（市政工程专业论文）厌氧折流板反应器的启动研究.pdf

摘要 摘要 厌氧折流板反应器( a b r ) 作为一种新型高效的处理工艺，不仅在处理高浓度 有机废水的研究和应用方面取得了较大的进展，而且在处理低浓度废水方面也越 来越引起重视。本文采用两个结构相似的六格室a b r 反应器r i ( 3 0 6 l ) ，r 2 ( 1 0 l ) 进行对比试验，其中i 匕反应器中添加了橡胶粉末填料。在环境温度( 1 1 2 7 ) 和进水c o d 浓度变化幅度较小的条件下( 3 0 0 m g l 左右) 通过逐步减少水力停 留时间的方法来提高容积负荷，对a b r 反应器的运行规律进行研究。 通过对普通a b r 反应器( r 1 ) 和添加填料的a b r ( r 2 ) 反应器运行情况的 对比研究表明，a b r 反应器对低浓度废水具有良好的处理效果，同时系统具有 良好的运行稳定性。在整个试验期间，增加填料的i 也反应器的处理效率高于未 增加填料的r 1 反应器，并且启动速度更快。在环境温度逐渐降低、随着水力停 留时间不断减少、反应器的容积负荷不断提高的条件下，各个阶段内反应器大体 呈现处理效率升高降低恢复升高的周期性变化；在提高负荷幅度相同的情况 下，r 1 反应器的c o d 去除率虽然能够在一段时间内恢复，但波动幅度大于r 2 反应器，说明负荷的提高对r l 反应器的冲击更大，r 2 反应器的运行稳定性更好。 a b r 反应器各格室c o d 的去除率研究表明，a b r 反应器各室对c o d 的去 除效率同容积负荷有关。当容积负荷较低时，第一格室对c o d 的去除贡献最大， 随着负荷的增加，各格室对c o d 的去除贡献逐渐增加。各格室的去除率沿反应 器流向逐级递减。由于r 2 反应器中填料的添加更利于微生物的生长，当进水浓 度相同时，同为1 ，2 格室，r 2 反应器的c o d 去除率高于r 1 ，而在后面格室中， 两个反应器的去除率基本相同。 沿着水流方向格室的p h 均为先降低后升高。对不同的水力停留时间而言， 上述变化趋势在各隔室中的分布则是不同的，h r t 较短( 容积负荷较高) 时产 酸作用将后移，p h 的升高也后退。当反应器出水碱度在4 5 0 - - , 6 5 0 m g l 范围内， 容积负荷为o 1 5 0 9 7k g c o d m 3 d 时，出水p h 值基本稳定在6 8 7 2 之间，说 明该反应器具有一定的p h 值缓冲能力，能够保证反应器的稳定运行。 关键词：厌氧折流板反应器( a b r ) ，启动，填料，低浓度废水 a b s t r c t a bs t r a c t t h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l ep r o g r e s so fa n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a s r ) a sa n e we f f i c i e n tt r e a t m e n tp r o c e s s ，n o to n l yi nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh i g h c o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t ew a t e r , b u ta l s ot h ed e a l i n gw i t hl o wc o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e ri s g e t t i n gm o r ea t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ，c o m p a r a t i v et e s t sa r ec a r r i e d o u t b e t w e e nt w os i m i l a ra b rr e a c t o r so fs i xl a t t i c es t r u c t u r er 1 ( 30 6 l 1a n dr 2 ( 10 l ) w h i c ha d dw i t ht h er u b b e rp o w d e rf i l l e r i nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 1 1 2 7 ) a n d i n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nc h a n g e si nas m a l lr a n g eo fc o n d i t i o n ( a r o u n d3 0 0 r a g l ) ， v i ad e c r e a s i n gh r tt oc h a n g et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v es t u d yo fo r d i n a r ya b rr e a c t o r ( r 1 ) a n dt h ea b r ( r 2 ) r e a c t o ra d d e df i l l e r i ts h o w st h a ta b rr e a c t o ra p p l i e dt ol o w c o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e rh a sag o o de f f e c t ，w h i l et h eo p e r a t i n gs y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t y a b rr e a c t o r w h i c ha d d e df i l l e rs t a r t e df a s t e ra n dr u n n i n gm o r es t a b l e t h r o u g h o u tt h et r i a lp e r i o d t h ee f ! f i c i e n c yo fr 2w i t hf i l l e ri sh i g h e rt h a nr 1r e a c t o r a n ds t a r t e de v e nf a s t e r i nt h e c o n d i t i o no fe n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eg r a d u a l l yr e d u c e s ，h r td e c l i n e ss t e a d i l ya n d t h ev o l u m el o a di n c r e a s e s ，t h ee f f i c i e n c yi nv a r i o u ss t a g e so ft h er e a c t o rg e n e r a l l y s h o w st h ev a r i e t yo fi n c r e a s e r e d u c e 。r e s u m e i n c r e a s e ；t h o u g ht h ec o dr e m o v a l r a t eo fr 1c a nb er e s u m e dw i t h i nap e r i o do ft i m ew h e ni n c r e a s et h es a l t l ev o l u m e l o a da sr 2 ，t h ef l u c t u a t er a n g eo fr 1i sb i g g e rt h a nt h a to fr 2 ，w h i c hc a nb es h o w n t h a tt h ei n c r e a s e dl o a dm a k er 1r e a c t o rg e tg r e a t e ri m p a c t ，r 2r e a c t o ro p e r a t e dm o r e s t a b l e t h es t u d yo fa b rr e a c t o rc h a m b e rc o dr e m o v a lr a t ei n d i c a t e dt h a tt h ec o d r e m o v a le 伍d e n c yr e l a t e st ov o l u m el o a d r 1 1 e l lt h ev o l u m el o a di sl o w t l l ef n s t c h a m b e rc o n t r i b u t e dt h em o s tt ot h er e m o v a lo fc o d ，a st h el o a di n c r e a s e s ，c h a m b e r r e m o v a la l o n gt h er e a c t o ri n c r e a s eg r a d u a l l y c h a m b e rc o dr e m o v a lr a t ed e c r e a s e a l o n gt h er e a c t o r o na c c o u n to ft h ef i l l e ri nr 2r e a c t o ri sc o n d u c i v et om i c r o b e g r o w t h , w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fe n t e rw a t e rs a m e n e s sa tt h es a n l et i m e c o d r e m o v a lr a t eo fr 2r e a c t o ri sm o r et h a nr 1 ，i nt h eb a c kr o o mo ft h eg r i d ，t h er e m o v a l r a t ei nt w or e a c t o r si st h es a m eb a s i c a l l y i nd i f f e r e n tv o l u m el o a dc o n d i f i o n s ，t h ed i r e c t i o no fp ha l o n gt h ec h a m b e ri s g e t t i n gl o w e rf i r s ta n dt h e ni n c r e a s i n g t od i f f e r e n th r t ，t h et r e n di nt h ec h a m b e ra t t h ed i s t r i b u t i o ni sd i f f e r e n t ，珊e nt h eh r ti ss h o r t 衄曲e rv o l u m el o a d ) ，a c i d p r o d u c t i o nw i l lb ea f t e rt h es h i f t ，r e s u l t i n gi nv f ag o e sb a c k w a r d ，a n dt h ei n c r e a s eo f p hi sa l s ob a c k m e l lt h ea l k a l i n i t ye f f i u e n ti s4 5 0 6 5 0m g l v o l u m el o a di s0 15 o 9 7k g c o d m 3 - d ，t h ee f f l u e n tp hv a l u ei sb e t w e e n6 8t o7 2i nt h eb a s i cs t a b i l i t y , w h i c h s h o w st h a tt h er e a c t o rh a sap hv a l u eb u f f e ra b i l i t yt oe n s r r es t a b l eo p e r a t i o n k e y w o r d ：a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ，s t a r t u p ，f i l l e r , l o ws t r e n g t hw a s t ew a t e r i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特另, j j j i 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：超骛茎日期：碰! 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨壁墨堕导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 厌氧生物处理技术的发展概况 厌氧生物处理技术是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化， 是处理有机污染和废水的有效手段，至今已经有1 0 0 多年的历史，其发展过程大 致经历了三个阶段【1 1 。 第一阶段( 1 8 6 0 1 8 9 9 ) ：简单的在同一个池子里进行沉淀与厌氧发酵的初期 发展阶段。这一阶段的厌氧处理技术具有以下特点： 1 ) 把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池中进行，亦即以简易的沉淀池 为基础，适当扩大其污泥贮存容积，作为挥发性悬浮生物固体液化的场所。 2 ) 处理对象为污水、污泥。 3 ) 精确设计和建造的化粪池至今仍在无排水管网地区以及某些大型居住或 公用建筑的排水管网上使用。 第二阶段( 1 8 9 9 1 9 0 6 ) ：污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段，主要代 表是经化粪池改造后的双层沉淀池。 1 ) 在处理构筑物中，用横向隔板把污水沉淀和污泥发酵两种作用分隔在上 下两室分别进行，即所谓的双层沉淀池。 2 ) 当时的污染指标仍以悬浮固体为主，但生物气的能源功能已为人所共识， 并开始开发利用。 第三阶段( 1 9 0 6 至今) ：独立式营建的高级发展阶段。这个发展阶段具有以 下特点： 1 ) 把沉淀池中的厌氧发酵室分离出来，建成独立工作的厌氧消化反应器。 开发的主要污水处理工艺有：普通厌氧消化池、u a s b 、厌氧接触工艺、两相厌 氧消化工艺、a f 、a f b 等。 2 ) 把有机废水和有机污泥的处理和生物气的利用结合起来，即把环保和能 源利用结合起来。 3 ) 处理对象除v s s 外，还着眼于b o d 和c o d 的降低以及某些有机毒物的 降解。19 5 5 年s c h r o e f e r 等提出了厌氧接触法( a c v ) ，标志着现代废水厌氧处理 技术的诞生。 厌氧生物处理技术的反应器主体也经历了三个时代【2 】。 第一代反应器：以厌氧消化池为代表，属于低负荷系统。 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。典型工艺有：厌氧生物滤池、 北京工业大学工学硕七学位论文 u a s b ( 上流式厌氧污泥床) 、厌氧流化床、厌氧折流板反应器、厌氧生物转盘等。 第三代反应器：在将固体停留时间和水力停留时间分离的前提下，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。 随着对厌氧消化理论的深入研究，人们相继开发了多种高效厌氧生物反应 器，如厌氧滤池( a f ) 、升流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器等，它们在结构上的设 计或运行方式能够保持反应器内较高的生物量，从而大大提高了反应器的容积负 荷，缩短了水力停留时间( h r t ) ，改变了人们对厌氧处理效率低、处理周期长的 传统观念。但它们尚存在着易堵塞、成本高、设计复杂( 如三相分离器) 、颗粒污 泥培养难等缺点。a b r 反应器就是在u a s b 反应器的基础上发展起来的新一代 更高效的厌氧反应器。 1 2 厌氧生物技术处理低浓度污水的研究进展 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。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间 ( s r t ) 与废水的停留时间( h r t ) 相同，无法给世代时间长( 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。 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 ) ，厌氧序批式活性污泥法( a s b r ) ，厌氧 折流板反应器( a 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。 1 ) 厌氧滤池( a f ) 厌氧滤池是采用填料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 2 第1 章绪论 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。 2 ) 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。 3 ) 上流式厌氧污泥床( ( u a s b ) 一 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。 在低浓度u a s b 启动的研究方面，国外的b r i t oa g 等人【4 】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【5 】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 r a g l ) 启动u a s b 反应器，在- n 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【4 】在夏季平均气温达3 2 的地区，以颗粒污泥接种u 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【6 】。u e m u r a s 等人 7 】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 - - 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【8 】。 4 ) 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 北京工业大学工学硕士学位论文 i 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【9 】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 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 f i ot k a t o 等人【lu j 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 l 的污水，容积负荷达到1 2 k g c o d m 3 d ， 去除率8 0 。 5 ) 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【l l 】用一系列a s b r 反应器处理c o d 浓度为4 0 0 1 0 0 0 m g l 的合成废水，温度分别为3 5 ，2 5 ，2 0 和 1 5 c 时，h r t 超过1 2 h 就能获得8 0 - - 9 0 的c o d 去除率。b a n i k 等人【1 2 】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 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1 ，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【1 3 】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 r a g 1 的废水，每个周期时间为8 h ，c o d 去除率可达到8 6 。 6 ) 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【l4 1 。a b r 反应器分为若干个格室，处理高浓度污水时，位于 反应器前端的格室中，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 a ea m l a n g e n h o f f 等人【l5 】研究得出，在进水浓度低( c o d 为5 0 0 m g l ) 时，发酵菌，产酸茵，产甲烷菌在不同格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 m g l ，去除率可达到8 0 t 1 6 】。此外，b a r k e r , d u n c a nj 等人【l 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 4 第1 章绪论 产量的主要因素。 到目前为止，厌氧滤池已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低， 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 2 s ，n i t 4 等异味物质，所以一般厌氧处理系统后面还应该增设好氧 处理。 厌氧过程实质是一系列复杂的生化反应，其中的底物、各类中间产物、最终 产物以及各种群的微生物之间相互作用，形成一个复杂的微生态系统，类似于宏 观生态中的食物链关系，各类微生物间通过营养底物和代谢产物形成共生关系或 共营养关系。因此，反应器作为提供微生物生长繁殖的微型生态系统，各类微生 物的平稳生长、物质和能量流动的高效顺畅是保持该系统持续稳定的必要条件。 实践表明，一个成功的反应器必须是：( 1 ) 具备良好的截留污泥的性能，以保证 拥有足够的生物量；( 2 ) 生物污泥能够与进水基质充分混合接触，以保证微生物 能够充分利用其活性降解水中的基质。同时，研究人员基于对各类化合物厌氧降 解机理研究的进展，从厌氧底物降解途径和动力学两方面入手，分析提高和保持 反应器内微生物活性的可能措施，并与反应器的设计相结合，全面提高反应器的 性能。 1 3a b r 反应器在厌氧生物处理中的应用 1 3 1a b r 反应器的工艺思想 a b r 反应器具有结构简单、截留污泥能力强、稳定性高等许多优点，近年 来成为厌氧反应器内研究的热点之一。 a b r 反应器内的竖向导流板将反应器分隔成串联的几个格室，每格室都可 以看作一个相对独立的升流式污泥床系统，废水进入反应器后沿导流板依次通过 每个反应室的污泥床，废水中的有机基质通过各格室并与其中的微生物充分接触 而得到去除。借助于水流的上升和沼气的搅动，反应室中的污泥上下运动，但是 由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能，在流量波动冲击下不会造成大量的厌 氧污泥的流失。从而在不同格室中驯化培养出与流经该格室的污水水质及环境条 件( 如p h ，氢分压等) 相适应的微生物群落。a b r 反应器前面格室中以产酸菌为 5 北京工业大学工学硕士学位论文 优势菌群，后面格室中以产甲烷菌为优势茵群，使消化反应的产酸相和产甲烷相 沿程得到分离，参与厌氧消化过程的微生物能够生长于各自最佳的生长环境中， 使厌氧消化过程的效率大大提高。 1 3 2a b r 反应器在废水处理中的研究现状 研究表咧1 8 】，a b r 反应器对多种低浓度、高浓度废水，含高浓度固体的废 水，含硫酸盐废水等均能有效地处理。 1 ) 低浓度有机废水时的处理能力 当废水浓度低时，基质和生物之间的传质推动力较小，低负荷导致的低产气 量使废水与生物之间的接触减弱，污泥不易颗粒化。在低有机底物浓度的条件下， 有机底物的含量是有机底物降解速率的控制因素。污泥长期处于饥饿状态，污泥 活性远低于最佳值，采用短h r t 可增加a b r 各格室内的微生物与基质的接触， 因此采用短h r t 的运行方式启动为佳。 y u 憎j 采用a b r 对c o d 浓度为6 8 5 1 6 m g l ，p h 值为6 7 - - 7 3 的城市污水的 实验研究表明，在启动阶段h r t 为1 6 h ，常温( 1 8 一2 8 ) 条件下，c o d 有机 负荷为o 6 k g m 3 d 的条件下，逐渐慢慢增加负荷至0 9 k g m 3 d ，h r t 降至l l h ， 两个月启动成功。运行初期出水水质较差，悬浮污泥大量流失，产气量少，但随 有机负荷的增加颗粒污泥形成，c o d 去除率显著提高，产气量明显增加，两个 月，c o d 去除率为7 5 ，系统运行稳定。 对厌氧反应器而言，良好的泥水混合是必须的，只有这样，大量的生物体才 能与进水中的基质接触而发挥其降解的功能，增大物质向絮体内的传递速率，保 持高的去除率 2 0 1 。因此在a b r 反应器运行过程中，在不引起酸化的条件下，应 尽量提高进水浓度，提高处理效果。 2 ) 低温废水的处理能力 在处理低温废水时，分段式反应器比完全混合反应器具有更多的优点。一般 情况下温度每增加1 0 ，按v a n th o f f 定律生物化学反应的速度会增加一倍，当 被处理污水中所含底物充足时，同时又不受其他因素影响的条件下，酶的反应速 度与酶的浓度成正比，即酶的浓度越高，反应速度就越快。在底物浓度固定的条 件下，若生物量多，就能在很大程度上补偿或缓冲了温度的影响。对于普通的厌 氧反应器，温度降低，反应器的p h 值也随即降低，出水中的a 浓度升高， 停止产气，出水中悬浮固体也会增高，c o d 去除率明显下降。而a b r 反应器能 够截流大量微生物，能够在低温下保持一定的处理效率。 n a c h a i y a s i t 2 1 】研究表明，a b r 反应器在系统达到稳定后两个月，温度从3 5 降到2 5 时，a b r 反应器的c o d 去除率降低5 左右，进一步将温度降到1 5 时，c o d 的去除率降低2 0 ，长期在低温下运t ( 1 2 周) 会增加中间产物的浓 6 第1 章绪论 度，使溶解性微生物产物( c s m p ) 增多。主要原因是：温度降低，使前面格室的生 物降解速率降低，使产酸推移到后面格室中，提高了后面隔室的效率，但总的去 除率却没有很大改变。 3 ) 高浓度的有机悬浮固体废水的处理能力 应用a b r 处理高浓度有机废水是a b r 应用前景最为广阔的一个方面。j c a k u l m a 和m c l a r k 【2 2 】研究了用a b r 处理高浓度酿酒废水的情况。当容积负荷 为0 9 9 k g c o d m 3 d 时，c o d 去除率可达到8 6 6 ，减少水力停留时间，相应的 c o d 容积负荷达到4 7 5 k g c o d m 3 - d 时，c o d 去除率也可以达到8 0 ，当容积负 荷为2 3 7 k g c o d m 3 d 时，c o d 去除率最高，达到9 2 2 5 。在此实验中的所有 水力条件下，反应器内都得以保持高浓度的悬浮状污泥。 b o o p a t h y l 2 3 悃a b r 反应器处理猪粪废水，此废水含有5 2 4 9 l 总固体，试 验采用停留时间1 4 d ，c o d = 5 9 4 k g l ，v f a = 3 7 1 2 m g l ，c o d 总去除率达到7 0 左右，对小粒径的蛋白质、脂肪、纤维素、半纤维素都具有较好的处理效果，在 负荷为4 9 v s l - d 时，达到最大产甲烷量0 6 2 l g 。研究发现反应器对颗粒的截留 能力很强，污泥停留时间( s r t ) 长达4 2 d ，使废水中的固体小颗粒有足够长的s r t ， 将这些小颗粒转化为甲烷。 4 ) 对难降解、有毒废水的处理能力 a b r 反应器中的折流板阻止了各格室的返混，因此整个反应器具有水平推 流的流态，且分格数越多，水平推流越明显；另外，a b r 反应器对颗粒的截留 能力很强，污泥龄较长，根据b o o p a t h y e 2 4 】对高浓度的有机悬浮固体废水研究污 泥龄长达4 2 d ，污泥龄长有利于世代期较长的细菌繁殖生长，促使系统形成复杂 的生物菌群。a b r 的这种特性使其对难降解、有毒废水的处理具有潜在的优势。 k u s c u 2 5 】等用a b r 处理对硝基酚( p n p ) ，c o d 浓度控制在3 0 0 0 m g l ，当 p n p 的负荷为3 3 9 9 m 3 d 时，p n p 去除率达到最高9 9 ，此时c o d 的去除率为 9 0 。c o d 在第一格室中的去除率是最高的( 7 8 9 3 ) ，除了负荷为0 9 7 9 m 3 d 以外，p n p 在其它条件下的去除率都接近9 0 。第一格室中总挥发性脂肪酸 ( t v f a ) 含量在5 0 m g l , - , 2 0 0 m g l 之间，k u s c u 认为对氨基酸是厌氧消化p n p 的主要中间产物，继而又分解为苯酚和氨水。 印染废水中的合成有机着色剂中的大部分也是难降解物质，脱色也是一个重 要问题，一些染料，如芳香胺还是致癌物质。b e l l 2 6 】等在利用a b r 处理印染废 水的实验中发现，因为染色剂并非唯一基质，生物降解实验的效果并不稳定。他 们用a b r 对染料酒石黄的脱色进行了研究，当酒石黄的浓度为2 5 0 m g l 时，随 着微生物对环境条件的适应，c o d 的去除率在5 0 * , , - 6 0 ，色度去除达9 5 。 5 ) 处理含硫酸盐废水 味精、糖蜜酒精及青霉素等制药废水都含有大量的有机物和高浓度的硫酸 盐。硫酸盐在厌氧条件下还原为硫化物以后，硫化物被氧化为单质硫并加以去除。 7 北京t 业大学工学硕士学位论文 在硫酸盐还原过程中，厌氧条件下硫酸盐还原菌( s r b ) 的生长和活动，会对正常 的厌氧消化过程产生很大的影响：一方面，s r b 与产甲烷菌( m p b ) 相比，二者具 有类似的生长环境要求和基质利用特性，因此可能导致对m p b 的基质竞争性抑 制；另一方面，硫酸盐还原菌的代谢终产物硫化氢( h 2 s ) 对厌氧细菌特别是产甲 烷菌具有很强的毒害作用，会导致它们活性降低，甚至死亡。废水中c o d 与硫 的比率( c o d s ) 以及反应器中的p h 值是控制这两方面影响的重要参数，硫酸盐 通过s b r 对m p b 的抑制主要取决于c o d s 而非进水硫酸盐浓度，而反应器中 的p h 值则影响着溶液中硫化物所起抑制作用的程度。 p a t i d a r 和t k e 【27 】对比研究了u a s b 、a b r 、h a b r 对硫酸盐废水的处理效 果，在对c o d 的去除方面，三种反应器在c o d s 0 2 4 一为8 5 7 。8 5 9 时，去除率都 能达到6 5 以上，但是当c o d s o ；一为减小到6 9 2 7 0 5 9 时，c o d 去除率只有 4 1 5 5 。补充营养后，u a s b 中c o d 的去除率可达9 4 5 ，表明营养缺乏是反 应效果恶化的主要原因。同样条件下，在a b r 和h a b r 中，由于硫化物对微生 物的严重抑制，去除率却仍然只有4 5 9 2 5 6 1 2 。 6 ) 用a b r 反应器制氢 随着能源需求增加及环境污染等问题的日益突出，急需寻找可替代传统能源 的新能源。在诸多的替代能源中，氢气作为一种无污染、可再生的理想燃料被认 为是最有前途的替代能源。普通的物理化学方法制氢需消耗大量能量，因此，生 物制氢技术越来越受到重视。 l i 【2 s 】等通过一个三格室的a b r 反应器制氢，原水采用c o d 为5 0 0 0 m g l 的 蜜糖废水，在3 5 的条件下，运行2 6 天时，a b r 为稳定的乙醇型发酵，液态发 酵产物包括挥发性脂肪酸类和乙醇，在稳定的运行条件下，产氢量为3 2 5 l 【d ， 厌氧活性污泥的产氢率为o 1 3 l g m l v s s d 。研究发现，a b r 独特的分格结构为 不同类型的厌氧微生物提供了有利环境，同完全搅拌反应器( c s t r ) 相比，a b r 在运行稳定性及生物活性方面都具有优势，从而具有更高的基质转化率和产氢效 率。 1 3 3a b r 反应器的应用前景及研究意义 厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f i e ar e a c t o r ，a b r ) 是分阶段多相厌氧反应 器工艺技术，被认为具有第三代厌氧反应器的特征。它适应了厌氧处理过程中不 同种群微生物对基质利用的不同生理和生态原理，具有比传统的两级( 或两相) 厌 氧处理工艺更灵活、易管理的特点，相比于其它反应系统，有着以下优点：构造 简单、不需要机械搅拌、运行维护费用低、死区率低；产泥量低、污泥龄长、水 力停留时间短、耐水力冲击及有机物冲击、对有毒物质冲击抵抗力和恢复力强。 但对于a b r 的研究目前还主要处在实验室阶段，所以a b r 反应器在实际工程中 第1 章绪论 进一步推广之前，仍需要进行大量的试验，结合机理分析，以便深入地了解其工 艺特性。 面临当今的能源紧张，厌氧处理技术凭借其节能优势，可使废水处理在经济 效益和环境效益上得到双赢，从而越来越来受到人们的青睐。在实际的应用中， a b r 有着厌氧反应器的一系列优点，能极大地节省能源；同时有机废水的厌氧 发酵能产生大量的厌氧生物能沼气，可作为能源加以利用。a b r 低能耗的 特点及其附属生物能的产生，在工业化快速发展的今天，无疑将拥有极大的社会 经济价值；其应用理论的发展，必将进一步推动水污染处理技术的前进，缓解日 益严重的能源危机。 1 4 本文研究的主要内容 本文对a b r 反应器在环境温度下的运行性能进行了研究，本研究以低浓度 废水为对象，对普通a b r 反应器r 1 和添加橡胶粉末填料的r 2 反应器的总体运 行效率及各格室的处理效率进行了分析，对处理低浓度废水启动、运行效能进行 研究。 9 第2 章厌氧消化理论及a b r 的工作原理 第2 章厌氧消化理论及a b r 的工作原理 2 1 厌氧消化理论 2 1 1 消化过程阶段理论 废水的厌氧生物处理是指在无氧的条件下，利用厌氧微生物的代谢作用，把 废水中的有机物转化为小分子的有机物和无机物以及细胞物质。厌氧生物处理过 程十分复杂，涉及到众多的微生物种群，各种生物种群都有相应的营养底物，并 且产生各自的代谢产物；这些微生物种群通过直接和间接的共营关系，互相影响， 互相制约，组成一个复杂的共生系统，称为微生态系统。 不同的有机物( 碳水化合物、蛋白质、类脂) 在废水中存在的状态不同，有的 溶解在水中，有的以悬浮物或者胶体形式存在，非溶解性的有机物必须先经过水 解转化成溶解性的有机物才能被微生物降解。关于有机物的厌氧降解过程，有多 种理论，主要包括两段论、三段论和四段论，其中三段论是目前应用最广泛的理 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 c h i e ( 1 9 1 4 ) 与l m h o 凰1 9 1 6 ) 的 看法，将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段。 在第一阶段，复杂的有机物，如糖类、脂类和蛋白质等，在产酸菌( 厌氧和 兼性厌氧菌) 的作用下被分解成低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸， 如乙酸、丙酸、丁酸等，以及醇类，如乙醇等，并有氢、二氧化碳、氨氮和硫化 氢等产生。因为该阶段中，有大量的脂肪酸产生，使发酵液的p h 不断升高。所 以，此阶段被称为酸性发酵阶段，或称产酸阶段。 在第二阶段，产甲烷菌( 专性厌氧菌) 将第一阶段产生的中间产物继续分解成 甲烷和二氧化碳等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为甲烷和二氧化碳，同 时系统中有n h ：的存在，是发酵液的p h 不断升高。所以，此阶段被称为碱性发 酵阶段，或称产甲烷阶段。 随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过 程认识不断深化，厌氧消化理论不断得到发展。m e b r y a n t ( 1 9 7 9 年) 根据对产甲 烷和产氢产乙酸菌的研究成果，认为两段理论不够完善，提出了厌氧消化的三阶 段理论。该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、h 2 c q 和甲醇等以外的有机酸 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 和c 0 2 后， 才能被产甲烷菌利用。三阶段理论包括： 北京工业大学工学硕士学位论文 第一阶段为水解发酵阶段。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成较简单的糖类；蛋白质 转化成较简单的氨基酸；脂类转化成脂肪酸和甘油等。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、丁酸等脂肪酸和醇类等。 参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲 醇以外的第一阶