论文翻译 姚祎 修改

1、对于在CSTR（完全混合反应器）系统中污泥停留时间对消化初沉池污泥中的脂质、碳水化合物和蛋白质，污泥停留时间对水解及酸化污泥中脂质、碳水化合物和蛋白质的速率的作用的影响 YEHUDA MIRON, GRIETJE ZEEMAN, JULE B. VAN LIER, GATZE LETTINGA【作者，单位等需要原文摘录过来】【摘要】摘要 ：通过模拟UASB（升流式厌氧污泥床）系统的中的污泥床作为CSTR（完全混合反应器）的条件，研究了污泥停留时间在3-15天时，3到15天的污泥停留时间对于生活污水的水解、酸化和产甲烷的不同影响效果，是在模拟UASB（升流式厌氧污泥床）系统的中的污泥床作为CST

2、R（完全混合反应器）的条件下研究的。CSTR系统以25初沉池污泥作为入水流入CSTR系统。研究结果显示，在污泥停留时间8天的情况下，会产生大量的酸并伴有可忽略的气体的产生。而在污泥停留时间8天的情况下则会产生大量甲烷气体。脂质与糖类的水解速率随着污泥停留时间的增加而上升，但是蛋白质的水解只会在产气的条件下发生。在产酸和产甲烷条件下，分别约大约有20%和60%的的生物高分子粒子发生水解反应。在产气条件下，大约有60%生物高分子粒子水解。水解速率是糖类降解的速率限制条件。在产酸条件下，酸化速率是脂质降解的速率限制条件，而水解速率与酸化速率均是蛋白质降解的速率限制条件。在产气的条件下，水解速率是整个

3、消化过程的速率限制条件。对于水解来说，初沉池污泥中没有任何一种成分满足一级动力学。与进水污泥相比，在产酸的条件下，CSTR中的污泥的脱水能力发生恶化，而在产气条件下，污泥的脱水能力得到了改善。【关键词】酸化 碳水化合物 脱水性能 生活污水 水解 脂质 初沉池污泥 蛋白质 速率限制步骤 污泥停留时间（SRT） 两段式 升流式厌氧污泥床（UASB）【关键词】：翻译过来介绍对于生活污水的处理，厌氧消化技术越来越被人们所认可。应用UASB工艺进行生活污的水的厌氧处理技术的可行性已在很多应用UASB工艺的大型污水处理厂得到被证明是可行的，特别是在气候温暖的地区（Van Haandel and Letti

4、nga, 1994）。但是，迄今为止污水的厌氧处理技术只在一些外界温度较高的城市应用。在低温条件下，很低的水解程度会引起固体悬浮物的富集。，从而降低了产甲烷菌的能力并降低生物活性降低了处理效率。在这种条件下，想要在短的水力停留时间下运行几乎是不可能的（Zeeman and Lettinga, 1999）。但是，对于各种污水与污泥的混合液，如生活污水来说，厌氧处理技术也许可以在两段式的UASB的系统中可以很好地运行（Wang, 1994）；（Zeeman et al.1997）。这种系统中的第一段，主要目的是为了去除悬浮固体和进行部分污泥的水解及酸化，它的出水。污水则可以在UASB反应器的第二段

5、得到很好地处理。无论是是用产酸还是产气的UASB工艺处理污水，为了保证生物转化活性，污泥停留时间（SRT）都是最重要的设计参数之一（Zeeman and Lettinga, 1999）。但是，对于采用短的SRT而导致在产酸的条件下运行的UASB系统，尚缺乏没有足够、可用的的关于SRT对水解、酸化以及产气的相关资料是可以利用的。初沉池污泥的主要成分包括糖类、脂质和蛋白质。我们都知道，糖类都可以很简单的迅速转化为单糖和挥发性脂肪酸（VFA）（Cohen, 1982）。蛋白质可以水解为氨基酸（AA）以及进一步分解为VFA。，也可以通过在厌氧条件下与氢结合生成产物或者发生史蒂克兰德反应通过发酵降讲解（

6、McInerney and Zehnder, 1988）。前者是依赖于氢的去除，后者是独立于反应器的产甲烷活性的。反应器的模型是建立在去除氢原子的条件下，紧接着在反应器中进行独立的产甲烷反应（Nagase and Matsuo, 1982）。在脂质中，甘油三酯水解为长链脂肪酸（LCFA），然后进一步通过氧化作用氧化为醋酸盐和丙酸盐。氢原子的累积会引起热力学上的不利状况从而抑制氧化作用的发生（Nocak and Carlson, 1970）。氧化作用只会在氢分压保持在很低状态下才会发生，而通过一些极易与氢结合的物质氢原子清道夫的存在可以保证很低的氢分压。尽管最新的研究结果显示甲烷的生成可以加强脂

7、质的水解（Palenzuela-Rollon, 1999），但是还不能够确定氢的存在是否会影响脂质的水解。另外，脂质的浓度也会影响它自己的水解速率（Palenzuela-Rollon, 1999）。我们都知道LCFA的存在会影响其自身的降解以及醋酸盐的产沼气过程（Hanaki et al., 1981）。Eastman和Ferguson（1981）研究了极短SRT（9-72h）在35下水解酸化初沉池污泥的效果。他们发现SRT对于水解糖类和蛋白质的作用在产酸期可以作为一个令人满意的模型，通过将这些成分等价于COD表达出来，这种可降解的粒子的降解速率近似于满足水解的一级动力学原则。他们总结得出，水

8、解是产酸期的速率限制因素。，脂质在产酸期假定为不会发生降解减少。本所做的研究的目的就在于找出关于水解、酸化以及产甲烷的最佳SRT，以便于在处理生活污水中的单项或两相一段或者二段式UASB反应器在处理生活污水中的中应用。所有的实验是在25条件下，以初沉池污泥作为进水，在CSTR反应器中模拟UASB污泥床中进行的。另外我们发现，污泥的脱水能力是与SRT有很大关系的。所得数据也可仍然适用于单项或两相在一段或者两段式的污泥消化的CSTR系统中进行的消化污泥（Ghosh, 1987）。实验材料及研究方法【材料与方法】略结果及讨论产酸与产气的条件表1列出了以初沉池污泥作为进水入水的各组分成分组成。图1则描

9、述了pPH，水解，酸化和产气量作为与SRT的函数相关性的关系。从图中我们可以看出，当SRT8天的时候主要发生酸化，当SRT10天的时候主要发生气化。在不同的SRT的情况下不同的消化产物的COD的分布情况在图2中列图说明。当SRT分别为8和15天的时候，分别有19%和39%存在于进水入水COD中的生物高分子被水解。与进水比较，将VFA的浓度与入水对比，当SRT分别为3和8天的时候，VFA的浓度分别增加了8%和11%。蛋白质氨基酸脂质脂肪酸碳水化合物VS=1552925232904826331182817311851149732229=3085121049367239446534438134232

10、3910441246单糖挥发性脂肪酸总和氨氮VS=155292521285914555117881138=308512101376320938626768表1以初沉池污泥作为进水的各组分的浓度，单位为mg/l 或者是 mg COD/l.图1在25条件下，在CSTR系统中消化初沉池污泥，pH、水解、酸化和产气量与SRT的相关性。SRT=0代表进水。图2在25条件下，在CSTR系统中消化初沉池污泥，在不同的SRT的情况下不同的消化产物的COD的分布情况。脂质的水解与酸化在图3中给出了以脂质的水解与酸化的百分比作为SRT的函数的函数相关关系已经在图3中给出。在进水入水中39%的总脂质大约有39%是L

11、CFA，这证明总脂质中有已经意义的那部分已经在初级污泥中发生的水解反应中存在了。由于初沉污泥是由生活污水沉淀产生的，这说明至少这部分LCFA是在污水中已经存在的。总而言之，大约检出率有30个不同的LCFA的峰值被发现，但是只有其中的9个被人们所认识的。对于每一个SRT，不被人们所认识的这些LCFA的浓度估计有总浓度的15-20%。研究表明，在新鲜的初沉污泥和消化污泥中主要的饱和与不饱和LCFA均为C16:0，C18:0和C18:1，与Quemeneur和Marty（1994）的研究结果相似。水解所占的比例在新鲜污泥与SRT为3天的消化后的污泥相比发生了显著的变化。也许是高浓度的LCFA（1.6

12、-1.8g/l）限制了SRT为3到8天的时候水解速率的上升，可能是由于高浓度的LCFA会引起产物抑制作用（Hanaki et al. 1981）或者是吸附的物理阻碍，或者是由于SRT分别为3、5和8天时发生了吸附作用，发生了累积的LLCFA的累积阻碍了水解进行。显然，在酸化条件下，与水解相比LCFA的氧化作用与水解相比是速率的限制步骤因素，而在SRT为15天的时候，脂质的水解变为主要的速率限制因素。表4表现了LCFA的去除效率作为与SRT的关系函数的情况。负的去除效率意味着在CSTR中的LCFA的累积聚集，反之亦然。当SRT8的时候，饱和LCFA的累积聚集程度随着SRT的增长而增长。SRT=1

13、0可以看做无LCFA转换与完全的LCFA的转换的分水岭。当SRT=10的时候去除去处效率的下降伴随着链长从C12:0到C18:0的增加。实际上，在这种情况下C18:0只是发生了累积聚集而不是完全的去除。我们所得到的后者结果与Novak和Carlson（1970）的结果一致，那就是在所用的每一个SRT下C18:2的去处效率去除效果均好于C18:1。很明显，不饱和的程度加速了降解的程度。C16:1,、C18:1和C18:2是仅有的有产酸条件下能够去处去除的LCFA，与Heukelekian和Mueller（1958）的研究结果相似。也许这种去除不会通过氧化作用发生而是通过提高氢的分压可以来刺激氢化

14、作用的发生的通过氢化作用实现，而通过提高氢的分压可以来刺激氢化作用的发生。紧接着所以，这种不饱和LCFA转化为饱和的LCFA伴随着同等数量的C原子（Kemp et al., 1975）并且还会由于较高的氢分压发生聚集。因此，当种间的氢原子传递不会发生的时候，不饱和的LCFA可以被看做电子受接收体。图3在25条件下，在CSTR系统中消化初沉池污泥，以脂质的水解与酸化的百分比作为SRT的相关关系。SRT=0代表进水。图4在25条件下，在CSTR系统中消化初沉池污泥，LCFA的去除效率与SRT的关系。蛋白质与糖类图5中列出了蛋白质的水解与酸化的情况在图5中列出。在产酸条件下，水解与酸化速率均会下降，

15、意味着表明在氨氮浓度与进水入水相比有下降的条件下，没有发生水解与酸化作用发生。，除了在SRT为8到10中间的时候发生了短暂的上升，而这主要是半水解半酸化的主要作用。我们所得到的水解与酸化的这么低的水平，可以部分地解释为与进水相比相对较高的氨氮水平（表1），而易于降解的蛋白质则在污泥被用于实验前已经被降解。因此，较低的pH值和较高的脂质浓度也会对水解产生影响（Palenzuela-Rollon, 1999）。此外，氨氮沉淀，的氯化铵如磷酸铵镁（Mamals et al., 1994）可能会降低氨氮的水平，从而降低水解速率。酸化的百分比比水解的百分比的只差在图5中得到表示，图5说明不仅是蛋白质的水

16、解而且氨基酸的酸化也会在SRT10天时受到限制。氨基酸的浓度在174-220mg/l的条件下波动，而这可能会影响到蛋白质的水解。Sanders（个人传播）发现胶质的水解会在氨基酸浓度超过200mg/l的时候收受到抑制。在产气条件下，蛋白质的水解是明显的蛋白质速率限制条步骤件。表6显示复杂的糖类水解是随着SRT的增长连续增长的，尤其是在SRT=3天的时，初沉污泥和消化污泥候发生了很大的变化。结果显示溶解的糖类浓度是相对不变的，在95-192mgCOD/l，大约维持在糖类总含量的1.5%。因此，在任何一种SRT下糖类的水解和并不能将酸化被认为是作为速率限制步骤条件。图6在25条件下，在CSTR系统

17、中消化初沉池污泥，碳水化合物的水解情况。图5在25条件下，在CSTR系统中消化初沉池污泥，蛋白质的水解与酸化情况。水解符合一级动力学规律？表2根据SRT为3-8与3-15的情况计算得出的脂质与糖类的水解常数。脂质与糖类的水解常数量（表2）是根据方程式等式13，遵循Eastman和Ferguson（1981）的研究方法计算出来的。但是，很低的相关系数却显现出来（< 0.78)。由于在产酸条件下蛋白质的不进行水解（图5），所以不能够算出水解常数。我们的结果显示尽管这些常数经常出现在文 献中（Pavlostathis和Giraldo-Gomez, 1991），对于初级污泥的水解来说算出水解常数

18、是没有意义的，尽管这些常数经常出现在文献中（Pavlostathis和Giraldo-Gomez, 1991）。但是不管是在产酸还是产气的条件下，没有任何一种初级污泥的成分满足一级动力学标准。Eastman和Ferguson（1981）提出在产酸条件下，对于这种复杂的不均匀的基质如初级污泥，一级动力学水解函数是根据经验能够得出的最适当的函数。，而其他的水解函数似乎对于均匀的基质更加适当。然而，他们对于水解常数的计算结果只是对于糖类与蛋白质的组合，而忽略了脂质的部分。尽管能够得到很好的相关性，但是他依旧不能够作为世界通用的系数，因为他仅仅是在特定的条件的下所得出的数值。考虑到厌氧消化的复杂过程，

19、水解一直是不为人们所熟知的一环。我们都知道不同的因素比如特殊的表面积，颗粒的形状和颗粒的大小都会对水解产生很大的影响（Hills and Nakano, 1984; Hobson, 1987）。根据Hobson（1987）的理论我们可以得出，水解速率与基质的可利用的表面积有很大关系，而不是基质的浓度。脱水性能图7显示了在CSTR系统中，进水和消化污泥的过滤率和毛细血管抽吸时间作为SRT的函数情况。过滤率在SRT为3天和5天的时候达到最小，而当SRT5天时回升。只有的SRT为15天的时候我们才得到了一个比进水过滤率高的数值。过滤率满足多项式曲线。自从过滤率由CST的倒数推算得出（Vesilind

20、, 1988），CST作为SRT的函数就表现出了其相反的趋势。从过滤率和CST中我们可以得到如下结论，与进水的污泥脱水率相比在产酸条件下发生恶化，而在产气条件下得到改善。当SRT在3天和8天的时候污泥脱水率没有显著的变化。这个结论与Lawler等人（1986）得到的结论相吻合，他们发现在产酸条件下，总表面积会上升会导致颗粒大小平均值的下降，从而使污泥脱水能力恶化。然而，在产气条件下，总表面积会发生相当大的增加从而使得污泥脱水能力得到提升，可能是由于颗粒间隙的下降和污泥中水的晶体对其产生了影响。图7在25条件下，在CSTR系统中消化初沉池污泥，进水和消化污泥的过滤率和毛细血管抽吸时间作为SRT的

21、函数情况。讨论研究显示SRT对于厌氧条件下的生物转化进程有很强烈的影响。这个结果可以应用到在CSTR系统中的单项或两相一段或者两段式的污泥消化反应器中（Ghosh, 1987），或者是在25条件下，以CSTR作为污泥床或者污泥床部分的絮凝污泥UASB反应器。如果一个UASB在SRT8天的条件下运行，酸化占主导地位从而降解糖类。而LCFA不会随着剩余污泥转移，因此氨基酸需要在另一个运行良好的甲烷化产气反应器中继续降解。尽管VFA会在酸化的CSTR中累计并降低pH值，但是由于UASB的高缓冲容量，进水会不断稀释污泥床浓度，这种情况并不会发生（Wang, 1994）。这种条件下的UASB的剩余污泥是

22、不稳定的，但是研究显示，在CSTR中运行的污泥，当温度为25，SRT最少为15天时污泥会变得稳定，恢复潜在的能量提高污泥的脱水性能。在热带地区，较高的环境和污水温度会使得两相两段式的UASB反应器相比单相于一段式变得不那么有吸引力。因为较高的温度会使得酸化与气化在一个相对很短的SRT条件下发生，因此较短的HRT可以应用到工程中。当一个UASB在SRT为15天温度为25的条件下运行时，反应器会大量产气。糖类、脂质与蛋白质的水解均会发生，从而使得进水中50%的COD转化为沼气。在这种条件下，HRT的最终选择建立在入水进水的SS的浓度的去除，排除和生物降解等因素上（Zeeman and Lettinga, 1999）。当温度15的时候，为了提供足够的产气及水解条件，极长的污泥停留时间（100天）和因此带来的更长的HRT是非常必要的（Zeeman and Lett