厌氧生物处理技术的影响因素_种类与发展

?论文与综述?

厌氧生物处理技术的影响因素、种类与发展

夏新兴,黄　海

(陕西科技大学造纸工程学院,陕西　咸阳　712081)

[摘　要]　从厌氧生物处理技术的基本原理出发,着重介绍了厌氧生物处理技术的影响因素、种类特点与发

展。

[关键词]　厌氧生物技术;影响因素;种类

1　厌氧生物处理技术的基本原理

厌氧生物处理是一个复杂的微生物作用过程,需要厌氧或兼性微生物种群进行综合而协调的代谢活动,最终使复杂的有机物完全降解为C H 4、CO 2、H 2S 和HN 3。

由厌氧法的基本原理(见图1所示)可知,厌氧过程

通过多种生理上不同的微生物类群联合作用来完成。

图1　厌氧生化法基本原理图

如果把产甲烷菌以外的所有微生物统称为不产甲烷菌,与产甲烷菌相比,它对p H 值、温度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性,且增殖速度快;而产甲烷菌是一群非常特殊的严格厌氧的细菌,它对生长环境条件的要求比不产甲烷菌更严格,而且其繁殖的世代期更长。因此产甲烷菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物,产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制阶段,正因为如此,在讨论厌氧过程的影响因素时,多以产甲烷菌的生理、生态特征来说明。

2　影响因素

一般认为,控制厌氧处理效率的基本因素有两类。一类是基础因素,包括微生物量(污泥浓度)、营养比、

收稿日期:2005-12-14

作者简介:夏新兴,男,陕西科技大学造纸工程学院副教授,博士,硕士生导师,研究方向:造纸湿部化学及特种纸。

混合接触状况、有机负荷等;另一类是环境因素,如温

度、p H 值、氧化还原电位、毒性物质等[1,2]。2.1　温度

温度是影响微生物生存及生物化学反应的最主要因素之一。各类微生物适应的温度范围是不同的,根据微生物生长的温度范围,习惯上将微生物分为三类:

嗜冷微生物(生长温度5～20℃

);嗜温微生物(生长温度20～42℃

);嗜热微生物(生长温度42～75℃)。相应地,废水的厌氧处理工艺也分为低温、中温、高温三类。

与其它酶介质细菌反应一样,厌氧降解过程的速率受温度的影响非常明显。低温厌氧工艺由于微生物反应速率较低,相应污泥活性明显低于中温和高温,其反应负荷也较低。当温度在45℃以上时,中温细菌已达到生长极限,消化速率将迅速减小;在25℃以下时,消化速率急剧下降,在气温更低的环境下,细菌将逐渐停止或减弱其代谢活动,菌种处于休眠状态,其生命力可维持相当长的时间,一旦温度上升至原来的生长温度时,细菌的活性将很快得到恢复。目前中温工艺以30～40℃最为常见。2.2　p H 值

各种微生物生长所能适应的p H 值范围不同。在厌氧处理中,水解菌与产酸菌不如产甲烷菌敏感,其适应的p H 值范围较广。大多数这类细菌可在p H 值为5.0～8.5范围内生长良好,甚至一些产酸菌在p H 值小于5.0时仍能生长。产甲烷菌要求环境介质p H 值在中性附近,最佳p H 值为6.5～7.8,p H 值对产甲烷菌活性的影响见图2

。

图2　p H 值对产甲烷菌活性的影响

从图2可以看出,微生物对p H 值的波动十分敏感,即使在适应其生长的p H 值范围内,p H 值的突然

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02—　2006年　第4期 《黑　龙　江　造　纸》

改变也会引起细菌活性的明显下降,表明细菌对p H 值变化比对温度变化的适应过程要慢得多。因此,厌氧系统必须具备一定的缓冲能力以维持p H值在一个相对稳定的范围内。

2.3　氧化还原电位

无氧环境是严格的产甲烷菌繁殖的最基本的条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感,这是因为它不像好氧菌那样具有过氧化氢酶,对厌氧反应器内介质中氧的浓度可以由氧化还原电位来表达。研究表明,产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330mV。

在厌氧消化过程中,不产甲烷阶段可在兼性条件下完成,氧化还原电位为+0.1～-0.1V;而在产甲烷阶段,氧化还原电位必须控制在-0.3～-0.35V(中温消化)与-0.56～-0.6V(高温消化)之间,常温消化与中温消化相近,产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。

2.4　厌氧活性污泥(生物量)

厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物和无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化效能有密切的关系。厌氧活性污泥的性质主要表现在它的作用效能与沉淀性能,活性污泥的沉降性能是指污泥混合液在静止状态下的沉降速率,它与污泥的凝聚状态及密度有关,以SV I衡量。一般认为,在颗粒污泥反应器中,当活性污泥的SV I为15～20mL/g时,可认为污泥具有良好的沉降性能。

厌氧处理时,废水中的有机物主要是靠活性污泥中的微生物分解去除,故在一定范围内,活性污泥浓度愈高,厌氧消化的效率也愈高,但至一定的程度以后,消化效率的提高不再明显。这主要是因为:厌氧污泥的生长率低,增长速度慢,积累时间过长后,污泥中的无机成分比例增高,活性下降;污泥浓度过高有时易引起堵塞而影响正常运行。

2.5　有机负荷

在厌氧法中,有机负荷通常指容积有机负荷,简称容积负荷,即消化器单位容积每天接受的有机物量(kgCOD/m3?d)。有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素,直接影响产气量和处理效率。在一定时间内,随着有机负荷的提高,产气量增加,但处理程度下降,反之亦然。对于具体的应用场合,进料的有机物浓度是一定的,有机负荷的提高意味着水力停留时间缩短,有机物分解率将下降,势必使处理程度降低,但因反应器相对处理量增多了,单位容积的产量将提高。

2.6　营养物与微量元素

除了对碳和氮等大量营养物的基本要求外,大量厌氧菌没有合成某些必需维生素的能力。因此为保持细菌的生长和活动,还需要补充某些专门的营养物。厌氧微生物的生长繁殖需要一定比例地摄取碳、氮、磷及镍等微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷的比例,因为其它营养元素不足的情况较为少见。不同的微生物在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷的比例不完全一致。一般认为,厌氧法C∶N∶P控制在300～500∶5∶1为宜;此比值大于好氧法的100∶5∶1[2,3]。

2.7　有毒物质

厌氧系统中的有毒物质会不同程度地对过程产生抑制作用。这些物质可能是进水中所含成分或是厌氧菌的代谢产物,通常包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说,带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构的物质往往具有抑制性,五氯苯酚和半纤维素衍生物主要抑制产乙酸和产甲烷菌的活动。重金属被认为是使反应器失败的最普通和最主要的因素。它通过与微生物酶中的巯基、氨基、羧基等结合而使酶失活,或者通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥的驯化程度、废水的特性、操作控制条件等因素有关。

3　厌氧消化工艺的分类及其特点

3.1　按微生物生长状态分类

按微生物生长状态分为固定膜反应器和悬浮生长系统。前者的生物量以膜的形式附着在惰性载体上,后者的微生物以絮凝物或絮凝颗粒悬浮于反应器中。

属于固定膜反应器的有:厌氧滤器(A F)、厌氧流化床(A FB)、厌氧附着膜膨胀床(AA F EB)、厌氧生物转盘及厌氧挡板反应器。在A F中,微生物长满滤料的表面和存留在滤料的空隙中,其SR T/HR T比值较大,负荷也较大。厌氧流化床(A FB)及厌氧附着膜膨胀床(AA F EB)采用细小颗粒填料作为微生物固定化的材料,因此形成比表面积很大的生物膜,从而提高了处理效率

。

图3　内循环厌氧反应器结构示意图

悬浮生长系统反应器有厌氧接触反应器、上流式厌氧污泥床反应器(UA SB)、膨胀颗粒污泥床反应器(E GSB)和内循环厌氧反应器(IC)(见图3)等。新型的悬浮生长系统以U A SB为代表,第一次实现了厌氧污泥的颗粒化,颗粒化后的厌氧污泥具有较高的沉降速度和高的产甲烷活性,且因污泥絮聚成团,抗环境的影响能力增加,因此处理能力大大提高[4,5]。

3.2　按消化过程阶段分类

根据厌氧消化中物质转化反应过程是否在同一反

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厌氧生物处理技术的影响因素、种类与发展

应器中,并在同一工艺条件下完成,又可分成一步厌氧消化和两步厌氧消化。

一步厌氧消化是指厌氧处理在一个反应器中进行,在这种情况下,应力图创造一种最佳的条件使整个降解过程中以最慢的反应阶段加速。对不溶解性的污染物,最慢的阶段是水解阶段,因而系统中挥发性脂肪酸(V FA )应当保持在较低的浓度,以避免p H 值下降过多。在一步厌氧消化中,废水也应具有足够的缓冲能力以便中和所产生的V FA 。

两步厌氧消化法是一种由两个反应器组合而成的工艺系统,比如一为产酸阶段,另一为产甲烷阶段,故又称为两段式厌氧消化法。两步厌氧法具有如下特征:抗冲击能力加强,运行稳定,避免了一步法不耐高有机酸浓度的缺陷;两阶段的反应不在同一个反应器中进行,相互影响较小,可更好地控制工艺条件;消化效率高,尤其适于处理含SS 多、难消化降解的高浓有机废水。但两步法设备较多,流程和操作复杂,工程实践中应用较少。3.3　按消化温度的高低分类

根据厌氧菌适宜的温度条件不同,厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。常温厌氧消化是指在自然气温下进行的废水厌氧处理工艺,适宜温度范围在10～30℃;中温厌氧消化的适宜温度范围在25～40℃,若低于32℃或高于40℃,厌氧消化效率即明显降低;高温厌氧消化指其最适宜温度范围在50～55℃。综合以上因素考虑,在工程实践中常采用中温消化工艺。3.4　按采用的厌氧方法种类多少分类

按采用的厌氧方法种类可分为单种厌氧法和复合厌氧法。复合厌氧法是一个反应器内有两种厌氧法组合而成的厌氧工艺。如上流式厌氧污泥床与厌氧滤池组成的复合厌氧法,这种厌氧法可以集两者的优点于

一体,反应器下部即进水部位,由于不装填料,可以减少堵塞,上部装设固定填料,充分发挥滤层填料的有效截留污泥的能力,提高了反应器内的生物量,对水质和负荷的突然变化起缓冲和调节作用,同时避免了短流现象的发生,使反应器具有良好的工作特性。

4　结束语

随着人类环保意识的加强和可持续发展战略的提出,制浆造纸工业废水的治理已成为我国造纸工业生存与发展所面临的关键问题。在此情况下,废水的治理势在必行。生物法作为去除有机污染物最有效的方法,近年来已在造纸工业废水处理中得到了广泛的应用,其中,厌氧生化法在制浆废液处理中的成功应用则可成为其典范。随着新型厌氧反应器的开发及人们对水质特性的进一步了解,厌氧工艺在制浆造纸废水处理领域已得到了广泛的应用。实践证明,厌氧工艺在处理易降解的机械浆、半化学浆制浆废水中不仅是可行的,而且也是高效的。草浆黑液和漂白废水的厌氧处理也已取得了较好的进展。

[参　考　文　献]

[1]　贺延龄.废水的厌氧生物处理[M ].北京:中国轻工业出版社,

1998.

[2]　申立贤.高浓有机废水的厌氧处理技术[M ].北京:中国环境出版

社,1992.

[3]　冯孝善,方士.厌氧消化技术[M ].杭州:浙江科学技术出版社,

1989.

[4]　王凯军.厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器[J ].环境科学,1998,

19(1):94～96.

[5]　邓良伟,陈铬铭.IC 工艺处理猪场废水试验研究[J ].中国沼气,

2001,19(2):12～15.

[6]　周孟津.沼气发酵[M ].北京:北京师范学院出版社,1986.

T h e F actors ,C ategory and P rogress of A naerobic B iological T reatm ent T ech nology

XIA Xin Οxing ,HUANG H ai

(S haanxi University of Science and T echnology ,Xianyang 712081,China )

Abstract :This paper based on t he p rinciple of anaerobic biological treat ment technology ,emp hasis on t he int ro 2

duction of factors ,category ,feat ure and develop ment of anaerobic biological t reat ment technology.K eyw ords :anaerobic biological t reat ment technology ;factors ;category

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