廢水厭氧生物處理中的微生物學(xué)原理(共5頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上12.2 廢水厭氧生物處理中的微生物學(xué)原理12.2.1概述隨著工業(yè)的飛速發(fā)展和人口的不斷增加，能源、資源和環(huán)境等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，近30年來(lái)，能源的短缺變得更加突出。采用傳統(tǒng)的好氧生物處理方法處理廢水要消耗大量的能源，發(fā)達(dá)國(guó)家用于廢水處理的能耗已占到了全國(guó)總電耗的1%左右。廢水好氧生物處理方法的實(shí)質(zhì)是利用電能的消耗來(lái)達(dá)到改善廢水品質(zhì)使其符合水域環(huán)境質(zhì)量要求的一種技術(shù)措施。所以廢水好氧生物處理是耗能型的廢水處理技術(shù)。世界各國(guó)尤其是第三世界國(guó)家，已日益感到為了解決環(huán)境問(wèn)題所需付出大量能耗的沉重負(fù)擔(dān)，正在不斷研究和探索采用高效率低能耗的新型廢水處理技術(shù)。在眾多的廢水生物處理工藝

2、中，人們又重新認(rèn)識(shí)采用厭氧生物處理工藝處理有機(jī)廢水和有機(jī)廢物的重要性。若把厭氧生物處理替代好氧生物處理，則不僅可把好氧生物法過(guò)高的能耗節(jié)省下來(lái)，而且厭氧生物法可把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物能沼氣。由此可見(jiàn)厭氧法是一種既節(jié)能又產(chǎn)能的廢水生物處理工藝。經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者的不斷研究所取得的進(jìn)展，厭氧生物法不僅可以處理高濃度有機(jī)廢水，而且能夠處理中等濃度的有機(jī)廢水，還成功地實(shí)現(xiàn)了處理低濃度有機(jī)廢水的可行性，為廢水處理方法提供了一條既高效能的，又是低能耗的，且符合可持續(xù)發(fā)展的治理廢水途徑。12.2.2廢水厭氧降解機(jī)理 在廢水的厭氧處理過(guò)程中，廢水中的有機(jī)物經(jīng)大量微生物的共同作用，被最終轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和

3、氨。在此過(guò)程中，不同的微生物的代謝過(guò)程相互影響，相互制約，形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)復(fù)雜物料的厭氧過(guò)程的敘述，有助于我們了解這一過(guò)程的基本內(nèi)容。所謂復(fù)雜物料，即指那些高分子的有機(jī)物，這些有機(jī)物在廢水中以懸浮物或膠體形式存在。 復(fù)雜物料的厭氧降解過(guò)程可以被分為三個(gè)階段：水解發(fā)酵階段：將大分子不溶性復(fù)雜有機(jī)物在細(xì)菌胞外酶的作用下，水解成小分子溶解性高級(jí)脂肪酸（醇類、醛類、酮類等），然后滲入細(xì)胞內(nèi)，參與的微生物主要是兼性細(xì)菌與專性細(xì)菌，兼性細(xì)菌的附帶作用是消耗掉廢水帶來(lái)的溶解氧，為專性厭氧細(xì)菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件。此外還有真菌（毛霉Mucor、根霉Rhigopus、共頭霉Syncephastrum、曲霉A

4、spergillus）以及原生動(dòng)物（鞭毛蟲、纖毛蟲、變形蟲）等?？山y(tǒng)稱為水解發(fā)酵菌。碳水化合物水解成單糖，是最易分解的有機(jī)物；含氮有機(jī)物水解產(chǎn)氨較慢，故蛋白質(zhì)及非蛋白質(zhì)的含氮化合物（嘌呤、嘧啶等）繼碳水化合物及脂肪的水解后進(jìn)行，經(jīng)水解為月示 、胨、肽后形成氨基酸；脂肪水解產(chǎn)物主要有甘油、醛等。不溶性有機(jī)物水解發(fā)酵速度較緩慢。 產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一階段的產(chǎn)物被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單脂肪酸（乙酸、丙酸、丁酸等）、氫氣、碳酸以及新的細(xì)胞物質(zhì)。參與作用是兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙óa(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、硝酸鹽還原菌、硫酸鹽還原菌等），此階段速度較快。 產(chǎn)甲烷階段：這一階段里，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被轉(zhuǎn)化為甲烷、

5、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。參與作用的微生物是絕對(duì)厭氧菌（甲烷菌），已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷菌及其代謝底物列舉于表12-6。 上述三個(gè)階段中，以產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)速度最慢，為厭氧消化的限制階段。與好氧氧化相比，厭氧消化的產(chǎn)能量是很少的，所產(chǎn)生能量大部分用于細(xì)菌的自身的生命活動(dòng)，只有少量用于合成新的細(xì)胞物質(zhì)，故厭氧生物處理產(chǎn)生的污泥量遠(yuǎn)少于好氧工藝。表12-6產(chǎn)甲烷菌及其代謝底物產(chǎn)甲烷菌種代謝底物馬氏甲烷球菌 Methanococcus mazei乙酸鹽、酪酸鹽產(chǎn)甲烷菌 Methanococcus vannielii蟻酸鹽、氨、H2甲烷八疊球菌 Methanosarcina methanica乙酸鹽、酪酸鹽Me

6、thanosarcina barkerii甲酸、乙酸鹽、HCO3-、H2分解乙酸甲烷菌 Methanosaeta乙酸、H2乙酸降解菌 Methvacuolata甲酸、H2甲烷桿菌 Methformicium蟻酸、CO2、H2奧氏甲烷桿菌 Methomelianskii乙醇、H2甲烷桿菌 Methpropionicum丙酸鹽孫氏甲烷菌 MethSohngenii乙酸鹽、酪酸鹽甲烷桿菌 Methsuboxydans乙酸鹽甲烷桿菌 Methruminantium酪酸鹽、戌酸鹽、乙酸鹽甲烷桿菌 Methanothrix乙酸鹽甲烷菌Methanobrevibacter sppH2在以上階段里，還包含著以

7、下這些過(guò)程：a水解階段里有蛋白質(zhì)水解、碳水化合物的水解和脂類水解； b發(fā)酵酸化階段包含氨基酸和糖類的厭氧氧化與較高級(jí)的脂肪酸與醇 產(chǎn)甲烷 CH4+CO2 H2S + CO2 硫酸鹽還原硫酸鹽還原 圖12-13 厭氧降解過(guò)程示意圖 產(chǎn) 乙 酸 產(chǎn)甲烷 復(fù)雜有機(jī)物 脂肪酸(C2) H2+CO2 乙 酸 水解、發(fā)酵硫酸鹽還原 SO42- SO42- SO42-類的厭氧氧化；c產(chǎn)乙酸階段里有從中間產(chǎn)物中形成乙酸、氫氣和由氫氣與二氧化碳形成乙酸；d甲烷化階段包括由乙酸形成甲烷和從氫氣與二氧化碳形成甲烷。除以上這些過(guò)程之外，當(dāng)廢水含有硫酸鹽時(shí)還會(huì)有硫酸鹽還原過(guò)程。復(fù)雜化合物的厭氧降解如圖12-13所示。1

8、2.2.3廢水厭氧生物處理工藝（1）厭氧生物濾池（AF）CH4+CO2出 水進(jìn) 水填料CH4+CO2進(jìn) 水出 水填料 厭氧生物濾池是采用填充材料作為微生物載體的一種高速厭氧反應(yīng)器，厭氧菌在填充材料上附著生長(zhǎng)，形成生物膜。生物膜與填充材料一起形成固定的濾床。因此其結(jié)構(gòu)與原理類似于好氧生物濾床。圖12-14中的a圖為上流式厭氧生物濾池示意圖，廢水進(jìn)入反應(yīng)器底部并均勻布水，在向上流動(dòng)的過(guò)程中，廢水中的有機(jī)物被生物膜吸附并分解，進(jìn)而通過(guò)微生物的代謝作用將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。沼氣和出水由反應(yīng)器上部分別排出。填料表面的生物膜不斷生長(zhǎng)，部分老化的生物膜剝落隨出水排出，在厭氧生物濾池后設(shè)置的沉淀池中分

9、離成為剩余污泥。（a）升流式厭氧生物濾池 （b）下流式厭氧生物濾池圖12-14 厭氧生物濾池示意圖 厭氧生物濾池也可以采用下流式（圖12-14中的b圖）。下流式厭氧生物濾池有利于解決上流式中出現(xiàn)的懸浮物堵塞問(wèn)題和可能形成的短流，但是其膜的形成較慢，反應(yīng)器的容積負(fù)荷也較低。厭氧生物濾池采用的填充材料是多種多樣的，通常使用孔隙度大、價(jià)格便宜的材料，例如多孔陶瓷與塑料。（2）厭氧流化床 厭氧流化床（如圖12-15）采用微粒狀填料（例如砂粒）作為微生物固定化的材料，厭氧微生物附著在這些微粒上形成生物膜。由于這些微粒粒徑較小，反應(yīng)器內(nèi)采用一定范圍的高的升流速度，因此在反應(yīng)器內(nèi)的這些微粒形成流態(tài)化。為維持

10、較高的升流速度，流化床反應(yīng)器高度與直徑的比例大于其它同類的反應(yīng)器，同時(shí)它采用較大的回流比。厭氧流化床由于使用較小的微粒，因此形成比表面積很大的生物膜，流態(tài)化又充分改善了有機(jī)質(zhì)向生物膜傳遞的傳質(zhì)速率，同時(shí)它克服了厭氧生物濾池中可能出現(xiàn)的短流和堵塞。在這一工藝中，流態(tài)化的形成是前提條件，較輕的顆?；蛐鯛畹奈勰鄬?huì)從反應(yīng)器中連續(xù)沖出，流態(tài)化的真正形成必須依賴于所形成的生物膜在厚度、密度、強(qiáng)度等方面相沼氣剩余污泥脫膜器回流載體出水進(jìn)水循環(huán)水圖12-15 厭氧流化床示意圖對(duì)均一或形成的顆粒的均一。但實(shí)際上，生物膜的形成與剝落是難以控制的，在反應(yīng)器內(nèi)將會(huì)有各種大小和密度不同的顆粒。在一定流速下，沒(méi)有形成生

11、物膜或生物膜剝落的顆粒會(huì)沉淀于反應(yīng)器底部，而輕的、附著有絮狀污泥的顆粒會(huì)存在于反應(yīng)器上部甚至被沖出反應(yīng)器。 至今很少有生產(chǎn)規(guī)模的流化床，其原因也還在于其工藝控制較困難、投資和運(yùn)行成本高。另一方面，一些已建造的所謂厭氧流化床實(shí)際上并未實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，它們僅僅是“膨脹床”而已。（3）上流式厭氧污泥床（UASB） 圖12-16為UASB反應(yīng)器的示意圖。如圖所示，廢水由反應(yīng)器底部進(jìn)入，反應(yīng)器主體為無(wú)填料的空容器，其中含有大量厭氧污泥。由于廢水以一定流速自下向上流動(dòng)以及厭氧過(guò)程產(chǎn)生的大量沼氣的攪拌作用，廢水與污泥充分混合，有機(jī)質(zhì)被吸附分解。所產(chǎn)沼氣經(jīng)由反應(yīng)器上部三相分離器的集氣室排出，含有懸浮污泥的廢水進(jìn)入

12、三相分離器的沉降區(qū)，由于沼氣已從廢水中分離，沉降區(qū)不再受沼氣攪拌作用的影響，廢水在平穩(wěn)上升過(guò)程中，其中沉淀性能良好的污泥經(jīng)沉降面返回反應(yīng)器主體部分，從而保證了反應(yīng)器內(nèi)高的污泥濃度。含有少量較輕污泥的廢水從反應(yīng)器上方排出。UASB反應(yīng)器中可以形成沉淀性能非常好的顆粒污泥，能夠允許較大的上流速度和很高的容積負(fù)荷。懸浮污泥區(qū)顆粒污泥區(qū)污泥污泥沼氣沼氣水三相分離器集水槽沼 氣出 水進(jìn) 水配水系統(tǒng)圖12-16 上流式厭氧污泥床示意圖 至今，UASB反應(yīng)器在所有高速厭氧反應(yīng)器中是應(yīng)用最為廣泛的，其處理的廢水包括幾乎所有以有機(jī)污染物為主的廢水，例如各類發(fā)酵工業(yè)、淀粉加工、制糖、罐頭、飲料、牛奶與乳制品、蔬菜

13、加工、豆制品、肉類加工、皮革、造紙、制藥及石油精煉及石油化工等各種來(lái)源的有機(jī)廢水。目前最大的UASB反應(yīng)器是荷蘭Paques公司為加拿大建造的處理造紙廢水的UASB反應(yīng)器，其容積15600m3，設(shè)計(jì)能力為日處理COD 185t。（4）膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB） EGSB反應(yīng)器是在UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上于80年代后期在荷蘭農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境系開(kāi)始研究的新的厭氧反應(yīng)器。EGSB反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)非常相似，所不同的是在EGSB反應(yīng)器中采用高達(dá)2.56mh的上流速度，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UASB反應(yīng)器所采用的約0.52.5mh的上流速度。因此在EGSB反應(yīng)器中顆粒污泥床處于部分或全部“膨脹化”的狀態(tài)，即污泥床的體積由于顆粒之間平均距離的增加而擴(kuò)大。為了提高上流速度，EGSB反應(yīng)器采用較大的高度與直徑比和大的回流比。在高的上流速度和產(chǎn)氣的攪拌作用下，廢水與顆粒污泥間的接觸更充分，因此可允許廢水在反應(yīng)器中有很短的水力停留時(shí)間，從而EGSB可處理較低濃度的有機(jī)廢水。一般認(rèn)為UASB反應(yīng)器更宜于處理濃度高于1500mgCOD