值时，氢气的发酵 主要路径分别为丁酸型发酵、乙醇型发酵以及丙酸型发酵。h e 舭r th p f a i l g n 6 1 等以葡萄 糖为基质，在中温条件下，采用类似c s t r 反应器做了相同类似的研究，他们发现恒定 p h 在4 o 6 0 的范围内，发酵以丁酸型发酵出现；当p h 在6 5 7 o 范围内逐步升高时， 发酵逐渐向丙酸型发酵转变。l - w 撕g 等n 7 1 研究发现厌氧污泥发生丁酸发酵在p h = 6 ，丙 酸发酵在p h = 5 5 ，而在p h 下降到4 5 时，发酵转变成了乙醇型发酵。 最后看氧化还原电位( o r p ) ，从厌氧启动到发酵正常进行过程中，一开始，反应器 接种的是好氧污泥，加之反应器中混入少量o 。，0 r p 较高，在l o o m v 以上，随着反应的 进行，o r p 不断下降。反应器内的群落经历了由好氧菌为主到兼性菌再到厌氧菌为主的 过程，丁酸型顶级群落、丙酸型顶级群落以及乙醇型项级群落的优势菌群的耐氧程度有 显著差别。丙酸型顶级群落优势菌为兼性厌氧菌，所需0 r p 较高，在一2 0 卜1 0 0 m v 之间； 丁酸型顶级群落和乙醇型顶级群落中以专性厌氧菌为主，所需0 r p 较低，分别在3 5 卜 2 0 0 m v 和一4 5 0 m v _ 一2 0 0 m v 之间。 9 广西大掌工程硕士掌位论文 木薯酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 1 3 4 产甲烷相中的物质转化规律 产酸相中的末端产物到了产甲烷相中又会发生怎样的转化最后变为甲烷，已经证明 在厌氧发酵过程中，产生的甲烷7 0 来自乙酸裂解，3 0 来自二氧化碳和氢气的合成。 乙酸除部分由产酸发酵细菌与其他酸偶联生成外，大部分由产氢产乙酸茵氧化乙醇、丙 酸、丁酸和戊酸等生成。 在产甲烷相中，产酸相的末端产物转化为甲烷的顺序。8 1 为：乙酸 乙醇 丁酸 丙酸。 在这些物质的降解过程中，除乙酸以外的其他v f a s 以及乙醇都会首先转变为乙酸，然 后再进一步转化为甲烷，他们转化为乙酸的速率顺序为：乙醇 丁酸 丙酸n 引。因此，乙 醇型发酵的末端产物是最有利于产甲烷相的运行，丁酸型发酵次之，丙酸型发酵最差。 这也是在实际的两相厌氧处理过程中，产酸相的末端产物丙酸较多时，整个工艺效率低 的原因。 1 3 5 废水的两相厌氧处理工艺的研究现状 目前，两相厌氧工艺应用很广泛。但凡富含有机物的流态或固体基质都可以运用两 相厌氧工艺。 胡锋平乜等对产温两相厌氧法处理养鸡场离心废水进行了研究。结果表明：进水c o d 为1 8 3 0 0 m g l ，系统容积负荷为1 7 2 6 k gc o d m 3 d ，水力停留时间为2 5 4 7 h ，c o d 去除 率为7 6 1 3 ，b o d 去除率为8 7 7 6 ，产气率为o 4 1 0 m 3 k gc o d ； 马文成，韩洪军乜门等利用两级两相厌氧工艺处理高浓度甲醇废水，以颗粒污泥作为 两级厌氧系统的接种污泥，5 0 天内完成了两级两相厌氧系统的快速启动，水解酸化反 应器出水中的挥发性脂肪酸最高为1 4 6 i n l l l o l l ，总的c o d 去除率达9 0 以上； 浦跃武，郭梅君心2 3 等对自行设计的一体化两相厌氧反应器处理猪场废水的启动进行 了研究，他们通过增加进水化学需氧量浓度和缩短水力停留时间的交替操作来提高c o d 容积负荷，采用动力学控制和p h 值调节相结合的方法对产酸相和产甲烷相进行分相。 系统达到稳定后，产酸相容积负荷可达到3 1 1 1 k g ( m 3 d ) ，c o d 去除率维持在 2 0 0 0 一3 0 0 0 ，系统总的c o d 去除率稳定在8 0 0 0 以上，悬浮固体去除率最高可达 9 2 8 0 ，沼气的容积产率可达2 5 7 m 3 ( m 3 d ) 。 此外，两相厌氧还有用于处理生活污水瞳3 1 、橄榄油厂废水瞳钔、淀粉加工废水乜副、啤 酒厂废水；还有将两相厌氧工艺与其它类型的工艺结合起来处理各类废水，如与s b r 工艺结合处理啤酒厂废水乜7 1 ，与好氧工艺结合处理奶牛场养殖废水心副，与“铁床 、“空 l o 广西大学工程硕士掌位论文 木暮酒精废液厌氧发酵菌种的筛选及其发酵试验 气吹脱 等工艺组合处理含硫酸盐酵母生产废水乜引。 关于有机固态废物的处理也有不少研究报道，如两相厌氧技术有被用于以下物质的 处理：果蔬废物、厨余垃圾m 1 、污水污泥、固态土豆废物口幻以及城市固体废物有机部 分3 3 1 等。 1 4 高效厌氧反应器在处理木薯酒精废液中的应用现状 1 4 1 升流式厌氧污泥层反应器( u a s b ) 的介绍及其应用 ( 1 ) u a s b 反应器的介绍 在探索处理木薯酒精废液的研究中，使用的