（环境科学专业论文）厌氧折流板反应器（abr）处理生活污水的试验研究.pdf

中山大学碗士学位论文 模型为 鲁s o _ ( 斋t l 面丁ol 1 + 。k 五 求得不同温度下的值为：2 5 。c ，0 1 6 0 3 ( l g v s sd ) ；2 2 。c ，0 1 4 3 1 ( l g v s s 日) 1 9 。c ，0 1 3 4 5 ( l g v s s d ) 。 得出k 2 与温度的关系式为 正：2 1 4 1 0 4 p 一8 0 2 7 8 7 a b r 反应器处理生活污水的活化能为 e = 2 1 4 x1 0 4 j m o l 同时得出a b r 反应器在h r t = 6 5 h 时c o d 。，去除率与温度的关系为 e = 0 6 9 9 8x1 0 4 2 ( 7 2 0 ) 关键词：厌氧折流板反应器，a b r ，生活污水 i i 中山大学硕士学位论文 t i t l e ：e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f a n a e r o b i cb a f f l e d r e a c t o r ( a b r ) f o rm u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n t m a i o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：y a n gj i a n b o s u p e r v i s o r ：p r o f l e ih e n g y i a b s t r a c t t h ea n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b 融h a sb e e nb e i n gan e wk i n do fa d v a n c e d a n a e r o b i cr e a c t o r sf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fu 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 ( u a s b ) s y s t e m b e i n go nas e r i e so f m e r i t ss u c ha sl o w c o s t ，o p e r a t i o n a la n ds t r u c t u r a ls i m p l i c i t y , w o r k i n gs t a b i l i z a t i o n ，s t r o n gc a p a b i l i t yi n r e s i s t i n gl o a d i n gs h o c ka n dg o o dr e m o v a le f f i c i e n c i e s i tw i l lb eag o o df o r e g r o u n do f e x p l o i t a t i o nu s i n ga b r f o rs e w a g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ti ns o u t h e r na r e a , t h es t u d y r e s u l t so f t h i sp a p e ri n d i c a t e ： i nt h ee x p e r i m e n ta b rr e a c t o rh a dc o m p l e t e ds t a r t - u po n l yi n2 5d a y sw h e n a m b i e n tt e m p e r a t u r ew a s2 2 c - 2 5 ，w h i c hi l l u m i n a t e dt h a tu s i n ga b rr e a c t o rf o r t r e a t m e n to fd o m e s t i cs e w a g eh a df e wt e c h n i q u ed i f f i c u l t i e si nt r o p i c a la r e a s ，s u c ha s t h ec i t yo fg u a n g z h o u d u r i n gt h es t e a d yr u n n i n g ( h r t = 6 5 h ，t e m p e r a t u r e1 9 - 2 5 ) ，t h e c o n c e n t r a t i o no f o u t f l o wc o d c rw a s5 4 7 0 m g l ，t h eb o d sw a s3 5 5 0 m g la n dt h e s sw a sa r o u n d3 0 m g l t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c rw a s5 2 3 7 5 2 ，t h e b o d 5w a s5 5 3 7 8 2 a n dt h es sw a s6 4 6 8 6 2 c o d e rl ：m o v a e f f i c i e n c yi nt h ef i r s tc h a m b e rw a sa b o v e5 0 ，t h en u m b e rw a s i i i ! 些查兰堡主堂些笙茎 g r a d u a l l yd e c r e a s e di nt h el a s tf o u rc h a m b e r s t h ea b r r e a c t o rh a dt h ew i t h s t a n d i n g a b i l i t yf o rl o a d i n gs h o c ka n d t h el o ws h o r t - t i m ef l o wl o a d i n gs h o c kd i d n td a m a g et h e d e g r a d i n ga b i l i t y ；a n dt h a tt h e r ew e r ef o u rc h a m b e r si na b r r e a c t o rw a ss u i t e di nt h e u s eo f a b rr e a c t o rf o rs e w a g et r e a t m e n t t h ek i n e t i cm o d e lo f a b ri s 罢_ ( 再丢 4 ， w h e r e k 2i s 2 54 c ，o 1 6 0 3 ( l g v s s d ) ； 2 2 。c ，o 1 4 3 1 ( l g v s s d ) ； 1 9 ，o 1 3 4 5 ( l 儋v s s d ) t h em o d e lo f t e m p e r a t u r ea n dk 2i s 丘= 2 1 4 x 1 0 4 e 一8 “。1 0 27 ”， w h e r eei s2 1 4 x1 0 4 j m o l ： t h em o d e lo f t e m p e r a t u r ea n dc o d c rr e m o v a le f f i c i e n c i e si s e ，= o 6 9 9 8 x1 0 4 2 ( 7 2 “ k e yw o r d s ：a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r , w a s t e w a t e rt r e a t m e n t m u n i c i p a ls e w a g e i v 中山人学硕十宁仿论文 第1 章绪论 1 1 前言 目前我国城市污水处理厂普遍采用的工艺为普通活性污泥法，氧化沟， s b r ( 间歇式活性污泥法) ，a 2 o 法等好氧处理工艺，这些工艺基本上属于延时曝 气的低负荷工艺，投资费用与运行费用相对较高，对于国内经济不发达地区且 水污染控制形势义比较严峻地区应用有一定的局限性。传统的一级污水处理工艺 以能消能，即以电能米消耗大量有机碳源c o d 。，同时产乍大量的剩余污泥需要 处理，这不是经济的处理模式。 随着对厌氧消化机理研究的1 i 断深入和各种高效厌氧反应器的不断出现， 废水的厌氧生物处理技术已经成为资源和环境保护的核心技术之一 2 t ，原因在于 厌氧处理技术在污水处理过程中可较大限度地降低c o d 。，消耗能，并使c o d 。， 甲烷化而且处理过程本身所需的能耗较低，剩余污泥量也比传统好氧工艺少得 多，更为重要的是其后处理工艺刈以较灵活地设置并可根据经济状况分期建设。 在各种新型高效厌氧反应器中，厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e d r e a c t o r ，简称a b r ) 是一种新型高效厌氧反应器，作为一种多段分相复合流态 处理工艺，a b r 反应器具有结构简单，投资少，运行稳定，抗冲击负荷能力强， 处理效率高等一系列优点。在生活污水处理方面将会有很好的开发前景，圉外对 这方面研究较多，目前已有生产性装置投入运行。目前我国有关a b r 反应器的 研究还很少，也罕见有实际工程中的应用。本文试验研究是使用厌氧折流板反应 器( a b r ) 在常温下处理生活污水，以探讨在常温低浓度下反应器的启动与运行特 性，反应器对有机物去除的动力学研究等方面的问题，这些研究将有助于更清楚 地了解a b r 反应器在常温下处理低浓度有机废水的运行特点，更好地进行反应 器的启动和运行控制，减少a b r 反应器的启动周期，掌握其操作特性，为a b r 反应器运用于处理低浓度污水的生产实践提供理论支持。 中山人产硕十学何论文 1 2 城市生活污水的处理技术现状 目前城市生活污水处理技术最主要的足白然生物处理系统和好氯处理工艺 两人类。其中自然生物处理系统最常用形式是稳定塘，其次由于受许多因素的影 响，土地处理系统应用的较少。城市生活污水的好氧处理1 艺大致可分为活性污 泥法和生物膜法，其中活性污泥法足城市污水处理中运用最为，。泛的处理。i ：艺， a b 法，s b r 法，氰化沟法等可看作是活性污泥法的延伸t 艺。生物膜法的容积 负荷高，污泥产量少，适宜处理城市生活污水，传统的生物膜法如生物滤池，生 物接触氧化等工艺均已成功地运用与城巾t 卜活污水的处理，曝2i 生物滤池( 简称 b a f ) 是8 0 年代i i 7 j 开发成功的一种新型生物膜处理方法，在法困，英国，奥地利 和澳人利亚等国已有成熟的技术和设备p j 。 1 2 1 稳定塘 稳定塘是一种充分利用自然能力的高效，低耗污水处理技术，用于废水处 理已有3 0 0 0 年以上的历史。第一座经科学设计与管理的稳定塘是1 9 0 1 年在美国 得克萨斯州圣安东尼奥市建造的。欧洲最早建成且至今仍在运行的塘是1 9 2 0 年 在德国慕尼黑建造的。我国在5 0 年代玎始应用氧化塘处理城市生活污水和工业 废水，至1 9 9 0 年已建成稳定塘1 13 座，处理污水量1 8 9 8 1 0 4 m 3 d 。目前在我 国处理规模较大的稳定塘有：同处理2 0 万m 3 城市污水的黑龙江齐齐哈尔氧化塘， 日处理1 7 万m 3 城巾污水的西安漕运河氧化塘，同处理8 万m 3 化工废水的湖北 鸭儿湖氧化塘，日处理8 万m 3 低浓度城市污水的湖南湘湖渔场和f i l 处理3 万m 3 城市污水的i 【j 东胶州氧化塘【”。稳定塘的基建费用约为同规模活性污泥法污水厂 的1 3 1 2 ，年运行费用约为后者的1 4 ，明显具有投资省，管理费用低的优点。 但稳定塘占地面积大，按处理单位城市污水量计算，稳定塘处理系统占地约为常 规二级厂的9 4 3 倍【5 】 而且处理效率受温度，光照等外界因素的影响很大，效 果不太稳定，此外在经济发达地区，由于人口密集，土地利用率，士地价格高， 稳定塘工艺的应用受到很大的限制。 中l i j 人学硕+ 学位沦义 1 2 2 传统活性污泥法 该工艺出现最早，至今仍有较强的生命力。传统活性污泥法出水水质较好上土 稳定，运行管理比较简币，但是由于污泥不稳定，需要增加设施进行稳定化处理， 增加了运行管理环节，加大了基建投入r 1 0 0 0 2 0 0 0 元m 3 ) ，但是污泥产生的沼 气可以用来发电，使污水处理总能耗降低( 0 1 5 o 2 0 度m 3 ) ，运行成本降低( o ，2 5 元m 3 左右) ，冈其明显的经济性，在大型城市污水处理厂的建设中( 大于2 0 万吨 d ) ，是国内外广泛采用的污水处理工艺。传统意义上的活性污泥法4 i 足之处是 只能作为常规二级处理，不具备脱氮除磷功能。 1 2 3a b 法( a b s o r p t i o n - - b i o o x i d a t i o n ) 该法由德国教授b o b u k e 首先丌发。该工艺对曝气池按照高低负荷分成二级 供氧，a 级负荷高，曝气时间短，产乍污泥量大。b 级负荷低，污泥龄较长。a 级和b 缴之问设中问沉淀池。两级池彳i 同的f m ( 污染物量微牛物量) ，形成不同 的微生物群体pj 。a b 法由于采用了两级牛化处理，工艺的单元构成较复杂，产 生的污泥血不稳定，需要污泥处理设施埘其进行稳定化处理和处置，管理环节多， 基建投入也比较多( 1 5 0 0 2 0 0 0 元m 3 ) ，污水处理币位成本电高( o 7 1 0 元 m 3 ) 【7 】【8 1 。a b 法尽管对处理高浓度城市污水有节能的优点1 9 1 ，但不适合低浓度水 质。困内有的从国外引进a b 法工艺，由丁实际进水浓度低，a 级形同虚设，反 而增加了工程投资，应当引以为戒。 1 2 4s b r 法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) s b r 法早于2 0 世纪初已经开发，但当时人| 二管理繁琐而未予推广。直到七 十年代后期，美国n a m e d a m e 大学的i r v i n e 教授对s b r 法进行了系统的研究后， s b r 法才逐渐引起广泛重视 i o 】。s b r 是一种问歇运行的污水生物处理工艺，此 法集进水，曝气，沉淀，出水在一座池中完成，常由三个或四个池组成一组，轮 流运转， 。池。池地问歇处理，故称序批式活性污泥法。s b r 的一个完整操作 周期有以下五个阶段：进水期，反应期，沉淀期，排水期，闲置期。现在又丌发 h 一些连续进水，连续出水的改良式s b r 工艺，如问歇循环延时曝气法( 简称 中山人学硕十学位论文 i c e a s ) ，循环式活性污泥法( c a s s ) ，连续进水剧歇延时曝气法( 简称i d e a ) ，连 续一叫歇曝气法( 简称d a t 一1 a t ) j 等。这种一体化工艺的特点是工艺简单，只 有一个反应池，不需二沉池，凹流污泥设备，一般情况下不设调节池，多数情况 下可以省去初沉池，可以节省占地和投资，耐冲击负荷且运行方式灵活，i q 以从 时问上安排曝气，缺氧和厌氧的不同状态，实现脱氮除磷的目的。但每个池子都 需要设曝气和输配水系统以及复杂的控制系统，间歇排水水头损失火，池容的利 用率不理想。 1 2 5u n i t a n k 工艺 u n l t a n k 工艺是近年来引起重视的工艺l ”l 。u n i t a n kj l ：艺和类似连续流 序批式活性污泥法( t c b s ) 以及改良序批式活性污泥法( m s b r ) 。样，都是s b r 法 的变型和发展。典型的u n i t a n k 工艺是三个池，三池之问水力连通，每池都设 曝气系统，外侧的两池设有出水堰和污泥排放口，它们交错作为曝气池和沉淀池。 污水可以进入三池中的任意一个，采用连续进水，周期交管运行。在自动化控制 下使各池处在好氧，缺氰及厌氧交替状态，以完成有机物和氮磷的去除u 3 l 。容 积利用率低是此类一体化工艺的主要问题，就是说在一个较长停留时间的曝气系 统，有5 0 左右的池赛用于沉淀。u n i t a n k 这类处理工艺，是否能获得成功， 有赖于系统采用稳定可靠的自控仪表及设备【i 川。 u n i t a n k 工艺，由s c g h e r s 公司首先在我国的澳门特区建成处理量为1 4 万 吨d ( 不下雨时平均处理量为7 万n g d ) 。池型封闭，设计采用的容积负荷为 o 5 8 k g b o d 5 r n 3 , d ，总的反应池体积为4 6 8 0 0 m 3 ，曝气池水力停箭时间为8 小时， 出水的b o d 5 和s s 小于2 0 m g l 。 1 2 6 a 2 1 0 法 由于全球水体富营养化问题的加剧，对城市生活污水的处理出水中氮，磷 的排放有严格要求，七十年代丌发出厌氧一缺氧一好氧同时脱氮除磷的工艺即 a 2 o 法。利用生物处理法脱氮除磷，可获得优质 f _ 水，是一种深度二级处理工 艺【”i 。 a 2 o 工艺把脱氮，除磷和降解有机物三个生化过程巧妙的结合起来，a 2 o 法的可同步脱氮除磷机制有两部分组成：一是脱氮，缺氧段要控制d o 2 0 ) ，可以有效地脱氮除磷。 相对于a 2 o 工艺，a o 工艺属于缺氧一好氧活性污泥法，即在曝气池的前 端设置一定的缺氧区或采取交替缺氧好氧问歇曝气，使出水达到完全硝化，有利 于后续处理t 序的进行；，这种丁岂对没经过硝化处理的污水不适用。同时，当川 流污泥中有硝酸盐及业硝酸盐存在时，也就阻碍磷在厌氧池中的溶解。 在现代城市污水处理中，单独使用厌氧或好氧处理工艺，已不能满足h 趋 严格的排放要求，目前的趋势是将厌氧作为前处理工序，与好氧结合，既可减少 能耗，又口j 起到脱氮除磷的效果。如前述的工艺，控制厌氧污泥浓度法( i s a h ) ， 延时厌氧污泥接触法脱氮除磷( e a s c ) 等是较新开发的工艺。 1 2 7 氧化沟法 氯化沟使用种定向控制的曝气和搅动装置，向混合液传递水平速度，从 而使被搅动的混液在氧化沟闭合渠道内循环流动。氧化沟设计采用的水力停留时 间( h r t ) 4 f i 污泥停留时间( s r t ) 较长，剩余污泥量少于一般的活性污泥法，且比较 稳定，污泥不需消化处理。氧化沟既有完全混合式反应器的特点，又有推流式反 应器的特点。该一l ：艺五 年代初期发展形成，因其结构简单，易于管理，很快得 到推广，且不断创新，在实际应用中有多种形式 1 “。 氧化沟一般不设初沉池，负荷低，耐冲击，污泥少。基建费用及r 乜耗视采用 的沟型而变，如在转碟合转刷曝气形式中，再引入微孔曝气，加大水深，能有效 的提高氧的利用率和动力效率。 1 2 8 曝气生物滤池 曝气生物滤池( 简称b a f ) 也叫淹没式曝气生物滤池。国外从2 0 世纪初开始 进行研究，于八十年代末基本成型，后不断改进，丌发出多种形式。在 ：发过程 中，充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快速滤池的设计思路，集曝7 i ，高滤 速，截留悬浮物，定期反冲洗等特点于 体。在b a f 反应器中州以完成b o d 去 除和脱氨，磷通过化学法去除。困外的研究表明b a f 工艺可通过间歇曝气，实 现生物除磷，不过目前还处于试验阶段，尚未有生产性的报道p 。 曝气生物滤池对进水悬浮物的要求很高。进水的悬浮物一般不超过 1 0 0 m g l ，最好控制在6 0 m g l 以下。采用曝气生物滤池，水头损失较大，水的 总提升高度大。在反冲洗操作中，短时间内水力负荷较大，反冲出水直接回流入 初沉池会对初沉池造成较大的冲击负荷。 1 3 城市生活污水的厌氧处理技术 现代高效厌氧反应器具有能保有大的生物量，有机负荷容积负荷高，h r t 短等特点，所以有，t i h e , 在常温条件下经济地处理较低浓度的污水，如城市生活污 水。近些年来，研究者在这方面做了不少试验研究，有的试验成果已用于污水处 理的实践中。 目前，城市城市生活污水的厌氧生物处理技术主要是通过两种途径实现的： 一是采用厌氧( 水解，酸化) 一好氧工艺。厌氧水解酸化可将污水中的有 机物水解为溶解性有机物，对于难降解的物质可以通过该反应转变为易降解的物 质，从而有利于后续工艺的处理。图1 1 是厌氧一好氧工艺的基本流程。据王 凯军”1 等人的报导，在常温下使用此工艺处理城市生活污水，当总h r t 为8 5 h ( 水解2 5 h ，好氧4 h ，沉淀2 h ) 时，处理出水的c o d 平均值低于1 0 0 m g l ， b o d 5 和s s 平均低于2 0 m g l 。目前该工艺己经在北京的密云，火兴等地被用于 处理城市生活污水。在该工艺中，好氧技术实际是占主要地位的，厌氧技术是作 为前处理工艺被运用的，位于从属地位，由于采用好氧工艺段，运行中的大量供 氧使得工艺运行成本和采用单纯厌氧工艺相比无疑是增加了。 二是主要利用厌氧工艺的处理流程。例如：印度国立环境工程研究所”7 1 利 用厌氧滤池进行处理经初次沉淀的生活污水的小型试验，结果表明，当温度为 2 3 3 2 5 。c 时，b o d 5 和s s 的平均去除率约为7 0 8 0 和7 0 ，利用厌氧滤池 进行生活污水的生产性实践，b o d 5 的去除率约为6 5 7 0 ；美国j e w e l l 等人 1 8 l 对城市污水进行厌氧膨胀床的小型试验，结果表明，当进水c o d 为8 8 3 0 6 m g l ，温度2 0 。c ，h r p 0 5 h ，出水c o d 一般低于4 0 m g l ；还有研究者州 利用厌氧流化床处理生活污水，获得了良好效果，当h r t 为3 4 h 时，b o d 5 去除率达7 0 8 0 或更高 剩余污泥污泥同流 图1 1 厌氧一好氧工艺流程 还有研究者f 2 0 t 使用u a s b 反应器处理生活污水进行研究，试验小试：反应 器容积1 2 0 l ，接种颗粒污泥，温度8 2 0 。c ，h r t 为1 2 h ，c o d 去除率6 5 8 5 ，雨季为5 0 7 0 。中试试验为反应器容积6 m 3 ，用消化污泥接种启动，在 1 5 。c 以上时均可获得较好的处理效果。b a r b o s a 等人【2 ”在污水温度1 8 2 8 。c ， h r t 为4 h 的条件下用自接种启动，得到的试验结果为c o d 去除率7 4 。在生 产性实践方面，在印度的k a n p u r 己建立了一个总容职为1 2 0 0 m 3 的u a s b 系统， f i 处理生活污水5 0 0 0 m 3 ，在进水温度2 0 3 0 ，h r t 6 h 时，c o d 去除率可达 6 8 7 4 ，b o d 5 去除率为6 9 7 5 ，s s 去除率6 8 7 5 t 2 甜。 对于运行a b r 反应器处理生活污水的实际工程实践目前还比较少见，掘报 导，在美国哥伦比亚( c o l u m b i a ) 城的t e n j o 建有一套常温下处理生活污水的 a b r 反应器的工艺装置1 2 引，该装置有两个a b r 反应器并联组成，每个a b r 反 应器的体积是1 9 7 m 3 ，工艺运行时的处理效果是相当好的，运行工况为：进水 b o d 5 浓度3 1 4 m g l ，c o d 容积负荷为o 8 5 k g m - 3 d ，h r t 为1 0 3 小时，c o d 去除搴7 0 ，s s 去除率8 0 。实际运行时发现当c o d 窖积负荷在0 4 2 k g m - 3 d 。1 变动h , j ，c o d 去除率基本j ! _ _ _ 保持不变。只是在雨季，水力冲击负荷加 剧了污泥的流失，导致处理效率下降。 由以上的论述可知，在常温条件卜，运行各种高速厌氧反应器处理生活污 水均能取得较好的处理效果，a b r 反应器又是高效厌氧反应器中重要的一员， 其对生活污水的处理效果也在实际中得到了验证，因此，使用该工艺处理城市生 活在技术上是可行的。同时，在气候温暖的地区，例如我圉广州等南方城市，生 活污水的温度较高，以广i 、h 市大坦沙污水处理厂进水温度为例，在冬季，进水水 温在1 5 2 0 。c 之间，且持续时问非常短，为1 个月左右，低于1 5 。c 的极端情况 少见；其他季节，水温在2 0 3 0 。c 之间变动。较高的进水温度更为该工艺处理 生活污水提供了有利的条件。 1 。4 好氧处理工艺的运行费用 随着我国经济的发展，城市环境污染呈加剧趋势。按可持续发展战略的要 求对城市污水治理的总目标要求，近几年各地政府对污水处理设施的投入不断加 大，污水处理厂遍地开花，城市污水处理厂所采用的工艺以好氧处理工艺为主， 如传统活性污泥法，氧化沟法，a 2 0 法，a b 法等。但一个不容忽视的问题是， 污水厂的建设，运行费用多依靠政府拨款，政府常为污水厂长期运行的沉重包袱 而感到力不从心，因此污水处理厂的运行费用是个非常敏感重要的问题，有必 要对当前运行的污水处理厂的运行成本有清晰的认识。 长期以来，我国的市政污水处理厂多为事业单位，建设，运行费用靠政府拨 款，由于机制的原因，污水处理厂的运行成本始终是个模糊的问题，在目前，我 国大部分城市污水处理厂还依靠政府拨款建设，维护运行的情况下，运行费用成 为选择处理工艺重要的影响因素。华东地区是国内经济发达地区，该地区污水厂 数量占全国的2 3 ，因此该地区污水厂的运行成本对污水厂所采用工艺的运行费 用水平非常具有代表性，运行成本如表l l ，表1 2 和表1 3 所示( 共有4 0 座污水厂参与测算，其中：小型厂5 万吨天以下；中型厂5 2 0 万吨天：大型 厂2 0 万吨以上) 2 4 1 。 由表l l 可知，目前我国城市污水处理，一中，小型，叶i 型处理厂数量占绝 中山人学硕1 ：学位论文 大多数，其中小型厂的比例又火于中型厂，这与我国中小城镇数量众多，远大于 大型，特大型城市数有关。在控制水污染方面，小型污水处理厂承担了重大的责 任，对保护和改善水环境作出了重要贡献。但是面临的问题也一样严峻，中小型 污水处理j 所采用的【：艺以好氧i ：艺为主，而好氧工艺的主要问题就是工艺运行 费用高，如表1 3 所示，小型厂高达o 8 5 ( 0 7 1 ) , , a i m 3 ，中型i r 由丁规模效应 使得运彳：】：费用稍低为o 7 8 ( o 5 0 ) 元m 3 ，好氧1 ：艺中运行最高的是传统活性污 泥法和氧化沟法，分别高达1 0 l ( o 8 5 ) 元m 3 和1 0 1 ( 0 8 5 ) j t ：m ( 如表l 2 利表l 一3 ) 。如此高昂的运行费用是难以承受的，也是很卅i 经济的。由于能耗大， 运行费用高而使得相当多的处理厂不能满负荷运行。 我困中小城镇多，分布面j 一，日污水排放量人( 约占城市污水总量的7 0 ) ， 同时受经济发展水平的制约，不少经济欠发达地区和中小型城市由于资金短缺， 无力修建污水处理厂，难以对水环境污染进行控制，而面临的污水处理任务又十 分艰巨。鉴于这样的现状，在近期内大力发展并普及投资少，运行费用低，操作 简单的城市污水的厌氧处理工艺，以及对现有运行费用商的处理工艺进行技术改 造，降低其运行费用，以较小的投资获得较大的环境效益，具有广阔的应用前景 和积极的现实意义。 表1 1 污水厂规模 表l 一3 污水厂运行费用( 括号中为不含折旧的成本) 1 s 本课题的研究内容 本课题针对低浓度城市污水，选用厌氧折流板反应器( a b r ) 进行班u j - 活污 水处理试验研究，希望通过研究，能提出一种新的针对低浓度城r i 丁牛活污水处理 工艺，扩大a b r 工艺处理污水的应用范围，对切实解决我国水污染防治中存在 的问题，探索新的可行的解决方案。 研究内容主要包括以下儿个方面： l 研究使用a b r 反应器处理生活污水的厌氧反应器的启动问题。 2 通过a b r 反应器的运行试验，研究有机负荷，水力停留时问，环境温度 等冈素对反应器处理生活污水效果的影响。 3 进行a b r 反应器去除有机物的动力学研究。 1 6 本研究的目的和意义 随着工业化进程和城市化水平的不断提高，水资源的过度开发和污染物质的 大量排放，导致了全球水资源的f “重缺乏和水环境的不断恶化。水污染问题成为 当今世界面临的主要环境问题之一。 我国入均水资源占有量仅为o 2 4 力m 3 ，只有世界人均占用量的1 4 ，属于 世界十二个贫水国之f 2 ”。而这些有限的水资源拒遭受着来自绝大多数未经处 理的城市污水的污染。据统计1 2 5 - 2 7 】，我国1 9 8 6 年全国污水排放量为3 3 3 亿吨， 1 9 9 0 年为3 5 4 亿吨，到1 9 9 9 年更达4 0 1 亿吨，平均年增长率为1 4 ，首次超过 了工业污水的排放量，成为水污染的主要来源。大量废水未经处理就直接排入天 然水体，造成了城市附近水体的严重污染。在1 4 1 个国家控制城市河段中，3 6 2 的城市河段为i 至i i 类水质，其余6 3 8 的城市河段为i v 至劣v 类水质。据估 计，我国每年因水污染所造成的经济损失达4 0 0 亿元。水环境的污染，严重影响 了人民的身体健康和制约了人民生活水平的提高，限制了】：农业及城市的可持续 发展。 由于经济能力不足，对污水处理设施的投入滞后，我国目前的城市污水处理 率较低。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年两年，全国4 6 个环保重点城市的污水处理率仅为2 0 - 3 和2 4 7 ，其它城市的污水处理率更低1 2 7 j 。至1 9 9 8 年底，我国建成并运行的 城市污水处理厂仅2 6 6 座，城市污水处理量2 9 亿吨，仅占当年，j 二活废水排放量 1 9 4 8 亿吨的1 5 弘“。 随着我幽经济发展速度的加快和城市化水平的提高，污水排放量也将持续增 加，单污水处理能力的增加却远远滞后。我国国家环境保护“九五”计划和 2 0 1 0 年远景目标中提出，到2 0 0 0 年，城市环境保护需新增污水集中处理能力 1 0 0 0 万吨天，5 0 万人门城市都要建设污水处理厂，国家建设部，国家环保总局， 科技部2 0 0 0 年5 月发布的城市污水处理及污染防治技术政策中舰定，到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处 理率不低于6 0 ，重点城市污水处理率0 i 低于7 0 。而我国目前的污水处理现 状与这一要求还有很大差距。因此，兴建污水处理厂，提高污水的处理率已成为 当务之急。 发达国家的经验表明，防治水环境污染的根本措施市建设集中式的城市污水 处理厂。发达国家的城市二级污水处理厂相当普及，处理率可达9 0 或者更高。 而我国式一个发展中国家，经济势力薄弱，地区差异较人，发展也极不平衡。划 于一次性投资大，运行费用高的城市二级污水处理厂，存在即使建得起也养不起 的问题。因此，我们不可能也不应该照搬发达幽家的经验和技术来解决自己的城 市污水处理问题，而应该因地制宜地研究和开发经济适用，符合我国国情的污水 处理工艺，以有限的资金取得最大的环境效益。本论文既是基于以上目的所进行 的积极有益的探索。 现代水污染治理工程的基本原则是有效，经济，节能，相对于依靠消耗大量 能量来改善水质的好氧生物处理工艺来晚，厌氧生物处理技术可以在降低能耗的 同时产生能源( 沼气) 以及剩余污泥量少，可以处理各种浓度的废水和处理好氧条 件下生物难以降解有机物等。应用厌氧生物技术处理低浓度的城市污水，能在一 定程度上缓解资金短缺与环境污染的矛盾，促进环境保护与经济之问的协调发 展，是一项符合我国水污染治理现状，能有效控制水环境污染的技术措施。我国 水污染的，“峻形势和可持续发展的战略要求也需要把国内关于厌氧生物处理技 术的理论研究和工程应用提高到一个新水平。 第2 章厌氧工艺发展以及对a b r 反应器的分析 2 。1 厌氧消化微生物学理论发展 2 1 1 厌氧消化过程的阶段理论 直到上世纪六十年代有机物的厌氧消化过程还被认为是由不产甲烷的发酵 细菌和产甲烷的细菌共同作用的两阶段过程【2 9 1 。第一阶段常被称作酸性发酵 阶段，第一：阶段常被称作碱性或甲烷发酵阶段，两阶段简要地描述了厌氧生物处 理过程，但没有全面反映厌氧消化的本质，因为两阶段理论难以确切地解释两碳 以上的脂肪酸或除甲醇以外的醇类是如何转化为c h 4 和c 0 2 。 1 9 7 9 年，b r y a n t 等人提出了厌氧消化的三阶段理论眇3 2 1 ，才使人们对厌氧 生物过程有了较深入的了解，该理论将厌氧发酵微生物分为发酵细菌群 f e r m e n t a t i v eb a c t e r i a ，产氢产：乙酸菌群h z p r o d u c i n ga c e t o g e n i cb a c t e r i a 和产甲烷菡 群m e t h a n o g e n i cb a c t e r i a 3 个主要细菌群。具体说柬，即在第一阶段，复杂有机 物经过发酵细菌群的水解和发酵转化为脂肪酸醇类等小分子可溶性有机物，在第 二阶段，以上代谢产物通过产氢产乙酸细菌的作用转化为乙酸和h 2 c 0 2 ，最后 产甲烷细荫利用乙酸和h 2 c 0 2 产生c h 4 。 几乎与b r y a n t 提出三阶段理沧的同时，z e i k u s 等人提出了厌氧消化的四菌 群说旺8 】【2 9 】【3 3 1 。四阶段论该理论基于当时发现的一类具有新型代谢功能的细菌即 同型产乙酸菌h o m o a c e t o g e n i cb a c t e r i a 密切有关这类细菌能把h 2 c 0 2 转化为乙酸 厌氧消化过程的各个阶段分别由相应的细菌类群完成2 8 】【引1 ，四菌群说概括了目 前对产甲烷发酵微生物群体研究的主要成果较好地揭示了厌氧消化过程中不同 代谢菌群间相互作用相互影响的生态关系并且阐述了复杂有机物厌氧发酵的基 本生物机理这样的划分使人们对厌氧消化的连续协调的微生物学过程有了一个 更深入的了解但总的来看三阶段理论和四阶段理论实质上都是二阶段理沧的补 充和发展目日茸在废水处理工程中研究应用厌氧消化时仍以二阶段理论为主 中山人学硕t 。学何论文 2 1 2 参与厌氧消化过程的微生物菌群及其特性 前已述及四个代谢菌群是发酵细菌群产氯产乙酸菌群同型产乙酸菌和产甲 烷菌群在厌氧消化过程中的各个阶段各细菌菌群分别完成不同的功能。 1 水解酸化菌群在厌氧消化系统中水解酸化细菌的功能主要表现在发酵代 谢糖类蛋白质脂类和其它有机物成有机酸h z 和乙酸等水解酸化细菌主要是专性 厌氖菌和兼性厌氧菌属于异养荫其优势种属随环境条件和基质的不同而异酸化 细菌对环境条件如温度p h 氧化还原电位等的变化有较强的适应性酸化细菌的世 代周期非常短数分钟到数十分钟即i i i ：f 繁殖代酸化细菌进行的生化反应主要有 两方面的制约冈素一方面是基质的组成及浓度另一方面是代谢产物的种类及其 后续生化反应的进行情况。 2 产氢产乙酸菌群代谢各种脂肪酸和中性化合物乙醇丙醇等成h 2 和乙酸。 3 同型乙酸菌群将一碳化合物如c 0 2 ，甲酸等和多碳化合物转化为乙酸目 前对这类细菌的研究还不是很充分其在厌氧消化中的重要性尚难以做出恰当的 结论。 4 产甲烷菌群产甲烷菌是参与厌氧消化过程的最后一类也是最重要的一类 细菌群产甲烷菌从分类学上讲偶于占细菌a r c h e b a c t e r i a ，它们和参与厌氧消化过 程的其他类型细菌的结构有显著的差异产甲烷菌迄今已经分离得到了4 0 余种它 们的形态各异常见的有球状杆状和螺旋状等。产甲烷菌的生长条件十分严格是严 格专性厌氧菌在氧浓度低于2 5 u l l 的环境中才能生长得好。 2 1 3 厌氧微生物菌群间的相互关系 复杂有机物转化成甲烷的过程要求不同营养功能的菌群协同作用上述的四 大类细菌在厌氧消化过程中组成了一个复杂的生态系统由于前面j = 大类细菌都 不能产生甲烷故又将其统称为不产甲烷菌可以看出不产甲烷菌和产甲烷细菌之 间存在着相瓦依存相互制约的关系概括地说这种关系主要表现在以下几个方面 。 1 不产甲烷菌通过水解和多层次发酵将各类复杂有机物最终转化为产甲烷 细菌赖以生存的有机物和无机基质产酸细菌是产甲烷细菌营养物质供应者。 中山人学硕十。学位沦文 2 卅i 产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件。 3 不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质。 4 产甲烷细菌列产酸细菌代谢产物的吸收利用和转化为不产甲烷茼的正常 新陈代谢解除反馈抑制。 5 不产甲烷菌和产甲烷菌共同维护环境中的适白：p h 值，另外还存在产氢菌 h y d r o g e n p r o d u c i n gb a c t e r i a 如产氧产乙酸菌和耗氢菌h y d r o g e n c o n s u m i n gb a c t e r i a 如产甲烷菌之间的共生关系。 2 2 厌氧反应器的发展过程 厌氧反应器是将去除废水中的有机物和沼气能源的回收利用相结合的一种 有效，经济的废水处理技术。从1 9 世纪中叶以后人们己经丌始有目的地将厌氧 消化技术用于处理有机废水和污泥，至今已近1 5 0 年，近3 0 年来，随着人们对 厌氧技术原理认识的深入和生物科学技术的发展，厌氧生物反应器技术得以快速 发展，为高浓度工业废水和生活污水的工业化处理提供了重要手段。厌氧反应器 的发展经历了以下几个阶段。 2 2 1 传统厌氧反应器 1 8 6 0 年法国工程师m o u r a s 采用厌氧方法处理经沉淀过的固体物质：1 8 9 6 年，英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池；1 9 0 4 年德国的l n h o f f 开发了双层沉淀池( 腐化池) ；1 9 1 0 年至1 9 5 0 年高效的，可加温和搅拌的消化池 得到了发展；2 0 世纪4 0 年代在澳大利业出现了连续搅拌的厌氧消化池，机械搅 拌不仅呵以去除厌氧消化池表面的浮渣，而且增加了厌氧污泥与废水的混合程 度，提高了处理效率。在这种完全混合的厌氧反应器内，由于厌氧污泥与废水完 全混合在一起，因此污泥停留时间( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ，简称s r t ) 与废水水力 停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，简称h r t ) 是相同的，废水在反应器里停留 的时间很长，一般在中n ( 3 0 - 3 5 ) 的停留时问为2 0 3 0 天，反应器的体积很大， 同时反应器内的污泥浓度低，处理效果差，此时的厌氧消化技术还不能经济的用 于。r 业规模的应用。1 9 5 5 年，s c h r o e p h e r 等提出了厌氧接触消化工艺( a n a e r o b i c c o n t a c tp r o c e s s e ，简称a c p ) ，a c p 是在连续搅拌消化池的基础上，在出水沉淀 池中增设了污泥回流装置，使部分厌氧污泥又返回消化池中，增大了消化池中的 污泥浓度，提高了消化池的容积负荷，大大缩短了h r t ，第次实现了水力停 留时间和污泥停留时间的分离，使得s r t 大于h r t ，这是厌氧处理技术的一个 重要发展，标志着现代废水厌氧处理技术的诞生。这些反应器称之为传统厌氧反 应器或第一代厌氧反应器1 35 | 。 2 2 2 第二代厌氧反应器 生物工程中固定化技术的发展使人们认识到提高反应器内污泥浓度的重要 性，于是基于微生物同定化原理的第二代厌氧反应器即高效厌氧反应器得以快速 发展，这一时期的厌氧反应器以厌氧生物滤池和上流式厌氧污泥床反应器为代 表。1 9 6 9 年j c y o n g 和p l m c c a r t y 丌发研究了用于实际生产的厌氧生物滤池 ( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ) ，旨次开发了厌氧生物膜法，增大了污泥龄，提高了 处理效率，这是现代厌氧牛物处理技术发展的一个里程碑，开创了在常温下对中 等浓度有机废水的厌氧生物处理技术的应用范围。l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年 代末丌发了上流式厌氧污泥床反应器( 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 ，简称 u a s b ) ，生物固体的颗粒化开辟了全新的生物固定化途径，极大的推动了厌氧生 物处理技术的工业应用。a f 和u a s b 都能够保持高浓度的厌氧污泥并且将h r t 和s r t 分离，s r t 可延k 至几十天甚至上百天，同时使厌氧处理高浓度废水的 h r t 从过去的几十天或几天缩短至几天甚至儿小时。这一时期还开发出一些其 它类型的厌氧反应器，2 0 世纪7 0 年代中期，p r e t o e r i o u s 和m c c a r t y 丌发出厌氧 生物转盘，之后m c m a r t y 3 1 l 又在此基础上于1 9 8 1 年改进开发出厌氧折流板反应 器( a n a e r o b i c b a f f l e d r e a c