（微生物学专业论文）序批式反应器sbr处理黄药废水的研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 硫化矿浮选废水的净化是当前我国有色金属矿山面临的环境保 护问题的重大研究课题之一。本实验采用序批式生物反应器 ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，s b r ) 处理模拟丁基黄药选矿废水，s b r 工艺是一种经济有效的活性污泥处理系统。实验过程如下：首先对活 性污泥进行驯化，然后采用逐一优化法对s b r 工艺参数进行了优化， 最后在反应器稳定运行的情况下，对其进行负荷冲击，考察反应器的 抗负荷冲击能力。 经过3 个月的时间，活性污泥驯化成功。污泥的性能( 包括出水 c o d 、活性、沉降性能) 得到明显改善。 在工艺优化阶段，考察了曝气量、进水方式、沉降时间等反应器 参数对丁基黄药生物降解效果的影响。实验结果表明，完全曝气8 h ， 进水浓度小于1 0 0 m l 时，黄药的出水浓度小于o 4 m l ；通过工艺 优化，s b r 运行周期为1 2 h ，其中分批进水1 0 m i n ，曝气8 h ，曝气量 为1 0 01 1 1 已m i n ，污泥沉降4 0 m i n ，排水1 0 m i n ，闲置1 8 0 m i n ，进水黄 药浓度为l o o m g l ，使废水中黄药完全降解。在优化工艺条件下，保 持进水浓度l o o m g l 不变，使曝气时间缩短到6 h ，s b r 运行的完整 周期为8 小时，每天运行3 个周期，提高了反应器的日处理量，而出 水黄药浓度为o 0 4m g l ，出水c o d 浓度5 5m l ，达到排放要求。 s b r 工艺系统具有耐高浓度负荷冲击的能力。分别采用进水黄 药浓度为3 0 0 m l 、6 0 0 m g l 、1 0 0 0 m g l 对s b r 进行负荷冲击。根 据实验可知，在进水黄药浓度为1 0 0 0 m l 时，出水c o d 浓度较高， 运行3 个恢复周期后，系统恢复正常。说明s b r 工艺系统耐受冲击 负荷不能超过其进水黄药浓度的1 0 倍。 关键词序批式反应器( s b r ) ，丁基黄药，生物降解，工艺优化，负 荷冲击 硕士学位论文 a bs t r a c t t h ep u r i f i c a t i o no fs u l p h i d eo r ef l o t a t i o nw a s t e w a t e ri so n e s i g n i f i c a n tr e s e a r c hs u b i e c ta b o u te n v i r o l l 】 i l e n t a lp r o b l e m so fn o n f e n o u s m e t a lm i n ei no u rc o u n t r y i no u re x p e r i m e n t ，b u t y lx a n t h a t ew a s t e w a t e r w a st r e a t e db ys e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o rw h i c hw a sac o s t e f r e c t i v ea c t i v e s l u d g et r e a t m e n ts y s t e m f i r s t l y ，a c t i v es l u d g ew a sa c c l i m a t e d s e c o n d l y ， t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d o n eb yo n e a tl a s t ，t h e t o l e r a n c eo ft h es b ra b o u ti n l p a c tl o a dw a sd e t e c t e d a c c l i m a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ew a sp r o c e e d e ds u c c e s s 如1 1 yi nt h r e e m o n t h s t h ep e 墒n n a n c eo fs l u d g e ( i n c l u d i n gw a t e rc o d ，a c t i v 慨a n d t h es e t t l e m e n tp e r f o m a n c e ) w a se n h a n c e d s i m u l a t e db u t y lx a n t h a t ew a s t e w a t e rw a st r e a t e db yas e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ( s b r ) t h ee f 琵c t so fm a s sc o n c e n t r a t i o n ，a e r a t i o nr a t e ， f e e d i n gm o d e ，s e t t l i n gt i m eo nt h eb i o d e g r a d a t i o no fb u t y lx a n t h a t ew e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so f8hc o i n p l e t e d m i x e da e r a t i o n ，lo om 2 li n n u e n tx a n t h a t ec o n c e n t r a t i o n ，t h ee f n u e n t x a n t h a t ec o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a no 4m g l a to p t i m u mc o n d i t i o n s ，i e 12hr u m l i n gc y c l e ，i n c l u d i n g1om i nb a t c hw a s t e w a t e r f i l l i n g ， 8h c o m p l e t e dm i x e da e r a t i o n ，a i rn o wr a t eo f1o om l m i n ，4 0m i ns l u d g e s e t t l i n g ，1om i nd e c a n t a t i o na n dl8 0m i ni d l ep e r i o d ，t h ei n n u e n t1o om g lx a n t h a t ei sc o m p l e t e l yd e g r a d e d i nt h eo p t i 础m lp r o c e s sc o n d i t i o n s ， m a i n t a i n i n gt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f1o o m g lc o n s t a n t ，a e r a t i o n t i m ew a sr e d u c e dt o6h ，s b rm n3c y c l e sp e r ( 1 a yw i t ham l lc y c l eo f8 h o u r s ，w h i c hi n c r e a s et h ed a i l yt r e a t m e n tc a p a c i t yo ft h es b rr e a c t o r w h i l et h ee m u e n tx a n t h a t ec o n c e n t r a t i o ni so 0 4m g l ，a n dt h ee f j e l u e m o d dc o n c e n t r a t i o ni s55m g l ，b o t hm e e tt h ee m i s s i o nr e q u i r e m e n t s t h es b rt e c l l l l o l o g y s y s t e m c a nt o l e r a t et h e i m p a c t o fh i 曲 c o n c e n t r a t i o n so fl o a d ，w h e nt h ex a n t h a t ec o n c e n t r a t i o nw e r e3 0 0 m g l ， 6 0 0 m g l ，lo o o m g l ，i m p a c t e do nm es b r w h e n t h ei n f l u e n tx a n t h a t c o n c e n t r a t i o ni s10 0 0 m g l ，e f j f l u e n tc o dw a sr e l a t i v e l yh i g h r - u nt h e s b r c o n t i n u e l yt l l r e er e c o v e 巧c y c l e ，t h e nt h es y s t e mg o tr i g h t 1 1 k e y w o r d s ： s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ( s b r ) ，b u t y lx a n t h a t e ， b i o d e g r a d a t i o n ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，s h o c kl o a d i n g i i i 化学名称缩写及解释 1 c u d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 化学需氧量：水样在一定条件下，氧化1 l 水样 中还原性物质所消耗的氧化剂的量。以m g 氧l 表示。 2 m l s s ( m i x e d “q u o rs u s p e n d e ds o l i d ) 混合液悬浮固体：指的是活性污泥法处理废水 工艺中，反应器中废水和活性污泥的悬浮固体浓度。 3 m l v s s ( m i x e dl i q u o rv o l a t i l es u s p e n d e ds 0 1 i d ) 混合液挥发性悬浮固体：与m l s s 比此 指标不包含无机物，表示活性污泥微生物量。 4 s v i ( s l u d g ev o l u m ei n d e x ) ：污泥体积指数，常用s v l 3 0 表示，指反应器混合液在 l o o m l 的量筒中、静置3 0 m i n 以后，l g 活性污泥悬浮固体所占的体积，单位为 m l g 。 5 s v ( s e t t l i n gv e l o c i t y ) ：污泥沉降比，常用s v 3 0 表示，指反应器中的混合液在1 0 0 m l 的量筒中，静置3 0 m i n 以后，沉降污泥与混合液的体积之比。 6 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ：也称为间歇曝气活性污泥工艺或序批式活性污泥 工艺，s b r 工艺所有的操作都在一个反应器内完成，每一个间歇反应器在处理 废水时的操作过程包括如下五个阶段：( 1 ) 进水期( 或称充水期) ；( 2 ) 反应期； ( 3 ) 沉淀期；( 4 ) 排水( 排泥) 期；( 5 ) 闲置期。 7 h i h ( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) ：水力停留时间，污水在反应器内的停留时间。 8 f m ( f o o d m i c r o o r g a l l i s m ) 食微比：也称有机负荷率，指单位重量的活性污泥在 单位时间内所承受的有机物的数量，或生化池单位有效体积在单位时间内 去除的有机物的数量，单位k g b o d 5 ( k g m l v s s d ) 。 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着科学技术的发展和人类文明的进步，生态环境越来越受到人们的重视， 环境污染己成为全世界关注的焦点。矿产工业发展迅速，浮选药剂的用量越来越 大，同时浮选药剂带来的环境污染也越来越严重。大部分浮选药剂的用量大、效 率低、高毒、高污染，浮选方法处理每吨矿石约需使用4 5 吨水。选矿废水具有 水量大、悬浮物浓度高、p h 值高、有机浮选药剂浓度高和废水起泡性强等明显 特征。这类废水污染较重，毒性较强，若直接排放，对环境的危害相当大【l 】。因 此，更好地寻求选矿废水治理方法具有重要的意义。 1 2 浮选原理与药剂简介 1 2 1 浮选原理 在选矿方法中，利用矿物疏水性的差异从矿浆中浮出矿物的富集过程就叫做 浮选选矿法。浮选技术是目前应用最广也是最有效的矿石选别、提纯、富集技术， 在气一固一液三相界面分选矿物，利用浮选药剂与矿物表面作用，改变矿物的亲 水性，从而实现有价金属与脉石的分离。在浮选过程中，矿石经过磨细后，用一 些有机或无机化学试剂处理，形成矿浆，在矿浆中加以搅拌同时充气。这样，易 于与气泡粘附的矿物就会随气泡上浮，而不与气泡粘附的矿物则留在矿浆中，由 此达到了有用矿物分离或富集的目的。在浮选工艺中所使用的各种药剂为浮选药 剂【2 1 。 1 2 2 浮选药剂的分类 根据药剂在浮选过程的作用，基本分为捕收剂，调整剂以及起泡剂三大类【2 1 。 a 捕收剂( c a t 出n ga g e n t ) 捕收剂是一类改变矿物表面疏水性，使浮游的矿粒黏附于气泡上的浮选药 剂。捕收剂在矿物表面的作用有物理吸附、化学吸附和表面化学反应。捕收剂的 吸附与矿物浮选行为有密切关系。在一定的捕收剂浓度范围内，随着药剂浓度提 高，吸附量增大，浮选回收率显著上升；浓度达到相当值后，回收率随浓度及吸 附量提高的幅度变小；捕收剂浓度过高时，吸附量还可继续增大，但浮选回收率 却不再升高，甚至反而下降。因此，在浮选过程中要正确掌握捕收剂的用量，以 硕士学位论文第一章绪论 获得最佳效益。 b 调整剂( m o d i f i e r ) 用以改变矿物的表面性质和矿浆的特点( 如液相组成、起泡性能、泡沫性质 等) 、提高浮选过程的选择性、改善浮选条件的药剂。 c 起泡剂( 舶t h i n ga g e i l t ) 浮选时使用的一种表面活化物质。其作用在于降低矿浆气液界面的表面张 力，改善气泡性能( 气泡的大小、数量、弹性、均匀性、稳定性、负荷能力等) ， 并使矿浆能产生稳定的浮选泡沫等【3 】。常用的起泡剂为二号油。 目前工业生产应用较多的硫化矿捕收剂，有黄药、黑药、乙硫氮、硫氮丙腈 酯( 酯10 5 ) 、硫氨酯( z 一2 0 0 ) 等。浮选药剂黄药( 黄原酸盐) 是有色金属硫化 矿浮选生产中最为有效的捕收剂【4 1 。其分子结构式如下： 猡 r o c s m e ( ( m e 为n a 或k 离子) 1 2 3 黄药( 黄原酸盐) 的简介 1 2 3 1 黄药的物理化学性质： 黄药为浅黄色至黄色粉状或棒粒状固体，因含有杂质而颜色较深，密度为 1 3 1 7 ，半衰期为4 d 。有刺激性气味，易溶于水，并在水中发生电离、水解和分 解反应【5 i ： r o c s s n a _ # 皇r o c s s 。+ n a +黄药电离 r o c s s 。+ h 2 0 = 旱毫一r o c s s h + o h -黄原酸根水解 r o c s s h - 旱毫- r o c s s 。+ 旷黄原酸电离 在酸性介质中易分解：r o c s s h ；= 兰c s 2 t + r o h 碱性溶液中，黄药易被氧化为双黄药或单硫代硫酸根： 2 r o c s s - + 1 2 0 2 + h 2 0 ( r o c s s ) 2 + 2 0 h r o c s 2 + l 2 0 2 r o c o s 。+ s 上 黄药水溶液与空气接触生成醇： r o c s s + c 0 2 + h 2 0 r o h + c s 2 t + h c 0 3 。 黄药在过氧化氢的作用下，氧化为过氧化黄原酸盐： r o c s s + h 2 0 2 r o c s s o + h 2 0 1 2 3 2 黄药的应用 本实验采用的药剂为丁基黄原酸钠，丁基黄原酸钠是黄药系列产品中捕收能 力强，是适用于铜、铅、锌、镍硫化矿的捕收剂，对贵金属的硫化矿捕收能力强， 2 硕士学位论文第一章绪论 也适用于含有部分氧化的铜、铅矿石的浮选，还可用作湿法冶金沉淀剂及橡胶硫 化促进剂。当它被加入到液体之中时，对矿粒吸附成较大的颗粒并附着大量的空 气，使整体浮起至水面而被提取。 1 2 3 3 黄药的危害 黄药具有恶臭，嗅觉值为o 0 5 m g l ，味觉阀为0 1 m l 。即使浮选废水中 含量极少至o 0 5 毫克升，也可使水质发臭，严重影响附近水域的生态平衡【6 】。 对人畜的危害主要表现在伤及神经系统和肝脏器官，对造血系统也有不良影响。 黄药对鱼类的危害强于对哺乳动物，当浓度为5 毫克升时，在三天内可杀死大 部分鱼类。此外，黄药还受目光照射及空气中氧的分解作用产生多种分解物仍为 环境污染物。黄药在地面水中的最高允许浓度为0 0 0 5 毫克升【丌。 1 3 黄药的处理方法 目前，国内外对于选矿废水中黄药的净化处理，主要集中在环境污染控制方 面的研究。在黄药废水排放前，经过物理、化学和生物等方法对其净化，以达到 国家排放标准，即黄药小于o 0 5 m g l ，c o d 值小于1 0 0 m l 。传统的物化方法 主要有沉淀法、氧化法、沉淀氧化联合处理法和离子交换吸附法、酸化法，另 外还有人研究了光催化法和自然曝晒法等。 1 3 1 沉淀法 沉淀法是向黄药废水中加入可以与之发生沉淀反应的化学药剂的方法。黄药 作为一种浮选药剂，可与某些金属离子反应生成难溶盐沉淀下来，有报道用黄药 来处理废水中的重金属离子，通过黄药与金属离子反应生成稳定的沉淀，再利用 物理分离的方法如过滤或离心分离，将有机浮选药剂从废水中去除。黄药化学沉 淀反应中常用的沉淀剂有c u 2 + 、f e 2 + 、p b 2 + 和n i 2 + 等，其机理如下： 2 r o c s s n a + f e s 0 4 _ f e ( r o c s s ) 2 l + n a 2 s 0 4 2 r o c s s n a + c u s 0 4 - c u ( r o c s s ) 2 、l + n a 2 s 0 4 2 r o c s s n a + p b s 0 4 _ p b ( r o c s s ) 2 l + n a 2 s 0 4 赵永红通过向黄药废水中投加硫酸亚铁，形成黄原酸铁沉淀来去除黄药。黄 药的去除率随硫酸亚铁投加量的增加而增加。经硫酸亚铁处理的黄药废水，可达 到排放标准。徐劲的试验中，在丁基黄药初始浓度为1 2 5 m l 时，初始p h 8 ， 反应时间2 0 m i n ，c u 2 + 为2 5 m g l ，黄药的去除率达到1 0 0 。因黄药与f e 2 + 和 n i 2 + 不能生成稳定的沉淀，所以一般用c 舻+ 作为黄药的沉淀剂【引。 1 3 2 氧化法 3 硕士学位论文第一章绪论 许多氧化剂，如碘、氯、次氯酸钠、硝酸、过氧化氢等可将黄药氧化成双黄 药。双黄药难溶于水，可过滤除去。吉洪安利用臭氧分解选矿废水中的黄药，能 使黄药等到深度处理，处理后的黄药 3 2 e v ) 一h + + e h + + h 2 0 _ o h + 旷 0 2 + e - 叶0 2 。 0 2 + h 十一h 0 2 一 2 。h 0 2 _ h 2 0 2 + 0 2 1 1 + + o h 一o h ( 自 h 2 0 2 + e 。_ o h + o h ( d 光生空穴的标准电位在p h7 时为+ 2 5 3v ( s h e ) 【1 7 l ，空穴与水和o h 。反应后 形成羟基自由基o h ( 式和式) ，它的标准电位达到+ 2 2 7v 。具有强氧化性 的空穴和羟基自由基能够有效地将有机物彻底氧化分解成无机c 0 2 等小分子化 合物，从而实现有机污染物的清洁治理。 付保军【1 9 】等采用二氧化钛光催化法能够有效降解丁基黄药，其中异丁基黄 药比正丁基黄药容易降解。二氧化钛用量、溶液p h 值和光催化时间等因素都影 响丁黄药的降解效果。丁黄药的光催化降解动力学符合一级动力学模型。李明晓 等首先采用芬顿法【2 0 】对黄药废水进行处理，然后用t i 0 2 薄膜进行光催化降解。 1 3 7 自然曝晒法 黄药在曝晒过程中，存在如下反应过程： 1 ) 黄药离子水解 r o c s 2 。_ i 1 2 0 o h 。+ r o c s 2 h 2 ) 黄原酸分解( 酸性溶液) r o c s 2 h r o h + c s 2 t 3 ) 黄药离子水解( 强碱性溶液) 6 r o c s 2 - + 3 h 2 0 6 r o h + c 0 3 - + 3 c s 2 t + 2 c s 3 - + 2 c s 2 + 2 s 。 4 ) 氧化为双黄药 2 r o c s 2 + 1 2 0 2 + h 2 0 _ ( r o c s 2 ) 2 + 2 0 h 。 5 ) 氧化为单硫代碳酸根 r o c s 2 - + 1 2 0 2 r o c o s + s 6 ) 黄药水溶液与空气接触生成醇 r o c s 2 - + c 0 2 + h 2 0 c s 2 + r o h + h c 0 3 。 杨运琼研究了光照对丁基黄药降解的影响，在有光照的条件下，丁基黄药的 降解率增大的较大。赵永红也采用自然曝晒法对黄药进行了降解，并对黄药的自 然降解特性进行了深入研究，从而得出：水溶液p h 值越低越有利于黄药的降解； 6 硕士学位论文第一章绪论 对同一黄药溶液来说，曝晒时间越长，黄药的降解率越高；不同起始p h 值的黄 药水溶液曝晒过程中的p h 值变化明显，5d 后最终p h 值接近中性；初始浓度对 黄药的自然降解有较大影响，在相同降解时间内，初始浓度越高，降解率越低。 1 3 8 生物法 采用化学药剂或吸附剂的成本较高，很可能产生二次污染。而采用微生物降 解不会产生二次污染，而且成本低。 生物法是通过向废水中投加菌种由微生物降解黄药废水的生物降解法。目前 国内外对微生物降解黄药有了一定的研究。国外例如日本政府曾在1 9 7 7 年投资 1 0 0 亿日元兴建了松尾矿山废水处理厂，该污水处理厂采用细菌氧化法处理矿山 废水，正常运行1 2 年取得了明显效果【2 1 1 。c a r t a 等研究了不同的菌种及其联合作 用，以及捕收剂、氧气和二氧化碳浓度和各种物理化学参数对于三种浮选捕收剂 的生物降解的影响。所研究的捕收剂为十六烷基硫酸钠( s h s ) 、油酸纳( s o l ) 和十 二烷基醋酸铵( d a c ) 。发现s h s 和s o l 容易被微生物分解，而d a c 不容易生 物降解【2 2 1 。在另一个研究中，s o l o z l l e l l l 【i n 和l y u b a n a 研究了硫醇类捕收剂：2 ， 2 ，6 ，6 一四甲基一l 一氧化亚胺_ 4 黄原酸钾( k t i x ) 、丁基黄原酸钾( k b x ) 和二乙基二硫代氨基甲钠烈a e c ) 用荧光假单胞菌进行的生物降解【2 3 矧。e w i e c h o c k a l i n g a m 研究了多粘类芽孢杆菌降解三种浮选药剂，即异丙基黄原酸盐、 十二烷基醋酸铵和油酸钠水溶液，对其在不同的情况下的生物降解性能进行了评 估【2 引。n d e o 证明了在碱性溶液中，多粘类芽孢杆菌可有效去除几种浮选药剂， 通过测量电位、吸附作用、细菌生长情况和表面分析阐述其降解机制【2 6 】。 m 甜g o r z a t a 研究了浮选药剂对氧化硫硫杆菌的影响【2 7 】。 国内的研究主要集中在纯菌对黄药的降解【2 o 】，例如，广东工业大学的几 位学生就对黄药的生物降解性能进行了研究。张萍研究发现，铜绿假单胞菌可以 高效降解黄原酸盐，在黄药浓度为1 5 0 0 m l 时，摇瓶培养2 4 h ，黄药的降解率 为9 5 7 。温康文和舒生辉分别在高p h 下紫外诱变的条件下与选育出了高效降 解黄药的菌种，并对其降解性能进行了研究。 尽管微生物降解黄药已经有了一定的研究，但是应用生物反应器，实现大量 而快速的降解黄药的研究，目前还不多见。本实验主要研究采用序批式反应器 ( s e q u e l l c i n g b a t c hr e a c t o r ，s b r ) 处理浮选黄药废水性能。 1 4s b r 的特点及应用 s b r ，也成为间歇曝气活性污泥工艺或序批式活性污泥工艺。实际上它并不 7 硕士学位论文第一章绪论 是一种新的技术，早在1 9 1 4 年删咖和l 0 c k e t t 在英国曼彻斯特发明活性污泥 法时，采用的就是间歇曝气，取得了较好地效果，只是由于当时的自动控制水平 较低和设备制造工艺的限制，以及后来污水处理量的日益增大，使间歇法逐渐被 连续式活性污泥所取代。随着自动控制和在线监控技术的飞速发展，为s b r 工 艺的深入研究和发展提供了前提条件。七十年代初，美国n 锄ed 锄e 大学的 州n e 教授等在美国自然科学基金资助下，开始了间歇式活性污泥法的研究，在 实验室中对序列间歇式( 序批式) 活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ，简称s b r ) 和连续流活性污泥法( c o n t i n u o u sf l o ws y s t e l l l a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，简称c f s ) 的运行特性做了系统的比较研究，详细定 义和描述了序批式间歇反应器( s b r ) ，并于1 9 8 0 年在美国国家环保局( u s e p a ) 的资助下，在印第安纳州的c l u c v c r 城改建并投产了世界上第一个s b r 法污水处 理厂，取得了令人满意的效果。随着对该工艺的深入研究，s b r 法已逐渐被认 为是替代c f s 法的一种较好地替代工艺。i i n e 等人的研究成果引起了世界各国 如日本、加拿大、澳大利亚、东南亚等国的广泛重视，各国技术人员都相继进行 了大量的研究。澳大利亚是应用s b r 法最多的国家之一，目前已建成s b r 法污 水处理厂6 0 0 多座。法国的d e 野e 1 1 1 e n t 水处理公司还将s b r 反应器作为定型产 品供小型污水处理站使用。我国近年来对s b r 的研究和应用开展迅速，1 9 8 5 年 在上海市吴淞肉联厂建设并建成了我国第一座s b r 废水处理设施。湖南省湘潭 大学于1 9 8 9 年完成了应用s b r 工艺处理啤酒废水的忠实研究工作，并对s b r 工艺的运行稳定性及工艺特性进行了系统的研究。上海同济大学等单位也相继对 s b r 的硝化脱氮效能进行了一定的研究。 1 4 1s b r 工艺基本原理 s b r 工艺去除污染物的机理与传统活性污泥工艺完全一致，只是运行方式不 同。传统工艺采用连续运行方式，污水连续进入处理系统并连续排出，系统内每 一个单元的功能不变，污水依次流过各单元，从而完成处理过程。s b r 工艺采 用间歇运行方式，污水间歇进出处理系统。系统内只设一个处理单元，该单元在 不同的时间内发挥不同的作用，污水进入该单元后按时间顺序进行不同的处理， 最后完成总的处理被排出。 s b r 反应器充分利用了生物反应过程和单元操作过程的基本原理。 1 流态理论 由于s b r 在时间上的不可逆性，根本不存在返混现象，所以属于理想推流 式反应器。 2 理想沉淀理论 8 硕士学位论文 第一章绪论 其沉淀效果好是因为充分利用了静态沉淀原理。经典的s b r 反应器在沉淀 过程中没有进水的扰动，属于理想沉淀状态。 3 推流反应器理论 假设在推流式和完成混合式反应器中有机物降解服从一级反应，那么在相同 的污泥浓度下，两种反应器达到相同的去除率时所需反应器容积比则为 矿完全混合y 推漉= 1 - l ( 1 - 叮) 】1 n ( 1 一叩) 式中刀去除率。 从数学上可证明当去除率趋于零时y 完全程厶y 推瀛- 1 ，其他情况下，y 完全撼台y 推 大于l ，就是说达到相同的去除率时推流式反应器要比完全混合式反应器所需要 的体积小，表明推流式的处理效果要比完全混合是好。 4 选择性准则 1 9 7 3 年c h u d o b a 等人提出了在活性污泥混合培养中的动力学选择性准则， 这个理论是基于不同种属的微生物在m o n o d 方程中的参数( k s 、一) 不同，并 且不同基质的生长速度常数也不同。m o n o d 方程可以写成： ( d x d t ) ) ( i - 邓一书 j s 砌珞+ d 】 式中卜生物体浓度； s 生长限制性基质浓度； 妫饱和或半速度常数； 、m 。分别为实际和最大比增长速率。 按照c h u d o d a 所提出的理论，具有低厨和m 双值的微生物在混合培养的曝 气池中，当基质浓度很低时其生长速率高并占有优势，而基质浓度高时则恰好相 反。c h u d o d a 认为大多数丝状菌的凰和一值比较低，而菌胶团细菌的题和m 胍 值比较高，这也解释了完全混合曝气池容易发生污泥膨胀的原因。有机物浓度在 推流式曝气池的整个池长上具有一定的浓度梯度，使得大部分情况下絮状菌的生 长速率大于丝状菌，只有在反应末期絮状菌的生长没有丝状菌快，但丝状菌短时 间内的优势生长并不会引起污泥膨胀。因此，s b r 系统具有防止污泥膨胀的功 能。 5 微生物环境的多样性 s b r 反应器对有机物去除效果较好，而对难降解有机物降解效果好是因其 在生态环境上具有多样性，具体讲可以形成厌氧、缺氧和好氧等多种生态条件， 从而有利于有机物的降解【3 l 】。 1 4 2s b r 工艺的操作过程【3 2 】 s b r 工艺的一个完整的操作过程包括五个阶段： 9 硕士学位论文第一章绪论 进水期：污水在该时段内连续进入反应器内直至达到最高运行液位。 很明显，在向反应器充水的初期，反应器内液相的污染物浓度是不大的，但 随着污水的不断投入，污染物的浓度将随之不断提高。在进水的过程中，s b r 反应器内存在着污染物的混合和被活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。随着液相 污染物浓度的不断提高，这种吸附、吸收和氧化作用也随之加快。如果在进水阶 段向反应器中投入的污染物数量不大或污水中的污染物浓度较低，则所投入的污 染物能被及时吸附、吸收和氧化降解，整个运行过程将是稳态的，此种情形与连 续式活性污泥法中微生物对有机污染物的降解过程类似。但在s b r 工艺的实际 运行过程中，很少会出现这种情况。在s b r 工艺中，污水向反应器的投入时间 一般比较短，在充水的时间里单位时间内向反应器投入的污染物数量比连续式活 性污泥大，投入速度大于活性污泥的吸附、吸收和生物氧化降解速度，从而造成 污染物在混合液中积累。为防止在充水期间污染物的积累对反应过程产生抑制作 用，可以考虑在充水过程中进行曝气。根据开始曝气时间与充水过程时序的不同， 可以分为三种不同的曝气方式【3 引，即非限量曝气( 边充水边曝气) ；限量曝气( 充水 完后曝气) ；半限量曝气( 充水的后半期曝气) 。 反应期 人们常用一级反应模式、莫若特方程等来描述生物反应过程。为了加快反应 速度，可以提高有机基质的浓度，但若基质浓度过高并超过了一定的限度后，尤 其是有毒物质浓度过高的话，则将抑制微生物的正常生长而对污水处理产生不利 的影响。为了限制污染物对微生物的抑制，采用完全混合方式，对进入反应器的 污染物进行最大程度的稀释。 反应工序是s b r 工艺中最主要的一道工序。当废水注入反应器并达到预定 容积后，进行曝气或搅拌，如同连续式完全混合活性污泥法一样，以达到去除有 机物和脱氮除磷等的目的。在反应阶段，活性污泥周期性地处于高浓度和低浓度 基质的环境中，反应器也相应地形成厌氧，缺氧，好氧的交替过程，使其不仅具 有良好的生物脱碳处理效能，而且具有良好的脱氮除磷效果。在s b r 反应器的 运行过程中，随着反应器内反应时间的延长，其基质浓度的变化也由高到低，微 生物经历了对数生长期、减速生长期和衰减期，其降解有机物的速率也相应地由 零级反应向一级反应过渡。据国内外有关的研究报道，s b r 法处理的c o d 浓度 每升可达几百到几千毫克，其去除率均比传统活性污泥法高，而且可去除一些理 论上难以生物降解的有机物质。究其原因可能是：在s b r 法处理工艺中，系统 是在非稳态的工况下运行的，反应器中的生物相十分复杂，微生物的种类繁多， 它们交互作用，强化了工艺的处理效能。 沉淀期 l o 硕士学位论文第一章绪论 s b r 沉淀过程的功能是澄清出水、浓缩污泥，并且澄清出水是更为主要的。 s b r 反应器本身就是一个沉淀池，它避免了在连续流活性污泥法中泥水混合液 必须经过管道流入沉淀池沉淀的过程，从而有可能使部分刚刚开始絮凝的活性污 泥重新破碎的现象。s b r 工艺中污泥的沉降过程是在相对静止的状态下进行的， 因而受外界的干扰甚小。因此s b r 工艺具有沉淀时问短和沉淀效率高的优点。 沉淀期所需的时间应根据污水的类型及处理要求而具体确定，一般为1 2 h 。 排水期：在该时段内将分离出的上清液连续排出，至最低水位。 s b r 反应器中的混合液在经过一定时间的沉淀后，将反应器中的上清液排 出反应器，以保持反应器内一定数量的污泥。 闲置期：反应器中无污水，只有沉淀分离出的活性污泥。 闲置期主要是在无进水的条件下，使微生物通过内源呼吸作用恢复其活性， 并起到一定的反硝化作用而进行脱氮，为下一个运行周期创造良好的初始条件。 经过闲置期后的活性污泥处于一种营养饥饿状态，单位重量的活性污泥具有更大 的吸附表面积，因而在下一个运行周期的进水时，活性污泥便可充分发挥其较强 的吸附能力而有效地发挥其初始去除作用。闲置期的设置是保证s b r 工艺处理 出水水质的重要内容。 每个周期的五道工序都在同一反应器内周而复始地进行，实现自动化控制。 运行阶段示意图见图1 1 。 l ：溅 进水反应沉淀排放闲置 图1 1s b r 反应器的运行阶段 1 4 3s b r 工艺特点 ( 1 ) 工艺简单、投资少 s b r 污水处理工艺的主体设备只有一个序批式活性污泥反应器。与普通活 性污泥法相比，它不需要另设二沉池和污泥回流设备，一般情况也可以不没调节 池，多数情况下可省去初次沉淀池。采用如此简洁的s b r 工艺的污水处理系统， 还具有布置紧凑、占地面积小及运行费用低等优点【3 4 ，3 5 1 。 ( 2 )处理效果好，兼有脱氮除磷功能 s b r ： 艺由于其在运行时间上的灵活控制，为其实现脱氮除磷提供了极为 硕士学位论文 第一章绪论 有利的条件【3 6 ，3 7 1 。它不仅可以很容易地实现好氧、缺氧及厌氧状态的交替，而且 很容易在好氧条件下增大曝气量、反应时间和污泥龄来强化硝化反应及聚磷菌过 量摄磷，又可以在缺氧条件下方便地投加原污水或提高污泥浓度等方式以提供有 机碳源作为电子供体使反硝化过程顺利地完成，还可以在进水阶段通过搅拌维持 厌氧条件以促进聚磷菌的充分释磷【3 8 】。 ( 3 )理想的静态沉淀 污泥膨胀问题是传统活性污泥法运行过程中常常发生且难以杜绝和令人棘 手的问题。s b r 法能有效地控制污泥膨胀，即有效地控制丝状菌的过量繁殖， 这一特性是由缺氧、好氧及厌氧环境的交替，反应中底物浓度梯度( f m 梯度) 大， 污泥龄短和比增长速率大所决定的【3 9 】。 ( 4 )耐冲击负荷，处理能力强 s b r 在运行操作过程中，可以根据废水水量水质的变化、出水水质的要求 调整一个运行周期中各个工序的运行时间、反应器内混合液容积的变化和运行状 态，即通过时间上的有效控制和变化来满足多功能的要求，具有极强的灵活性 4 0 】。s b r 池在充水期相当于一个均化池，可以承受高峰流量和有机物浓度的冲 击【4 ，间歇进水、排水以及每次进水只占反应器的2 3 左右，其稀释作用进一步 提高了工艺对进水冲击负荷的耐受能力 ( 5 )理想的推流过程使生化反应推力大、效率高 这是s b r 法最突出的优点。s b r 法反应器中的底物和微生物浓度是变化 的，而且不连续，因此，它的运行是典型的非稳定状态。而在其连续曝气的反应 阶段，也属非稳定状态，但其底物( 与有机物或b o d 等价) 和微生物( m l s s 表示) 浓度的变化是连续的。这期间，虽然反应器内的混合液呈完全混合状态，但是其 底物与微生物浓度的变化在时间上是一个推流q l u gn o w ) 过程，并且呈现出理想 的推流状态。 在连续流反应器中，有完全混合式与推流式两种极端的流态。在连续流完全 混合式曝气池中的底物浓度等于出水底物浓度，底物流入曝气池的速度即为底 物降解速率。根据生化反应动力学，由于曝气池中的底物浓度很低，其生化反应 推动力也很小，反应速率与去除有机物效率都低。在理想的推流式曝气池中，污 水与回流污泥形成的混合液从池首端进入，呈推流状态沿曝气池流动，至池末端 流出，此间在曝气池的各断面上只有横向混合，不存在纵向的“返混”。作为生化 反应推动力的底物浓度，从进水的最高逐惭降解至出水时的最低浓度，整个反应 过程底物浓度没被稀释，尽可能地保持了最大的推动力。 ( 6 )防止污泥膨胀的最好工艺 污泥膨胀多为丝状性膨胀，在活性污泥法中间歇式最不易发生膨胀，完全混 1 2 硕士学位论文第一章绪论 合式最容易引起膨胀。按照发生膨胀难易程度的排列顺序是：间歇式、传统推流 式、阶段曝气式和完全混合式，同时发现其降解有机物( 对易降解污水) 速率或效 率的高低，也遵循这个排列顺序。s b r 法能有效地控制丝状菌的过量繁殖，可从 四个方面说明。 a 底物浓度梯度大( 也是f m 梯度) ， 是控制膨胀的重要因素。完全混合式基本没有梯度，非常易膨胀；推流式曝 气池的梯度较大，不易膨胀；而s b r 法反应阶段在时间上的理想推流状态，使 f m 梯度也达到理想的最大，因此，它比普通推流式还不易膨胀。研究进一步证 实，缩短s b r 法的进水时间，反应前底物浓度更高，其后的梯度更大，s v i 值更 低，更不易膨胀。 b 缺氧好氧状态并存。 绝大多数丝状菌，如球衣菌属等都是专性好氧菌，而活性污泥中的细菌有半数以 上是兼性菌。与普通活性污泥法不同的是，s b r 法中进水与反应阶段的缺氧( 或 厌氧) 与好氧状态的交替，能抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖，而对多数微生物 不会产生不利影响。正因为如此，s b r 法中限制曝气比非限制曝气更不易膨胀。 c 反应器中底物浓度较大。 丝状菌比絮凝菌胶团的比表面积大，摄取低浓度底物的能力强，所以在低底 物浓度的环境中( 如完全混合式曝气池) 往往占优势。在s b r 法的整个反应阶 段，不仅底物浓度较高、梯度也大，只有在反应进入沉淀阶段前夕，其底物浓度 才与完全混合式曝气池的相同。因此，所以说s b r 法没有利于丝状菌竞争的环 址 嘎。 c 泥龄短、比增长速率大。 一般丝状菌的比增长速率比其它细菌小，在稳定状态下，污泥龄的倒数数值 等于污泥比增长速率，故污泥龄长的完全混合法易于繁殖丝状菌。由于s b r 法 具有理想推流状态与快速降解有机物的特点，使它在污泥龄短的条件下就能满 足出水质量要求，而污泥龄短又使剩余污泥的排放速率大于丝状菌的增长速率， 丝状菌无法大量繁殖。 ( 7 )系统运行方式灵活，易维护 各反应器相互独立，可在短期内单独停运检修而不会影响整个系统的运行， 此外，每个s b r 池可根据进水水质、水量的不同适当调整运行参数，系统运行 方式较灵活。 ( 8 )易与物化工艺结合 s b r 易与混凝、投加吸附剂等提高处理效率的物化工艺相结合。如果城市 污水中有机物与磷的比值很低，则可以增加一个沉淀池，利用化学沉淀除磷原理 1 3 硕士学位论文第一章绪论 来增加磷的去除率。s b r 中投加混凝剂或粉末活性碳及其代用品可以提高污泥 沉降性能，并能增加其对难降解有机物的去除f 4 2 ，4 3 1 。 总之，s b r 工艺是一种经济有效的活性污泥处理系统，其研究和应用近年 来在国内外引起了广泛重视，大量应用于生活污水和工业废水的处理【州7 1 。由 于技术上的特点，s b r 系统进一步拓宽了活性污泥法的使用范围。就近期的技 术条件，s b r 系统更适合以下情况： ( 1 ) 中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水，尤其是间歇排放和流量变化 较大的地方。 ( 2 )需要较高出水水质的地方，如风景浏览区、湖泊和港湾等，不但要去除 有机物，还要求出水中除磷脱氮，防止河湖富营养化。 ( 3 )水资源紧缺的地方。s b r 系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增 加设施，便于水的回收利用。 ( 4 )用地紧张的地方。 ( 5 )对已建成连续流污水处理厂的改造等。 ( 6 )非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理。 选矿黄药废水属于工业废水，本实验用s b r 反应器对黄药废水进行处理。 综合s b r 的原理及特性，研究工艺条件对黄药废水