（环境科学专业论文）内循环厌氧反应器设计及处理油脂废水研究.pdf

大连交通大学丁学硕十学何论文 关键词：油脂废水；i c 反应器；三相分离器；厌氧处理 n a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r sa r ee n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a ld e v i c e si nt h eo r g a n i c t r e a t m e n to fw a s t e w a t e r t h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r ( i cr e a c t o r ) t h et h i r dg r o u po f h i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r s ，w h i c hw a sd e v e l o p e db yp a q u e sb vb a s e do nu a s br e a c t o r s ， c a nb eo p e r a t e da th i g hr e a c t o rv o l u m el a d i n gr a t e sa n dh i g hl i q u i du p f l o wv e l o c i t yw i t hl o w i n v e s t m e n tc o s ta n ds p a c eo c c u p a t i o n b e c a u s et h eh i g hv a l u ec o da n dl o ws sa n dp hv a l u eo fg r e a s ew a s t e w a t e r ，t h ei c r e a c t o rw a sc h o s e na st h ea n a e r o b i cr e a c t o rf o rt h er e s e a r c h i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ec o l u m n o r g a n i cg l a s s - m a d ei cr e a c t o rw a sd e s i g n e dw i t h15m mh i g hg a s l i q u i ds e p a r a t o rl o c a t e da t t h et o po ft h ei cr e a c t o ra n di ti s1 3 5 mh i g ha n d2 5 lt h es t a r t u pa n dr u n n i n go ft h e f u 1 1 一s c a l ei cr e a c t o ri nt r e a t i n gg r e a s ew a s t e w a t e rw e r ee x p l o r e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f g r a n u l a rs l u d g ea n dp r o c e s sp a r a m e t e ro ft h er u n n i n gs y s t e mw e r es t u d i e d i n o c u l a t i o ns l u d g ei nt h es t a r t - u po ft h er e a c t o ri st h eg r a n u l a rs l u d g eo ft h ea n a e r o b i c b i o f il t e ro fd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nd a l i a na n dt h ev s sa n ds so ft h es l u d g e i sa n d5 9 4 9 lr e s p e c t i v e l y4 4 7 9 l t h eg r a n u l a rs l u d g ew a sb l a c k b r o w na n d5 0 lw a si n o c u l a t e di n t ot h er e a c t o rt h e s t a r t - u pe x p e r i m e n tw e n tt h r o u g hf o r2 5d a y s t h ee x p e r i m e n tc o m p l e t e dt h es t a r t - u pr e s e a r c h o fi cr e a c t o ra n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev o l u m el o a d i n gr e a c h e dt o2 5 k g c o d ( m 3 - d 1w i t h t h er u n n i n gt e m p e r a t u r e3 5 i o c s i m u l t a n e o u s l y t h er e m o v a lr a t eo fc o d i nt h ef i r s ta n d s e c o n dr e a c t i o nr o o mw a sr e v i e w e da n dt h es h a p eo fg r a n u l a rs l u d g ei nt h er e a c t o rw a s o b s e r v e di nt h ep r o c e s so fs t a r t - u p t h em e t h a n ew a sp r o d u c e dt w od a y sa f t e rs t a r t - u pa n dt h eo u t p u tw a sh i g h e ri nt h e f o l l o w i n g d a y s t h ev o l u m el o a d i n gr o s et o1 0 k g c o d ( m 3 - d ) f r o m5 k g c o d ( m a - d ) n i n ed a y s a f t e rs t a r t u pw i t ht h er e m o v a lr a t eo fc o dm o v e du pt o6 0 4 f r o m4 2 3 w h e nt h e r e a c t o rr e a c h e dt ot h ed e s i g n e dr u n n i n gv o l u m el o a d i n g2 5 k g c o d ( m ) d ) t h er e m o v a lr a t eo f c o dw a s8 4 3 a n dt h eh r tw a s1 3 3 h w h e nt h er e a c t o rc o m p l e t e l yr a ns h a b b i l yt h er u n o f f o ft h ei n f l u e n tw a sa d j u s t e da n dt h ev o l u m el o a d i n gw a sc o n t r o l l e df l u c t u a t i n gb e t w e e n1 5 k g c o d ( m j - d ) a n d3 5 k g c o d ( m 3 - d ) w i t ht h er e m o v a lr a t eo fc o dk e e p i n gb e t w e e n7 3 4 a n d8 5 2 a n dt h em o s ta p p r o p r i a t er u n n i n gl o a d i n gw a s2 5 k g c o d ( m 3 - d ) w h i c hw a s c o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g n e dr u n n i n gl o a d i n g t h ee x p e r i m e n tl o a d i n go ft h ei n f l u e n ta p p l i e dt ot h ed e s i g n e dr e a c t o ra n dw h e nt h e v o l u m el o a d i n gw a sc o n t r o l l e db e t w e e n15k g c o d ( m 3 - d ) a n d2 5 k g c o d ( m 3 - d ) t h ev f aw a s b a s i c a l l yb e l o w3 0 0 m g le v e nl o w e rt h a n1 5 0m g ls o m e t i m e sw h i c hs h o w e dt h a t t h e r e a c t o rr a nc o m p a r a t i v e l ys t e a d i l y w i t ht h er u n n i n go ft h er e a c t o r ，t h es l u d g eb e de x p a n d e d c o n t i n u o u s l ya n dt h ea m o u n to fl i t t l eg r a n u l es l u d g eg r a d u a l l yr e d u c e d t h eg r a n u l es l u d g e i i i 大连交通大学f ：学硕十学何论文 b i g g e r t h a n1 5 m mi n c r e a s e do b v i o u s l ya tt h eb o t t o mo ft h er e a c t o rs ot h es l u d g e c o n c e n t r a t i o na l s oi n c r e a s e da n dt h ec o l o u ro ft h eg r a n u l a rs l u d g eb e c a m eg r a y - b l a c k ，b l a c k r o u n d n e s sa n do v a lr o u n d n e s sl i t t l eb yl i t t l e k e yw o r d s ：g r e a s ew a s t e w a t e r ；i cr e a c t o r ；t h r e ep h a s es e p a r a t o r ； a n a e r o b i ct r e a t m e n t i v 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太重塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 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。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：拱事手 日期： 砷年坦月伊日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。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及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整窒通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：凝李辛 日期：川年三月j p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 锄张嗨芝 f 日期： 多口吵年 2 月，f 日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 水环境污染现状 第一章绪论 1 1 1 世界水环境现状 水是人类赖以生存的特殊资源【1j ，没有水就没有生命。在南非召开的可持续发展世 界首脑会议将水危机列为未来十年人类面临的最严峻的挑战之一。联合国预计，到2 0 2 5 年，全世界将有近一半人口生活在缺水地区。水，已经向人类敲响了可怕的警钟。 我国水资源严重不足，党中央、国务院十分重视保护水环境、防止水资源流失，把 它作为治国安邦的大事来抓。但是，增强节水意识和保护水资源应当得到全社会的共识 和参与。 淡水资源是基础自然资源，既足生态环境建设的控制因素，又是战略性经济资源， 是综合国力的有机组成部分。地球上水的储量很大，但淡水只占2 5 ，其中易供人类 使用的淡水不足1 。据专家最新估计，全球陆地上可更新的淡水资源约4 2 7 1 0 1 3 m 3 ， 其中易于使用的约1 2 5 1 4 5 1 0 1 3 m 3 。按1 9 9 5 年人口统计，全球人均淡水资源约 7 4 5 0 m 3 ，其中易于使用的淡水人均约2 1 8 0 2 4 4 0 m 3 。可见，地球上的淡水资源是有限的。 联合国环境署在2 0 0 2 年发布的全球环境展望上指出，“目前全球一半的河流 水量大幅减少或被严重污染，世界上8 0 个国家或占全球4 0 的人口严重缺水。如果这 一趋势得不到遏制，今后3 0 年内，全球5 5 以上的人口将面临水荒。”在2 0 0 2 年南非 召j l ：的可持续发展世界高峰会议上，全体代表一致通过将水危机列为未来十年人类面临 的最严重挑战之一。 现在，水资源危机幽灵般的阴影i f 笼罩着世界众多的国家和地区，引起各方面的高 度重视和强烈呼吁。全人类必须联合高效厌氧反应器开发与应用研究起来，与包括水资 源在内的各种危机( 人口、能源、资源、环境、生态等) 作斗争，才能保证人类的继续生 存和社会的持续发展【2 j 。 1 1 2 我国水环境现状 我国水资源总量不算少，但按1 9 9 7 年人口统计，我国人均水资源量2 2 2 0 m 3 ，相当 于世界人均水资源占有量的3 1 ；亩均水资源量为1 4 4 2m 3 ，相当于世界平均亩均2 3 5 3 m 3 的6 1 。我因水资源具有人均水资源占有量偏少、时空分布很不均衡和水土资源分布不 相匹配等特点。 大连交通大学 学硕十学1 1 奇：论文 我国的供水能力从1 9 4 9 年的1 0 0 0 1 0 9 m 3 增加到2 0 0 0 年的5 5 3 1 1 0 9 m 3 ，其中地 表水供水量约4 4 4 0 1 0 9 r n 3 ：地下水开采量1 0 6 9 1 0 9 m 3 【2 1 。 表1 1 中国1 9 4 9 2 0 0 2 年供水能力表 t a b l e l 1t h ea b i l i t yo fw a t e rs u p p l yi nc h i n ab e t w e e n1 9 4 9 - 2 0 0 2 年份总供水地表水地f 水其它 海水利用 1 9 4 9 约1 0 0 0 1 9 8 04 4 3 23 8 1 36 1 9 1 9 9 35 2 2 44 3 6 08 6 4 1 9 9 75 6 2 34 5 9 24 0 3 12 6 1 0 3 l 2 0 0 05 5 3 14 4 4 01 0 6 9 2 1 1 4 1 2 0 0 25 4 9 74 4 0 41 0 7 22 12 1 6 4 5 我国用水增长迅速，1 9 4 9 年估计约1 0 3 1 1 0 9 r n 3 ；1 9 9 7 年到达5 5 4 6 1 0 9 m 3 ，人均 用水4 5 0 m 3 ：2 0 0 2 年下降到5 4 9 7 1 0 9 m 3 ，人均用水4 2 8 m 3 。其中农业用水占6 8 ，工 业用水占2 1 ，生活用水占1 1 i 劲。 表1 2 中国1 9 4 9 2 0 0 2 年用水表 t a b l e l 2t h e u s a g eo fw a t e r i nc h i n ab e t w e e n1 9 4 9 - 2 0 0 2 年份总用水农业 - j ：业 生活人均用水 1 9 4 9 1 0 3 1 1 0 0 1 2 461 8 7 1 9 8 04 4 3 73 6 9 94 5 72 8 0 4 5 0 1 9 9 35 1 9 83 8 1 79 0 64 7 54 4 3 1 9 9 75 孓炻3 9 2 01 1 2 15 2 5 4 5 0 2 0 0 05 4 9 83 4 6 71 1 3 95 7 54 3 0 3 7 3 611 4 2 2 0 0 25 4 9 7 6 1 9 ( 1 1 3 ) 4 2 8 ( 6 7 9 6 )( 2 0 7 7 、 2 第章绪论 1 9 9 5 年全球人口5 7 3 5 亿，用水3 6 0 0 0 x1 0 9 m 3 ，人均用水6 2 8 m 3 ，其中：农业人均 用水4 3 7 m 3 ( 占6 9 6 ) ；工业1 3 1 m 3 ( 占9 7 ) ；生活6 0 m 3 ( 占2 1 ) 。我国的人均用水量 低于世界水平，仅为美国用水量的2 4 。 伴随着经济的发展和人民生活水平的提高，不但用水量不断增大、水质标准不断提 高，而且也出现了水污染同益严重的问题。掘统计【引，1 9 9 6 年，我国全年污水排放量3 5 2 8 4 1 0 9 m 3 ，处理量8 3 3 4 1 0 9 m 3 ，污水处理率2 3 6 2 ，而市政系统污水处理厂只有1 5 3 个，污水生化处理率只有7 5 。目前，我国每年污水排放总量为3 9 5 1 0 9 m 3 ，根据预 测，到2 0 5 0 年，我国污水排放总量将高达1 2 0 0 1 0 9 m 3 1 4 1 。1 9 9 6 年在我国的6 6 6 个建制 市中，有3 3 0 个建制市不同程度的缺水，其中严重缺水的城市达1 0 8 个；在3 2 个百万 人口以上的特大城市中，有3 0 个长期受缺水的困扰。由于供水不足，城市工业每年经 济损失达2 3 0 0 x1 0 9 元：由于城市水污染造成的经济损失，约相当于国家当年财政收入 的6 。 因此，如何在经济高速发展的同时控制环境水污染，改善水环境质量，以实现社会、 经济可持续发展目标是我国目前解决的重要问题。 1 2 油脂废水来源及特点 1 2 1 油脂废水的来源 随着我国油脂工业的迅速发展，各种精炼食用油产品的大量出现为人们的日常生活 带来了巨大方便。但随之而来的是由此而产生的各种各样含油脂废水，特别是含高浓度 油脂的废水量大幅度增长，已成为城市生活废水的重要组成部分。油脂废水主要来自油 脂生产车间的浸出、物理、化学精炼过程中的连续碱炼、水化、酸化、中和、脱胶、脱 臭、脱色、水洗、过滤等工序1 5 l 。同时食品加工、肉类联合加工、乳品加工、合成洗涤 剂、合成脂肪酸及餐饮| 6 j 等行业带米的高含油有机物废水排放量大，有机物浓度高，对 水资源造成很大的污染。目d 矿这些高浓度有机废水经过常规的方法一级处理后，c o d 仍然远远高于国家规定的污水综合排放标准i _ 丌。进入城市污水处理厂的油类物质包裹在 填料外层，阻碍氧的传质，导致好氧微生物代谢紊乱1 8 1 。因此，采用有效的处理方法进 一步降解有机物对油脂废水具有广阔的应用前剥训。 1 2 2 油脂废水的特点 油脂加工废水中主要物质为毛油中含有的物质，主要是长碳链脂肪酸( l c f a ) 平u 直链 的多元醇的脂( 甘油三酸脂、磷脂等) 及其降解产物、游离脂肪酸、烃类、蜡、醛、酮等， 还有加工过程中添加的物质，如n a o h 、硫酸及反应生成的产物如皂角等；甘油三酸脂 3 大连交通火学f 学硕十学位论文 主要有甘油脂肪酸( 甘一脂、甘二脂、甘三脂) 、脂肪酸、烃基甘油二脂、脂肪醇和蜡等； 还有磷酸甘油脂、糖基甘油脂、鞘脂类、脂蛋白等复杂脂质。从油脂组成成分可以判断 油脂废水中油脂含量高，相应的c o d 和b o d 值也要高于其他一些行业，大多属于高、 中浓度有机废水，而象脂一类的物质分解较困难，在水中不溶【l o l 。如纺织工业废水( 以 棉花为原料) 则含有蜡以及由环状醇与带有分支的链状脂肪酸所形成的脂，因此比较难 以生物降解i l 。 在生产油脂过程所产生的油脂废水中油脂含量高，相应的c o d 和b o d 值也要高于 其他一些行业，大多属于高、中浓度有机废水，主要参数指标【1 2 】如表1 3 所示。 表1 3 油脂加r 厂排放废水的主要指标值 t a b l e1 3t h ep r i m a r yi n d e xv a l u eo fw a s t e w a t e ri ng r e a s ef a c t o r y 项目油脂s s c o d c rb o d s 数值5 9 0 0 1 3 2 5 8 5 1 6 - 1 1 3 01 0 2 1 0 一3 3 1 5 94 9 6 2 1 6 6 2 3 平均值9 2 1 87 5 52 0 3 8 01 1 4 7 2 注1 ) ：表中单位：m g l 。 从表1 3 可以看出，一些高浓度油脂废水的油脂含量接近或明显超过了1 0 0 0 0 m g l 。 此外，一部分工厂规模小、机械自动化程度低、手工操作工序多的地方小油厂、小作坊 中产生的废水未经任何处理就随意地排放，其废油含量甚至高达所排出污水的3 以上。 而一些具有一定规模的油脂加工厂虽然对其排出废水进行某种处理，回收了部分油分， 废油含量有所降低，但实际上经过分析，其油含量仍高于数百m g l 水平，严重超标。 1 2 3 油脂废水的危害 油脂废水中的油脂根掘其存在状态一般可分为3 种：上浮油、乳化油和溶解油。有 的文章还会在分类中加上一种分散油1 1 3 j ，其油滴的直径介于上浮油和乳化油之问。油脂 在废水中因为有其他多种有机物的存在以及相互之间的作用而多呈现出一定的乳化性 和亲水性，这增加了通常的物理方法与化学方法直接处理的难度。油脂废水b o d c o d 较高，易于厌氧生物降解l l o l 。多为间歇排放，成分复杂，p h 值不稳定，水质水量变化 幅度很大，对处理设施易造成破坏i l 4 。 油脂废水本身并无毒性，但此类废水中多含表面活性剂物质、油脂表现出良好的乳 化性和亲水性，当这些废水排入水体( 江、河、湖、海) 后，油脂覆盖水面，阻碍空气中 的氧溶于水，降低水体复氧能力，影响水中好氧微生物生长和水体自然净化过程，危害 4 第章绪论 水体生态系统，助长厌氧微生物繁殖，从而使水体发生黑臭，产生有害物质，最终污染 水体，造成严重的水环境污染1 1 5 以7 | 。 1 3 油脂废水处理方法 解决含油废水污染问题的关键集中在废水的处理技术及其效果上。早在2 0 世纪8 0 年代，油脂废水所引起的环境污染的严重性就受到了人们的高度关注。在这种情况下， 与此相关联的各种处理技术也得到发展。人们主要采用的是物理法、化学法和生物法。 物理法主要包括机械隔油法、气浮法以及重力沉降等方法，而化学法则主要采用电解和 絮凝等方法【1 8 , 1 9 l ，处理效果并不显著。前两种方法一般投资大、工艺流程复杂，且存在 二次污染的可能。直到最近几年，油脂废水的处理技术才有所突破，用具有成本低，投 资省，无二次污染的生物降解法，代替了常规的物理和化学方法，并且得到了较为理想 的处理结果1 2 0 1 ，已成为国内外处理油脂废水研究的热点。 生物法包括好氧生物法和厌氧生物法，在国外两种方法都很常见，但主要以厌氧生 物法为主，而国内多采用好氧生物法。主要原因是国外的油脂加工厂一般是机械化和自 动化程度高的大型企业，虽然每同的废水出水量大、有机物浓度高，但先进、高效率的 前处理装置已经将大量的油脂成分去除掉，因而可以采用比较简单、经济性的厌氧生化 处理法。而在国内，油脂行业很多是中小型企业，虽然废水的水量小、有机物总量低， 但各种废水的产生量参差不一，而且大多没有进行油脂废水的预处理或者只进行过非常 简单的处理，废水中仍然残留着许多油类物质，成分差别很大，且周期性变化相当大， 这根本不适于直接使用厌氧处理方法。因此，目前国内应用于油脂废水的生物法多为好 氧生物法。 1 3 1 油脂废水的好氧生物处理法 好氧生物法的机理是利用微生物在有氧的条件下，直接或间接地把经过物理、化学 方法预处理后废水中的有机物作为营养物质，对有机物进行吸附、吸收和氧化分解，使 有机物转化为无机物。这个过程既满足了微生物本身繁殖和其他生命代谢活动的需要， 又使废水得到了净化。在好氧生物处理过程中，对废水处理条件的要求是相对比较严格 的，例如，p h 、温度、溶氧量和停留时间等因素都需要有一个适宜的范围，在此前提下， 才能达到较为理想的处理结果。 然而，在一般食品发酵、造纸等行业的废水处理中所采用的主要是以活性污泥法为 主的好氧微生物处理方法，在油脂废水的生物处理过程中却很不适用。主要原因是因为 在般活性污泥法中大部分的活性污泥菌对油脂物质的直接分解能力低，对高浓度有机 废水的抗冲击能力差，并且容易产生污泥膨胀等问题。而序批式活性污泥法虽然处理效 大连交通大学t ：学硕十学位论文 果好，出水水质稳定，但由于系统易堵塞，也很少在实际工程中运用。因此，目前比较 常用的是接触氧化法，如生物滤池法【2 l | 。 接触氧化法是在曝气池中加设各种填料和活性污泥菌吸附的载体，并使之形成生物 膜，通过生物膜和浮游活性污泥的共同作用达到分解油脂废水的目的【2 引。这种处理系统 具有容积负荷高、处理时问短、污染杂物去除能力强和出水质量稳定等特点，是一种比 较好的污水净化处理设备，经处理后，理化指标可以比较稳定地达到国家排放标准，但 处理规模不宜太大，并且造设备价相对高。 到目前为止，在处理油脂废水的方法中，好氧生物法已经形成了具有一定系统性的 规范处理模式1 2 3 1 。但它也存在着一些自身难以克服的缺点，主要有： ( 1 ) 运行系统的长期稳定性问题 油脂废水尤其是植物油厂产生的高浓度油脂废水水量大，有机负荷高，而且油分等 各种有机物质成分相当复杂，比例差异很明显，水质变化大等多种客观因素，对处理工 艺易造成冲击，使其运行不易稳定。 ( 2 ) 剩余污泥的处理问题 油脂废水的处理，即使选择尽可能少产生污泥的工艺方法，如接触氧化法，但是产 生的污泥还是不易处理。现在剩余污泥的处理方法主要是作为肥料施于阳问或者填埋、 焚烧等，但这些都会直接或间接地造成环境的二次污染。目前，剩余污泥的处理问题越 来越成为制约活性污泥法发展的一个重要因素，在处理污泥上的一些实际困难也给好氧 生物法带来了既难以避免、又无法回避、且需克服的新障碍。这就要求人们对油脂废水 的处理提出新的方法，进行新的研究，来达到新的水平。 1 3 2 油脂废水的厌氧生物处理法 在油脂废水的生物厌氧处理1 2 4 j 技术中，多种类型生物反应器被运用到油脂废水的生 物处理当中，如：流化床反应器( a f b ) 、上流式厌氧污泥床1 2 5 i ( u a s b ) 、厌氧生物滤床( a f ) 、 膜生物反应器( m b r ) 等，这些反应器能提高处理菌的生物量浓度，保证高的处理能力， 改善气固液的传质条件1 2 6 j ，创造良好的环境，促使微生物生长良好，有利于提高处理 效率。 厌氧工艺处理较高浓度的有机废水时不必稀释进水浓度。但厌氧反应器处理含脂类 废水时受废水中悬浮同体及脂类浓度的影响较大，出水水质往往达不到排放标准，需与 好氧处理相结合。贺延龄1 7 采用预处理u a s b 工艺处理福州市某油脂化工j 一废水，在 u a s b 反应器容积为2m 3 ，反应温度3 0 3 5 ，c o d 容积负荷8 1 0k g ( m 3 - d ) 条件下， 油脂废水的c o d 去除牢为8 5 一9 5 。 6 第一章绪论 厌氧膜生物反应器( m b r ) 工艺处理高浓度食品废水1 2 8 j ，当c o d 负荷为2 3k g ( m 3 d l 时，c o d 去除率可达8 0 一9 0 ，s s 、色度和细菌的去除率分别为1 0 0 、9 8 和9 9 9 。 好氧m b r 工艺处理油脂废水1 2 9 1 ，c o d 、s s 、油的去除率高于8 5 。但因为膜生物处理 存在膜污染的问题，该技术的实际应用还很少。 c hw u 等p 0 j 研究发现，颗粒污泥由于比表面积比悬浮和絮状污泥小，因而受到 l c f a 的毒性相对较小。因此，在对含脂类废水的处理中，可采用高效厌氧反应器内循 环反应器o c ) 。主要利用上升水流和气流产生的剪切力，培养出具有优良理化和生物学 特性、沉降性能好的颗粒污泥：这种颗粒污泥能在反应器中载流大量的微生物，保持反 应器中微生物的数量；另外，污泥的颗粒化优化了反应器中菌群的组合，使产氢产乙酸 菌有较好的共生关系，提高了微生物的活性，从而提高了脂肪酸的降解效率。 1 3 3 油脂废水处理所面临的问题 由于油脂废水中含有大量的脂肪酸、甘油、表面活性物质、油脂等而呈现出良好的 乳化性和亲和性，因此少量的此类废水排入就能导致水体的c o d 、b o d 迅速升高，从 而加剧了处理难度。进入城市污水处理厂的油脂有机废水中的中长碳链脂肪酸、油类物 质包裹在活性污泥外层阻碍了氧的传质，导致好氧微生物代谢紊乱，影响处理效果。在 污水排放系统中，中长碳链脂肪酸及油脂的积累会导致排水管道的水力容量损失或排水 管道堵塞。 在废水处理厂中油状的中碳链脂肪( m c f a ) 手h 固状的长链脂肪酸( l c f a ) 混和油脂能 够阻塞格栅，在污泥泵中积成渣垢，影响设备的j 下常运行。在好氧处理单元和最终沉淀 池中，含脂肪酸的混合物会结成“脂球”连同黏附的污泥处于悬浮状态，随最终出水排 出，一方面造成污泥流失，另一方面也影响出水水质【1 0 l 。 目自订，对于油脂废水的处理主要存在两个方面的问题：( 1 ) 污泥常被漂浮的油脂包裹， 从而引起污泥上浮和流失；( 2 ) l c f a ( 特别是游离脂肪酸) 有较强的毒性，常对微生物菌 群引起抑制。这两个问题也是造成油脂废水处理系统不稳定的主要原因。因此，克服 l c f a 的抑制作用及污泥上浮和流失将是处理油脂废水的关键。 1 4 选题背景及意义 随着我国油脂工业的迅速发展，含高浓度油脂的废水量大幅度增长，已成为城市生 活废水的重要组成部分。在废水处川! 厂中油状的中碳链脂肪和固状的长链脂肪酸混和油 脂能够阿i 塞格栅，在污泥泵中积成渣垢，影响设备的正常运行。目前这些高浓度有机废 水经过常规的方法一级处理后，c o d 仍然远远高于国家规定的污水综合排放标准。 大连交通大学丁学硕十学何论文 在处理油脂废水的方法中，虽然好氧生物法已经形成了具有一定系统性的规范处理 模式。但仍存在一些自身难以克服的缺点：( 1 ) 运行系统的长期稳定性问题。( 2 ) 剩余污 泥的处理问题。油脂废水的处理，即使选择尽可能少产生污泥的工艺方法，污泥不易处 理。剩余污泥的处理方法都会直接或问接地造成环境的二次污染。目前，剩余污泥的处 理问题越来越成为制约活性污泥法发展的一个重要因素。这就要求人们对油脂废水的处 理提出新的方法，进行新的研究，来达到新的水平。 内循环厌氧反应器( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ，i c ) ，是荷兰p a q u e s 于8 0 年代中期在u a s b 反应器的基础上丌发成功的第三代超高效厌氧反应器，到目前为止，已成功地应用于啤 酒生产、造纸、食品加工、柠檬酸等行业的生产污水治理。与以u a s b 为代表的第二代 高效厌氧反应器相比，i c 反应器在容积负荷、能耗、工程造价、占地面积等诸多方面， 代表着当今世界上厌氧生物反应器的最高水平。 本论文研究设计处理油脂废水的l c 反应器，废水来源于大连某油脂加工厂，针对 本废水的水质特征，进行中试试验，找出处理过程中对处理效果主要的影响因素，并通 过对影响因素的控制，达到较好的处理效果。在此试验中，初期对污泥的培养和驯化， 掌握污泥驯化的方法和需要，对反应器启动进行研究。待反应器完全启动后，比较处理 效果，调整反应器运行条件，找出最好处理效果时，反应器的最佳运行条件，以用于工 程放大。 1 5 本文研究内容 本文以l c 厌氧反应器和油脂废水为研究对象，较系统地对i c 技术进行了研究，主 要包括以下几方面的内容： 分析了油脂废水性质及其处理方法，对国内外厌氧废水处理研究与进展进行了叙 述，对高效厌氧反应器研究工作进行了综述，介绍了i c 反应器的基本原理弓特点。 对i c 反应器原理进行了分析，对i c 反应器装置进行了设计研究，设计制造出实验 用i c 反应器装置。 通过对i c 反应器的启动和运行研究，掌握了运行的工艺参数，观察了i c 反应器颗 粒污泥的形成，掌握了污泥驯化培养的方法。 本章小结 ( 1 ) 介绍了世界和我旧的水资源现状，地球上的淡水资源是很有限的，水危机列为 未来十年人类面临的最严重挑战之。 8 第章绪论 ( 2 ) 随着工业的迅速发展，油脂废水涉及多个行业，并且已成为城市生活废水的重 要组成部分，因此对于油脂废水污染问题的研究有较强的实际意义。 ( 3 ) 油脂废水成分复杂，p h 值不稳定，水质水量变化幅度很大，b o d c o d 较高， 易于厌氧生物降解。 ( 4 ) 阐述了油脂废水的处理方法，不适于好氧生物处理，采用高效厌氧反应器对其 进行处理效果将更佳。 ( 5 ) 详细阐述了本研究项目的意义和研究的内容。 9 大连交通大学t 学硕+ 学佗论文 第二章厌氧生物处理技术 厌氧生物处理是一种高效率低能耗的废水处理技术，对于较高浓度有机废水，它不 仅把好氧生物处理过高的能耗节省下来，而且厌氧生物处理可把有机物转化为生物能一 沼气。经过各国学者的不断研究和所取得的进展，厌氧生物处理不仅可以处理高浓度的 有机废水，而且能处理中等浓度的有机废水，甚至实现了处理低浓度有机废水，为废水 处理方法提供了一条高效能、低能耗且符合可持续发展原则的治理废水的有效途径【3 。 厌氧和好氧处理易降解有机工业废水运行特点的简要比较如下1 3 2 j ： ( 1 ) 厌氧工艺中细菌的组成及代谢途径具有多样性，许多在好氧工艺中难以降解的 复杂有机物在厌氧工艺中可以被顺利降解。 ( 2 ) 厌氧工艺中合成生物量仅为好氧工艺的5 2 0 ，污泥经过厌氧处理后，性质 稳定，宜于脱水，污泥处置费用低。 ( 3 ) 厌氧工艺对营养元素要求低，营养的需要量仅为好氧工艺的5 一2 0 。 ( 4 ) 厌氧生物体的活性可保持数月甚至数年而无严重衰退。 ( 5 ) 厌氧处理工艺能源需求很少：好氧处理因需要曝气，每去除1 0 0 0 k g c o d 耗电 5 0 0 1 0 0 0 k w h ，而厌氧无曝气能耗。 ( 6 ) 厌氧处理工艺能产生大量的可利用的能源：厌氧每去除1 0 0 0 k g c o d 产生甲烷的 能量为1 2 6 6 1 0 6 1 0 。 ( 7 ) 投资成本一般较低，运行管理费用也大大低于好氧工艺。 ( 8 ) 于对高浓度废水的处理，处理效率远远高于好氧工艺。 厌氧废水处理是一种把环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统核 心技术，具有较好的环境与经济效益，是一种变废为宝的可持续发展环保技术| 3 引。因此， 厌氧处理工艺应该是一种优先采纳的废水处理技术。 2 1 厌氧生物处理技术基本原理 厌氧生物处理是有机物在厌氧微生物的作用下转化为甲烷、二氧化碳的过程。厌氧 生物处理是包括多种不同类型的微生物所完成的代谢过程，是一个相互影响、相互制约、 同时进行的极其复杂的生物化学过程。其原理有两阶段理论、三阶段理论和四菌群理论。 2 1 1 两阶段理论 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 h o f f ( 1 9 1 6 ) 的看法， 厌氧消化过程被认为是由不产甲烷的发酵性细菌和产甲烷的细菌共同进行的两阶段过 程1 3 4 l ，如图2 1 所示。 1 0 第二章厌氧乍物处理技术 内； 源； 代： 谢卜。 产： 物! l不溶性有机物i、! 一x 薪了面面。l 酸 ；哥话硅着赢砀j j 譬 ：j 、反 水解：发酵型细菌( 产酸细菌) i 酵 ： 阶 pj i j 二一。，r - 支一一： j细曲细胞 ：；脂肪酸、醇类、c 0 2 、h 2 ：其它产物 ：， i：ii 一： ： l 碱 ：城 ：n ； i性 ：佴 - o 一 一一一i - - - - 一一主一一一一- 一j 萎 丫反 r - 一一一。一一一一一1， 一一一一一j 隧 h f i i 甄莓画西：i j ：jc；o；：三h；4il = ：! ，；4 段 ：细菌细胞：。c ：一“ - 一- 一- 一- - - - - ， 图2 1 厌氧消化二阶段过程 f i g u r e2 1t h et w os t a g e sa n a e r o b i cf e r m e n tp r o c e s s 第一阶段由发酵性细菌将复杂有机物进行水解和发酵，形成脂肪酸、醇类、c 0 2 、 h 2 等；第二阶段是由产甲烷细菌将第一阶段的一些发酵产物转化为c h 4 和c 0 2 的过程。 第一阶段常称作酸性发酵阶段，第二阶段则被称作碱性发酵或甲烷发酵阶段。这个两阶 段理论简要地描述了厌氧消化过程，在相当长时间内指导着生产实践，被应用于厌氧生 物处理过程的动力学描述。但是，两阶段理论实际上没有全面地反应厌氧消化的本质。 研究表明，产甲烷菌能利用甲烷、乙酸、甲醇、甲基胺类、h 2 、c 0 2 ，但不能利用两碳 以上的脂肪酸和除甲醇以外的醉类产生甲烷，因此，两阶段理论难以确切的揭示脂肪酸 或醇类是如何转化为c h 4 和c 0 2 的。 2 1 2 三阶段理论 1 9 7 9 年m p b r y a n t 提出了厌氧消化的三阶段理论，几乎同时，j g z e i k u s 在第一届 国际厌氧消化会议上提f 了矿【 种群说理论。所以有机物的厌氧消化过程可以描述为“三 阶段四菌群”生物化学过程1 3 5 1 ，见图2 2 。 大连交通人学1 二学硕十学位论文 水解发酵阶段，在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成 简单的有机物，如纤维素经水解转化为较简单的糖类；蛋白质转化为较简单的氨基酸； 脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和 氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸( v f a ) * i j 醇类。参与该阶段的水解发酵菌 主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。 ! 墨釜塑塑望堡曼堕蔓煦j 水解发酵细菌 。r 。一。广一- 一- 一- - - ： ： i f 一一一。一一一一一 ； ；丙酸、丁酸等； - l 凡lr 啪1 舒差 o 。一。一。1 。一一一一一一一j- i - 一一一一一一一一一一- 第一阶段 ：-t 。支一立，同型产乙酸作用一“ l 。一。一一。一。一一一一。一。一一一1 o 工l j 巩- i7 。o 广。 。： r i d c o ：、甲酸、甲醇等j 一。i 乙酸l - 一一一一一一一- 一t - - - 一- 一-二r - 产氢、产乙酸细菌 i _ 一一- 一一一一一一 第二阶段 同型产乙酸细菌 - 一一一一一一一一 横向转化 ： ： ： ：产甲烷细菌 ： ： 一 ：f 第三阶段 舶一p j l 以 7 一一一王一一7 j 【 。 i ；n h 3 、h 2 s 等； ic 0 2 、c h 4 等i 图2 2 有机物厌氧发酵过程 f i g u r e2 2t h ea n a e r o b i cf e r m e n tp r o c e s so fo r g a n i s m 产氢产乙酸阶段，在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段 产生的中问产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有c 0 2 产生。如： 丙酸的转化： c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 - - c h 3 c o o h + 3 h 2f + c 0 2f 乙酸的转化： c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 - - 。c h 3 c o o h + 2 h 2f 产甲烷阶段，该阶段中，产甲烷菌把第一和第二阶段产生的乙酸、氢和c 0 2 转化为 甲烷。 一组是氢和c 0 2 转化为甲烷，即： 1 2 第二章厌氧生物处理技术 4 h 2 +