汙(wū)水處(chù)理微生(shēng)物反應原理及影響因素!
來源:国内精品久久久久久久影视麻豆盛環保(bǎo) 發(fā)布時間:2021-09-30
一、好氧生物處理的基(jī)本生物過程
所謂“好氧”:是指這類生物必須在有分子態氧氣(qì)(O2)的存在下,才能進行正常的生(shēng)理生化反應,主要包括大(dà)部分微生物(wù)、動物以(yǐ)及我們人類;所謂“厭氧”:是能在無分子態氧存(cún)在(zài)的條件下,能進行正常的生理生(shēng)化(huà)反應的生物(wù),如厭氧細菌、酵母菌等。好氧生物處理過程的生化反應方程式(shì):
①分解反應(又稱氧化反應、異化代謝、分解代謝(xiè)) CHONS +O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量(有機物的組成(chéng)元素)
②合成(chéng)反應(也稱合成代謝、同化作用) C、H、O、N、S +能量 C5H7NO2
③內源呼吸(也稱細胞物質的自身氧化) C5H7NO2 + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- +¼+能量在正常情況(kuàng)下,各類微生物細胞物質的成分是(shì)相(xiàng)對穩定的,一般可用下列實(shí)驗式來表示:細菌:C5H7NO2;真菌(jun1):C16H17NO6;藻類:C5H8NO2;原生動物:C7H14NO3分解與合成的相互關係(xì):1)二(èr)者不可分(fèn),而是相互依賴的;a、分解過程為(wéi)合成提供能量和(hé)前物,而合(hé)成則給分解提供物質(zhì)基礎(chǔ);b、分解過程是一個產能過程,合成過程則是一個耗能過(guò)程。2)對有機(jī)物(wù)的去除,二(èr)者都有重要貢獻;3)合成量的大小(xiǎo),對(duì)後續汙泥的處理有直接影響(汙(wū)泥(ní)的處理費用一般可以占整個城市汙水處理廠的40~50%)。不同形式(shì)的(de)有機(jī)物被生物降(jiàng)解的(de)曆程也不(bú)同:一方麵(miàn):結構簡單、小(xiǎo)分子、可溶性物質,直接進(jìn)入細胞壁;結構複雜、大分子、膠體狀或顆粒狀的物質,則*先被微生物吸附,隨後在胞外酶的作用下被水解液化成小(xiǎo)分子有機(jī)物,再進入細胞內。另(lìng)一方麵:有(yǒu)機物的化學結(jié)構不同,其降解過程也會不同,如:糖類;脂類(lèi);蛋白質
二、影響好氧生物處理的主要因素
①溶解氧(DO):約1~2mg/l;
②水溫:是重要(yào)因素之一,在一定範圍內,隨著溫度的升高,生化反應的速率加快,增殖速率也加快;細胞的組成(chéng)物如蛋白質、核酸(suān)等對溫度很敏感,溫度突升或(huò)降並超過一定限(xiàn)度時,會有不可逆的破壞(huài);*適宜溫度 15~30°C;>40°C或< 10°C後,會有(yǒu)不(bú)利影(yǐng)響。
③營養物質:細胞組成中,C、H、O、N約占90~97%;其餘3~10%為無機元素,主要(yào)的是P;生活汙水一般不需(xū)再投加營養物質;而某些工業(yè)廢(fèi)水則(zé)需要,一般對於好氧生物處理工藝,應按BOD : N : P = 100 : 5 : 1投加N和(hé)P;其它無機營養元素(sù):K、Mg、Ca、S、Na等;微量元素:Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等;
④pH值:一般好氧微生物的*適宜pH在6.5~8.5之間;pH < 4.5時,真菌將占優勢(shì),引起汙泥膨(péng)脹;另一方麵,微生物的活動也會影響(xiǎng)混合液的pH值。
⑤有毒物質(zhì)(抑製物質):重金屬;氰(qíng)化物;H2S;鹵族元素及其化合物;酚、醇(chún)、醛等;
⑥有機負荷率:汙水(shuǐ)中的有機(jī)物(wù)本來是微生物的食物(wù),但太多(duō)時,也會不利(lì)於微生物;
⑦氧化還原電位:好氧細菌:+300 ~ 400 mV, 至少要求大於+100 mV;厭氧細菌:要求小於(yú)+100 mV,對於嚴格厭(yàn)氧(yǎng)細菌(jun1),則<-100 mv,甚至<-300="" mv。<="" span="">
第二節 廢水厭(yàn)氧生(shēng)物處理原理
廢水厭氧生物處理在早(zǎo)期又被稱為厭氧消化、厭氧發酵;是指在厭氧條件下由(yóu)多種(厭氧或兼性(xìng))微生物的共(gòng)同(tóng)作用(yòng)下(xià),使有機物(wù)分解並產生(shēng)CH4和CO2的過程。
一、厭氧生物處(chù)理中的基本生物過程——階段性理論
1、兩階段理論(lùn):20世紀30~60年代,被普遍接受的是“兩階段理論(lùn)”*階段:發酵階段,又稱產酸階段或酸性發酵階段;主要功能是水解(jiě)和酸化,主要產物(wù)是脂肪酸、醇類、CO2和H2等;主要參與(yǔ)反應的微生物統稱為發酵細菌或產酸細菌;
這(zhè)些微生物的特點是:
1)生長速率快(kuài),
2)對(duì)環境(jìng)條件的適應性(溫度、pH等)強。第二階段:產甲烷階段,又稱堿性發酵階段;是指產甲(jiǎ)烷(wán)菌利用前一(yī)階段的產物,並(bìng)將其轉化為CH4和CO2;主要參與反應的微生物被統(tǒng)稱為產甲烷菌(Methane producing bacteria);
產(chǎn)甲烷細菌的主要(yào)特點是:
1)生長速率慢,世代時間長;
2)對環境條件(溫度、pH、抑製物等)非常敏感,要求苛刻。
2、三階段(duàn)理論對厭氧微生物學(xué)的深入研究後,發(fā)現將厭氧消(xiāo)化過程簡單地劃分(fèn)為上述兩個過程,不能真實(shí)反(fǎn)映厭氧反(fǎn)應過(guò)程的本質;厭氧微生(shēng)物學的研究表明,產甲烷(wán)菌是一類十分特(tè)別的古細菌(Archea),除了在分類學(xué)和其特殊的學報結構外(wài),其*主要的特點是:產甲烷細菌隻能利用一些簡單有機物作為基質,其(qí)中主要是一(yī)些簡單(dān)的一碳物質(zhì)如甲(jiǎ)酸、甲醇、甲基胺類(lèi)以及H2/CO2等,兩碳物質中(zhōng)隻(zhī)有(yǒu)乙(yǐ)酸,而不能(néng)利用其它含兩(liǎng)碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類;上世紀(jì)70年代,Bryant發現原(yuán)來認為是一種(zhǒng)被稱為“奧氏(shì)產甲烷菌”的細菌,實際上(shàng)是由兩種細菌共同組成(chéng)的,一種細菌*先把乙醇氧化為乙酸和(hé)H2(一種產氫產乙酸細菌),另一(yī)種細菌則利用H2和CO2產(chǎn)生CH4(一種真正意義上(shàng)的產甲烷細菌——嗜氫產甲烷細菌);因而,Bryant提出了厭氧(yǎng)消化過(guò)程的“三階段理論”:水解、發酵階段:產氫產乙酸階段(duàn):產氫產乙酸菌,將丙酸、丁酸(suān)等脂肪酸和乙醇(chún)等轉化為乙酸、H2/CO2;產甲烷階段:產甲烷菌利(lì)用乙酸和H2、CO2產生(shēng)CH4;一般認為(wéi),在厭氧(yǎng)生物(wù)處理過程中約有70%的CH4產自乙酸的分(fèn)解,其(qí)餘的則產自H2和CO2。
3、四階(jiē)段理論(lùn)(四菌群學說):幾乎與Bryant提出“三階段(duàn)理論”的(de)同時,又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學說”:實際上,是在(zài)上述三階段理論(lùn)的(de)基礎上,增加了(le)一類細(xì)菌——同型產乙酸菌,其(qí)主要功能是可以將產氫產乙酸細菌產生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明(míng),實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少,隻占厭氧體係中總乙酸量的5%左右(yòu)。總體來說,“三階段理論”、“四階段理論”是目前(qián)公認的對厭氧生(shēng)物處理過程較全(quán)麵和較準確(què)的描述。
4、多階段理(lǐ)論(lùn) 但是(shì),當利用厭氧生物處理工藝處理(lǐ)含有複雜有機(jī)物的時候,在厭氧反應器中(zhōng)發生的(de)反應會遠比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應過程複雜,可以參見“厭氧複雜體(tǐ)係(xì)示意(yì)圖”。
二、厭氧消化過程中的主要微(wēi)生(shēng)物
主要介紹其中的發酵細菌(產(chǎn)酸細菌)、產氫產乙酸菌、產甲烷菌等(děng)。
1、發(fā)酵(jiào)細菌(產酸細菌):
發酵產酸細菌的主要功能(néng)有兩種:
①水解——在(zài)胞外酶的作用下,將不溶性有機物水解(jiě)成可溶性有機物;
②酸化——將可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等;主要的發酵產酸細菌:梭菌屬、擬杆菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐杆菌屬(shǔ)等;水解過程較緩慢,並受多種(zhǒng)因素(sù)影響(pH、SRT、有機(jī)物種類等),有時回成(chéng)為厭氧反應的限(xiàn)速步驟;產酸反應(yīng)的速率較(jiào)快;大多數是厭氧菌,也有大量(liàng)是兼性厭氧菌;可以按功能來分:纖維(wéi)素(sù)分解菌、半纖維素分解菌(jun1)、澱粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。
2、產氫產乙酸菌:產氫產乙酸細菌的主要功能(néng)是將各種高級脂肪酸和醇(chún)類氧化分解為乙酸和H2;為產甲烷細菌提供合適的基質,在厭氧係統(tǒng)中常常與產甲烷細菌處於共生互營關係。
3、產甲烷菌20世(shì)紀60年代Hungate開創了嚴格厭氧微生物培養技術之後,對產甲烷細菌的研究才得以廣泛進行;產甲烷細菌的主要功能是將產氫產乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2,使厭氧消化過程得以(yǐ)順(shùn)利進行;主要可(kě)分為兩大類:乙酸營養型和H2營養型產甲烷菌,或稱為嗜乙酸產甲烷細菌和嗜氫產甲烷細菌;一般來說,在自然界(jiè)中乙酸營養型產甲烷菌(jun1)的種類較少,隻有Methanosarcina(產甲烷八(bā)疊球菌)和Methanothrix(產甲烷絲狀菌),但這兩種產甲烷細菌在厭氧反應器中居多,特別是後者,因為在厭(yàn)氧反應器中(zhōng)乙酸是主要的產甲烷基(jī)質,一般來說有70%左右的甲烷(wán)是來自乙酸的氧(yǎng)化分解;根據產甲烷菌的形態(tài)和生理生態特征,可將其分類如下(xià):——*新的分(fèn)類(Bergy’s細菌手冊第九版),共分為:三目、七科、十九(jiǔ)屬、65種;產甲烷菌有各種不同的形態,常見(jiàn)的(de)有:
①產甲烷杆菌;
②產甲烷球菌;
③產甲烷八疊球菌;
④產甲烷絲菌;等等。在(zài)生物(wù)分類學上(shàng),產甲烷菌(Methanogens)屬於古細(xì)菌(Archaebacteria),大小、外觀上與普通細菌(Eubacteria)相似,但實際上,其細胞成分特殊,特別是細胞壁的結構較特殊(shū);在自然界的分布,一般可以認為是棲息於一些極端環境中(如地(dì)熱泉水、深海火山口、沉積物等),但(dàn)實際上其分布極為廣泛,如汙泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹(shù)木、厭氧反應器等;產甲烷菌都是嚴格(gé)厭(yàn)氧細菌,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;產甲烷菌的(de)增殖速率很(hěn)慢,繁殖世代時間長,可達4~6天,因此,一般情況下產甲烷(wán)反應是(shì)厭氧消化的(de)限速步驟。
三、厭氧生物處理的影響因素(sù)
產甲烷反應是厭(yàn)氧消化過程的控製階段,因(yīn)此,一般來說,在討(tǎo)論厭氧生物(wù)處理的影響因素時主要討(tǎo)論影響產甲烷菌的各項因素;主(zhǔ)要影響因素有:溫度(dù)、pH值、氧(yǎng)化還原電位、營養物質、F/M比、有毒物質等。
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(shì)溫菌(中溫菌);相應地,厭氧消化分為:高溫消化(huà)(55°C左右(yòu))和中溫消化(35°C左右);高溫消化的反應速率約為中溫消化的1.5~1.9倍,產氣率也較高,但(dàn)氣體中甲烷含(hán)量較低;當處理含有病原菌和寄生蟲卵的(de)廢水或汙泥時,高溫消化可取(qǔ)得較好的衛生效果,消化後汙泥的脫水性能也較好;隨著新型厭氧反應器的開發研究和應用,溫度對厭氧消化的影響不再非常重要(新型反(fǎn)應器內的生物量很大),因此可以在常溫條件下(20~25°C)進行,以節省能量和運行費用。
2、pH值和堿度:pH值(zhí)是厭氧消化(huà)過程中的*重要的(de)影響因(yīn)素;重要原因:產甲烷菌對pH值的變化非常敏感,一般認為,其*適pH值範圍為6.8~7.2,在<6.5或>8.2時,產甲烷菌會受到嚴重抑製,而進一步導致整個厭氧消(xiāo)化過程(chéng)的(de)惡化;厭氧體係中的(de)pH值受多種(zhǒng)因(yīn)素的影響:進水pH值、進(jìn)水水質(有機物濃度、有機物種類等)、生化反應、酸(suān)堿(jiǎn)平衡、氣固液相間的溶(róng)解平(píng)衡等;厭氧體(tǐ)係是一個pH值的緩衝體(tǐ)係(xì),主(zhǔ)要(yào)由碳酸鹽體係所控(kòng)製(zhì);一般來說:係統中脂肪(fáng)酸含量的增加(累積),將消耗 ,使pH下降;但產甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸,而且還(hái)會產生 ,使係(xì)統的pH值回(huí)升。堿度曾一度在厭氧(yǎng)消化中被認為是(shì)一個至關重要的影響因素,但實際上(shàng)其作用主要是保證厭(yàn)氧體係具(jù)有一定的(de)緩衝能力(lì),維持合適的pH值;厭氧體係一旦發(fā)生酸化,則需要很長的時間才能恢複。
3、氧化還原(yuán)電位:嚴格的厭(yàn)氧環境是產甲烷菌進行正常生理活動的基本條件;非產甲烷菌可(kě)以在氧化還原(yuán)電位為+100~ -100mv的環境正常生長和活動;產甲烷菌的*適氧化還原(yuán)電位為-150~ -400mv,在培(péi)養產甲烷菌的初期,氧化還原電位不能高(gāo)於(yú)-330mv;
4、營養要求:厭氧微生物對N、P等營養物質的要求略低於好氧微生物,其要求COD:N:P = 200:5:1;
多數厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功(gōng)能,所以有時需要投加:①K、Na、Ca等金屬鹽類;
②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等;
③有機微量物質: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荷較好氧生(shēng)物處理(lǐ)更(gèng)高,一般可達5~10kgCOD/m3.d,甚(shèn)至可達(dá)50~80 kgCOD/m3.d;無傳氧的限製;可以(yǐ)積聚(jù)更高的生物量。產酸階段的反應速率(lǜ)遠高於產甲烷階段,因(yīn)此必(bì)須十分謹(jǐn)慎地選擇有機負荷;高的(de)有機容積負荷的前(qián)提是高的生物量,而相應(yīng)較低的汙泥負荷;高(gāo)的有機容積負荷可以縮短HRT,減少反應器容積。
6、有毒物質:——常見的(de)抑製性物(wù)質有:硫化物、氨(ān)氮(dàn)、重金屬、氰化物及某(mǒu)些有機物;
①硫化物和(hé)硫酸鹽:硫酸鹽和其它硫的氧(yǎng)化物很容易在(zài)厭氧消化過程中被還原成硫化物;可溶的硫化(huà)物達到一定濃度時,會對厭氧消化過(guò)程主要是產甲(jiǎ)烷過程產生抑製作用;投加某些金屬如Fe可以去除S2-,或從係統中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑製作用。
②氨氮:氨(ān)氮是厭氧(yǎng)消化(huà)的緩衝劑;但(dàn)濃度過高,則會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒(dú)害作用;抑製濃度為50~200mg/l,但馴化(huà)後,適應能(néng)力會得到加強。
③重金(jīn)屬:——使厭氧細(xì)菌的酶係(xì)統受到破壞。
④氰化物:⑤有毒(dú)有機物:
四、厭氧生(shēng)物處理的(de)主要特征
1、厭氧生物處(chù)理過程的主要優點:
①能(néng)耗大大降低,而且還可以回收生物能(néng)(沼氣);
②汙泥產量很低;——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,產酸菌的產率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD,產甲烷菌的產率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右,而好氧微生(shēng)物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。
③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行降解(jiě)或部分降解;④反應過程較為複雜——厭氧消化是由多種不同性質、不同(tóng)功能的微(wēi)生物協同工作的一個連續的微生物過程;
2、厭氧生物處理過(guò)程的(de)主要缺點:
①對溫度、pH等環境因素較敏感;
②處理出水水質較差,需進一步利用好氧法進(jìn)行處理;
③氣(qì)味較大;
④對氨氮(dàn)的去除(chú)效果不好;等等