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生物膜法通过将微生物细胞固定于反映器内的载体上,实现了微生物停留时间和水动力停留时间的分离,载体填料的存在,对水流起到强力压制紊动的效用,同时可促进水中污染物质与微生物细胞的充分接触,从实质上强化了传质过程。生物膜法克服了活性污泥法中易出现的污泥膨胀和污泥上浮等问题,在许多情况下不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物处理,而且还具有运行稳定、抗冲击负荷强、更为经济节能、具有一定的硝化反硝化功效、可实现封闭运转防止臭味等优点。
通过人工强化效用将生物膜引入到污水处理反映器中,便形成了生物膜反映器。近年来,物物膜反映器发展迅速,由单一到复合,有好氧也有厌氧,逐步形成了一套较完整的生物处理系统。
填料是生物膜技术的焦点之一,它的性能对废水处理工艺过程的效率、能耗、稳定性以及可靠性均有直接关系。
二、厌氧生物膜法处理工艺在生活污水处理中的应用研究进展
(1)、复杂物料的厌氧降解阶段
在废水的厌氧处理过程当中,废水中的有机物经大量微生物的共同效用,被最终转化为甲烷、碳酐、水、硫化氢和氨。在此过程当中,不同的微生物的代谢过程相互影响,相互制约,形成复杂的生活习性系统。对复杂物料的厌氧过程的叙述,有助于咱们了解这一过程的基本内容。所说的复杂物料,即指那一些高分子的有机物,这些有机物在废水中以悬浮物或胶体型式存在。
复杂物料的厌氧降解过程可以被分为四个阶段。
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,因此不成能为细菌直接利用。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,氨基酸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消融于水并透过细胞膜为细菌所利用。
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、碳酐、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孕育发生更多的剩余污泥。
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。
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、碳酐和新的细胞物质。
在以上阶段里,还包含着以下这些过程:a、水解阶段里有氨基酸水解、碳水化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 氧化碳形成乙酸;d、甲烷化阶段包括由乙酸形成甲烷和从氢气和碳酐形成甲烷。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利用图来表述(见图1)
(2)厌氧生物膜法处理工艺的应用研究进展
a、厌氧滤器(AF)
厌氧滤器是60年代末由美国McCarty 等在Coulter等研究基础上发展并确立的第一个高速厌氧反映器。传统的好氧生物系统一般容积负荷在2KgCOD/(m3?d)以下。而在AF发明以前的厌氧反映器一般容积负荷也在4-5kgCOD/(m3?d)以下。但AF在处理消融性废水时负荷可高达10-15 kgCOD/(m3?d)。[4]因此AF的发展大大提高了厌氧反映器的处理速度,使反映器容积大大减少。
AF作为高速厌氧反映器职位地方的确立,还在于它采用了生物固定化的技术,使污泥在反映器内的停留时间(SRT)泼天地延长。McCarty发现在保持同样处理效果时,SRT的提高可以大大缩短废水的水动力停留时间(HRT),从而减少反映器容积,或在不异反映器容积时增加处理的水量。这种采用生物固定化延长SRT,并把SRT和HRT别离对待的思想推动了新一代高速厌氧反映器的发展。
SRT的延长实质是维持了反映器内污泥的高液体浓度,在AF内,厌氧污泥的液体浓度可以达到10-20gVSS/L。AF内厌氧污泥的保留由两种方式完成:其一是细菌在AF内固定的填料表面(也包括反映器内壁)形成生物膜;其二是在填料之间细菌形成聚集体。高液体浓度厌氧污泥在反映器内的积累是AF具有高速反映性能的生物科学基础,在一定的污泥比产甲烷活性下,厌氧反映器的负荷与污泥液体浓度成正比。同时,AF内形成的厌氧污泥较之厌氧接触工艺的污泥密度大、沉淀性能好,因而其出水中的剩余污泥不存在分离困难的问题。因为AF内可自行保留高液体浓度的污泥,也不需要污泥的回流。
在AF内,因为填料是固定的,废水进入反映器内,逐渐被细菌水解酸化、转化为乙酸和甲烷,废水组成在不同反映器高度逐渐变化。因此微生物种群的分布也出现规律性。在底部(进水处),发酵菌和产酸菌占有最大的比重,随反映器高度上升,产乙酸菌和产甲烷菌逐渐增多并占主导职位地方。细菌的品类与废水的成分关于,在已酸化的废水中,发酵与产酸菌不会有太大的液体浓度。
细菌在反映器内分布的另一特征是反映器进水处(例如上流式AF的内部)细菌因为得到营养最多因而污泥液体浓度最高,污泥的液体浓度随高度迅速减少。
污泥的这种分布特征付与AF一些工艺上的特点。首先,AF内废水中有机物的去除主要在AF底部进行(指上流式AF),据Young和Dahab报导[4], AF反映器在1m以上COD的去除率几乎不再增加,而大部分COD是在0.3m以内去除的。因此研究者认为在一定的容积负荷下,浅的AF反映器比深的反映器能有更好的处理效率。其次,因为反映器底部污泥液体浓度出格大,因此容易引起反映器的拥塞。拥塞问题是影响AF应用的最主要问题之一。据报导,上流式AF底部污泥液体浓度可高达60g/L。厌氧污泥在AF内的有规律分布还使得反映器对有毒物质的适应能力较强,可以生物降解的毒性物质在反映器内的液体浓度也出现出规律性的变化,加上厌氧生物膜形成各种菌群的杰出共生体系,因此在AF内易于造就出适应有毒物质的厌氧污泥。例如在处理三氯甲烷和甲醛废水中,发现AF反映器内的污泥孕育发生了杰出的适应性,这些有毒物质的去除效果和允许的进液液体浓度逐渐上升。AF同时也具有较大的抗冲击负荷能力。一般认为在不异的温度条件下,AF的负荷可高出厌氧接触工艺2~3倍,同时会有较高的COD去除率。
AF在应用上的问题除了拥塞和由局部拥塞引起的沟流以外,另一个问题是它需要大量的填料,填料的施用使其成本上升。因为以上问题,国外生产规模的AF系统应用也不是很多。据Le-ttinga在1993年估计,国外生产规模的AF系统约莫仅有30~40个。[4]
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