厭氧生物處理機理

厭氧生物處理機理研究摘要：由于社會的發(fā)展、人口的增加，水資源短缺的矛盾日益顯現出來，廢水排放逐年增加，每年處理廢水的費用也在飛速上漲，一直以來人們認為厭氧微生物處理低濃度的廢水不能很好的實現，本文通過對厭氧處理廢水的基本生物化學過程和動力學兩個角度作出分析，并提出了在低濃度廢水中的莫諾方程形式，提出在動力學和生物化學兩個方面都是可以很好的實現厭氧處理低濃度廢水的，只是在工程實施工程中沒有做到生物反應其他的一些條件，本文還根據反應動力學和生物化學原理對厭氧處理低濃度廢水中試和實際工程中的設計和啟動給出一些建議。

關鍵字：厭氧生物處理低濃度廢水反應四個階段莫諾方程反應速率啟動一、概述厭氧生物處理技技術在水處理理行業(yè)中一直直都受到環(huán)保保工作者們的的青睞，由于于其具有良好好的去除效果果，更高的反反應速率和對對毒性物質更更好的適應，更更重要的是由由于其相對好好氧生物處理理廢水來說不不需要為氧的的傳遞提供大大量的能耗，使使得厭氧生物物處理在水處處理行業(yè)中應應用十分廣泛泛。但由于總體反應應式基于莫諾諾方程的厭氧氧處理受到低低濃度廢水Ks的限制，所所以厭氧在處處理低濃度廢廢水方面沒有有太大的空間間，可最近的的一些報道和和試驗表明，厭厭氧如果提供供合適的外部部條件，在處處理低濃度廢廢水方面仍然然有非常高的的處理效果。我們可以根據厭厭氧反應的原原理加以動力力學方程推導導出厭氧生物物處理低濃度度廢水尤其在在處理生活污污水方面的合合適條件。二、厭氧反應四四個階段一般來說，廢水水中復雜有機機物物料比較較多，通過厭厭氧分解分四四個階段加以以降解：（1）水解階段段：高分子有有機物由于其其大分子體積積，不能直接接通過厭氧菌菌的細胞壁，需需要在微生物物體外通過胞胞外酶加以分分解成小分子子。廢水中典典型的有機物物質比如纖維維素被纖維素素酶分解成纖纖維二糖和葡葡萄糖，淀粉粉被分解成麥麥芽糖和葡萄萄糖，蛋白質質被分解成短短肽和氨基酸酸。分解后的的這些小分子子能夠通過細細胞壁進入到到細胞的體內內進行下一步步的分解。（2）酸化階段段：上述的小小分子有機物物進入到細胞胞體內轉化成成更為簡單的的化合物并被被分配到細胞胞外，這一階階段的主要產產物為揮發(fā)性性脂肪酸（VFA），同時還還有部分的醇醇類、乳酸、二二氧化碳、氫氫氣、氨、硫硫化氫等產物物產生。（3）產乙酸階階段：在此階階段，上一步步的產物進一一步被轉化成成乙酸、碳酸酸、氫氣以及及新的細胞物物質。（4）產甲烷階階段：在這一一階段，乙酸酸、氫氣、碳碳酸、甲酸和和甲醇都被轉轉化成甲烷、二二氧化碳和新新的細胞物質質。這一階段段也是整個厭厭氧過程最為為重要的階段段和整個厭氧氧反應過程的的限速階段。再上述四個階段段中，有人認認為第二個階階段和第三個個階段可以分分為一個階段段，在這兩個個階段的反應應是在同一類類細菌體類完完成的。前三三個階段的反反應速度很快快，如果用莫莫諾方程來模模擬前三個階階段的反應速速率的話，式式：中的Ks（半速速率常數）可可以在50mg//l以下，μ可以達到5KgCOOD/KgMMLSS.dd。而第四個個反應階段通通常很慢，同同時也是最為為重要的反應應過程，在前前面幾個階段段中，廢水的的中污染物質質只是形態(tài)上上發(fā)生變化，COD幾乎沒有什什么去除，只只是在第四個個階段中污染染物質變成甲甲烷等氣體，使使廢水中COD大幅度下降降。同時在第第四個階段產產生大量的堿堿度這與前三三個階段產生生的有機酸相相平衡，維持持廢水中的PH穩(wěn)定，保證證反應的連續(xù)續(xù)進行。三水解反應水解可定義為復復雜的非溶解解性的聚合物物被轉化成簡簡單的溶解性性單體和二聚聚體的過程。水水解反應針對對不同的廢水水類型差別很很大，這要取取決于胞外酶酶能否有效的的接觸到底物物。因此，大大的顆粒比小小顆粒底物要要難降解很多多，比如造紙紙廢水、印染染廢水和制藥藥廢水的木質質素、大分子子纖維素就很很難水解。水解速度的可由由以下動力學學方程加以描描述：ρ=ρo/(11+Kh.T)ρ——可降解解的非溶解性性底物濃度（g/l）；ρo———非溶溶解性底物的的初始濃度（g/l）；Kh——水解常常數（d－1）；T——停留時間間（d）。一般來說，影響響Kh的因素很多多，很難確定定一個特定的的方程來求解解Kh，但我們可可以根據一些些特定條件的的Kh，反推導出出水解反應器器的容積和最最佳反應條件件。在實際工工程實施中，有有條件的話，最最好針對要處處理的廢水作作一些Kh的測試工作作。通過對國國內外一些報報道的研究，提提出在低溫下下水解對脂肪肪和蛋白質的的降解速率非非常慢，這個個時候，可以以不考慮厭氧氧處理方式。對對于生活污水水來說，在溫溫度15的情況下，Kh＝0.2左右。但在在水解階段我我們不需要過過多的COD去除效果，而而且在一個反反應器中你很很難嚴格的把把厭氧反應的的幾個階段區(qū)區(qū)分開來，一一旦停留時間間過長，對工工程的經濟性性就不太實用用。如果就單單獨的水解反反應針對生活活污水來說，COD可以控制到0.1的去除效果果就可以了。把這些參數和給給定的條件代代入到水解動動力學方程中中，可以得到到停留水解停停留時間：T=13.444h這對于水解和后后續(xù)階段處于于一個反應器器中厭氧處理理單元來說是是一個很短的的時間，在實實際工程中也也完全可以實實現。如果有有條件的地方方我們可以適適當提高廢水水的反應溫度度，這樣反應應時間還會大大大縮短。而而且一般對于于城市污水來來說，長的排排水管網和廢廢水中本生的的生物多樣性性，所以當廢廢水流到廢水水處理場時，這這個過程也在在很大程度上上完成，到目目前為止還沒沒有看到關于于水解作為生生活污水厭氧氧反應的限速速報道。四發(fā)酵酸化反反應發(fā)酵可以被定義義為有機化合合物既作為電電子受體也作作為電子供體體的生物降解解過程，在此此過程中有機機物被轉化成成以揮發(fā)性脂脂肪酸為主的的末端產物。酸化過程是由大大量的、多種種多樣的發(fā)酵酵細菌來完成成的，在這些些細菌中大部部分是專性厭厭氧菌，只有有1％是兼性厭厭氧菌，但正正是這1％的兼性菌菌在反應器受受到氧氣的沖沖擊時，能迅迅速消耗掉這這些氧氣，保保持廢水低的的氧化還原電電位，同時也也保護了產甲甲烷菌的運行行條件。酸化過程的底物物取決于厭氧氧降解的條件件、底物種類類和參與酸化化的微生物種種群。對于一一個穩(wěn)態(tài)的反反應器來說，乙乙酸、二氧化化碳、氫氣則則是酸化反應應的最主要產產物。這些都都是產甲烷階階段所需要的的底物。在這個階段產生生兩種重要的的厭氧反應是是否正常的底底物就是揮發(fā)發(fā)性脂肪酸（VFA）和氨氮。VFA過高會使廢廢水的PH下降，逐漸漸影響到產甲甲烷菌的正常常進行，使產產氣量減小，同同時整個反應應的自然堿度度也會較少，系系統(tǒng)平衡PH的能力減弱弱，整個反應應會形成惡性性循環(huán)，使得得整個反應器器最終失敗。氨氨氮它起到一一個平衡的作作用，一方面面，它能夠中中和一部分VFA，使廢水PH具有更大的的緩沖能力，同同時又給生物物體合成自生生生長需要的的營養(yǎng)物質，但但過高的氨氮氮會給微生物物帶來毒性，廢廢水中的氨氮氮主要是由于于蛋白質的分分解帶來的，典典型的生活污污水中含有20-500mg/l左右的氨氮氮，這個范圍圍是厭氧微生生物非常理想想的范圍。另外一個重要指指標就是廢水水中氫氣的濃濃度，以含碳碳17的脂肪酸降降解為例：CH3(CH22)15COO-+14H2O—>7CHH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14脂肪酸的降解都都會產生大量量的氫氣，如如果要使上述述反應得以正正常進行，必必須在下一反反應中消耗掉掉足夠的氫氣氣，來維持這這一反應的平平衡。如果廢廢水的氫氣指指標過高，表表明廢水的產產甲烷反應已已經受到嚴重重抑制，需要要進行修復，一一般來說氫氣氣濃度升高是是伴隨PH指標降低的的，所以不難難監(jiān)測到廢水水中氫氣的變變化情況，但但廢水本身有有一定的緩沖沖能力，所以以完全通過PH下降來判斷斷氫氣濃度的的變化有一定定的滯后性，所所以通過監(jiān)測測廢水中氫氣氣濃度的變化化是對整個反反應器反應狀狀態(tài)一個最快快捷的表現形形式。五產乙酸反應應發(fā)酵階段的產物物揮發(fā)性脂肪肪酸VFA在產乙酸階階段進一步降降解成乙酸，其其常用反應式式如以下幾種種：CH3CHOHHCOO-+2H2O—>CH3COO-+HCO3-+H++2H2ΔG’0=-4.22KJ/MOOLCH3CH2OOH+H2O－>CH3COO-+H++2H2O

ΔG’0=9.6KKJ/MOLLCH3CH2CCH2COO-+2H2O－>2CHH3COO-+H++2H2ΔG’0=48.11KJ/MOOLCH3CH2CCOO-+3H2O－>CH3COO-+HCO3-+H++3H2ΔG’0=76.11KJ/MOOL4CH3OH++2CO2－>3CHH3COO-+2H2OΔG’0=-2.99KJ/MOOL2HCO3-++4H2+H+－>CH3COO-+4H2O

ΔG’0=-70..3KJ/MMOL

從上面的反反應方程式可可以看出，乙乙醇、丁酸和和丙酸不會被被降解，但由由于后續(xù)反應應中氫的消耗耗，使得反應應能夠向右進進行，在一階階段，氫的平平衡顯得更加加重要，同時時后續(xù)的產甲甲烷過程為這這一階段的轉轉化提供能量量。實際上這這一階段和前前面的發(fā)酵階階段都是由同同一類細菌完完成，都在細細菌體內進行行，并且產物物排放到水體體中，界限并并沒有十分清清楚，在設計計反應器時，沒沒有足夠的理理由把他們分分開。六產甲烷反應應在厭氧反應中，大大約有70％左右的甲甲烷由乙酸歧歧化菌產生，這這也是這幾個個階段中遵循循莫諾方程反反應的階段。另一類產生甲烷烷的微生物是是由氫氣和二二氧化碳形成成的。在正常常條件下，他他們大約占30％左右。其其中約有一般般的嗜氫細菌菌也能利用甲甲酸產生甲烷烷。最主要的的產甲烷過程程反應有：CH3COO--+H2O－>CH4+HCO3-ΔG’0=-31..0KJ/MMOLHCO3-+HH++4H2－>CH4+3H2O

ΔG’0=-1355.6KJ//MOL4CH3OH－－>3CH4+CO2+2H2O

ΔG’0=-3122KJ/MOOL4HCOO-++2H+－>CH4+CO2+2HCOO3-

ΔG’0=-32..9KJ/MMOL在甲烷的形成過過程中，主要要的中間產物物是甲基輔酶酶M（CH3-S-CHH2-SO3-）。這個過過程可用以下下圖示所標：：在甲基輔酶M還還原成甲烷的的過程中，需需要作用非常常重要的甲基基還原酶，其其中含有重要要的金屬離子子Ni+。這對生活活污水來說是是比較缺乏微微量金屬離子子，所以在生生活污水的厭厭氧生物處理理過程中補充充一定的微量量金屬離子是是非常必要的的。七低濃度廢水水反應速率的的選擇以生活污水為例例，一般來說說影響廢水厭厭氧反應速率率的因素有很很多，包括反反應溫度、廢廢水的毒性、原原水基質濃度度、原水的PH值、傳質效效率、營養(yǎng)物物質的平衡、微微量元素的催催化作用等等等。對于生活活污水來說，影影響比較大的的因素有反應應溫度、原水水的基質濃度度、傳質效率率以及微量元元素的催化。因因為生活污水水的營養(yǎng)比和和PH值被公認為為非常適合生生物的生長的的。在前面的的敘述中，已已經提及了厭厭氧反應的前前三個階段對對于生活污水水來說，很快快就可以完成成，尤其水解解階段，不存存在傳質的限限制，同時通通常長距離的的管網也給水水解提供了足足夠的時間。因因此我們提出出的厭氧處理理低濃度廢水水設計思想中中，主要考慮慮產甲烷過程程作為限速步步驟。由于產甲烷階段段遵循莫諾方方程，整個速速率的確定以以莫諾方程為為基礎。μ－生物反應速速率KgCOOD/KgMMLSS.ddμmax－生物物最大反應速速率KgCODD/KgMLLSS.dρ－廢水中基質質濃度mg/llKs－半反應速速率常數

mg//l在上式中，很難難把總體反應應的Ks值估算出來來，因為它受受到的影響因因素很多，對對于不同類型型的廢水差別別很大。對于于生活污水來來說可以根據據不同的單個個因素影響列列成很多分式式莫諾方程，最最后各式相乘乘再加上修正正系數，這個個方程可以得得出比較接近近的Ks值，作為厭厭氧處理生活活污水時的參參考設計數據據。具體思想如下：：1、假定條件：：a、厭氧處理理該污水過程程中主要受溫溫度、傳質速速率、基質濃濃度以及微量量元素的影響響；b、微量元素素可以通過外外界條件的干干預給予補充充；c、反應器為為一體化反應應器；d、產甲烷單單元反應也近近似遵循莫諾諾方程。2、模型總體方方程Kst－溫度響響應半反應速速率常數

mg//lKsv－傳質速速率半反應速速率常數

mg//lK－修正系數在上式中，Ksst針對不同同的廢水是可可以確定的，Ksv對不同的的反應器差別別比較大，我我們可以通過過外界干預給給以降低到一一固定值偏差差不大的范圍圍內，比如通通過強制攪拌拌或是提高反反應器的高徑徑比，出水回回流都是比較較好的解決辦辦法。通過眾多的工程程實例以及文文獻報道，初初步確定Kst在15攝氏度時針針對生活污水水值為3200mmg/l左右。Ksv在有攪拌拌足夠的情況況下15攝氏度時針針對生活污水水值為532mgg/l。K值在重慶地地區(qū)可以取0.85，μmax按照碳碳水化合物可可取5KgCOOD/KgMMLSS.dd，這樣針對對進水濃度為為300mgg/l的生活污水水最大反應速速率為：μ1＝5KgCCOD/KggMLSS..d×（300/（3200＋300））×（300/（532+3300））×0.855

＝0.1332KgCCOD/KggMLSS..d在一體式反應器器中由于出水水濃度很低，導導致總體反應應速率降低，但但對于幾種高高效厭氧反應應器（包括UASB、EGSB、IC內循環(huán)反應應器、流化床床、上流式厭厭氧生物濾池池）可以假設設其為推流式式厭氧反應器器，濃度隨反反應器高度的的增加均勻的的減少，即反反應器中的濃濃度分布與高高度成反比。這這樣我們可以以通過設定的的出水濃度計計算一個反應應器最低反應應速率，最后后取平均值就就得到整個反反應器的平均均反應速率。

同樣根據前面面的莫諾模型型，得出出水水COD＝80mg//l的厭氧反應應速率：μ2＝5KgCCOD/KggMLSS..d×（80/（3200＋80））×（80/（532+880））×0.855

＝0.0114KgCCOD/KggMLSS..d所以反應器的平平均反應速率率為μ＝（μ1+μμ2）/2＝0.0733KgCOOD/KgMMLSS.dd如果我們能夠在在反應器內保保持穩(wěn)定的污污泥濃度為20KgMMLSS/mm3，則整個反反應器的容積積反應速率為為FV＝0.0733KgCOOD/KgMMLSS.dd×20KggMLSS//m3

＝1.46KgCODD/m3.d在實際反應器的的設計時，需需要考慮污泥泥、氣體、液液體分離的容容積，反應部部分容積只占占整個反應器器容積的40％，這樣實實際整個反應應器設計平均均負荷變?yōu)椋海篎V‘＝1.446KgCCOD/m33.d×0..4＝0.99KgCODD/m3.d核算停留時間為為：HRT＝7.5h八中試與工程程應用應注意意的問題通過上述實驗室室里理論的研研究和推斷，采采用新型高效效厭氧反應器器處理城市污污水完全是可可行的。在中中試和工程設設計中，我們們應該從上述述分析角度出出發(fā)，完善厭厭氧系統(tǒng)，以以下措施是必必要的：1、在反應應器的形式上上優(yōu)先考慮推推流式的活塞塞反應器；2、為了減少低低濃度時，基基質傳質速率率（包括液相相中的有機物物向菌膠團或或顆粒污泥傳傳質以及細胞胞壁外向細胞胞壁內傳質）對對整個反應速速率的影響，在在反應器底部部投加一定數數量的活性炭炭作為載體是是非常有必要要的，但考慮慮到沼氣和布布水的影響，投投加數量不宜宜過多，初步步考慮為40g/L顆粒狀活性性炭；3、建議在反應應器的上部設設置氣、水、固固三相分離系系統(tǒng)；4、設置一套完完善的出水回回流系統(tǒng)，并并可以調節(jié)回回流量，用儀儀表顯示并控控制；5、出水設置MMLSS濃度計加以以監(jiān)測，隨時時了解反應器器的污泥情況況；6、在反應器的的底部、中部部、頂部設置置堿度監(jiān)測系系統(tǒng)，隨時監(jiān)監(jiān)測反應器內內的生物反應應條件；7、設置一套啟啟動用的營養(yǎng)養(yǎng)物質和微量量元素添加系系統(tǒng)是十分有有必要的；8、設置溫度傳傳感器，了解解原水水溫的的變化對反應應器的沖擊影影響；9、進水設置流流量傳感器和和有機物在線線監(jiān)測儀器，并并通過程序加加以顯示到中中央控制室中中，隨時計算算進水污泥負負荷以及上升升流速；10、必要的預預處理措施，比比如除渣處理理措施；11、在北方的的廢水處理系系統(tǒng)，反應器器建議修建在在室內或采取取嚴密的保溫溫措施；12、其他必要要的輔助系統(tǒng)統(tǒng)，如消除泥泥水界面泥渣渣層的噴淋系系統(tǒng)。同樣，一套設計計好的系統(tǒng)，沒沒有按照反應應機理進行的的啟動，是不不能稱之為成成功的系統(tǒng)的的，在這里，根根據一些工程程實踐以及國國內外一些報報道，筆者對對厭氧處理低低濃度廢水時時啟動提出一一些參考性建建議（針對生生活污水）：：1、啟動時，先先投加載體，在在投加污泥，污污泥的數量按按照25KgMMLVSS//m3池容計算，投投加時的污泥泥必須通過篩篩網進行粗渣渣的清除（這這一點非常重重要）；2、由于原水具具有比較好的的生化性，進進水不需要馴馴化，但第一一次進水進滿滿池體后，停停止進水，通通過臨時配備備的水下攪拌拌機進行池底底強制攪拌，連連續(xù)8個小時攪拌拌以上，停止止攪拌靜止8個小時，通通過排泥管排排除池體標高高2米以上的污污泥，再攪拌拌8個小時，這8個小時同時時按照比例投投加氮肥和磷磷肥，投加微微量金屬元素素，保證池內內液相中的COD；3、24個小時時后，開始按按設計負荷進進水并采取一一定的出水回回流，回流比比根據反應器器的高度調整整；（注意，出出水帶出來的的污泥不要回回流）4、24個小時時后，減少回回流比，保證證出水不帶泥泥，如果出水水繼續(xù)帶你就就停止回流，并并進行污泥回回流，同時投投加營養(yǎng)物質質；5、連續(xù)這樣運運行一個星期期，隨時監(jiān)測測各項出水指指標，以便正正確反應反應應器內生物的的反應狀態(tài)6、作一些鏡檢檢。九結論通過對厭氧微生生物處理污水水的機理研究究得出，厭氧氧在常溫狀態(tài)態(tài)下處理城市市污水是有可可能的，我們們在實際中由由于種種非生生物本身反應應的原因而錯錯過了利用厭厭氧處理城市市污水的機會會，并且在國國外已經有了了成功的厭氧氧處理城市污污水的情況，出出水COD<440mg/ll。完全能滿滿足有機物排排放標準，如如果加上簡短短脫硝曝氣工工藝（在去除除了BOD后，只需要1.5H的時間就可可以進行NH3-N到NO-N的轉化），就就是一個非常常適合中國國國情的低濃度度廢水處理工工藝，但在設設計中，應詳詳細認真的作作出設計前的的調查和設計計后的啟動工工作。參考文獻：[1]王凱軍軍，城市污水水處理問題與與水解－好氧氧生物處理工工藝，城市管管理與科技，1999..1（1）：19～23[2]王凱軍軍，城市污水水污染控制技技術和發(fā)展重重點，中國環(huán)環(huán)保產業(yè)CEPI，2001.（2）：25～27[3]鐘海濤濤，胡勇有，田田靜，廢水低低溫厭氧處理理技術，給水排水，2004..2（30）：98～101[4]蘇鴻洋洋，夏雪芬,董發(fā)開,復合式厭氧氧反應器處理理城市污水試試驗研究，給給水排水，2002：48~500[5]李波，徐徐高田，鄒偉偉國，徐俊偉偉，復合式厭氧氧污泥床反應應器處理城市市生活污水的的研究，環(huán)境境技術，2002（4）：33～36[5]裘裘湛，張之源源，高速厭氧氧反應器處理理城市污水的的現狀與發(fā)展展，2002..25（1）117～122[6]李鵬，王王愛杰，丁杰杰，劉敏，污污水厭