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两相厌氧生物处理工艺

来源: | 发布日期:2022-11-02

要维持传统的单相厌氧反应器的正常、高效的运行,就必须在一个反应器内维持发酵和产酸细菌和产甲烷细菌这两类特性迥异的细菌之间的平衡,即要保证由前者所产生的有机酸等产物能够及时有效地被后者所利用并最终转化为甲烷和二氧化碳等无机终产物,否则,就会造成反应器内有机酸的积累,严重时就会导致反应器内pH值的下降,进一步对产甲烷细菌的活性和代谢能力产生不利影响,甚至会导致严重的抑制作用,导致厌氧反应器出现“酸化现象”[1]

由于产甲烷细菌对环境条件的要求远高于发酵和产酸细菌,而且产甲烷细菌的生长速率又远低于发酵和产酸细菌,因此在运行传统的单相厌氧反应器时,一般首先按照产甲烷细菌的要求来选择运行条件,而且还会采取一些措施来尽量维持两者之间的平衡。因此可以说,在传统的单相厌氧反应器的运行中,在一定程度上牺牲了第一阶段细菌的部分功能,以保证产甲烷细菌能处在最佳的环境条件下。如在国外绝大多数的厌氧反应器都会采取加热和保温的措施,以保证反应器内的温度处在产甲烷细菌的最佳温度范围内,即35~37℃(中温运行的反应器)或者是55~65℃(高温运行的反应器);为了确保反应器内的pH值是被控制在产甲烷细菌的最适范围内(6.8~7.2),一般的厌氧反应器都设置了在线pH值控制装置将反应器内的pH值控制在所设定的范围之内。

设计者也会选择其他方式来尽可能地保证反应器的正常运行,一般主要有两个措施:

①降低设计负荷,这样可以保证反应器在相对较低的负荷下稳定运行,两大类细菌之间的平衡也相对较为容易保持,但是这样一来却增大了反应器的容积和基建投资;

②增加进水中的投碱量,使反应器内维持较高的碱度,保证反应器内的 pH值维持在产甲烷细菌所要求的范围内,但是这样增加了反应器的运行费用。

两相厌氧生物处理工艺在一定程度上克服了单相反应器的上述缺陷,在工艺上有了很大的变革。两相厌氧生物处理技术的研究,早期主要集中在应用动力学控制法实现相分离方面,所采用的试验装置多为完全混合反应器。试验结果表明,控制水力停留时间或有机负荷能够成功地实现相分离。20世纪80年代,视产甲烷阶段为系统的限速步骤而从微生物学、动力学等角度开展研究,寻求系统高效处理的条件。从国内外的两相厌氧系统研究所采用的工艺形式看,主要有两种:一种是两相均采用UASB反应器;一种是称作Anodek工艺,其特点是产酸相为接触式反应器(即完全式反应器后设沉淀池,同时进行污泥回流),产甲烷相则采用UASB反应器。国内常采用前一方式,国外常采用后者。关于何种废水适合于采用两相厌氧生物处理工艺,观点不一、Massey和Pohland[2]认为适用于可溶性底物较多的废水;Kisaalita等[3]认为对于易于酸化的有机废水(如含乳清和乳糖等)采用两相处理工艺更易于控制运行的稳定性;而Hobson[则认为如果发酵的第一步是聚合物的水解,则两相工艺是不可行的,因为转化需要延长停留时间。总之,普遍认为两相厌氧生物处理工艺适合于处理易酸化的可溶性有机废水。任南琪教授[5]根据研究提出,复杂的有机污染物(包括剩余活性污染)的发酵确需较长的时间,限速步骤往往为产酸阶段,但采用相分离技术,创造有利于发酵细菌的生态环境,无疑会提高系统的处理能力,相对缩短水力停留时间,使之优于单相厌氧生物处理工艺。

在废水两相厌氧生物处理系统中,产酸相反应器能否为后续的产甲烷相提供适宜和稳定的底物,对产甲烷相的物质代谢速率乃至整个厌氧系统的高效稳定运行至关重要。有关研究表明、水力停留时间、污泥龄、有机负荷、pH、温度、氧化还原电位P)末端发酵产物组成都有明显的影响。任南琪等[5]通过长期的连续流试验运行发现,产酸相末端发酵产物的分布,完全决定于上述各种生态因子综合作用下出现的一些优势种群的个体代谢特点,即当产酸相环境最适合某一种群的生长繁时,这一种群就会很快在与其他种群的竞争中取胜并成为优势种群,此时优势种群所进行的生理代谢总体表现为以某种挥发性脂肪酸(如丙酸、丁酸、乙酸)和醇类(如乙醇)为主的发酵类型群。一般可将产酸相的菌群代谢途径根据稳定期的末端产物组成分为三种类型,即丁酸型发酵、乙醇型发酵和丙酸型发酵。

研究认为,产酸相形成何种发酵类型主要受限制性生态因子pH值、ORP和温度等多个因素的制约,任南琪和刘艳玲等[6]发现,在温度恒定、不调进水pH值的情况下,发酵类型与反应器启动伊始接种污泥的微生物种类和污泥浓度、启动时的污泥负荷、容积负荷大小以及负荷的提高方式等紧密相关。从生理生态学观点分析,环境中生态因子的改变都会对生境中的微生物产生影响,这将导致微生物体内的生理代谢反应发生变化以适应生境中生态因子的改变,其结果表现为代谢产物组成乃至发酵类型的改变。从上述各发酵类型的典型产物的组成及不同发酵类型的形成过程分析,不同发酵类型的典型产物形成并稳定决定于不同生态因子下形成的优势种群的总体代谢特征。当生态因子发生某种改变时,即使是发酵类型没有发生根本性的改变,这些发酵优势种群亦将因机体内生理代谢的调节过程而引起各种末端发酵产物的转化率发生改变。近几年来,研究工作集中在末端发酵产物的分析和控制,利用微生物学、传质动力学、生理学、生态学等手段,人为调控产酸相的发酵类型,提供给产甲烷相最适的底物,从而提高系统的整体处理水平。

就本质而言,两相厌氧生物处理系统仍是一个人工创建的微生物生态系统,使两大类微生物分别在各自最佳条件下发挥其最大的代谢能力,从而使整个工艺达到更好的处理效果,扩大厌氧处理工艺的处理能力和提高工艺的运行稳定性。随着现代高效厌氧消化技术的兴起和发展,两相厌氧消化工艺受到人们越来越多的重视,得到了多方面的的究和应用。

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