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【收藏】廢水反應(yīng)基本原理

2023-01-09 14:24:19 admin
第一節(jié)廢水好氧生物處理原理‍
 

 

一、好氧生物處理的基本生物過程

 

所謂好氧:是指這類生物必須在有分子態(tài)氧氣(O2)的存在下,才能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng),主要包括大部分微生物、動物以及我們?nèi)祟悾?/span>所謂厭氧:是能在無分子態(tài)氧存在的條件下,能進(jìn)行正常的生理生化反應(yīng)的生物,如厭氧細(xì)菌、酵母菌等。好氧生物處理過程的生化反應(yīng)方程式:

 分解反應(yīng)(又稱氧化反應(yīng)、異化代謝、分解代謝)    CHONS    +  O2        CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量(有機物的組成元素)

 合成反應(yīng)(也稱合成代謝、同化作用)     CH、O、N、S    +  能量               C5H7NO2

 內(nèi)源呼吸(也稱細(xì)胞物質(zhì)的自身氧化)      C5H7NO2 + O2            CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況下,各類微生物細(xì)胞物質(zhì)的成分是相對穩(wěn)定的,一般可用下列實驗式來表示:細(xì)菌:C5H7NO2;真菌:C16H17NO6;藻類:C5H8NO2;原生動物:C7H14NO3分解與合成的相互關(guān)系:1)二者不可分,而是相互依賴的;a、分解過程為合成提供能量和前物,而合成則給分解提供物質(zhì)基礎(chǔ);b、分解過程是一個產(chǎn)能過程,合成過程則是一個耗能過程。2)對有機物的去除,二者都有重要貢獻(xiàn);3)合成量的大小,對后續(xù)污泥的處理有直接影響(污泥的處理費用一般可以占整個城市污水處理廠的40~50%)。不同形式的有機物被生物降解的歷程也不同:一方面:結(jié)構(gòu)簡單、小分子、可溶性物質(zhì),直接進(jìn)入細(xì)胞壁;結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質(zhì),則首先被微生物吸附,隨后在胞外酶的作用下被水解液化成小分子有機物,再進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。另一方面:有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,其降解過程也會不同,如:糖類;脂類;蛋白質(zhì)

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二、影響好氧生物處理的主要因素

 溶解氧(DO): 約1~2mg/l;

 水溫:是重要因素之一,在一定范圍內(nèi),隨著溫度的升高,生化反應(yīng)的速率加快,增殖速率也加快;細(xì)胞的組成物如蛋白質(zhì)、核酸等對溫度很敏感,溫度突升或降并超過一定限度時,會有不可逆的破壞;最適宜溫度    15~30°C; >40°C  < 10°C后,會有不利影響。

 營養(yǎng)物質(zhì):細(xì)胞組成中,C、H、O、N約占90~97%;其余3~10%為無機元素,主要的是P;生活污水一般不需再投加營養(yǎng)物質(zhì);而某些工業(yè)廢水則需要,一般對于好氧生物處理工藝,應(yīng)按BOD : N : P = 100 : 5 : 1 投加NP;其它無機營養(yǎng)元素:K、Mg、Ca、SNa等;微量元素: Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等;

 pH值:一般好氧微生物的最適宜pH6.5~8.5之間;pH < 4.5時,真菌將占優(yōu)勢,引起污泥膨脹;另一方面,微生物的活動也會影響混合液的pH值。

 有毒物質(zhì)(抑制物質(zhì)):重金屬;氰化物;H2S;鹵族元素及其化合物;酚、醇、醛等;

 有機負(fù)荷率:污水中的有機物本來是微生物的食物,但太多時,也會不利于微生物;

 氧化還原電位:好氧細(xì)菌:+300 ~ 400 mV, 至少要求大于+100 mV;厭氧細(xì)菌:要求小于+100 mV,對于嚴(yán)格厭氧細(xì)菌,則<-100 mV,甚至<-300 mV。

第二節(jié) 廢水厭氧生物處理原理‍

 

廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵;是指在厭氧條件下由多種(厭氧或兼性)微生物的共同作用下,使有機物分解并產(chǎn)生CH4CO2的過程。

 

一、厭氧生物處理中的基本生物過程——階段性理論‍

 

1、兩階段理論:20世紀(jì)30~60年代,被普遍接受的是兩階段理論第一階段:發(fā)酵階段,又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段;主要功能是水解和酸化,主要產(chǎn)物是脂肪酸、醇類、CO2H2等;主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌;

這些微生物的特點是:

1)生長速率快,

2)對環(huán)境條件的適應(yīng)性(溫度、pH等)強。第二階段:產(chǎn)甲烷階段,又稱堿性發(fā)酵階段;是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物,并將其轉(zhuǎn)化為CH4CO2;主要參與反應(yīng)的微生物被統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌(Methane producing bacteria);

產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點是:

1)生長速率慢,世代時間長;

2)對環(huán)境條件(溫度、pH、抑制物等)非常敏感,要求苛刻。

2、三階段理論對厭氧微生物學(xué)的深入研究后,發(fā)現(xiàn)將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個過程,不能真實反映厭氧反應(yīng)過程的本質(zhì);厭氧微生物學(xué)的研究表明,產(chǎn)甲烷菌是一類十分特別的古細(xì)菌(Archea),除了在分類學(xué)和其特殊的學(xué)報結(jié)構(gòu)外,其最主要的特點是:產(chǎn)甲烷細(xì)菌只能利用一些簡單有機物作為基質(zhì),其中主要是一些簡單的一碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等,兩碳物質(zhì)中只有乙酸,而不能利用其它含兩碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類;上世紀(jì)70年代,Bryant發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為是一種被稱為奧氏產(chǎn)甲烷菌的細(xì)菌,實際上是由兩種細(xì)菌共同組成的,一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2(一種產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌),另一種細(xì)菌則利用H2CO2產(chǎn)生CH4(一種真正意義上的產(chǎn)甲烷細(xì)菌——嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌);因而,Bryant提出了厭氧消化過程的三階段理論水解、發(fā)酵階段:產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段:產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2;產(chǎn)甲烷階段:產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4一般認(rèn)為,在厭氧生物處理過程中約有70%CH4產(chǎn)自乙酸的分解,其余的則產(chǎn)自H2CO2

3、四階段理論(四菌群學(xué)說):幾乎與Bryant提出三階段理論的同時,又有人提出了厭氧消化過程的四菌群學(xué)說實際上,是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上,增加了一類細(xì)菌——同型產(chǎn)乙酸菌,其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明,實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少,只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右。總體來說,三階段理論、四階段理論是目前公認(rèn)的對厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。

4、  多階段理論    但是,當(dāng)利用厭氧生物處理工藝處理含有復(fù)雜有機物的時候,在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)會遠(yuǎn)比上述三階段理論、四階段理論中所描述的反應(yīng)過程復(fù)雜,可以參見厭氧復(fù)雜體系示意圖。

 

二、厭氧消化過程中的主要微生物

    

主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌(產(chǎn)酸細(xì)菌)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。

1、發(fā)酵細(xì)菌(產(chǎn)酸細(xì)菌):

發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌的主要功能有兩種:

  水解——在胞外酶的作用下,將不溶性有機物水解成可溶性有機物;

  酸化——將可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等;主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌:梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等;水解過程較緩慢,并受多種因素影響(pH、SRT、有機物種類等),有時回成為厭氧反應(yīng)的限速步驟;產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快;大多數(shù)是厭氧菌,也有大量是兼性厭氧菌;可以按功能來分:纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。

2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌:產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2;為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適的基質(zhì),在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營關(guān)系。

3、產(chǎn)甲烷菌20世紀(jì)60年代Hungate開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后,對產(chǎn)甲烷細(xì)菌的研究才得以廣泛進(jìn)行;產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4CO2,使厭氧消化過程得以順利進(jìn)行;主要可分為兩大類:乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌,或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌;一般來說,在自然界中乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少,只有Methanosarcina(產(chǎn)甲烷八疊球菌)和Methanothrix(產(chǎn)甲烷絲狀菌),但這兩種產(chǎn)甲烷細(xì)菌在厭氧反應(yīng)器中居多,特別是后者,因為在厭氧反應(yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì),一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解; 根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征,可將其分類如下:——最新的分類(Bergy’s細(xì)菌手冊第九版),共分為:三目、七科、十九屬、65種;產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài),常見的有:

產(chǎn)甲烷桿菌;

產(chǎn)甲烷球菌;

產(chǎn)甲烷八疊球菌;

產(chǎn)甲烷絲菌;等等。在生物分類學(xué)上,產(chǎn)甲烷菌(Methanogens)屬于古細(xì)菌(Archaebacteria),大小、外觀上與普通細(xì)菌(Eubacteria)相似,但實際上,其細(xì)胞成分特殊,特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊;在自然界的分布,一般可以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中(如地?zé)崛?、深海火山口、沉積物等),但實際上其分布極為廣泛,如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應(yīng)器等;產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌,要求氧化還原電位在-150~-400mv,氧和氧化劑對其有很強的毒害作用;產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢,繁殖世代時間長,可達(dá)4~6天,因此,一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟

 

三、厭氧生物處理的影響因素

 

產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段,因此,一般來說,在討論厭氧生物處理的影響因素時主要討論影響產(chǎn)甲烷菌的各項因素;主要影響因素有:溫度、pH值、氧化還原電位、營養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。

1、溫度:溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著;厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌(或高溫菌)、嗜溫菌(中溫菌);相應(yīng)地,厭氧消化分為:高溫消化(55°C左右)和中溫消化(35°C左右);高溫消化的反應(yīng)速率約為中溫消化的1.5~1.9倍,產(chǎn)氣率也較高,但氣體中甲烷含量較低;當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲卵的廢水或污泥時,高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果,消化后污泥的脫水性能也較好;隨著新型厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究和應(yīng)用,溫度對厭氧消化的影響不再非常重要(新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大),因此可以在常溫條件下(20~25°C)進(jìn)行,以節(jié)省能量和運行費用。

2、pH值和堿度:pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素;重要原因:產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化非常敏感,一般認(rèn)為,其最適pH值范圍為6.8~7.2,在<6.5>8.2時,產(chǎn)甲烷菌會受到嚴(yán)重抑制,而進(jìn)一步導(dǎo)致整個厭氧消化過程的惡化;厭氧體系中的pH值受多種因素的影響:進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)(有機物濃度、有機物種類等)、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等;厭氧體系是一個pH值的緩沖體系,主要由碳酸鹽體系所控制;一般來說:系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加(累積),將消耗 ,使pH下降;但產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸,而且還會產(chǎn)生 ,使系統(tǒng)的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個至關(guān)重要的影響因素,但實際上其作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力,維持合適的pH值;厭氧體系一旦發(fā)生酸化,則需要很長的時間才能恢復(fù)。

3、氧化還原電位:嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動的基本條件;非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100~ -100mv的環(huán)境正常生長和活動;產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150~ -400mv,在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期,氧化還原電位不能高于-330mv;

4、營養(yǎng)要求:厭氧微生物對NP等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物,其要求CODNP = 20051

多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能,所以有時需要投加:K、NaCa等金屬鹽類;

微量元素NiCoMo、Fe等;

有機微量物質(zhì):酵母浸出膏、生物素、維生素等。

5、F/M比:厭氧生物處理的有機物負(fù)荷較好氧生物處理更高,一般可達(dá)5~10kgCOD/m3.d,甚至可達(dá)50~80 kgCOD/m3.d;無傳氧的限制;可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段,因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機負(fù)荷;高的有機容積負(fù)荷的前提是高的生物量,而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷;高的有機容積負(fù)荷可以縮短HRT,減少反應(yīng)器容積。

6、有毒物質(zhì):——常見的抑制性物質(zhì)有:硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機物;

硫化物和硫酸鹽:硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物;可溶的硫化物達(dá)到一定濃度時,會對厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用;投加某些金屬如Fe可以去除S2-,或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。

氨氮:氨氮是厭氧消化的緩沖劑;但濃度過高,則會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用;抑制濃度為50~200mg/l,但馴化后,適應(yīng)能力會得到加強。

重金屬:——使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。

氰化物:有毒有機物:

 

四、厭氧生物處理的主要特征

 

1、厭氧生物處理過程的主要優(yōu)點:

  能耗大大降低,而且還可以回收生物能(沼氣);

  污泥產(chǎn)量很低;——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y0.15~0.34kgVSS/kgCOD,產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y0.03kgVSS/kgCOD左右,而好氧微生物的產(chǎn)率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

  厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機物進(jìn)行降解或部分降解;  反應(yīng)過程較為復(fù)雜——厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物過程;

2、厭氧生物處理過程的主要缺點:

  對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感;

  處理出水水質(zhì)較差,需進(jìn)一步利用好氧法進(jìn)行處理;

  氣味較大;

  對氨氮的去除效果不好;等等


  水質(zhì)、水質(zhì)分析  
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