（环境工程专业论文）高效厌氧反应器处理城市污水的研究.pdf

河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t a r t - u pw a yo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yh i g he f f i c i e n ta n a e r o b i c b i o r e a c t o rw a se x p l o r e di nt h i ss t u d y t h eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c e so ft h eb i o r e a e t o ri n t h ep e r i o do fs t a r t - u p ，l o a d i n gi n c r e a s i n ga n ds t a b l e r u n n i n gw e r ed i s c u s s e d t h e i n f l u e n c e so fv o l u m e t r i cl o a d i n g ，h r t ，r i s i n gv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r ea n dp ho no p e r a t i o n a l p e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e da n dt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d t h ed y n a m i c m o d e l so fm e d i u md e g r a d a t i o na n dm i c r o o r g a n i s mg r o w t hi nm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tb yh i g he f f i c i e n ta n a e r o b i cb i o r e a c t o ru n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r e e s t a b l i s h e d t h el o wc o n c e n t r a t i o n ，h i 曲h y d r a u l i cl o a d i n ga n dc o n t i n u o u si n f l u e n tw e r ea p p l i e d f o rs t a r t - u po fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb ya n a e r o b i cb i o r e a c t o ra n dt h ei n o c u l a t e d g r a n u l a rs l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a s10 5g v s s l 一t h el o a d i n go ft h eb i o r e a c t o ri n c r e a s e d t o1 6k g c o d ( m j d ) a n dt h ec o dr e m o v a lr a t ew a s7 2 5 a f t e rb i o r e a c t o rr u n n i n gf o r 2 0d a y s ，i n d i c a t i n gt h es u c c e s so fs t a r t u p t h ei n f l u e n tl o a d i n gi n c r e a s e df r o m1 9 k g c o d ( m 3 d ) 1t o2 5k g c o d ( m 3 d ) 。1i nt h ep e r i o do fl o a d i n gi n c r e a s i n ga n dt h er i s i n g v e l o c i t yi n c r e a s e df r o m3 3 m h 1t o4 2m h 1a f t e rr e t u r ns y s t e ms t a r t e du p w h e nt h e v o l u m e t r i cl o a d i n gw a s2 2k g c o d ( m 3 d ) ，t h ec o dr e m o v a lr a t ei n c r e a s e du pt o7 3 5 t h ec o dr e m o v a lr a t eb e c a m el o w e rw h e nt h ev o l u m e t r i cl o a d i n gw a sh i g h e rt h a n2 2 k g c o d ( m 3 d ) i n t h es t a b l e r t m n i n gp e r i o d ，t h e v o l u m e t r i c l o a d i n g w a s2 3 k g c o d ( m 3 d ) ，t h ee f f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nw a s8 3 10 3m g l 。1 a n dt h ec o d r e m o v a lr a t ew a s71 7 t h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yh i g he f f i c i e n ta n a e r o b i c b i o r e a e t o rs h o w e da d v a n t a g e so fr a p i ds t a r t u p ，r a p i dl o a d i n gi n c r e a s i n ga n dh i g hr e m o v a l e f f i c i e n c yo fo r g a n i cp o l l u t a n t s t h e $ u r f a e go fg r a n u l a rs l u d g ew a so b s e r v e db ys e ma n di tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h e s u r f a c eo fg r a n u l a rs l u d g ea f t e rs t a b l er u n n i n gw a ss m o o t h e rt h a nb e f o r ei n o c u l a t i o n t h e c e l ld e n s i t yw a s r e l a t i v e l yl a r g eo nt h ep r o f i l eo fg r a n u l a rs l u d g ea n dc o c c iw a sd o m i n a n t , c o m p a r e dt ；o b a c i l l u sa n df i l a m e n t o u s i nt h ei n n e ro fg r a n u l a rs l u d g eb a c i l l u sa n d f i l a m e n t o u sb e c a m ed o m i n a n t t h ei m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n go p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo fa n a e r o b i cb i o r e a c t o r i n c l u d e dv o l u m e t r i cl o a d i n g ，h r t ，r i s i n gv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r ea n dp h t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tw h e nt h ev o l u m e t r i cl o a d i n gw a s2 2k g c o d ( m d ) 一，t h ec o dr e m o v a lr a t e w a s7 1 8 h f f l lh r tw a s3 3h ，t h ec o dr e m o v a lr a t ew a s7 1 9 7 5 5 a n di tw a s n a b s 仃a c t p r o v e nt ob et h eo p t i m a lv a l u e w h e nt h er e t u r nr a t i ow a s1 ，t h er i s i n gv e l o c i t yw a s3 6 m h 1a n dt h ec o dr e m o v a lr a t ew a s7 2 5 a n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s mc o u l db es u i t a b l e f o rw a t e rt e m p e r a t u r eo f2 2 - 31 a f t e rl o n gt i m ea c c l i m a t i o n t h ei n i t i a lp ho f7 4o f i n f l u e n td e c r e a s e dt o7 0a f t e ra n a e r o b i cd i g e s t i o na n dt h e r ew a sn oa c i d i f i c a t i o n , s h o w i n g s a t i s f i e do p e r a t i o no ft h eb i o r e a e t o r t h ed y n a m i cm o d e l so fo r g a n i cm e d i u md e g r a d a t i o na n ds l u d g eg r o w t hi nm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yh i 曲e f f i c i e n ta n a e r o b i cb i o r e a c t o rw e r ee s t a b l i s h e d t h e c o r r e s p o n d i n gf o r m u l a sw e r e 雒f o l l o w s ： s o 骱- - s , = 2 17 1 8 8 9 2 + n m 4 2 l s 。j ! ：o 4 2 3 5 照二墨! 一o 0 2 5 3 9 x 。t k e yw o r d ：a n a e r o b i cb i o r e a c t o r ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；o p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c e ； d y n a m i cm o d e l i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 水是人类社会赖以生存和发展的极其宝贵的自然资源。地球上水的总储量约为 1 3 8 1 0 1 21 1 1 3 ，其中淡水仅占地球总水量的2 5 9 ，而其中7 0 以上以固态的形式储 存于极地和高山上，只有不到3 0 的淡水储存于地下、湖泊、河流之中，且分布也 极不均匀。随着社会的不断发展和人口的急剧增长，人类社会对水的需求量也越来 越大，水资源供需矛盾日益突出。据预测，到2 0 2 5 年，全世界将有2 3 的人1 2 1 将面 临严重缺水的局面。我国是一个水资源较缺乏的国家，人均水资源占有量不足世界 的1 4 ，被联合国列为1 3 个缺水国家之一【l 】，且时空上分布也极不均匀，北方的人均 水资源占有量不及南方的1 4 。据统计，我国有3 0 0 多个城市缺水，其中5 0 多个城 市严重缺水。另一方面，由于工业生产及城乡生活产生的大量工业废水和生活污水 未经处理直接排放，严重污染了水环境，给城市用水带来了严重的影响，用水安全 受到威胁。据中国环境状况公报统计【z 1 ，2 0 0 2 年全国工业和生活废水排放总量为4 3 0 5 亿t ，其中工业废水排放量为2 0 7 2 亿t ，排放达标率8 8 3 ；城市污水排放量为2 3 2 3 亿t ，处理率不到2 0 。据预测【3 】，到2 0 5 0 年，我国城市总需水量将达到，20 7 0 亿 m 3 ，城市污水排放总量将高达12 0 0 亿i n 3 。因此，节约用水和污水再利用技术的开 发，是保护环境、缓解水资源不足的重要途径。 城市污水是指排入城市排污管道的生活洗涤水、洗浴水和冲厕水等，含有大量 的悬浮物、胶体物质及有机物，是一种以有机污染物为主的低浓度有机废水，其成 分及其变化取决于居民的生活状况与生活习惯等。城市污水水质较稳定，污染成分 复杂，还含有氮、磷等营养物质，但一般不含有毒物质，适宜于各种微生物的生长 和繁殖。因此，城市污水适合于生物处理。随着我国社会经济的高速发展，城市规 模不断扩大，城市污水排放量也不断增加，但城市污水处理能力却远远滞后，致使 水环境污染日益严重。据报道【4 】，美国和欧洲国家平均每50 0 0 1 00 0 0 人就拥有一 座污水处理厂。而我国现有城市污水处理厂仅3 0 0 多座，污水处理率仅约2 0 【5 】， 距建设部规划在2 0 1 0 年城市污水处理率应达4 0 的指标【6 l 还有一定的距离。因此， 还需要建设大量的城市污水处理厂。虽然近几年国家加大了对城市污水处理厂建设 资金的投入，但是还远不能满足这方面的需求。因此，开发研制处理效果好、能耗 低及建设和运行费低的城市污水处理新工艺和技术有着广泛的前景。 1 2 城市污水处理技术现状 城市污水处理通常采用物理处理法、化学处理法和生物处理法，按处理深度分 1 河北科技大学硕士学位论文 又可分为一、二、三级处理。一级处理系统较为简单，一般是由格栅、沉沙池和沉 淀池等处理单元组成的物理处理系统，只作为二级处理的预处理，可减轻二级处理 系统的运行负荷；二级处理系统是以生物处理技术为主体，可去除污水中呈胶体和 溶解性的有机污染物。目前，我国城市污水处理技术以好氧活性污泥法为主，该工 艺有机物去除率高，但其占地面积大、能耗高、建设和运行费用高，因而许多中小 型污水处理厂难以维持运转。为提高城市污水处理效果，满足环境质量要求，近年 来，国内外研究人员进行了新技术、新工艺、新设备的研究开发，如a b 工艺、a j o 工艺、k o 工艺、s b r 工艺和氧化沟工艺等也得到了广泛的应用【7 - 9 ，上述工艺除对 有机污染物有较好的去除效果，还具有除磷脱氮功能。 1 2 1a b 工艺 生物吸附氧化法( a d s o r p t i o nb i o d e g r a d a t i o n ，a b 工艺) 是上世纪7 0 年代由德国 b o h u k e 教授提出的一种新的水处理方法。该工艺将曝气池分为高、低负荷两段，各 自有独立的沉淀系统和污泥回流系统。a 段为生物吸附段，以生物絮凝吸附作用为 主，该段负荷高，曝气时间较短，净化效率高，b o d 5 去除率达5 0 以上，但污泥 产生量较大，污泥负荷达到2 5k g b o d 5 ( k g m l s s d ) 。以上；b 段为生物氧化段，负 荷低，污泥龄较长，处理效果较好且稳定。a 段与b 段之间设有中间沉淀池，两段 的污染物量与微生物量之比( f m ) 不同，形成不同的微生物群体。a b 工艺对有机底 物去除效率高、系统运行稳定、且能耗低，但该工艺污泥产量较大，a 段污泥有机 物含量极高，使污泥后续稳定化处理的投资和运行费用增加。总之，a b 工艺适合于 具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市污水处理厂，而对有脱氮要求的城 市污水处理厂，则一般不宣采用。 1 2 2a 二o 工艺 厌氧- 缺氧好氧法( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ，a 2 o 工艺) 将生物反应池分为厌氧段、 缺氧段和好氧段，利用生物处理法进行脱氮除磷。厌氧段，污水中的磷在厌氧状态 下通过回流污泥中的聚磷菌释放出磷，同时去除部分b o d 5 ；缺氧段，利用废水中 b o d s 作为氢供给体，在兼氧脱氮菌的作用下，将废水中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成 氮气，达到脱氮的目的；好氧段中，聚磷菌吸收磷形成高磷污泥，以剩余污泥的形 式排出系统，b o d 5 得到进一步去除。污水中的有机污染物经厌氧段和缺氧段分别被 聚磷菌和反硝化菌降解后，达到好氧段后有机污染物的浓度已经很低，更有利于硝 化菌的生长繁殖，而污水中的氨氮通过硝化作用转化为硝酸盐氨，因而该工艺同时 具有脱氮除磷的功能。a 2 o - 1 - 艺处理效率较高，适用于有脱氮除磷要求的大中型城 市污水处理厂，但其建设和运行费用均较高。 1 2 3s b r 工艺 2 第1 章绪论 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 r s ，s b r 工艺) 集进水、曝气、沉淀、 出水功能于一体，在同一座池子中间歇完成，形成一个一体化的集约构筑物。其工 艺特点是工艺简单，运行方式灵活，不需设置二沉池、回流污泥及相关的设备，多 数情况下可省去调节池和初沉池，故节省占地和减少建设投资，且耐冲击负荷，通 过控制还可从时间上实现好氧、缺氧和厌氧的不同状态，从而实现除磷脱氮的目的。 近年来，s b r 工艺经过不断演变和改良，又发展为c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g e s y s t e m ) 、c a s t ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ) 、以及d a t - i a t ( d e m a n d a e r a t i o n t a n k i n t e r m i t t e n ta e r a t i o nt a n k ) 等新工艺，进一步增强了除磷脱氮效果。随着自动化 技术的不断发展和p l c 控制系统的迅速普及，s b r 工艺越来越被广泛应用。但对于 一些中小规模、且有一定管理水平的城市污水处理厂，s b r 工艺不失为一种优选工 艺。郑雅楠f l o 】等采用s b r 工艺研究了常、低温下城市污水短程硝化的实现及特性， 研究结果表明，随着温度的降低比氨氧化速率只是略微减缓，2 7 时的比氨氧化速 率是1 3 时的1 6 8 倍，而亚硝化积累率始终维持在9 0 以上。柴艳芳【1 1 1 等采用s b r 工艺处理城镇污水，试验研究了不同操作方式对处理效果的影响，研究表明，控制 温度为2 5 ，曝气时间为3h ，d o 维持为2m g l o 时，对c o d 的去除效果最佳。 黄艳【1 2 】等采用s b r 工艺对城市污水进行c o d 的降解研究，考察了时间、温度及有 机负荷的变化对c o d 去除率的影响，从而确定了s b r 工艺处理城市污水的最佳运 行条件。 1 2 4 氧化沟工艺 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ，o d 工艺) 是上世纪5 0 年代初期由荷兰卫生工程研究所 研制成功的，是传统活性污泥法的一种改型和发展。氧化沟工艺是一种封闭的沟渠 型结构，污水和污泥的混合液在沟内不停的循环流动，由于与曝气器距离的不同， 池内溶解氧浓度也不相同，呈现出好氧区与缺氧区的交替变化，使其具有较好的脱 氮功能和污泥沉降性能。氧化沟主要包括池体、曝气设备、进出水设备、导流混合 设备及附属构筑物5 部分结构，一般不设置初沉池和污泥消化池。氧化沟大体可分 为多沟交替式、奥贝尔式、一体化式和卡鲁赛尔式四类。该工艺具有有机物去除率 高、运行稳定、结构简单、具有脱n 除p 功能、管理方便等特点，适用于中小规模 的低负荷污水处理厂。乔海兵1 1 3 】等采用氧化沟工艺对城市污水进行了脱氮除磷研究， 试验过程中采取微孔曝气加搅拌、连续流间歇曝气的运行方式，试验运行结果表明， t n 负荷为o 0 2l 唱n ( k g m l s s d ) ，曝气时间与总水力停留时间比为4 0 左右时，系 统脱氮率和除磷率分别达到8 0 和3 5 以上，比连续曝气氧化沟出水水质好，且更 节能。 上述工艺在处理城市污水方面虽取得了较好的运行效果，但就研究及应用情况 看，其投资大、运行费用高的问题未能根本解决。因此，迫切需要研制一种投资省、 3 河北科技大学硕士学位论文 运行费用低的城市污水处理技术，以解决水环境质量日益恶化的问题。而厌氧生物 处理技术是一种净化效率高、有机负荷高、投资小、运行费用低的高效生物处理技 术。目前，厌氧生物处理技术在处理高浓度有机废水时已得到了成功的应用，应用 该技术处理低浓度有机废水现在已成为人们关注的热点。 1 3 厌氧处理技术现状及进展 厌氧生物处理技术是在厌氧条件下，利用厌氧微生物降解作用将有机污染物转 化为甲烷、水、二氧化碳、硫化氢和氨等复杂的生化过程。厌氧生物处理技术在污 水处理中的应用已有一个多世纪，其中厌氧反应器是该处理技术发展最快的领域之 一。实践证明，保持足够的生物量并使污水与污泥充分的混合接触是厌氧反应器高 效、稳定运行的关键，由此产生了多种不同类型的厌氧反应器。由厌氧反应器的发 展历程可以看出，第一、二代厌氧反应器研究重点主要集中于反应器的结构方面， 而第三代厌氧反应器的主要集中于厌氧微生物的固定化( 污泥颗粒化) 技术的研究。 1 3 1第一代厌氧反应器 早期的厌氧生物处理技术主要是处理城市污水中大量易腐败的有机物，1 8 6 0 年 法国工程师m o u r a s 将沉淀池改进为水处理构筑物。1 8 9 5 年，英国人c a m e r o n 创造 了一种自动净化器，被命名为化粪池。化粪池是最早的厌氧处理装置，也是最常用 的污水预处理系统。1 9 0 4 年德国人i m h o f f 在t r a c i s 的研究基础上设计了一种将污水 沉淀、消化分别在上下两层的双层沉淀池，被称为隐化池。到1 9 1 4 年美国已有1 4 座城市建立了厌氧消化池，此后直至1 9 5 0 年，可加温的连续搅拌反应器( c s t r ) 得到 了迅速的发展，比传统的消化池有明显的优势。上述反应器后来被统称为第一代厌 氧反应器，主要用于污泥的消化及城市污水的处理。这些厌氧反应器污泥与废水完 全混合，无法将水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 分离，致使h r t 较长；反 应器内厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，处理效果差。典型第一代厌氧反应器的 主要技术指标见表1 1 。 表1 - 1第一代厌氧反应器的主要技术性能 t a b i 1 t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f f i r s tg e r a l i o n 姐a e r o b i cr g a c t o 塔 4 第1 章绪论 1 3 2 第二代厌氧反应器 随着人们对厌氧生物处理技术的深入研究，上世纪7 0 年代后以提高厌氧微生物 浓度，强化传质作用，缩短水力停留时间为基础的各种高效低能耗的厌氧生物反应 器相继出现，并逐渐在废水处理中应用。1 9 7 4 年荷兰人l e t t i n g a 等研制开发了升流 式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 【1 4 d 引，标志着厌氧反应器进入了新的时代。此后陆续出 现的厌氧滤池( a f ) 、厌氧流化床( a f b ) 和下行式固定膜反应器( d s f f ) 等统称为第二代 厌氧生物反应器。其中最具代表性的是u a s b 反应器。上述反应器的一个共同特点 是水力停留时间与污泥停留时间的分离，反应器处理高浓度有机废水所需时间由过 去的以天计缩短到以小时计，而污泥停留时间可达到上百天。第二代厌氧反应器的 主要技术性能如表1 2 所示。 表1 2 第二代厌氧反应器的主要技术性能 t a b i - 2t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fs e c o n dg e n e r a t i o na n a e r o b i cr 础o r s 1 3 3 第三代厌氧反应器 厌氧反应器中不仅要分离水力停留时间和污泥停留时间，还应使污水与污泥之 间充分接触。厌氧反应器中污水和污泥的混合取决于布水系统，合理的布水系统可 保证固液充分接触。同时，反应器中液体表面上升流速和沼气的搅动等因素也对污 水与污泥的混合起着重要的作用。如在低温条件下运行，或在低负荷下运行，由于 不可能产生大量沼气而产生较强的扰动，故反应器中混合条件较差，从而出现短流 现象；如提高反应器的水力负荷来改善混合状态，则会使污泥流失。正是为了解决 上述问题，上世纪9 0 年代初在以厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e g s b ) 【1 9 - 2 8 】和内循环厌 氧j x j 立器r ( i c ) 1 2 9 】为代表的第三代厌氧反应器相继出现。其特点是反应器单位容积的生 物量高，有机污染物净化效率高，液体表面上升流速较大，能承受较高的水力负荷， 具有较大的高径比，占地面积小，动力消耗小，且在温度和基质浓度较低的条件下， 可取得较好的净化效果。第三代厌氧反应器的主要技术性能如表1 3 所示。 5 河北科技大学硕士学位论文 表1 3 第三代厌氧反应器的主要技术性能 t a b i - 3t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f t h i r dg e n e r a t i o na n a e r o b i cr e a c t o r s 反应器技术指标 e g s bi c 反应器两度，( m ) 1 2 1 61 8 2 4 _ k 升g g ( m h - 1 ) 2 5 1 26 1 6 回流比2 0 一- 3 0 02 0 一 3 0 0 微生物浓度他l 。1 ) 5 0 1 0 04 5 一9 2 出水悬浮物浓度( m g l 。1 ) 10 - - 一6 02 0 10 0 1 4 厌氧技术在城市污水处理中的应用 厌氧反应器的发展经历了3 个阶段：第一阶段主要是以化粪池为代表，其沉淀 过程与厌氧发酵过程同时进行，厌氧菌浓度低，且与有机污染物接触差，处理效果 差；第二阶段发展了以提高微生物浓度、缩短水力停留时间为目的的厌氧反应器， 如厌氧生物滤池( a f ) 、厌氧折流板反应器( a b r ) 、上流式厌氧污泥床( u a s b ) 等，其 中以u a s b 反应器的发展最引入注目，但当进水有机污染物浓度低、产气量较小时， 有机污染物与厌氧菌之间的传质效果不佳，使反应器的处理效果较差；第三阶段发 展的厌氧反应器主要是厌氧内循环反应器( i c ) 、厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 和厌氧 膜生物系统( a m b s ) 等【3 0 1 。尽管厌氧反应器种类繁多，但其原理都是利用厌氧茵体的 代谢活动，分解水中有机污染物。 1 4 1化粪池 化粪池( s e p t i ct a n k s ) 是早期的厌氧反应器，也是最常用的城市污水原地预处理系 统。典型的化粪池可以去除城市污水中可沉性固体、油脂等。该装置具有结构简单， 耐冲击负荷能力强，运行成本低等优点，但由于污水在池内的停留时间较短、温度 较低，污水与厌氧微生物的接触较差，因而化粪池的主要功能是预处理作用，仅对 城市污水中的悬浮固体加以截留并消化，而对溶解性和胶态的有机污染物的去除率 则很低，不能达到城市污水排放的相关标准要求。 1 4 2 厌氧滤池 厌氧生物滤池( a f ) 是采用填料作为微生物载体的一种高效厌氧反应器。厌氧菌 附着在填料上，逐渐生长形成生物膜，生物膜与填料一起形成生物滤床，废水流经 滤床后逐渐被厌氧微生物降解。根据水的流向不同，厌氧生物滤池可分为上流式和 下流式两种。上流式滤膜形成较快，容积负荷较高，但容易堵塞，需定期反冲洗； 而下流式膜形成较慢，容积负荷较低。厌氧生物滤池内的填料改善了微生物的生存 6 第1 章绪论 环境，故反应器的处理效率较高，主要适用于含悬浮物量少的溶解性有机废水。 王昶【3 1 】等采用降升流两级厌氧生物膜滤床处理城市污水，研究表明，污水经两 级厌氧消解后c o d 去除率可达6 8 4 ，b o d 5 去除率为5 8 。o 。魏举旺【豫j 进行了厌 氧滤池处理城市污水的生产性试验研究，研究表明，c o d 去除率随季节变化明显， 夏季处理效果最好，c o d 去除率在6 1 左右，冬季最差，c o d 去除率仅为3 0 左 右，特别是在温度低于1 0 时，厌氧滤池对c o d 的去除能力急剧下降。 1 4 3 厌氧折流板反应器 厌氧折流板反应器( a b r ) 是上世纪8 0 年代m c c a r t y 和b a c h m a n n 等人开发研制 的一种新型高效厌氧生物处理技术。a b r 反应器设有上下折流板，从而沿水流方向 形成了多个串联的隔室，实现了水解、酸化、产甲烷三个不同阶段的分离，在单个 反应器内实现了两相或多相运行，每个不同阶段都能够培养出在各自阶段占优势的 专一菌种，提高了反应效率，因此处理效果较好。由于反应器采取折流板设计，使 城市污水在反应器内的水力停留时间( h r t ) 延长，增加了污水与生物的接触时间，使 反应更充分，加快了生物反应的进程。 信欣p 3 j 等研究了恒温( 3 5 ) 下a b r 反应器处理城市污水的启动及运行特性，试 验结果表明，a b r 反应器历时3 9d 完成初启动，c o d 去除率稳定在6 0 左右，当 水力停留时间( a r t ) 为7h ，容积负荷为1 6 1 2k g ( m 3 d ) d 时，c o d 平均去除率高达 8 0 2 ，出水c o d 低于1 0 0m g l 。李清雪【3 4 】等在低温条件- f ( 9 - - 1 9 ) 采用a b r 反应器进行了处理城市污水的试验研究，试验结果表明，水力停留时间( i - m a d 为2 4h 时，a b r 反应器具有良好的处理效果，c o d 平均去除率为6 5 5 ，s s 平均去除率 为8 8 1 ，说明a b r 反应器有广阔的应用前景。 1 4 4u a s b 反应器 u a s b 反应器由进水系统、反应区、三相分离器、出水系统和气室组成。u a s b 反应器内有大量的颗粒污泥，废水由底部进入反应器与颗粒污泥充分混合接触后被 厌氧微生物降解。、与其他厌氧反应器相比，具有处理效率高，运行稳定、出水水质 好、能耗低、操作简单，处理费用低，占地面积小等特点【3 5 1 。近年来，u a s b 反应 器在高浓度有机废水处理中得到广泛应用，但因厌氧微生物生长缓慢，生物增长量 低，故处理低浓度的城市污水时，出现了颗粒污泥培养困难等问题。 l e t t i n g a l 3 6 】等采用u a s b 反应器进行了处理城市污水的研究，在水温8 - - 2 0o c 、 水力停留时f 司( h r t ) 为1 2h 时，c o d 去除率达到6 5 - - 8 5 。此后，b e h l i n g 3 7 】等采 用u a s b 反应器处理城市污水的中试研究结果表明，常温下h r t 为7 6h 时，c o d 平均去除率为8 5 。杨琦【3 8 】等采用u a s b 反应器对城市污水处理进行了中试研究， 结果表明，u a s b 反应器处理城市污水，出水水质良好，c o d 小于1 0 0m g l ，c o d 7 河北科技大学硕士学位论文 去除率为5 2 - - - 8 3 ，s s 去除率为9 5 左右，u a s b 处理城市污水的最佳水力停留 时间( h r t ) 为6h 。雒文生【3 9 】等采用u a s b 反应器，在常温下处理低浓度城市污水， 经过运行6 个月的运行，反应器在水力停留时间( h r t ) 为2 5 3 0h ，上升流速为1 4 1 7m h 1 时，c o d 去除率比较稳定，最高可达8 0 左右。易赛莉m 】等采用颗粒污泥 接种的u a s b 反应器进行了处理城市污水的中试研究，考察了温度、负荷率等不同 影响因素下反应器的处理效果，分析了各参数对反应器运行性能的影响，为u a s b 反应器处理城市污水提供了理论和实践指导。 大量研究结果表明，采用u a s b 反应器处理城市污水可取得了良好的效果，但 出水c o d 较高( c o d 为1 0 0 一- 2 0 0m g l d ) ，其原因是u a s b 反应器高径比较小、污 水的上升流速也较小( 0 5 - 1 0m h - 1 ) ，难以实现均匀布水，污水与污泥混合较差，易 形成沟流和死角。 1 4 5e g s b 反应器 厌氧膨胀式颗粒污泥反应床( e g s b ) 是上世纪8 0 年代后期由荷兰农业大学 l e t t i n g a 课题组研制开发的新型厌氧反应器【2 钔，该反应器是在u a s b 反应器的基础上 进一步发展的第三代厌氧反应器。与u a s b 反应器相比，e g s b 反应器具有高径比 大、流体上升流速高、容积负荷高，颗粒污泥处于悬浮状态，污水与污泥之间能很 好的接触，传质效果好等特点，更适合于处理低浓度的城市污水。e g s b 反应器的研 制成功使低温污水( 1 5 以下) 厌氧生物处理成为可能【4 1 1 ，在处理低浓度城市污水时 表现出很好的性能。 l a s t 等【4 2 】采用e g s b 反应器对城市污水进行处理研究，接种污泥为处理造纸废 水的生产性u a s b 反应器内的颗粒污泥，在温度为1 3o c 的条件下，当容积负荷大 于2 7k g c o d ( 1 n 3 d ) ，h r t 大于3 5h 时，可溶性c o d 去除率和总c o d 去除率分 别为5 l 和3 4 。杨琦1 4 3 j 等采用e g s b 反应器进行了处理城市污水的试验研究，结 果表明，采用e g s b 反应器处理城市污水，出水水质良好，c o d 小于7 0m g l 一，c o d 的去除率在7 3 - 9 0 之间。吕志伟】等采用e g s b + s b r 组合工艺对城市污水进行 了试验研究，结果表明，常温下e g s b 反应器的水力停留时间f l i r t ) 为3h ，容积负 荷达到3 5k g c o d ( m 3 d ) 1 时，c o d 去除率为9 5 。耿熠宇【4 5 】等在常低温条件下采 用e g s b 反应器处理城市污水，试验结果表明，高进水流量( 1 5 - 2 4l h 以) 、高液体 上升流速( 3 0m h 1 ) 和低回流比( o o 6 ) 是e g s b 反应器最适宜的运行条件，此时c o d 的去除率达8 1 9 以上。 1 5 研究目的及内容 厌氧反应器作为一种高效节能的污水处理技术处理城市污水以成为国内外水处 理领域的一个研究热点，不少学者对此进行了大量的研究，并取得显著的效果，但 8 第1 章绪论 仍有一些问题需要进一步深入的研究和探索。许多研究者对厌氧反应器的水力停留 时间( h r t ) 、p h 和温度等运行控制参数分别进行了研究，但仍不够深入和系统，特 别是容积负荷和上升流速控制等方面还缺乏细致的研究。 因此，本研究采用厌氧反应器，以城市污水为处理对象，目的旨在：考察厌氧 反应器的启动及运行效能，探索影响反应器运行性能的影响因素，确定厌氧反应器 处理城市污水的最优运行条件，建立基质降解动力学模式和污泥增长动力学模式， 使其成为高效、节能的污水处理最佳实用技术。 本文研究的内容主要包括： 1 ) 以处理工业废水的厌氧反应器颗粒污泥为高效厌氧反应器的接种物，探索高效 厌氧反应器处理城市污水的启动方式，考察高效厌氧反应器在启动、负荷提高和稳 定运行过程中的运行效能。 2 ) 探讨容积负荷、水力停留时间、上升流速、温度、p h 等主要影响因素对反应 器运行效果的影响，确定厌氧反应器处理城市污水的最优运行条件。 3 ) 建立最佳运行条件下厌氧反应器处理城市污水的基质降解动力学模式和污泥 增长动力学模式。 9 河北科技大学硕士学位论文 第2 章试验方法与过程 2 1 试验装置 试验装置由主反应器、外循环装置、集水池、水封和其他辅助设备组成，试验 装置见图2 1 。主反应器为高效厌氧反应器，主要包括下部的污泥床、中部的污泥悬 浮区和上部的三相分离器三部分，由有机玻璃柱加工而成；反应器内径o 8m ，高6m ， 有效容积为3m 3 ，沿高度方向在不同高度位置设置了5 个取样口；反应区接种污泥 后形成颗粒污泥床；三相分离器由集气室和污泥区构成，内径1 0 0r n l t l ，高1 5 0i n t o ， 容积1 0l 。 1 集水池2 计量泵3 撙向阀4 _ 厌氧反应器 5 - 水封纠召气流量计7 一集水槽8 流量计 图2 - 1 试验装置示意图 f i g 2 - it h es e h e m a t i ed i a g r a mo f t e s td e v i c e 沼气 2 2 试验工艺流程 城市污水经一沉池沉淀后进入集水池，再由计量泵从底部进入厌氧反应器，污 水与反应器底部污泥床中厌氧颗粒污泥接触，有机污染物被厌氧菌群降解，同时产 生沼气( c h 4 、c 0 2 ) ，污水、沼气和挟带的污泥随水流向上至反应器上部的三相分离 器中进行气、固、液三相分离：沼气经水封、流量计计量后排放，澄清后的污水进 入集水槽，污泥沉降至反应器底部的污泥床：为提高厌氧反应器内污水和颗粒污泥 的混合程度，设一回流泵，将集水槽中的废水回流至反应器底部。 1 0 一 第2 章试验方法及过程 2 3 试验用水 试验用水为石家庄市桥西污水处理厂一沉池出水，主要水质指标见表2 1 。 表2 - l 废水水质情况表 t a b 2 - 1 w a s t e w a t a q u a l i t y - _ 一 塑堡 ! ：! 二：兰 2 2 0 4 0 0 1 5 0 - - 1 8 0 2 2 3 1 一 2 4 接种污泥 接种污泥为华北制药集团康欣公司污水处理站处理维生素b 1 2 和淀粉废水的 u a s b 反应器中的厌氧颗粒污泥。污泥经静沉、淘洗，去除絮状和破碎的污泥后作 为厌氧反应器的接种污泥，颗粒污泥污泥粒径为0 8 - 1 5n l l n ，v s s s s 为0 7 6 ，接 种量为1 0 5g v s s l 。 2 5 主要分析项目及测定方法 监测项目及方法【蛔见表2 - 2 。所用设备仪器和药品分别见表2 - 3 、表2 4 。 表2 - 2 废水监测项目及方法 t a b 2 - 2 m o n i t o r i n gi t , m sa n dm e t h o do fw a s t c w a t c r _ _ 一一_ 壁曼一 堕型堕旦 堕型立鎏 l p hp h s 2 型酸度计 2 水温 水银温度计 3 c o d 重铬酸钾法 4 m l s s 减量法 5 m l v s s 灼烧减量法 一 生望塑 垡丝鎏： 表2 3 主要设备仪器 t a b 2 - 3t h cp r i m a r ye x l u i p m c n t sa n da p p a r a t u s _ - - - _ _ _ 一_ _ 壁曼 垡壁垒整 一用途 生产厂家 二= 二= 一一一= 兰：翌： l p h s 2 c 型酸度计 测定p h 值杭州东星仪器设备厂 2 a b 2 0 4 n 型电子天平 称样 梅特勒托利多仪器有限公司 3 d g b 2 0 - 0 0 2 台式干燥箱 烘干样品 重庆试验设备厂 ! 兰蚤2 ：曼：1 2 型笪垫皇里筮塑烧样品 天津立新机电设备厂 。z = z 二二二一一- 一 -：= ：2 = = ： 河北科技大学硕士学位论文 表2 - 4 试验药品 t a b 2 - 4t h el e e c h d o mo fe x p e r i m e n t a t i o n 2 6 试验方法 以处理工业废水的厌氧反应器颗粒污泥为本研究厌氧反应器的接种物，探索高 效厌氧反应器处理城市污水的启动方式，考察高效厌氧反应器在启动、负荷提高和 稳定运行过程中的运行效能。 厌氧反应器稳定运行后，探讨容积负荷、水力停留时间、上升流速、温度、p h 等主要影响因素对反应器运行效果的影响，确定厌氧反应器处理城市污水的最优运 行条件。 根据试验结果，建立最佳运行条件下高效厌氧反应器处理城市污水的基质降解 动力学模