（环境工程专业论文）uasf生物接触氧化法处理生活污水的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g s t u d y o nt h et r e a t m e n to fu a s fa n d b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s sf o r d o m e s t i cs e w a g e b ym az h e n g z h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx ux i n y a n g a s s i s t a n tp r o f e s s o rl ih a i b o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 l ， 气l ri，7 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：马抒许 日 期：占，、i 乒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 1 1 ，if，l，-。0 ，j囊 东北大学硕士学位论文 摘要 u a s f - 生物接触氧化法处理生活污水的研究 摘要 随着小区开发规模的不断扩大，小区绿化面积的增加，小区中水回用量日益增 加，小区生活污水分散处理回用已成为一种发展趋势。小区生活污水处理工艺除要 求处理效率高、设备紧凑、污泥排放量少外，还需要特别注意避免由于小区污水处 理设施的建设和运行而产生的二次污染问题。本文以沈阳大学生活小区污水为处理 对象，提出了厌氧好氧处理工艺，并经过系列条件试验，确定了最佳工艺条件。 试验采用厌氧污泥为接种污泥以缩短u a s f 反应器启动时间，通过对u a s f 反应 器中p h 、温度、混合液回流等参数进行条件试验，确定最优启动条件为：水解酸化 段无需调节p h ；甲烷化段受p h 的影响较大，利用n a 2 c 0 3 和n a h c 0 3 的混合碱液调节 进水p h 值在6 8 7 2 之间；启动期内温度对甲烷化段影响显著，甲烷化段反应的最佳 温度为恒温3 0 ；在甲烷化段设置混合液回流的最佳回流方式为间隔2 h ，回流l o s 。 采取上述优化措施后，u a s f 的启动时间可缩短至u 3 0 d 以内，仅为常规厌氧工艺启动 时间( 3 - 6 个月) 的1 3 1 6 。在优化启动参数的同时，稳定运行后的水力停留时间可 由1 2 h 缩短为4 h ，大大提高了反应器稳定运行时的处理效率。稳定运行后，经过u a s f 处理的污水c o d 去除率可达8 0 左右，c o d 出水浓度低于l o o m g l 。 后续好氧工艺经过启动期后，稳定运行的曝气时间由2 h 缩短为0 5 h ，节约能源， 。c o d 去除率可达8 0 以上，出水浓度低于3 0 m g l ，氮的去除率达n 8 0 ，出水浓度 2 0 m g l 左右，磷的去除率达到9 0 ，出水浓度为1 0 m g l 左右，s s 去除率保持在 8 0 9 0 之间，出水浓度为10 m g l 。 采用u a s f - 生物接触氧化法处理生活污水，出水c o d 总去除率可达9 6 以上，c o d 出水浓度低于3 0 m g l ，氮的总去除率达至u 6 0 以上，出水浓度2 0 m g l 左右，磷的总 去除率达到8 0 以上，出水浓度为1 0 m g l 左右，s s 去除率保持在8 0 9 0 之间，出 水浓度为l o m g l ，均达到生活杂用水水质标准( g b t 1 8 9 2 0 2 0 0 2 ) 洁厕、绿化用 水标准。 ，。关键词：生活污水；u a s f ；启动条件；稳定运行；后续好氧；推荐工艺 i i 、 鼙 - l、 l ；- 上。 ， s t u d yo nt h e t r e a t m e n to fu a s fa n d b i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s sf o r d o m e s t i cs e w a g e a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u bz o n ea n di n c r e a s i n gg r e e n i n ga r e a ，d e c e n t r a l i z e d t r e a t m e n ta n dr e u s ef o rd o m e s t i cs e w a g eb e c o m ea t e n d e n c y b e s i d e sh i g he f f e c i e n c yo f t r e a t m e n ta n ds m a l lv o l u m ee q u i p m e n t ，i tn e e d sa v o i d i n gs e c o n d c o n t a m i n a t e dp r o b l e m f o rc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no ft r e a t m e n tf a c i l i t i e s d o m e s t i cs e w a g eo fs h e n y a n g u n i v e r s i t yi su s e di nt h ee s s a y ，a n da n a e r o b i c a e r o b i ct r e a t m e n ti sa d v a n c e d t h r o u g h t h es e r i e so fc o n d i t i o ne x p e r i m e n t s ，t h eb e s tt r e a t m e n tc o n d i t i o n sa r ed e f i n i t e d i nu a s fr e a c t o rp h 、t e m p e r a t u r e 、m i x e dl i q u o rr e f l u xa r ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s c o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a td u r i n gt h eh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o ns t a g eo ft h es t a r t u pp e r i o d ， p hd o e sn o tn e e dt ob ea d j u s t e d t h em e t h a n o g e n s i ss t a g ei sh e a v i l yi n f l u e n c e db yt h e p hl e v e l w h e nt h em i x t u r eo fn a 2 c 0 3a n dn a h c 0 3 i su s e dt oa a j u s tp ht ob e t w e e n6 8 a n d7 2 d u r i n gt h es t a r t - u pp e r i o d ，t e m p e r a t u r eh a sas l i g h ti n f l u e n c eo nt h eh y d r o l y t i c a c i d i f i c a t i o ns t a g e ，b u tas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h em e t h a n o g e n s i ss t a g e t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r eo ft h em e t h a n o g e n s i ss t a g ei s 3 0 c w h e nm i x e dl i q u o rr e f l u xi sn o t a r r a n g e di n ，t h eh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o ns t a g ea n da r r a n g e di nt h em e t h a n o g e n s i ss t a g e ， t h eo p t i m a lr e f l u xm e t h o di n c l u d e s 2 - hi n t e r v a l10 - sr e f l u xp e r i o d i ft h ea b o v em e n t i o n e d o p t i m i z a t i o nm e a s u r e sa r ea p p l i e d ，t h es t a r t u pt i m eo ft h ec o m b i n e da n a e r o b i cr e a c t o r c a nb es h o r t e n e dt ol e s st h a n3 0d a y s ，w h i c hi sa p p r o x i m a t e l yt h eo n et h i r dt oo n e s i x t h o ft h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ( 3t o6m o n t h s ) t h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o m b i n e d a n a e r o b i cr e a c t o ri sr e m a r k a b l yi m p r o v e d t h r o u g ht h et r e a t m e n to fu a s fr e a c t o r ，t h e r e m o v a lr a t eo fc o dc a nr e a c hm o r et h a n80 ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc o dc a n b e c o m el e s st h a n1o o m g l w h e ne f f l u e n to fa n a e r o b i ct r e a t m e n ts e w a g ei st r e a t e db ya e r o b i ct r e a t m e n t ，t h e c o n c e n t r a t i o no fc o dc a nb e c o m el e s st h 【a n30 m g l ，a n dt h er e m o v a lr a t eo fn i t r o g e n c a nr e a c hm o r et h a n6 0 ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e nc a nb e c o m ea b o u t2 0 m g l 1 1 1 丁 k 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t t h er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o r u sc a l lr e a c hm o r et h a n9 0 ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f p h o s p h o r u sc a nb e c o m ea b o u t1 o m g l t h er e m o v a lr a t eo f s sc a nr e a c hb e t w e e n8 0 a n d9 0 s t a b ly ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fs sc a nb e c o m e10 m g l u a s fa n db i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s sa r eu s e dt ot r e a td o m e s t i cs e w a g e t h et o t a lr e m o v a lr a t eo fe f f l u e n tc o dc a nr e a c ha b o v e9 6 ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f e f f l u e n tc o dc a l lb e c o m el e s st h a n3 0 m g l t h et o t a lr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e nc a l lr e a c h m o r et h a n6 0 ，t h ec o n c e n t r a t i o nc a nb e c o m ea b o u t2 0 m g l t h et o t a lr e m o v a lr a t eo f p h o s p h o r u sc a nr e a c hm o r e t h a n8 0 ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o nc a nb e c o m ea b o u t1 0 m g l t h et o t a lr e m o v a lr a t eo fs sc a nr e a c hb e t w e e n8 0 a n d9 0 s t a b l y ，a n dt h e c o n c e n t r a t i o nc a nb e c o m e10 m g l i tc a nm e e tt o ( g b t18 9 2 0 - 2 0 0 2 ) g r e e n i n gw a t e r s t a r d a r d k e yw o r d s ：d o m e s t i cs e w a g e ；u a s f ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g ef i l t e r ) ；s t a r t u p c o n d i t i o n s ；s t a b l eo p e r a t i o n ；f o l l o w i n ga e r o b i ct r e a t m e n t ；r e c o m m e n dp r o c e s s i v lllf-3 1 0 。 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 我国污水处理现状1 1 2 污水处理技术现状2 1 3 厌氧处理的四阶段理论4 1 4 两段厌氧处理工艺4 1 4 1 两段厌氧处理工作原理4 1 4 2 两段厌氧处理的特点5 1 4 3 相分离的实现方法5 1 4 4 产酸相对产甲烷相的影响6 1 5 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 6 1 5 1u a s b 反应器的优势6 1 5 2u a s b 反应器的影响因素7 1 5 3u a s b 反应器存在的问题7 1 6 后续好氧处理工艺：8 1 7 选题背景、意义及研究内容9 1 7 1 选题背景9 1 7 2 选题意义9 1 7 3 课题的研究内容1 0 第二章试验材料与方法1 1 2 1 试验平台设计1 1 2 1 1 设计思路1 1 2 1 2 试验装置1 1 2 1 3 进水方式1 2 2 2 工艺流程1 3 v ，t _ i 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 试验用水、接种污泥1 3 2 3 1 试验用水1 3 2 3 2 厌氧接种污泥1 4 2 4 试验仪器1 4 2 5 检测方法15 2 5 1t p 的检测方法1 5 2 5 2 氨氮的检测方法1 7 2 5 3t n 的检测方法18 2 5 4 其他水质指标检测方法1 9 第三章u a s f + 生物接触氧化处理生活污水2 1 3 1u a s f 处理工艺2 1 3 1 1u a s f 的快速启动条件研究2 1 3 1 2u a s f 稳定运行时c o d 的去除效果2 6 3 1 3u a s f 稳定运行对n 、p 的去除效果2 9 3 2 生物接触氧化处理工艺3 0 3 2 1 生物膜的培养3 0 3 2 2 生物接触氧化法对c o d 的去除3 0 3 2 3 生物接触氧化法对s s 的去除3 2 3 2 4 生物接触氧化法对n 、p 的去除3 2 3 3u a s f + 生物接触氧化处理工艺3 4 3 3 1 最优条件3 4 3 - 3 2 推荐工艺方案及工艺说明3 5 第四章u a s f 反应器机理分析3 7 4 1 厌氧处理污水的机理探讨3 7 4 1 1 吸附水解3 7 4 1 2 絮凝沉淀3 7 4 1 3 生物降解3 8 4 1 4 上流式厌氧污泥床反应器的动力学模型3 9 4 2 厌氧颗粒污泥特性及其形成机理4 0 4 2 1 物理特性4 0 4 2 2 厌氧颗粒污泥的微生物相4 0 4 2 3 颗粒化过程4 1 f 119 ， 东北大学硕士学位垒查 望查一 4 2 4u a s f 反应器中的厌氧污泥4 1 第五章结论与建议4 3 5 1 结论4 3 5 2 存在问题及建议4 3 参考文献4 5 致谢5 1 v i i t 一=，ij _ 0 - ， 19 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三有了匕 1 1 我国污水处理现状 我国水资源总储量平均约为2 8 0 0 0 亿m 3 ，但由于人口众多，因而人均水资源拥有 量仅为2 3 4 0 m 3 ，为世界平均值的1 4 。而且水资源时空分布也不均，南多北少，东多 西少；夏季暴雨集中，水资源量很大，但无法使用，而其他季节雨水很少，造成干 旱。另一方面，我国水环境污染状况又相当严重。国家环保总局统计显示：自1 9 8 5 年以来，我国废水年排放总量一直维持在3 5 0 4 0 0 亿吨左右，1 9 9 7 年废水排放量达到 最高值4 1 6 亿吨，其中工业废水排放量2 2 7 亿吨，市政污水排放量1 8 9 亿吨。废水中化 学需氧量( c o d ) 排放量达1 7 5 7 万吨，其中工业废水c o d 排放量1 0 7 3 万吨，市政污水 c o d 排放量6 8 4 万吨。2 0 0 3 年全国废水排放总量达4 1 0 亿吨，其中工业废水占4 1 2 ， 生活污水5 3 8 ，全国七大江河水系的4 0 7 个监测断面中，仅有3 8 1 符合五类以上 水质标准，全国7 5 的湖泊出现了不同程度的富营养化。地下水水质有恶化趋势， 我国部分城市饮用水安全受到威胁，在4 6 个重点城市中，仅有2 8 3 的城市饮用水源 的水质良好，4 5 5 的城市水质较差，农村饮用水卫生合格率仅为6 2 1 。城市污水 处理厂建设作为城市环境污染防治的重要措施和手段之一，越来越受到政府和社会 各界的高度重视，在全国不同地区建设了一批城市污水处理厂。1 9 9 6 1 9 9 9 年竣工投 入运行的城市污水处理项目有2 2 个，投资5 9 5 8 亿元，日处理规模3 7 1 7 万m 3 ，在建 项目1 0 9 个，计划投资1 6 1 8 3 亿元。进入2 1 世纪后，随着城市发展和环境污染的加剧， 我国城镇污水处理厂的建设开始加速发展。2 0 0 3 年全国污水处理率为4 2 3 9 ，其中 约有2 7 4 的城市污水得到污水处理厂的集中处理。2 0 0 5 年底，中国城市污水处理率 已达5 2 ，比2 0 0 0 年提高1 8 个百分点，其中1 3 5 个城市的污水处理率已达到或接近 7 0 。然而，中国水污染防治的形势依然严峻，城市污水和垃圾处理滞后的局面没 有根本扭转。n 2 0 0 5 年底，中国6 6 1 个设市城市中目前共建成污水处理厂7 9 1 座，全 国还有2 7 8 个城市没有建成污水处理厂；有3 0 多个城市约5 0 多座污水处理厂运行负荷 率不足3 0 ，或者根本没有运行；污水处理厂污泥和垃圾普遍存在二次污染隐患； 污水再生利用水平有待提高；一些企业超标排污，严重影响污水处理厂安全运行。 为了有效控制水污染和实现污水资源化，我国政府加大了城市污水处理基础设 施建设的投资力度，并对城市污水处理率提出了明确的要求：2 0 0 7 年底，城市污水 处理工程个数将增加到7 3 个，总的处理规模为5 0 0 万m 3 d ，城市污水处理率为5 8 ； 至u 2 0 1 0 年，全国设市城市和县城所在的建制镇均应规划建设污水集中处理设施，所 ，r -q 东北大学硕士学位论文第一章绪论 有设市的城市，污水处理率不低于6 0 。直辖市、省会城市、计划单列市和风景旅 游城市，污水处理率不低于7 0 。 1 2 污水处理技术现状 污水处理可以分为集中式污水处理和分散式污水处理。集中式污水处理系统一 直是市政工程中的标准处理系统，也是绝大多数城市的选择，是建立集中式管网收 集体系和大型污水处理厂，在此基础上再进行深度处理，然后回用于城市生活的各 个方面，包括市政、绿化、消防、景观等。目前，集中式污水处理已从局部的、特 殊的污水处理，发展为系统化、规模化的污水处理模式。它把各种城市生活污水， 经预处理的工业废水和城市融雪、降水等混合废水通过城市排水管网收集，集中输 往污水厂，采用适宜的措施进行处理，达标后再排入自然水系。这种处理方式主要 的特征是：统一收集、统一输送、统一处理；需要铺设大量的市政管网，线路较长， 费用较高，用水高峰期时污水处理厂负荷较大，需要相应的城市污水处理设施配套 齐全，不然会导致出水水质的不稳定性。而“分散”的概念在上个世纪末才开始受 到人们的注意和研究。 分散式污水处理技术是一种新型的，经济环保的污水处理系统。对于居住比较 分散的中小城市( 镇) 、广大农村及偏远地区，由于受到地理条件和经济因素制约， 不宜于进行生活污水的集中处理，此时应因地制宜地选择生活污水分散式和就地处 理技术。污水的分散处理技术已经成为国内外生活污水处理的一种新理念。对于水 量波动较大的小区生活污水来说，采用分散式污水处理技术可因地制宜，就地处理、 就地回用，供给小区绿化等景观用水。同时，采用分散处理可省去污水进入市政管 网后到污水处理厂的运输管路。 污水处理可分为厌氧处理和好氧处理技术。厌氧处理技术的优点在于：( 1 ) 工艺 稳定；( 2 ) 污泥处置费用少；( 3 ) 补充氮、磷营养元素的费用少；( 4 ) 设施占地面积 小；( 5 ) 贮存能量并具有生态和经济上的优势；( 6 ) 运行简单，无尾气污染；( 7 ) 处 理含有表面活性剂的废水无泡沫问题：( 8 ) 可以降解好氧过程中不可生物降解的物 质、减少氯化有机物的毒性；( 9 ) 可以处理季节性排放的废水。其缺点在于：( 1 ) 为 增加反应器内生物量启动时间长：( 2 ) 低浓度或碳水化合物废水碱度不足；( 3 ) 某些 情况下出水水质不能满足排放到地表水体的要求，如有臭味、色度、c o d 浓度偏高 等；( 4 ) 含s 0 4 2 废水会产生硫化物和气味；( 5 ) 无硝化作用，对氮、磷基本没有去除 效果；( 6 ) 低温下动力学速率低。 厌氧处理传统的对象为城市污水厂污泥和高浓度的工业污水，比较而言，生活 污水属于低浓度污水，水温也较低，在常温下用厌氧工艺处理生活污水是厌氧技术 、j，疚 - 弋 ? 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 面临的最大挑战【l 】。v e r s tr a e t e 等人在第八届国际厌氧会议上提出生活污水的厌氧处 理为厌氧技术研究的新领域【2 】。在中温甚至低温条件下( 水温为5 1 5 ) ，追寻高效的 生活污水厌氧处理工艺是研究者的一致目标，是厌氧处理研究的热点【3 】。在厌氧生 物处理工艺发展过程中，反应器是发展最快的领域，低浓度污水厌氧处理技术的研 究，发展了以厌氧颗粒膨胀污泥床( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ，e g s b ) m 】和厌氧膨 胀床反应器( a n a e r o b i ce x p a n d e db e dr e a c t o r ，a e b r ) h 】为代表的第三代新型高效厌氧 反应器；加上厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) 】【7 1 、升流式厌氧污泥床反应器( u 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 ) 【8 】【9 】i 厌氧序批间歇式反应器( a n a e r o b i cs e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ，a s b r ) 1 0 】【l l 】、复合式厌氧污泥床反应器( h y b r i da n a e r o b i cr e a c t o r ，h a r ) 【1 2 】【13 1 、厌氧流化床反应器( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d r e a c t o r ，f b ) 1 4 】和折流式厌氧反应 器( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，a b r ) 【1 5 】【t 6 等，都是国内外学者用于生活污水厌氧处理 研究的反应器。 缩短反应时间、提高降解效率是厌氧工艺处理生活污水的首要问题。第二代和 第三代厌氧反应器的共同特点就是将污泥停留时间与水力停留时间分离，微生物以 颗粒污泥、生物膜或污泥絮体等方式固定生长于反应器中，促进了厌氧微生物种群 之间的共代谢关系，单位容积的生物量大大提高，将反应时间从过去的以天计缩短 到以小时计。l e t t i n g a 等t 8 7 】早在1 9 7 9 年就开始了用u a s b 反应器处理生活污水的研 究。随后采用消化污泥和自接种方式，进行了小试、中试和生产应用研究，水力停 留时间( h r t ) 在4 6 h ，c o d 和b o d 5 去除率分别达到6 5 9 0 和7 5 9 5 ，在h r t 为4 1 6 h 范围内，水力负荷的变化并不影响u a s b 的降解效率【l8 1 。厌氧处理技术至今 尚未得到应有的推广，人们的观念和管理经验等非技术方面的因素是重要原因【3 】。 在中低温条件下，由于厌氧处理的局限性，采用高效厌氧和好氧后处理联用， 使出水达到排放标准，是厌氧技术广泛应用的前提【1 7 】。出水的后处理主要是研究合 适的处理方法以进一步去除厌氧技术难以去除的污染物，并力求反应时间短，产生 的剩余污泥量少。好氧生物膜法较活性污泥法更适合处理厌氧反应器的出水【l 引，因 为好氧生物膜使得微生物停留时间长，好氧段的h r t 可以更短，另外好氧生物膜有 利于硝化微生物的生长，硝化速率受温度的影响小。由于厌氧段去除了大量有机物， 好氧段硝化效果好，即使在冬季平均气温为5 9 c 下，氨氮去除率达到4 6 4 以上。 基于以上情况，本试验提出厌氧与好氧相结合的方法处理小区生活污水，其优 点是产泥量小，节约能源。厌氧试验装置的设计是将u a s b ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g e b e d t r i c k l i n gf i l t e r ，即称上流式厌氧污泥床反应器) 的原理与厌氧生物膜法相结合， 采用两段厌氧处理，在试验中不断优化启动与运行参数，从而缩短启动时间，减少 水力停留时间，使之在达到预期处理效果的前提下提高处理能力。好氧处理污水采 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 用生物接触氧化法处理厌氧出水并且达标排放或者作为小区景观用水回用。 1 3 厌氧处理的四阶段理论 厌氧生物处理是指在无氧或缺氧的条件下，通过厌氧微生物的作用，将污水中 所含有的各种复杂有机物，如碳水化合物( 糖) 、脂肪、蛋白质等经厌氧分解转化 成无机物和少量的细胞产物( 沼气和水) ，从而达到废水处理和能源回收的目的。 一般来说，废水中复杂有机物物料比较多，将厌氧分解分为四个阶段加以降解 【2 0 】 ( 1 ) 水解阶段：高分子有机物由于其单个分子半径较大，不能直接通过厌氧 菌的细胞壁，需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的有机 物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麦芽糖和葡萄 糖，蛋白质被分解成短肽和氨基酸。分解后的这些小分子能够通过细胞壁进入到细 胞的体内进行下一步的分解。 ( 2 ) 酸化阶段：上述的小分子有机物进入到细胞体内转化成更为简单的化合物 并被分配到细胞外，这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸( v f a ) ，同时有部分的 醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。 ( 3 ) 产乙酸阶段：在此阶段，上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、氢气 以及新的细胞物质。 ( 4 ) 产甲烷阶段：在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化成甲 烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程最为重要的阶段和整个 厌氧反应过程的限速阶段。 1 4 两段厌氧处理工艺 1 4 1 两段厌氧处理工作原理 传统的厌氧消化工艺中，产酸菌和产甲烷菌在单相反应器内完成厌氧消化的全 过程，由于二菌种的特性有较大的差异，对环境条件的要求不同，无法使二者都处 于最佳的生理状态，影响了反应器的效率。1 9 7 1 年g h o s h 和p o l a n d 提出了两段厌氧生 物处理工艺【2 1 1 ，它的本质特征是实现了生物相的分离，即通过调控产酸相和产甲烷 相反应器的运行控制参数，使产酸相和产甲烷相成为两个独立的处理单元，各自形 成产酸发酵微生物和产甲烷发酵微生物的最佳生态条件，实现完整的厌氧发酵过程， 从而大幅度提高废水处理能力和反应器的运行稳定性。 两段厌氧就是把水解和发酵的产酸相与产乙酸和产c i - h 的产气相分别置于不同 ， l l 、 1 ： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的反应器中，这样就可以削弱由酸的积累而导致反应器“酸化 的问题，也使各相 能在各自的条件下运行，系统酸化污泥活性和产c h 4 性均高于单相工艺。在相分离 的基础上，使产酸相和产c h 4 相具有复合流态是两段工艺的未来发展方向【2 2 1 。从生 物化学角度看，产酸相主要包括水解、产酸和产氢产乙酸阶段，产甲烷相主要进行 产甲烷阶段。从微生物学角度，产酸相一般仅存在产酸发酵细菌，而产甲烷相不但 存在产甲烷细菌，且不同程度存在产酸发酵细菌【2 引。 1 4 2 两段厌氧处理的特点 ( 1 ) 两段厌氧消化工艺将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应器内，并为它们 提供了最佳的生长和代谢条件，使它们能够发挥各自最大的活性，较单相厌氧消化 工艺的处理能力和效率大大提高【2 4 1 。 ( 2 ) 反应器的分工明确，产酸反应器对污水进行预处理，不仅为产甲烷反应器 提供了更适宜的基质，还能够解除或降低水中的有毒物质如硫酸根、重金属离子的 毒性，改变难降解有机物的结构，减少对产甲烷菌的毒害作用和影响，增强了系统 运行的稳定性。 ( 3 ) 产酸相的有机负荷率高，缓冲能力较强，因而冲击负荷造成的酸积累不会 对产酸相有明显的影响，也不会对后续的产甲烷相造成危害，提高了系统的抗冲击 能力。 ( 4 ) 产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌，产酸菌的产酸速度高于产甲烷菌降 解酸的速率【2 5 】【2 6 1 ，产酸反应器的体积总是小于产甲烷反应器的体积。 1 4 3 相分离的实现方法 两段厌氧生物处理系统最本质的特征是相的分离，产酸相与产甲烷相的分离使 得它们的分工更加明确：产酸相的主要功能是改变基质的可生化性，为产甲烷相提 供适宜的基质；而c o d 的去除主要由产甲烷相来完成。 实现相分离的途径可以归纳为化学法、物理法和动力学控制法【2 7 】。目前最简便、 最有效，也是应用最普遍的方法是动力学控制法。该方法是利用产酸菌和产甲烷菌 在生长速率上的差异，控制两个反应器的有机负荷率，水力停留时间等参数，从而 实现相的有效分离。但必须说明的是，两相的彻底分离是很难实现的，只是在产酸 相中产酸菌成为优势菌种，而在产甲烷相中产甲烷菌成为优势菌种。 ff- 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 4 产酸相对产甲烷相的影响 传统观点认为，厌氧生物处理的制约步骤是产甲烷阶段，但是产酸对于系统的 稳定运行也起着关键作用【2 7 1 。 ( 1 ) 产酸发酵末端产物组成对产甲烷相的影响：产酸相为乙醇型发酵时，其 发酵末端产物以乙醇、乙酸为主，易被产甲烷相转化利用，无有机酸积累现象发生。 产酸相为混合酸发酵时，产甲烷相对来自产酸相的有机酸的转化不彻底，易造成有 机挥发酸的积累，其中以丙酸积累最为显著，丙酸积累是导致产甲烷相酸化的最重 要的原因。 ( 2 ) 产酸相发酵对产甲烷相的影响：控制某些运行参数( 温度、p h 值、容积 负荷等) ，使产酸相发生乙醇型发酵，提高其产酸相发酵，可提高产甲烷相的效能， 从而提高了整个两相厌氧生物处理系统的处理效率和运行稳定性。 ( 3 ) 产酸相对产甲烷相氢分压的影响：传统单相消化器往往由于冲击负荷或 环境条件的变化，使得氢分压增加，从而引起酸积累。而相分离后，产酸相有效去 除了大量氢，使得产甲烷相的处理效率及运行稳定性增加。 1 5 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 1 5 1u a s b 反应器的优势 ( 1 ) 有机负荷居第二代反应器之首，水力负荷能满足要求。 ( 2 ) 污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强。 ( 3 ) 由于污泥或流出液的人工回流和机械搅拌一般维持在最低限度，甚至完 全取消，尤其是颗粒污泥u a s b 反应器，由于颗粒污泥的相对密度比人工载体小， 在一定的水力负荷下，可以靠反应器内产生的气体来混合，使污泥与基质充分接触。 ( 4 ) 7 在反应器上部设置的气固液三相分离器，对沉降良好的颗粒污泥避免 了附设沉淀分离装置，辅助脱气装置和回流污泥设备，简化了工艺，节约了投资和 运行费用。 ( 5 ) 在反应器内不需要投加填料和载体，提高了容积利用率，避免了堵塞问 题【2 8 】。 u a s b 反应器已成为第二代厌氧废水处理反应器中发展最迅速，应用最广泛的 装置。目前u a s b 反应器不仅用于处理高、中、低浓度的有机废水，也开始用于处 理如城市废水这样的低浓度有机废水。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 2u a s b 反应器的影响因素 ( 1 ) 温度 厌氧降解过程受温度影响较大，厌氧降解的温度可以分为低温( 0 - 2 0 c ) 、中 温( 2 0 4 2 c ) 和高温( 4 2 7 5 c ) 。在中温范围，3 5 c 以下每降低1 0 c ，细菌的活 性和生长速率就减少一半【2 9 1 。温度对产酸过程的影响不是很大，对产甲烷过程则影 响较大。高浓度废水或污泥的厌氧处理通常采用中温或高温范围。 ( 2 ) p h 值 在厌氧处理中，各种菌对p h 值有不同的适应范围。产酸菌在p h 值为5 0 - 8 5 范围生长良好，在p h 值小于5 0 时仍能生长，敏感的产甲烷菌适宜的p h 值为6 5 - 7 8 ， 这也是通常情况下厌氧处理所应控制的p h 值范围【2 0 1 。超过该p h 值范围的会引起 严重后果，低于该p h 值下限并持续过久时，会导致产甲烷菌的活力丧失而产乙酸 茵大量繁殖，引起反应器系统酸化。 ( 3 ) 碱度 水中的碱度是中和酸能力的一个指标，它由不同种类的弱酸盐组成。厌氧反应、 器碱度不够时，会引起酸化。 ( 4 )水力停留时间( h r t ) 最大去除效率经常是通过操作保证产酸段短的水力停留时间( h i 玎) 从而防止 抑制产甲烷菌的生长。这个过程主要是通过调整水力停留时间来实现的，而不是微 生物的量【3 们。 ( 5 ) 营养物和微量元素【3 1 】 微生物的生长需要一定量的营养物和微量元素，添加营养物的数量及微量元素 的种类要依据组成细胞的化学成分而定。微量元素对微生物良好生长也有重要的作 用。 。 ( 6 ) 硫酸盐【3 2 】 当进水中含有较高浓度的硫酸盐时，在厌氧条件下硫酸盐会对厌氧细菌特别是 产甲烷菌产生严重的抑制作用。 ( 7 ) 毒性物质 l e i g h t o n 等人研究了进水中铜、锌、镍、铅等4 中不同的重金属离子对两相厌 氧消化工艺的影响。四种金属中，镍和铅影响较大【3 0 】【3 2 1 。 1 5 3u a s b 反应器存在的问题 自u a s b 反应器开发出来至今，仅2 0 多年的历史。因此，u a s b 反应器处理工艺 东北大学硕士学位论文第一章绪论 处理污水不可避免的存在着一些缺陷，这也妨碍了它的应用，u a s b 处理工艺的主 要缺陷有【3 3 】： ( 1 ) u a s b 反应器处理装置的启动时间长 像其它厌氧工艺一样，u a s b 处理工艺的投产要比好氧工艺长得多，有时甚至 几年的时间，这是因为厌氧微生物合成新细胞所需有机物的数量比好氧生物要多， 繁殖周期也比后者长。好氧菌世代时间为2 0 3 0 m i n ，而大部分厌氧菌的世代时间为 5 1 5 d ，甚至更长一些。 ( 2 ) u a s b 反应器处理工艺对悬浮颗粒物有一定的要求 在u a s b 处理工艺中，v s s c o d 的比