（环境工程专业论文）内循环厌氧反应器ic处理高浓度l乳酸精馏残液试验研究.pdf

摘要 摘要 江西省某生物化工公司生产过程中产生的l 广乳酸精馏残液含有高浓度的蛋 白质、淀粉、糖类等有机物，c o d 浓度为6 0 x 1 0 5 m g l 左右，难以利用常规的 生化工艺进行处理。本课题以该公司l - * l 酸生产废水处理项目为依托，研究了 高效内循环厌氧反应器( i c ) 对l 广乳酸精馏残液进行处理的效果及其特性。研 究结果表明： 1 、当l g l 酸精馏残液的c o d 浓度稀释到平均1 0 0 0 0m g l ，调节进水p h 值6 3 6 8 、维持温度在3 0 左右时，i c 能有效去除l - g l 酸精馏残液中的污染物。 出水c o d 浓度稳定在2 0 0 0 m g l 以下。 2 、稳定运行后i c 厌氧反应器容积负荷达到9 4 k g c o d ( m 3 d ) ，h r t 为2 1 h 。 产气量通过理论计算为3 7 5m 3 1 1 ，回流量为6 1 0 m 3 h ，第一反应室表面水力上升 流速为3 9 m h 。出水c o d 、v f a 平均浓度分别为1 8 8 3 m g l 、5 8 m m o l l ；p h 值 7 2 - 7 4 ：s s 1 5 0 m g l 。 3 、污泥的驯化分为“激发”与“强化”活性两个阶段。“激发”阶段使污泥对原 水c o d 有1 0 去除率，“强化”阶段c o d 去除率上升至5 0 。 4 、在污泥驯化末期( 第6 0 d 时) ，i c 反应器内污泥主要以絮状存在，但有 少量粒径为o 5 1 0 m m 的颗粒污泥出现，底部污泥浓度为1 3 7 9 l 。当i c 反应器 运行5 个月后，反应器4 m 、8 m 、1 2 m 、1 6 m 高度处的污泥浓度分别达到2 1 3 2g l 、 1 3g l 、4 0 3g l 、1 2 1 9 l 。污泥形态以颗粒污泥为主，最大直径为3 m m 。 5 、i c 启动运行期，启动初始容积负荷为l k g c o d ( m a - d ) ，当出水 c o d 2 0 0 0 m 比v f a h r t 的基础上，提高进水速度，使固液两 相充分接触，强化了传质效果。以厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) ，内循环厌氧反 应器( i c ) ，厌氧序批式间歇反应器( a s b r ) 和厌氧复合床( u b f ) 为代表。 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 1 2 。7 j 膨胀颗粒污泥床( ( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) 简称e g s b ，成功结合了厌 氧流化床与u a s b 反应器两种技术，属于u a s b 反应器的变型。e g s b 反应器 的基本构造与流化床类似。e g s b 反应器通过采用出水循环回流获得较高的表面 液体升流速度，其典型特征是具有较高的高径比。混合液升流至反应器上部， 通过设在反应器上部的三相分离器进行气、固、液的分离。分离出来的沼气由 反应器顶部或集气室的导管排出，沉淀下来的污泥自动返回膨胀床区，上清液 由出水渠排出反应器外。 内循环( i c ) 厌氧反应器 1 9 8 5 年荷兰p a q u e s b v 公司开发了一种被称为内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 的 反应器，简称i c 反应器。i c 反应器在处理中低浓度废水时，进水容积负荷率可 达2 0 4 0 k g c o d m 3 - d ，对于处理高浓度有机废水，其进水容积负荷率可提高至3 5 - 5 0 k g c o d m 3 - d 。这是对现代高速反应器的一种突破，有着重大的理论意义和 实用价值【矧。 厌氧生物转盘与厌氧折流板反应器( a b r ) 【2 9 l 1 9 8 0 年在好氧生物转盘基础上开发出厌氧生物转盘( a n a e r o b i cr o t a t i n g b i o l o g i c a lr e a c t o r ) 新工艺。厌氧生物转盘构造与好氧生物转盘相似，不同之处在 于盘片大部分( 7 0 以上) 或全部浸没在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整 个生物转盘设在一个密闭的容器内。厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转 轴及驱动装置等组成，靠盘片表面的生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧菌来完成 9 第1 章引言 对废水的净化，产生沼气从反应槽项排出。由于盘片的转动，作用在生物膜上 的剪切力可将老化的生物膜剥落，剥落后的生物膜在水中呈悬浮状态并随出水 流出槽外。 厌氧序列式反应器( a s b r ) 厌氧序列式反应器是2 0 世纪5 0 年代由美国i o w a 州立大学d a g u e 等人研究 开发的新型高速厌氧反应器。a s b r 就是采用单个反应器完成进水、反应、沉降 和出水的序列操作。a s b r 所需体积比连续流工艺大，但不设沉淀池、布水和回 流系统也不会出现任何短流现象。a s b r 同其它工艺一样，能够延长污泥在反应 器内的停留时间( s r t ) ，增加污泥浓度，提高厌氧反应器的负荷和处理效率。 同时，大大缩短了废水在反应器内的水力停留时间( h r t ) ，从而减小了反应器 体积，有利于厌氧技术用于生产规模的废水处理，增强了厌氧系统的稳定性和 对不良因素的适应性l 圳。 移动式厌氧污泥床反应器( a m b r ) a m b r 为了克服a s b r 不能连续进水的缺点而开发的推流式的、能通过多 隔室结构在连续流中截留大量生物体高效反应器。a m b r 反应器为一多隔室结 构的矩形反应器，反应器至少设置三个隔室，其中中间隔室用于改变流向前短 时进水以防止水流短流。反应器隔室均设有进水口和出水口，按设定的时间开 启不同的进水1 ：3 ，整个反应器的运行由程序化定时器控制【3 1 l 。其代表特点是颗 粒污泥的形成是由于反应器中污泥床的迁移所致。 表1 2 新型高效厌氧反应器性能比较【3 2 1 反应器类型 特点不足 较人的高径比； 采用出水循环，更适合处理含悬浮固体和 有毒物质的废水； 极高的上升流速( 5 1 0m h ) 和有机负荷率需要培养颗粒污泥， 4 0 h g c o d ( m 3 - d ) ； 启动时间较长： 具有高活性，沉降性能良好的颗粒污泥， 为使污泥膨胀，采用 e g s b 且粒径较大，强度较好，s r t 较长； 出水循环，需要消耗动 颗粒污泥床充分膨胀，污泥与污水充分棍 力； 合，可用于处理低温低浓度废水；出水水质不稳定。 具有二相分离器，使出水、沼气和污泥三 相有效分离，使污泥在反应器中有效持留； 紧凑的空间结构使i 地面积人为减少。 1 0 第l 章引言 反应器类璎特点不足 高径比大， 地面积小，建设投资省； 启动时间较长； 有机负荷率高，液体上升流速大，水力停 反应器内平均剪切 留时间短： i c 速率较高： 出水稳定，耐冲击负荷能力强； 颗粒污泥的强度相 适用范同广，可处理低、中、高浓度废水 对较低。 以及含有毒物质的废水。 水流与产气上升方向一致，堵塞机会小， 有利于进水同微生物接触，也有利于形成颗粒 污泥； 反应器上部的填料层既增加了生物总量， 又可防l 卜生物量的突然洗出，还可加速污泥与 u b f填料价格昂贵。 气泡的分离，降低污泥流失； 反应器积累微生物能力火人增强，有机负 荷高； 启动速度快，处理效率高，运行稳定 高径比较人，一般为6 。 同液分离效果好且出水澄清； 对于不同的水质和水量，可调整一个运行 周期中各工序的运行时间及h r t 、s r t 来满足 启动受接种污泥的 出水要求； 种类及浓度影响大； 不需布水系统和澄清沉淀池，工艺简单， 需要搅拌装置； a s b r 占地面积少，建设费用低； 受温度影响小，耐冲击负荷强，对各种废 高浓度的n h 3 n 和 水的适应性强； n 0 3 n 会影响反应器的 具有比产甲烷菌活性高，沉降性能良好的颗 正常运行。 粒污泥对有机污染物很强的去除能力； 高径比为5 6 左右。 1 3 4 i c 反应器 1 3 4 1i c 反应器的特点【3 3 j 具有很高的容积负荷率。i c 反应器具有传质效果好、生物量大、污泥龄 长等特点，因此其进水有机负荷比普通的u a s b 可高出3 倍左右。 节省基建投资和占地面积。由于i c 反应器容积负荷高，故其体积仅为普 通u a s b 反应器的1 4 1 3 左右，且高径比大，所以占地面积小，非常适用于 占地面积紧张的企业采用。 沼气提升实现内循环。i c 反应器以自身产生的沼气作为提升的动力实现 混合液的内循环，不必另设水泵实现强制循环，从而可节省能耗。 抗冲击负荷能力强。由于循环废水与进水在第一反应室内混合，使原废 第1 章引言 水中的有害物质得到充分稀释，大大降低了危害程度，从而提高了反应器的耐 冲击负荷能力。 具有缓冲p h 值的能力。内循环流量相当于第一级厌氧出水的回流，可利 用c o d 转化的碱度，对p h 值起缓冲作用，使反应器内的p h 值保持稳定。 出水的稳定性好。第一反应室具有很高的有机负荷率，起粗处理作用； 第二反应室的负荷率较低，起精处理作用，故出水水质较好。 可产业化。由于i c 反应器有机负荷高，反应器容积可大大缩小，i c 反应 器较其他厌氧反应器更具有产业化的条件。 产生优质燃料。反应产生的沼气中甲烷占5 0 - - 7 0 ，二氧化碳占2 0 - - - - 2 5 ， 其余是氨、氢、硫化氢等气体，发热量一般为2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 k j m 3 ，是一种很好 的燃料。 1 3 4 2i c 反应器的原理【3 4 3 5 l i c 反应器由两个u a s b 反应器上下叠加串联构成，高度可达1 6 - - 2 5 m ，高 径比一般为4 - - 8 ，由5 个基本部分组成：布水区，第一反应室，第二反应室， 内循环系统和出水区。其中内循环系统是i c 工艺的核心结构，由下层三相分离 器、升流管、气液分离器和泥水回流管组成。如图1 2 ： 第二反应 室集气罩 回流管 进 沼气外排 图1 2i c 厌氧反应器构造原理 1 2 室集气罩 第l 章 引言 i c 反应器由第一厌氧反应室和第二厌氧反应室叠加而成，每个厌氧反应室 的项部各设一个气液固三相分离器，如同两个u a s b 反应器上下重叠串联而 成。第一反应室产生的沼气作为动力，实现了下部混合液的内循坏，使废水获 得强化的预处理；第二反应室对废水进行后处理，使出水达到预期的效果。 废水首先进入反应器底部的混合区，并与来自回流管的内循环泥水混合液 充分混合后进入颗粒污泥膨胀床进行c o d 的生化降解，此处的c o d 容积负荷 很高大部分进水c o d 在此处被降解，并产生大量沼气。沼气由下层三相分离器 收集，并沿着升流管上升。沼气上升的同时把第一反应室的混合液提升至i c 反 应器项部的气液分离器，沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。泥水混合 物则沿回流管返回反应器底部，并与进水充分混合后进入第一反应室，形成内 循环。内循环的结果使第一反应室不仅有很高的生物量，很长的污泥龄，并具 有很大的升流速度，一般为1 0 - - - 2 0 m h ，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态， 从而大大提高第一反应室去除有机物的能力。 经过第一反应室处理过的废水，会自动地进入第二反应室继续处理。第二 反应室的液体上升流速小于第一反应室，一般为2 - - 1 0 m h 。该室除了继续进行 生物反应之外，由于上升流速的降低，还充当第一反应室和沉淀区之间的缓冲 段，对防止污泥流失及确保沉淀后的出水水质起着重要作用。废水中的剩余有 机物可被第二反应室内的厌氧颗粒污泥进一步降解，使废水得到更好的净化， 提高出水水质。产生的沼气由第二反应室的集气罩收集，通过上提升管进入气 液分离器。第二反应室中的混合液在沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由 出水管排走，沉淀的污泥可自动返回到第二反应室。 1 3 4 3i c 反应器的发展趋势及其国内外应用情况【3 9 】 1 3 4 3 1i c 反应器的发展趋势 三相分离器的设计有待进一步优化。因反应器内水流是上向流通过分离 器，故应考虑该处的实际过流断面，避免局部水流速度过大。既要达到良好的 分离效果，又要防止水力流态不均。 i c 反应器中颗粒污泥的培养有待进一步的研究， i c 反应器的应用领域有待进一步的开拓。 1 3 4 3 2i c 反应器在国内外的应用情况 i c 反应器己被成功地用于处理各种工业废水和低、中、高浓度农产品加工 1 3 第1 章引言 废水( 如奶制品工业，土豆加工工业等) 。 根据荷兰p a q u e s 环境技术公司提供的资料，1 9 8 9 年在荷兰的d e nb d s c h 建 造了第一座l c 反应器，其容积达9 7 0 m 3 ，处理啤酒废水，进水容积负荷率达 2 0 4 k g c o d ( m 3 - d ) ，反应器高2 2 m 。现已建成若干座处理啤酒废水的i c 反应器， 并也建成了若干座处理土豆废水的i c 反应器。其中在荷兰的w e z e p ，建成了2 座容积为1 0 0 m 3 和1 3 0 m 3 的i c 反应器，进水容积负荷达到了3 6 5 k g c o d ( m 3 d ) 。 1 9 9 6 年沈阳华润雪花啤酒有限公司从p a q u e s 公司引进我国第一套i c 反应器用 于处理啤酒废水，反应器高1 6 m ，有效容积7 0 m 3 ，同处理啤酒废水4 0 0 m 3 , 进水 c o d 容积负荷高达2 5 , - - - , 3 0 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率稳定在8 0 。目前，我国 的上海和无锡等城市的一些啤酒厂也建成了i c 反应器。清华大学也在北京建成 了处理淀粉废水的i c 反应器。 综上所述，由于i c 反应器的高效能和大的高径比，可大大节省占地面积和 投资。它特别适合于土地面积不足的工矿企业采用，由此可预见，i c 反应器有 着很大的推广应用价值和潜力。 1 3 5 污泥颗粒化的研究进展 1 3 5 1 厌氧颗粒污泥的微生物组成【4 0 州】 厌氧颗粒污泥本身是一个复杂的微生物群落，包括细菌和古细菌。尽管在 某些情况下也观察到了真菌和原生动物，但是真核生物对厌氧处理的重要性并 没得到证实。目前，根据颗粒污泥中微生物相的研究，可将颗粒污泥中分解复 杂有机物、生成甲烷的微生物分为三类：第l 类：水解发酵菌，对有机物进行最初 的分解，生成有机酸和酒精；第类：产乙酸菌，对有机酸和酒精进一步分解；第 i 类：产甲烷菌，将h 2 、c 0 2 、乙酸以及其它一些简单化合物转化成甲烷。水解 发酵菌、产乙酸菌和产甲烷细菌在颗粒污泥内生长、繁殖，各种细菌互营互生， 菌丝相互交错结合形成复杂的菌群结构，同时也增加了微生物组成鉴定的复杂 性。 每类群的底物和专一性产物把这些类群联系在一起从而形成稳定的厌氧生 态系统。有机物有效地转化为甲烷，需这些细菌的相互代谢偶联，否则，甲烷 的产率就会降低，甚至导致整个厌氧消化过程失败。m c c a r t y 和s m i t h 研究发现， 厌氧反应产生的甲烷气体中，有7 2 是通过乙酸转化的。颗粒污泥中能代谢乙 酸的产甲烷菌目前仅发现两种，即甲烷髦毛菌和甲烷八叠球菌。 1 4 第1 章引言 甲烷髦毛菌只能在乙酸基质中生长，甲烷八叠球菌可以利用的基质较多， 有乙酸、甲醇、甲胺，有时也可利用h 2 和c 0 2 。甲烷八叠球菌以甲醇为基质比 以其它有机物为基质生长速度快。在乙酸基质中，甲烷八叠球菌的比增长速率 高于甲烷髦毛菌，但其对基质的亲和力较低，半饱和常数k s = 3 - - - - 5 m m o l l ，甲 烷髦毛菌的基质亲和力强，半饱和常数k s = 0 5 - 0 7m m o l l 。因此，当乙酸浓 度较低时，甲烷髦毛菌占优势；而乙酸浓度较高时，甲烷八叠球菌占优势。在 绝大多数颗粒污泥中，都能发现甲烷髦毛菌，其在颗粒污泥形成过程中的重要 地位被许多研究者认可：甲烷髦毛菌的菌体提供连接其它细菌的网络结构。观察 到的甲烷髦毛菌有两种形态：一种是多个杆状细胞组成的丝束状：另一种是4 5 个细胞组成的杆状菌。甲烷八叠球菌有较强的成团能力，在中温污泥中较少能 观察到，而在高温污泥和高乙酸基质中常见其踪影。苏玉民在处理啤酒废水时， 就得到了以甲烷八叠球菌为主的颗粒污泥。 氢营养型产甲烷菌是颗粒污泥中另一种重要的产甲烷菌，包括甲烷短杆菌 ( m e t h a n o b r e v i b a c t e rs p ) 、甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i a ms p ) 、甲烷球菌( m t h a n o c c o u s s p ) 、甲烷螺菌( m e t h a n o s p i r i l l u ms p ) 、产甲烷微菌( m e t h a n o m i c r o b i a l s ) 等。他们 都是严格专性厌氧微生物，从h 2 氧化中获得能量，从c 0 2 中获得碳，在新陈代 谢中，它们以c 0 2 为电子受体形成甲烷气体。 。另外，免疫探针技术发现在厌氧颗粒污泥中还存在甲酸甲烷杆菌 ( m e t h a n o b a c t e r i u mf o r m i a c u m ) ，嗜树木甲烷短杆菌( m e t h a n o b r e v i b c t e r a rb o r i p h i l u s ) ，嗜热自养甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i u mt h e r o a u t t o t r o p h i c u m ) 等是中温与高 温颗粒污泥中的主要氢营养型甲烷菌。其他一些伴生菌也经常被观察到，如甲 醇降解菌( p e l o b a c t e rc a r b i n o l i c u s ) 、丙酸降解菌沃丽尼伴生杆菌 ( s y n t r o p h o b a c t e r w o l i n i i ) ，酸降解菌沃尔夫伴生单胞菌( s y n t r o p h o m o n a sw o l f e i ) ， 硫降解菌( d e s u l f o v i b r i os p 和d e s u l f o b u l b u ss p ) 。 1 3 5 2 厌氧颗粒污泥的结构【4 5 4 7 l 颗粒污泥的结构是指各种细菌在颗粒污泥中的分布状况，而一些学者认为 不同的互营细菌是随机地在颗粒污泥中生长，不存在明显的结构层次性。 g r o t e n h u t i s 等人的研究发现，生长在甲醇和糖类废水中的颗粒污泥并不存在 细菌的有序分布，丁酸基质下生长的颗粒污泥中存在两类细菌族，一类是孙氏 甲烷髦毛菌( m e t h a n o s a e t as o e h n g e n i i ) ；另一类由嗜树木甲烷短杆菌和一种丙酸氧 化菌组成。赵一章等人对人工配水、屠宰废水和丙酮丁醇废水形成的颗粒污泥 1 5 第1 章引言 进行了观察发现，虽然各种形态的细菌处于有序的网状排列，但各种微生物区 系多呈随机性分布，未观察到颗粒层次之分。 另一些学者则证实细菌在颗粒污泥中的分布有较清晰的层次性，并提出了 一些结构模型。 h a r a d e 等人发现在糖类废水中培养出的颗粒污泥有比较明显的层次分布， 外层主要是水解菌和产酸菌，内核的优势菌为甲烷髦毛菌。 m a c l e o d 等给出了一个较为典型的颗粒污泥结构模型：甲烷髦毛菌构成颗粒 污泥的内核，并在颗粒化过程中提供良好的网络结构。甲烷髦毛菌所需的乙酸 是由产氢产乙酸菌等产乙酸菌提供，而丙酸丁酸分解物中的高浓度h 2 促进了氢 营养型细菌的生长，产氢产乙酸菌和氢营养型细菌构成颗粒污泥的第二层。颗 粒污泥的最外层由产酸菌和氢营养型细菌构成。m a c l e o d 的结构模型为许多人证 实，如c h u i 等人的试验，q u a r m b y 和f o r s t e r 处理速溶咖啡废水时也得到了多层 结构的颗粒污泥，他们观察到的最多结构层为4 层。 竺建荣等根据对颗粒污泥的观察，也提出了一个类似的结构模型，不同的 是他们发现了颗粒污泥表面细菌分布的“区位化”，即不同细菌以成簇的方式集中 于一定的区域内，相互之间可能发生种间氢转移。 有研究者从细菌细胞与水的接触角度展开研究，证明大多数产甲烷菌和产 乙酸菌表面呈疏水性( 低表面能、接触角大于4 5 0 ) ，大多数产酸菌为亲水性( 高表 面能、接触角大于4 5 0 ) 。 t h a v e e s f i 发现基质表面张力在5 0 - 5 5 m n m 之间时，亲水性细菌和疏水性 细菌都难以形成颗粒污泥：在糖类等表面张力小于5 0 m n m 的基质中，形成的颗 粒污泥外层为亲水性产酸菌，内层为疏水性产甲烷菌；而在蛋白质丰富的基质中， 由于表面张力大于5 5 m n m ，疏水性细菌( 如产甲烷菌) 贯穿于颗粒污泥中并占据 优势地位，低表面张力环境下形成的亲水性表面颗粒污泥稳定性更高一些，而 疏水性表面的颗粒污泥与c h 4 等气体有强烈的粘接作用，易随气泡携带而被冲 洗出反应器；因此，蛋白质丰富的基质中冲洗出的污泥量更大，参与降解的生 物量更小。 、 颗粒化过程本身的复杂性决定了颗粒污泥结构的复杂性，生长基质操作条 件、反应器中的流体流动状况等都会影响颗粒污泥的结构。如q u a r m b y 和f o r s t e r 在处理马铃薯废水时得到了三层结构的颗粒污泥，在小麦淀粉和造纸废水中的 颗粒却呈“蜂窝”结构，没有发现层次结构。研究者所采取的研究方法、观察手段 1 6 第1 章引言 的不同，也是导致观察结果不同的重要原因。 1 3 5 3 厌氧颗粒污泥的形成机理【4 8 _ 5 1 l 厌氧污泥颗粒化实质上是一个厌氧微生物生态系统演化的过程。从生态学 的角度分析，这一过程包括了不同营养类群细菌数量的增加、优势菌群的建立 和不同生理类群细菌问相互关系的确立。这是一个复杂的微生物与微生物、微 生物与环境相互作用、相互影响而最终建立起一个动态平衡的生态学过程。尽 管不少研究者对厌氧污泥颗粒化的机理进行了大量的研究，但并没有一个明确 的答案，只是不同研究者根据不同研究方法从各自不同的角度提出了许多不同 的观点而己。有的研究者认为厌氧颗粒污泥的形成是有机物作用的结果。这些 研究者认为无机物，如c a c 0 3 ，c a 3 ( p 0 4 ) 2 ，f e s ，s i 0 2 等化合物或金属离子在颗粒 污泥的形成过程中起着主要作用。 f o r s t e r 等人认为带正电的钙和硅，吸附于带负电的细胞表面中和了电荷， 使细菌表面电荷减少而成疏水性，从而使细菌凝聚在一起。王宝贞等人发现加 入絮凝剂a h ( s 0 4 ) 2 和z n s 0 4 有利于颗粒污泥的形成；m a h o n e y 等人在研究钙离子 对微生物凝聚作用时，发现增加钙离子形成的颗粒污泥沉降性能较好，并且还 可以加快反应器的起动；g r o t e n h u i s 等人用e g t a 络合颗粒污泥中钙离子，通过 测定络合前后颗粒污泥的强度，认为钙离子对颗粒污泥的稳定性有重要作用。 此外，在u a s b 反应器中用c a ( o h ) 2 代替n a 2 c 0 3 ，也发现这样形成的颗粒污泥 稳定性更好。陈坚等人的研究也发现，在产酸和产甲烷颗粒污泥中，s i 对颗粒 的稳定性和强度等方面的影响程度要强于c a ，且s i 和c a 还可以多种化合物的形 式存在。 l e t t i n g a 对此提出相反看法，认为大量的c a c 0 3 覆盖在颗粒的外表面，除活 性损失外，还会增大颗粒的密度，使反应器底部污泥浓度过高，不利于废水与 污泥接触并引起微生物团的解体。 无机物的作用，目前比较易于接受的观点是，在一定的浓度范围内，某些 化合物或金属离子在稳定颗粒结构和加快颗粒形成等方面确实起一定的作用， 但不能认为是主要的原因。 有研究者认为，颗粒污泥是由微生物自身特性形成的。一些研究者通过透 射和扫描电子显微镜发现颗粒污泥中某些细菌会分泌出胞外多聚物，如产甲烷 八叠球菌、某些杆菌等。进一步研究表明e c p 可在共生细胞间提供各种生物键( 如 多糖一蛋白质特殊连接键、氢键、极性键等) 的形成条件，同时，e c p 以夹膜或 1 7 第1 章引言 胞外粘液形式积累，使菌体可相互粘合或附着于其它物质表面形成颗粒污泥。 因此，研究者认为e c p 在颗粒污泥形成过程中起重要作用，这种观点得到许多 研究者认同。 也有研究者持不同观点，他们的依据是有时厌氧颗粒污泥中e c p 的含量很 少或没有发现，例如d o l f m g 和c h e n j i a n 报道的e c p 含量分别为颗粒污泥干重 的1 2 和3 ；而z o u t b e r g 和a l i b h a i 等人在颗粒污泥的培养中并没有发现 e c p 。 竺建荣，胡责平等研究了u a s b 反应器中胞外多聚物( e c p ) 在污泥颗粒化过 程中的作用，测定结果表明：在颗粒污泥培养过程中，随着颗粒污泥的形成、生 长和成熟，污泥e c p 含量逐渐下降：而当反应器酸化、污泥性能变差或运行不稳 定时，e c p 含量则表现为急剧上升，这说明e c p 在污泥颗粒化过程中所起的作 用并不大，其作用还有待进一步研究。 z u t b e r g 等人认为颗粒污泥的形成是细菌自身凝聚的结果。他们对牛瘤胃细 菌( s i e n o m o n a sr u m i n a t i u m ) 进行纯培养时得到了颗粒污泥，但对其进行电检时并 没有发现e c p 。他们认为在适当条件如较高的水力负荷下，自身未凝聚的细菌 会被自然冲出，而有些菌体则可通过自身凝聚作用形成较大聚集体存留于反应 器内从而形成颗粒污泥。但他们并未指出这种自身凝聚是什么因素的作用，也 未论及其它菌，如产甲烷菌是否也有这种自身凝聚作用。因此这种观点很难被 人接受。 l e t t i n g a 认为颗粒污泥的形成是因为甲烷丝状菌( m e t h a n o t h r i x ) 的作用。甲烷 丝状菌具有极强的附着能力，在重力、水流以及逸出气体造成的扰动力作用下 可相互缠绕形成网络结构，从而将其它杆菌、球菌及一些无机化合物网络起来， 逐渐形成颗粒污泥。甲烷丝状菌在颗粒污泥形成过程中所起的作用得到许多研 究者的证实，但也有研究者在培养的颗粒污泥中并没有发现甲烷丝状菌的存在， 如g r o t e n h u i s 等对甲烷八叠球菌进行纯培养时也得到了颗粒污泥。因此，甲烷丝 状菌形成颗粒污泥的机理也有待进一步研究。 吴维民发现在一定的污泥负荷条件下，颗粒污泥中的产甲烷八叠球菌，会 迅速形成包囊体，包入丝状菌和无机惰性物质等构成密实的颗粒污泥。对于这 一说法，支持者很少，因为大多数研究者并未观察到包裹体的存在，即使其它 个别研究者在试验中发现了包裹体，但由于包裹体构成不清楚，也很难证明其 理论的正确性。 1 8 第1 章引言 有研究者试图从工艺学的角度出发，解释颗粒污泥的形成机理。m a c l e o d 等 人通过电镜观测到颗粒污泥中各菌群呈有规律的分层分布，且颗粒污泥中心区 域产甲烷丝菌为优势菌属，因此提出颗粒污泥分段形成的观点。他们推测，颗 粒污泥内核的形成主要是甲烷丝菌作用。首先甲烷丝菌相互聚集在一起形成内 核，接着产乙酸菌以及氢消耗菌附于其上，最后发酵性细菌生长在其外围形成 颗粒污泥。但这种观点认为内核的形成仅是产甲烷菌作用，局限性很大，因为 在两相u a s b 工艺中，仍然有产酸颗粒污泥形成。 与m a c l e o d 颗粒污泥模型相对应的是二次成核观点，这种观点从宏观角度 提出了颗粒污泥形成的具体周期。其认为在适宜的条件下反应器内先出现部分 颗粒污泥，随着粒径的增大，这些污泥内部的微生物因营养不足而死亡，致使 颗粒污泥强度减弱，在水流剪切力作用下破裂，破裂后的污泥碎片则作为新颗 粒污泥的二次核。g r o t e n h u i s 等分别在不同基质浓度条件下培养出颗粒污泥，发 现基质浓度高的情况下形成的颗粒粒径较大，基质浓度小的条件下形成的颗粒 粒径较小。他们认为不同浓度培养基质中的颗粒污泥，传质推动力不一样，高 基质浓度时会有更多的营养物质进入颗粒中心供给菌体生长，因此形成的颗粒 污泥粒径较大。反之，低基质浓度时，形成的颗粒污泥粒径则较小。他们认为 不同浓度培养基质中的颗粒污泥，传质推动力不一样，高基质浓度时会有更多 的营养物质进入颗粒中心供给菌体生长，因此形成的颗粒污泥粒径较大。反之， 低基质浓度时，形成的颗粒污泥粒径则较小。 b e e f t i n k 采用加砂粒的方法培养出了颗粒污泥，但在做t e m 切片时，却没 在发现颗粒污泥中发现砂粒。因此他认为，砂粒在颗粒污泥形成过程中起核的 作用，并随颗粒污泥的长大脱离出来作为新核的二次核。二次核的观点在描述 颗粒污泥形成方面有了很大的突破，但在一次核形成条件以及不同阶段颗粒污 泥的生长特征等仍不清楚的条件下，二次核的作用也仅是假说，再据此来说明 颗粒污泥的形成过程，其理论依据似乎也显得很不充分。 综上所述，污泥颗粒化实质上是一个物理、化学、微生物相互作用的复杂 过程，还受微生物自身性质、液相中存在物质的特性以及环境条件的影响，因 此在不同条件下培养出的颗粒污泥特性可能相差很大，这直接导致了颗粒污泥 形成机理的争论。而这种争论必然使更多学者参与研究，随颗粒污泥研究的不 断深入，其形成机理必会探明。 1 9 第1 章引言 1 4 乳酸废水的来源及特性 1 4 1l 乳酸的制取工艺流程5 2 删 乳酸( 学名a 罐基丙酸) ，分子式c 3 h 6 0 3 ，是一种浅黄色稠厚液体，具体有 三种类型：l 乳酸( 右旋) ，d 乳酸( 左旋) ，d l 乳酸( 消旋) 。工业上，乳酸的生产 方法有三种，即发酵法、化学合成法和酶法【5 5 _ 5 7 1 。应用于工业生产的是化学合 成法和发酵法。目前，在全球生产的乳酸中，仅有1 0 是由化学合成法生产的， 其余9 0 由发酵法生产。用发酵法生产时，根据所用菌种及发酵条件，可以得 到l 型、d 型等光学异构体和一定比例的混合物，而且该法生产的乳酸食用安 全可靠，我国主要采用该种方法；用化学合成法制取的乳酸则全部为外消旋体， 及d l 型乳酸，由于化学合成法所用的原材料大多具有剧毒，导致生产的乳酸很 难为人们所接受。本课题主要对发酵法生产乳酸过程中所产生的废水的处理工 艺进行研究。发酵法生产i 广乳酸的工艺流程如图1 3 。 图1 3 发酵法制取乳酸工艺 1 4 2l 乳酸精馏废水的特性分析 l 广乳酸精馏废水主要来自精馏工段。废水的主要特点可总结为以下几点： ( 1 ) 废水中有机污染物浓度高，c o d c r 含量大约在6 0 x 1 0 5 m g l 左右；成分 2 0 第1 章引言 复杂，含有大量的酸性物质，主要以乳酸为主；可生化性好，b c 在0 4 以上； ( 2 ) 由于乳酸生产过程都是周期性的，因此不同时期所排放的废水有很大的 变化，譬如废水的p h 值，最低只有2 3 ，废水流量变化大； ( 3 ) 废水黏度大，含水率为9 0 ，需要进行适当稀释处理才能进行生物处理； ( 4 ) 废水的浊度高。 综上所述，l 乳酸精馏废水属于高浓度有机废水，而且其p h 值和含盐量间 歇性变化大，如果不经处理而直接排放，对环境污染将十分严重。高浓度有机 物易造成受纳水体富营养化，低p h 值和含盐量对水体中的水生物产生毒害作用 而破坏水体生态平衡。 近年来，随着乳酸及其衍生物应用领域的不断扩大和消费量的增加，乳酸 的需求量也不断增加，乳酸的生产有了飞速发展。在乳酸的制取过程中，原料 消耗大，只有少部分转化为成品，其余除了合成微生物外大部分留在废水中而 排放，因此研究处理该种废水的合理工艺非常必要。 1 4 3l 乳酸精馏废水处理的研究现状 目前有关l 广乳酸精馏废水的单独生物处理尚无文献报道，现国内处理以焚 烧为主，如江西某生产i 广乳酸的生物化工企业。但有关乳酸废水的生物处理方 法可以借鉴。 1 4 4l 乳酸废水处理的研究现状 发酵工艺生产乳酸所产生的废水，其含有高浓度的可生物降解的有机物， 这些有机物多以碳水化合物及其产物为主。目前，国内外对高浓度有机废水的 处理方法，基本上是以深井曝气或厌氧发酵为主导工艺的，深井曝气法存在施 工较困难、可能污染地下水等问题1 5 8 】：厌氧发酵处理除了采用厌氧接触工艺和厌 氧滤器外，应用最多的还是7 0 年代末开始用于食品发酵工业废水的u a s b 厌氧 反应器工划5 9 j 。 王白杨唧j 等用组合预缺氧脱氮+ b i o f o r 组合工艺处理l 4 l 酸生产废水，出 水结果平均值为c o d = ：5 1 4 m g l 、n h 3 n ：m m g l 、s s ：8 m g l 。 徐金兰1 6 1 j 用s b r 工艺对发酵工艺产生的乳酸废水处理进行试验研究发现： 温度控制在1 6 3 0 时，污泥的活性能够得到充分的发挥；进水c o d 对 出水处理效果影响很大，当进水c o d 处在6 0 0 m g l 以内出水c o d 值维持稳定， 2 1 第1 章引言 其去除率高达9 0 以上；乳酸废水采用s b r 法处理，微生物量控制在3 0 0 0 m g l 左右，c o d 去除率高达9 0 以上，浊度都小于4 ，出水可达到国家二级排放标 准。无机盐对活性污泥性能有一定影响：加入极少量的n a c l ，n a 2 s 0 4 可以改善 活性污泥的沉降性能；突然改变c i ，n a 2 s 0 4 浓度，会使活性污泥量减少，c 1 。， n a 2 s 0 4 浓度越大，活性污泥量减少越多；随着无机盐浓度的增加，c o d 去除 率越来越小，其浓度增加到一定程度，系统便失去降解有机物的能力。 刘琼1 6 2 j 在对河南金丹乳酸有限公司乳酸废水处理工程中利用了i c + c a s s 工 艺，表明本研究中采用的预处理+ i c + c a s s 工艺对乳酸生产废水中的有机物去 除能力稳定，总c o d 去除率可达到9 7 2 ，该工艺用于处理难降解的乳酸废水是 切实可行的，具有一定的推广价值。i c 反应器为第三代高效厌氧反应器，本 试验成功地将其应用于乳酸废水的处理中，取得了较好的处理效果，c o d 去除 率在8 5 以上。( 9 c a s s 为进一步降低c o d 并达到排放标准提供了保证，+ 选择 容积负荷n v = 0 6 k g c o d ( m 3 d ) 作为基本参数，去除效率可高达8 5 ，出水水质 c o d 。，为1 2 2 m 叽b o d 为2 4 m 比s s 为4 0 m e t e ，达到国家二级排放标准。 1 5 课题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题 1 5 1 研究内容 利用i c 水力学模型计算实际工程中i c 反应器的水力学参数。 研究i c