（农业生物环境与能源工程专业论文）uasb厌氧mbr处理高浓度淀粉废水的实验研究.pdf

摘要 。 摘要 水资源短缺和水环境污染不仅制约我国经济和社会的发展，而且危害人民健康，影响社 会的和谐与稳定。污水处理与回用是世界各国解决水问题的首选策略，研究低耗高效的污水 处理与回用技术也一直是各国学者研究的热点问题。 本文基于这种指导思想，研制开发了新型复合式厌氧工艺，它由u a s b 和厌氧m b r 两 个单元组成，高浓度的待处理废液经过u a s b 段的前处理再经过厌氧m b r 单元，达标后排 放。 实验中以人工配制淀粉废水作为进水，不仅对u a s b 的启动特性进行了研究，对整套系 统的运行特性也进行了分析总结，为今后的深入研究与实际应用提供参考。试验研究的结果 表明： ( 1 ) 根据废水特点向反应基质中添加适量营养物质和微量元素，能够保证u a s b 的快 速启动和稳定运行。初期进水c o d 负荷在2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m g l 范围变化时，单独运行u a s b 装 置，处理效果基本上能够达到前处理要求；在稳定运行阶段进水c o d 负荷在3 0 0 0 - - 6 0 0 0 m g l 的变化范围，u a s b + m b r 处理工艺的c o d 平均去除率平可以达到8 1 7 。 ( 2 ) 厌氧m b r 在初始运行中表现出了良好的泥水分离效果，而且在提高出水p h 、碱 度方面发挥了优势。p h 值平均能够提高0 3 3 ，碱度平均能够提高8 0 m g l 。 ( 3 ) 实验中借助显微镜及电镜对厌氧反应的主要微生物载体一颗粒污泥，进行了生物特 征分析。观察到颗粒污泥的外观结构，并验证了在该反应基质中的微生物菌群以产甲烷球菌 为主，简要阐明了二价金属离子及胞外聚合物( e c p ) 在颗粒污泥形成中的作用。 ( 4 ) 继续加大进水有机负荷考察厌氧膜组件的运行特性，得出厌氧m b r 出水的处理效 果受h r t 和v l r 影响较大的结论；同时得出本实验系统最大可承受容积负荷为 9 k g c o d m 3 d 。 ( 5 ) 实验中受污染的膜组件先采用物理清洗的方法，再以次氯酸钠作为清洗剂进行化学 清洗，膜通量恢复效果较好。 ( 6 ) 通过对三种高浓度淀粉废水处理方式的对比，得出u a s b + 厌氧m b r 工艺无论在 经济效益方面还是在社会环境效益方面，都具有一定的竞争优势。 关键词上流式厌氧污泥床；厌氧膜生物反应器；淀粉废水：运行特性；膜污染 a b s t r a c t i i s t u d yo nh i g hc o n c e n t r a t i o ns t a r c hw a s t e w a t e r t r e a t m e n tu s i n g u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e da n d a n a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o rm e t h o d a b s t r a c t t h el a c ko f w a t e rr e s o u r c ea n dt h ec o n t a m i n a t i o no f w a t e rn o t o n l yr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s ee c o n o m ya n ds o c i e t y , b u ta l s od oh a r mt ot h eh e a l t ho fp e o p l ea n da f f e c tt h eh a r m o n ya n d s t a b i l i z a t i o no ft h es o c i e t y t h eo n l ym e t h o do fs o l v i n gw a t e rq u e s t i o nf o re v e r yc o u n 时i s d i s p o s i n ga n dc i r c u l a t i n gt h ew a s t e w a t e r i ti sal i t t l eb i th o tp r o b l e mt or e s e a r c hn e wt e c h n i q u e sf o r d i s p o s i n ga n dc i r c u l a t i n gw a s t e w a t e rw i t hl o wc o n s u m ea n dh i g he f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h i sp r i n c i p l e ，an e wc o m p o u n dt y p ew a sd e s i g n e dw h i c hi sa n a e r o b i c i ti s c o n s i s t e do fu a s ba n da n a e r o b i cm b ru n i t s a tf i r s t , t h eh i g hd e n s i t yw a s t e w a t e rf l o w e di n t ot h e u a s bs e g m e n tt ob ef o r w a r dt r e a t e d a n dt h e n ，t h ee f f l u e n tw a t e ro f u a s ba st h ei n f l u e n tw a t e ro f m b rf l o w e di n t ot h em e m b r a n eu n i t f i n a l l y , t h el i q u i dw i t hh i g hq u a l i t yw a sd i s c h a r g e d s t a r c hw a s t e w a t e ra si n f l u e n tl i q u i dw a sa r t i f i c i a li nt h ee x p e d m e n t n o to n l yc a r r i e do na r e s e a r c ht ot h eu a s bs t a r tc h a r a c t e r i s t i c ，t ot h ew h o l es e to f m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e m a l s oc a r r i e do na n a l y s i s t h e r e f o r e ，i tc a np r o v i d ef lr e f e r e n c ef o rt h et h o r o u g hr e s e a r c ha n d p h y s i c a l l ya p p l i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a s t e w a t e r , w h e nn o u r i s h m e n tm a t e r i a la n dl i t t l e c h e m i c a le l e m e n tw e r ep u t t e di n t ot h ew a s t el i q u i d t h es t a r t u po fu a s bc a nf a s ta n ds t a b l e i n e a r l yd a y s ，t h ei n f l u e n tc o db u r d e na t2 0 0 0 - 3 0 0 0 m g l c i r c u l a t eu a s bd e v i c ea l o n e ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fd i s c h a r g e dw a t e rw a sf i tf o rf o r w a r dt r e a t m e n t b es t a b i l i z i n gm o v e m e n ts t a g e ，t h e v a r i o u ss c o p eo fc o dw a s3 0 0 0 - - - 6 0 0 0 m g l t h ea v e r a g e dr e m o v a le f f i c i e n c i e so fu a s b + m b r p r o c e s sc a nr e a c h81 7 ( 2 ) i nt h eb e g i n n i n g ，t h ea n a e r o b i cm b rp u 仕e du pag o o dq u a l i t yi nt h ea s p e c to fs e p a r a t i o n m u df r o mw a t e r m o r e o v e r i ts h o w e da d v a n t a g e si nr a i s i n gt h ew a t e r sp ha n da l k a l i n i t y t h ep h v a l u ec a nr a i s e0 3 3 ，a n dt h ea l k a l i n i t yc a ne q u a l l yr a i s e8 0 m g l ， ( 3 )c a r r yo nal i v i n gc r e a t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sf o ra n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew h i c h w e r ei nv i r t u eo fm i c r o s c o p ea n de l e c t r i c i t ym i 丌d r t h ee x t e r n a ls t r u c t u r eo ft h eg r a n u l a rs l u d g e c a nb eo b s e r v e d f u r t h e r m o r e ，t h ep r e p o n d e r a n tm i c r o o r g a n i s mw a sv e r i f i e di nt h i sk i n do f w a s t e w a t e r t h ef u n c t i o no ft h et w op r i c em e t a l si o na n de c pw e r es i m p l yc l a r i f i e di nt h e f o r m a t i o no fg r a n u l a rs l u d g e ( 4 ) c o n t i n u i n gt h ei m p r o v e m e n tf o rt h ei n f l u e n to r g a n i cb u r d e n ，w h i c hw a sap r e c o n d i t i o n f o rt h ei n v e s t i g a t i o na b o u tt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h em o d u l e t h ep r o c e s s i n gr e s u l tw a s s u b j e c t e dt oh r ta n dv l r i nt h em e a n t i m e ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nw h i c hw a st h a tt h es y s t e m i i i 东北农业大学工学硕士学位论文 c a l lf u r t h e s tb e a rc a p a c i t yo f9 k g c o d m 3 d ( 5 ) i nt h ee x p e r i m e n t ，i tw a sa d o p t e dt h ep h y s i c a lc l e a n i n gm e t h o dt ot h ep o l l u t e df i l ma t f i r s t t h e nm a k es o d i u mh y p o c h l o r i t ea sc h e m i c a la b l u e n tt oc a r r yo nc h e m i s t r yc l e a n i n g t h i s m e t h o ds h o w e dt h a tt h ei n s t a u r a t i o no ff i l mf l u xw a sb e t t e r ( 6 ) t h eb e n e f i tp e r f o r m a n c es h o w e dt h a tt h i sn e wm o d u l e ( u a s b + a m b r ) w a so u t s t a n d i n g i nt h ea s p e c t so fe c o n o m i ca n ds o c i a lm i l i e u a sar e s u l t , t h i ss y s t e mw a sc o m p e t i t i v e k e yw o r d s ：u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e dc o a s b ) ；a n a e r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( a m b r ) ； s t a r c hw a s t e w a t e r ；o p e r a t i v ec h a r a c t e r i s t i c ；m e m b r a n ef o u l i n g c a n d i d a t e ：z h a n gw e i s p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u r a lb i o t i ce n v i r o n m e n t & e n e r g ye n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a ig u o x u n i v 学位论文独创声明和使用版权授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 地遗直墓丝盂要挂聂主明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ： 学位论文作者签名：孑艮钎 日期：猡谚年月胗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 张玩 溯动 日期：姐曙年占月膳日 e t 期：如睹年6 月廖日 引言 1 引言 1 1 本课题研究的目的及意义 近年来，我国国民经济呈现稳步增长态势，人民生活水平也日益提高。这一切不能不归 因于我国工业的快速发展，随之而来的问题是如何保证工业发展的良性循环，促进国家永久 繁荣，能源的正常供给成为不容忽视的重要因素。所谓能源，依据其形成形式可分为一级能 源和二级能源。自然界中以现成形式提供的能源称为一级能源；需依靠其它能源的能量间接 制取的能源称为二级能源。水能作为一级能源在我国经济发展中发挥了重要作用，实现水资 源的可持续发展对国家未来的经济发展意义重大。在水资源方面，我国目前形势严峻：首先 是水资源短缺，根据2 0 0 0 年中国环境状况公报公布，我国人均水资源量为2 2 3 8 6 m 3 ， 仅相当于世界人均占有量的1 4 ，是世界人均水资源极少的1 3 个贫水国之一；在全国6 0 0 多 座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中缺水严重的城市达1 3 0 多个；缺水每年给城市工业 产值造成的损失在1 2 0 0 亿元以上。其次，废水排放量剧增，水环境污染严重；全国7 大重点 流域地表水有机污染普遍，特别是流经城市的河段有机污染较重，主要是湖泊富营养化问题 突出，2 0 0 7 年太湖、巢湖、滇池相继爆发的大规模蓝藻事件，是这一问题的真实写照；多数 城市的地下水受到一定程度的点源或面源污染，居民饮用水的安全得不到保证。可见，水资 源短缺和水环境污染是制约我国经济和社会发展的重要因素，尤其是水环境污染问题，迫使 我们加快废水治理的步伐，研制开发出适应时代需求的污水处理新技术，必将起到事半功倍 的效果。 现代传统的污水处理技术，按原理分为物理处理法，化学处理法，和生物处理法三类( 张 自杰，1 9 9 9 ) 。物理处理法即利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质；化学处理 法是利用化学反应，分离回收污水中处于各种形态的污染物质：生物化学处理法则是利用微 生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状态的有机污染物转化为稳定的无害物质。废水的 生物处理技术是污水处理的重要手段之一，主要方法可分为两大类，即利用好氧微生物作用 的好氧法和利用厌氧微生物作用的厌氧法。前者广泛用于处理城市污水及有机性生产污水， 以活性污泥法和生物膜法为代表：后者多用于处理高浓度有机污水与污水处理过程中产生的 污泥。传统的污水处理工艺普遍将各处理单元分设，往往还需要污泥回流设施，这势必增加 基建及管路设备投资。近年来各种新型、改良型的高效废水处理技术应运而生。利用城市生 活污水和工业废水回用淡水，以节约有限的淡水资源的观念近年来也获得广泛支持，在这种 背景下膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 工艺应运而生。膜生物反应器是在结合 传统生物处理工艺和膜分离技术的基础上发展起来的。传统的污水治理方法基于“治理、排 放”的环保理念，是在受污染水体达到一定的指标要求后才能排入自然水域。由于环保意识 的增强和对人类健康的关注，更出于对病原性微生物的防治，各国污水的给、排都日趋严格。 传统的治理方法无法达到直接或间接饮用水的要求，为了达到回用的目的就必须经过消毒、 过滤等三级处理。膜生物反应器工艺不仅可以降解各种污染物，还直接消除了各种病原菌性 微生物进入水体对人类健康的潜在威胁，从而确保出水达到使用标准，更充分地体现了“治 理、回用”的节约淡水资源的理念。 东北农业大学工学硕士学位论文 废水厌氧生物处理技术是环境工程与能源工程中的一项重要技术。上世纪7 0 年代以来， 世界能源短缺日益突出，从节约和利用能源上考虑，废水厌氧生物处理技术越来越受到人们 的重视，各国相继开发研制出了各种厌氧处理工艺和设备。上流式厌氧污泥床反应器( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e tr e a c t o r ，u a s b ) 由荷兰大学的gl e t t i n g a 等人在上世纪7 0 年代研 制开发成功。u a s b 是厌氧反应器的第二代产品，也是日前应用最广泛最成熟的厌氧反应器。 它属于悬浮生长型的生物反应器，由反应区、沉淀区和气室三部分组成。升流式厌氧污泥床 工艺近年来在国外发展很快，在国内也已有生产性规模装置，该工艺既节约能源，基至可回 收能量，又解决环境污染问题，取得了较好的经济效益和社会效益。但是目前阶段，这项工 艺不适于处理高悬浮物固体浓度的废水。此外，三相分离器还没有一个成熟的设计方法，且 颗粒污泥的培养较困难。这些实际存在的不足正是现阶段限制该项技术推广应用的瓶颈问题， 解决这些问题无疑能够开拓出此项技术的使用新天地。 本课题以u a s b 和m b r 处理工艺的理论为指导，结合试验组件，研究u a s b + 厌氧膜 生物反应器组合工艺处理高浓度废水的特性。与传统的厌氧工艺相比，该项工艺不仅综合了 u a s b 和m b r 两种技术的优势，还兼具另外特点：u a s b - t - 厌氧m b r 可以截留微生物而不 必增加反应器的容积；由于所有微生物，特别是生长缓慢的产甲烷菌都被截留，厌氧过程中 间产物的毒性和抑制作用都会减弱，所以反应装置更容易稳定运行；同时反应器的出水水质 较好，不含胶体物质和悬浮固体，有利于提高反应器的降解速率。 1 2 厌氧技术发展概况 ，二。 厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物的代谢特性分解有机污染物，在不需要提供外源能 量的条件下，以被还原有机物作为氢受体，同时产生有能源价值的甲烷气体的一种水处理技 术。它是环境工程和能源工程领域的一项重要技术，尤其对于高浓度废水是一种行之有效的 处理方式。 在实际工程中，厌氧生物法多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料以及部分高浓度有 机废水的处理，在构筑物形式上主要采用钢筋混凝土消化池。由于这种处理方式存在水力停 留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) 长、有机负荷( o r g a n i cl o a d i n gr a t e ，o l r ) 高等 缺点，较长时期内限制了它在废水处理中的应用。7 0 年代以来在世界范围内，能源短缺问题 日益突出，从而使能够产生能源的废水厌氧处理技术受到重视。随着研究与实践地不断深入， 开发了各种新型工艺和设备，大幅度地提高了厌氧反应器内活性污泥的持留量，使处理时间 缩短，处理效率提高。目前，厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥和高浓度有机废水，也用 于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。 1 2 1 国外厌氧生物处理技术的发展概况 1 8 8 1 年，法国的l o u i sm o u r a s 发明了“自动净化器”，用以处理污水污泥，从而开始了 人类利用厌氧生物处理废水废物的历程( 马溪平，2 0 0 5 ) 。纵观废水厌氧处理技术发展的百 年历程，大致可以分为四个阶段： 第一阶段( 1 8 6 01 8 9 9 年) 简单的沉淀与厌氧发酵池并行的初期发展阶段。 第二阶段( 1 8 9 9 - - 1 9 0 6 年) 污水沉淀与厌氧发酵分开进行的发展阶段。 2 第三阶段( 1 9 0 6 - - 2 0 0 1 年) 厌氧反应器独立式营建的发展阶段。 第四阶段( 2 0 0 1 至今) 反应器杂合式营建的发展阶段。 相应地，在厌氧反应装置方面也经历了三个具有代表意义的时代： 第一代反应器以厌氧消化池为代表，属于低负荷系统。1 8 9 6 年英国出现了第一座用于处 理生活污水的厌氧消化池，所产生的沼气用于照明( 贺延龄，1 9 9 8 ) 。1 9 0 4 年德国的l m w o f f 将其发展成为i m h o f f 双层沉淀池( 王凯军，1 9 9 1 ) 。、 第二代反应器可以将固体停留时间与水力停留时间分离，能够保持大量的活性污泥和足 够长的污泥龄，属于高负荷系统。其典型代表有：厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) ，上流 式厌氧污泥床( u a s b ) ，厌氧流化床( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d ，a f b ) 等。其中，u a s b 技术由荷兰的g l e t t i n g a 等人在上世纪7 0 年代初研制开发的。继荷兰之后，德国、瑞土、美 国、加拿大等国相继开展了对u a s b 的深入研究和开发工作，使这种工艺成为一种应用迅速、 使用广泛的新型反应器技术，也是目前应用最广泛最成熟的厌氧反应器技术。 第三代反应器在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下、使固液两相充分接触， 从而既能保持大量污泥又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触，以达到真正高效的目的。 7 0 年代末，德国l i n d e 股份公司的m a n f r e dr m o r p e r 博士针对传统活性污泥法存在的诸多 问题，开展研究并提出了一系列新的改进工艺。其中的l a r a n 工艺是一种固定床厌氧循环 反应器，反应器内装有波纹环型塑料填料，生长缓慢的厌氧微生物附着生长在填料上。目前， l a r a n 反应器已在欧洲和亚洲的数个国家得到实际应用，并主要用于高浓度食品工业、造 纸工业、化学工业废水的厌氧处理( 沈耀良等，1 9 9 9 ) 。德国p l a t t l i n g 肉类加工厂的油脂废 水就采用l a r a n 工艺进行处理。折流式厌氧反应器( a n a e r o b i cb a f n e dr e a c t o r ，a b r ) 是 b a c h m a n 和m c c a r t y 在2 0 世纪8 0 年代初期开发研究的最新型、高效污水厌氧生物处理工艺。 厌氧序批式反应器( a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，a s b r ) 是由美国d a g u e 教授及其 合作者研究开发的新工艺，该工艺彻底解决了厌氧污泥容易流失的问题，具有投资省、操作 灵活、稳定高效等优点，能够在常温下处理低浓度废水。此外，具有代表性的厌氧反应器类 型是8 0 年代中期研发的内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ，i c ) 反应器、9 0 年代初期研发并备受 g l e t t i n g a 教授推荐的膨胀颗粒污泥床反应器( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ，e g s b ) 和分 阶段多相厌氧反应器技术( s t a g e dm u l t i p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r ，s m p a ) 、厌氧序批式反应 器( a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，a s s r ) 。现在厌氧反应器已经发展到第四代d g i c 新 型厌氧反应器。它是在i c 基础上发展起来的，由罐体、内循环系统、多点布水系统组成。其 特点是罐体内独特的内循环结构，利用进水和沼气产生的上升力，在罐体内产生压力差，形 成多层次内循环系统，使污水和微生物之间的传质得到加强，废水和污水能很好的接触。废 水分层次进入反应器后，在上流过程中与不同内循环层面、不同菌落的活性污泥接触、吸附、 消化，使污染物处理得更彻底，更迅速。 以上介绍的反应器类型多为单一的一体化厌氧装置，虽然在污水处理工程中得到了广泛 应用，但是启动周期长，处理水量小的缺点限制了它在大型污水处理工程中的应用。这就需要厌 氧技术与其他工艺组合起来完成，尤其是处理含氮、含磷废水时，单一的处理工艺很难达标。 a o ( a n a e r o b i c o x i c ) 工艺、a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 工艺就是厌氧和好氧结合，处 理含氮、磷废水的典型工艺。 3 东北农业大学工学硕士学位论文 厌氧和膜工艺结合是国际上近些年来废水处理工艺发展的新趋势。因为固液分离是高效 厌氧生物反应器赖以存在的基础，而采用膜生物处理工艺可显著改善系统的固液分离效果。- 所以这种组合形式最大限度的发挥了两种工艺的优势。厌氧膜生物反应器系统的应用前景在 于能够处理某些特定污水：采用传统厌氧方法处理出现颗粒污泥成形困难或出水s s 非常高 的有机污水；工业废水中有机物浓度高或含有毒有害物质，这类废水若采用一般厌氧工艺处 理往往要求保持较高的生物量，较长的污泥停留时间，较短的水力停留时间，才能达到降解目 的，使厌氧工艺处理此类废水的优势无从发挥。将厌氧工艺与膜技术结合是一种理想方法一 一厌氧工艺可产生能量在一定程度上能满足处理工艺对温度的需求，而且产生的污泥量少；膜 分离技术能够使厌氧反应中世代时间较长的甲烷菌存活下来，从而能有效降解有机废水中的 污染物、提高处理效率。这是一种相互补充，相互依赖而又相互协同的处理工艺。( 管位农等， 2 0 0 4 ) 。】9 8 7 年南非已建成世界首座厌氧膜生物反应器，主要用于处理玉米加工废水，有机物去 除率可达9 7 。 可以看出，随着厌氧反应器的发展，其处理效率不断提高，适用范围也由原来的污泥、 粪肥消化扩展到对各种浓度的生活污水和工业废水的处理。而如何有效保持反应器中性能优 良的厌氧活性污泥，使污泥与进水基质充分混合接触，最大限度的利用微生物的处理能力， 始终是厌氧反应器发展的主导方向。 1 2 2 国内相关工艺技术的发展现状 我国长期以来对厌氧处理技术保持着兴趣，1 9 8 5 年更是以东道主身份召开了第四届国际 厌氧消化学术会议。正如，国际知名厌氧技术专家r e s p e e c e 教授所说：中国也许是建成了 比其他国家规模更小的厌氧系统，并在利用甲烷气方面居于世界领先地位( s t e p h e n s o nt e ta l ， 2 0 0 3 ) 。 厌氧技术在我国的应用可以追溯到古代的厌氧发酵沤制粪肥，而这种粪便无害化处理技 术至今仍在应用。上世纪初，由罗国瑞发明的水压式沼气池在1 3 个省份投入运营；2 0 世纪 5 0 年代、7 0 年代我国农村大力推广户用沼气池，目的是解决农村的炊事用能问题。并由此发 展成为适宜南方发展的“六位一体”的运行模式，以及契合北方特色的“四位一体”的运行 模式。 5 0 年代末期厌氧处理工艺触及到污水处理领域。上海、太原等城市污水处理厂相继采用 厌氧消化池进行污泥处理；酒精废醪的厌氧处理开创了工业废水厌氧处理的先河；8 0 年代初， 南阳酒精厂、南通柠檬酸厂建成厌氧发酵罐处理生产废水；8 0 年代中期，中科院广州能源研 究所在广州建成厌氧滤池装置用以处理糖蜜酒精废液。 “七五”期间，掀起了废水厌氧生物处理研究的高潮。国内各高校、研究机构纷纷投入 到“高浓度有机废水厌氧生物处理技术”的课题研究中，并取得了相应的成果，缩小了在废 水厌氧生物处理技术领域与国外的差距，推动了我国厌氧生物处理技术的发展。据不完全统 计到1 9 9 9 年共有2 1 9 个项目采用不同类型的厌氧反应器，包括u a s b 、u b f 、a f 等，其中 采用u a s b 反应器的有1 2 0 座以上，占全部项目的5 8 ( 王凯军等，2 0 0 0 ) 。国内对u a s b 反应器的研究起步较晚，大约始于1 9 8 1 年。1 9 8 2 年7 月报道了北京环境保护科学研究所和 化学工业部设计公司共同协作在石家庄华北制药厂进行了容积为1 4 0 l 的u a s b 反应器装置 4 引言 处理丙丁废缪的试验。并把试验结果很快地应用于生产中。( 胡纪萃等，废水厌氧生物处理理 论与技术) 。目前在国内废水处理领域u a s b 工艺应用最为广泛，实际工程实例也较为丰富， 从食品工业废水到制药工业废水。但是该工艺不适于处理高悬浮物固体浓度的废水，三相分 离器也还没有一个成熟的设计方法，且颗粒污泥的培养较困难，因此复合式厌氧反应器是发 展的新趋势。哈尔滨中药二厂的废水处理工艺就结合了升流式厌氧污泥床和厌氧滤池的优点， 是对复合式厌氧反应装置的新尝试，这种组合方式使反应器中同时存在附着相和悬浮相生物 ( 白晓慧等，1 9 9 9 ) ，从而提高了反应器的处理能力。 a o + m b r 的组合工艺在处理含氮、磷废水方面，凸显了优越性：李克林等人进行了厌 氧反应器与好氧m b r 组合工艺对印染废水去除特性的研究，并得出相应的最佳停留时间和 污泥浓度用于指导实践；哈尔滨工业大学的王琳( 2 0 0 6 ) 进行了一体式u a s b 与好氧m b r 工艺对高浓度有机废水去除特性的研究。同济大学的何义亮、吴志超等也开展了采用完全混 合式厌氧反应器和板框式超滤膜组件处理高浓度废水的中试试验研究( 顾国维等，2 0 0 2 ) 。上 述研究成果是传统厌氧工艺和新兴m b r 工艺的组合，这些模式既开拓了厌氧工艺的研究新 途径，又是对传统水处理工艺方法的新尝试。 1 3 膜生物反应器技术发展概况 社会经济的发展是一把双刃剑。一方面促进了时代进步，人民生活水平提高；另一方面 加剧了环境恶化，迫使人类科学不断向前发展以应对突变。以废水处理为例，现在某些传统 的生物处理工艺已经难以使出水满足污水排放标准。同时水资源的短缺也迫切要求人们开发 出新的污水资源化技术。因此，各种新型、高效的污水处理技术应运而生，其中利用膜分离 技术代替传统的重力式沉淀池的膜生物反应器工艺日益引起人们的重视。 1 3 1 国外膜生物反应器的兴起与发展 迄今，膜生物反应器的研究历史已有3 0 年，m b r 的商业应用也有2 0 年的历史了。 膜生物反应器最先用于微生物发酵工业，在废水处理领域中的应用始于6 0 年代美国。但当时 由于受膜生产技术所限，膜的使用寿命短，水通透量小，使其在投入实际应用中遇到障碍c 黄霞 等， 1 9 9 8 ) 。7 0 年代初期，这项技术由美国首次进入日本市场。同年代后期，日本研究者对 膜分离技术在废水处理中的应用进行了大力开发和研究，使膜生物反应器开始走向实际应用。 进入8 0 年代后，国际上对膜生物反应器的研究达到方兴未艾程度，膜制造技术得到发展，膜 分离工艺得到完善，膜清洗方法得到改进。1 9 8 9 年，日本政府联合许多大公司制订了为期6 年的“9 0 年代水复兴计划- - a q u ar e n a i s s a n c ep r o g r a m m e 9 0 ”大型研究计划。其内容主要包 括新型膜材料的开发、膜分离装置的研究等。到1 9 9 3 年，已经报道有3 9 套外置式m b r 系 统用于日本的卫生和工业领域。法国、澳大利亚等国对膜生物反应器的研究也投入了很大的 力量，使膜生物反应器研究内容更加全面而深入，为进一步推广应用奠定了技术基础。美国的 d o f f - - o l i v e 公司在1 9 8 2 年应用膜厌氧反应器系统来处理高浓度食品废水。同时期英国采用 超滤膜和微滤膜研制了两套污水处理系统，其概念在南非得以进一步发展而形成厌氧消化超 滤工艺。美国z e n o n 市政系统公司在膜系统领域的研究工作卓有成效，推出了系列工艺及产 品，大大推动了m b r 技术的市场化进程。 5 东北农业大学1 二学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代以来，膜生物反应器的处理对象不断拓宽，其在工业废水处理中的应用 也日趋受到关注。日本通产省工业技术院在1 9 8 6 1 9 9 0 年制定的大型开发项目，就是主要针 对酒精发酵废水、造纸与纸浆废水、淀粉废水等工业废水，开发高效低耗的厌氧生物反应器 与膜组合系统。另外，在处理含油废水、含酚化合物废水和含重金属废水等方面也进行了大 量的研究和应用( 艾翠玲，2 0 0 2 ) 。现在膜生物反应器已成功地应用于工业废水处理、中水污 水处理、粪便污水处理、垃圾渗滤液等废水处理中。 1 3 2 我国膜生物反应器技术的研究现状 我国对膜分离技术的开发是从1 9 5 8 年研究离子交换膜开始的，国家对膜分离技术的研究 和开发工作十分重视，先后资助成立了国家液体分离膜工程技术中心和膜技术国家工程研究 中心。2 0 0 0 年，我国将膜材料和膜产业列为国家重点支持的2 2 项化工产业之一。 自1 9 9 3 年华东化工学院的一个研究小组研究用膜生物反应器处理人工合成污水( 邢传 宏，1 9 9 8 ) ，至今全国范围内已经有膜科学技术的研究开发单位上百个，形成了几千人的技术 研究队伍，膜工业企业也有数百家。国内较活跃的膜生物反应器废水处理研究机构有中科院 生态环境研究中心、清华大学、同济大学等，他们主要致力于膜工艺的开发和膜污染的防治 等内容的研究开发( 顾国维等，2 0 0 2 ) 。在实际工程应用上，天津清华德人环境工程有限公司， 利用天津大学国家“八五”、“九五”重点科技攻关项目“中空纤维膜生物反应器污水处理系 列装置研究”的科技成果，率先在国内实施了膜生物反应器在水处理行业的产业化，并取得 了很好的效果。清华德人环境工程有限公司还投资在天津新技术产业园区建立了膜生物反应 器及其他高新环保技术设备的生产研究基地。相关产品也已经应用于天津开发区泰达会馆、 天津第三医院、天津水上村医院、天津市政府大楼等污水处理回用工程中，在中水冲车、中 水冲厕、写字楼、宾馆饭店、医院等生活污水处理回用、工业印染废水处理回用、垃圾渗滤 液处理等领域己建立了2 0 多项示范工程。不仅如此，膜技术的优越性已经渗透到寻常百姓的 日常生活中。天津市天磁净水机械有限公司在反渗透膜基础上研发出的一体化纯净水除氟设 备，在改造村镇饮用水方面取得了良好的收益。这项工艺充分发挥了膜系统的优势，在除氟、 除砷、苦咸水淡化、去除细菌及微生物等方面功效显著。 1 4 本文研究内容 1 4 1u a s b 和m b r 工艺存在问题及发展趋势 升流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 是基于微生物固定化原理的第二代废水厌氧处理装置， 这项技术首次把颗粒污泥的概念引入其中，是一种悬浮生长型反应器。继荷兰之后，德国、 瑞土、美国、加拿大以及中国等国家相继开展了对u a s b 的深入研究和开发工作，使这种工 艺逐渐成为一种应用迅速、使用广泛的厌氧反应器技术。它具有传统厌氧工艺难以比拟的优 点，如可实现污泥的颗粒化、气固液的分离实现了一体化，因而u a s b 具有很高的处理能力 和处理效率，尤其适用于各种高浓度有机废水的处理。但是该工艺不适于处理高悬浮固体浓 度的废水；三相分离器的设计方法复杂且多为专利技术普及性差；另外颗粒污泥因易流失等 因素培养较困难。因此，许多研究和设计着眼于改善颗粒污泥床反应器，减小传质阻力和提 6 引言 高有机负荷率；并致力于将现有成熟技术集成、整合，摸索出具有实际应用价值的厌氧处理 工艺，充分发挥其结构紧凑、处理负荷高的优点。 膜生物反应器应用于污水处理的核心是以膜单元取代二沉池，所有悬浮物和胶体都被膜 分离截留，具体讲有以下几个特征( 岑运华，1 9 9 1 ) ： ( 1 ) 能高效地进行固液分离，其分离效果比传统的沉淀池要好，且占地少，通过膜分离装置 所获得的水质很好，无需消毒，可以直接再利用。 ( 2 ) 使生物反应器能保持高浓度的微生物。膜分离装置能阻止高分子量的有机物和悬浮物向 系统外流失，使参与反应的微生物完全保持在生物反应器内，这对于截留世代期较长的微生 物尤其有利，如硝化细菌在反应器中的停留时间，有利于系统硝化效率。 ( 3 ) 膜可以阻留许多分解速度较慢的大分子难降解物质，通过延长其停留时间而提高对它的 降解效率。 ( 4 ) 剩余污泥产量小，污泥处理费用少。 ( 5 ) 易于实现自动化，操作管理方便。 尽管工艺本身存在上述特点，但由此也引发了一些问题：膜材料的选择一造价低、耐污 染、使用寿命长；膜污染的析因一趋利避害并为膜清洗方式的选择提供依据；膜清洗的周期 与成效一节约成本并且膜通量恢复效果良好；膜组件和其他工艺的结合方式一能够最大程度 的发挥二者的优势；另外膜工艺系统一般需要辅助热源、且耗电能，从而增加运营成本。一 直以来，针对上述存在问题的研究是水处理界的热点，并且在某些方面已经建立了相关理论 基础，但是更加深入系统的研究依然是今后科学研究的发展方向。 1 4 2 主要研究内容 如上文中所述，较成熟的u a s b 技术和新兴的m b r 技术存在一定的优势，但是存在的 不足，一定程度上限制了这两种工艺地推广应用。如何能够最大限度的发挥二者的特点，形 成优势互补的新工艺是本文的研究初衷。 厌氧反应能够产生甲烷，甲烷是一种能源燃料；膜分离技术能够截留悬浮固体 ( s u s p e n d e ds u b s t a n c e ，s s ) 和污泥，有良好的固液分离效果。因此将膜分离技术与厌氧反应器 结合，克服三相分离器的技术难题，将产生一种更高效、低耗、易控制的新型厌氧+ 膜生物 反应器技术。 本文主要的研究内容： ( 1 ) u a s b 反应器处理淀粉废水的启动和运行特性研究。 、( 2 ) 处理高浓度废水时，u a s b + m b r 组合工艺的处理效果研究，初步验证厌氧m b r 工艺 对u a s b 运行状况的改进。 ( 3 ) 在初步研究的基础上，进一步加大进水负荷，考察厌氧膜组件的运行特性及整套系统的 抗冲击负荷性能，以膜组件运行参数为主要控制依据，并进一步改进优化整合该套系统的运 行、组合方式。 ( 4 ) 依据实际运行中出现的膜污染情况进行析因，采用物理与化学清洗结合，并对比不同化 学清洗剂的处理效果。 ( 5 ) 采用普通光学显微镜和扫描电镜观察厌氧颗粒污泥的驯化成熟过程；采用电镜观察膜组 7 东北农业大学工学硕士学位论文 件的物理特征，对比污染后和清洗后的膜组件外观。 ( 6 ) 通过对比三种高浓度淀粉废水的生化处理方式，得出本课题所提出的研究工艺不仅具备 经济效益同时具备社会环境效益的结论。 8 理论基础及试验分析方法 2 理论基础及试验分析方法 2 1 厌氧生物处理的基本理论 厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，其依靠三大主要类群的细菌，水解产酸细 菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合