（环境工程专业论文）水力循环uasb反应器处理柠檬酸废水的应用研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 随着能源短缺的加剧，厌氧生物处理技术作为一种高效率低能耗的废水处理 技术，日益受到重视。在这种背景下，厌氧生物处理技术得到了蓬勃的发展，以 u a s b 反应器、e g s b 反应器和i c 反应器为代表的一批高效厌氧反应器应运而生。 虽然这些反应器在实际运行中取得了巨大成功，但各有使用条件，因此开发新型 高效厌氧反应器是很有必要的。 高效率的厌氧处理系统应满足2 个条件：系统内能够保留大量的活性厌氧 污泥；反应器进水应与污泥保持良好的接触。以此为出发点，管锡瑁教授针对 现行厌氧反应器在实际运行中的特点，设计了一种新型的厌氧反应器水力循 环u a s b 反应器( 专利号z l 2 0 0 3 2 0 1 0 6 1 1 6 0 ) 。水力循环u a s b 反应器主要有以下 几个创新点。 ( 1 ) 对反应器进行分区，分为粗处理区和精处理区。粗处理区对有机物的降 解使精处理区承受的有机负荷大大降低。精处理区维持一个相对稳定的状态，有 利于污泥的沉降，从而使反应器具有良好的污泥截流能力。 ( 2 ) 具有良好的水力流态。粗处理区呈完全混合流态，使生物污泥能够与进 水基质充分混合接触，加强传质，以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的 基质，而整体上的推流保证一定的底物浓度梯度，提高出水水质。 ( 3 ) 通过设置循环系统使反应器具有平衡酸化的能力。粗处理区的回流使本 区具有高度混合，从而具有平衡酸化的能力。同时精处理区的水力回流，把消化 好的废水回流到底部，也具有调节p h 值的能力。 柠檬酸废水污染物浓度高，但主要为有机物，并且可生化性较好，适合厌氧 生物处理。因此，将水力循环u a s b 反应器应用到了柠檬酸废水的现场处理中， 以验证其优越性。经过9 1 天的现场运行，实现了预期效果，取得了阶段性成果， 一得出以下结论：， 一一 一， ( 1 ) 水力循环u a s b 反应器( 专利号z l 2 0 0 3 2 0 1 0 6 11 6 0 ) 处理柠檬酸废水 是可行的。水力循环u a s b 反应器原设计负荷为5 k g ( m 3 d ) ，从试验情况来看， 水力循环u a s b 反应器稳定达到设计负荷5 k g ( m 3d ) ，最大时达到8 6 6 k g ( m 3d ) 。 系统再辅以接触氧化处理，处理后出水的各项指标均可稳定达标。 ( 2 ) 通过工业化应用研究，获得了水力循环u a s b 反应器的设计参数。在设 青岛理工大学工学硕士学位论文 计时，如果以絮状污泥为主，水力循环u a s b 反应器的设计负荷可取5 - - 8 k g ( m 3 d ) ，粗处理区的高度为1 2 - 2 2 m 。 ( 3 ) 水力循环u a s b 反应器产生的生物能可取得良好的经济效益。利用水力 循环u a s b 反应器产生的生物能烘干菌丝渣，烘干后作为饲料出售，扣除整个工艺 约1 3 元m 3 的处理成本，每m 3 废水每天仍可产生5 4 元的利润。 ( 4 ) 与普通u a s b 反应器相比，水力循环u a s b 反应器可在短时间内启动。 经过3 9 d 的现场调试，水力循环u a s b 反应器就达到5 k g ( m 3 d ) 的设计负荷， 而现场的普通u a s b 反应器始终没有达到设计负荷。 ( 5 ) 水力循环u a s b 反应器比传统u a s b 反应器具有更高的容积负荷。从最 大负荷来看，水力循环u a s b 反应器最高容积负荷达到8 6 6 k g ( m 3 d ) ，是现场 普通u a s b 反应器的1 8 5 倍；从平均负荷来看，水力循环u a s b 反应器的容积负 荷的平均值为6 4 5 k g ( m 3 d ) ，是现场u a s b 反应器负荷的1 6 7 倍。 ( 6 ) 与现场普通u a s b 反应器相比，水力循环u a s b 反应器具有更好的平衡 酸化的能力。在第5 0 5 8 d ，反应器发生了酸化，但经过7 d 的调整就消除了酸化。 而现场普通u a s b 反应器曾经酸化导致换污泥重启。 关键词：水力循环u a s b 反应器，普通u a s b 反应器，柠檬酸废水，容积负荷， 平衡酸化 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h es h o r t a g eo fe n e r g ys o u r c e sb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，m o r ea n dm o r e p e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et ot h et e c h n o l o g yo 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 t ，w h i c hi s k g he f f i c i e n c ya n dl o wc o n s u m p t i o n i nt h i sb a c k g r o u n d ，t h et e c h n o l o g yo fa n a e r o b i c b i o l o g i c a lt r e a t m e n th a sd e v e l o p e ds or a p i d l yt h a tm a n yk i n d so fh i g he f f i c i e n c y a n a e r o b i cr e a c t o r st h a tc o n s i s to fu a s b ，e g s ba n di ca r ee x p l o i t e d t h o u g ht h e s e a n a e r o b i cr e a c t o r sh a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h e ya l s o h a v es o m ed e f e c t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o ph i g he f f i c i e n c ya n a e r o b i cr e a c t o r s t h eh i g he f f i c i e n c ya n a e r o b i cr e a c t o r sm u s tc o n f o r mt ot w of a c t o r s ： m u s tr e m a i nl a r g eq u a n t i t yo fa n a e r o b i ca c t i v es l u d g e t h ew a s t e w a t e ri nt h er e a c t o r m u s tg e ti nw e l lt o u c h 讪mt h ea n a e r o b i ca c t i v es l u d g e o nt h eb a s eo ft h et w of a c t o r s ， p r o f e s s o rg u a nx i j u ne x p l o i t san e wk i n do fh i g he f f i c i e n c ya n a e r o b i cr e a c t o r h y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s b ( p a t e n tn u m b e r ：z l 2 0 0 3 2 0 1 0 6 11 6 o ) w h i c hc o n q u e r st h e d e f e c t so f t h eu a s b t h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bh a st h r e em a j o rf e a t u r e s ( 1 ) t h er e a c t o ri sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s ，t h er o u g ht r e a t m e n ts e c t i o na n dt h e t h o r o u g ht r e a t m e n ts e c t i o n t h er o u g ht r e a t m e n ts e c t i o nh a sa ni n i t i a lt r e a t m e n to nt h e o r g a n i cw a s t e w a t e r , w h i c hr e d u c e st h eo r g a n i cl o a d i n gr a t et h et h o r o u g ht r e a t m e n t s e c t i o ne n d u r e s t h et h o r o u g ht r e a t m e n ts e c t i o nr e m a i n sr e l a t i v e l ys t a b l et os t r e n g t h e n t h es e t t l e m e n to fs l u d g e ，w h i c hm a k e st h er e a c t o rr e m a i nl a r g eq u a n t i t yo fa c t i v es l u d g e ( 2 ) t h er e a c t o rh a sg o o dh y d r a u l i cf l o wp a r e m s t h ef l o wp a t t e r no ft h er o u g h t r e a t m e n ts e c t i o ni sc o m p l e t em i x i n gp a r e rt h a tm a k e sb i o l o g i c a ls l u d g eg e ti nw e l l t o u c h 、析t 1 1t h ew a s t e w a t e r t h ef l o wp a r e mo ft h ew h o l er e a c t o ri sp l a y - f l o wt h a t g u a r a n t e e st h eg r a d i e n to ft h eo r g a n i s mc o n c e n t r a t i o n ，s ot h eq u a l i t yo fo u t f l o wi s r a i s e d ( 3 ) t h er e a c t o rc a nb a l a n c et h ea c i d i f i c a t i o nb yi n s t a l l i n gt h ec i r c u l a t i n gs y s t e m t h er e v e r s eo ft h er o u g ht r e a t m e n ts e c t i o nc a nb a l a n c et h ea c i d i f i c a t i o nb ym a k i n gt h e s e c t i o nh a v em i x i n go fh e i g h t i nt h es a m et i m e ，t h er e v e r s ef l o wo ft h et h o r o u g h t r e a t m e n ts e c t i o nh a st h ea b i l i t yo fa d j u s t i n gp hb ym a k i n gt h ed i g e s t e dw a s t e w a t e r f l o wt ot h er o u g ht r e a t m e n ts e c t i o n i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 t h o u g ht h ec i t r i c a c i dw a s t e w a t e rb e l o n g st ot h eh i g h c o n c e n t r a t e do r g a n i c w a s t e w a t e r , t h el a r g ep a r t so fi ti sb i o d e g r a d a b l eo r g a n i cm a t t e rt h a tm a k e si tf i tf o rt h e a n a e r o b i ct r e a t m e n t i no r d e rt oo b s e r v ea n ds t u d yt h ef u n c t i o no ft h er e a c t o r , w em a k e u s eo ft h eh y d r a u l i cc i r c u l m i n gu a s bt ot r e a tc i t r a t ea c i dw a s t e w a t e ri nt h el o c a t i o n s i t e t h r o u g ht h ef i e l de x p e r i m e n to f9 1d a y s ，t h er e a c t o rg e t st h es u c c e s sa n dt h em a i n c o n c l u s i o n sa sf o l l o w ： ( 1 ) i ti sf e a s i b l et h a tu s i n gt h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s b ( p a t e n tn u m b e r ： z l 2 0 0 3 2 010 6116 0 ) t r e a t st h ec i t r a t ea c i dw a s t e w a t e r i nt h ep r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t ， w h e nt h er e a c t o ri ss t a b l e ，i t sv o l u m el o a d i n gr a t er e a c h e st h ed e s i g nl o a d i n gr a t e5 k g ( m 3x i ) a n de v e na c h i e v e8 6 6k g ( m 3 咀) t h eo u t f l o wo f h y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s b c a nr e a c ht h ee f f l u e n ts t a n d a r d ，i fi ti st r e a t e db yc o n t a c to x i d a t i o np o n d ( 2 ) t h r o u g ht h ef i e l de x p e r i m e n t ，w eg e tt h ed e s i g np a r a m e t e ro ft h eh y d r a u l i c c i r c u l a t i n gu a s b w h e nd e s i g n i n gah y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bi nw h i c ht h es h a p eo f t h el e a d i n gs l u d g el i k e sc o t t o nf o rw a d d i n g ，t h ed e s i g nl o a d i n gr a t ec a ns e l e c t5k g ( m 3 d ) a n dt h eh e i g h to ft h er o u g ht r e a t m e n ts e c t i o ni s1 2 2 2 m ( 3 ) u s i n gt h eb i o l o g i c a le n e r g yt h a tt h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bp r o d u c e sc a n o b t a i ng o o db e b e i f i t s t h eb a c t e r i u m st h a ta r ed r i e db yt h eb i o l o g i c a le n e r g yc a nb e s a l e df o rf e e d i fw ed e d u c tt h ec o s to ft h et h ew h o l ec r a 屯w ea l s oc a no b t a i n5 4 y u a l f f m 3e v e r y d a y ( 4 ) t h ev e l o c i t yo ft h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bi sq u i c k e rt h a nt h eu a s bi n t h es t a r t - u ps t a g e t h r o u g h3 9d a y sa d j u s t m e n t ，t h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s br e a c h e s t h ed e s i g nl o a d i n gr a t e5 k g ( m s d ) o nt h ec o n t r a r y , t h ef i e l du a s bc a n n o tr e a c ht h e d e s i g n l o a d i n gr a t ei nt h ew h o l ep r o c e s so fa d j u s t m e n t ( 5 ) t h ev o l u m el o a d i n gr a t eo ft h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bi sm o r eh i g h e r t h a nu a s b t h em a x i m u mv o l u m e l o a d i n gr a t eo ft h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bi s 8 6 6k g ( m 3 d ) w h i c hi s1 8 5a st i m e sa su a s b t h ea v e r a g ev o l u m el o a d i n gr a t eo f t h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bi s6 4 5k g ( m 3 d ) w h i c hi s1 9 7a st i m e sa st h ef i e l d u a s b ( 6 ) c o m p a r e dw i t ht h ef i e l du a s b 。t h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s bh a sb e t t e r p e r f o r m a n c eo fb a l a n c i n ga c i d i f i c a t i o n i nt h ep e r i o do ft h ed a y s5 0 - 5 8 ，t h eh y d r a u l i c i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 c i r c u l a t i n gu a s bi si nt h es t a t eo fa c i d i f i c a t i o n ，b u ti tr e l i e v et h ea c i d i f i c a t i o nt h r o u g h7 d a y s 删u s t m e n lo nt h ec o n t r a r y , t h ef i e l du a s bm u s tr e s t a r ti no r d e rt or e l i e v et h e a c i d i f i c a t i o n k e yw o r d s ：t h eh y d r a u l i cc i r c u l a t i n gu a s b ，u a s b ，c i t r i ca c i dw a s t e w a t e r , t h ev o l u m e l o a d i n gr a t e ，b a l a n c i n ga c i d i f i c a t i o n v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 柠檬酸也称为第一食用酸味剂，它不仅在食品工业上广泛用作酸味剂、增溶 剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、螯合剂、风味增进剂、胶凝剂和调色剂等， 而且在医药、饲料、化工、电子、纺织、石油、皮革、建筑、摄影、塑料、铸造 和陶瓷等工业领域都有十分广泛的应用。我国柠檬酸工业起步较晚，直到6 0 年代 才建立了柠檬酸厂，但到9 0 年代己发展到8 0 多家。2 0 0 0 年世界柠檬酸的总产量约 为9 5 万吨，我国的产量为4 0 万吨，是世界上最大的柠檬酸生产国【1 1 。 柠檬酸的生产主要有两种方法：一种是从含柠檬酸的天然果实中扎汁提取，另 一种是用发酵法生产。目前，世界上普遍采用发酵法来生产柠檬酸。我国柠檬酸 的生产主要以薯干、玉米等为原料，柠檬酸的生产工艺主要包括糖化、发酵、提 取和精制等。 柠檬酸废水主要来自提取车间的浓糖水和洗糖水，其浓度高、排放量大；发 酵车间的刷罐水虽然浓度高，但水量很少，有机负荷较小；其它各点排放的废水 浓度较低，水量也不大。柠檬酸废水中含有大量的有机物( 有机酸、糖、蛋白质、 脂肪、淀粉、纤维素等) 及氮、磷、硫等物质，生产中未糖化的淀粉质、未发酵 的残糖、未能提取的柠檬酸等也都进入废水中，形成高浓度有机废水。 行业统计数据表明，每生产1 t 柠檬酸，中和废水的排放量达l o 1 5 m 3 ，其c o d c r 和b o d 5 负荷分别达到2 5 0 0 0 m 胡和1 5 0 0 0 m 朗以上【2 1 。若以我国柠檬酸产量4 0 1 0 4 t 计，每年仅柠檬酸行业的高超标废水的排放量就达4 0 0 1 0 4 6 0 0 1 0 4 t ，成为环 境的严重污染源。因此，治理废水、保护环境已成为我国柠檬酸行业的当务之急。 1 2 研究意义 柠檬酸废水的处理方法有很多种，包括生产饲料酵母法、厌氧处理方法、活 性污泥法、光合细菌法( p s b ) 和乳状液膜法等【2 】。目前应用最广泛的是厌氧处理 方法，这是由于尽管柠檬酸废水污染物浓度高，但主要为有机物，并且可生化性 较好，而且厌氧生物处理是一种低成本的废水生物处理技术。对于柠檬酸废水而 言，厌氧处理除了可利用厌氧菌有效降解有机物外，还可利用水解酸化菌使大分 子有机物变为易降解的小分子有机物，提高废水的可生化性。因此，采用经济有 青岛理工大学工学硕士学位论文 效的厌氧生物技术处理柠檬酸废水具有十分重大的理论与实践意义。 目前，用来处理柠檬酸废水的厌氧反应器主要是升流式厌氧污泥床( u a s b ) 。 u a s b 具有可以承受较高的c o d c ，浓度，运行成本低，剩余污泥量少，能够回收沼 气，运行管理简单等特点。但在实际运行中发现，u a s b 在处理柠檬酸废水时，污 泥流失严重，难以达到设计负荷；由于上升流速较小，且柠檬酸废水中含有钙离 子，容易造成污泥板结；布水不均匀，易产生沟流和死角：反应器运行不稳定， 容易酸化。因此开发一种新型的厌氧反应器来取代u a s b 反应器是十分必要的。 管锡瑁教授针对u a s b 反应器存在的问题，开发出了水力循环u a s b 反应器( 专 利号z l 2 0 0 3 2 0 1 0 6 1 1 6 0 ) 。水力循环u a s b 反应器通过增加水力搅拌、设置内循环 装置、改变布水方式和反应器分区等，实现对反应器的改良。为了验证水力循环 u a s b 反应器的优越性，将其应用到了日照柠檬酸厂柠檬酸废水的处理中。本人在 现场进行了该验证试验，通过9 1 天的运行，实现了预期效果，取得了阶段性成果。 1 3 研究目的 水力循环u a s b 反应器在传统u a s b 的基础上通过增加承载板和水力循环等手 段，实现反应器的分区，形成粗处理区和精处理区。粗处理区位于承载板以下， 在下部循环的作用下，使废水在粗处理区具有很高的上升流速，利用水力搅动增 强传质。精处理区位于承载板以上，三相分离器以下，主要靠下部产生的气体的 作用来传质，由于没有高的水力上升流速的影响，使精处理区搅动较小相对稳定， 为污泥沉降提供了良好的条件，使反应器具有更高的污泥浓度。水力循环u a s b 反 应器的这些改进使其满足了高效厌氧反应器的2 个条件【3 】：系统内能够保留大量 的活性厌氧污泥；反应器进水应与污泥保持良好的接触。 孙立在实验室利用人工配制的有机废水( 面粉水) ，对反应器的启动和运行特 征进行了研究。结果表明反应器负荷j e - 蛭l j l 6 2 4 k g c o d c r ( m 3 d ) 时，c o d c 。去除率 约为8 0 ，并培养出了颗粒污泥【4 】。可见，水力循环u a s b 反应器在实验室规模取 得了成功。 为了进一步验证水力循环u a s b 反应器的优越性，将其应用到柠檬酸废水的实 际处理中。因此进行本现场试验研究的主要目的是： ( 1 ) 在实验室研究的基础上，研究水力循环u a s b 反应器工程放大的可行性， 进而为大规模的工业应用创造条件； 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 通过工业应用研究，获得水力循环u a s b 反应器的设计参数； ( 3 ) 结合柠檬酸行业季节性和水质变化大的特点，研究不同冲击负荷条件下 水力循环u a s b 反应器的适应性，为水力循环u a s b 反应器的运行管理提供指导。 1 4 研究内容 本论文应用实验室研究成果，进行工程设计，并在现场进行调试试验，获得 运行管理所必需的参数，进而指导工程设计及运行管理。本论文的主要研究内容 包括： ( 1 ) 水力循环u a s b 反应器对柠檬酸废水的处理能力和效果； ( 2 ) 在同样的条件下，与现场u a s b 反应器进行对比实验，考察两反应器的 性能优劣； ( 3 ) 容积负荷、基质浓度和液体上升流速等因素对系统去除效果的影响； ( 4 ) 验证以挥发性脂肪酸( v f a ) 作为整个厌氧处理系统是否正常运行的基 本指标，同时参照出水各物质的去除情况和系统产气状况的调试方法的可行性。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章废水厌氧生物处理概论 2 1 厌氧消化的基本原理 有机废水厌氧生物处理是有机物在厌氧微生物的作用下转化为甲烷、二氧化 碳的过程。厌氧生物处理包括多种不同类型的微生物所完成的代谢过程，是一个 相互影响、相互制约、同时进行的极其复杂的生物化学过程。1 9 7 9 年m r b r y a n t 提出了厌氧消化的三阶段理论，几乎同时，j g z e i k u s 在第一届国际厌氧消化会议 上提出了四菌群说理论。所以有机物的厌氧消化过程可以描述为“三阶段四菌群” 生物化学过程【5 1 ，见图2 1 。 水解发酵细菌 第一阶段 产氢、产乙酸细菌 第二阶段 同型产乙酸细菌 横向转化 产甲烷细菌 第三阶段 图2 - 1 有机物厌氧发酵过程 2 1 1 三阶段理论 2 1 1 1 水解发酵阶段 在该阶段，高分子的有机物首先在厌氧菌胞外酶的水解作用下转变为小分子 。物质。如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽 糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等。然后，水解产生的小分子 化合物在发酵细菌的作用下转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸( v f a ) 和醇 类。参与该阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。 2 1 1 2 产氢产乙酸阶段 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间 产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸，和醇类等转化成乙酸和氢，并有c 0 2 产生。例如： 丙酸的转化 c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 d _ c 日3 c d d 日+ 3 + c d 2 乙醇的转化 c h 3 c h 2 0 h + 日2 d 一明3 c o o h + 2 h 2 2 1 1 3 产甲烷阶段 在该阶段中，产甲烷菌把第一和第二阶段产生的乙酸、氢和c 0 2 转化为甲烷。 即： 4 h 2 + c 0 2 一c 日4 + 2 h 2 0 另一组是乙酸脱羧转化为甲烷，即： c h o o h c h4 + c 0 2 厌氧发酵过程中还存在一个横向转化过程，即在同型产乙酸菌的作用下把 h 2 c 0 2 和有机基质转化为乙酸。 2 1 2 四菌群理论 j c t z e i k u s 把厌氧消化过程参与发酵的细菌根据其代谢的差异划分为4 类菌 群，即水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型产乙酸细菌群和产甲烷细菌群。 2 1 2 1 水解发酵细菌群 包括细菌、真菌和原生动物。在厌氧消化系统中，水解发酵细菌的功能主要 有两个方面：( 1 ) 将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物，水解作 用是在水解酶的催化作用下完成的。水解酶是一种胞外酶，因此水解过程是在细 菌细胞的表面或周围介质中完成的。发酵细菌群中仅有一部分细菌种属具有分泌 水解酶的功能，而水解产物一般可被其他发酵细菌群吸收利用；( 2 ) 发酵细菌将 水解产物吸收进细胞内，经细胞内复杂的酶系统的催化转化将一部分有机物转化 为代谢产物，排入细胞外的水溶液里，成为参加下一阶段生化反应的细菌群吸收 利用的基质。 发酵细菌群根据其代谢功能主要有：纤维素分解菌、碳水化合物分解菌、脂 肪分解菌、蛋白质分解菌等。发酵细菌大多数为异养型细菌群，对环境条件的变 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 化有较强的适应性，此外发酵细菌的世代期短，数分钟到数十分钟即可繁殖一代。 2 1 2 2 产氢产乙酸细菌群 把第一阶段的发酵产物脂肪酸等转化为乙酸、h 2 c 0 2 等产物的一类细菌。如： s 细菌、沃林互营杆菌( s y n t r o p h o b a c t e rw o l i n i i ) 、沃尔夫互营单胞菌 ( s y n t r o p h o m o r a sw o l f c i ) 等。 产氢产乙酸细菌的代谢产物中有分子态氢，所以体系中氢分压的高低对代谢 反应的进行起着重要的调控作用。由于各反应所需自由能不同，进行反应的难易 程度也就不一样。以大气压( 1 大气压= 1 0 1 3 2 5 1 0 3 p a ) 为单位时，当氢分压小 于o 1 5 时，乙醇即能自动进行产氢产乙酸反应，而丁酸则必须在氢分压小于2 1 0 3 下进行，而丙酸则要求更低的氢分压9 1 0 巧。因此，通过产甲烷细菌利用分 子态氢以降低氢分压对产氢产乙酸细菌的生化反应起着重要的作用。一旦产甲烷 细菌因受环境条件的影响而放慢对分子态氢的利用速率，其结果必然是降低产氢 产乙酸细菌对丙酸、丁酸和乙醇的利用，这也说明了厌氧发酵系统一旦出现问题 时，经常出现有机酸积累的原因。 2 1 2 3 同型产乙酸细菌群 在厌氧消化系统中能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利 用有机基质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，即能利用有机基质产生乙 酸，也能利用h 2 和c 0 2 产生乙酸，反应如下： 4 h 2 + 2 c 0 2 一c h 3 c d 明+ 2 h 2 0 前者归属于发酵细菌，后者则称之为同型产乙酸细菌。如：伍德乙酸杆菌 ( a c e t o b a c t e r i u mw o o d i ) 、威林格乙酸杆菌( a c e t o b a c t e r i u mw i e r i n g a e ) 、乙酸梭菌 ( c l o s t r i d i u ma c e t i u m ) 等。 由于同型乙酸菌能利用氢以降低氢分压，对产氢的发酵细菌有利，同时对利 用乙酸的甲烷菌也有利。 2 1 2 4 产甲烷细菌群 甲烷菌或称为产甲烷菌( m e t h a n o g e n s ) ，是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于绝 对的厌氧菌，甲烷菌的能源和碳源物质主要有h 2 c 0 2 、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸， 主要代谢产物是甲烷。甲烷菌常见的有4 类：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球 菌、甲烷螺旋菌。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 甲烷菌利用从基质h 2 c 0 2 、c h 3 0 h 、h c o o h 及c h 3 c o o h 转化为c h 4 的过 程中释放的能量以维持生命活动。与废水的好氧生物处理相比，厌氧生物处理所 释放的反应能少得多，这可用乙酸钠为例加以说明。 在好氧处理时： c h 3 c o o n a + 2 0 2 n a h c 0 3 + h 2 0 + c 0 2 + 8 7 0 o k m o l 在厌氧处理时： c h a c o o n a + h 2 d _ 砒峨+ c h 4 + 3 1 o k j m o l 在好氧处理中完全氧化l m o l 的乙酸钠放出8 7 0 0 k j t o o l 能量，此能量一部分 经由a t p 以形成新的细胞。但是在底物相同的条件下，厌氧消化产生的能量仅是 好氧消化的( 1 2 0 ) ( 1 3 0 ) ，而且此能量绝大部分用于维持细菌生活，只有很 少能量用于合成新细胞，因而甲烷菌生长很慢。在厌氧消化中，热值以甲烷的形 式储存起来，当甲烷燃烧时再释放出来，l m o l 的乙酸所产甲烷燃烧时约放出8 3 9k j 的能量。 2 1 3 非产甲烷菌与产甲烷菌之间的关系 在厌氧处理系统中，存在着种类繁多，关系复杂的微生物区系。甲烷的产生 是这个微生物区系中各种微生物相互平衡、协同作用的结果。厌氧处理过程实际 上是由这些微生物所进行的一系列生物化学的偶联反应，而产甲烷菌则是厌氧微 生物链上的最后一个成员。厌氧微生物的相互关系包括：非产甲烷细菌与产甲烷 细菌之间的相互关系；非产甲烷细菌之间的相互关系；产甲烷细菌之间的相互关 系。以上第一种关系最为重要，在厌氧处理系统中，非产甲烷细菌与产甲烷细菌 相互依赖，互为对方创造良好的环境和条件，构成互生关系；同时，双方又互为 制约，在厌氧生物处理系统中处于平衡状态。 ( 1 ) 非产甲烷菌为产甲烷菌提供生长繁殖的底物 非产甲烷菌中的发酵细菌可以把各种复杂的有机物，如高分子的碳水化合物、 脂肪、蛋白质等进行发酵，生成游离氢、二氧化碳、氨、乙酸等。这样，非产甲 烷菌通过其生命活动为产甲烷菌提供了生长和代谢所需要的碳源和氮源。 ( 2 ) 非产甲烷菌为产甲烷菌创造了适宜的氧化还原电位 在厌氧反应器运转过程中，由于加料过程难免使空气进入装置，有时液体原 料里也含有微量溶解氧，这显然对产甲烷菌是有害的。氧的去除可依赖非产甲烷 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 细菌类群中那些兼性好氧微生物或兼性厌氧微生物的活动，将氧消耗掉，从而降 低反应器中氧化还原电位。在厌氧装置中的各种厌氧微生物，如纤维素分解菌、 硫酸盐还原菌、硝酸盐还原菌等对氧化还原电位适应性各不相同。通过这些微生 物有序的生长和代谢活动，使消化液的氧化还原电位逐渐下降，最终为产甲烷菌 的生长创造适宜的氧化还原电位条件。 ( 3 ) 非产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质 在处理工业废水时，其中可能含有酚类、苯甲酸、抗菌素、氰化物、重金属 等对于产甲烷菌有害的物质。非产甲烷菌中有许多种类能裂解苯环，并从中获得 能量和碳源，有些能以氰化物为碳源，这些作用不仅解除了对产甲烷菌的毒害， 而且给产甲烷菌提供了底物。此外，非产甲烷菌代谢所生成的硫化氢，可与重金 属离子作用生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除一些重金属的毒害作用。但 反应系统内的硫化氢浓度不能过高，否则会毒害产甲烷细菌。 ( 4 ) 产甲烷菌为非产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制 在厌氧条件下，由于外源电子受体的缺乏，非产甲烷菌只能将各种有机物发 酵而生成h 2 、c 0 2 及有机酸、醇等各种代谢产物，这些代谢产物的积累所引起的 反馈作用对非产甲烷菌的代谢会产生抑制作用。而作为厌氧消化食物链末端的产 甲烷菌，则像清洁工一样将不产甲烷菌的代谢产物加以清除，使非产甲烷菌得以 继续生长和代谢。 ( 5 ) 非产甲烷菌和产甲烷菌共同维持环境中适宜的p h 值 在厌氧发酵初期，非产甲烷菌首先降解废水中的有机物质，产生大量的有机 酸和碳酸，使发酵液的p h 值明显下降。同时，非产甲烷菌中的氨化细菌迅速进行 氨化作用，产生的氨中和部分酸，起到一定的缓冲作用。另一方面，产甲烷细菌 可利用乙酸、甲酸、氢和二氧化碳形成甲烷，从而避免了酸的积累，使p h 值稳定 在一个适宜范围内。 2 2 厌氧反应器的发展概况 ” 一 从1 8 8 1 年法国c o s m o s 杂志报道应用厌氧生物技术处理市政污水中的大量易 腐败有机物起，厌氧生物处理技术已经有1 2 0 余年的发展历史。近三、四十年是 厌氧生物处理技术发展的高潮期，这一高潮期的代表是下面两个杰出的研究成果。 一个是1 9 6 9 年j c y o u n g 和p l m c c a r t y 开发研究的厌氧生物滤池，这是现代厌氧 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 生物处理技术发展的一个里程碑，开创了在常温下对中等浓度有机废水的厌氧生 物处理，大大拓展了厌氧生物技术在工业废水处理和城市污水处理中的应用范围。 另一个是l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代开发的上流式厌氧污泥床反应器，生物固 体的颗粒化开辟了全新的生物固定化途径，从而大大提高了厌氧生物反应器的有 机负荷，极大地推动了厌氧生物处理技术的工业应用。由于厌氧生物处理技术节 能的优点，以及具有剩余生物污泥少、可以处理高浓度和好氧条件下难生物降解 有机物等特点，工业废水的厌氧生物技术始终是各国环境工程界关注研究的热点。 我国从7 0 年代末开始介绍和引进国外的研究和应用成果，并开始了我国对厌氧生 物技术的广泛研究。国内外对厌氧反应器按照其发展年代和工艺特点分为三代， 详见表2 - 1 。 表2 1 厌氧反应器发展年代和工艺特点f 6 】 类设计水力停留工艺开应用 厌氧处理工艺处理对象 设计负荷1 ( m 3 d ) 别时间( h r t )发年代情况 第 化粪池半年 - - 1 年生活污水污泥 1 9 8 5生产 _ 。 隐化池4 6 - - 8 0 d 生活污水污泥0 5 k g v s s 1 9 0 6生产 代普通消化池 2 0 3 0 d 污泥 1 0 1 5k g v s s1 9 2 0 生产 反 高速消化池 7 l o d 污泥 3 0 3 5k g v s s1 9 5 0 生产 应 厌氧接触法 0 5 - - 一6 d 有机废水1 8 4 o k g a o d 1 9 5 5生产 器 第厌氧滤器( a f ) o 9 8 d 有机废水3 l o k g c o d 1 9 6 7 生产性 上流式厌氧污 。 代 泥床反应器 6 3 0 h 有机废水6 1 5 k g c o d 1 9 7 4生产性 反 ( u a s b ) 应 厌氧流化床 0 5 - - 一4 h有机废水 9 1 3 k g c o d 1 9 7 9实验性 器、( a f b ) 第厌氧颗粒污泥 6 2 4 h 有机废水4 2 0 k g c o d 1 9 8 0 实验性 膨胀床( e g s b ) 代厌氧折板式反 ：。 6 2 6 h 有机废水8 3 6 k g c o d 1 9 8 2实验性 反 应器( a b r ) 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 应 厌氧内循环反 2 - _ 2 4 h 有机废水2 0 5 0 k g c o d 1 9 8 5 实验性 器 应器( i c ) 2 2 1 第一代厌氧反应器 第一代厌氧反应器主要有化粪池、隐化池、传统消化池与高速消化池等。化 粪池和隐化池( 双层沉淀池) 主要用于处理生活污水下沉的污泥，传统消化池与 高速消化池用于处理城市污水厂初沉池和二沉池排出的污泥。其特点是污泥龄 ( s r t ) 等于水力停留时间( 玎) 。为了使污泥中的有机物达到厌氧消化稳定， 必须维持较长的污泥龄，即较长的水力停留时间，所以反应器的容积很大且处理 效能较低。 2 2 2 第二代厌氧反应器 在2 0 世纪7 0 年代末期人们成功地开发了以提高厌氧微生物浓度和停留时间， 强化传质作用，缩短液体停留时间为基础的一系列高速厌氧反应器( h i g h - r a t e a n a e r o b i cr e a c t o r ) 。主要有厌氧滤器( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ) 、厌氧流化床 ( a n a e r o b i cf l u i