（环境科学与工程专业论文）低浓度污水的厌氧、好氧生物处理.pdf

低浓度污水的厌氯、好h 生物处理 摘要 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri n c l u d e sb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fl o w s t r e n g t hw a s t e w a t e ru n d e ra e r o b i co ra n a e r o b i cc i r c u m s t a n e c a4 2 7 1 it e ru p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ( u a s s ) r e a c t o ri su s e dt o t t e a tg l u c o s ew a s t e w a t e r ，w h i c hc o dc o n c e n t r a t i o ni sa b o u t5 0 0 m g 1 u s i n g a c t i v a t e ds l u d g ea si n o c u l a t i o n 。t h eu a s br e a c t o rs t a r t s u pa t3 5 ， w it hao r g a n i cl o a do fo n l y0 3 4 9 c o d i d a p p r o x i m a t e l y9 0 dl a t e o r g a n i c l o a d o ft h eu a s br e a c t o ri n c r e a s e dt o 0 3 4 9 0 0 d 1 d t h o u g ht h ec o d r e m o v a lr a t e si sn o tt o oh i g h ，g r a n u l a rs l u d g ec a nb ec u l t i v a t e dw i t h d i a m e t e ro f0 5 2 m m a tt h es a m et i m e ，a1 1 5 1 i t e rm b b r ( m o v i n gb e db i o f i i mr e a c t o t ) i st e s t e d f o rt r e a t m e n to f1 0 ws t r e n g t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e r b ym i c r o s c o p e sa n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e s t h em i c r o s t r u c t u r eo fb i o m a s si nm b b ri s o b s e r v e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u s p e n d e ds l u d g ea n db i o f i l mo n c a r r i e re l e m e n t si sa i s op r e s e n t e d t h em b b r f i l e dw i t h2 5 o fc a r r i e r e l e m e n t s ，i su s e dt ot r e a ti n f l u e n t ( i o o m g 1i nc o dc o n c e n t r a t i o n ) f o r1 9 h o u r sh r t ，w h i c hr e s u l t e di nc o dr e m o v a lu dt o8 5 a n db o d jc o n c e n t r a t i o n 0 fe f f l u e n tl e s st h a n5 m g 1 a f t e rt h eb e n c h s c a l ee x p e r i m e n t ，t w om b b r ，w h i c hv o l u m ea r eb o t h1 2 0 m 二， aree s t a b l i s h e dp a r a l l e lt ot r e a tt h el o ws t r e n g t hs e w a g ef o rf u s h u n e t h e n e c o r p o r a t i o n t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e o ft h em b b ri s2 4 h a f t e r e n t e r i n gi n t oah i g he f f i c i e n c yf i b e rb a l l sf i l t r a t ep o t ，t h ee f f l u e n t canr e a c ht h es t a n d a r d sf o rw a t e rr e c y c li n g b e c a u s eo ft h e l o wc o d c o n t e n t r a t i o no ft h ei n f l u e n t i tisd i f f i c u l tf o rb i o m a s st od e v e l o po n c a r r i e r e l e m e n t si nm b b r b ya d d i n gn u t r i m e n ti n t ot h ei n f l u e n t t h em b b r s u c c e e dt os t a r t u pi n3 d w h e nu s i n g i b b rt ot r e a tt h ee f f l u e n to ft h eu a s br e a c t o r ，t h eb i o f i l m o nt h ec a r l i e r e l e m e n t scand e v e l o ps o o nw i t h o u ti n o c u l a t i o n k e y w o r d s ：l o ws t r e n g t hw a s t e w a t e r ： c u l t i r a t e ：u a s br e a c t o r ： i i m b b r ；w a t e rr e u s i n g ：b i o f i l m g r a n u l a rs l u d g e 低浓度污水的废h 、好h 生物处理前苦 前言 中国的淡水资源丰富，总量处于世界第六位，但由于人口众多，人均淡水 资源占有量是世界人均占有量的1 4 ，居世界1 4 9 个主要国家的第1 1 0 位。同时， 由于中国地区差异极大，河、湖流域分布极不均衡，工农业发展水平各不相同， 造成西部、北部很多工业发达地区严重缺水。由于环境污染治理工作长期滞后 于社会经济发展速度。人们环保观念淡漠，现有水源也在受到日益严重的污染、 破坏，使很多原本水资源丰富的城市和地区不得不面对有水而不能用的尴尬局 面。 要解决水资源匮乏的问题，从我们环境科学研究工作者的角度出发，一方 面要搞好污染排放控制，保护水源水质；另一方面也要考虑加强清洁生产，减 少末端污染排放量，进行污水的深度处理，循环使用。城市生活污水和大部分 生产废水的有机物浓度都不高，或者某些种类的废水虽然最初浓度较高，但经 二级生化处理后都能达到排放标准，成为低污染水。若能对这些水进行深度生 化处理，重新予以利用将产生巨大的经济和社会效益。 本论文的主要工作正是基于上述考虑，在研究了国内外污水深度处理技术 发展趋势的基础上，综合考虑各种因素，确定了用m b b r 好氧处理低浓度生活 污水，u a s b 厌氧处理低浓度污水，u a s b 与m b b r 联用的工艺方案。 低浓度污水的概念，对于好氧处理和厌氧处理来说是不同的，具体的指标 也没有定论。从某些学者的意见来看。好氧处理时，低浓度污水的c o d 浓度应 在1 0 0 m g 1 以下：而对于厌氧处理而占，c o d 浓度在1 0 0 0 m g 1 以下的即可视为 低浓度污水。小试研究中，好氧部分和厌氧部分处理的都是人工合成的污水， 虽然不能完全代表实际污水，但能够得出污水处理理论及基本规律。 本论文所研究的项目没有基金支持，但杨凤林教授和张兴文博士独具慧眼， 非常看好这方面的工程应用前景，自筹资金展开了其研究工作。2 0 0 1 年，适逢 中石化扰顺乙烯有限公司立项对其生活污水进行处理、回用。大连理工大学环 境工程研究所由杨凤林教授和张兴文博士牵头，设计了移动床生物膜反应器生 化处理，絮凝沉淀后经高效纤维球过滤、活性炭过滤、投氯消毒的处理工艺， 并在工程完工之后成功启动运行。该工程己于2 0 0 1 年1 0 月底验收完毕目前 每天可为抚顺乙烯有限公司节省循环补充水2 4 0 0 m 3 左右。 本人作为杨凤林教授的硕士研究生，在杨风林教授，张兴文老师，杨卫身 老师等人的悉心指导下，完成了m b b r 好氧处理低浓度污水的小试研究，u a s b 厌氧处理低浓度污水的小试研究，并参与了m b b r 工程应用项目的调试与启动。 本人以上述研究和实践工作为主要内容，加上对该领域国内外发展趋势的 综合论述，完成了本论文。 x l 低浓度污水的厌毓、好铽生物处理低浓度污水处理的研究进胜情况 1低浓度污水处理的研究进展情况 1 1 处理低浓度污水的意义 1 1 1 概述 中国是一个水资源匮乏的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的 四分之一，而且在时空分布上极不均匀，致使许多地区和约3 0 0 个城市缺水， 其中严重缺水的城市有5 0 个，城市同均缺水1 0 0 0 万m 3 ，致使每年减少财政收 入2 0 0 多亿元。 水域的污染问题严重，这更加剧了水资源的短缺。从九十年代开始，为了 适应经济发展和人们生活水平提高的要求，在水与废水的研究与开发方面，陆 续加大了四个方面项目的研究及应用力度：湖泊型饮用水源的污染和防治：饮 用水净化：污水处理及回用；水工业关键设备和器材研制与开发。 可见，低浓度污水的处理和回用j 下同益受到重视。 1 1 2 低浓度污水产生的主要来源 低浓度污水的概念，在水处理工艺发展的各个时期不同，对各种具体工艺 而言也有很大差异，到目前为止，并没有统一的标准。 厌氧处理时，有学者认为，c o d 浓度低于1 0 0 0 m g l 或b o d 5 浓度低于 5 0 0 m g i 的污水就可以视之为低浓度污水。而好氧处理时，低浓度污水的c o d 浓度则低得多，甚至某些微污染水也可以归入此类。 产生低浓度污水有两方面的主要来源，其一是城市居民r 常生活产生的生 活污水：其二是企业厂矿生产过程中的低浓度生产污水。此外，还包括某些受 到轻度污染的给水、地下水等。 受地域和气候的影响，中国南方城市的生活污水浓度一般都较北方城市的 要低，特别是在南方的雨季，这一问题更为明显。企业厂矿的低浓度生产污水 包括各种设备，厂房的冲洗水，冷凝水，员工洗澡水等。 某些污水处理厂的二级生化处理出水一般都能达到二级排放标准，c o d 浓 度在1 0 0 m g l 以下，若要对其进行深度处理，则这部分水也可称作低浓度污水。 1 1 3 处理低浓度污水的目的 对于低浓度污水，一方面必须将其处理达到排放标准，为企业减少排污费， 保护环境水体不受污染；另一方面还要考虑对其进行深度处理，以便中水回用， 节水减污，合理利用水资源，实现经济效益、社会效益和环境效益三者统一。 低浓度污水的块钮、好韫生物处理低浓度污水处删的研究进艟情；兄 1 2 低浓度污水处理的主要方法及其原理 1 2 i 生物法处理工艺 处理低浓度污水，包括微污染水，可以采用生物法或非生物法。 生物法使用得比较多的有活性污泥法、生物滤池、生物接触氧化法、生物 流化床、生物稳定塘等等工艺。 厌氧生物法处理的原理 厌氧生物处理法是厌氧微生物在无氧条件下，使有机物转化，稳定的一种 处理方法。它是一个生物化学的转化过程，废水中的有机物在无氧条件下被转 化为甲烷和二氧化碳工程上也称之为厌氧消化( a n a e r o b i cd i g e s t i o n ) 。 随着好氧生物处理法技术的高速发展和活性污泥的普遍采用，好氧处理法 耗能高的矛盾同益突出。如处理生活污水，每立方米污水耗电0 1 5 - 0 2 k w h ， 而处理工业废水则高达1 2 k w h 。厌氧处理技术因具有运行过程能耗低，管理 费用少，并有甲烷产生，可作为能源回收利用等优点而受到重视。 厌氧消化的简单原理见图1 2 。 厌氧消化的反应过程一般认为包括两个阶段。反应初期为产酸阶段，以后 转入第二阶段称产气阶段。从物质的转化过程来看，则把消化过程分为水解 挥发酸生成和甲烷生成三个阶段。从微生物的作用出发，在消化的全过程中， 有机物全部转化为甲烷和二氧化碳，存在这两个大的生理上不同的微生物群落。 即不产甲烷的微生物群落和产甲烷微生物群落。不产甲烷微生物群落将污泥或 污水中的蛋白质，糖类，脂肪等水解和发酵，大部分转化为脂肪酸。产甲烷菌 在将脂肪酸等转化为甲烷和二氧化碳。 不产生甲烷阶段的微生物群落可分为厌氧性水解菌和挥发酸q 三成菌两大 类。厌氧水解菌作用于消化作用初期，它们往往不是专性厌氧菌，而是兼性厌 氧菌。在这个阶段，专性厌氧菌是很少的。 消化池中的不产生甲烷菌都具有水解和发酵有机物而产酸的功能，所以不 产生甲烷菌几乎都参与了消化过程中挥发酸的形成过程。这一过程中专性厌氧 菌种类多，而兼性厌氧菌数量多。不产甲烷菌群落的代谢最终产物是饱和的脂 肪酸、二氧化碳和氨，还有各种醇和醛的化合物等，如甲酸、乙酸、丙酸、丁 酸、琥珀酸、乳酸等。 甲烷菌是专性厌氧菌，它必须在绝对无氧的条件下才能生长繁殖，氧的存 在对它有毒害作用而抑制生长甚至死亡。 目前已经对获得纯化的数种甲烷细菌进行了深入的研究，这些甲烷菌属的 特点如下：p h 值的适应范围窄，为6 8 7 8 。最佳p h 6 8 7 2 ：温度适应性较 弱，可分中温( 3 0 一3 5 ) ，高温( 5 0 一6 0 ) 在一定温度驯化后中温2 ， 低浓度污水的j i 爰锻好钒生物处理低浓度污水处理的研究进胜情况 高温l ；世代时间长一般为4 6 d 一代：专一性很强因此分解往往不完 全：能氧化分子h 2 ，以c 0 2 为电子受体f 2 1 。 原生质( 微生物的增k ) l 合成 有机物+ j 儆生物啄生质( 微生物豹增长) ( c 0 h n s p ) 分解 合成 肯静五司r _ fc o “m h ：sl + l 耳乏f 分解 i ：二二：二 圈+ 叵 产酸阶段 幽1 1废水厌氧生物处理过程示意幽 f i g 1 - ls k e t c hm a po f a n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n to f w a s t e w a t e r 相同基质甲烷发酵能量为好氧呼吸能量的1 ，2 0 一1 3 0 。所以甲烷细菌进行 旺盛生命活动要消耗大量基质。但是在消化系统中甲烷菌是在食料不足情况 下生长，产生的能量只能供细胞维持生活，很少合成新细胞。因此繁殖慢，数 量少产生的剩余污泥少。 废水好氧处理的原理 在好氧条件下。以胶粒状、溶解状存在的高能位有机物经过一系列好氧微 生物的生化反应，逐渐释放能量。最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无 害化的要求。其处理过程可以用图1 1 简单说明。 1 2 2 非生物法处理工艺 非生物法包括微滤、超滤等各种膜处理工艺，以及化学絮凝、离子交换、 臭氧、紫外光催化等等各种工艺。这些方法通常与普通的生化处理法联用或 者单独使用，主要进行给水处理或是深度后处理。例如，国内有研究者用臭氧 陶粒一元化系统，依靠臭氧的氧化作用，陶粒的吸附截留作用以及陶粒表面好 氧微生物的生物降解作用，去除水中微污染有机物【孤。 3 低浓度污求的状氧、好轼生物处理 低浓度污水处理的研究进聪情况 圈1 - 2废水盘_ f ：氧生物处理过程示意幽 f i g 1 - 2s k e t c hm a po f a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n to f w a s t e w a t e r 1 3 厌氧生物法处理低浓度污水 热 i 3 1 厌氧处理低浓度污水的研究进展 概述 厌氧处理工艺形式多样。特点各异，但其基本原理都是利用厌氧水解菌和 厌氧产甲烷菌的代谢活动，将水中的大分子有机污染物水解为小分子的醇类和 有机酸后，最终转化为甲烷和二氧化碳( 沼气的主要成分) 。处理低浓度污水时， 有很多与普通厌氧处理法不同的地方。 相对于好氧处理，厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源，其 处理设备负荷高。占地少，产生的剩余污泥少而且其处置比好氧污泥容易。 c i l l e ( 1 9 6 9 年) 曾认为当污水浓度大于4 0 0 0m g c o d 1 时，厌氧处理才比好氧 处理更加经济。然而随着能源的日益紧缺，厌氧工艺的不断发展和完善，厌氧 处理的优点显得更加突出。越来越多的研究者把目光转向低浓度污水的厌氧处 理，无论是实验室小试还是生产性处理都取得了大量成果。 最初，人们用厌氧消化池处理生活污水。但是由于该工艺的污泥停留时自j ( s r t ) 与废水的停留时间( h r t ) 相同，无法给世代时阍长( 6 8 天) 的甲烷菌 提供良好的生存条件。因此污泥在反应器里浓度较低处理效果差。厌氧接触 反应器设有污泥回流装置，使厌氧污泥在反应器中的停留时间超过了水力停留 时间，处理效率与负荷显著提高，但微生物保持性能还是不够理想。在用地宽 裕的情况下，厌氧塘是成本较低的一种选择，特别是超深厌氧塘，其c o d 去除 率比常规厌氧塘平均提高1 0 ，h r t 为1 2 2 d ，c o d 负荷可达2 5 0 4 0 0 9 m d 。“。 ! 垦整些曼查竺鉴墼：墅篁圭塑丝些堡鉴些翌查竺些竺业! ! 些丛塑堡 厌氧生物转盘负荷较高，不会发生堵塞的问题z a o y a n ，y t = * j 等人用厌氧生物转 盘结合好氧生物转盘处理染料废水，在厌氧生物转盘h r t 为7 到8 小时，好氧 生物转盘h r t 为4 5 到5 小时的条件下，可将c o d 从6 0 0 - 9 0 0 降至1 5 0 ，色度由 2 0 0 5 0 0 倍降至8 0 倍。 6 0 年代后，相继发展了厌氧滤池( a f ) 厌氧流化床( a f b ) ，上流式厌氧污 泥床( u a s b ) ，厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) ，厌氧折流板反应器( a b r ) ，厌氧 序批式活性污泥法( a s b r ) 等厌氧处理工艺，下文主要介绍它们处理低浓度废 水的研究应用现状。 厌氧滤池( a f ) 厌氧滤器是采用填科作为微生物载体的一种高速厌氧反应器。厌氧菌在填 充材料上附着生长形成生物膜。生物膜与填料一起形成固定的滤床，其结构 和原理类似于好氧生物滤床。厌氧滤池采用上流式时容易由于悬浮物堵塞造成 水头损失加大形成短流，因此需要定期反冲洗。而下流式则膜的形成较慢 容积负荷也较低。厌氧滤池的填料可用颗粒活性炭、碎石、陶瓷材料的拉希环、 聚丙烯波尔环、各种软性填料等。 厌氧滤池的特点是构筑简单运行方便、灵活。很适合于小批量的生活污 水处理，通常都和其它厌氧或好氧工艺联用，以获得更佳的出水水质。 k u n i y a s u , k 等人i z 用小型的浸没式厌氧滤池加好氧滤池处理系统进行单住户生 活污水的中水回用，取得了满意的效果，并且因为厌氧滤池的加入可使系统的 排泥周期延长。t a n e m u r a k o u h e i 等人1 2 8 】用厌氧滤池处理进水t o c 浓度3 5 r r i g l 的污水h r t 为4 h 时，出水t o c 可以降到1 5 m 鲋。陈学毅等人【2 9 】用加入新型 填料k 容器的两级厌氧滤池加两级好氧滤池加砂滤的工艺流程处理生活污 水，该种k 容器的几何形状使得微生物在其内部的流动与阻滞得到兼顾，大大 提高了处理效果。 厌氧流化床( a f b ) 及厌氧膨胀床( a e b r ) 厌氧流化床依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜来保留厌氧污泥。由于 填料在较高的上流速度下处于流化状态，传质作用强，所以厌氧流化床反应器 可以在较短的h r t 下运行。流化床反应器一般以沙粒、塑料、活性炭、沸石、 玻璃等作为填料。为了使填料处于流化状态需要大量的回流水来保持较高的上 流速度，这就导致能耗加大，成本上升。厌氧膨胀床与流化床很相似，所不同 的是流化床的膨胀率在1 0 0 以上，而膨胀床的膨胀率一般只有2 0 。 t h e i s ，t h o m a sl 等人”3 研究指出，当出水c o d 标准高于2 3 0 m g 1 时，用厌氧膨 胀床处理生活污水是一种经济有效的选择。 t a n e m u r a ，k o u h e i 等人用厌氧流化床在3 7 下处理食品加工厂的低浓废 水。h r t 为6 h ，当t 0 c 从l o o m g l 降到3 5 m g 1 时去除率从8 5 降到6 5 。杨 云霞等人。1 人工合成了多孔高分子载体，运用包络法技术固定微生物进行厌氧 流化床的研究可强化传质过程。克服低浓度有机废水甲烷化能力低的障碍。 同时膨胀能耗也较小。处理c 0 d 浓度为2 2 0 到2 5 0 m g l 的城市污水，h r t 在两小 低浓度污水的腱瓴、好钒生物处理 低浓度污水处理的研究进腱情j 兄 时以上时，容积有机负荷为2 4 2 6 9 c o d 1 d c o d 去除率为5 4 一5 6 。 上流式厌氧污泥床( u a s b ) u a s b 反应器是七十年代发展起来的一种高效厌氧反应器，具有s r t 长，处 理负荷高，运行稳定等优点。这种反应器的高效运行取决于反应器内形成沉降 性能好，活性高的颗粒污泥。厌氧处理过程反应速率缓慢，生物增长量低，而 在处理低浓度废水时，低的有机物浓度更加加剧了这一问题。颗粒污泥的培养 比较困难。u a s b 反应器的详细介绍以及用该工艺处理低浓度污水的研究进展情 况将在1 4 2 节中补充。 厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) e g s b 实际上是改进的u a s b 反应器，不同之处是e g s b 的高径比大，上流速 度也较高，颗粒污泥处于悬浮状态，从而使进水与颗粒污泥充分接触传质效 果更好。特别是在处理低浓度污水时，比u a s b 具有更高的容积负荷。 王凯军等人”以水解反应器( h u s b ) 对城市污水进行预处理，去除s s 并提 高c o d 的溶解性和可生化性后。出水进入e g s b 反应器。在温度8 一1 2 时h r t 仅2 h ，e g s b 可获得6 0 的c o d 去除率。m a r i 0t k a t o 等人”1 在温度3 0 时用e g s b 处理进水c o d 为1 0 0 - - 2 0 0 m g 1 的污水，容积负荷达到1 2 9 c o d l _ d ，去除率8 0 。 s a l i h ，r e b a c 等人。嘲配制c o d 为5 0 0 - - - 8 0 0 m g 1 的污水，在1 0 一1 2 的温度下用 e g s b 进行处理，h r t 为1 6 h ，c o d 去除率可以达到9 0 。 厌氧折流板反应器( a b r ) a b r 反应器是八十年代以来发展的一种高效厌氧处理工艺其实质是一系 列升流式污泥悬浮反应器具有结构简单，生物截留能力强，处理效果好，运 行管理方便等优点o 。a b r 反应器分为若干个隔室，处理高浓度污水时，位于反 应器前端的隔室中，主要以水解及酸菌为主，而在较后面的隔室中，则以甲烷菌 为主。 国外的学者对a b r 处理低浓度污水的性能、微生物分布和出水组成等研究 较多。a l e t t ea m l a n g e n h o f f 等人o ”研究得出，在进水浓度低( c o d 为5 0 0 m g ) 时发酵菌，产酸菌，产甲烷菌在不同隔室中的选择性累积不会发生。在相同 的h r t ( 1 0 h ) 下，温度3 5 时，c o d 去除率为9 5 ，温度2 0 时c o d 去除率 为7 0 降低温度至1 0 c o d 去除率下降到6 0 。在温度3 5 下，h r t 缩短到 2 8 5 h ，进水c o d 为5 0 0 r a g 1 ，去除率可达到8 0 。此外，b a r k e r d d n c a nj 等 人研究了处理低浓度废水的a b r 反应器的出水组成，发现可溶性微生物产物 ( s m p s ) 约占出水总c o d 的5 5 ，而h r t 和反应器的温度是影响可溶性微生物产 物产量的主要因素。 厌氧序批式活性污泥法( a s b r ) 将序批式活性污泥法( s b r ) 应用于厌氧生物处理过程，就是厌氧序批式活 性污泥法( a s b r ) 。典型的a s b r 运行周期包括五个阶段即：进水、反应、沉 淀、出水和空转。其中空转过程可以根据处理情况的要求进行取舍。 温度对厌氧消解速度的影响很重要。n d o n ，u d e m ej 等人”用一系列a s b r 反 6 低浓度污水的厌氧、好氧生物处理低浓度污水处理的研究进胜情i 兕 应器处理c o d 浓度为4 0 0 - - 1 0 0 0 m g 1 的合成废水温度分别为3 5 2 5 ，2 0 和1 5 时，h r t 超过1 2 h 就能获得8 0 - - 9 0 9 6 的c o d 去除率。b a n i k 等人。“1 研究了不同 温度下a s b r 反应器处理低浓废水所形成的颗粒污泥的性质，发现2 5 和1 5 c 时，颗粒污泥的微生物结构及组成没有太大的区别，而5 下培养的颗粒污泥则 呈现出层状结构。 对于高浓度废水，a s b r 靠沼气的产生就可以达到良好的搅动程度。但处理 低浓度废水时，就需要外加搅动( 出液回流或机械搅动) ，要形成沉降性能良好 的颗粒污泥也并不容易，因此加入填料固定厌氧菌能改善反应器的运行状况。 s m r a t u s z n e i 等人”用聚亚胺酯泡沫填料固定厌氧微生物，由磁力搅拌器提供 a s b r 的搅拌，可减少甚至省略沉淀阶段的时间。处理c o d 浓度约5 0 0 m g l 的废 水，每个周期时间为8 h ，c o d 去除率可达到8 6 。 小结 到目前为止，厌氧滤池己在一些小型处理设施中进行了工程应用。上流式 厌氧污泥床也在部分热带地区应用到了生活污水的处理中。但是国内这方面的 研究还不够充分，很少有应用于实际工程的例子。低浓度废水的厌氧处理具有 能耗底。占地少，管理简便等优点，在生活污水的处理方面有着广阔的应用前 景。由于低浓废水的排放量比较大，对其进行加热和保温能耗也较高，所以目 前对低浓废水厌氧处理的研究，大多注重中低温下厌氧反应器的运行性能。同 时，因为单独的厌氧处理对氮、磷等营养元素基本上没有什么去除能力，也不 能很好地除去病菌，出水中含有h = s 、n h 。等异昧物质所以一般厌氧处理系统 后面还应该增设好氧处理。 1 3 2u a s b 工艺简介及其应用于低浓污水处理的研究进展 u a s b 工艺简介 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 t ) 简称u a s b ， 是由荷兰w a g e n i n g e n 农业大学的l e t t i n g a 等人于七十年代研究丌发的。u a s b 技术被广泛应用于处理酿酒业，食品加工业，制糖业等的废水。污泥以颗粒状 存在并且直接在反应器中沉降从而获得较高的平均菌体停留时间( m e a nc e l l r e t e n t i o nt i m e ，简称m c r t ) ，并且有较高的处理负荷( 1 0 - - - 3 0 k g c o d m 3 d a y ) 。 u a s b 技术厌氧消化有良好的价格性能比。与厌氧滤池或厌氧流化床反应系统 相比较，u a s b 技术的投资需要较少 4 4 1 。相同基质甲烷发酵为好氧呼吸能量的 l 2 0 l 5 0 ，所以甲烷细菌进行旺盛生命活动要消耗大量基质。而在消化系统中， 甲烷菌是在食料不足的情况下生长，产生的能量只能供细胞维持生活很少合 成新细胞，因此繁殖慢，数量少，产生的剩余污泥少。 u a s b 反应器也有很多缺点，如：启动周期长处理过程的初期很可能会有 絮状污泥溢出，并且u a s b 反应器要稳定运行需要熟练的操作技巧。 一个典型的u a s b 反应器的主要结构和外形如图1 4 所示。 u a s b 反应器从总体上分为三个部分：消化区，过度区和沉淀区。 ! ! 堡堕塑查堕鉴墼：墅塑兰望竺型堡堕丝受查竺些堕竺! ；竺鳖堕型 消化区由于有颗粒污泥床的存在，是进行厌氧反应的主要场所。所以又称 为反应区。从消化区底部进入反应器的污水在与颗粒污泥床进行充分的混合接 触反应过程中产生沼气及其它气体。在消化区的上部，由于气体的搅动而形成 一个污泥浓度较小的悬浮层，即所谓的过度区。气泡带着污泥和水一起上升进 入沉淀区。在这一区域设有三相分离器上升的气泡碰到三相分离器下部的折 射板会折向扳的四周，并穿过水层进入气室。在三相分离器外部的沉淀区污泥 发生絮凝沉淀并在重力作用下沿三相分离器的外壁下滑回反应区。经泥水分离 后的处理出水则从沉淀区溢流堰上部排出。 l 、三相分离器 2 、折流板 3 、水封4 、厌氧污泥床 图l - 4u a s b 反应器的结构简图 f i g 1 - 4 t h es t r u c t u r eo f u a s b 有机负荷率对u a s b 反应器的影响 u a s b 反应器的有机负荷一般为1 0 - - 3 0 k g m 3 d 。有机负荷太低，不利于厌 氧菌的生长。 另一方面冲击负荷对u a s b 反应器会有很大的负面影响容易导致污泥 溢出，c o d 去除率降低，严重的甚至造成反应器酸化厌氧消化受破坏m i 。 一般来说，在u a s b 反应器的启动初期采用较小的有机负荷，当c o d 去 处率达到较满意的值后，逐步提高负荷。提高有机负荷一般用逐渐加大进水浓 度的办法，但w p b a r b e r 和d _ c s t u k c y 研究了折流式厌氧反应器的启动特性，结 果表明，固定进水基质浓度而逐步缩短水力停留时间h r t 的启动方式优于固定 h r t 而逐渐增大进水基质浓度的启动方式【舶l 。国内有研究显示，采用间歇进水 逐渐延长每次进水时间的方法也可以促进颗粒污泥的形成1 4 ”。 p h 值对i j a s b 反应器的影响 8 堡堡堕至查塑垦塾：堑塑竺塑竺些堡鲨壁! ! 查竺型塑堕塞垄壁! i 堡 由于产甲烷菌对p h 值变化适应能力不强，所以u a s b 反应器的p h 值一般 控制在6 8 7 ，2 。否则，当u a s b 反应器酸化时反应器内的产酸菌大量生长， 产甲烷菌的活性受到抑制。一般，可以靠投加碱，其中最常用的是碳酸钠，来 调节反应器内的p h 值。g h a l ya e a 等人对两相u a s b 工艺处理孚l $ l j 品工厂废 水进行研究时发现，在反应器启动初期，为了保持p h 值，投加碱提高缓冲能 力是必要的。而到了稳定处理阶段，则由于成熟的微生物种群的形成而使反应 器获得较高的稳定性可以不再加碱【4 ”。k a l y u z h n y s v 等人在p h 值为4 的情况 下，用u a s b 反应器处理乳制品工业废水，可获得6 5 k g c o d m 3 d 的有机负荷 1 4 9 1 。 对u a s b 反应器内的p h 值进行监控若仅仅对出水测定p h 值，会产生滞 后现象。故在设备中，下部也设取样点【5 “。此外，挥发性脂肪酸( v f a ) 在厌 氧反应器中的积累能反映出甲烷菌的不活跃状态或反应器的酸化程度p “。在低 级脂肪酸中，丙酸的临界抑制浓度最低，丙酸的积累往往造成反应器运行效率 的下降。因此可同时控制丙酸的浓度在一定范围内1 5 2 1 。 温度对u a s b 反应器的影响 u a s b 反应器一般采用中温3 5 4 5 ，高温4 5 5 5 厌氧消化。目前国内 外对自然常温下启动u a s b 反应器也进行了大量研究如陈玉等人就曾在1 7 2 4 的温度下厌氧处理制药废水”= 1 。r a g h i d al e p i s t o 和j u k k ar i n t a l a 进行了 极高温( 7 0 一8 0 ) 下u a s b 反应器的特征研究，不过进水大多用的是v f a 配 置的溶液，对实际污水的处理研究较少陋。u a s b 反应器要求在较稳定的温度 范围内运行，l a u i v a n ，w c 等人研究发现，升高或降低u a s b 反应器的温度十几 度，c o d 去除率会降至原来的6 0 到2 5 不等。不过，一旦恢复到原始温度， 很快又能转为正常1 ”j 。 营养物与微量元素对u a s b 反应器的影响 厌氧消化过程中，有机污水通常缺氮，磷。厌氧处理对氮和磷的需要量比 好氧法低，一般采用b o d ：n ：p - 2 0 0 ：5 ：l 。在u a s b 反应器中投加一定量尿素， 磷酸盐，有利于厌氧消化的进程。 杨景亮等人选择m g ，m n ，m o ，c o 五种金属离子进行正交实验，结果发现低浓 度的m g m n ，m o ，c o 离子对厌氧消化有促进作用，通过实验和数学分析得到这几 种痕量离子对厌氧消化过程的影晌主次顺序为：c o ，m o ，m g ，m n n i 忙。 在u a s b 反应器驯化污泥期间，加入葡萄糖，有利于颗粒污泥的形成。特别 是在污水中含有难降解物质时更是如此。t u r m a o y u a n 等人在处理高浓度丙酸 废水时，定期加入葡萄糖，能够极大地加快污泥颗粒化进程”一。 u a s b 反应器的改进与发展 u a s b 反应器发展至今，已经有了很多方面的改进其中最主要的有两相 u a s b 工艺，u a s b + a f 工艺，u a s b i t s 工艺等。 由于厌氧消化过程中产酸细菌与产甲烷细菌是两类有不同生长特性的微生 物，如让这两种不同生长类型的微生物各自在最佳环境下生长，就能取得更好 9 坚堕堕! ! 坐塑垦塾：堑墨兰塑竺些堡堕堕! ! 查竺些塑竺壅些壁! 点堡 的生长和处理效果。也就是将厌氧发酵分别在两个反应器内进行。前者称酸化 反应器，后者称为气化反应器。将两个反应器串联起来，这就称为两相厌氧生 物处理法。两相厌氧法系统总有机负荷率高，反应器总容积小，耐冲击负荷能 力提高了，运行稳定。两相厌氧u a s b 反应器的缺点是工艺较复杂，产甲烷相 出水中的h c 0 3 一随着出水排掉，而需另外加碱于产酸相中以部分中和进入产 甲烷相的有机酸。n i s h i m u r a ，s o s u k e 等人在产酸相和产甲烷相中进行空气曝气， 成功减少了两相u a s b 反应器的碱用量睁”。 上流式厌氧污泥床过滤器( u a s b + a f ) 结合了上流式厌氧污泥床反应器 ( u a s b ) 和厌氧滤池( a f ) 的优点，使反应器性能有了改善。该反应器在反 应区上部加入纤维填料滤层，在启动运行期间可有效截留污泥，加速污泥颗粒 化，对容积负荷，温度p h 值的波动有较好承受能力”。韩洪军，张荣等通过 实验指出：u a s b 反应器内污泥床的c o d 去除率为c o d 总去除率的9 3 ，而 在u a s b + a f 反应器中，污泥床降解c o d 去除率为c o d 总去除率的7 2 ，纤 维组合填料层c o d 去除率为c o d 总去除率的2 8 1 6 。由此可见u a s b + a f 反应器的总有机负荷可以得到提高。该装置的缺点在于，运行后期软填料有结 团现象，从而影响运行效果。 u a s b i t s 即斜板( 管) 上流式厌氧污泥床的主要特点是以成组的斜板或斜 管代替u a s b 装置中的三相分离器。胡启春等人用u a s b i t s 与u a s b ， u a s b + a f 反应器处理酒精废液时发现，u a s b i t s 反应器实验装置运行稳定性 最好，有机负荷高，重新启动时运行效果好1 6 “。 u a s b 反应器及其改进型设备在污水处理工程中发挥了越来越重要的作用， 对它们的进一步研究可以从以下一些方面入手：进一步完善反应器结构和操作 工艺，使反应器启动更迅速，运行更稳定：进行难降解物质厌氧消化的研究， 扩展u a s b 反应器应用范围：对u a s b 反应器的水力特征进行模型化，为其设 计提供精确的数学依据等。 国内外对u a s b 处理低浓度污水的研究情况 国内对u a s b 处理低浓度污水的研究，着重于其接种启动。竺建荣等人”“比 较了进水c o d 浓度分别为9 0 0 0 和1 0 0 0 m g t 时u a s b 反应器颗粒污泥的形成情况。 研究发现，低浓度进水虽然也能培养出颗粒污泥，但过程较慢，颗粒直径较小。 周琪、顾国维等人”。3 采用u a s b 加好氧接触氧化池处理生活污水，温度在1 3 以 上不接种污泥靠截留污水中的悬浮物，使其在u a s b 中逐渐消化，成熟，自 动完成启动过程。在初期，为了加快启动过程，厌氧段的停留时间为2 9 h ，c o d 去除率第5 d 时仅1 1 6 。但厌氧段效率不高时正适合好氧段的挂膜，启动后两 周内好氧段挂膜成功，系统达到处理要求，而厌氧段完全启动需要一个月左右。 胡启春等人”。用斜板上流式厌氧污泥床( u a s b i t s ) 在常温下处理低浓度有机 废水，启动阶段仅用7 7 d ，h r t 为1 2 h ，c o d 去除率达到7 8 9 。其研究结果还显 示。对于处理低浓度有机废水的厌氧装置的启动，采用高浓度进行快速启动方 法有刹于缩短启动时间，快速富集和稳定污泥。李彦春等人”用上流式厌氧复 1 0 低浓度污水的厌觏、好氧生物处理 低浓度污水处理的研究进展情况 合床( u a s b + a f ) 单元进行了处理城市污水的生产性试验。厌氧复合床接种活性 污泥法沉池污泥，水温1 3 一1 5 ，h r t 大于3 h ，对于b o b j 的去除率为4 1 一 5 2 ，对s s 的去除率为3 4 9 6 - - 4 9 。 在低浓u a s b 启动的研究方面国外的b r i t oa g 等人”3 在研究中用u a s b 反 应器处理低浓度葡萄糖配水时，没有培养出完整的颗粒污泥而是得到了一些 绒毛状的球形污泥。s o t om 等人”“在中温( 3 0 ) 与低温( 2 0 ) 下用低浓度 蔗糖废水( c o d 为5 0 0 m g 1 ) 启动u a s b 反应器在一到两个月内都培养出了颗 粒污泥。c o d 去除率分别达到9 5 和9 2 。各温度下得到的污泥在外形和大小上 很相似，但厌氧菌组成有区别，甲烷产率也不同。 另一方面，国外运用u a s b 的时间较长，工艺也较成熟，也有很多低浓度污 水处理的研究是直接采用中高浓度u a s b 反应器中的颗粒污泥作为种泥的。但 e b e h l i n g 等人3 在夏季平均气温达3 2 的地区，以颗粒污泥接种l a s b 反应器 处理城市污水，启动过程依然长达9 0 d 。颗粒污泥在接种到处理低浓度污水的 u a s b 反应器中运行一段时间后，其产甲烷活性会有很大程度的下降”。u e m u r as 等人j 研究也发现，在低浓度u a s b 反应器中，运行后期的颗粒污泥其产甲烷活 性仅为接种颗粒污泥的4 一1 0 ，在显微镜下观察显示，虽然污泥保持着颗粒形 态，但是已经部分破裂。对于低浓度污水，溶于出水而被带走的甲烷量是可观 的，同时，当污水中的硫酸盐相对于c o d 的比值较大时，一部分c o d 被硫还原 菌利用，也会导致甲烷产率较低。“。 产甲烷菌是严格的厌氧菌溶解氧对低浓度污水的厌氧处理是一个潜在的 危险。但k a t o ，m a r i ot 等人”却发现，进水中含有溶解氧与不含溶解氧的两座 u a s b 反应器，其处理效果差别并不大，影响c o d 去除的最主要因素是低浓度进 水的预酸化程度。 1 4 好氧生物法处理低浓度污水 1 4 1 好氧生物法处理低浓度污水的工艺研究进展 由于低浓度污水一般日生成量都比较大，所以用好氧生物法具有处理量大， 总成本低等优点。 用于低浓度污水处理时采用得比较多的工艺是生物滤池和接触氧化法。 生物滤池 生物滤池是在间歇砂滤池和接触滤池的基础上发展起来的人工生物处理 法。在生物滤池中，废水通过布水器均匀地分布在滤池表面，滤池中装满各种 类型的填料，废水沿着填料的空隙从上向下流动到池底，通过集水沟、排水渠， 流出池外。废水通过滤池时填料截留了废水中的悬浮物，同时把废水中的胶 体和溶解性物质吸附在自己的表面，其中的有机物使微生物很快繁殖起来，这 些微生物不断积累逐渐形成了生物膜。生物膜具有较大的表面积，能够大量 低浓鹰污水的厌氧、好铽生物处理低浓度污水处理的研究进展情况 吸附废水中的有机物。生物膜长到一定厚度，将从填料表面脱落下来，出现生 物膜的新旧更