（环境工程专业论文）egsb应用于常温城市污水处理的研究.pdf

摘要 摘要 本文通过试验和研究，对厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 做了如下方面的研究： 低温启动：1 0 - 3 0 水温范围的稳定运行：对水力停留时间h r t 、上升流速v 。、 有机负荷、水温、碱度等影响因素的影响；反应器水力混合特征研究。并且得到 诸多有意义的结论： 进水浓度范围为2 0 0 3 0 0 m g l ，水温低于1 5 的情况下，通过厌氧消化污泥 和中温颗粒污泥混和接种的方式可以在1 0 天内成功启动。 稳定运行期间，水力停留时间h r t 分别为6 h ，4 h ，2 4 h ，2 h ，1 5 h ，水温 1 0 - 3 0 的时候，污泥膨胀床对进水中的c o d 去除率可以高达8 0 一9 0 ，平均去 除率也可以达到7 3 5 。出水平均c o d i o o m g l ，达到城市污水厂二级排放标准。 上升流速v 。1 6 2 2 m h 为最佳范围，较大的h r t 对c o d 去除率比较有利， 但是当h r t 低到仅为1 5 h 时仍然可以达到良好的去除效果，出水c o d 以滤后计 可以达到二级排放标准。 温度和有机负荷是对污泥形态和污泥量的最大的影响因素。颗粒污泥在水温 低于2 0 的情况下有解体现象，但是经过合理的水力条件可以缓慢稳定，水温 高于2 0 时将出现明显的颗粒化现象。 通过利用r t d 模型对e g s b 反应器的水力特征研究，得到结论：提高上升流 速，有利于增强泥水混和效果，减少死水区容积率。当上升流速大于1 6 - 1 7 m h 时，死水区容积率可降至3 左右。 关键词：e g s b ，城市污水，颗粒污泥，水力特征 v 第一章绪论 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , t h ee x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ( e g s b ) h a sb e e na p p l i e dt ot h e t r e a t m e n to fs e w a g ew a t e r , s u c hd i r e c t i o n sh a v e b e e ns t u d i e d ：s t a r t u po fe g s br e a t o r i nt h ec o n d i t i o no fl o wt e m p e r a t u r e ，s t e a d yo p e r a t i o ni nd e f f e r e n th r ta n dv u p ，t h e i n f l u e n c eo fh r t ，v u p ，t e m p e r a t u r e ，a l k a l i n i t y ；h y d r a u l i cc h a r a c t e ro fe g s b ，s u c h r e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d ： i n t h ec o n d i t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o n ( c o d 30 0 m g l ) a n dl o wt e m p e r a t u r e ( l5 ) ，e g s bc a nb es u c c e s s i v e l ys t a r t e du pi n10d a y s t h ee g s ba c h i e v e dg o o dp e r f o r m a n c eo fc o dr e m o v m e n ti nt h ec o n d i t i o no f h r t = 6 h ，4 h ，2 4 h ，2 h ，1 5 h ，v u p = 1 4 m h ，1 6m h ，2 1m h ，2 8m h ，a n de f f l u e n t r e a c h e dt h ei i d i s c h a r g es t a n d a r do fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t ， 1 6 - 2 2 m hi st h eb e s tr a n g eo fv u p ，a n dt h el o n g e rt h eh r t i s ，t h eb e t t e rt h e e f f l u e n ti s h o w e v e r ，a st h es h o r t2 l s1 5 ho fh r t , t h ee f f l u e n tc a ns t i l lr e a c ht h ei i d i s c h a r g es t a n d a r do fs e w a g et r e a t m e n tp l a n t t e m p e r a t u r ea n do r g a n i cl o a da r ei m p o r t a n tt ot h ep e r f o r m a n c eo fa n a e r o b i c s l u d g e ，b i gg r a n u l a rs l u d g ed i s c o m p o s e st os m a l lb u ts t a b i l i z e dg r a n u l a ru n d e r2 0 。c ， a n dr e g r a n u l a t ew h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e2 0 c i nt h es t u d yo fe g s b sh y d r a u l i cc h a r a c t e rb ym o d e lo fr t d ，i ti sf o u n dt h a t h i g h e rv u pi sb e n e f i tf o rt h ea d m i x t u r eo fs l u d g ea n dw a t e r , w h e nv u pr e a c h s 1 6 1 7 r n h ，d e a dz o n ev o l u m ec o u l db er e d u c e dt o3 k e yw o r d s ：e g s b s e w a g ew a t e r g r a n u l a rs l u d g e h y d r a u l i cc h a r a c t e r v i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：。勿耋移 砂矿多年；月h 旧 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在三年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：柚f 匆安 学位论文作者签名： o 畎易年3 月f g 日 年 月 日 i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 i v 签名：易办 力印年夕月加日 第一章绪论 第一章绪论 小城镇建设是目前农村稳定、剩余劳动力转移、减缓城市人口与环境承载压 力而实现社会全面小康的重要内容，是带动我国农村与城市经济、社会和环境可 持续发展的大战略。然而，我国每年的环保投入大多用于城市，投入小城镇的比 例极低，与城市环境问题有所控制的状态相反，我国的小城镇与农村生态环境质 量正在迅速恶化。小城镇的污水排放量不断增加，据国家环保局、农业部、财政 部、国家统计局联合调查表明2 0 0 4 年，全国废水排放总量4 8 2 4 亿吨，比上年 增加4 9 。其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，占废水排放总量的4 5 8 ，比上年 增加4 1 ：城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨，占废水排放总量的5 4 2 ，比上年 增加5 5 。而我国中小城镇大量的生活污水处理率很低，往往随意地排入周围 的水系之中，这不仅造成小城镇本身的环境污染日益严重，而且成为区域性水环 境的重要污染源，导致相当一部分小城镇周围水系丧失了降解污染的能力，甚至 出现不同程度的水体黑臭现象，成为小城镇建设发展的制约瓶颈。 由于中小城镇普遍存在城区规模小，收集设施不完善，生活污水排放集中， 而乡镇工业废水排放分散的特点。另外，小城镇经济基础差，资金缺乏，技术水 平低，管理落后，完全采用常规的二级工艺处理小城镇污水存在能耗高，规模效 益差，资源浪费大。因此，适合大中城市的污染控制方法难以运用，必须寻求适 合其自身特点的解决方案。本研究紧密结合小城镇发展过程中水污染控制的固有 特点，力求研究开发投资少、运行费用省、工艺流程简单、处理效果好、管理简 便的污水处理成套技术。 1 1 生活污水处理现状与趋势 1 1 1 我国生活污水处理现状 城市污水包括城市工业废水和生活污水，因为这二者的产生源不同，所以它 们的组分有很大的差异。其中生活污水面广量大，并且伴随着社会、经济的发展 和人们的生活质量的提高排放量还在不断的增大。据1 9 8 0 年对全国1 8 4 5 个城镇 调查，生活污水仅占1 7 1 3 ，1 9 9 0 年全国年报统计为2 7 8 2 ，1 9 9 8 年上升到 4 2 0 3 n 1 ，2 0 0 2 年上升到5 2 9 ，2 0 0 4 年上升到5 4 2 据统计，我国目前年生 活污水排放量约为2 6 1 3 亿吨，污水中c o d 排放量8 2 9 5 万吨。截止到2 0 0 1 年 底，全国己建成城市污水处理厂4 5 2 座，其中二、三级污水处理厂3 0 7 座，城市 污水处理率达3 6 5 ，比1 9 9 5 年增长了约1 7 个百分点。但未经处理的污水还是 第一章绪论 直接导致我国七大水系中近一半的河段污染严重，8 6 的城市河段水质超标。为 尽快扭转水环境污染的严重状况，必须提高污水处理率，加快城市污水处理厂的 建设和运行。我国城市污水处理厂普遍采用的工艺为普通活性污泥法、氧化沟工 艺、二段曝气法( ab 法) 、a 一0 流程、s b r 等好氧工艺心1 。这些工艺被世界各国广 泛采用，从运行结果看，证明是成熟而有效的工艺对各国水体卫生情祝的改善起 到了很大的作用。但是必须看到，二级生物处理、特别是传统的活性污泥法存在 着流程复杂，基建费用昂贵，运行中消耗大量的能源，运行费高等缺点。按照国 家规划，预计到2 0 1 0 年我国要新建城市污水处理厂一千余座，污水处理率要达 到6 0 ，需要投资达1 8 0 0 亿元，而目前我国城市建设资金远小能满足这力而如此 巨大的需求“”。 从现有的污水处理的资料来看，污水处理的投资、运行费用很大程度决定于 水处理所采用的工艺形式，解决资金的途径之一是采用新的处理工艺和技术以降 低工程造价，节约资金。此外，为保证城市污水处理厂能有效运行，降低污水的 运行费用也是一项重要的举措。因此，开发适合我国国情的污水处理新技术“1 、 新流程成为当前研究的重点方向，也是近年来国际上环境保护领域面向二十一世 纪的研究热点之一。 1 1 2 发展趋势分析 活性污泥法是世界各地应用最为广泛的一种生物处理流程，具有处理能力 高，出水水质好等诸多优点，但其基建费、运行费、管理费用高，操作管理也较 为复杂。国内外科学技术界在现有的多种处理工艺的基础上展开了大量的研究， 旨在发展出符合以下条件的新型工艺。 1 ) 简化流程，压缩基建费用： 2 ) 节约能耗，降低运行费用： 3 ) 增强功能，改善出水水质( 在去除c o d ，s s 的同时，去除氮、磷等营养物 质) ： 4 ) 简化管理，保证稳定运行： 5 ) 减少污泥产量，简化污泥的后处理。 至今，虽然没有出现完全符合以上要求的新工艺或者改进型工艺，但是各种 工艺都得到了较大的发展，涌现了一些效果很好的联合或者改型工艺。这些工艺 的推广应用必将使城市污水处理出现新面貌。 1 2 厌氧生物技术的发展 1 2 1 厌氧生物技术的微生物原理 2 第一章绪论 在废水的厌氧处理过程中，废水中的有机物经大量微生物的共同作用，最终 被转化为甲烷，二氧化碳，水，硫化氢和氨。这一过程是一个由多种微生物种群 共同作用的生物化学过程。b e c h a m p 于1 9 6 8 年首次从微生物学的角度阐述了甲 烷的形成机理。1 8 7 5 年，p o p o f f 较系统地研究了由各种底物发酵产甲烷过程。 但由于当时微生物学技术的局限，没有人能由发酵液中分离出纯的菌种，因此对 厌氧过程并没有深入的认识。1 9 6 7 年，b r y a n t 眵3 发现乙醇转化为甲烷的过程并非 如人们认为的由一种微生物完成，而是由两个共生菌一起完成的。其中一种微生 物把微生物把乙醇转化为乙酸和氢气，而另一种利用氢气把二氧化碳转化为甲 烷。这一理论即现在所说的二阶段理论，这一理论的提出为厌氧工艺的实际应用 提供了良好的指导作用。到1 9 7 9 年b r y a n t 等人又提出了厌氧消化的三阶段理论。 在三阶段理论中，复杂有机物的厌氧分解过程是先经过水解和发酵的阶段生成脂 肪酸，醇类等，再通过产氢产乙酸菌将丙酸，丁酸，乙酸等转化为乙酸和h ：c o ：。 最后产甲烷细菌再利用乙酸和h ：c o ：产生甲烷。在b r y a n t 提出的厌氧消化的三 阶段理论的同时，z e i k u s 等人提出了厌氧消化的四种类群理论。这四个代谢菌 群是：发酵菌群，产氢产乙酸菌群，同型产乙酸菌群和产甲烷菌群。无论三阶段 理论还是四种类群理论实质上都是二阶段理论的补充和发展m 1 。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一个更加明确的了解，从而有利于实 际应用中的操作控制与进一步的深入研究。 厌氧生物降解过程可以进一步细化为四个阶段： 1 2 1 1 水解阶段 水解是有机污染物进入到水体环境中首先发生的重要反应，即一些复杂的不 溶性的聚合物转化为简单的溶解性的单体或二聚体化合物的过程。高分子有机物 因相对分子质量大，不能透过细胞膜，因此不能为细菌直接利用，必须先通过水 解作用转化为小分子物质。水解过程一般比较缓慢，因此被认为是含高分子有机 物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。影响水解速度和水解程度的因素很多，主 要有水解的温度、p h 值、有机质在反应器内的停留时间、有机质成分、有机质 颗粒的大小、氨的浓度以及水解产物的浓度等。参加水解的厌氧微生物主要为兼 性厌氧菌和专性厌氧产酸菌。这些产酸菌先通过胞外酶的作用将污水中不溶性有 机物水解成可溶性有机物，再将可溶的大分子转化成脂肪酸、醇类等物质。厌氧 微生物在利用胞外酶催化水解反应中，胞外酶能否直接与反应的底物接触，是决 定水解反应能否进行的关键，因此，不溶性有机物在水中存在的颗粒大小也会对 水解速率产生重大影响。 第一章绪论 图1 1 物质厌氧生物降解机理示意图 1 2 1 2 发酵( 酸化) 阶段 有机大分子经过水解反应后，进一步的反应就是发酵或酸化，都是在微生物 参与酶的催化下完成的。发酵过程中的有机化合物既作为电子受体也是电子供 体，被酶作用而转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，所以这一过程也称为酸 化。酸化过程是由大量的、种类繁多的发酵细菌完成的，其中以梭状芽胞杆菌和 拟杆菌为主，这类细菌一般是专性厌氧、产芽胞的细菌，它们能在很恶劣的环境 下生存，并且这类细菌在酸化过程中已经将环境中的分子态氧和氧化还原电位控 制到了合适的水平，对专性产甲烷菌是一种很好的保护。 酸化阶段的末端产物的组成取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与酸化的 微生物种群。若以醇为作为底物时，酸化的产物以丁酸、乙酸、丙酸为主，二氧 化碳和氢气为酸化的附属产物：以氨基酸为底物时，其酸化得到丁酸、丙酸、乙 酸，附属产物除了c 0 2 和h 2 外，还有n 心+ 和h ：s 。因为酸化阶段的产物中以各种 挥发性酸为主，会导致厌氧降解过程中p h 大幅度的下降。在这样的酸性条件下， 产酸细菌还能够正常的代谢，但是甲烷细菌活性会受到很大的影响，严重时会导 致甲烷化过程完全终止，使产生的酸进一步积累，如此循环将造成整个厌氧过程 崩溃。 1 2 1 3 产乙酸阶段 产酸过程中，已经产生了一部分的乙酸，但是由于反应底物的结构和性质特 4 第一章绪论 点，在酸化过程中还生成了丁酸、丙酸、乳酸等。而厌氧反应中的产甲烷过程只 能利用一种底物一乙酸，所以必须将各种有机酸转化为乙酸，另外还产生h 。和 c 0 2 ，完成这一个过程的菌种比较单一，主要是产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌。 在产乙酸阶段中，乙醇、丁酸和丙酸形成乙酸的反应过程要求反应器内氢分压相 当低，否则反应不能进行，在产乙酸的同时，产生的氢也必须被产甲烷反应有效 的利用或消耗掉。在反应器内，当部分细菌细胞聚集起来时，聚集的细胞内部细 菌与细菌之间的距离将大大缩小，如果在聚集的细菌群体中包含了嗜氢菌和产氢 菌( 即产甲烷菌和产酸菌) ，并且两者间在氢的产生和利用上达到平衡，则氢在菌 体间的传递效率被大大的提高，因为细菌聚集体内细菌之间的距离只有分散时距 离的几十分之一到几百分之一。因此，一个具有多种功能的细菌的聚集体形成一 个稳定的微生态系统，对提高厌氧反应器的净化效率是非常重要的，即在一个反 应内如何引导其形成结构稳定的颗粒污泥是提高反应器效率的关键。 1 2 1 4 产甲烷阶段 产甲烷反应是有机物厌氧消化的最后一个反应阶段，在这一阶段里，乙酸等 被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质，产甲烷过程往往也是整个厌氧消化过 程的限速步骤。产甲烷过程是由产甲烷菌起主导作用，在厌氧反应器中，产甲烷 菌中优势种类是产甲烷杆菌和产甲烷球菌。从生物学发展谱系的角度考察，甲烷 菌属于与真核生物和普通单细胞生物无关的第三谱系，人们把它们归划为古细 菌。它们能利用的能源和碳源物质十分有限，即h 2 、c o ：、甲酸、甲醇、甲胺和 乙酸，其中乙酸是形成甲烷的主要基质，大约7 0 的甲烷来源于乙酸。但是因为 在甲烷阶段中，有机物分解产生的能量大部分以甲烷的形式从反应器中分离出 去，从而甲烷细菌生长繁殖的很慢，倍增时间是好氧细菌的几倍到十几倍。 1 2 2 厌氧生物处理技术的发展概况 厌氧生物处理技术并不是一种新方法，进行废水处理之初厌氧处理技术就得 到了应用阳1 。近2 0 多年来废水厌氧处理工艺发展十分迅速，一批新型高效废水 厌氧生物处理工艺和反应器不断出现，在处理有机废水方面己经展现出广阔的应 用前景。废水厌氧处理工艺发展过程中，反应器是发展最快的领域之一，它经历 了以下发展历程h 叫7 1 。 1 2 2 。l 第一阶段： 从1 8 世纪末到1 9 世纪中期：传统完全混合消化池。传统消化池也叫普通消 化池，进水或进料间断的或连续的加入消化池中，经消化的废水从上部排出，沼 气从顶部排出。传统消化池为完全混合型的流态，其水力停留时间等于固体停留 时间，即h r t = s r t ，在消化池内不能积累起高浓度的微生物污泥。其完全混合的 5 第一章绪论 流态使产酸菌和产甲烷菌互相影响，不能充分发挥各自的优越性；传统消化池的 体积利用率低，有人对生产性消化池进行测定，发现死水体积占6 1 - - 7 0 。由于 厌氧微生物，特别是产甲烷菌增殖缓慢，需要较长的s r t 才能保持消化池中微生 物的浓度，一般来说，在传统消化器中正常发酵所需要的最小s r t 是1 0 - - 1 5d 。 因此传统消化池只适用于城市污水厂污泥的消化处理和固体物大于1 ( 即1 0 0 0 m g l 以上) 的有机废水的处理。为了使进料和厌氧污泥充分混合而设有搅拌装 置，其搅拌方式有水力、机械和沼气搅拌三种。由于厌氧微生物生长缓慢，世代 时间长，足够长的停留时间是第1 代的成功基础和关键。此池型很难分离水力停 留时间和污泥停留时问，通常初级的厌氧处理h r t 为2 卜3 0 d ，出水水质差。 1 8 6 0 年，法国工程师l o u i shm o u r a s 建造了m o u r a s 自动消化池。 1 8 81 年，法国人a b b em o i g n o 首次介绍了该反应池，并将之誉为那个时代 最简单易行、最伟大的现代发明。 1 8 9 5 年d o n a l d 设计了世界上第一座厌氧化粪池( s e p t i c t a n k ) ，厌氧化粪池 的出现是厌氧处理工艺发展史上的重要里程碑。从此，厕所等家庭生活污水通过 化粪池得到初步处理，减轻了对河流的有机物的污染。 1 9 0 3 年，t r a v i s 提出了将污水沉淀和污泥消化分别在沉淀池的上下两室分 别进行的双层沉淀池。 1 9 0 4 年，德国人i m h o f 将其发展为i m h o f 双层沉淀池( 即腐化池) ，这一工 艺至今仍在有效地利用。池中污水的沉淀和污泥消化完全分开，彼此不发生干扰。 1 9 5 0 年，m o r g a n 和t o r p e y 的研究成果进一步促进了高温和带搅拌的高效消 化池的发展，导致厌氧消化系统中广泛采用搅拌和加热装置，这些改进措施最终 成为了第一代高速厌氧反应器的基本条件。 1 9 5 6 年，s c h r o e f e r 等人开发出了厌氧接触法( a n a e r o b icc o n t a c t p r o c e s s ) ，厌氧接触法与活性污泥法类似，采用污泥回流以保持反应器中有 大量的污泥浓度，使厌氧污泥在反应器中的停留时间第一次大于水力停留时间。 这标志着现代废水厌氧生物处理工艺的出现。 1 2 2 2 第二阶段： 2 0 世纪7 0 年代由于能源价格的急剧上升，使好氧工艺发展应用受到了限制， 推动了低能耗的厌氧处理工艺迅速发展，各种新型厌氧处理工艺不断出现。第2 代厌氧反应器分离了固体停留时间和水力停留时间，其圆体停留时间可以达到上 百天，废水水力停留时间由数天到数1 0 天缩短到数小时到数天。他们都持有高 浓度的生物量，通过不同的方式使生物量在反应器中停留时间延长。如在厌氧滤 池微生物附着在载体的表面；在升流式厌氧污泥床反应器中，微生物互相黏结缠 绕，形成致密颗粒。颗粒污泥的形成大大改善了活性污泥的沉降性能，有效的减 6 第一章绪论 少了游离于消化液中的微生物数量，为保证出水的水质创造了条件，同时避免了 微生物大量流出的可能性。第2 代厌氧反应器具有高的有机负荷和水力负荷，构 造简单，结构紧凑，投资小，占地少。 1 9 6 7 年，j c y o u n g 和p l m c c a r t y 开发的厌氧滤池a f ( a n a e r o b i c f i l t e r ) 。厌氧滤池中用固体颗粒物为填料并为微生物提供附着空间，提高 厌氧滤池的处理效能。 1 9 7 4 年，w a g e n i n g e n 农业大学的g l e t t i n g a 等人成功开发了升流式厌氧污 泥床u a s b ( u pa n a e r o b i cs l u d g eb e d ) 。升流式厌氧污泥床u a s b 的处理效率高， 尤其对中高浓度的有机废水有良好的处理效率。至今，u a s b 反应器是应用最为 广泛的厌氧生物处理技术，它对废水的厌氧生物处理有划时代的意义。a f 和u a s b 反应器的成功开发标志厌氧反应器的研究进入了新的时代，实现了污泥停留时间 与水力停留时间相分离，从而提高了反应器中的污泥浓度。 1 9 7 8 年w j j e w e l l 等人和1 9 7 9 年r p b o w k e r 分别提出了厌氧膨胀床 ( a n a e r o b i ce x p a n d e db e d ) 和厌氧流化床a f b ( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d ) 。反 应器中采用微粒状的填料作为微生物固定化的材料，厌氧微生物在填料上形成 生物膜。同时反应器采用较大的回流量使反应器保持一定范围的高流速以维持微 粒的流态化。但至今很少有生产规模的流化床反应器。 厌氧接触消化工艺：厌氧接触法的消化池是一个完全混合厌氧活性污泥反应 器。与普通厌氧消化池相比，它增加了使厌氧消化池排出的混合液进行固液分离 的沉淀池和污泥回流措施，从而延长了消化池内的污泥停留时间，缩短了水力停 留时间。 两相厌氧消化工艺：两相厌氧消化就是将产酸发酵和甲烷发酵分别控制在两 个不同的反应器内单独进行而开辟出的新型处理工艺。 1 2 2 3 第三阶段： 2 0 世纪8 0 年代里，在以上的废水处理新工艺的基础上，又不断开发出了一 批新的高效厌氧处理工艺。 1 9 8 2 年，美国的m a c c a r t y 等人开发了厌氧折流板反应器a b r ( a n a e r o b i c b a f f l e dr e a c t o r ) 。反应器为多隔室串联，表现为局部完全混合，整体推流的特 性。 1 9 8 4 年，加拿大学者g u i o t 等人第一次提出了不带三相分离器的上流式污 泥床一过滤器复合式反应器( u b f ) 。在反应器上部1 3 容积充填了f l e x i r i n g 塑 料环( 比表面积为2 3 5m 2 m 3 ) 反应器的下部2 3 为污泥床，取消了三相分离器。 1 9 8 5 年，荷兰的p a q u e 公司在u a s b 反应器的基础上成功开发出厌氧内循环 反应器i c ( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 。反应器可以看成是两个u a s b 反应器单元相 7 第一章绪论 互重叠而成。 8 0 年代后期，在u a s b 反应器的基础上，l e t i n g a 等人提出了厌氧颗粒污泥 膨胀床e g s b ( e x p e n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) ，它实质上是u a s b 和a f b 的改 良。其基本构型与u a s b 相似，增加了出水回流系统。 1 9 9 6 年，美国i o w a 州立大学r i c h a r dr d a g u e 教授提出并开发了厌氧序 批式反应器a s b r ( a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ， 1 9 9 7 年，g l e t t i n g a 教授在展望未来厌氧反应器的发展方向提出了极富挑 战性的新工艺，分阶段多相厌氧反应器技术s m p a ( s t a g e dm u t i p h a s ea n a e r o b i c r e a c t o r ) 。s m p a 并不特指某个反应器，而是一种新工艺、新思想。反应器分成 若干部分，每个部分的底物和环境不同，各级污泥不混合，各产气排放相互分开， 反应器中更接近推流，系统有更高的去除效率。 总之，高效厌氧反应器的发展大大提高了厌氧反应器的处理效能，使得废水 的污泥停留时间与水力停留时间分离，并且水力停留时间缩短，反应器的容积减 小，从而有利于厌氧技术用于工业化的废水处理。同时，反应器中的污泥停留时 间延长及污泥颗粒化使系统抗冲击负荷及有毒物质等不利因素的能力提高。高效 厌氧反应器的出现使废水厌氧处理工艺得以广泛应用，成为水污染治理领域里一 项有效的技术。 1 3e g s b 的工艺特点及其用于生活污水处理的可行性研究 1 3 1u a s b 和e g s b 应用于生活污水处理的部分现状 u a s b 是目前应用最为广泛的厌氧处理工艺，也是一种工艺研究较为成熟的 反应器，作为第二代高效厌氧反应器的代表，必然会对其在城市污水和生活污水 的处理上开展大量的研究工作。 l e t t i g a 等人在1 9 7 9 年就开始了u a s b 反应器处理生活污水的研究。在哥伦 比亚的c a l l 市建立了第一个生产性的u a s b 处理厂，处理能力是1 0 0 0 人口当量。 c a l i 市的生活污水全年的平均温度为2 5 。在进水平均c o d 为2 8 6 m g l 时，水 力停留时间为4 - 8 小时，c o d 的去除率达到8 0 。到目前为止，已经在巴西，哥 伦比亚，印度等热带地区国家建成了用u a s b 工艺处理城市污水的生产厂。关于 应用u a s b 反应器处理城市生活污水的研究状况见表卜1 。但在温带地区，常年 污水的温度在1 0 - 2 5 范围的地区，采用u a s b 处理城市污水的应用结果并未见 报道。这株索要是由u a s b 反应器的运行特点所导致的。u a s b 优于其他类反应器 的特点就在于它采用升流式运行方式及产生的生物气的自然搅拌作用为反应器 内部提供了良好的泥水接触n 圳。但在低温，低浓度的废水处理中，污水的产气量 有限，仅利用上升水流的搅拌作用不足以使反应器内泥水得到良好的混合效果， 8 第一章绪论 因此限制了u a s b 反应器的推广。 作为其改进工艺的e g s b ，目的就是为了克服u a s b 工艺在低温，低浓度废水 处理中的不足，从上升流速的角度出发，通过反应器内颗粒污泥的良好沉淀性能 的保障，极大提高了反应器内的上升流速，从而改善了反应器内的水力搅拌条件。 这样一来不仅使反应器在没有大量生物气搅拌贡献的情况下保证了泥水间的混 合效果。而且对迸水系统得布置设计要求降低了。因此在1 9 9 6 年6 月于新加坡 召开的第1 8 届国际水质协会( i a w q ) 双年大会上，e g s b 被与会的各国专家，学 者认定为今年最有希望获得发展的工艺之一引。 从下表可以看出对于e g s b 工艺来说，处理城市污水还处于试验室的研究阶 段，而且大量的研究结果还是以配水试验取得的，研究重点放在了反应器本身的 工艺特征上，对实际城市污水处理的应用研究还处于起步阶段，还有许多工作尚 待进行。 近年来，国内的一些单位也注意到了厌氧工艺的强大前景，开展了城市污水 厌氧处理的研究工作。北京环境保护科学研究所开发了厌氧水解一好氧工艺汹1 ， 并在北京高碑店建成了处理1 8 0 0 m 3 d 规模的示范工程，以改进的u a s b 反应器即 水解升流污泥床( h u s b ) 反应器作为厌氧段的主体。但总的来说，我国在这方面 的研究还不多。且利用e g s b 工艺处理城市废水或生活污水的报道也仅限于王凯 军在荷兰所做的试验结果上心，因此利用e g s b 这种新型的高效厌氧反应器处理 城市污水将具有广阔的研究前景和实际意义。 表l 一1u a s b 和e g s b 应用于生活污水处理的部分现状 9 一一n2 竺22 小 - - 癸西2 ! 罱簧零罱葛28s 寸葛黄= ”n22 = 灾 一 口 甘- ：3 - 爻臀戈 tn ”“ 詈量8 耋爱量 。霉簧要是量霉器三童覃28 窝禽墨量重要 墨要是茎蒌 圣 霉簧姜誊霉器三姜圣28 窝禽墨喜圣是口nnv 1h”、oa ol nm o 口oo _ o 一 ” 一毋一 导蒌要g 姜墨磊茎蚕蚕是享；2 虿导蒌吊兰8 聂器是薹2 嵩基磊gnnn 目hhhhna口nn 口 宗姜喜g 墓喜姜星姜z = 8 葛茎芝重昌薹罱：8 姜喜象8 耋芝萎薹善霎薹薯 宗：gi 蒌!鬟童z = 8 葛：! 芝3 昌互罱：8 耋：象8 盂芝姜! 善：! 互薯 ”q寸nnn 一 口西t nh i n 葛西 嚣! i 麦l互：量t 薹寸：兰暑莩誉蚤量葛三羞nnn 一童* * 2 答8888 昌召8 譬呈呈呈昌盈吕答昌答8 呈昌笤吕笤- 呈 塞董量塞 。 兰萎耋荨 。暮萼蚕 。 gg 苫苫 苎意薹i 。 。 嚣罾虽 姜套羹萋萋囊萋款董耋霸萋蚤嚣趸z 蓦荨 萋嚣霎薹薹羹羹耋薹莩窘羹濠莓甍 。一 r , i 一 误吾兰 詈詈詈詈呙 葛詈兰詈詈瓷萎墨瓷饕竺= 12 堇童誊虽墨毫g 詈薹塞蕈s o _ i n盛j卜n j卜nj口n盛fl nn凸面 nn，ih寸njn n 盛jn宙f1一no on暑甚篷+jon甍掣矮+j品震睾龌+fl高舞薯嬉+o&魍革睦+日sfl n 笛j “n 函卜nfl啦n f ln h笛们fl寸n 3n nh一们。叫h n 5i zflo 一jo nflo n f l昏一们f l口一j昏一盛一面 n o n 。 o o 口 h 口n n o n 叶。寸 n n _ 0 6 0 一 寸甘 n i i h n ，一 n 盘n n n n n 卜 。一 n n ，”n m n 2 2 h 导n o n 心 8 ”一 西c ”一n g 寸 n - 9 一 。蒿 0 9 一 0 8 n 葛 叼n n ”叩tol a”叮-8_ 一 o”，-0n寸 o n t _ 【一 口2n _ l 昏一心一 n 一 o n o o 一 卜卜 一小一 8 i n o h 一 。烈n n h a 一，= 一_ 0 一 一卜 寸n ，一一，一一 o o o 般口巡i |避d j啦凄川撂川枢 般口 茸丑掣审 般 匠潞 簧敏霉越品斟菌蹬魁品 州耀州枢州龈 爿丑掣蕾 川撂州糖魁岳 露k 铂 想口 帑留嘲 圳挺圳稼 闰丑牮肃 州椁州槔州撂川梧 州柱 州柱 崭怄 疆议帮媳嚼副粼躲避岖5基窖晕凹刨馥v星富寄诞 卜 o o o o u x 一瓣篮书 q)星雷鼬班r长粼垂簿烬嚣鲻 们s 工 ! o o n l o o a o u ，暑【uv趟最鼍ii pu越赠nv骶繁秣型谜 蜓霉 秘辩褂1 拣 第一章绪论 1 3 2e g s b 的核心技术一颗粒污泥 厌氧颗粒污泥是近年来的研究热点，比较早的是在1 9 7 6 年荷兰b r e d a 僻” 的糖厂废水处理的一个6 m 3 试验工场中就发现了颗粒污泥。此后w a g e n i n g e n 农 业大学开始了对厌氧颗粒污泥的研究。经过二十多年的发展，升流式厌氧污泥 床反应器( u a s b ) 、厌氧颗粒膨胀床( e g s b ) 、厌氧膨胀床反应器( a e b r ) 等厌 氧高效反应器。在这些高效厌氧反应器中，厌氧颗粒污泥的形成和保留是成功 的关键。 1 3 2 1 厌氧颗粒污泥的基本特征： ( 1 ) 表观形状： 颗粒污泥多种多样，在不同基质中或不同操作条件下，培养出的颗粒污泥 在外型、组成菌群、密实程度等方面有所不同。 涂保华等人的研究表明颗粒污泥出现初期，颗粒较小，通常直径在o 1 2 o 1 4m m ，随着颗粒化的进行，颗粒逐渐长大，到颗粒污泥成熟后，直径一般 在0 2 1 5 m m 之间，大部分在0 8 m m 以上，最大可达7 m m 。颗粒污泥的颜色通 常是黑色或灰色，取决于处理条件，特别是与f e 、n i 、c o 等金属的硫化物有 关。a h n 口1 在处理屠宰场废水时发现了暗红色、粒径1 2 舳的颗粒污泥。不同温 度下形成的颗粒污泥形态也有差异。常温颗粒污泥表面较光滑，有孔隙，污泥 表面菌体排列较紧密，菌体较饱满，颗粒污泥中心有明显的空洞。徐向阳n 1 在研 究中观察到高温颗粒污泥表面凹凸不平，有裂缝，像有一层厚壳包裹着污泥， “壳”是微生物的分泌物，在“壳”上观察到少量的球菌、短杆菌和丝状菌。 ( 2 ) 物理化学特征 良好的沉降性是颗粒污泥主要的物理特征。随着直径的增大，沉降速度随 之增大，涂保华等人瞳铂研究发现大部分成熟颗粒污泥在静止清水中的沉降速度 达到3 5 m h 。s c h m i d t 等人在试验中发现沉降速度范围为1 8 , - 一1 0 0 m h ，典 型值在1 8 一- - 5 0 m h 之间。根据沉降速率可将颗粒污泥分为三类：第一种，沉降 性能不好，1 8 一- , 2 0 m h ；第二种，沉降性能满意，1 8 , - 一5 0 m h ；第三种，沉 降性能很好，5 0 - - l o o m h 。 颗粒污泥包含的化学元素分为主要元素和微量元素。主要元素c 、h 、n 的 比例大致为4 0 5 0 、7 、l o 心4 凯47 1 ，还有微量元素p 、s 、n i 、f e 、 z n 、c o 、c a 等，f e 和c a 在各种微量元素中含量最大。 第一章绪论 颗粒污泥还可以按菌体和矿物质划分，菌体含量约为7 0 9 0 ，其余的 为矿物质。其中f e 、c a 、s i 、p 、s 均为大量元素，c a 、m g 、f e 和其他一 些金属离子可能以碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐或硫化物的形式存在于颗粒污泥中n 引，冯亮呻1 等在试验中发现f e s 和c a c o 。占矿物质的比例较高。 颗粒污泥的干重( t s s ) 是挥发性悬浮物( v s s ) 与灰分( a s h ) 之和，一般 颗粒污泥灰分含量为8 8 5 5 ，成熟颗粒污泥通常v s s 与s s 比值在0 9 卜- 一 勰3 2 】 亡徊0 1 3 2 2 厌氧颗粒污泥培养及影响因素研究 基于各种机理和假说，众多研究者对颗粒化的影响因素做了大量研究，现 从接种污泥、细菌种群、水力负荷与污泥负荷、惰性物质、温度、金属离子这 几个主要方面进行阐述： ( 1 ) 接种污泥 接种污泥可选范围很大，对于不同性质的废水要选择特定的接种污泥。大 量试验表明，厌氧消化污泥、河底淤泥、牲畜粪便、化粪池污泥及好氧活性污 泥等均可作为污泥种而培养颗粒污泥。l e t t i n g a 口邮认为接种污泥本身的浓度较 高，有利于颗粒污泥的形成，而稀薄种污泥对污泥颗粒化不利。接种污泥的数 量太大或太小都对颗粒化不利，在中温条件下，当采用稀薄型污泥接种时，污 泥接种后反应器中的污泥的质量浓度( v s s ) 在6k g m 3 为好。陆正禹等人。3 3 研 究中发现为了减弱硫酸盐还原菌( s r b ) 对产甲烷菌群( m p b ) 的竞争，尽快实现 污泥颗粒化，接种污泥中优势菌群最好为产甲烷菌群。 ( 2 ) 细菌种群 甲烷毛状菌属在颗粒化过程中起着重要作用，其细胞丝状体颗粒化核心的 作用。氓瓤3 7 矧。刘双江等人m 1 认为厌氧颗粒污泥的形成是在启动运行期，发酵 性细菌、有机酸分解菌和甲烷毛状菌迅速增殖，丝状菌附着在接种物带来的小 颗粒上，成自身缠绕生长，形成1 0 0um 左右的颗粒小体，当颗粒小体达到一定 浓度后开始聚集形成大颗粒，大颗粒再被丝状菌进一步包裹形成成熟的颗粒污 泥。还有一些人认为口引在最初的颗粒化过程中，甲烷毛状菌属移植在甲烷八叠 球菌菌簇的中央腔中，空心的甲烷八叠球菌菌簇起着颗粒雏形的作用，这一点 在试验中也得到了证实。m a c l e o d 等人认为首先集聚的细菌可能是产乙酸菌， 这些细菌为甲烷八叠球菌属和甲烷毛状菌属提供所需的底物。g u i o t 等人汹3 认为 1 2 第一章绪论 颗粒污泥的形成主要依赖于产酸菌和产乙酸菌的集群化。 ( 3 ) 水力负荷与污泥负荷 水力负荷是颗粒污泥形成的重要选择区，水的剪切力对于颗粒污泥的形状、 质量传递、多聚糖产量、新陈代谢等多方面有重要的影响】。 颗粒污泥的形成是水力筛选的作用下形成的；当水力负荷提高到一定值时， 可冲走大部分的絮状污泥，使密度较大的污泥积累在反应器底部，形成颗粒污 泥。在颗粒化初期，淘汰絮状污泥可避免与小颗粒污泥争夺营养，从而有利于 颗粒污泥的生长，当水力负荷大于0 2 5 m 3 m 3 h 时可以把絮状污泥与颗粒污泥 较好地分开。一旦形成颗粒污泥，在目前的厌氧反应器水力负荷条件下都能保 留住颗粒污泥，但过高的水力上升流速( 大于6 m h ) 会影响反应器内颗粒污泥结 构的稳定，造成颗粒污泥解体，使出水中悬浮物含量增加。颗粒污泥的沉降性 能还与进水特性( 包括有机物以及悬浮物的浓度) 有关。对于实际工业废水，特 别是抗生素废水，采用低浓度进水结合较高水力负荷的运行方式是更为适宜的， 正如l e t t i n g a 阳所指出的低浓度进水中污泥颗粒化更快，原因在于这种方式可 以有效避免抑制性生化物质的过快过度积累，同时较高的水力负荷可加强水力 筛分作用。谢汉方等人h 们研究发现当污泥负荷达到o 3k g c o d k g v s s d 以上开 始形成颗粒污泥时应不失时机地提高污泥负荷到0 6 一o 7k g c o d k g v s s d ，不 宜停留在o 3 0 5 1k g c o d k g v s s d 范围内，防止絮状污泥争夺营养，迅速增 长。 ( 4 ) 惰性物质 加入惰性物质，为微生物的附着提供了核心和载体，对于颗粒污泥的形成 作用明显h 6 4 7 。h y u ns e o n gj e o n g 等n 踟在试验中发现，加入有机一无机混合聚 合物可以在短短5 分钟内形成颗粒污泥，并且与常规方法所形成的颗粒污泥有 相同的高沉降性和高去除率。 目前已经用作微生物载体的惰性物质有h 蝴3 ：泡沫塑料、沸石、含氢无烟煤、 吸水性聚合物、颗粒活性炭( g a c ) 、粉末活性炭( p a c ) 、膨润土( b t ) + 聚丙 烯酰胺( p a m