在高的上流速度和产气的搅拌作用下,废水与颗粒污泥间的接触 更充分,因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间,从 而EGSB可处理较低浓度的有机废水。一般认为UASB反应器更 宜于处理浓度高于1500 mg COn/L的废水,而EGSB在处理低 于1500 mg COD/的废水时仍能有很高的负荷和去除率。例如 Kato处理浓度100~700 mg COD/的酒精发酵废水,采用上 流速度25~55m/h,负荷12 goOD/(m3d),COD去除率在 80%~96%之间。 EGSB反应器也可以看作是流化床反应器的一种改良,区别 在于EGSB反应器不使用任何惰性的填料作为细菌的载体,细菌 在EGSB中的滞留依赖细菌本身形成的颗粒污泥,同时ΣGSB反 应器的上流速度小于流化床反应器,其中的颗粒污泥并未达到流 态化的状态而只是不同程度的膨胀而已 EGsB反应器正在研制中,尚未有生产规模的EGSB投人使 用 参考文献 〔1〕解振华.我国环境保护面临的形势和挑战环境科学动态,1995(1) l~8 [23 Lettinga, G. and A. C. Handel. Anaerobic digestion for energy production and environmental protection in: T. B Johansson et al.(eds ) Renewable Energy, Sources for Fuels and Electricity. Washington, D. C: Island Press, 1993 817~839 [3] Lettinga, G. Introduction in: Ist Int Course on Anaerobic and Low Cost Treatment of wastes and Wastewaters. The Netherlands: iAC and wau 1994 〔4〕申立贤高浓有机废水厌氧处理技术北京:中国环境出版社,1992 [5 Pichon, M, et al. Paperi ja Puu-Paper och Tra, 1987(8) 652~658
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第二章废水厌氧处理的微生物学 与生物化学原理 第一节简介 1776年, Valta已发现沼泽中可产生可燃气体,他认为这种气 体的产生与有机质的分解有关。 Herry在1806年发现这种气体是 甲烷 Bechamp于1868年首次从微生物学角度阐述了甲烷的形成 机理。1875年Popo较系统研究了由各种底物发酵产甲烷过程 由于当年微生物学技术的局限,没有人能由发酵液中分离出纯的 菌种。直到1906年 Sohngen培养出一种八叠球菌和杆状细菌的 共生培养物,但他未能将它们进一步分离鉴定。微生物学在厌氧 发酵原理上的又突破是 Schnellen(1)在其Def理工大学博士 论文研究中作岀的,他继续 Sohngen的工作,并分离出甲烷八叠 球菌属和甲烷杆菌属的两个纯种,命名为 Methanosarcina ba rheri MEthanobacterium formicium 1967年, bryant发现乙醇转化为甲烷的过程并非如人们认为 的由一种微生物完成,而是由两个共生菌一起完成的。其中一种 微生物把乙醇转化为乙酸和氢气,而另一种利用氢气把二氧化碳 转化为甲烷2)这个发现揭示出能够被产甲烷的微生物所利用的底 物种类是有限的,其中主要有乙酸氢气碳酸氢盐、甲醛和甲醇。 近年人们证实产甲烷的微生物在亲缘关系上既不属于真核 生物,也不属于原核生物。人们把它们划归于古细菌。古细菌与原 核生物极其接近。但在分子生物学角度又明显区别于原核生物 16
特别是DNA组成区别明显。产甲烷细菌的细胞壁组成也与其它细 菌不同。由于在细胞壁中不含胞壁酸,产甲烷菌对于作用于细胞 壁的高效抗菌素例如青霉素、右旋环丝氨酸、万古霉素和头孢菌 素等不敏感1),对废水厌氧处理来说,最令人感兴趣的是产甲烷 菌具有从底物转换为甲烷的过程中获取能量的能力。就这一点来 说,它们也是非常独特的。也有一些其它细菌能产生甲烷,但它们 不能由甲烷的产生中获取能源。 厌氧消化过程存在于例如沼泽、湖泊和海洋沉积物以及瘤胃 动物的胃液等自然生态系统中。在非自然的生态系统中,例如废 水处理系统、堆肥和污泥消化系统中,人们利用了这种厌氧过程 在其厌氧食物链末端产生甲烷的功能更为重要的是,通过这样 个过程,人们能够防止大量有机物在环境中的有害积累。 第二节复杂物料的厌氧降解阶段 在废水的厌氧处理过程中,废水中的有机物经大量微生物的 共同作用被最终转化为甲烷、二氧化碳、水硫化氢和氨。在此过 程中,不同的微生物的代谢过程相互影响,相互制约,形成复杂的 生态系统。对复杂物料的厌氧过程的叙述,有助于我们了解这 过程的基本内容。所谓复杂物料,即指那些高分子的有机物,这些 有机物在废水中以悬浮物或胶体形式存在。 复杂物料的厌氧降解过程可以被分为四个阶段。 ①水解阶段:高分子有机物因相对分子质量巨大,不能透过 细胞膜,因此不可能为细菌直接利用。因此它们在第一阶段被细 菌胞外酶分解为小分子。例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖 与葡萄糖,淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖,蛋白质被蛋白 酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水 并透过细胞膜为细菌所利用 ②发酵(或酸化)阶段:在这一阶段,上述小分子的化合物在
发酵细菌(即酸化菌)的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到 细胞外。这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸(简写作ⅤFA)、醇 类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时,酸化菌也利用 部分物质合成新的细胞物质,因此未酸化废水厌氧处理时产生更 多的剩余污泥。 ③产乙酸阶段:在此阶段,上一阶段的产物被进一步转化为 乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。 4产甲烷阶段:这一阶段里,乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇 等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。 在以阶段里,还包含着以下这些过程:a.水解阶段里有蛋 白质水解、碳水化合物的水解和脂类水解;b.发酵酸化阶段包含 氨基酸和糖类的厌氧氧化与较高级的脂肪酸与醇类的厌氧氧化 C产乙酸阶段里有从中间产物中形成乙酸和氢气和由氢气和二氧 化碳形成乙酸;d甲烷化阶段包括由乙酸形成甲烷和从氡气和二氧 化碳形成烷。除以上这些过程之外,当废水含有硫酸盐时还会有硫 酸盐还原过程复杂化合物的厌氧降解可以用图来表述(见图21) 复杂有机物 水解,发酵 脂肪酸(>C2) ----硫酸盐还原 产乙酸 H2+Co}1亿乙酸 产甲烷 产甲烷 E CH+COz 硫酸盐还原 硫酸盐还原 H28+CO2222 图21厌氧降解过程示意图 18