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[廢水處理] 污水處理技術之廢水好氧厭氧反應的基本原理

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hongchun實名認證 發表于 7 天前 | 只看該作者 |閱讀模式 打印 上一主題 下一主題
一、好氧生物處理的基本生物學過程

所謂“有氧”,是指此類生物必須在分子氧(o2)存在下進行正常的生理生化反應,主要包括大多數微生物、動物和我們人類;所謂的“厭氧”:一種可以在沒有分子氧存在的情況下進行正常生理和生化反應的生物,如厭氧細菌和酵母。好氧生物處理的生化反應方程:

1分解反應(又稱氧化反應,代謝,分解代謝)CHONS + O2 CO2 + H2O + NH3 + SO42- + 1/4 +能量(有機物組成)

(2)合成反應(又稱合成代謝和同化)C、H、O、N、S+能C5H7NO2

3內源性呼吸(又稱細胞物質的自氧化)c5h 7no2+o2 co2+h2o+nh3+so42-+1/4+能量在正常條件下,各種微生物細胞物質的組成相對穩定。一般可以用以下實驗公式表達:細菌:c 5h 7no2;真菌:c 16h 17no6;藻類:c 5h 8no2;原生動物:c 7h 14no3分解與合成的關系:1)兩者不可分割但相互依存;a,分解過程為合成提供了能量和前體,而合成則為分解提供了物質基礎;分解過程為生產過程,合成過程為耗能過程。2)清除有機物,兩者都有重要的貢獻;3)合成量的大小直接影響到后續污泥的處理(污泥的處理成本一般可以占40~50<整個城市污水處理廠)。不同形式的有機物的生物降解過程也是不同的:一方面:簡單的結構,小分子,可溶性物質,直接進入細胞壁;復雜的,大分子的,膠體的,或粒狀物質先被微生物吸附,然后在細胞外酶的作用下水解為小分子的有機物,然后進入細胞。另一方面,有機物的化學結構不同,其降解過程也會不同,如糖類、脂類、蛋白質等

二是影響好氧生物治療的主要因素

(1)溶解氧(do):約1-2 mg/l;

水溫:是影響水溫的重要因素之一。在一定范圍內,隨著溫度的升高,生化反應速率加快,增殖速度也加快。細胞成分如蛋白質、核酸等對溫度敏感,當溫度上升或下降超過一定限度時會有不可逆的損害,最適合的溫度為15~30°c;>在40°或10°之后,會產生不利影響。

3營養素:在細胞組成中,C,H,O,N約占90%至97%;剩余的3%至10%是無機元素,主要是P;生活污水一般不需要補充營養;并且需要一些工業廢水。通常,對于好氧生物處理過程,應根據BOD添加N和P:N:P = 100:5:1;其他無機營養素:K,Mg,Ca,S,Na等;微量元素:Fe,Cu,Mn,Mo,Si,硼等;

(4)ph值:一般好氧微生物的最佳ph值在6.5~8.5之間,當ph值小于4.5時,真菌會主導污泥膨脹,微生物的活性也會影響混合物的ph值。

5種有毒物質(抑制性物質):重金屬;氰化物;h2s;鹵素元素及其化合物;酚類、醇類、醛類等;

6有機負荷率:污水中的有機物原本是微生物食品,但過多,對微生物也有害;

_氧化還原電位:好氧菌+300-400 mV,至少大于+100 mV;厭氧菌:小于+100 mV,嚴格厭氧菌,則小于100 mV,甚至小于300 mV。

第二節廢水厭氧處理

廢水的厭氧生物處理在早期也稱為厭氧消化和厭氧發酵。它指的是在厭氧條件下各種(厭氧或兼性)微生物的作用下有機物的分解和CH4和CO2的產生。的過程。

一、厭氧生物處理的基本生物學過程——階段理論

1、兩階段理論:在1930年代和1960年代,它被普遍接受為“兩階段理論”的第一階段:發酵階段,又稱酸產階段或酸性發酵階段,主要功能是水解和酸化,主要產物為脂肪酸、醇、co2和h2;主要參與反應的微生物統稱為發酵菌或產酸細菌;

這些微生物的特點是:

1)生長速率快,

2)對環境條件(溫度,pH等)的適應性。第二階段:產甲烷階段,也稱為堿性發酵階段;指產甲烷利用前一階段的產物,并將其轉化為CH4和CO2;主要參與反應的微生物統稱為產甲烷。菌

產甲烷細菌的主要特征是:

1)生長速度緩慢,世代時間長;

2)對環境條件(溫度,pH,抑制劑等)非常敏感且要求嚴格。

2。通過對厭氧微生物三階段理論的深入研究,發現厭氧消化過程不能簡單地分為上述兩個過程,不能真正反映厭氧反應過程的本質。厭氧微生物研究表明產甲烷菌是一種非常特殊的古細菌。除分類法及其特殊的期刊結構外,其主要特征是:產甲烷菌只能利用一些簡單的有機物質作為基質,主要是一些簡單的單碳物質,如甲酸、甲醇、甲胺和H2/CO2。乙酸是僅有的兩種碳物質,但不能使用除甲醇以外的含有兩種或兩種以上碳的其他脂肪酸和醇。20世紀70年代,布萊恩特發現了最初被稱為“蘭花產甲烷菌”的東西。“事實上,細菌由兩種細菌組成。一種細菌將乙醇氧化成乙酸和H2(一種產氫的乙酸細菌),另一種細菌利用H2和CO2生產CH4(一種真正的產甲烷菌,產氫的產甲烷菌)。因此,布萊恩特提出了厭氧消化過程的“三階段理論”:水解和發酵階段。產氫乙酸階段:產氫乙酸菌將丙酸、丁酸、乙醇等脂肪酸轉化為乙酸和H2/CO2;產甲烷菌利用乙酸和H2、CO2生產CH4;一般認為厭氧生物處理過程中約70%的CH4是由醋酸分解,其余由H2和CO2產生。

3、四階段理論(四階段理論):幾乎與科比提出“三階段理論”同時,有人提出厭氧消化的“四階段理論”:事實上,它是基于上述三階段理論,已經添加了一類細菌,同一種產生酸的細菌。它的主要功能是將產氫的乙酸細菌產生的h2/co2結合成乙酸。然而,研究表明,事實上,這部分由h 2/co2合成的乙酸較少,僅占厭氧系統中總丁酸的5%左右。一般而言,“三階段理論”和“四階段理論”目前被公認為是對厭氧生物處理過程更全面、更準確的描述。

4.多階段理論然而,當通過厭氧生物處理過程處理復雜有機物質時,厭氧反應器中發生的反應遠遠超過上述“三階段理論”和“四階段”中描述的反應。 - 階段理論“。該過程很復雜,可以在“厭氧復雜系統分析”中找到。

二。厭氧消化過程中的主要微生物

主要介紹發酵細菌(產酸細菌)、制氫醋酸細菌、甲烷生產細菌等。

1.發酵細菌(產酸細菌):

產酸菌在發酵過程中有兩個主要功能:

1水解-在細胞外酶作用下,不溶性有機物水解為可溶性有機物;

2酸化 - 可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸,醇等;主要發酵產酸菌:Clostridium,Bacteroides,Vibrio butyricum,Bifidobacterium等;水解過程緩慢,受多種因素(pH,SRT,有機物等)的影響,有時成為厭氧反應的限速步驟;產酸反應速度更快;其中大部分是厭氧菌,大量是兼性厭氧菌;它可以分為功能:纖維素分解細菌,半纖維素分解細菌,淀粉分解細菌,蛋白質分解細菌,脂肪分解細菌等。

2。產氫乙酸菌:產氫乙酸菌的主要作用是將各種高濃度脂肪酸和醇氧化成乙酸和H2;為產甲烷菌提供合適的底物,這些底物在厭氧系統中經常與產甲烷菌共生。

3、產甲烷的細菌Hungate在1960年代開創了嚴格的厭氧微生物培養技術后,對產甲烷的細菌進行了廣泛的研究,產生甲烷的細菌的主要功能是轉化乙酸和產生氫氣的細菌h2/co2的產物,c4和co2,這樣厭氧消化過程就可以順利進行;它可以主要分為兩大類:乙酸營養素型和h2營養素型產甲烷菌,或產甲烷菌和產氫細菌;一般來說,在性質上,乙酸型甲烷素的種類較少,只有甲烷苷(甲烷球菌)和Methanothrix(甲烷苷),但這兩種產甲烷菌多在厭氧反應爐中,特別是后者,因為乙酸是厭氧反應爐中主要的甲烷產生基質,一般來說,甲烷的大約70氦是由乙酸的氧化和分解而來,根據產甲烷菌的形態和生理生態特征,可以分類如下:---最新的分類(Bergy的細菌手冊,第九版),分為:三目、七科、十九屬、65種;甲烷生產有多種不同的形式,常見的有:

①產甲烷桿菌;

②產甲烷球菌;

③產甲烷八疊球菌;

4個產甲烷菌;等等。在分類學中,產甲烷菌屬于古細菌(Archaebacteria),其大小和外觀與真細菌相似,但事實上,其細胞組成特殊,特別是細胞壁的結構特殊;在自然界中分布通常被認為是在極端環境中居住(例如地熱溫泉,深海隕石坑,沉積物等),但實際上它分布廣泛,如污泥,瘤胃,昆蟲腸,濕樹,厭氧反應堆等;產甲烷菌是嚴格的厭氧菌,需要-150~-400mv的氧化還原電位,對氧和氧化劑具有高毒性;產甲烷菌的增殖速度很慢,繁殖期很長。因此,產甲烷反應通常是厭氧消化的限速步驟,長達4至6天。

厭氧生物處理的影響因素

甲烷生成反應是厭氧消化過程的控制階段。因此,一般在討論厭氧生物處理的影響因素時,主要討論影響甲烷產生的因素。主要影響因素有:溫度、ph值、氧化還原電位、營養素、f/m比例、有毒物質等。..

1.溫度:溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著;厭氧菌可分為嗜熱菌(或高溫菌)和嗜溫菌(中溫菌);相應地,厭氧消化分為:高溫消化(55°C)和中溫消化(約35°C);高溫消化反應速率約為中溫消解的1.5~1.9倍,產氣率也較高,但甲烷的含氣量較低;當處理含有病原體和寄生蟲時,當使用雞蛋的廢水或污泥時,高溫消化可以達到更好的衛生效果,消化后污泥的脫水性能也更好;隨著新型厭氧反應器的開發和應用,溫度對厭氧消化的影響不再是非常重要的(新反應器中的生物量非常大),因此可以在常溫條件下進行(20~25) °C)以節省能源和運營成本。

2。酸堿度:酸堿度是厭氧消化過程中最重要的影響因素;重要原因:產甲烷菌對酸堿度的變化非常敏感。一般來說,最佳pH值在6.8到7.2之間。當<6.5或>8.2時,產甲烷菌將受到嚴重抑制,進而導致整個厭氧消化過程的惡化,厭氧系統的pH值受多種因素影響。厭氧系統是一個主要由碳酸鹽系統控制的pH值緩沖系統。一般來說,系統中脂肪酸含量的增加(積累)會導致pH值的降低,但產甲烷菌的作用不僅可以消除。脂肪酸的消耗,也會產生,使系統的PH值升高。堿度一度被認為是厭氧消化的關鍵因素,但實際上它的主要功能是保證厭氧系統具有一定的緩沖能力,并保持適當的pH值;一旦厭氧系統發生酸化,則需要很長的時間才能恢復。

3、氧化還原勢:嚴格的厭氧環境是產甲烷細菌進行正常生理活動的基本條件;非甲烷產生菌可以在氧化還原勢+100~-100mv的環境中正常生長和移動;產甲烷菌的最佳氧化還原電位為-150~-400mv。在產甲烷菌培養初期,氧化還原電位不能高于-330mv;

4,營養要求:厭氧微生物N,P等營養成分略低于好氧微生物,這需要COD:N:P = 200:5:1;

大多數厭氧細菌不具備合成某些必需維生素或氨基酸的功能,因此有時需要添加它們:1。鉀、鈉、鈣等金屬鹽;

2微量元素ni、co、mo、fe等;

3有機微量物質:酵母膏,生物素,維生素等。

5。F/M比:厭氧生物處理有機負荷高于好氧生物處理,一般可達5-10 kg COD/m3.d,甚至可達50-80 kg COD/m3.d;無氧傳遞限制;可積累較高的生物量。產酸階段的反應速率遠高于產甲烷階段,因此必須謹慎選擇有機負荷;有機容積負荷高的前提是生物量高,而相應的污泥負荷低;有機容積負荷高可以縮短HRT,減少反應器容積。

6、有毒物質:----常見的抑菌物質有:硫化物、氨氮、重金屬、氰化物和某些有機物;

1硫化物和硫酸鹽:硫酸鹽和其他硫氧化物在厭氧消化過程中很容易還原為硫化物;當可溶性硫化物達到一定濃度時,厭氧消化過程主要是產甲烷過程。發生抑制;加入某些金屬如Fe可以除去S2-,或從系統中除去H2S可以減少硫化物的抑制。

(2)氨氮:氨氮是厭氧消化的緩沖劑,但如果濃度過高,會對厭氧消化過程產生毒性影響;抑制濃度為50-200 mg/L,但馴化后,適應性增強。

重金屬厭氧細菌酶系統的破壞。

4氰化物:5種有毒有機物:

四、厭氧生物處理的主要特點

1、厭氧生物處理工藝的主要優點:

1能源消耗大大減少,生物能源(沼氣)也可以恢復;

(2)污泥產量很低;—厭氧微生物的生長速度遠低于好氧微生物,產酸菌的產量為0.15-0.34 kg vss/kg cod,產甲烷菌的產量約為0.03 kg vss/kg cod,好氧微生物的產量約為0.25-0.6 kg vss/kg cod。

厭氧微生物可以降解或部分降解一些有氧微生物不能降解的有機物;4反應過程比較復雜-厭氧消化是一種連續的微生物過程,在其中多種性質不同、功能不同的微生物共同作用;

2.厭氧生物處理過程的主要缺點:

它對溫度和酸堿度等環境因素敏感。

水質差的處理需進一步采用有氧方法處理;

③氣味較大;

4氨氮的去除效果不好,等等。

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