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厌氧生物处理技术的原理及其在城市污水处理中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-07-16  来源:中国净水器网  作者:[db:作者]  浏览次数:675

  厌氧生物处理技术的原理及其在城市污水处理中的应用李绍衡常德市建筑勘测设计院,湖南常德,415003主要特枉以及其在我围的应用前景,还专门介绍了利用厌氧生物工艺处理城市生活污水的情况。

  常德市污水处理厂己于1997年建成并投产运行,根据当地污水的水质和水量情况以及当地气候地质等条件,经过专家充分论证国家七科技攻关项目755942134及930032,最终确定采用氧化沟+氧化塘工艺,运行近年的结果明,该工艺适合当地情况,整个工艺运行稳定,且处理效果良好。近年来,随着研究和应用的深入,又出现了多种城市污水处理的新工艺,厌氧生物处理技术就是其中具有代性的种低运行成本的工艺国的应用前景洚重点介绍了厌氧生物工艺处理城市生活污水的研宄和应用情况收稿日期2001冶344 1厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理又被称为厌氧消化厌氧发酵,是指在厌氧条件下由多种厌氧或兼性微生物的共同作用下,使有机物分解产生,和0的过程。厌氧过程广泛地存在于自然界中。1881年,法国的,心肘,叫。8发明了自动净化器,用以处理污水污泥,从而开始了人类利用厌氧化物过程处理戍水废物的历程通人类汗始较多地应用厌氧过程来处理城市污水如化粪池双层沉淀池等和活性污泥工艺中产生的剩余污泥如各种厌氧消化池等。从20世纪60年代开始,随着能源危机的加剧,人们加强了利用厌氧消化过杓处理有机废水的研宄,继现批现代速厌试消化反应器,如厌氧接触法厌氧滤池町上流欠氧污泥⑴⑴反应口欠氧流化人厂卟厌试附膜膨胀冰反应器AAFKIi等,从此厌氧消化工艺P始大l№;地波应用于废水处这叫现代ll,屯厌氧生物反应器的水力停留时间大大缩短,有机负荷大大提高,处理效率也大大提高。

  在20世纪的360年代,人们普遍认为厌氧消化过程可以简单地分为两个阶段如中的有机物在发酵细菌的作用下,发生水解和酸化反应,而被降解为以脂肪酸醇类,2和托等为主的产物。参与反应的微生物则被统称为发酵细菌或产酸细菌,其特点主要有1生长速率快,2对环境条件如温度碑抑制物等的适应性较强;第阶段则被称为产甲烷阶段或碱性发酵阶段,所发生的反应是产甲烷菌利用前阶段的产物脂肪酉醇类,和杜等为坫质。并最终将其转为,和参与反应的微生物被统称为产甲烷菌,此主耍特点有1生长违率很慢;2付环境条忭如温度1抑制物等常敏感,等。

  何是随养对厌闱微生物学研究的不断深入。很多7者都发现上述过程不能真实完整地反映厌氧消化过程的本质。厌氧微生物学的研宄结果明,产甲烷菌是类非常特别的细菌,它们只能利用些简单的有机物如甲酸乙酸甲醇甲基胺类以及托032等,而不能利用除乙外的每个碳以上的船肪酸和1醇以外的醇类;7代,1了发现原来认为是种被称为奥氏产甲烷菌的细菌,实际上是由两种细菌共同组成的,其中种细菌先将乙醇氧化为乙酸和托,另种细菌则利用托和,2以及乙酸产生,1.由此,81提出了厌氧消化过程的阶段理论2.

  阶段理论认为,整个厌氧消化过程可以分为个阶段,即,水解发酵阶段,产氢产乙酸阶段产甲烷阶段。有机物首先通过发酸细菌的作用生成乙醇丙酸丁酸和乳酸等,接着通过产氢产乙酸菌的降解作用而被转化为乙酸和技,32,然后再被产甲烷菌利用,最终被转化为,和,2;产氢产乙酸菌和产甲烷菌之间存在着互营共生的关系。

  该理论将厌氧发酵微生物分为发酵细菌群化印价此,以产氢产乙酸菌群叫。0.0心土塔人,1.1.批括1十和广说,群抑沿1屯1.831切3主要的细菌群。

  有机物发酵性细菌雎肪酸酵类等1产产乙酸苗说明,为阶段理论夏为类群理论,2所产生的细胞物质未在中水解胞外酶跑内酶产酸菌其它产物可溶性有机物点足能将择,2合成为乙酸。们是研究结果明,这嗔分乙酸的1较少,股可忽略不计。

  前为止。阶段理论和菌群说被认为是对厌氧生物处理过程较全面和较准确2厌氧消化过程中的主要微生物根据厌氧消化过程的阶段理论,厌氧微生物主要可以分为以下大类群,即发酵细菌产酸细菌产氢产乙酸菌产甲烷菌。5面将分别予以简单介绍。

  2.1发酵细菌发酵细菌产酸细菌的主要功能是,水解即在胞外酶的作下。将不溶性打机物水解成可溶忭有机物,酸化叩将可溶性火分子打机物转化为脂肪酸崤类等小分子,机物。这类细菌分属梭菌属拟杆菌屈丁酸弧菌属双岐杆菌属等,其中大多数纪厌试菌,但也钉大是兼忡厌闱菌。般农说。水解过枰比较缓慢,并会受到多种因索影响13水力停留时阢打机物种类等,时会成为厌试反应的限速步骤;们产酸反应的速率般足比较快的。如果按功能来分类。则4将发酵细菌分为纤维素分解菌半纤维素分解菌淀粉分解菌蛋白质分解菌脂,分解菌等。

  2.2产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌的卞要功能是将各种级脂,酸和醇类氧化分解为乙酸和1.涉及到乙醇0士,厉,局厉,厉,厉,脂肪酸醇类不溶性有机物细菌细胞酸性发醇阶段碱性发酵阶段苗氢产乙酸菌分属互营单胞菌,互营杆菌属梭菌属暗杆菌属等;多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。

  2.3产甲烷菌对产甲烷菌的研宄在很长时间内并没有较大的进展。直到20世纪60年代,抱1开创了严格厌氧微生物培养技术,随后产甲烷菌的研究才得以广泛开展。许多研宄结果明,产甲烷菌在分类学上属于古细菌人1伽1叫,它们与直细菌的般特性不同的是细胞壁中没有肽聚糖,细胞中也不含有细胞色素;而含有其它真细菌所没有的酶系统。产甲烷菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物乙酸和圮,2转化为0,和,使厌氧消化过程得以顺利进行。般可以简单地将其分为两大类,即乙酸营养型和吐营养型产甲烷菌;般来说,自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少,主要只有产甲,叠球菌俣出3033和产甲,丝状菌出31两大类,但在厌氧反应器中,这两种细菌的数量般较多,而且有7敝左右的甲,是来自乙酸的氧化分解根据产甲烷菌的形态和生理生态特征,可将其进行分类,目前最新的加屯3细菌手册第九版中将产甲烷菌共分为目七科十九,65种。

  产甲烷菌具有各种不同的形态,常的有,产甲烷杆菌,产甲烷球菌,产甲烷叠球菌,产甲烷丝菌;等前己述及,在生物分类学上,产甲烷菌河时1邱8属于古细,人1.土3613061.3大小外观上与普通细,即真细,油3,613相似,但头际上,其细胞成分特别是细胞壁的结构和酶系统较特殊。产甲烷菌在自然界中的分布,般认为它们常栖息于些极端环境中如地热泉水深海火山口沉积物等,但实际上其分布极为广泛,如污泥反刍动物的瘤胃昆虫肠道湿的树木厌氧反应器等。产甲烷菌都是极严格400,氧和其它任何氧化剂都对其具有极强的毒害作用;产甲烧菌的增殖速率很慢,繁殖的世代时间很长,可长达4 6天甚至更长,因此,般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。

  3厌氧生物处理的影响因素般来说,产甲烷反应厌氧消化过利的控制阶段,因此,在讨论厌闱生物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素,主要有温度1出值氧化还原电位营养物质肘比有毒物质等。

  温度温度对厌氧微生物的影响尤为显著,厌氧细菌可分为嗜热菌域高温菌嗜温菌中温菌。相应地,厌氧消化分为高温消化5,左右和中温消化3久左右,高温消化的反应速率约为中温消化的1.51.9倍,产气率也较高,但气体中甲烷含量较低。当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时,高温消化可取得较好的卫生效果,消化后污泥的脱水性能也较好。随着新型厌氧反应器的开发研究和应用,温度对厌氧消化的影响不再非常1要,主要原闪是新型反应器内的生物量很人,因而在记程度减轻了温度对反应,率Wi;!N.Kttfr,TWvvfT2rh 3.2值和碱度!值是厌氧消化过程中最重要的影响因素主要原因是为产甲烷菌对碑值的变化非常敏感,般认为,其最适1值范围为6.87.2,在65或8.2时,产甲烷菌都会受到严重抑制,并且可能进而导致整个厌氧消化过程的严重恶化。实际上,厌氧体系中的pH值会受到多种因,仙翔,如进水pH价进水水质m物浓度心i机物种类等反应器中所发生的生化反应。酸碱平衡气固液相间的溶解平衡等。厌氧体系实际上是个1值的缓冲体系,叫研宄结及明它主要由碳酸盐体系所控制。就1般工程控制的角度来说厌氧系统中脂肪酸含量的增加累积,将会导致系统的1值下降。而产甲烷菌升。碱度曾度在厌氧消化中被认为是个至关重要的影响因素,但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有定的缓冲能力,以维持合适的1值。厌氧体系旦发生酸化即脂肪酸严重积累,值严1下降低于5.51.则;要很氏的,间寸能恢夂。

  3.3氧化还原电位由于所有的产甲烷菌都是严格厌氧细菌,因此严格的厌氧环境是其进行正常生理活动的基本条件。非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+的环境正常生长和活动;而产甲烷菌的最适氧化还原电位为1504001在培养产甲烷菌的初期,氧化还原电位不能高于33,1.但值得注意的是,这里所指的氧化还原电位是指产甲,菌所处的微生境,而不是指整个厌氧反应器,因此在实际操作运行中,并不要求定要保证进入厌氧反应器的废水的氧化还原屯位要达到上述的要求。

  3.4营养要求厌氧细菌对等营养物质的要求略低于好氧微生物,其要求。0 020051.但多数厌氧菌不具备合成某些必要的维生素或氨基酸的功能,所以有时点是在进行实验研究时还1要投加01;3等金属盐类2微量元尜义,等3有机微量物质酵母浸出膏生物素维生素等。

  厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高,般可以达到510,如3山甚个可达58,1;七要原闪是也勾好氧法相比,在厌,处邢中没,传氧的限制,新型厌氧反应器的设计可以保证在反应器中积聚更高浓度的生物量。但是,由于产酸阶段的反应速率远远高尸产烷阶段的反应速率,1此必须十分谨慎地选择和控制反应器的机负荷。特,是在调试行阶段。必须采较低负荷来启动运厅。否则可能会导致反应器发生酸化现象。而使调试工作受阻。当然,高的机容枳负荷的前提怂在反应器中拥有高的生理量,从而可以保证相应较低的污泥负荷;高的有机容积负荷可以大大缩短水力停留时间,从而减少反应器的体积,节省投资。

  3.6有毒物质常的抑制厌氧生物过程的物质主要有硫化物闱姐重金屈。试化物及某些特殊有机物等。

  硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物。可溶性的硫化物达到定,会对厌。厌化过,甲件金属盐类如2+可以去除5或采用吹脱法从系统中去除抒3等都可以减轻硫化物对厌氧过程的抑制作用。氨氮是厌氧消化的缓冲剂,有利于维持较高的1值,同时也可以被产甲烷菌作为氮源而利用。但如果氨氮浓度过高,则会对厌氧消化过程产生毒害作用;抑制浓度般认为是5020,1凡,但经过定驯化后,适应能力会得到加强。重金属重金属主要是通过破坏厌氧细菌的酶系统而抑制厌氧过程;不同的重金属离子以及不同4厌氧技术处理城市生活污水厌氧生物处理技术主要被应用于高浓度有机工业废水的处理,但由于它具有较多优点,不少国家如荷兰巴西印度哥伦比亚意大利等的些大学和研究机构,针对生活污水浓度低水量大等特点进行了常温试验研究,并己有较多生产性装置投入运行。

  1等人于1979年就开始了用上流式厌氧污泥床人38反应器处理生活污水的研究。他们用120的反应器,接种颗粒污泥,在温度为82化,水力停留时间为12下运行,3,的去除率达638贷,即使在雨季也有5,70.1981年到1983,进613反应器的运行试验,证明在久以上均可获得较好的处,效果。后来化等人还研,了自接种法利用未沉淀的生活污水中原有的大量有机悬浮物在反应器中沉淀后作为接种污泥进行启动,这样就省去了初沉池。他们的研究结果明,当温度,2久以1时,此法启动。1以的。办等人在污水温度力18281讯1为的条件下用自接种法启动,的去除率达到7物,这个效果是相当好的。

  在生产性装置方面,荷兰己有用小型。人58反应器代替化粪池处理小区居民生活污1的城市度水范处理厂。哥伦比亚1990年在8.3建止人型158反应器与兼性氧化塘串联处理生水的系统,其中15;反应器容积为660,13.在印度的1已建立了座总容积为1201的5;系统,处理4活水500以13,在进水温度230,水力停留时间为61时,的去除率叮达6览7私,80的去除率为675,33的去除率为6脱75.另外还有几座大型人38系统例如巴西31砸8的72如3如说的150,1等。入38反应器正在设计中。

  近年来国内些单位也己开展了这方面的研究工作。北京环境保护科学研宄所开发了前己述及的厌氧水解好氧工艺。中国市政工程西南设计院较早地开始了厌氧法处理生活污水的研宄,最近又研究了厌氧符氧系统,其中厌氧采用了加铁屑层作填料的058反应器。据研究者报道,该系统的厌氧段在冬季813,和灯为341的条件下,总,去除率为35.9501.清华大学环境工程系也开展了这方面的研究。但总的来说,我国在这方面的研宄还不多,些方面还刚起步。

  综上所述,对处于气候温暖的地区,利用。人38反应器处理城市废水或生活污水,具有经济有效地解决水污染问,具有重要的意义。与活性污泥法或氧化沟法等传统的好氧生物处理法相比,具有基建投资省占地面积小运行费用低可回收定的生物能源剩5厌氧生物处理技术的主要特征及在我国的应用前景与好氧生物处理工艺相比较,厌氧生物处理工艺具有如下特点1能耗大大降低,而且还可以回收生物能沼气;2污泥产量低,厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,产酸馆的产率系数般为150.341巧14.产甲烷尚的产率系数,为0.03001左右,而好氧微生物的产率般约为。250.6155,3厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的些有机物进行降解或部分降解;4反应过程较为复杂厌氧消化是由多种不同性质不同功能的微生物协同工作的个连续的微生物过程;5对温度1等环境因素较敏感;6但般来说,处理后的出水水质较差,需要进步采用好氧法进行处理,气味较大对氨氮的去除效果不好;等等。

  由于厌氧生物处理技术具有如上所述的诸多优点,它己经逐渐成为我国水污染控制含有大量的碳水化合物脂肪蛋白质纤维素等有机物,旦排入水体就会引起极其严重的污染;而目前环保事业所面临的形势却是能源昂贵。土地价格剧增剩余污泥的处理费用也越来越高;因此,厌闱4物处理技术所具仙,能将,机污染物转变成沼气并加以回收利用,运行能耗低你有机负荷高,占地面积少;污泥产量少,剩余污泥处理费用低突出优点庇它经逐渐成为我国控制有机染的重要子段。

  1闵航。厌氧微生物学咪。杭州浙江大学出版社,1993.

  2杨秀山。产烷菌的新分趋目录。微生物7通报,199.83187.

  赵章。产甲烷细菌及其研宄方法。成都成都科技大学出版社,1997.

  钱易,米祥友。现代废水处理新技术厘。北京中国科学技术出版社,1992贺延龄。废水的厌氧生物处理。北京中国轻工业出版社,1998.

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