（环境工程专业论文）加压厌氧反应系统的实验室模拟运行研究.pdf

1 1 l l i i l l i i i i l l l i l l l i l l i l l 1 1 1 l l i l l i i 幽 y 19 10 18 0 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o u u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 3 c l e n c ea n nl e c n n o l o g v s t u d y o ns i m u l a t i n go p e r a t i o np r e s s u r e a n a e r 0b l cs v s t e ml nl ad 0 r a t o r v j m a s t e rc a n d i d a t e ：y hs h e n g h o n g ，、t t s u p e r v l s o r ：j l a n gj l n g n o n g m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n d1 e c h n o l o g y s c h o o io fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：二基丛芟丕一日期：五生年上月习一日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：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，并提供目录检索与阅览服 务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：；多彬萨日期：知，年6 月弓日 斛刻催轹孝季易醐一月 苏州科技学院硕f ：学位论文摘要 摘要 厌氧生物技术是目前有机废水处理技术中的重要组成部分，在处理高浓度有 机废水方面，相较于好氧，厌氧通常有容积负荷高、占地面积小等特点。但如何 更加高效的设计利用厌氧处理构筑物，更有效的节省废水处理设施的占地面积， 已是广大废水处理工程师们考虑的问题。因此，我们考虑了增加厌氧反应器的高 度( 深度) ，以节省其占地面积，但在增加高度( 深度) 后，是否会影响厌氧微 生物处理有机物的能力，本文对此进行了实验研究。 本实验通过加压来模拟增加反应器高度后对厌氧处理有机物效果的影响。在 3 7 l ，采用有效容积为9 l 的自制厌氧反应器，多次实验确定反应器密封后， 处理甲醇废水。在温度、p h 值、进水水质等条件相同的情况下，通过安装不同 压力的气动安全阀来控制反应器内压力的大小，并监测进出水的各种相关水质指 标及产气收集量等来研究反应器内压力与废水处理效果的关系，寻求厌氧微生物 在达到最佳处理效果时的压力大小。根据研究的内容可以得出以下结论： 在压力o 8 m p a 以下时，随着压力的逐渐升高，厌氧对c o d 的去除率逐渐增加， 出水v f a 浓度也略有下降，但降低的幅度不大。溶于水中的气体的量也逐渐增加， 出水p h 值也逐渐降低，且随着压力的增加，下降的幅度越来越大，并没有影响 整个反应器的正常运行，同时出水氨氮的升高值也逐渐增加，产生的气体溶于水 中而被出水带出的量越来越大。当压力在1 o m p a 左右时，较压力0 8 m p a 时，c o d 的去除率有所下降，出水v f a 浓度略微升高，出水p h 值进一步下降，出水氨氮 的升高值有所降低，产气收集率也有所降低。 本实验研究表明：在设计制作厌氧反应器时，可根据需要适度增加厌氧反应 器的高度，有利于提高厌氧反应器处理有机物的能力。这为处理高浓度有机废水 提供了更多理论依据和技术选择。 关键词：厌氧降解，压力，厌氧颗粒污泥，加压反应器 a b s t r a c t c u l l r e n t l y 鲫r o b i c b i o t e c l l l l o l o g y i s觚 i m p o n a l l tc o m p o n e m o f o 娼a 1 1 i c w a s t e w a t e r 讹a t m e n tt e c l u l o l o 盱i nr e s p e c to fd e a l i n gw 池h i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i c w a s t e w a t e r a n a e r o b i cu s u a l l yp o s s e s s e st l l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h a t l 瑚h i g l l e rl o a d c a p a c i 够锄dc o v e ras m a l l e ra r e ac o m p a r e dw i m r o b i c b u th o wt 0d e s i 印a n d s u p e r v i s et l l e 、糯t e w a t e r 锄a e r o b i c 仃e 舳e n ts 咖c 眦sm o r ee m c i e n t l y 锄dt os a v et h e a r e ao fw 嬲t e w a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e sm o r ee f i e “v e l y i s 也ea i l x i e 锣o ft i l em a j o r i 锣o f 、淞t e w a t e r 仃e a ：t i t l e n te n g i n e e r s t h e r e f o r e ，w ec o n s i d e ri n c r e 嬲i n gh e i g h t ( d e p t h ) o f a 1 1 i 乏l c i o b l cr e a c t o rt 0s a v et h e 跚e a b u tw h e t h e r i n c r e 嬲i n gh e i g h t ( d 印t 1 1 ) 、i n 世i e c tm e a b l l i t yo f 仃e a t i n go 曙a l l i cm a n e ro f 觚a e r o b i cm i c r o b e ， t h j sp a p e rs t u d i e di t e x p e r i m e n t a l l y t h ee x p 撕m ts i m u l a t e dt h ee 疏c t sa 舭ri n c r e 缎i n gr e a c t o rh e i 咖o f 肌a e r o b i c t r e a t m e n to fo 玛砌cc o m p o u n d sb y p r e s s u r e i t 缸_ e a t e dm e t h 锄o lw 嬲t e w a t e ri nc o n d i t i o n o f3 7 l b yu s i n g 粕鲫a e r o b i cr e t o rm o d e l ( e 腩c t i v ev o l 啪ei s 9 l ) w 1 1 j c hw 嬲 d e s i g n c d 锄dm a l l u f a c t u l e db ym y s e l f 碰盯m u l t i p l et e s t i n gt 0i n s u r et 1 1 er e a c t o rw 嬲 s e a l e d t h er e a c t o rw 硒i nt h es 锄es i t u a t i o n ss u c h 嬲t e m p e r a t l j r e ，p hv a l u e 锄dw a t e r q u a l 时e c t b yi i l s t a l l i n g 恤p n e 啪a t i cv a l v e 诵t l ld i 疏r e n tp r e s s u 陀st 0c o n 们l 恤 p r e s s u r e 沁i d et l l er e a c t o r a n d 啪u g i lt l l ee x p e r i m e n t a lm o l l i t o r i n ge a c hw a t e rq u a l 时 i n d i c a t o ro fi n n u e n t 觚de m u e n t 锄da e r o g e n e s i s ，e c t ，t 0 咖d yt h er e l a t i o i l s l l i pb e m e e n t h ep r e s s u r ei i l s i d et h er e a c t o ra l l dm ee 舵c to f w 嬲t e w a t e r 骶a n n e 吐锄dt 0d i s c o v e rt l l e p r e s s u r e 、h e nt l l e 锄r o b i cm i c r o b e sa c l l i e v e st i l eb e s tp r o c e s s i n ge 妇陀c t a c c o r d i n gt 0t l l e 咖d yo ft h ec o n t e n tw ec 锄d r a wt h ef o l l o 谢n gc o n c l u s i o 璐： b e l o w0 8 m p 如甜o n gw i t l lt 1 1 ep r e s s u r ei n c r e 雒e d 母a d u a 】l y t h ec o d r e m o v a lr a t e i n c r e 鹊e dg r a d u a l l y ；觚dm ev f a d e n s i t yo fe m u e n td e c r e a l s e ds l i 出l y 1 1 1 e 锄。眦o f g 髂d i s s o l v e di nw a t e ri n c r e a s e d 伊a d u a l l y a n dt l l ep hv a l u eo fe m u e n ti sr e d u c e d g r a d u a i i y 、v h i c hr e d u c e dm o r e 锄dm o r eo b v i o u s l ya l o n g 谢t ht 1 1 ep 陀s s u r ei n c r e 觞i n g ； b u ti td i dn o ta 腩c tt l l e n o m 脚o p e r a t i o no ft h er e a c t o r s i m u l t 觚e o u s l ya m m o n i a n i t r o g e ne l e v “n gr a t i o 越s oi n c r e 觞e sg r a d u a l l y 肌dm et h e 锄o u n to fg 嬲d i s s o l v e di n 、v a t e rw h i c hw 嬲b r o u g h to u to fw a t e rw 弱i n c r e 够i n g w h e n m e nt h ep r e s s u r ew 嬲a b o u t 1 o m p a c o m p 黜dw i t l l0 8 m p a t h ec o dr e m o v a j 豫t ed e c r e 鼬e d ，t h ev f ad e n s i t yo f e 用u e n ti n c r e 硒e ds l i g h t l y t h ee 用u e n tp hv a l u em r t h e rd e c r e 嬲e d ，t l l ea m m o n i a i l i t r o g e n i i 苏州科技学院硕 ? 学位论文 a b s t r a c t e l e v a t i n gr a t i od e c r e 弱e d ，锄dt h er a t eo fg a sp r o d u c t i o nd e c r e 嬲e d t l l e o p e r a t i o n r e s u l t si n d i c a t e dt 胁 d u r i n gd e s i g n i n g 锄dl n 锄u 绌t u r i n g锄 觚北r o b i cr e a c t o r ，w em a yi n c r e 硒e 也eh e i g h to fr e a c t o rm o d e s t l y 谢mr e q u i r e d ，、v h i c h c 觚i m p r 0 v et h ec 印a c i t ) r o fp r o c e s s i n go r g a l l i cw 嬲t e w a t e r t k sp r 0 v i d e sm o r e t h e o r e t i c a lb a s i s 孤dt e c l u l o l o g i c 以o p t i o n sf o rp r o c e s s i n gh i g l lc o n c e n t r a t i o no r g a i l i c 、v a s t e w a t e r k e yw o r d s ：锄a e r o b i cd e g r a d “o l l ，p r e s s u r e ，锄r o b i cg 删【1 u 1 盯s l u d g e ，p r e s s u r e 陀a c t o r n l 苏州 ： 投学院硕 ：学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 我国的水环境现状及问题1 1 2 厌氧生物处理技术在废水治理中的地位1 1 2 1 厌氧生物处理技术的历史与基本原理1 1 2 2 厌氧生物处理技术的发展4 1 3 几种厌氧反应器的简介5 1 3 1 第一代反应器5 1 3 2 第二代反应器6 1 3 3 第三代反应器9 1 4 本课题研究的意义及研究内容1 1 1 4 1 研究的意义1 l 1 4 2 研究的内容及解决的关键问题1 2 1 5 技术路线1 2 第二章实验的组织与实施1 4 2 1 实验的组织1 4 2 1 1 实验废水1 4 2 1 2 实验装置1 5 2 1 3 实验设备及仪器1 5 2 1 4 实验分析项目及方法1 5 2 2 实验模型介绍1 6 2 2 1 反应器模型的功能构造1 6 2 2 2 厌氧反应器模型的有关计算1 7 2 2 3 厌氧模型系统运行的影响因素1 8 2 3 2 反应器运行的控制参数2 1 第三章加压对厌氧去除有机物能力的影响2 3 3 1 前言2 3 3 2 实验材料和装置2 3 3 2 1 实验用水及装置2 3 3 2 2 接种污泥2 4 3 3 实验内容：2 4 3 4 常压运行阶段2 5 3 4 1 反应器的启动和运行阶段2 5 3 4 2 反应器运行中的影响因素及分析2 8 3 4 3 小结3 0 3 5 加压条件下的运行3 1 3 5 1o 3 m p a 压力下运行3 1 苏州科技学院硕f ：学位论文 f j 录 3 5 20 5 m p a 压力下运行3 3 3 5 30 8 m p a 压力下运行3 5 3 5 41 o m p a 压力下运行3 7 3 5 5 结果与讨论3 8 第四章结论与建议4 3 4 1 结论4 3 4 2 建议4 4 参考文献4 6 致谢4 8 附录4 9 1 、作者简历4 9 2 、主要发表的论文4 9 3 、相关的实践4 9 2 苏州科技学院硕f j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国的水环境现状及问题 随着近几十年我国经济的飞速发展，工业化、城市化程度越来越高，因此生产、 生活排放的污水量也急剧增加。根据预测，到2 0 5 0 年，我国城市的污水排放量将 高达1 2 0 0 亿m 3 。城市污水排放量的大幅度增加势必将对水体质量环境造成巨大的 威胁。 有机废水是我国水环境污染的主要来源。根据2 0 0 5 年对全国七大水系的1 0 个国控 省界断面的污染调查，其中i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 6 、 4 0 和2 4 ，最主要的污染物就是有机污染物，c o d 排放量为1 4 1 4 2 万吨，大部分来自 化工、冶金、炼焦、轻工等工业排放。 以食品工业为例，据不完全统计，我国2 0 0 8 年啤酒产量突破4 0 0 0 万吨，按每生产 1 t 啤酒平均排放废水量约1 2 m 3 计。每年排放啤酒废水量约4 8 0 0 0 万m 3 ，废水c o d 浓度为2 1 0 3 m g 几4 1 0 3 鹏l 。石油、化工、制药等行业排放出的废水更是十分惊人，如石 油化纤排出许多有机废水成分复杂，且c o d 平均高达1 3 1 0 5 m g l 。 因此，我国目前迫切需要发展简单高效、投资少、运行费用低的污水处理技术 来解决诸多影响水体质量环境的问题。 1 2 厌氧生物处理技术在废水治理中的地位 1 2 1 厌氧生物处理技术的历史与基本原理 厌氧废水处理技术是近年来污水处理领域发展较快的领域，也是实现“一控双 达标 的重要技术，是消解有机污染物、降低运行成本的有效途径。 厌氧消化是一个复杂的生物学过程，在自然界内厌氧发酵过程也广泛存在着。 在厌氧条件下，在有水的地方，有机物很容易发生厌氧消化，厌氧消化的代表性产 物为甲烷和硫化氢。厌氧微生物，即为能在无氧条件下分解有机物的微生物。它们 在地球上的分布十分广泛。其中包括人和动物的肠胃、植物的木质组织、海底、湖 底、塘底和江湾的沉积物，以及各种污泥、沼泽、粪坑和稻田土壤中，都有不同数 量的厌氧微生物存在。 但这种在自然界广泛存在的微生物活动，直至1 8 8 1 年法国报道了罗伊斯莫拉 斯( l o u i sm o u r a s ) 发明的“自然净化器 ，人类才开始了利用厌氧消化处理废水的历 史，至今才一百多年。 苏州科技学院硕l ：学位论文 第一荦绪论 人们所开发的厌氧消化处理工艺，采用人工的办法在一种装置内创造厌氧微生 物所需要的营养条件和环境条件，使设备内积累高浓度的厌氧微生物，以加速厌氧 发酵过程，使人工厌氧发酵的速度大大超过自然界中自发的厌氧发酵。 经过前人的不断探索研究，发现厌氧发酵过程是一个复杂的微生物化学过程， 依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸菌、产氢产乙酸菌和产甲烷茵的联合作用完 成f 2 ，3 1 。因而根据复杂有机物在此过程中的物态及物性的变化，可粗略的将其划分为 四个阶段【4 1 ，污染物厌氧降解过程示意图见图1 1 。 复杂有机物 碳水化合物蛋白质脂类 水解 简单溶解性有机物 发 酵 细 菌 氢气 二氧化碳 发酵 脂肪酸、醇类丙酸、丁 酸乙醇乳酸等 产氢气乙酸 同型产乙酸 产甲烷作用 乙酸 发 酵 细 菌 图l l污染物厌氧降解过程不意图 1 、水解阶段 大分子有机物被细菌降解前，首先被水解成可通过细胞生物膜的小分子物质， 这一过程是在水解酶的作用下完成的，许多微生物都能够分泌水解酶胞外酶，如脂 肪酶、蛋白酶、淀粉酶等，在水解酶的作用下，纤维素被分解为简单的脂肪酸和甘 油，这些都是可被细胞利用的简单基质。其中有多种因素可能影响水解的速度和程 度，一般包括：水解温度，有机质在反应器内的停留时间，有机质的组成( 例如木 素、碳水化合物、蛋白质与脂肪的质量分数) ，有机质颗粒的大小，p h 值，氨的浓 度，水解产物的浓度。 2 、发酵( 或酸化) 阶段 在发酵阶段，细菌将这些简单基质进一步分解成脂肪酸、醇类等，进行产酸发 2 苏州科技学院硕 ：学位论文 第一章绪论 酵，将其转化为以挥发性脂肪酸为主的产物。因此这一过程也称之为酸化。在此生 物降解过程中，有机化合物既是电子受体也是电子供体( 自身氧化还原反应) ，在这 一阶段，上述小分子的化合物在发酵细菌( 即酸化菌) 的细胞内转化为更简单的化合 物并分泌到细胞外。这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸( v f a ) 、醇类、乳酸、二 氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物 质。 3 、产乙酸阶段 发酵酸化阶段的产物在产乙酸阶段被产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 在运转良好的反应器中，氢的分压一般不高于1 0 p a ，平均值约为0 1 p a 。只有在产 乙酸菌产生的氢被利用氢的产甲烷菌有效利用时，系统中氢才能维持很低的分压。 通常在厌氧颗粒污泥中存在着微生态系统，在此系统中，产乙酸菌靠近利用氢的细 菌生长，因此氢可以很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。 除了许多产甲烷菌可以利用氢以外，硫酸盐还原菌和脱氮菌也能消耗氢。此外 少量的产乙酸菌也利用氢，这类产乙酸菌能使用氢作为电子供体将二氧化碳和甲醇 还原为乙酸，此即同型产乙酸过程。 4 、产甲烷阶段 这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新 的细胞物质。产甲烷菌是与其它营养类细菌如产酸菌完全不同的原核生物，它是严 格的厌氧细菌，对氧和氧化剂非常敏感。产甲烷菌的一个重要特点是只能利用少数 有机物生成，目前所知，只有c 0 2 h 2 、甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺等简单物质能被 产甲烷菌利用。产甲烷菌至少由二类特性不同等细菌参与产甲烷，其中一类是通过 氧化分子氢获得能源，还原c 0 2 或乙酸获得碳源，反应式为： ， 、i + 4 2j 倒+ 擅2 0，1 、 j 、7 4 2 + 巴c d 0 日一2 c 甑+ 2 日2 0 ( 2 ) c 马c 胃一2 c 峨+ 2 马0 由于甲烷菌的生长速率比较慢，因而乙酸转化为甲烷的过程即成为厌氧消化的 限制因素，如果这一过程不能顺利进行，挥发性脂肪酸会大幅度积累，导致整个系 统的酸化，最终使厌氧反应停止。 5 、其它生物厌氧降解作用 在处理含硫酸盐或亚硫酸盐废水的厌氧过程中，含硫化合物也会被细菌还原。 硫酸盐或亚硫酸盐会被硫酸盐还原菌( s l 强) 在其氧化有机物的过程中作为电子受体 而加以利用。s i m 将硫酸盐或亚硫酸盐还原为硫化氢，这一过程会使甲烷产量减少， 因为s r b 的生长需要与产乙酸菌和产甲烷菌同样的底物。在硫酸盐存在时，硫酸 苏州科技学院硕 j 学位论文第一币绪论 盐还原菌( s r b ) 将与产酸菌( a b ) 和产甲烷菌( m b ) 相互影响，相互竞争，这表现在以 下几点： 1 ) s l 遇和m b 之间对氢和乙酸的竞争。这一竞争的结果将决定厌氧过程的终 产物是甲烷或是硫化物。 2 ) s l 强和a b 之间对底物丙酸和丁酸的竞争。 3 ) 不同类型的s l m 之间对硫酸盐利用的竞争，这在硫酸盐浓度较低时尤为重 要。 研究已证实s i 氇即使在很低的硫酸盐浓度下也能保持很高的代谢活性，像乳 酸、乙醇、丙酸、丁酸都很容易为s r b 作为底物利用。这意味着即使在低浓度下 厌氧污泥中也会有大量s r b 存在，因此当硫酸盐浓度增加，硫酸盐还原过程会立 即加快。这一过程的发生，产生大量硫化氢，致使m b 活性减弱，直至死亡。这就 是含高硫废水( 例如味精、糖蜜酵母等废水) 难以用厌氧方法处理的原因。 当处理水中含有硝酸盐或亚硝酸盐时，会发生脱氮过程。脱氮是由脱氮微生物 来进行的，它们能利用硝酸盐来氧化有机物。脱氮过程中，硝酸盐作为电子受体， 经由亚硝酸盐转化为氮气或氮的氧化物。 1 2 2 厌氧生物处理技术的发展 废水厌氧生物处理技术是环境工程与能源工程中的一项重要技术，是有机废水 低耗、高效的处理方法之一。 早期的厌氧消化工艺可以称为第一代厌氧消化工艺，以厌氧消化池为代表，属 于低负荷系纠5 6 】。其主要应用于废水和粪便处理，具有代表性的构筑物包括：1 8 8 1 年法国c o s m o s 杂志上登载介绍m o u r 嬲创造的处理污水污泥的自动净化器 ( a u t o m a t i cs c 勰e n g e r ) ；18 9 5 年d o r l a l d 设计了世界上第一个厌氧化粪池( s e p t i c 删【) 和1 9 0 3 年t r a v i s 发明的t r a v i s 池以及1 9 0 6 年德国人i n l l l o f f 对t r a v i s 池作了改进 设计的i 柚。厅池。它们的共同点是停留时间长，出水水质较差。尽管如此，由于结 构简单，曾在美、德等国得到了较大的推广，有些工艺沿用至今，且在排水工程领 域仍占据重要的地位。 随着活性污泥法、生物滤池等好氧工艺的开发和应用，厌氧生物处理逐步被取 代而仅应用于污泥的稳定化，应用的构筑物为消化池。2 0 世纪5 0 年代之前，普 通消化池是唯一的实用装置，这是厌氧生物处理发展史中第二时期的主要特征。 2 0 世纪7 0 年代以后，世界能源短缺日益严重，而厌氧处理技术在废水处理方 面的运行费用低、有可资利用的能源产生及在处理高浓度废水方面的一系列优越 性，使其受到广泛重视，研究与实践不断深入。高效厌氧处理系统必须满足的原则 4 苏州科技学院硕 ? 学位论文第一章绪论 是：能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄；保持废水和污泥之间的 充分接触。依照第一条原则，在2 0 世纪7 0 年代末期人们成功的开发了各种新型的 厌氧工艺，例如，厌氧滤池( a f ) 、升流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 、厌氧附着膜膨 胀床( a a f e b ) 和厌氧流化床( a f b r ) 等。这些厌氧反应器的一个共同特点是厌氧污 泥的停留时间很长，反应器内能维持足够多的生物量，同时反应器的容积负荷率很 高，水力停留时间较短，从而使反应器具有很高的效能。这一系列的厌氧反应器被 称为第二代厌氧反应器【7 1 。其中的典型代表即为升流式厌氧污泥床反应器。 进入8 0 年代，为了解决u a s b 在运行中出现的短流、死角和堵塞等一些问题， 进一步增强厌氧微生物与废水的混合与接触，提高负荷及处理效率，扩大适用范围， 人们在其基础上继续研究和开发了一系列新的反应器，这一时期的典型工艺有厌氧 颗粒污泥膨胀床( e x p a n d e dg r 锄u l a rs l u d g eb e d ，简称e g s b ) 引，厌氧折板式反应器 ( e r o b i cb a 儡e dr e a c t o r ，简称a b r ) 【9 1 ，此后，人们又在此基础上进一步开发了 负荷更高，流速更快的第三代厌氧反应器，如内循环式厌氧反应器( i n t e m a l c i r c u l a t i o n ，简称i c ) 【l o l 。而从9 0 年代之后，工艺水平又进行了一定的修补，并有 了一定的进展，利用厌氧微生物的特点，采取相分离技术，开发两相厌氧反应器， 根据不同厌氧微生物的不同特点，在各自的反应器中发挥作用，从而提高转化高效， 比如说出现了上流式分段污泥床s s b ) i l l 】，厌氧迁移式污泥床反应器( w b r ) 引， 厌氧序批式反应器( a s b r ) i j 等。 1 3 几种厌氧反应器的简介 1 3 1 第一代反应器 以从1 9 世纪末开始研究运用的厌氧发酵罐、厌氧接触氧化池为代表。期间， 人们不断从厌氧化粪池发展起来的传统反应器进行改进，如在反应器项部加盖，增 加搅拌设备，加热，回流等，但种种改进都没有设置具有气固一液三相分离功能的 三相分离器。 埘_ 图1 2 不带搅拌的厌氧消化罐的构造 图1 3 带搅拌的厌氧消化罐的构造 苏州科技学院硕f j 学位论文第一章绪论 1 3 2 第二代反应器 一、u a s b 反应器 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 是荷兰学者l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初 开发的。由于这种反应器结构简单，不用填料，没有悬浮物堵塞等问题，因此一出 现便立即引起了广大废水处理工作者的极大兴趣，并很快被广泛应用于工业废水和 生活污水的处理中。到1 9 9 9 年，国外生产性规模的u a s b 反应器总数巳近8 0 0 多 座，我国也有1 2 0 座以上的u a s b 反应器投入了运行1 1 4 j 。 图1 4u a s b 反应器的构造原理 如图1 4 所示，废水由反应器的底部进入，以一定的流速自下而上流动，在厌 氧过程中所产生的大量沼气的搅拌下，废水与污泥充分混合，有机质被吸附分解， 所产沼气经由反应器上部三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥的废水进入三相 分离器的沉降区，由于沼气已从废水中分离，沉淀区不再受沼气搅拌作用的影响。 废水在平稳上升过程中，其中沉淀性能良好的污泥经回流缝返回反应器主体部分， 从而使反应器内能维持很高的生物量，含有少量较轻污泥的废水从反应器上方排 出。u a s b 反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，反应器的固体停留时间 ( s r t ) 可以很大，而水力停留时间( h r t ) 可以很小，这使反应器有较大的上流 速度、很高的容积负荷率以及很强的运行稳定性。u a s b 反应器运行的3 个重要的 前提是：反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥；产气和进水的均匀分布 形成良好的自然搅拌作用；设计合理的三相分离器，截留沉淀性能良好的污泥于反 应器内。 u a s b 反应器由以下各部分组成： l 、进水分配系统 配水系统的功能是把废水均匀地分配到整个u a s b 反应器，使有机物能在反应 区内均匀分布，从而有利于废水与微生物充分接触，使反应器内的微生物能够获得 充足的营养，这是提高反应器容积利用率的关键，同时，进水分配系统还具有搅拌 6 苏州科技学院硕十学位论文 第一币绪论 功能。 2 、反应区 反应区包括污泥床和污泥悬浮层区是u a s b 反应器的核心，是培养和富集厌氧 微生物的区域。废水与厌氧污泥在这里充分接触，发生生化反应，有机物主要经厌 氧污泥床中的厌氧微生物分解后得以去除。在稳态运行时，整个反应区可视为完全 混合状态。 3 、气固液分离器( g l s ) 气固液分离器，即三相分离器，其分离效果的好坏将直接影响反应器的处理 效果。g l s 由沉淀区、集气罩和气封组成，主要功能是把气体( 沼气) 、固体( 微生物) 和液体分离。气体被分离后进入集气罩，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉 的固体藉重力由回流缝返回反应区。 4 、出水系统 出水系统的作用是把沉淀区液面的澄清水均匀地收集起来，排出反应器外。出 水是否均匀对处理效果有很大影响。 5 、排泥系统 排泥系统的功能是定期均匀地排除反应区的剩余厌氧污泥。 二、a b r 反应器 厌氧折流板反应器( a b r ) 是由美国的m c c a 啊教授于1 9 8 2 年研制开发的新型 厌氧生物处理装置，属于新型厌氧反应器，可以处理各种有机废水。它具有很高处 理稳定性和容积利用率，不会发生堵塞和污泥床膨胀而引起的污泥( 微生物) 流失， 可省去气固液三相分离器。该反应器能保持很高的生物量，同时能承受很向的有机 负荷。 a b r 内由若干组垂直折流板把长条形整个反应器分隔成若干个组串连的反应 室。迫使废水水流以上下折流的形式通过反应器内各室积累着较多厌氧污泥。当废 水通过a b r 时，要自下而上流动与大量的活性生物量发生多次接触，大大提高了 反应器的容积利用率。就一个反应室而言，因沼气的搅拌作用，水流流态基本上是 完全混合的，但各个反应室之间是串联的具有塞流流态。整个a b r 是由苦干个完 全混合反应器串联在一起的反应器，所以理论上比单一的完全混合状态的反应器处 理效能高。 7 苏卅i 科技学院硕 ? 学位论文第一帝绪论 进l 一气体 水收触 图卜5 旭r 反应器结构图 a b r 中的每个反应室都有一个厌氧污泥层，其功能与u a s b 反应区是相似的， 所不同的是上部没有专设的三相分离器。沼气上升至液面进入反应器上部的集气室， 并一起由导管排出反应器外。a b r 的升流条件使厌氧污泥可形成颗粒污泥。 由于有机物厌氧生化反应过程存在产酸和产甲烷两个阶段，所以在a b r 的第 一室往往是厌氧过程的产酸阶段，p h 易于下降。采用出水回流，可缓解p h 的下降 程度，回流的结果使得塞流系统作用将向一个完全混合系统过度。 综上所述，a b r 反应器具有以下优点： 1 、上下多次折流，使废水中有机物与厌氧微生物充分接触，有利于有机物的 分解。 2 、不需要设三相分离器，不设搅拌设备。 3 、由于进水污泥负荷逐段降低，沼气搅动也逐段减小，不会发生因厌氧污泥 床膨胀而大量流失污泥的现象。 同时，a b r 反应器也有一些不足之处： l 、废水在a b r 反应器总的内呈水平流动，其各隔室一般呈水平排列，第一个 室的负荷最大，调试运行初期若产沼气，易将把厌氧污泥带入第二隔室，则第一隔 室的污泥会越来越少，直到无法承受负荷而酸败，酸败的反应室没有多少去除率， 也不产气。第一隔室酸败后，同样的现象就会发生在第二隔室。且若进水中s s 较 多时，易堵塞第一隔室。若考虑向前隔室回流后隔室的污泥，来消除前述问题的化， 则就变成了典型的厌氧接触法了。 2 、a b r 占地面积较大，其上部空间大，不易收集沼气。a b r 虽不需要三项分 离器，但是水面面积大，沼气通过水面向外释放，在目前的实际安装加工中很难做 到1 0 0 的密封气密性，故运行中容易发生爆炸。 垂直式厌氧折流板反应器( w 出r ) 综合了a b r 和u a s b 的优点。它底部进水， 上部出水、出气，垂直的构造利于减少占地。擂r 分为下部反应区和顶部三相分离 区。通过在反应区中设置隔板，人为延长水的流程，延长了废水与厌氧菌的接触时间， 8 苏州科技学院硕l ? 学位论文第一章绪论 强化传质效果，增强了筛选污泥的能力，并较好地减少了厌氧反应器不良跑泥的缺点； 反应区隔室呈串联，底部隔室污泥多，上部隔室污泥较少，这与反应器内有机负荷的 变化相适应；泥水气由提升管提升至顶部三相分离区，省略了u a s b 中构造复杂三 相分离器，并克服了a b r 易漏气的缺点。 1 3 3 第三代反应器 早在2 0 世纪8 0 年代中期，第三代厌氧反应器i n t e m a lc 眈u l a t i o n ( 简称i c ) 反 应器成功问世，并于1 9 8 6 年应用于实际生产中。但由于该技术被严格保密，直到 1 9 9 4 年，才在杂志上看到有关i c 反应器的研究报道。 气分 血袁 膏位区 饭膏嗷区 图1 - 6i c 反应器结构图 i c 反应器从结构上看是由两个u a s b 反应器的上下重叠串联而成，底部为进 水区和回流出水区，下部的第一反应室为高负荷区，上部的第二反应室为低负荷区。 每个厌氧反应室的顶部各设一个气、固、液三相分离器和沼气收集器。两反应室之 间设有沼气提升管，在第二反应室上部设有三相分离系统，反应器的顶部有三相分 离包。两反应室和三相分离包用沼气提升管和回流管相连。在第一反应室的沼气收 集器设沼气提升管直通i c 反应器顶的气、液分离包。分离包的底部设一回流管直 通至i c 反应器的底。 1 、i c 反应器的工作原理 混合区：废水从反应器底部进水，与颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物 有效地在此区混合。 第一反应室：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部 分有机物被降解转化为沼气。混合液上升流速和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥 9 苏州科技学院硕 学位论文第辛绪论 呈完全膨胀或流化状态，加强了泥水表面接触，强化了泥水传质效果，污泥由此而 保持着高的活性。随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气 液分离包。 内循环系统：被沼气提升的混合物中的沼气，在气液分离区内与泥水分离并导 出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污 泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。 第二反应室：经第一反应室厌氧处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余 的都通过三相分离器进入第二反应室。该区污泥浓度较低，而且废水中大部分有机 物已在第一反应室被降解，因此沼气产生量较少，沼气通过沼气管导入气液分离区， 对第二反应室的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。 沉淀区：第二反应室的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排 走，沉淀的颗粒污泥返回第二反应室污泥床。 从i c 反应器的工作原理中可见，反应器通过二层三相分离器来实现污泥停留 时间大于水力停留时间，使整个反应器获得高浓度的厌氧污泥，并通过大量沼气和 内循环泥水混合物的剧烈扰动，使泥水充分接触，获得良好的传质效果。 因此i c 反应器从结构上是由两个上下重叠的u a s b 反应器串联组成，用下面 第一个u a s b 反应器产生的沼气作为动力，实现了下部混合液的内循环，使废水 获得强化的预处理) 上面的第二个u a s b 反应器对废水继续进行后处理，使出水可 达到预期的处理效果。 2 、i c 的特点 高负荷与污泥流失相分离：i c 反应器通过上下两个动力学过程不同的反应室的 设置，实现了“高负荷与污泥流失相分离”，既保持反应器内的高生物量，又强化 了传质过程，故有机负荷很高。 污泥自动回流：采用污泥自动回流，进一步加大生物量，延长污泥龄。在高的 c o d 容积负荷的条件下，依据气体提升原理，利用沼气膨胀做工在无需外加能源的 条件下实现了内循环污泥回流。 引入分级处理，并赋予其新的功能：一级( 底部) 分离沼气和水，二级分离器( 顶 部) 分离颗粒污泥和水。由于大部分沼气已在一级分离器中得到分离，第二厌氧反应 室中几乎不存在紊动，因此二级分离器可以不受高的气体流速影响，能有效分离出 水中颗粒污泥。进水和循环回流的泥水在第一厌氧反应混合，使进水得到稀释和调 节，并在此形成致密的厌氧污泥膨胀床。i c 反应器通过膨胀床去除大部分进水中的 c o d ，通过精处理区降解剩余c o d 及一些难降解物质，提高出水水质。更重要的 是，由于污泥内循环，精处理区的水流上升速度( 2 n 曲1 0 m ) 远低于膨胀床区的上 升流速( 1 0 价2 0 m ) ，而且该区只产生少量的沼气，创造了污泥颗粒沉降的良好环 1 0 苏州科技学院硕 ：学位论文 第一帚绪论 境，解决了在高c o d 容积负荷条件下污泥被冲出系统的问题。此外，精处理区为 膨胀污泥床区由于高的进水负荷导致的过度膨胀提供缓冲空间，保证运行稳定。 高径比大，占地少，具有很大的高径比，多采用高径比4 8 的瘦高型塔式外形， 所以占地面积很少，反应器的高度多高达1 6 2 8 m ，尤其适用于用地紧张的企业。 1 4 本课题研究的意义及研究内容 1 4 1 研究的意义 国内外对厌氧反应器进行多方面的应用和研究，但对于气体压力对厌氧处理效 果的影响这方面的报道却很少，而增加一定压力后，厌氧处理效果到底会发生怎样 的变化呢? 通过资料收集，发现目前国内外对本课题研究的直接报道较少，如王宝 瑞【1 5