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EGSB反应器的生物特性及研究进展.pdf

EGSB反应器的生物特性及研究进展

工大工程
2010-12-31 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《EGSB反应器的生物特性及研究进展pdf》,可适用于工程科技领域

EGSB反应器的生物特性及研究进展杜战鹏 李冬雪 赵敏 马金亮(陕西科技大学化学与化工学院 陕西咸阳)  摘 要 EGSB作为第代厌氧反应器已为广大科技工作者所熟知,并一致认为EGSB是最具有发展前景的反应器之一。但其运行及调试特性,影响反应器工作的因素等一直是困扰其工程化的瓶颈,着重综述了EGSB的工艺特性、影响反应器运行的参数及国内外的研究进展。  关键词 EGSB反应器 工艺特性 影响因素BiocharacteristicsandResearchProgressofEGSBReactorDUZhanpeng LIDongxue ZHAOMin MAJinliang(CollegeofChemicalEngineering,ShanxiUniversityofScienceandTechnology Xianyang,Shanxi)Abstract EGSB,asthethirdgenerationofanaerobicreactor,isonekindofreactorshavinggoodprospects,butsomeproblemsareexisted,suchascharacteristicsonoperationanddebugging,factorsaffectingoperating,etcInthispapersomediscussionsareconductedonthetechnicalpropertiesofEGSB,factorsaffectiongoperationandresearchprogressathomeandabroadKeywords EGSBreactor technicalcharacteristics affectingfactor  由于UASB反应器内混合强度不够,容易形成短流,从而导致污染物对微生物产生抑制和毒害作用。为解决这一矛盾,需要提高反应器水力负荷同时采用出水回流的方式来降低污染物对微生物的毒害。基于此目的,第代厌氧处理工艺膨胀颗粒污泥床(EGSB)应运而生。EGSB作为第代厌氧污水处理设备,由于它的上流速度大,颗粒污泥沉降性能好,COD去除率高,有机负荷高,在处理低浓度有机废水和含难降解有机物的工业废水等方面有着独特的优势,从而具有广阔的应用前景。本文就EGSB方应器的工艺特性、生物降解机理以及影响反应器处理效果的一些因素进行综述。 EGSB的工艺特性EGSB作为新型的厌氧水处理反应器与好氧的水处理设备相比有着很大的优势。首先厌氧处理技术无需曝气,剩余污泥产量少,又可回收沼气作为一种无污染的能源,特别是处理设备占地面积小,处理效能高,有着其他反应器所不能达到的优势。其工艺如图所示。图 EGSB反应器工艺(A,B)调节池水泵换热器反应器水封气体流量计沉淀池EGSB与UASB的构造基本相同,但有自身的特点:①EGSB采用出水回流,从而上升流速比较大(~mh,UASB一般~mh),有机负荷率可达kg(m·d)。②反应器高径比大,污泥床处于膨胀状态,与UASB相比更适合于处理低浓度废水。③颗粒污泥活性高,沉降性能好,粒径较大,强度较好,絮状污泥不断被洗出反应器。可应用于含有高悬浮性固体和有毒物质的废水处理中。④由于上升流速大,混合状态与UASB反应器中不同,导致污泥与废水间的接触状况较好。 EGSB反应器中微生物的性能 EGSB反应器中颗粒污泥的形成过程与机理研究EGSB反应器对废水处理过程,最重要的是研究其内部生物的特性。根据对污泥颗粒化过程的观察与分析,厌氧颗粒污泥化大致如下:在启动运行初期,酸化菌和产甲烷丝菌迅速生长,丝菌附着在接种物小颗粒上或自身缠绕生长,形成lμm左右的颗粒,构成颗粒污泥亚单位(即一次核)在高负荷阶段,这种亚单位之间接触增多,相互聚集成更大的颗粒反应器进入颗粒污泥出现及成熟期,大的颗粒外围再被丝菌进一步包裹,形成成熟的颗粒污泥。也有研究者提出了二次核说:在适宜的条件下出现颗粒污泥,随着颗粒污泥的生长,粒径的增大,内部的微生物会因营养不足而死亡,致使颗粒污泥的强度减弱,污泥颗粒在水流剪切力的作用下破裂,破裂后的碎片可作为新的二次核重新形成颗粒污泥。 EGSB反应器中的生物降解机理一般情况下,EGSB中的颗粒污泥中含有酸化菌、兼性菌、乙酸菌和产甲烷菌,还有其他一些厌氧菌以及一些非生物活性的物质。()对于简单的如乙酸,可以有嗜乙酸的产甲烷菌直接··       工业安全与环保  IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection        年第卷第期October将其分解为甲烷。对于丙酸和丁酸来说,可以有乙酸菌将其转化为乙酸然后再分解为甲烷。而对于多糖的降解要先经过分解为葡萄糖,然后经过微生物的发酵即EMP过程而成丙酮酸,然后在厌氧条件下由产甲烷菌和反硝化菌及硫酸盐还原菌将其彻底氧化为二氧化碳和水,同时有甲烷等气体生成。()对于脂肪的降解,是先将脂肪水解为甘油和脂肪酸,其中甘油可以很容易转变为磷酸二羟丙酮,从而进入EMP,其后的过程与糖的分解后半部分相同。而脂肪酸的分解可先分解为乙酸,然后由产甲烷菌将其降解为甲烷和水。在研究EGSB处理长链脂肪酸(LCFA)时,发现LCFA的吸附过程是一个相对较快的过程,而吸附在菌体细胞壁或细胞膜上的LCFA破坏了这些组织的运输功能或保护功能,吸附达到一定程度便会对厌氧微生物产生明显的毒性,并且破坏颗粒的结构,使颗粒污泥沉降性能下降。在实际的反应器运行过程中,这将导致污泥的洗出,使反应器效能下降。在间歇培养中研究了不同长链脂肪酸(LCFA)对UASB和EGSB种反应器厌氧颗粒污泥的产甲烷毒性。结果表明,庚酸、癸酸和油酸对厌氧颗粒污泥产甲烷活性有较强的抑制,EGSB反应器厌氧颗粒污泥对LCFA的抑制表现出比UASB反应器厌氧颗粒污泥更大的耐受能力。LCFA主要通过在颗粒污泥厌氧微生物的吸附而破坏菌体细胞膜的结构,直接杀死厌氧微生物。厌氧颗粒污泥中,利用乙酸的甲烷菌和产氢产乙酸菌受到LCFA的抑制较严重,利用甲酸和利用氢气的甲烷菌受到的抑制程度较小。()对于蛋白质的降解,实际上是对氨基酸的分解,先将氨基酸脱氨基然后按脂肪酸的方式进行降解。 EGSB反应器的影响因素分析 温度对反应器性能的影响从图可以看出,高温、中温和低温下甲烷菌的生长率。随着温度的降低,废水的物理和化学性能将会发生一些变化,从而影响厌氧处理效果。例如在温度低于℃时,甲烷、氢气和硫化氢在水中的溶解度会增大,特别是CO的溶解过多会使废水的pH值降低,另外低温下液体的黏度会增大,从而需要加大搅拌力度,这增加了系统的能量消耗。但是低温下更有利于微生物在颗粒中的聚集,结构更为牢固。图 温度对产甲烷菌生长率的影响在低温下对低浓度的VFA和蔗糖的混合液进行处理时,发现颗粒污泥中占优势的菌类开始是酸化菌和兼性菌,等到反应稳定后,产乙酸菌和产甲烷菌才逐步占优势,其中产甲烷菌中占优势的是嗜氢的甲烷短杆菌属和嗜乙酸的甲烷毛发菌属,而甲烷八叠球菌在降解乙酸中并不处于主导地位。Rebac等人对低温(~℃)条件下EGSB反应器处理麦芽发酵废水进行了中试研究,其EGSB反应器的内径为m,高m,总容积为L,接种污泥为mUASB反应器(℃)内的颗粒污泥。麦芽污水的COD为mgL,其中可厌氧生物降解部分占。当反应器在℃情况下运行时,采用h的HRT和kg(m·d)的OLR,COD平均去除率约为当反应器在℃情况下运行时,HRT分别为h和h,OLR分别为kg(m·d)和kg(m·d)时,COD去除率分别为和。以上研究结果都表明了EGSB反应器处理低温低浓度污水是可行的。在中、高温度下用EGSB处理高浓度悬浮有机废水的研究中发现,总的悬浮固体的去除率和脂肪的去除率都可以达到很高的水平,且在反应器内没有发现脂肪的积累,这与其他厌氧反应器在处理这类废水时的低效率和低的产甲烷活性相比有很大的优势。Nunez等人研究了中温(℃)条件下EGSB反应器处理屠宰场废水的情况,屠宰场废水含有大量可生物降解有机物,其COD质量浓度为mgL,其中可溶解部分占,不可溶解物质包括悬浮物和肢体,例如脂肪、蛋白质和纤维素,它们在厌氧反应器中降解很慢,悬浮固体的积累会影响污泥的产甲烷活性,在高有机负荷率时反应器的运行将受到限制。Nunez等人试验所用的反应器内径为m,高m,总容积为L。在有机负荷(COD)为kg(m·d),HRT为h的运行条件下,COD去除率达到,总悬浮固体去除率为,脂类去除率为,在颗粒污泥上没有脂类物质的积累。他们将试验结果与其他研究人员的成果相比较发现,当获得相似的COD去除率()时,EGSB反应器的容积负荷kg(m·d)比UASB反应器的(kg(m·d))高,且HRT(h)也比UASB反应器(h)短。这说明中温条件下EGSB反应器有着比UASB更好的处理结果。 溶解氧对反应器性能的影响研究发现DO的存在对污水处理系统的稳定性基本没影响,但DO是造成兼性菌大量生长的原因,所以反应在处理前应减少污水中的DO。Kato等人曾采用个L的EGSB反应器在℃时处理以乙醇为基质的模拟低浓度污水。其中R反应器是在无氧的环境下进行,R反应器则在氧质量浓度相对较高(最高达mgL)的环境下运行,R在不同的HRT(h)、不同的有机负荷率(OLR)g(L·d)的情况下,处理进水COD质量浓度为mgL的污水,实验结果表明,在相近的运行条件下所获得的处理效果相差无几,由此证明,溶解氧的存在对EGSB反应器的运行没有明显影响。另外,当控制Vup在mh范围内时,只要选择适当的OLR,当进水COD质量浓度为mgL甚至mgL时,反应器的去除率均能达到以上。 硫酸盐对反应器性能的影响一般来说,通过生物法从废水中去除硫酸盐可以分为步:首先,将硫酸盐在厌氧条件下还原为硫化物其次,将硫··化物氧化为单质硫并加以去除。在第一步硫酸盐还原过程中,厌氧条件下硫酸盐还原菌(SRB)的生长和活动,会对正常的厌氧消化过程产生很大的影响:一方面,SRB与产甲烷菌(MPB)相比,二者具有类似的生长环境要求和基质利用特性,因此可能导致对MPB的基质竞争性抑制另一方面,硫酸盐还原菌的代谢终产物硫化氢(HS)对厌氧细菌特别是产甲烷菌具有很强的毒害作用,会导致它们活性降低,甚至死亡。废水中COD与硫的比率(CODS)以及反应器中的pH值是控制这两方面影响的重要参数,硫酸盐通过SRB对MPB的抑制主要取决于CODS的比值而非进水硫酸盐浓度,而反应器中的pH值则影响着溶液中硫化物所起抑制作用的程度,。 微量元素对反应器性能的影响在厌氧生物废水处理中,人们一直十分关心厌氧污泥的活性,因为厌氧污泥的活性(尤其是产甲烷活性)是影响厌氧生物处理效果的重要条件之一。研究者通过实验已证明了N、P、K、S、Ca、Fe、Co、Ni等元素对于厌氧污泥的产气活性均有影响。YChang等人发现镁是厌氧污泥的重要组成元素。Schmidt等人则发现适量的Mg能增强上流式厌氧污泥床(UASB)反应器(℃)中高温厌氧污泥的沉降性能,减少被洗出反应器的污泥量,但是Mg对高温厌氧污泥的产甲烷活性的促进作用不是很明显。他们还发现Mg会影响高温厌氧污泥的微生物特征,即Mg会影响污泥中各种微生物的相对数量,改变其中的优势菌。Goodwin等发现在合成废水中添加mmolLMg、mmolLCa和一些微量元素能够改善中温EGSB反应器的运行和加速厌氧污泥的颗粒化。研究发现金属镁是厌氧污泥的一种重要元素,在厌氧污泥的灰分中含镁约为~。甲烷菌是厌氧污泥中一类重要的产气菌。Baylock对厌氧污泥中的巴氏甲烷八叠球菌的甲基转移反应进行了研究。发现Mg能够催化以甲醇为甲基供体和B为甲基受体合成甲基维生素B,而后者是合成甲烷的前体物之一(对其他甲烷菌可能也有类似作用)Mg参与甲烷菌的能量代谢过程,可促进其生化反应的进程,从而促进甲烷的产生。Mg浓度不足时,不能起到催化和促进作用。另外,细菌细胞在废水中呈一种胶粒形式存在,这种胶粒表面带有负电荷,能够吸附正电荷。Mg和其他正离子会在甲烷菌细胞胶粒周围形成一个正电荷层,在合适浓度时,有机物能够自由进入菌体内。当Mg浓度较高时,甲烷菌细胞胶粒表面的正电荷层变得十分紧密,会阻碍有机物进入菌体内,甲烷茵得不到足够的营养,因而其生理活性降低,产气量减少。虽然静态下Mg对厌氧污泥的产气活性有一定影响,但在动态下是否有相似的结果,有待进一步研究。对EGSB处理淀粉废水的实验中,发现在废水中加入一定比例的铁、钴和镍等可以明显提高反应器的处理能力和效率。总之,微量元素在废水的厌氧生物处理过程中具有不可或缺的作用,因此在厌氧处理过程中,必须充分重视厌氧反应体系对微量元素的需求,及时供给。 结语通过对EGSB反应器的生物特性和工艺特点的研究,可以看出EGSB反应器在处理工业废水、生活污水方面有着其他厌氧反应器不可比拟的优势,有着巨大的发展前景。目前最引人关注的是EGSB反应器在处理过程中的稳定性和可靠性,反应器在运行过程中有许多影响因素需要我们去研究,去把握。但这并不影响EGSB反应器的优越性,可以预计EGSB反应器在将来应该是具有很高的推广价值和应用前景。参考文献 陈坚,等环境生物技术应用与发展北京:中国轻工业出版社, 陈坚,等环境生物技术应用与发展北京:中国轻工业出版社, WicgantWMGranulationofbiomassinthermophilicanaerobicsludgeblanketreactorstreatingacidifiedwasterwaterBiotechnologyBioeng,,: 贺延龄,等环境微生物学北京:中国轻工业出版社, DriesJ,etalHighratebiologicaltreatmentofsulfaterichwastewaterinanacetatefedEGSBreactorBiodegration,,: 陈坚,周琪,等长链脂肪酸对厌氧颗粒污泥产甲烷毒性研究水处理技术,,() RebacS,etalHighrateanaerobictreatmentofmaltingwastewaterinapilotscaleEGSBsystemunderpsychrophilicconditionJchemTechBiotechnol,,: MartinezB,NunezLAAnaerobictreatmentofslaughterhousewastewaterinanexpandedgranularsludgebed(EGSB)reactorWatSciTech,,(): KatoMTTheanaerobictreatmentoflowstrengthsolublewasterwatersTheNetherlands:WageningenAgriculturalUniversity 贺延龄,等环境微生物学北京:中国轻工业出版社, 李亚新,杨建刚微量金属对甲烷激活作用的动力学研究中国沼气,,(): JESchmidt,BKAhringEffectsofmagnesiumonthermophilicacetatedegradinggranulesinupflowanaerobicsludgeblanket(UASB)reactorsEnzymeMicorbTechnol,,(): DRBoore,RAMahEffectsofcalcium,magnesium,pHandextentofgrowthonthemorphologyofmethanosarcinamazeisApplEnvironMicrobiol,,(): 徐曾符沼气工艺学北京:中国农业出版社,作者简介:杜战鹏,男,年生,陕西西安人,硕士,主要从事轻工业废水和固体废弃物处理及其环境行为研究。(收稿日期:)··

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