（环境工程专业论文）uasb射流曝气法处理玉米淀粉废水工程应用.pdf

摘要 摘要 在玉米淀粉废水的处理工程中，通常采用厌氧、好氧相结合的生物处理， 厌氧处理多数采用u a s b ，好氧处理多数采用鼓风曝气，采用射流曝气处理玉米 淀粉废水的工程实例未见报道，而射流曝气具有投资省，运转费用低，无噪声 的优点，可以达到鼓风曝气的效果。 将玉米淀粉废水处理与生产工艺改进相结合，采用清洁生产技术，提高生 产过程中水的重复使用率，提高玉米的资源综合利用率和淀粉收率，减少废水 排放量，可以明显降低废水处理工程投资和运行费用。采用u a s b 中温处理高 浓度的玉米淀粉废水，在三相分离器下方与进水布水系统之间设置内循环管， 改变水流上升流速，减少沟流和死角，c o d 去除率可达到9 0 以上；在污泥培 养过程中，需要接种足量的好氧污泥：采用自吸式射流曝气器代替鼓风曝气， 结合推流式曝气池，可以采用连续进水，连续出水，还可以根据出水要求采用 间歇曝气或连续曝气，运行比较灵活，c o d 去除率可达到9 0 以上。 采用u a s b 和自吸式射流曝气处理玉米淀粉废水，工程投资和运转费用低， 还能避免污泥膨胀，处理后出水水质可以达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 一级排放标准，切实可行。 最后，对需要进一步研究的问题进行了简要的讨论。 关键词：玉米淀粉废水，厌氧，u a s b ，射流曝气，清洁生产，自吸式射流曝气器 a b s t r a c t a b s t r a c t i n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，t h e c o i n s t a r c hw a s t e w a t e ri s u s u a l l yt r e a t e db y a n a e r o b i cd i g e s t i o na n da e r a t i o n u a s b ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ) s p r e a d si n a n a e r o b i cp r o c e s s ，a n db l o w e rs p r e a d si na e r a t i o ns y s t e m j e ta e r a t i o nc a nm a t c h b u b b l es y s t e mw i t ht h ea d v a n t a g eo fl e s si n v e s t m e n t , l o w e ro u t l a ya n dn o i s e l e s s n e s s h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fj e ta e r a t i o n t oc o i n - s t a r c hw a s t e r w a t e rh a sb e e n u n r e p o r t e ds of a ra sik n o w t h ei n v e s t m e n to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dd i s p o s a lc o s tc a l lb ec u t t e dd o w n e v i d e n t l yb yr e d u c i n gd i s c h a r g ew i t ht h ec o m b i n a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n d m a n u f a c t u r ei m p r o v e m e n t ，t h ec l e a n e rp r o d u c t i o nt e c h n i c sa n dt h ew a t e rr e u s er a t e ， t h ec o i nu t i l i z a t i o na n ds t a r c hi n c r e a s e m o r et h a n9 0 c o dc a l lb er e m o v e df r o m h i g hc o n c e n t r a t i o nc o i n s t a r c hw a s t e w a t e rb ym i d d l e - t e m p e r a t u r eu a s bw h i c h u p f l o wv e l o c i t yc h a n g e sw i t ht h ei n n e rc y c l et u b es e t t e db e t w e e ni n p u tp i p ea n dt h e s p o tu n d e rt h r e e - p h a s es e p a r a t o r i ti sn e c e s s a r yt oi n o c u l a t ee n o u g ha e r o b i cs l u d g e d u r i n gt h ec u l t i v a t i o n r e m o v a lr a t eo fc o d i sf a rm o r ct h a n9 0 w i t ht h ef l e x i b l e a s p i r a t i n gj e ti n s t e a do fb l o w e rb yc o n t i n u o u so ri n t e r m i t t e n ta e r a t i o na tt h ed e m a n d o f d i s c h a r g e t h ee f f l u e n td i s p o s e db yu a s ba n dj e ta s p i r a t o rc a nm e e tt h ec r i t e r i o no f g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ( i n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d ) i t i sf e a s i b l et oa p p l y u a s ba n dj e ta e r a t i o nt oc o i n s t a r c hw a s t e w a t e rf o r t h el o w e rc o s to fi n v e s t m e n ta n d d i p o s a la n de s c a p ef r o ms l u d g eb u l g e i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ： c o i n s t a r c hw a s t e w a t e r ,a n a e r o b i c ， u a s b ，j e ta e r a t i o n ， c l e a n e r p r o d u c t i o n ，a s p i r a t i n gj e t 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：些箜旦：挝流竖氢选处理玉苤 遮捡废丞王猩座旦：，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。 学位论文作者签名： 卅年月尸日 ，狄 ，研 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：鼍 玖沁 沂月 节日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 我国是世界上淀粉生产大国，2 0 0 4 年淀粉产量9 3 3 5 6 万吨【1 1 ，仅次于美国， 居世界第二位，其中玉米淀粉所占比例为8 6 5 1 2 1 。 淀粉属可再生、可生物降解的资源，应用非常广泛。但在淀粉生产过程中， 废水排放量较大，一般企业每生产一吨淀粉排放废水1 0 - 2 0 m 3 ，其中化学需氧量 高达1 0 0 ( k k 3 0 0 0 0 m g l ，这些大量高浓度有机废水，如不经处理直接排入水体中， 将造成水体缺氧，使水生动物窒息，严重污染环境。因此，搞好淀粉废水治理 非常重要。 1 2 玉米淀粉废水处理技术现状 1 2 1 玉米淀粉废水的来源和特点 ( 1 ) 玉米的结构和化学组成 玉米属禾本科，一年生单子叶植物。玉米粒结构主要可分为皮层、胚乳、 胚芽三部分。皮层由果皮、种皮和糊粉层组成，约占粒重的4 3 1 0 8 。胚乳是 玉米粒的主要成分，约占粒重的8 0 - - 8 5 ，主要成分是淀粉。胚芽位于粒基部， 体积约占整粒的四分之一，重量约占7 2 1 5 3 ，主要成分为蛋白质和脂肪【3 1 。 玉米粒主要成分为淀粉、蛋白质和脂肪，此外还含有维生素a ( 1 0 0 克干物 质中含0 3 却9 克) 、维生素b 2 、b 6 等。胚芽油中维生素e 的含量高达0 2 3 【3 1 。 玉米粒的化学组成随玉米品种、产地的不同而稍有差别。 玉米粒的化学组成为：水分1 2 - 1 6 ，淀粉7 0 - 7 2 ，蛋白质8 , - 1 1 ，脂肪 倘，灰分1 2 - 1 6 ，纤维5 0 。 玉米粒的灰分成分为：氧化钾2 6 - 3 8 ，磷酸4 0 - 5 0 ，氧化镁l 和1 8 ，氧 化钙1 0 ，氧化硅0 5 巧。 第1 章绪论 玉米淀粉由大约2 7 的直链淀粉和7 3 的支链淀粉所组成。直链淀粉主要 是由葡萄糖单体用a 1 ，4 糖苷键结合而成的链状化合物，能溶于热水而不成糊 状，遇碘变深蓝色；支链淀粉中葡萄糖分子之间除以a 1 ，4 糖苷键相连外，还有 以a 1 ，6 - 糖苷键相连的，所以带有分支，约2 0 个葡萄糖单位就有一个分支，在 冷水中不溶，与热水作用则膨胀而成糊状，遇碘呈紫或红紫色。 ( 2 ) 玉米淀粉加工工艺和废水来源 淀粉加工过程是：玉米经清杂处理后，送入泡料车间进行浸泡，泡好后经 磨制段加水后与玉米一起进行粗细磨，磨制后经纤维洗涤、淀粉分离和淀粉旋 流工艺后成为精制淀粉乳，既可送入脱水烘干工段得淀粉产品，又可以直接使 用生产淀粉糖。 淀粉废水主要来源于输送洗涤水、浸泡水、胚芽分离、黄浆废水等工艺过 程水；淀粉糖废水主要来源于离子交换系统的再生排水、液化、糖化、脱色过 滤、蒸发浓缩冷凝水，此外，还有少量地面冲洗水【4 j 。 ( 3 ) 玉米淀粉废水特点 玉米淀粉废水主要成分为淀粉、糖类、蛋白质、纤维素等有机物，c o d 为 1 0 0 0 0 - 3 0 0 0 0 m g l ，b o d s 为6 0 0 0 - - 2 0 0 0 0 m g l ，s s 为3 0 0 0 - - 5 0 0 0 m g l ，p h 为奉叫6 ， 废水有较高的可生化性。由于使用浓度约为0 2 - 0 2 5 亚硫酸( 亚硫酸盐) 浸泡 玉米，因此，废水中的s 0 4 2 浓度较高，一般在5 0 - 1 3 0 0 m g l 4 1 。 1 2 2 玉米淀粉废水的处理技术 玉米淀粉废水的处理方法有沉淀分离法、化学絮凝法、单纯曝气法、生物 处理法( 活性污泥法、厌氧生物法、生物膜法、生物塘等) 、膜分离等，其中生物 法以运行费用较低、处理效果较稳定而得到广泛应用【4 】 【仰。 ( 1 ) 好氧处理法 台湾成功大学的c 。t u 及美国的o j 。h a o 、k p h s u e h 将玉米淀粉废水 ( p h = 3 8 4 7 ，c o d c r = 5 6 0 0 - 8 4 0 0 m g l b o d s = 3 1 0 0 - 5 4 0 0 m g 几t n = 3 8 5 - 1 2 0 0 m g l , t p = 1 0 - 5 0 m g l ) 稀释后( 稀释后c o d c r = 6 3 0 - - - 2 2 0 0 m g l ) 用完全混合活性污泥法进 行降解处理，在水力停留时间h r t = 1 0 h 和固体停留时间s r t = 钆1 5 d 的情况下， 2 第1 章绪论 c o d 、b o d 的去除率均大于9 0 。但需要保持较高的d o 值，运行费用高。 活性污泥法虽然具有投资省、见效快的优点，但此法存在着明显的不足， 这表现在易产生大量泡沫和污泥膨胀；曝气池中生物浓度低：抗冲击负荷能力 差等。 生物膜法就是将微生物固定于支撑物上来处理废水的方法。与活性污泥法 相比，生物膜法具有了如下三个明显的特点： s r t h r t ，因此产生的污泥量 少；由于膜在固着物上，其厚度和代谢受到控制，所以污泥膨胀受到控制； 具有强的抗负荷冲击的能力。 目前处理玉米淀粉废水的好氧生物膜法有：纯氧生物转盘法，复合生物流化 床，接触氧化法等。这些方法中，接触氧化法由于构造简单，控制方便，产生 污泥量少，出水浓度低，所以多用于中低浓度有机废水的处理。但对于高浓度 的玉米淀粉废水的处理，仍需稀释处理后再进入接触氧化处理系统。 氧化塘法处理废水主要是利用藻菌共生的作用来去除废水中的有机污染 物。杨风江等用氧化塘水葫芦池细绿萍池处理玉米淀粉废水，当废水进水c o d 为3 6 8 9 m g l n h 4 + 一n 为5 7 m g l 时，出水c o d 、砒+ n 分别为4 2 m g l 和 0 4 9 m g l 。此法具有运行费用低、投资少和可综合利用等特点，但占地面积大、 处理效果受气候的影响大，并且不能用于高浓度玉米淀粉废水的处理。 ( 2 ) 厌氧处理法 目前用于玉米淀粉废水处理的厌氧方法有：u a s b 、厌氧消化池、厌氧接触工 艺、厌氧滤池、厌氧内循环反应器、厌氧消化超滤工艺，其中u a s b 技术应用 最多。u a s b 主要特点有：( 1 ) 运行稳定，耐冲击能力强。( 2 ) 污泥龄长，产泥量小。 ( 3 ) 可回收沼气，并能产生一定的经济效益。但它也存在着一些缺点：( 1 ) 颗粒污泥 难以形成，启动时间长。( 2 ) 全封闭式构造，体积较大，基建费用较高。( 3 ) 厌氧 的甲烷菌对温度和酸度变化敏感。( 4 ) 出水b o d 或c o d 值仍较高，需要有后续 处理工艺。 1 2 3 研究目的及内容 淀粉废水有机物浓度高，目前治理投资较大，运转费用高，出水时常不达 标。因此寻找一种既经济又有效的处理工艺非常必要。 u a s b 反应器处理高浓度的淀粉废水，技术比较成熟，但其后续的好氧处理 3 第1 章绪论 工艺，多采用鼓风曝气系统，一次性投资大，能耗高，运转维护费用高，而且 噪声大。射流曝气具有投资低、占地少、噪声小、运转维护费用低等优点，在 石油、化工、印染、屠宰肉类加工、皮革加工等工业废水和城市生活污水处理 中应用较多【3 1 】 【3 1 1 ，效果比较好，但在淀粉废水处理中，尚未见报道。因此，尝 试采用u a s b + 射流曝气工艺处理淀粉废水，对降低淀粉生产企业的废水处理成 本，节能减排有比较重要的现实意义。 本研究的内容主要有： 对淀粉生产企业的清洁生产，尤其从水循环利用和玉米综合利用角度提出 建议，减少废水排放量和污染物排放浓度，降低废水处理工程投资，实现减排 增效； 设计淀粉废水处理工艺，研究u a s b 反应器运行效果的提高途径； 根据淀粉废水厌氧后的水质情况，设计射流曝气器； 对射流曝气器的运行情况进行研究； 对废水处理工程进行调试、运行。 4 第2 章厌氧生物处理技术 第2 章厌氧生物处理技术 2 1 厌氧生物学原理 废水厌氧生物处理早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵，是指在厌氧条件下 由多种( 厌氧或兼性) 微生物的共同作用，将有机物分解并产生c i - h 和c 0 2 的 过程。【3 2 】【3 6 1 2 1 1 厌氧生物处理中的基本生物过程一阶段性理论 ( 1 ) 两阶段理论： 2 0 世纪3 0 - 6 0 年代，被普遍接受的是“两阶段理论”，见图2 1 ： 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段，主要功能是水解和 酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、c 0 2 和h 2 等；参与反应的微生物统称为发酵 细菌或产酸细菌，其特点是：生长速率快；对环境适应性( 温度、p h 等) 强。 第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段， 匝垂巫困 水解胞外酶土 是指产甲烷菌利用前一阶段 图2 1 厌氧反应的两阶段理论图示 5 第2 章厌氧生物处理技术 的产物，并将其转化为c i - 1 4 和c 0 2 。参与反应的微生物统称为产甲烷菌( m e t h a n e p r o d u c i n gb a c t e r i a ) ，其主要特点是：生长速率慢，世代时间长；对环境条件 ( 温度、p h 、抑制物等) 非常敏感，要求苛刻。 ( 2 ) 三阶段理论 对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两 个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质。 厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌( a r c h a e ) ， 只能利用一些简单有机物作为基质，主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、 甲基胺类以及h 2 c 0 2 等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上 的脂肪酸和甲醇以外的醇类。 上世纪7 0 年代，b r y a n t 发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌， 实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和h 2 ( 一种 产氢产乙酸细菌) ，另一种细菌则利用h 2 和c 0 2 产生c h 4 ( 一种真正意义上的 产甲烷细菌嗜氢产甲烷细菌) 。因此，1 9 7 9 年b r y a n t 提出了厌氧消化过程的“三 阶段理论”： 水解、发酵阶段：在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质、 脂肪水解与发酵，转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等； 产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为 乙酸、h 2 c 0 2 ； 产甲烷阶段：通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把h 2 和c 0 2 转化成c h 4 ，另一组对乙酸脱羧产生c i - 1 4 ，一般认为，在厌氧生物处理过程中约 有7 0 的c h 4 产自乙酸的分解，其余的则产自h 2 和c 0 2 。 ( 3 ) 四阶段理论( 四菌群学说) ： 几乎与b r y a n t 提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四 菌群学说”： 在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌一同型产乙酸菌，其主要功 能是可以将产氢产乙酸细菌产生的h 2 c 0 2 合成为乙酸。 但研究表明，实际上这一部分由h 2 c 0 2 合成而来的乙酸的量较少，只占厌 氧体系中总乙酸量的5 左右。 6 第2 章厌氧生物处理技术 总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程 较全面和较准确的描述，见图2 2 。 乙酸 有机物 - j 发酵性细菌 脂肪酸、醇类 c r h 说明：1 ) i 、m 、为三阶段理论 i 、m 、为四类群理论； 2 ) 所产生的细胞物质未表示在图中 图2 2 厌氧反应的三阶段和四类群理论 “) 多阶段理论 但是，当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物的时候，在厌氧反应 器中发生的反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述的反应过程复 杂。 2 1 2 厌氧消化过程中的主要微生物 主要介绍其中的发酵细菌( 产酸细菌) 、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。 ( 1 ) 发酵细菌( 7 z 酸细菌) ： 发酵产酸细菌的主要功能有两种：水解在胞外酶的作用下，将不溶性 有机物水解成可溶性有机物；酸化将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、 醇类等。 水解过程较缓慢，并受多种因素影响( p h 、s r t 、有机物种类等) ，有时会 成为厌氧反应的限速步骤；产酸反应的速率较快。 主要的发酵产酸细菌有：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等。 7 第2 章厌氧生物处理技术 大多数是厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌。按其代谢功能分为：纤维素分解菌、 半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。 ( 2 ) 产氢产乙酸菌； 产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和 飓，为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生 互营关系。 主要的产氢产乙酸反应有： 乙醇： c h 3 c h 2 0 h + 日2 0 _ c h 3 c o o h + 2 h 2 丙酸：c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 0 2 丁酸：c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 1 1 2 0 2 c h 3 c o o h + 2 也 注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进 行，因此产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主 要的两种产物乙酸和h 2 消耗掉。 主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆 菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。 ( 3 ) 产甲烷菌 2 0 世纪6 0 年代h u n g a t e 开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细 菌的研究才得以广泛进行。 产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物一乙酸和h 2 c 0 2 转化为 c h 4 和c 0 2 ，使厌氧消化过程得以顺利进行，主要分为两大类：乙酸营养型和 h 2 营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌。一般来说， 在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有m e t h a n o s a r c i n a ( 产甲烷八叠 球菌) 和m e t h a n o t h r i x ( 产甲烷丝状菌) ，但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中 居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说 有7 0 左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。 典型的产甲烷反应： 凹3 c o o h4 c h4 + c o 2 4 h 2 + c o2 - c h4 + 2 h2 0 4 h c 0 0 + 2 h + 一c h 4 + c 0 2 + 2 h c ； 8 第2 章厌氧生物处理技术 ( 萄4 c 0 + 2 h2 0 - c h + 3 c 0 2 4 c h ，o h 3 凹+ s c o ；+ h + + 日z 0 ( 舀) 玛) ，一删+ 9 h 2 0 9 c h 4 + 3 h c 0 f 3 + 婀+ + 4 n h ： ( ；羚 2 ( c h 3 ) ，一s + 3 1 1 2 0 3 c h + h c o ；+ 露+ + 2 h 2 s 4 c h 3 0 h + 日2 c h + h z o 产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：产甲烷杆菌；产甲烷球菌； 产甲烷八叠球菌；产甲烷丝菌；等等。 在生物分类学上，产甲烷菌( m e t h a n o g e n s ) 属于古细菌( a r c h a e b a c t e r i a ) ， 大小、外观上与普通细菌( e u b a c t e r i a ) 相似，但实际上，其细胞成分特殊，特 别是细胞壁的结构较特殊。在自然界的分布，一般认为是栖息于一些极端环境 中( 如地热泉水、深海火山口、沉积物等) ，但实际上分布极为广泛，如污泥、 瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等；产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求 氧化还原电位在1 5 0 - - 4 0 0 m y ，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的 增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达4 6 天，因此，一般情况下产甲烷反应 是厌氧消化的限速步骤。 2 1 3 厌氧生物处理的影响因素 产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生 物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素；主要影响因素有：温 度、p h 值、氧化还原电位、营养物质、f m 比、有毒物质等。 ( 1 ) 温度： 温度对厌氧微生物的影响尤为显著。厌氧细菌可分为嗜热菌( 或高温菌) 、 嗜温菌( 中温菌) 、嗜冷菌( 低温菌) ，相应地，厌氧消化分为高温消化( 5 5 左 右) 、中温消化( 3 5o c 左右) 和低温消化( 2 0 左右) 。高温消化的反应速率约 为中温消化的1 5 i 9 倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有 病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后 污泥的脱水性能也较好。随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧 消化的影响不再非常重要( 新型反应器内的生物量很大) ，因此可以在常温下 ( 2 呲5 ) 进行，以节省能量和运行费用。 在每一个温度区间，随温度上升，细菌生长速率逐渐上升并达到最大值， 9 第2 章厌氧生物处理技术 相应的温度称为细菌的最适生长温度，过此温度后细菌生长速率迅速下降。在 每个区间的上限，细菌的死亡速率已开始超过细菌的增殖速率。 温度高出细菌的生长温度的上限，将导致细菌死亡，如果温度过高或持续 时间足够长，当温度恢复后，细胞( 或污泥) 的活性也不能恢复。而当温度下降并 低于温度范围的下限，从整体上讲，细菌不会死亡，而只是逐渐停止或减弱其 代谢活动，细菌处于休眠状态，其生命力可维持相当长时间。当温度上升至其 原来生长温度时，细胞( 或污泥) 活性能很快恢复。因此温度超过上限会引起严重 问题。但温度下降则一般引起细胞活力下降，如果相应降低反应器负荷或停止 进液，则不会发生严重问题，一旦温度恢复正常，反应器即可很快恢复正常运 行。 迄今大多数厌氧污水处理系统在中温范围运行，人们发现在此范围温度每 升高1 0 c ，厌氧反应速度约增加一倍。目前中温工艺以3 肌4 0 最为常见，其最 佳处理温度在3 5 枷。高温工艺在5 0 - 6 0 间运行。低温厌氧工艺由于污泥活 性明显低于中温和高温，其反应器负荷也相应较低。但对于某些温度较低的污 水，由于使污水升温可能消耗太多的能量，因此低温工艺也是可供选择的方案。 在上述范围里，温度的微小波动( 例如1 - 3 1 2 ) 对于厌氧工艺不会有明显影响， 但如果温度下降幅度过大，则由于污泥活性的降低，反应器的负荷也应当降低， 以防止由于负荷过高引起反应器酸积累等问题。菌种的生长温度是菌种本身固 有的特性。嗜温菌不能经驯化而在高温范围生长，而嗜热菌在中温范围通常也 不能生长。 p h 值和碱度： p h 值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素。其原因在于：产甲烷菌对p h 值的变化非常敏感，一般认为，其最适p h 值范围为6 5 - 7 8 ，在 8 2 时， 产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化。厌氧体系 中的p h 值受多种因素的影响：进水p h 值、进水水质( 有机物浓度、有机物种 类等) 、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等。厌氧体系是一个p h 值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制，一般来说，系统中脂肪酸含量的增 加( 累积) ，将消耗h c o ：，使p h 下降，但产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪 酸，而且还会产生h c o ：，使系统的p h 值回升。 厌氧处理中，水解菌与产酸菌对p h 有较大范围的适应性，大多数这类细菌 1 0 第2 章厌氧生物处理技术 可以在p h 为5 0 8 5 范围生长良好，一些产酸菌在p h 小于5 o 时仍可生长。 厌氧处理的这一p h 范围是指反应器内反应区的p h ，而不是进水的p h ，因 为污水进入反应器内，生物化学过程和稀释作用可以迅速改变其p h 值。对p h 值改变最大的影响因素是酸的形成，特别是乙酸的形成。因此含有大量溶解性 碳水化合物( 例如糖，淀粉) 等的污水进入反应器后p h 将迅速降低，而已酸化的 污水进入反应器后p h 将上升。对于含大量蛋白质或氨基酸的污水，由于氨的形 成，p h 会略有上升。因此对不同特性的污水，可选择不同的进水p h 值，这一 进水p h 值可能高于或低于反应器内所要求的p h 值。 反应器出水的p h 一般等于或接近于反应器内的p h 值。 微生物对p h 值的波动十分敏感，即使在其生长p h 范围的p h 值的突然改 变也会引起细菌活性的明显下降，这表明细菌对p h 改变的适应比对温度改变的 适应过程要慢的多。超过p h 范围的p h 改变会引起更严重后果，低于p h 下限 并持续过久时，会导致甲烷菌活性丧失殆尽而产乙酸菌大量繁殖，引起反应器 系统的“酸化”。严重酸化发生后，反应器系统难以恢复至原有状态。 p h 值对产甲烷菌的影响与v f a 的浓度有关，这是因为乙酸以及其他化合物 在非离解状态下是有毒的。p h 值越低，游离酸所占比例越大，因而在同总v f a 浓度下它们的毒性越大。 p h 值的波动对厌氧污泥的产甲烷活性也会产生影响，其影响程度取决于 波动持续的时间；波动的幅度，一般p h 越低，影响越大；w a 的浓度；w a 组成。 碱度主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的艘值，厌氧体 系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。 ( 3 ) 氧化还原电位： 严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件，非产甲烷菌可 以在氧化还原电位为+ 1 0 0 - - 1 0 0 m v 的环境正常生长和活动，产甲烷菌的最适氧化 还原电位为1 5 0 - - 4 0 0 m v ，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于 3 3 0 m v 。 一般情况下，氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电位升高的最主要 和最直接的原因，但除氧以外，其他一些氧化态物质的存在( 如某些工业污水中 含有的f e 3 + ，s 0 4 2 。和n 0 3 等) 同样能使体系中的氧化还原电位升高，当其浓度达 1 1 第2 章厌氧生物处理技术 到一定程度时，同样会危害厌氧消化过程的进行。 控制低的氧化还原电位主要依靠以下措施： 首先必须保持严格的封闭系统，杜绝空气的渗入： 通过生化反应消耗水中带入的溶解氧，使氧化还原电位尽快降低到要求 值。一般情况下，污水进入厌氧反应器后，通过剧烈的生化反应后，使氧化还 原电位降到1 0 0 - - 2 0 0 m v ，继而降到3 4 0 m v 。因此在工程上没有必要对进水施 加特别的除氧措施。 ( 4 ) 营养要求： 厌氧微生物对n 、p 等营养物质的要求低于好氧微生物，其要求c o d ：n ： p = 2 0 0 - 5 0 0 ：5 ：1 。多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能， 所以有时需要投加：k 、n a 、c a 等金属盐类；微量元素n i 、c o 、m o 、f e 等，虽然细菌需要的微量元素非常少，但微量元素的缺乏能够导致细菌活性下 降；有机微量物质：酵母浸出膏、维生素等。 蛹f | m 比： 与好氧生物处理相比，厌氧生物处理的有机物负荷更高，容积负荷一般可 达5 - 1 0 k g c o d m 3 d ，甚至可达5 0 - 8 0 k g c o d m 3 d ；无传氧的限制；可以积聚更 高的生物量。 由于厌氧生物处理产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分 谨慎地选择有机负荷，防止酸化； 高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷；高的有 机容积负荷可以缩短h r t ，减少反应器容积。 ( 6 ) 有毒物质： 常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物。 硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被 还原成硫化物；可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲 烷过程产生抑制作用；投加某些金属如f e 可以去除s 厶，或从系统中吹脱h 2 s 可 以减轻硫化物的抑制作用。 氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂，但浓度过高，则会对厌氧消化过程产 生毒害作用，抑制浓度为5 0 - 2 0 0 m g a ，但驯化后，适应能力会得到加强。 1 2 第2 章厌氧生物处理技术 重金属：使厌氧细菌的酶系统受到破坏。 氰化物：对甲烷菌毒性极强，但甲烷菌也可对氰化物产生驯化。 有毒有机物：主要有芳香族氨基酸、氯化烃、甲醛、洗涤剂、抗菌素等。 2 1 4 厌氧生物处理的主要特征 ( 1 ) 厌氧生物处理过程的主要优点： 能耗大大降低，而且还可以回收生物能( 沼气) ； 污泥产量很低，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的 产率y 为0 1 5 加3 4 k g v s s k g c o d ，产甲烷菌的产率y 为0 0 3 k g v s s k g c o d 左 右，而好氧微生物的产率约为0 2 5 - 0 6 k g v s s k g c o d ； 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部 分降解； 反应过程较为复杂，厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协 同工作的一个连续的微生物过程。 ( 2 ) 厌氧生物处理过程的主要缺点： 对温度、p h 等环境因素较敏感； 初次启动过程缓慢，处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理； 气味较大，对氨氮的去除效果不好等等。 由于厌氧生化反应速度较慢，故反应时间长，反应器容积较大，而且， 要保持较快的反应速度，就要保持较高的温度，消耗能源。 2 2u a s b 结构及其工作原理 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 是由荷兰的l e t t i n g a 教授等在1 9 7 2 年研 制，于1 9 7 7 年开发的。如图2 3 ，污水自下而上地通过u a s b 。在反应器底部有 一个高浓度( 6 0 墙0 9 l ) 、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化为c h 4 和c 0 2 。由于气态产物( 消化气) 的搅动和气泡黏附污泥，在污泥层之上形成一个 悬浮污泥层。反应器的上部设有三相分离器，完成气、液、泥的分离。被分离 的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层，出水从澄清区 第2 章厌氧生物处理技术 流出。 图2 3 上流式厌氧污泥床反应器 由于在反应器内可以培养出大量厌氧颗粒污泥，使反应器的负荷很大。对 一般的高浓度有机废水，当水温在3 0 。c 左右时，负荷可达1 0 - 2 0 k g c o d ( m 3 d ) 。 试验结果表明，良好的颗粒污泥床的形成，使得有机负荷和去除率高，不 需要搅拌，能适应负荷冲击和温度与p h 的变化。u a s b 是一种目前应用很广泛 的厌氧处理设备【3 4 1 。 2 3 颗粒污泥的培养与u a s b 的改进 颗粒污泥的形成，是u a s b 反应器高效成功运行的关键因素。颗粒污泥是 微生物的自我固定化，本身就是一个微生态系统，其中不同种群微生物组成了 共生或互生体系，有利于细菌生长和有机物的降解；具有很好的生物活性和物 理沉降性能，能在很高的产气量和上升流速下留在反应器内，使反应器具有很 高的容积负荷、水力负荷和耐冲击能力。因此，培养颗粒污泥非常重要。 到目前为止，还没有比较全面的理论能够清楚地阐明颗粒污泥的形成机理。 各研究者根据在颗粒培养过程中观察到的现象提出一些假说，试图对颗粒形成 进行解释。其中有代表性的假说有晶核假说、无机物作用说、胞外聚合物假说 1 4 第2 章厌氧生物处理技术 和选择压说【3 2 l 【3 7 1 。 在u a s b 反应器中，水力上升流速一般小于1 5 m h ，污泥床更象一个静止 床，泥水混合不理想，有死角，有沟流，影响去除率的提高。为此，在u a s b 三相分离器下方，设置一出水管，连接水泵并与下部的进水管相通，使用水泵 循环混合液，通过进水管及布水系统，强行提高反应器内的水力上升流速，促 使污泥与废水充分混合，以减少或消除死角、沟流现象，提高处理效率。采用 这种方法，与一般的采用出水循环方法相比，不增加u a s b 三相分离器的负荷， 属于分离器下部的u a s b 局部内循环。循环流量的大小可通过阀门调节。 采用局部内循环法，对u a s b 的初次启动、颗粒污泥的培养意义较大。通 过调整液体上升流速，增加选择压，可促进污泥的颗粒化。u a s b 运行正常后， 产沼气量大，反应器内的混合程度比较均匀，这时，可以停止或减少循环；也 可以继续循环，按膨胀床运行；采用局部内循环法，还可以在较大程度提高反 应器内生物量的同时，提高泥水混合效果，提高反应器的耐冲击能力( 尤其是高 有机负荷、有毒物质和低温的冲击等) 。 第3 章射流曝气工作原理 第3 章射流曝气工作原理 曝气，就是通过各种人工曝气设备，加速气相中的氧向液相转移，实质上 是一个传质过程。射流曝气充氧的理论基础是传质理论与紊流射流理论刚。 3 1 传质理论 3 1 1 氧转移原理 在曝气过程中，氧分子通过气、液界面由气相转移到液相，在界面两侧存 在着气膜和液膜，气体分子通过气膜和液膜属于传质理论【3 2 l 。1 9 0 4 年n e m s t 首 先提出传质的单膜模型，后来的发展以这一模型为基础，常用的有下列三种模 型：1 9 2 6 年由l e w i s 和w h i t m a n 提出的双膜理论，1 9 3 5 年由h i g b i e 提出的浅渗 理论及1 9 5 1 年由d a n c k w e r t s 提出的表面更新理论【蚓。当前被普遍接受的是双膜 理论，它能把气膜阻力和液膜阻力的相对大小表示出来。 ( 1 ) 双膜理论 双膜理论的模型见图3 1 ： 一xf 一： 1一-一l p i 液 膜 j j 图3 1 双膜理论示意图 1 6 第3 章射流曝气工作原理 其基本点可归纳入下： 在气液两相接触时，两相间有个相界面。在相界面附近两侧分别存在一 层稳定的滞留膜层( 不发生对流作用的膜层) 气膜和液膜。 气液两个膜层分别将各项主体流与相界面隔开，滞留膜的厚度随各项主体 的流速和湍流状态而变，流速愈大，膜厚度愈薄。 在气膜和液膜外侧的气相、液相两个主体均处于紊流状态【3 2 1 。通常认为， 气体溶于水的过程是经过相当分明的四个阶段的传质过程：第一阶段是气体通 过气相向气一液交界面推移；第二阶段是气体通过气一液交界面的气相一侧的 气膜；第三阶段，气体穿过气一液交界面的液相一侧的液膜；第四阶段，气体 扩散到整个溶液中去f 3 9 1 ； 由于气、液两相的主体均处于紊流状态，其中物质浓度基本上是均匀的， 不存在浓度梯度，也不存在传质阻力，气体分子从气相主体传递到液相主体， 阻力仅存在于气、液两层层流膜中【3 2 1 ： 在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是 氧转移的推动力【3 2 】； 在气体转移过程中，对于微溶的气体，阻力主要来自液膜，对于易溶的 气体，主要来自气膜【柏1 。氧难溶于水，因此，氧转移的决定性阻力集中在液膜 上。故而，氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤，通过液膜的扩散速率就 是氧的转移速率【3 2 】； 氧的传递过程是稳定的【3 2 1 ，即通过气膜的通量与通过液膜的通量是相等 的，在交界面上，气与水立即达到平衡状态【翊。 射流曝气器的充氧是利用高速水流为动能吸入大量空气，气、水混合液在 喉管中剧烈混合，使气泡粉碎成乳状，继而在扩散管内由于管径逐渐加大，流 速水头转化为压头，微细气泡进一步压缩，氧迅速溶入水中，这一过程符合双 膜理论。 ( 2 ) 菲克( f i c k ) 定律 通过曝气，空气中的氧从气相传递到液相中，这既是一个传质过程，也是 一个物质扩散过程。扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差。物质的分 子从浓度较高的一侧向着较低的一侧扩散、转秽3 2 1 。 扩散过程的基本规律可以用菲克( f i c k ) 定律加以概括，即： 1 7 第3 章射流曝气工作原理 屹一d l 姒d c ( 3 1 ) 式中：v a 物质的扩散速率，单位时间内单位断面上通过的物质数量 m o l ( m 2 s ) ；d l 扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要取决于扩散 物质和介质的特性及温度，m 2 s ：x 扩散过程的长度，m ；c 物质浓度，m o l m 3 ； d c 。浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值，m o l m 4 。 d 五 上式表明，物质的扩散速率与浓度梯度成正比。 以m 表示在时间t 内通过界面扩散的物质数量， a ( m 2 ) 表示界面面积，则 下式成立： 屹一j li d m 厂 ( 3 2 ) 代入式( 3 1 ) ，得： 三警一一见面d c ( 3 3 ) a出ld x 、。 即： 丝dt-_dra姒d_ff_cdt ( 3 4 ) 组五 在气膜中，氧分子的传递动力很小，气相主体与界面之间的氧分压差值( 吃 一p f ) 很低，一般可以认为b 。p f 。这样，界面处的溶解氧浓度值g ，是在氧分压 为p 譬条件下的溶解氧的饱和浓度值。如果气相主体中的气压为一个大气压，则 b 就是一个大气压中的氧分压( 约为一个大气压的1 5 ) 。 设液膜厚度为母( 此值极低) ，则液膜中溶解氧浓度的梯度为： 一爰- 譬 ( 3 5 ) d xx