（市政工程专业论文）常温下强化UASB处理垃圾渗滤液工艺研究.pdf

中文摘要 城市垃圾生态卫生填埋是我国目前乃至今后较长一段时期处理垃圾的一种 主要方法。垃圾在填埋和稳定过程中会产生渗滤液，渗滤液中c o d c r 、b o d 、 n i t 3 - n 的浓度很高，易对地下水环境产生严重的污染，u a s b 作为渗滤液处理 的一个重要组成部分，可以将渗滤液中的b o d 、c o d c r 大幅度降低，n h 3 - n 也可以得到一定的去除，为后续处理构筑物提供了条件。u a s b ( 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 t ) 为渗滤液处理的关键技术，要达到预期的处理效果， 渗滤液水温须达到3 0 一3 5 ，这样要求对渗滤液有加热工艺，增加了设备投 资和渗滤液处理的运行费用。为适应我国中部和西北部地方气温低的特点，适 应垃圾生态填埋过程中渗滤液的处理要求，使其在常温和低温条件下u a s b 能 够正常运行，本课题的研究是非常必要的。 本论文针对u a s b 启动周期长、有机负荷低、受温度影响大的缺点，在试 验模型装置上进行了细小颗粒活性炭( p a c ) 对u a s b 的启动影响及投加活性 炭后的u a s b 在中低和低温条件下运行参数的试验研究。本文以武汉市江夏区 二妃山垃圾填埋场渗滤液作为试验水质，探讨了这些细小颗粒活性炭的加入对 u a s b 的启动时间、有机负荷、有机物去除率、运行稳定性、污泥特性、温度 等方面的影响，并对其作用机理进行了分析。 在研究条件下得出：加入颗粒0 1 6 0 2 m m 的活性炭可使u a s b 的启动时 间缩短1 3 ，有机负荷提高6 0 ，污泥活性也有明显的提高，同时可显著提高 反应器运行的稳定性。温度是影响u a s b 反应器处理高浓度废水最重要的因素， 反应器内的污泥活性对于温度的变化极为敏感，短期的温度波动对于处理效果 影响不大，且当u a s b 处理垃圾渗滤液的运行温度在1 5 以上时，可获得比较 好的处理效果。 关键词：上流式厌氧污泥床，垃圾渗滤液，粉末活性炭，颗粒污泥，常温 a b s t r a c t e c o l o g y h e a l t hl a n d f i l lo fd o m e s t i cr e f u s ei so n em a i nm e t h o di np r o c e s s i n gt h e t o w nr e f u s ei no u rc o u n t r ya tp r e s e n ta n de v e nf r o mn o wo nt h el o n gs e c t i o no f t i m e s ，l e a c h a t ec a l lb ep r o d u c e di nl a r g eq u a n t i t yi nt h ed e g r a d a t i o no fd o m e s t i c r e f u s ei nl a n d f i l l ，t h ed e n s i t yo fb o d ，c o da n dn h 3 - no f l e a c h a t ei sv e r yh i 曲 _ i tc a ne a s i l yp o l l u t et h es u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e re n v i r o n m e n ts e r i o u s l y u a s ba sa l li m p o n a n tc o n s t i t u e n tc a r lr e m o v e dag r e a td e a lo fb o da n dc o di n l e a c h a t e ，a n dn h 3 - nw a sa l s oe f f i c i e n t l yr e m o v e d ，i tp r o v i d e dt h ec o n d i t i o nf o r t h ef o l l o w i n gp r o c e s s i n gc o n s t r u c t i o n u a s b ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ) i s a ne s s e n t i a lt e c h n o l o g yf o rl e a c h a t ep r o c e s s i n g t h el e a c h a t et e m p e r a t m em u s t a c h i e v e3 0 一3 5 f o ra c h i e v i n gt h ea n t i c i p a t e dp r o c e s s i n ge f f e c t ，w h a tn e e dt o h e a tu pl e a c h a t ew h i c hi n c r e a s e dt h ee q u i p m e n ti n v e s t m e n ta n dt h el e a c h a t e p r o c e s s i n go p e r a t i n gc o s t i no r d e rt oa d a p tl o wt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ci no u r c o u n t r y sm i d d l ea n dn o r t h e a s tp a r tt h ep l a c ea n dl e a c h a t ep r o c e s s i n gt a r g e t ，t h i s t o p i cr e s e a r c hi se x t r e m e l ye s s e n t i a lf o rg u a r a n t e e i n gt h eu a s b n o r m a lo p e r a t i o n u n d e rt h en o r m a lt e m p e r a t u r ea n dt h el o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n f o c u s i n go nt h ed e f e c t so f l o n gs t a r t - u pp e r i o d ，l o wo r g a n i c i o a d i n gr a t ea n d t h eo b v i o u st e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo fu a s b ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ) r e a c t o r ，t h ee f f e c t so fa d d i n gp a c ( p o w d e r e da c t i v a t e dc h a r c o a l ) o nt h es t a r t u p a n dp e r f o r m a n c eo fu a s br e a c t o rw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h i sa r t i c l et a k e st h e e x p e r i m e n t a lw a t e rq u a l i t yw h i c hc o m e sf r o mg a r b a g el a n d f i l lp l a n ti nw u h a nc i t y j i a n g x i aa r e a t h ep a r a m e t e r ss u c ha ss t a r t - u pp e r i o d ，o r g a n i cl o a d i n gr a t e ， o r g a n i cr e m o v i n gr a t e ， o p e r a t i n gs t a b i l i t y ， c h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e ， t e m p e r a t u r ei nu a s br e a c t o rw e r ei m p l o r e di nd e t a i l t h em e c h a n i s m sw e r ea l s o a n a l y z e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：t h es t a l l u pp e r i o do fu a s br e a c t o rc o u l db e s h o r t e nb y1 3f o r t h ea d d i n go fp a cw i t l lt h es i z eo fo 1 6 0 2m m i ta l s o i m p r o v e dt h eo r g a n i cl o a d i n gr a t ea n dt h ea c t i v i t yo fs l u d g e6 0 t h eo p e r a t i n g s t a b i l i t yw a sa l s op r o m o t e dg r e a t l y t h et e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt o a f f e c t sp r o c e s s i n ge f f e c to ft h eu a s br e a c t o rt oh i 曲p o t e n c yw a s t e w a t e r t h e a c t i v i t yo fs l u d g ei nu a s br e a c t o ri se x t r e m e l ys e n s i t i v er e g a r d i n gt h et e m p e r a t u r e i i c h a n g e t h es h o r t t e r mt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni sn o tb i gr e g a r d i n gt h ep r o c e s s i n g e f f e c ti n f l u e n c e ，a l s oi tm a yo b t a i nt h eq u r eg o o dp r o c e s s i n ge f f e c tw h e nt h e o p e r m i n g t e m p e r a t u r eo f t h e l e a c h a t e i n t h e u a s br e a c t o rs u r p a s s e s1 5 c k e yw o r d s ：u p f i o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) ，l e a c h a t e ，p o w d e r e d a c t i v a t e dc h a r c o a l ( p a c ) ， s l u d g eg r a n u l e s ，n o r m a lt e m p e r a t u r e i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章概述 随着世界能源的日益短缺和废水污染负荷及废水中污染物种类的日趋复杂 化，废水厌氧生物处理技术以其投资省、能耗低、可回收沼气能源、负荷高、 产泥少、耐冲击负荷等诸多优点而成为近年来水处理领域的研究热点之一l l “。 1 9 9 9 年在世界范围内( 不包括中国) 对厌氧工艺应用的统计结果表明，1 3 0 3 座采用各种类型厌氧处理工艺中，有近8 0 0 座采用的是u a s b ，占全部项目的 5 9 ，己成为厌氧工艺的主流技术之一f 4 】。据不完全统计到1 9 9 9 年为止，在我 国范围内己建成的2 1 9 个厌氧处理工程中采用u a s b 的有1 2 0 座以上，占全部 项目的5 8 ，基本与国外应用情况相类似【4 j 。这些厌氧处理工程主要用于啤酒 废水、制浆造纸废水、含硫酸盐废水、含油脂类废水以及垃圾渗滤液废水的处 理。在此期间，国际上厌氧处理技术迅速发展，在第二代高效厌氧反应器u a s b 的基础上，开发了以厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e g s b ) 为代表的第三代厌氧反 应器。目前在欧洲的u a s b 工艺已能普遍形成颗粒污泥，使得厌氧工艺在处理 废水时停留时间由原来的几十天缩短为一天到几天。有机负荷从几k g c o d m 3 d 提高到十几k g c o d m 3 d 到几十k g c o d m ”d ，反应效率提高了几十 乃至上百倍 4 】。我国从8 0 年代初开发和引进u a s b 处理技术后，国家在“七五”、 “八五”、“九五”几个五年计划期间内持续攻关，进行了大量的开发研究工作。 但总的来讲，我国厌氧技术水平和国外水平差距很大，目前我们还不能很好的 将以u a s b 为代表的第二代厌氧反应器推广到实践中：从技术上来讲，还无法 在大规模的生产装置上形成稳定的颗粒污泥；从设备上讲，我国u a s b 技术的 设备配套性差，在u a s b 产业化上也有较大差距。 1 2 厌氧处理技术 1 2 1 厌氧处理技术的发展 早在几百年前，沤肥和堆肥技术作为有机肥料的加工工艺就在我国农业生 武汉理工大学硕士学位论文 产中应用了，现代厌氧生物技术在污水处理领域的应用是以1 8 8 1 年法国学者 m o u r a s 发明“m o u r a s 自动净化器”为起点的，至今己有一百多年的历史。厌 氧生物处理发展早期主要应用在污泥和废水中固体废物的减量处理中，故一般 也称其为厌氧消化过程。厌氧生物处理的发展过程大致可以分为三个阶段： 1 8 6 0 1 8 9 7 年，简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段；1 8 9 9 1 9 0 6 年，污水沉淀与污泥发酵分层进行的发展阶段；1 9 1 2 年至今，独立式营建的高 效反应器发展阶段。 1 2 2 厌氧生物处理过程机理 纵观厌氧生物处理技术发展历程，从最原始的发酵到沉淀与发酵的分离， 再到如今的高效厌氧反应器都是对厌氧微生物自然代谢过程的人为强化和优 化，随着对厌氧微生物代谢过程机理的不断深入认识，厌氧处理技术也不断地 进步和发展。微生物学对于厌氧消化的研究始于1 7 世纪，1 7 7 6 年，v a l t a 就已 经在沼泽中发现了可燃性气体，并认为这种气体的产生与有机质的分解有关； 1 8 0 6 年h e r r y 证实了这种气体是甲烷；1 8 6 8 年b e c h a m p 首次从微生物学角度 阐述了甲烷的形成过程；1 8 7 5 年p o p o f f 较系统地研究了由各种底物发酵产甲烷 的过程；1 9 0 6 年，s o h n g e n 培养出- - e e , , , l 叠球菌和杆状细菌的共生培养物：1 9 0 6 年，s c h n e l l e n 分离出了甲烷八叠球菌属和甲烷杆菌属两个纯种；1 9 6 7 年b r y a n t 发现了乙醇转化为甲烷的过程并非如先前人们所认为的由种微生物完成，而 是由两个共生菌一起完成的。其中一种微生物把乙醇转化为乙酸和氢气，而另 一种利用氢气把二氧化碳转化为甲烷。厌氧消化过程中发酵菌、产氢产酸菌、 产甲烷菌的数量和种类是相当庞大和复杂，据报道，发酵细菌大约有5 1 种，产 甲烷菌也有5 0 多种f l ”。以上研究成果为人们对厌氧消化理论的深入研究奠定 了充分的基础。 1 9 3 0 年，b u s w e l l 和n e a v e 肯定了t h u m m 和r e i e h i e ( 1 9 1 4 ) 与i m b o 圩( 1 9 1 6 ) 的看法，提出了有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵的两阶段学说。 酸性发酵阶段，有机物在产酸细菌的作用下分解成脂肪酸和其它产物：碱性发 酵阶段，脂肪酸在产甲烷菌作用下转化为c i - l , 和c 0 2 。但由于第一阶段的最终 产物不仅仅是酸，发酵所产生的气也并不都是从第二阶段产生的，因此，比较 恰当的提法是第一阶段为不产甲烷阶段，第二阶段为产甲烷阶段。b r y a n t ( 1 9 7 9 ) 等人根据微生物的种群关系提出了当前较为公认的厌氧消化三阶段理论模式， 该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、h 2 、c 0 2 和甲醇以外的有机酸和醇类， 长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、h 2 ，c 0 2 等后，才能被 武汉理工大学硕士学位论文 产甲烷菌利用，如图1 1 所示。 j gz e i k u s ( 1 9 7 9 ) 在第一届国 际厌氧消化会议上提出了四种群 说，将水解与发酵分开并将同型 产乙酸作用分离出来，进步完 善了厌氧消化的理论模式。 1 2 3 厌氧与好氧工艺比较 虽然厌氧处理工艺的应用早 于好氧工艺，但是由于好氧活性 污泥法在处理市政生活污水领域 取得的巨大成功，很长一段时间 内好氧工艺的应用更为广泛。近 些年，随着厌氧技术的不断进步， 厌氧工艺的应用领域也越来越广 图1 1 厌氧消化三阶段模式图 阔。厌氧和好氧工艺的比较可见表1 1 。 综合比较两种处理工艺，厌氧工艺处理具有以下优点： ( 1 ) 处理成本低，能耗少，运行管理费用低。厌氧成本的降低主要由于动 力的大量节省、营养物质添加费用和污泥脱水费用的减少，成本仅约为好氧工 艺的1 3 ，能耗为好氧工艺的1 1 0 b 1 1 5 3 1 ，如果将沼气利用，费用更会降低， 甚至带来相当的利润。 ( 2 ) 营养物质的需求量小，剩余污泥量少。好氧工艺对营养物质的一般需 求比例为b o d ：n ：p = t 0 0 ：5 ：1 ，而厌氧工艺为0 5 0 5 0 0 ) ：5 ：l 。般的有机废水即 可以满足厌氧处理工艺的营养要求，无需投加营养盐。厌氧菌世代时间长，增 殖缓慢，因而处理同样数量的污水，厌氧工艺仅产生相当于好氧工艺1 1 0 1 6 的污泥。 ( 3 ) 处理负荷高，设备灵活，易管理。厌氧工艺比好氧工艺的容积负荷高 的多，设备体积小、布置灵活分散，可以更接近污染源。另外，在较长时间停 止供给营养的情况下厌氧菌还可以保持其生物活性，除了可连续运行外还适合 于间断的和季节性的运行。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 厌氧和好氧工艺的比较f 3 好氧处理 厌氧处理 一般需要前处理 一般不需要前处理 比较适合较低浓度的废水 适合于中、高浓度废水 处理条件在相对较低的温度下也可以运行 只适合于中湿以上的温度 可处理含有毒性物质的废水 处理含有毒性物质的废水必 须经过适当驯化 处理碱性废水时必须中和 处理碱性废水无需中和 只适合于连续运行 可以季节性运行 不允许长时间的间断必须增加好氧后处理工艺才 可以达到非常好的出水水质 能达到较好的出水水质 多级或连续设计 一般需要好氧后处理 同时有对n 和p 的营养要求 n 和p 的营养要求不明显 系统运行 较多的剩余污泥量剩余污泥量很少 较低的容积负荷率 可承受较高的容积负荷率 较高的维护费用( 主要是设备)维护费用较低 可能产生废气 采用适当封闭措施可以避免 废气问题 副产品较多的剩余污泥可产生非常有价值的沼气 相对较低的初期投资费用 初期投资费用较高 较高的维护费用包括：较低的维护费用包括： 曝气( 动力费用)动力消耗 费用 营养( 包括n p 等)较少的营养要求 污泥处理费用较少的剩余污泥 比较适合小规模处理厂 大规模的处理厂更为经济 1 2 4 厌氧生物处理的影响因素 1 2 4 1 温度 温度是影响厌氧生物处理的重要因素。根据甲烷菌对于温度的适应性可以 将甲烷菌大体分为中温甲烷菌( 适应温度区3 0 c 3 6 ) 和高温甲烷菌( 适应温 度区为5 0 c 5 3 c ) 两类。利用适合在两个温度区生长的厌氧菌进行厌氧消化 处理系统的分别称为中温消化和高温消化。当处于中温和高温之间的过渡区时， 武汉理工大学硕士学位论文 反应速率反而减小，可见厌氧消化反应与温度之间的关系是不连续的。 温度的波动对于厌氧生物处理过程也有重要影响。中温和高温厌氧消化允 许的温度变化范围为1 5 2 0 ，一般推荐温度变化应该小于1 5 d ， 温度突然变动2 0 - - 3 0 * c 就可能比较严重地影响处理性能，超过5 0 c 时，有机酸就会大量积累而破坏整个厌氧消化过程f 2 “5 o 厌氧菌活性在1 0 。c 左右仍能够维持，c e l e s l i e 认为2 0 2 5 “似乎” 是厌氧消化的低温实用极限【4 】，而有许多研究表明在更低的温度下仍能稳定的 运行【6 1 。究竟厌氧处理工艺的低温极限是多少的问题目前还未有定论，分析 其原因，这可能与处理对象特性、处理工艺、试验条件等因素有关。 1 24 2 有机负荷( o r g a n i cl o a d i n gr a t e ，o l r ) 反应器的有机负荷包括容积负荷和污泥负荷。过高的负荷容易造成反应器 内挥发性脂肪酸( v o l a t i l i t y f a t a c i d ，v f a ) 的积累，导致反应器运行失败；过低 的负荷不能满足厌氧微生物新陈代谢的需要，会由于厌氧菌的衰减而导致反应 器运行失败，因此适当的负荷对于反应器运行极为重要。 不同的厌氧工艺可承担的负荷差别很大：厌氧接触工艺的负荷一般为o 5 1 0 k g c o d c r m 3 d ，厌氧滤床( a n a e r o b i c f i l t e r ，a f ) 为5 1 5 蚝c o d c r i t i “d ， u a s b 为2 2 5k g c o d c r m 3d 【4 j 。由于膨胀颗粒污泥床( e x p a n dg r a n u l a rs l u d g e b e d ，e g s b ) $ 口内循环反应器- ( i n t e r r e c y c l er e a c t o r ，i c ) 采用了独特的结构设计 强化了传质作用，承受负荷可达1 5 3 0 k g c o d c r m 3 d ，甚至超过4 0 k g c o d c r m 3 d 【6 】，另方面也适合处理较低浓度的污水一1 1 1 5 1 。 1 2 4 ，3 污泥停留时t n ( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ，s r t ) - 与水力停留时n ( h y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ，h r t ) s r t 在厌氧生物处理过程中是控制厌氧微生物累积量的重要参数。高效厌 氧反应器采用各种微生物固定技术提高s r t ，从而保证反应器内的污泥浓度， 以便为厌氧反应提供足够的生物活性，s r t 常常达到3 0 d 4 0 d 以上，有些甚 至达到1 0 0 。s r t 大小一般通过反应器定期排泥来控制。 h r t 是控制厌氧反应程度的重要参数。传统工艺未将h r t 与s r t 分离， 所以为达到较好的处理效果，一般在几天左右。由于h r t 是与反应器容积成正 比的，它的确定直接影响工程建设投资。高效厌氧反应器可在较短h r t 达到较 高的处理效率，h r t 可缩短至几小时，所以有着更好的经济效益比。另外，h r t 直接决定着反应器内的水力条件、搅拌与混合强度，短的h r t 使反应器更接近 武汉理工大学硕士学位论文 推流型，而较长的h r t 则更接近于完全混合型。 1 2 4 4 接触与混合 厌氧处理过程是由细菌体的内酶、外酶与底物进行的接触反应，只有实现 在反应器中基质与微生物之间充分而有效的接触，才能发挥其最大的效能。充 分的接触混合除了完成基质与微生物的接触之外，还起到使反应器内的温度及 污泥浓度均一，使气泡及时与污泥颗粒脱附，强化传质过程，防止污泥浮升， 防止浮渣层的形成等作用。接触混合方式有机械混合接触、水力混合接触、气 动混合接触。就许多厌氧工艺实践来看，气动混合和间歇搅拌的方式较好，并 且搅拌强度不应太大【_ ”。脉冲进水方式被证明在强化接触效能方面也是有效的 【9 】。人工和机械搅拌混合需要额外的动力消耗，所以确定合适的搅拌混合动力 投入是工程中非常重要的课题。 1 2 4 5 营养物质 厌氧工艺与好氧生物处理一样，也需要营养物质以维持微生物正常的新陈 代谢。一般来说，厌氧比好氧工艺对营养物质的需求较少，好氧工艺对氮磷的 需求为c o d e r ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而厌氧仅为( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：1 1 9 1 。必要的金属元素 补充也非常重要，其主要作用是增强各种群单位质量微生物活细胞浓度及其酶 活性 ”】。在处理各种废水时应当了解其水质成分，如缺少某些微量元素时应当 适量补充，以保证微生物的正常生长。特别是铁、钻、镍和锰离子能够有效促 进污泥比活性的增加，在厌氧反应器启动期间显得尤为重要1 2 “2 2 1 i 2 4 6 抑制及毒性物质 在厌氧生物处理中，所谓“抑制”和“毒性”都是相对的。一种物质于厌 氧消化过程( 主要指甲烷消化) 都有两方面的作用，关键看这种物质的浓度阈 值，当其浓度较低时可以促进甲烷细菌的生长，当浓度超过一定范围后便对甲 烷细菌产生抑制甚至是毒害作用。较为典型的抑制和毒性物质有氨、无机硫化 物、盐类以及各种重金属。它们主要通过对相应的甲烷菌内酶的影响而降低甚 至是抑制甲烷菌的代谢作用，一般分为三类：影响代谢的毒性物质、影响细菌生 理的毒性物质和杀菌性的毒性物质【1 9 1 。为防止由于抑制和毒性物质导致整个 厌氧工艺的失败，应根据各类废水性质进行适当预处理。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 4 7p h 值及消化液缓冲能力 水解发酵及产氢产乙酸菌的p h 值适应范围大致为5 8 5 ，甲烷菌对p h 值 较为敏感，虽各文献的报道略有不同，但一般在6 5 7 8 之间f l2 4 “9 2 3 1 ， 这也是通常情况下厌氧处理所需的p h 值范围。如果水解发酵阶段与产酸阶段 的反应速率超过产甲烷阶段，反应器内的p h 值就会由于挥发性脂肪酸的过度 积累而降低，影响甲烷菌的正常代谢作用。可采用投加适量的缓冲剂和稀释进 水及吹脱c 0 2 回流等方法来减小p h 值降低的影响【5 。2 4 】。 厌氧反应器的有机酸缓冲能力是其运行稳定的重要指标，r e s p e e c e t 2 0 】和 许保玖等1 2 5 1 认为，单以碳酸氢盐碱度作为衡量厌氧反应器对p h 值缓冲能力的 指标是不合适的，而应以挥发性有机酸( v f a ) 和碳酸氢盐碱度( b a ) 之比作为更 准确的指标，当v f b a 0 8 时，缓冲能力极小。 1 2 4 。8 氧化还原电位( o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l ，o r p ) 厌氧环境是厌氧处理过程赖以正常进行的最重要的条件。所谓厌氧环境一 般理解为隔断系统与空气中氧的接触，尽可能使反应器内无溶解氧的存在，以 保持厌氧反应器的正常运行。严格来说，厌氧环境的主要标志是反应器内具有 低的氧化还原电位，其值应为负值：反应器内的氧化态物质越多，氧化还原电 位就越商。研究成果表明【l l ，高温厌氧处理系统适宜的氧化还原电位为一5 0 0 m v 6 0 0 m v ；中温应低于3 0 0 m v - 3 8 0 m v 。产酸菌适宜的氧化还原电位范围 较大，可在+ 1 0 0 m v 1 0 0 m v 的兼性条件下繁殖，而甲烷菌较为严格，须在 一3 3 0 m v 一3 5 0 m v 以下才可正常繁殖“。厌氧反应器经过适当的封闭措施一 般可以达到厌氧环境的要求。即使在反应器进出水口，沉淀槽等部位难免有溶 解氧的进入，反应器中也能始终保持着极低的氧化还原电位，这是各类微生物 生长而对环境的氧化还原电位产生影响的结果。反应器内好氧、兼氧、厌氧微 生物的依次活动可将消化污泥以及进水中带入的少量氧气及时消耗掉，使氧化 还原电位很快地降到适宜甲烷菌生长的范围。 1 2 4 ，9 污染物类型 实际工程中应根据废水特征选择相应的厌氧处理工艺，一些厌氧工艺比较 适合于处理含颗粒态有机物的废水，而另一些则适合予处理溶解性基质。例如 厌氧消化池、发酵池就是用来处理颗粒态有机物的，而低速厌氧工艺和一些高 武汉理工大学硕士学位论文 速厌氧工艺例如a c ( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) 、a f ( a n a e r o b i cf i l t e r ) 等能够 处理颗粒有机物浓度比较高的废水，f b ( f l u i d i z e db e d ) 、u a s b 和u a s b a f 等一些高效厌氧反应器不能有效截留颗粒态物质，所以更适合于处理溶解性有 机物。但它们由于能够有效积累高浓度的微生物，因而对于处理缓慢生物降解 的溶解性有机物比低速厌氧工艺更有效【4 】0 1 3 我国垃圾渗滤液概述 1 - 3 1 垃圾渗滤液的水量和水质特征 渗滤液的量随垃圾填埋场所在的位置、场地的地形条件、填埋场库容的不 同波动较大，影响其产量的因素较多。如降雨量、蒸发量、地面流失、地下水 渗入、垃圾的特性、地下层结构、表层覆土和下层排水设施的设置情况等等。 但对于同一地区填埋场，其单位面积的年平均产量是在一定范围内变化的。 与城市污水相比，渗滤液的水质具有以下特尉叫； ( 1 ) 有机物浓度高：大多数城市垃圾卫生填埋场渗滤液颜色黑浊、味臭， c o d 。，高达6 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l ，b o d s 可达4 0 0 0 1 5 0 0 0 m g l ； ( 2 ) 金属含量高：我国城市垃圾收集尚未采用分类收集，垃圾填埋过程中 也吸纳了部分工业废物，渗滤液中含量较高的金属离子有十多种，其中铁和锌 在酸性发酵阶段较高，铁的浓度可达2 0 0 0 m g l ，锌的浓度可达1 3 0 m 【l 。 ( 3 ) 水质变化大：这是渗滤液水质最大的特点。渗滤液水质取决于填埋场 的构造方式、垃圾的种类、质量、数量以及填埋年数的长短。大气降水进入垃 圾填埋层，将其中的污染物及其降解产物溶出，因此，渗滤液的成分和性质随 垃圾填埋场的使用期的延长而不断变化，而可生化降解性越来越差 ( b o d c o d 。，从初期的大于o 5 5 降至o 1 0 以下) ，其氨氮含量越来越高，具体 如表1 2 所示。 表1 2 渗滤液随填埋场“年龄”的变化 参考指标 1 0 年 p h 7 5 c o d ( g l ) 1 0 1 0 2 0 b o d s ( 2 0 d o 5 o 80 1 o 5 7 05 3 0 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 氨氮含量高：渗滤液中n h 广n 的主要来源是填埋垃圾中蛋白质等含 氮类物质的生物降解。渗滤液n h 3 n 具有浓度高( 可达几千m g l ) 、变化范 围大( 在整个填埋期可以从低于1 0 0 m g l 到几千m g l ) 的特点。高浓度氨氮 不仅增加了渗滤液生化处理系统的负荷，并且随着填埋时间的延长渗滤液中 b o d 浓度呈下降趋势，造成营养比例的严重失调，影响生化处理系统稳定有效 的运行。高浓度游离氨也会降低微生物活性。赵庆良等对n h 3 n 对微生物活 性指标脱氮酶活性的研究表明，n h 3 _ n 的浓度从5 0 r e l g l 升高到8 0 0 m g l ， 脱氮酶的活性从1 1 0 4 u g t f m g m l s s 降至4 2 2 u g t f m g m l s s ，相应的c o d 。， 的平均去除率从9 5 1 降到7 9 1 。 ( 5 ) 其他特点：渗滤液在进行生化处理时会产生大量泡沫，不利于处理系 统正常运行。产生泡沫的首要原因是液体表面张力的降低。降低液体表面张力 可能是因生物体本身产生一些中间产物，结果导致泡沫产生。此外，进水中的 蛋白质、脂肪和类脂一般会引入泡沫，是一个产生泡沫的阶段。由于渗滤液中 含有较多的难降解物质，一般在生化处理后，c o d 浓度仍在5 0 0 2 0 0 0 m l 范围内。 1 3 2 我国垃圾渗滤液的处理现状 受到经济发展水平的限制，我国卫生填埋起步较晚，真正意义上的卫生填 埋场从2 0 世纪8 0 年代末才开始建设。渗滤液处理厂的建设就更晚，从时间上 看，渗滤液的处理经历了三个阶段。 第阶段在9 0 年代初期，处理工艺主要参照城市污水处理方法，代表性的 工程实例有杭州天子岭、北京阿苏卫等。工艺特点是采用两段式活性污泥法， 对d o 与m l s s 的浓度控制要求不一样，一段利用细菌和低级霉菌占优势的混 合种群，二段培养原生动物占优势。在填埋初期，由于渗滤液的有机物、氨氮 浓度较低、可生化性较好，因此可以满足排放要求。随着填埋时间的延长，垃 圾渗滤液的浓度越来越高、成分越来越复杂、可生化性降低，且变化幅度大、 变化规律复杂，使得处理难度越来越大。在此阶段，由于渗滤液处理厂主要参 照城市污水处理厂进行建设，没有考虑到渗滤液水质特性，因此都存在不能稳 定运行的状况，出水也不能稳定达标。以生物处理为主的处理工艺处理成本 般为3 5 元，m 3 。 第二阶段是在9 0 年代中后期，研究人员考虑到渗滤液的水质独特性，如高 浓度的氨氮、高浓度的有机物等，采取了脱氨措施，采取的处理工艺一般为氨 吹脱+ 厌氧处理+ 好氧处理，代表性的工程实例有深圳下坪、香港新界西等。 武汉理工大学硕士学位论文 其中深圳下坪渗滤液处理厂的工艺特点是采用了化工规整填料塔，有效地解决 了渗滤液的脱氨问题。出水的氨氮保持在1 0 m g l 左右。香港新界西渗滤液处 理厂的工艺特点采用了汽提吹脱塔，将渗滤液的水温提高到6 0 7 0 ，用蒸汽 进行汽提，减少了气量，同时不需要对渗滤液进行p h 调整，另外，该渗滤液 处理厂采用了脱氨尾气的分解装置，利用高温焚烧炉，操作温度在8 5 0 ，用 催化燃烧的方法将脱氨尾气的氨气分解成氮气，有效地解决了脱氨尾气二次污 染的问题。 第三阶段是2 0 0 0 年以后，由于经济的飞速发展，新建的渗滤液处理厂一般 远离城区，渗滤液没有条件排入城市污水管网，因此处理要求也相应提高，一 般需要处理到二级甚至一级排放标准。此时的渗滤液若仅靠生物处理无法达到 处理要求，一般采取生物处理+ 深度处理的方法。 i 4 课题研究目的和意义 城市垃圾生态卫生填埋是我国目前乃至今后较长一段时期处理垃圾的一种 主要方法。垃圾在填埋和稳定过程中会产生渗滤液，渗滤液中c o d c r 、b o d 、 n h ，- n 的浓度很高，易对地下水环境产生严重的污染。 升流式厌氧污泥床( u p f l o w a n a e r o b i es l u d g eb l a n k e t ) 反应器是荷兰学者 l e a i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初开发的。当时他们在研究用升流式厌氧滤池 处理土豆加工和甲醇废水时注意到大部分的净化作用，后来演变为今天的 u a s b 反应器。目前荷兰、德国、瑞典、比利时和美国等国投入运行的生产性 试验取得较好的效果。我国从1 9 8 1 年开始u a s b 反应器的研究工作。9 0 年代 用于啤酒及酒糟方面的污水处理，9 0 年代中期u a s b 用于垃圾填埋场渗滤液处 理，在气温较高的南方，u a s b 的处理效果较好，c o d e r 、b o d 的去除率达 到7 0 以上，如福州市红庙岭垃圾处理场用2 座u a s b 处理1 0 0 0 m 3 d 规模的 垃圾渗滤液；进水b o d 5 为5 0 0 0 m g 1 ，出水1 0 0 0m g h 进水c o d e r 为6 0 0 0 m g l ， 出水1 2 0 0m g 1 。中山老虎坑填埋场采用u a s b 反应器处理渗滤液，其出水亦达 到设计要求。但对于中部和西北部地区，由于夏季、冬季温差大，夏天活性很 强的细菌到冬天进入休眠状态，活性很低，一年大多数季节u a s b 处理效果较 差。 本论文针对u a s b 启动时间长、有机负荷率低以及对温度有严格的限制的 缺点，研究缩短u a s b 启动时间、提高u a s b 有机负荷、使其在常温下运行的 新工艺以及利用厌氧污泥培养厌氧颗粒污泥的新方法。该项目的研制成功能有 武汉理工大学硕士学位论文 效节省能耗，提高u a s b 对渗滤液的处理效果，拓展u a s b 的实用范围，对防 止垃圾处理过程中产生的渗滤液对地下水的二次污染具有十分重要的意义，研 究结果有较高的应用价值。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1u a s b 的发展 第2 章u a s b 工艺简介 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器是荷兰学者l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初开发的。当时他们在研究用升流式厌氧滤池处理土豆加工和甲醇废水时 注意到大部分的净化作用和积累的大部分厌氧微生物均在滤池的下部。于是便 在滤池底部设置了一个气、固、液三相分离器，一种结构简单，处理效能很高 的新型厌氧反应器便诞生了。由于这种反应器机构简单，不用填料，没有悬浮 物堵塞等问题，因此一出现便立即引起了广大废水处理工作者的极大兴趣，并 很快被广泛应用于工业废水和生活污水的处理中。目前荷兰、德国、瑞典、比 利时和美国等国投入运行的生产性试验取得较好的效果。到1 9 9 0 年9 月止，国 外生产性规模的u a s b 反应器总数已达到2 0 5 个。我国从1 9 8 1 年开始u a s b 反应器的研究工作，9 0 年代初用于啤酒及酒糟方面的污水处理，9 0 年代中期 u a s b 用于垃圾填埋场渗滤液处理，在气温较高的南方，u a s b 的处理效果较 好，c o d e r 、b o d 的去除率达到7 0 以上，如福州市红庙岭垃圾处理场用2 座u a s b 处理1 0 0 0 一d 规模的垃圾渗滤液；进水b o d 为5 0 0 0 m g 1 ，出水1 0 0 0 m g 1 ； 进水c o d e r 为6 0 0 0 m g ，l ，出水1 2 0 0m g 1 。中山老虎坑填埋场u a s b 处理渗滤液亦达到污水排放三级标准。但对于中部和西北部地区，由于夏季、 冬季温差大，夏天活性很强的细菌到冬天进入休眠状态，活性很低，一年大多 数季节u a s b 处理效果较差。随着我国经济的发展，环境保护所需，城市垃圾 生态填埋处理迫在眉睫，我国在相当长段时间内以生态填埋为主要方法，为 防止渗滤液的二次污染，研制出较宽适应能力的u a s b 工艺是必然的。 2 2u a s b 的结构与工作原理 如图2 - 1 所示为u a s b 的基本构造形式。u a s b 主要包括污泥床、悬浮污 泥床、沉淀区和三相分离器四个部分。u a s b 在运行过程中，废水一般以0 5 1 5 m f h 的上升流速自反应器的底部依次流经污泥床、悬浮污泥床至三相分离器 武汉理工大学硕士学位论文 和沉淀区。 u a s b 的水力流型呈推流式， 进水与污泥床及悬浮污泥床中微生 物充分混合接触并进行厌氧分解。 厌氧分解过程中产生的沼气在上升 过程中将污泥颗粒托起；由于大量 气泡的产生，即使在较低的有机和 水力负荷条件下，污泥床也发生明 显的搅拌作用( 微小的沼气气泡在 上升过程中互相结合而逐渐变成较 大的气泡，将颗粒污泥向反应器的 上部顶拖。最后由于气泡的破裂， 绝大部分颗粒污泥又返回到污泥床 区) 变得日益剧烈，从而降低了污 泥中夹带气泡的阻力，气体便从污 泥中突发性的逸出，引起污泥床表 面呈沸腾或流化状态。反应器中沉 淀性能较差的絮体状污泥则在气体 的搅拌作用下，在反应器上部形成 污泥悬浮层。沉淀性能好的颗粒状 污泥则处于反应器的下部形成高浓 度的污泥床。随着水流的上升流速， 沼气 一，。；! 广、 墨磊i 覆t 。出壅 区妇弘区k i | 悬浮污泥庶 i j 燃 l = 一 、进配 、述哆 塑! i 图2 - 1u a s b 反应器示意图 气、水、泥三相混合液( 消化液) 上升至三相分离器中，气体遇到反射板或挡 板后折向集体室而被有效的分离排出；污泥和水进入上部的沉淀区，在重力的 作用下泥水发生分离。 由于三相分离器的作用，使得反应器混合液中的污泥有一个良好的沉淀、 分离和再絮凝的环境，有利于提高污泥的沉降性能。在一定的水力负荷条件下， 绝大部分污泥能保持很高的污泥龄，使得反应器中有足够的污泥量。 2 3u a s b 的特点及实用水质 升流式厌氧污泥反应器( u a s b ) 的特点可归纳为： ( 1 ) u a s b 反应器结构紧凑，集生物反应与沉淀于一体。污水经配水系统 武汉理工大学硕士学位论文 从反应器底部进入，通过反应区经气、固、液三相分离器后，进入沉淀区。沼 气由集气排气系统引出，污泥在沉淀区沉淀后自动返回反应区，剩余污泥经排 泥系统引出，沉淀出水经出水系统排出，不能沉降的浮渣则经浮渣清除系统排 出。 ( 2 ) 升流式厌氧污泥反应器的最大特点是能在反应器内形成颗粒污泥，使 反应