厭氧生物處理機理研究

1、厭氧生物處理機理研究摘要：由于社會的開展、人口的增加，水資源短缺的矛盾日益顯現(xiàn)出來，廢水排放逐年增加，每年處理廢水的費用也在飛速上漲，一直以來人們認為厭氧微生物處理低濃度的廢水不能很好的實現(xiàn)，本文通過對厭氧處理廢水的根本生物化學過程和動力學兩個角度作出分析，并提出了在低濃度廢水中的莫諾方程形式，提出在動力學和生物化學兩個方面都是可以很好的實現(xiàn)厭氧處理低濃度廢水的，只是在工程施行工程中沒有做到生物反響其他的一些條件，本文還根據(jù)反響動力學和生物化學原理對厭氧處理低濃度廢水中試和實際工程中的設計和啟動給出一些建議。關(guān)鍵詞：厭氧生物處理低濃度廢水反響四個階段莫諾方程反響速率啟動一、概述厭氧生物處理技術(shù)

2、在水處理行業(yè)中一直都受到環(huán)保工作者們的青睞，由于其具有良好的去除效果，更高的反響速率和對毒性物質(zhì)更好的適應，更重要的是由于其相對好氧生物處理廢水來說不需要為氧的傳遞提供大量的能耗，使得厭氧生物處理在水處理行業(yè)中應用非常廣泛。但由于總體反響式基于莫諾方程的厭氧處理受到低濃度廢水Ks的限制，所以厭氧在處理低濃度廢水方面沒有太大的空間，可最近的一些報道和試驗說明，厭氧假設提供適宜的外部條件，在處理低濃度廢水方面仍然有非常高的處理效果。我們可以根據(jù)厭氧反響的原理加以動力學方程推導出厭氧生物處理低濃度廢水尤其在處理生活污水方面的適宜條件。二、厭氧反響四個階段一般來說，廢水中復雜有機物物料比較多，通過厭氧

3、分解分四個階段加以降解：1水解階段：高分子有機物由于其大分子體積，不能直接通過厭氧菌的細胞壁，需要在微生物體外通過胞外酶加以分解成小分子。廢水中典型的有機物質(zhì)比方纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子可以通過細胞壁進入到細胞的體內(nèi)進展下一步的分解。2酸化階段：上述的小分子有機物進入到細胞體內(nèi)轉(zhuǎn)化成更為簡單的化合物并被分配到細胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸VFA，同時還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生。3產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一步的產(chǎn)物進一步被轉(zhuǎn)化成乙酸、碳酸、氫氣以及新的細胞物質(zhì)。4產(chǎn)

4、甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳和新的細胞物質(zhì)。這一階段也是整個厭氧過程最為重要的階段和整個厭氧反響過程的限速階段。再上述四個階段中，有人認為第二個階段和第三個階段可以分為一個階段，在這兩個階段的反響是在同一類細菌體類完成的。前三個階段的反響速度很快，假設用莫諾方程來模擬前三個階段的反響速率的話，式：中的Ks半速率常數(shù)可以在50g/l以下，可以到達5KgD/KgLSS.d。而第四個反響階段通常很慢，同時也是最為重要的反響過程，在前面幾個階段中，廢水的中污染物質(zhì)只是形態(tài)上發(fā)生變化，D幾乎沒有什么去除，只是在第四個階段中污染物質(zhì)變成甲烷等氣體，使廢水中D大

5、幅度下降。同時在第四個階段產(chǎn)生大量的堿度這與前三個階段產(chǎn)生的有機酸相平衡，維持廢水中的PH穩(wěn)定，保證反響的連續(xù)進展。三水解反響水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)化成簡單的溶解性單體和二聚體的過程。水解反響針對不同的廢水類型差異很大，這要取決于胞外酶能否有效的接觸到底物。因此，大的顆粒比小顆粒底物要難降解很多，比方造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質(zhì)素、大分子纖維素就很難水解。水解速度的可由以下動力學方程加以描繪：=/(1+Kh.T)可降解的非溶解性底物濃度g/l；非溶解性底物的初始濃度g/l；Kh水解常數(shù)d1；T停留時間d。一般來說，影響Kh的因素很多，很難確定一個特定的方程來求解Kh，但我

6、們可以根據(jù)一些特定條件的Kh，反推導出水解反響器的容積和最正確反響條件。在實際工程施行中，有條件的話，最好針對要處理的廢水作一些Kh的測試工作。通過對國內(nèi)外一些報道的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個時候，可以不考慮厭氧處理方式。對于生活污水來說，在溫度15的情況下，Kh0.2左右。但在水解階段我們不需要過多的D去除效果，而且在一個反響器中你很難嚴格的把厭氧反響的幾個階段區(qū)分開來，一旦停留時間過長，對工程的經(jīng)濟性就不太實用。假設就單獨的水解反響針對生活污水來說，D可以控制到0.1的去除效果就可以了。把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動力學方程中，可以得到停留水解停留時間：

7、T=13.44h這對于水解和后續(xù)階段處于一個反響器中厭氧處理單元來說是一個很短的時間，在實際工程中也完全可以實現(xiàn)。假設有條件的地方我們可以適當進步廢水的反響溫度，這樣反響時間還會大大縮短。而且一般對于城市污水來說，長的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當廢水流到廢水處理場時，這個過程也在很大程度上完成，到目前為止還沒有看到關(guān)于水解作為生活污水厭氧反響的限速報道。四發(fā)酵酸化反響發(fā)酵可以被定義為有機化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程，在此過程中有機物被轉(zhuǎn)化成以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物。酸化過程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細菌來完成的，在這些細菌中大部分是專性厭氧菌，只有1是兼性厭

8、氧菌，但正是這1的兼性菌在反響器受到氧氣的沖擊時，能迅速消耗掉這些氧氣，保持廢水低的氧化復原電位，同時也保護了產(chǎn)甲烷菌的運行條件。酸化過程的底物取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對于一個穩(wěn)態(tài)的反響器來說，乙酸、二氧化碳、氫氣那么是酸化反響的最主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。在這個階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反響是否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸VFA和氨氮。VFA過高會使廢水的PH下降，逐漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進展，使產(chǎn)氣量減小，同時整個反響的自然堿度也會較少，系統(tǒng)平衡PH的才能減弱，整個反響會形成惡性循環(huán)，使得整個反響器最終失敗。氨氮它起到一個平衡的作用，一方面，它可以中

9、和一部分VFA，使廢水PH具有更大的緩沖才能，同時又給生物體合成自生生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)，但過高的氨氮會給微生物帶來毒性，廢水中的氨氮主要是由于蛋白質(zhì)的分解帶來的，典型的生活污水中含有20-50g/l左右的氨氮，這個范圍是厭氧微生物非常理想的范圍。另外一個重要指標就是廢水中氫氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：H3(H2)15-+14H27H3-+H3H2-+7H+14脂肪酸的降解都會產(chǎn)生大量的氫氣，假設要使上述反響得以正常進展，必須在下一反響中消耗掉足夠的氫氣，來維持這一反響的平衡。假設廢水的氫氣指標過高，說明廢水的產(chǎn)甲烷反響已經(jīng)受到嚴重抑制，需要進展修復，一般來說氫氣濃度升高是伴隨PH指標

10、降低的，所以不難監(jiān)測到廢水中氫氣的變化情況，但廢水本身有一定的緩沖才能，所以完全通過PH下降來判斷氫氣濃度的變化有一定的滯后性，所以通過監(jiān)測廢水中氫氣濃度的變化是對整個反響器反響狀態(tài)一個最快捷的表現(xiàn)形式。五產(chǎn)乙酸反響發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進一步降解成乙酸，其常用反響式如以下幾種：H3HH-+2H2H3-+H3-+H+2H2G0=-4.2KJ/LH3H2H+H2H3-+H+2H2G0=9.6KJ/LH3H2H2-+2H22H3-+H+2H2G0=48.1KJ/LH3H2-+3H2H3-+H3-+H+3H2G0=76.1KJ/L4H3H+223H3-+2H2G0=-2.9KJ

11、/L2H3-+4H2+H+H3-+4H2G0=-70.3KJ/L從上面的反響方程式可以看出，乙醇、丁酸和丙酸不會被降解，但由于后續(xù)反響中氫的消耗，使得反響可以向右進展，在一階段，氫的平衡顯得更加重要，同時后續(xù)的產(chǎn)甲烷過程為這一階段的轉(zhuǎn)化提供能量。實際上這一階段和前面的發(fā)酵階段都是由同一類細菌完成，都在細菌體內(nèi)進展，并且產(chǎn)物排放到水體中，界限并沒有非常清楚，在設計反響器時，沒有足夠的理由把他們分開。六產(chǎn)甲烷反響在厭氧反響中，大約有70左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個階段中遵循莫諾方程反響的階段。另一類產(chǎn)生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大約占30左右。其中約有一般

12、的嗜氫細菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。最主要的產(chǎn)甲烷過程反響有：H3-+H2H4+H3-G0=-31.0KJ/LH3-+H+4H2H4+3H2G0=-135.6KJ/L4H3H3H4+2+2H2G0=-312KJ/L4H-+2H+H4+2+2H3-G0=-32.9KJ/L在甲烷的形成過程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶H3-S-H2-S3-。這個過程可用以以下圖示所標：在甲基輔酶復原成甲烷的過程中，需要作用非常重要的甲基復原酶，其中含有重要的金屬離子Ni+。這對生活污水來說是比較缺乏微量金屬離子，所以在生活污水的厭氧生物處理過程中補充一定的微量金屬離子是非常必要的。七低濃度廢水反響速率的選擇以生活污水為

13、例，一般來說影響廢水厭氧反響速率的因素有很多，包括反響溫度、廢水的毒性、原水基質(zhì)濃度、原水的PH值、傳質(zhì)效率、營養(yǎng)物質(zhì)的平衡、微量元素的催化作用等等。對于生活污水來說，影響比較大的因素有反響溫度、原水的基質(zhì)濃度、傳質(zhì)效率以及微量元素的催化。因為生活污水的營養(yǎng)比和PH值被公認為非常適宜生物的生長的。在前面的表達中，已經(jīng)提及了厭氧反響的前三個階段對于生活污水來說，很快就可以完成，尤其水解階段，不存在傳質(zhì)的限制，同時通常長間隔 的管網(wǎng)也給水解提供了足夠的時間。因此我們提出的厭氧處理低濃度廢水設計思想中，主要考慮產(chǎn)甲烷過程作為限速步驟。由于產(chǎn)甲烷階段遵循莫諾方程，整個速率確實定以莫諾方程為基矗生物反響

14、速率KgD/KgLSS.dax生物最大反響速率KgD/KgLSS.d廢水中基質(zhì)濃度g/lKs半反響速率常數(shù)g/l在上式中，很難把總體反響的Ks值估算出來，因為它受到的影響因素很多，對于不同類型的廢水差異很大。對于生活污水來說可以根據(jù)不同的單個因素影響列成很多分式莫諾方程，最后各式相乘再加上修正系數(shù)，這個方程可以得出比較接近的Ks值，作為厭氧處理生活污水時的參考設計數(shù)據(jù)。詳細思想如下：1、假定條件：a、厭氧處理該污水過程中主要受溫度、傳質(zhì)速率、基質(zhì)濃度以及微量元素的影響；b、微量元素可以通過外界條件的干預給予補充；、反響器為一體化反響器；d、產(chǎn)甲烷單元反響也近似遵循莫諾方程。2、模型總體方程Ks

15、t溫度響應半反響速率常數(shù)g/lKsv傳質(zhì)速率半反響速率常數(shù)g/lK修正系數(shù)在上式中，Kst針對不同的廢水是可以確定的，Ksv對不同的反響器差異比較大，我們可以通過外界干預給以降低到一固定值偏向不大的范圍內(nèi)，比方通過強迫攪拌或是進步反響器的高徑比，出水回流都是比較好的解決方法。通過眾多的工程實例以及文獻報道，初步確定Kst在15攝氏度時針對生活污水值為3200g/l左右。Ksv在有攪拌足夠的情況下15攝氏度時針對生活污水值為532g/l。K值在重慶地區(qū)可以取0.85，ax按照碳水化合物可取5KgD/KgLSS.d，這樣針對進水濃度為300g/l的生活污水最大反響速率為：15KgD/KgLSS.d

16、300/3200300300/532+3000.850.132KgD/KgLSS.d在一體式反響器中由于出水濃度很低，導致總體反響速率降低，但對于幾種高效厭氧反響器包括UASB、EGSB、I內(nèi)循環(huán)反響器、流化床、上流式厭氧生物濾池可以假設其為推流式厭氧反響器，濃度隨反響器高度的增加均勻的減少，即反響器中的濃度分布與高度成反比。這樣我們可以通過設定的出水濃度計算一個反響器最低反響速率，最后取平均值就得到整個反響器的平均反響速率。同樣根據(jù)前面的莫諾模型，得出出水D80g/l的厭氧反響速率：25KgD/KgLSS.d80/32008080/532+800.850.014KgD/KgLSS.d所以反響

17、器的平均反響速率為1+2/20.073KgD/KgLSS.d假設我們可以在反響器內(nèi)保持穩(wěn)定的污泥濃度為20KgLSS/3，那么整個反響器的容積反響速率為FV0.073KgD/KgLSS.d20KgLSS/31.46KgD/3.d在實際反響器的設計時，需要考慮污泥、氣體、液體別離的容積，反響部分容積只占整個反響器容積的40，這樣實際整個反響器設計平均負荷變?yōu)椋篎V1.46KgD/3.d0.40.99KgD/3.d核算停留時間為：HRT7.5h八中試與工程應用應注意的問題通過上述實驗室里理論的研究和推斷，采用新型高效厭氧反響器處理城市污水完全是可行的。在中試和工程設計中，我們應該從上述分析角度出發(fā)

18、，完善厭氧系統(tǒng)，以下措施是必要的：1、在反響器的形式上優(yōu)先考慮推流式的活塞反響器；2、為了減少低濃度時，基質(zhì)傳質(zhì)速率包括液相中的有機物向菌膠團或顆粒污泥傳質(zhì)以及細胞壁外向細胞壁內(nèi)傳質(zhì)對整個反響速率的影響，在反響器底部投加一定數(shù)量的活性炭作為載體是非常有必要的，但考慮到沼氣和布水的影響，投加數(shù)量不宜過多，初步考慮為40g/L顆粒狀活性炭；3、建議在反響器的上部設置氣、水、固三相別離系統(tǒng)；4、設置一套完善的出水回流系統(tǒng)，并可以調(diào)節(jié)回流量，用儀表顯示并控制；5、出水設置LSS濃度計加以監(jiān)測，隨時理解反響器的污泥情況；6、在反響器的底部、中部、頂部設置堿度監(jiān)測系統(tǒng)，隨時監(jiān)測反響器內(nèi)的生物反響條件；7、

19、設置一套啟動用的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素添加系統(tǒng)是非常有必要的；8、設置溫度傳感器，理解原水水溫的變化對反響器的沖擊影響；9、進水設置流量傳感器和有機物在線監(jiān)測儀器，并通過程序加以顯示到中央控制室中，隨時計算進水污泥負荷以及上升流速；10、必要的預處理措施，比方除渣處理措施；11、在北方的廢水處理系統(tǒng)，反響器建議修建在室內(nèi)或采取嚴密的保溫措施；12、其他必要的輔助系統(tǒng)，如消除泥水界面泥渣層的噴淋系統(tǒng)。同樣，一套設計好的系統(tǒng)，沒有按照反響機理進展的啟動，是不能稱之為成功的系統(tǒng)的，在這里，根據(jù)一些工程理論以及國內(nèi)外一些報道，筆者對厭氧處理低濃度廢水時啟動提出一些參考性建議針對生活污水：1、啟動時，先投加

20、載體，在投加污泥，污泥的數(shù)量按照25KgLVSS/3池容計算，投加時的污泥必須通過篩網(wǎng)進展粗渣的去除這一點非常重要；2、由于原水具有比較好的生化性，進水不需要馴化，但第一次進水進滿池體后，停頓進水，通過臨時裝備的水下攪拌機進展池底強迫攪拌，連續(xù)8個小時攪拌以上，停頓攪拌靜止8個小時，通過排泥管排除池體標高2米以上的污泥，再攪拌8個小時，這8個小時同時按照比例投加氮肥和磷肥，投加微量金屬元素，保證池內(nèi)液相中的D；3、24個小時后，開始按設計負荷進水并采取一定的出水回流，回流比根據(jù)反響器的高度調(diào)整；注意，出水帶出來的污泥不要回流4、24個小時后，減少回流比，保證出水不帶泥，假設出水繼續(xù)帶你就停頓回

21、流，并進展污泥回流，同時投加營養(yǎng)物質(zhì)；5、連續(xù)這樣運行一個星期，隨時監(jiān)測各項出水指標，以便正確反響反響器內(nèi)生物的反響狀態(tài)6、作一些鏡檢。九結(jié)論通過對厭氧微生物處理污水的機理研究得出，厭氧在常溫狀態(tài)下處理城市污水是有可能的，我們在實際中由于種種非生物本身反響的原因此錯過了利用厭氧處理城市污水的時機，并且在國外已經(jīng)有了成功的厭氧處理城市污水的情況，出水D40g/l。完全能滿足有機物排放標準，假設加上簡短脫硝曝氣工藝在去除了BD后，只需要1.5H的時間就可以進展NH3-N到N-N的轉(zhuǎn)化，就是一個非常適宜中國國情的低濃度廢水處理工藝，但在設計中，應詳細認真的作出設計前的調(diào)查和設計后的啟開工作。參考文獻：1王凱軍，城市污水處理問題與水解好氧生物處理工藝，城市管理與科技，1999.11：19232王凱軍，城市污水污染控制技術(shù)和開展重點，中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)EPI，2001.2：25273鐘海濤，胡勇有，田靜，廢水低溫厭氧處理技術(shù)，給水排水，2022.230：981014蘇鴻洋，夏雪芬,董發(fā)開,復合式厭氧反響器處理城市污水試驗研究，給水排水，2002：48505李波，徐高田，鄒偉國，徐俊偉，復合式厭氧污泥床反響器處理城市生活污水的研究，環(huán)境技術(shù)，20024：33365裘湛，張之源，高速厭氧反響器處理城市污水的現(xiàn)狀與開展，2002.2511171226李鵬，王