CSTR厭氧發(fā)酵罐工作原理

CSTR厭氧發(fā)酵罐工作原理一、概括厭氧生物辦理技術(shù)在水辦理行業(yè)中向來都遇到環(huán)保工作者們的喜愛，因?yàn)槠鋼碛袃?yōu)秀的去除成效，更高的反響速率和對毒性物質(zhì)更好的適應(yīng)，更重要的是因?yàn)槠湎鄬醚跎镛k理廢水來說不需要為氧的傳達(dá)供給大批的能耗，使得厭氧生物辦理在水辦理行業(yè)中應(yīng)用十分寬泛。但因?yàn)檎w反響式鑒于莫諾方程的厭氧辦理遇到低濃度廢水Ks的限制，所以厭氧在辦理低濃度廢水方面沒有太大的空間，可近來的一些報(bào)導(dǎo)和試驗(yàn)表示，厭氧假如供給適合的外面條件，在辦理低濃度廢水方面仍舊有特別高的辦理成效。我們能夠依據(jù)厭氧反響的原理加以動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出厭氧生物辦理低濃度廢水特別在辦理生活污水方面的適合條件。二、厭氧反響四個(gè)階段一般來說，廢水中復(fù)雜有機(jī)物物料比許多，經(jīng)過厭氧分解分四個(gè)階段加以降解：（1）水解階段：高分子有機(jī)物因?yàn)槠浯蠓肿芋w積，不可以直接經(jīng)過厭氧菌的細(xì)胞壁，需要在微生物體外經(jīng)過胞外酶加以分解成小分子。廢水中典型的有機(jī)物質(zhì)比方纖維素被纖維素酶分解成纖維二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被分解成短肽和氨基酸。分解后的這些小分子能夠經(jīng)過細(xì)胞壁進(jìn)入到細(xì)胞的體內(nèi)進(jìn)行下一步的分解。（2）酸化階段：上述的小分子有機(jī)物進(jìn)入到細(xì)胞體內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮楹唵蔚幕衔锊⒈环峙傻郊?xì)胞外，這一階段的主要產(chǎn)物為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），同時(shí)還有部分的醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等產(chǎn)物產(chǎn)生。（3）產(chǎn)乙酸階段：在此階段，上一步的產(chǎn)物進(jìn)一步被轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜帷⑻妓?、氫氣以及新的?xì)胞物質(zhì)。（4）產(chǎn)甲烷階段：在這一階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇都被轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?、二氧化碳和新的?xì)胞物質(zhì)。這一階段也是整個(gè)厭氧過程最為重要的階段和整個(gè)厭氧反響過程的限速階段。再上述四個(gè)階段中，有人以為第二個(gè)階段和第三個(gè)階段能夠分為一個(gè)階段，在這兩個(gè)階段的反響是在同一類細(xì)菌體類達(dá)成的。前三個(gè)階段的反響速度很快，假如用莫諾方程來模擬前三個(gè)階段的反響速率的話，Ks（半速率常數(shù)）能夠在50mg/l以下，μ能夠達(dá)到5KgCOD/。而第四個(gè)反響階段往常很慢，同時(shí)也是最為重要的反響過程，在前面幾個(gè)階段中，廢水的中污染物質(zhì)不過形態(tài)上發(fā)生變化，COD幾乎沒有什么去除，不過在第四個(gè)階段中污染物質(zhì)變?yōu)榧淄榈葰怏w，使廢水中COD大幅度降落。同時(shí)在第四個(gè)階段產(chǎn)生大批的堿度這與前三個(gè)階段產(chǎn)生的有機(jī)酸相均衡，保持廢水中的PH穩(wěn)固，保證反響的連續(xù)進(jìn)行。水解反響水解可定義為復(fù)雜的非溶解性的聚合物被轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚娜芙庑詥误w和二聚體的過程。水解反響針對不一樣的廢水種類差異很大，這要取決于胞外酶可否有效的接觸究竟物。所以，大的顆粒比小顆粒底物要難降解好多，比方造紙廢水、印染廢水和制藥廢水的木質(zhì)素、大分子纖維素就很難水解。水解速度的可由以下動(dòng)力學(xué)方程加以描繪：ρ=ρo/(1+ρ——可降解的非溶解性底物濃度（g/l）；ρo———非溶解性底物的初始濃度（g/l）；Kh——水解常數(shù)（d－1）；T——逗留時(shí)間（d）。一般來說，影響Kh的要素好多，很難確立一個(gè)特定的方程來求解Kh，但我們能夠依據(jù)一些特定條件的Kh，反推導(dǎo)出水解反響器的容積和最正確反響條件。在實(shí)質(zhì)工程實(shí)行中，有條件的話，最好針對要辦理的廢水作一些Kh的測試工作。經(jīng)過對國內(nèi)外一些報(bào)導(dǎo)的研究，提出在低溫下水解對脂肪和蛋白質(zhì)的降解速率非常慢，這個(gè)時(shí)候，能夠不考慮厭氧辦理方式。對于生活污水來說，在溫度15的狀況下，Kh=左右。但在水解階段我們不需要過多的COD去除成效，并且在一個(gè)反響器中你很難嚴(yán)格的把厭氧反響的幾個(gè)階段劃分開來，一旦逗留時(shí)間過長，對工程的經(jīng)濟(jì)性就不太適用。假如就獨(dú)自的水解反響針對生活污水來說，COD能夠控制到的去除成效就能夠了。把這些參數(shù)和給定的條件代入到水解動(dòng)力學(xué)方程中，能夠獲得逗留水解逗留時(shí)間：T=這對于水解和后續(xù)階段處于一個(gè)反響器中厭氧辦理單元來說是一個(gè)很短的時(shí)間，在實(shí)質(zhì)工程中也完整能夠?qū)崿F(xiàn)。假如有條件的地方我們能夠適合提升廢水的反響溫度，這樣反響時(shí)間還會(huì)大大縮短。并且一般對于城市污水來說，長的排水管網(wǎng)和廢水中本生的生物多樣性，所以當(dāng)廢水流到廢水辦理場時(shí)，這個(gè)過程也在很大程度上達(dá)成，到當(dāng)前為止還沒有看到對于水解作為生活污水厭氧反響的限速報(bào)導(dǎo)。四發(fā)酵酸化反響發(fā)酵能夠被定義為有機(jī)化合物既作為電子受體也作為電子供體的生物降解過程，在此過程中有機(jī)物被轉(zhuǎn)變?yōu)橐該]發(fā)性脂肪酸為主的尾端產(chǎn)物。酸化過程是由大批的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌來達(dá)成的，在這些細(xì)菌中大多數(shù)是專性厭氧菌，只有1%是兼性厭氧菌，但正是這1%的兼性菌在反響器遇到氧氣的沖擊時(shí)，能快速耗費(fèi)掉這些氧氣，保持廢水低的氧化復(fù)原電位，同時(shí)也保護(hù)了產(chǎn)甲烷菌的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。酸化過程的底物取決于厭氧降解的條件、底物種類和參加酸化的微生物種群。對于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的反響器來說，乙酸、二氧化碳、氫氣則是酸化反響的最主要產(chǎn)物。這些都是產(chǎn)甲烷階段所需要的底物。在這個(gè)階段產(chǎn)生兩種重要的厭氧反響能否正常的底物就是揮發(fā)性脂肪酸VFA）和氨氮。VFA過高會(huì)使廢水的PH降落，漸漸影響到產(chǎn)甲烷菌的正常進(jìn)行，使產(chǎn)肚量減小，同時(shí)整個(gè)反響的自然堿度也會(huì)較少，系統(tǒng)均衡PH的能力減弱，整個(gè)反響會(huì)形成惡性循環(huán)，使得整個(gè)反響器最后失敗。氨氮它起到一個(gè)均衡的作用，一方面，它能夠中和一部分VFA，使廢水PH擁有更大的緩沖能力，同時(shí)又給生物體合成自生生長需要的營養(yǎng)物質(zhì)，但過高的氨氮會(huì)給微生物帶來毒性，廢水中的氨氮主假如因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的分解帶來的，典型的生活污水中含有20-50mg/l左右的氨氮，這個(gè)范圍是厭氧微生物特別理想的范圍。此外一個(gè)重要指標(biāo)就是廢水中氫氣的濃度，以含碳17的脂肪酸降解為例：CH3(CH2)15COO-+14H2O—>7CH3COO-+CH3CH2COO-+7H++14H2脂肪酸的降解都會(huì)產(chǎn)生大批的氫氣，假如要使上述反響得以正常進(jìn)行，一定在下一反響中耗費(fèi)掉足夠的氫氣，來保持這一反響的均衡。假如廢水的氫氣指標(biāo)過高，表示廢水的產(chǎn)甲烷反響已經(jīng)遇到嚴(yán)重克制，需要進(jìn)行修復(fù)，一般來說氫氣濃度高升是陪伴PH指標(biāo)降低的，所以不難監(jiān)測到廢水中氫氣的變化狀況，但廢水自己有必定的緩沖能力，所以完整經(jīng)過PH降落來判斷氫氣濃度的變化有必定的滯后性，所以經(jīng)過監(jiān)測廢水中氫氣濃度的變化是對整個(gè)反響器反響狀態(tài)一個(gè)最快捷的表現(xiàn)形式。五產(chǎn)乙酸反響發(fā)酵階段的產(chǎn)物揮發(fā)性脂肪酸VFA在產(chǎn)乙酸階段進(jìn)一步降解成乙酸，其常用反響式如以下幾種：CH3CHOHCOO-+2H2O—>CH3COO-+HCO3+H++2H2-G’0=MOLCH3CH2OH+H2O－>CH3COO+H++2H2O-G’0=MOLCH3CH2CH2COO-+2H2O－>2CH3COO+H++2H2-G’0=MOLCH3CH2COO-+3H2O－>CH3COO-+HCO3+H++3H2-G’0=MOL4CH3OH+2CO2－>3CH3COO+2H2O-G’0=MOL2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO+4H2O-G’0=MOL從上邊的反響方程式能夠看出，乙醇、丁酸和丙酸不會(huì)被降解，但因?yàn)楹罄m(xù)反響中氫的耗費(fèi)，使得反響能夠向右進(jìn)行，在一階段，氫的均衡顯得更為重要，同時(shí)后續(xù)的產(chǎn)甲烷過程為這一階段的轉(zhuǎn)變供給能量。實(shí)質(zhì)上這一階段和前面的發(fā)酵階段都是由同一類細(xì)菌達(dá)成，都在細(xì)菌體內(nèi)進(jìn)行，并且產(chǎn)物排放到水體中，界線并無十分清楚，在設(shè)計(jì)反響器時(shí)，沒有足夠的原由把他們分開。六產(chǎn)甲烷反響在厭氧反響中，大概有70%左右的甲烷由乙酸歧化菌產(chǎn)生，這也是這幾個(gè)階段中依據(jù)莫諾方程反響的階段。另一類產(chǎn)生甲烷的微生物是由氫氣和二氧化碳形成的。在正常條件下，他們大概占30%左右。此中約有一般的嗜氫細(xì)菌也能利用甲酸產(chǎn)生甲烷。最主要的產(chǎn)甲烷過程反響有：CH3COO-+H2O－>CH4+HCO3-G’0=MOLHCO3-+H++4H2－>CH4+3H2OG’0=MOL4CH3OH－>3CH4+CO2+2H2G’0=-312KJ/MOL4HCOO-+2H+－>CH4+CO2+2HCO3-G’0=MOL在甲烷的形成過程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-SO3）-。在甲基輔酶M復(fù)原成甲烷的過程中，需要作用特別重要的甲基復(fù)原酶，此中含有重要的金屬離子Ni+。這對生活污水來說是比較缺少微量金屬離子，所以在生活污水的厭氧生物辦理過程中增補(bǔ)必定的微量金屬離子是特別必需的。七低濃度廢水反響速率的選擇以生活污水為例，一般來說影響廢水厭氧反響速率的要素有好多，包含反響溫度、廢水的毒性、原水基質(zhì)濃度、原水的PH值、傳質(zhì)效率、營養(yǎng)物質(zhì)的均衡、微量元素的催化作用等等。對于生活污水來說，影響比較大的要素有反響溫度、原水的基質(zhì)濃度、傳質(zhì)效率以及微量元素的催化。因?yàn)樯钗鬯臓I養(yǎng)比和PH值被公以為特別適合生物的生長的。在前面的表達(dá)中，已經(jīng)說起了厭氧反響的前三個(gè)階段對于生活污水來說，很快就能夠達(dá)成，特別水解階段，不存在傳質(zhì)的限制，同時(shí)往常長距離的管網(wǎng)也給水解供給了足夠的時(shí)間。所以我們提出的厭氧辦理低濃度廢水設(shè)計(jì)思想中，主要考慮產(chǎn)甲烷過程作為限速步驟。因?yàn)楫a(chǎn)甲烷階段依據(jù)莫諾方程，整個(gè)速率確實(shí)定以莫諾方程為基礎(chǔ)。在上式中，很難把整體反響的Ks值估量出來，因?yàn)樗龅降挠绊懸睾枚?，對于不一樣種類的廢水差異很大。對于生活污水來說能夠依據(jù)不一樣的單個(gè)要素影響列成好多分式莫諾方程，最后各式相乘再加上修正系數(shù)，這個(gè)方程能夠得出比較靠近的Ks值，作為厭氧辦理生活污水時(shí)的參照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。詳細(xì)思想以下：1、假定條件：a、厭氧辦理該污水過程中主要受溫度、傳質(zhì)速率、基質(zhì)濃度以及微量元素的影響；b、微量元素能夠經(jīng)過外界條件的干涉賜予增補(bǔ)；c、反響器為一體化反響器；d、產(chǎn)甲烷單元反響也近似依據(jù)莫諾方程。Kst－溫度響應(yīng)半反響速率常數(shù)mg/lKsv－傳質(zhì)速率半反響速率常數(shù)mg/lK－修正系數(shù)在上式中，Kst針對不一樣的廢水是能夠確立的，Ksv對不一樣的反響器差異比較大，我們能夠經(jīng)過外界干涉給予降低到一固定值誤差不大的范圍內(nèi)，比方經(jīng)過強(qiáng)迫攪拌或是提升反響器的高徑比，出水回流都是比較好的解決方法。經(jīng)過眾多的工程實(shí)例以及文件報(bào)導(dǎo)，初步確立Kst在15攝氏度時(shí)針對生活污水值為3200mg/l左右。Ksv在有攪拌足夠的狀況下15攝氏度時(shí)針對生活污水值為532mg/l。K值在重慶地域能夠取，μmax依據(jù)碳水化合物可取5KgCOD/，這樣針對進(jìn)水濃度為300mg/l的生活污水最大反響速率為：μ1=5KgCOD/×（300/（3200+300））×（300/（532+300））×=KgCOD/在一體式反響器中因?yàn)槌鏊疂舛群艿停率拐w反響速率降低，但對于幾種高效厭氧反響器（包含UASB、EGSB、IC內(nèi)循環(huán)反響器、流化床、上流式厭氧生物濾池）能夠假定其為推流式厭氧反響器，濃度隨反響器高度的增添均勻的減少，即反響器中的濃度散布與高度成反比。這樣我們能夠經(jīng)過設(shè)定的出水濃度計(jì)算一個(gè)反響器最低反響速率，最后取均勻值就獲得整個(gè)反響器的均勻反響速率。相同依據(jù)前面的莫諾模型，得出出水COD=80mg/l的厭氧反響速率：μ2=5KgCOD/×（80/（3200+80））×（80/（532+80））×=KgCOD/所以反響器的均勻反響速率為μ=（μ1+μ2）/2=KgCOD/假如我們能夠在反響器內(nèi)保持穩(wěn)固的污泥濃度為20KgMLSS/m3，則整個(gè)反響器的容積反響速率為FV=KgCOD/×20KgMLSS/m3=KgCOD/在實(shí)質(zhì)反響器的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮污泥、氣體、液體分別的容積，反響部分容積只占整個(gè)反響器容積的40%，這樣實(shí)質(zhì)整個(gè)反響器設(shè)計(jì)均勻負(fù)荷變?yōu)椋篎V‘=KgCOD/×=KgCOD/核算逗留時(shí)間為：HRT=八中試與工程應(yīng)用應(yīng)注意的問題經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)室里理論的研究和推測，采納新式高效厭氧反響器辦理城市污水完整部是可行的。在中試和工程設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)當(dāng)從上述剖析角度出發(fā)，完美厭氧系統(tǒng)，以下舉措是必需的：1、在反響器的形式上優(yōu)先考慮推流式的活塞反響器；2、為了減少低濃度時(shí)，基質(zhì)傳質(zhì)速率（包含液相中的有機(jī)物向菌膠團(tuán)或顆粒污泥傳質(zhì)以及細(xì)胞壁外向細(xì)胞壁內(nèi)傳質(zhì)）對整個(gè)反響速率的影響，在反響器底部投加必定數(shù)目的活性炭作為載體是特別有必需的，但考慮到沼氣和布水的影響，投加數(shù)目不宜過多，初步考慮為40g/L顆粒狀活性炭；3、建議在反響器的上部設(shè)置氣、水、固三相分別系統(tǒng)；4、設(shè)置一套完美的出水回流系統(tǒng)，并能夠調(diào)理回流量，用儀表顯示并控制；5、出水設(shè)置MLSS濃度計(jì)加以監(jiān)測，隨時(shí)認(rèn)識(shí)反響器的污泥狀況；6、在反響器的底部、中部、頂部設(shè)置堿度監(jiān)測系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測反響器內(nèi)的生物反響條件；7、設(shè)置一套啟動(dòng)用的營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素增添系統(tǒng)是十分有必需的；8、設(shè)置溫度傳感器，認(rèn)識(shí)原水水溫的變化對反響器的沖擊影響；9、進(jìn)水設(shè)置流量傳感器和有機(jī)物在線監(jiān)測儀器，并經(jīng)過程序加以顯示到中央控制室中，隨時(shí)計(jì)算進(jìn)水污泥負(fù)荷以及上漲流速；10、必需的預(yù)辦理舉措，比方除渣辦理舉措；11、在北方的廢水辦理系統(tǒng)，反響器建議修筑在室內(nèi)或采納嚴(yán)實(shí)的保溫舉措；12、其余必需的協(xié)助系統(tǒng)，如除去泥水界面泥渣層的噴淋系統(tǒng)。相同，一套設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)，沒有依據(jù)反響機(jī)理進(jìn)行的啟動(dòng)，是不可以稱之為成功的系統(tǒng)的，在這里，依據(jù)一些工程實(shí)踐以及國內(nèi)外一些報(bào)導(dǎo)，筆者對厭氧辦理低濃度廢水時(shí)啟動(dòng)提出一些參照性建議（針對生活污水）：1、啟動(dòng)時(shí)，先投加載體