（环境工程专业论文）厌氧折流板反应器处理蔗糖废水的试验研究.pdf

摘要 本文以人工配置的蔗糖和葡萄糖混合溶液为基质，对a b r 反应器的启动及运行状况 况进行了研究，分析了a b r 反应器的启动过程中运行参数的变化情况。试验研究结果 表明： 1 a b r 反应器的启动期间，h r t = 2 4 h ，温度控制在3 3 1 ，有机负荷由 l k g c o d ( m 3 d ) 逐步提高到5 k g c o d ( m 3 d ) ，运行6 0 天后，反应器的c o d 去除率可达 到8 7 左右。 2 当采用固定水力停留时间，逐渐提高进水有机物浓度的方式提高a b r 反应器负 荷，在进水有机负荷由l k g c o d ( m 3 - d ) 增加到5 k g c o d ( m 3 d ) 的过程中，当进水浓度低 于3 5 0 0 m e , l 时，进水浓度的变化对反应器处理效果的影响不大；而当进水浓度大于 3 5 0 0 m g l 时反应器出水处理效率降低，需要增加碱度调节。 3 当固定进水有机物浓度为1 5 0 0 m g l ，逐渐减小h r t 的方式提高有机负荷时，当 h r t 由3 2 h 减小到1 2 h 时，对反应器的处理效果影响不大，当h r t 降低到8 h 时，反应 器的出水质量变差，需要增加碱度调节。 4 在控制进水c o d 浓度为1 5 0 0 m g l ，h i 玎- 2 4 h ，将控制温度调节为4 0 。c 并逐渐 下降，直至1 5 。结果显示，在当温度为3 5 时，反应器的处理效果最好；温度升高 至4 0 c 时，反应器的处理效率下降并不大，当温度降低到1 5 c 时，出水水质严重恶化。 5 由于进水浓度高，第一隔室污泥承担着几倍于其他隔室的污泥负荷，且主要处于 酸化阶段，有大量的有机酸产生，因此，第一、二隔室的污泥结构松散，表面粗糙，成 灰白色。第三、四隔室主要是产甲烷阶段，污泥粒径有所减小，呈黑色，结构紧密，表 面较为光滑。 关键词：a b r ，蔗糖废水，有机负荷，处理效率，启动 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h er e a c t o r ss t a r t - u pa n da n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec u l t i v a t i n gm e t h o dw e r es t u d i e d b a s e do nas e r i e so f t e s t i n gu s i n gt h ec o m b i n a t i o no fs u c r o s ea n dg l u c o s ew a s t e w a t e r i nt h i sw o r k ，t h em o s t s u i t a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o no f a b rw a ss t u d i e d ，1 1 1 er e s u l tc o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 w h e nt h ei nc r e a s i n gt h ev l rf o r m1t o5 k g c o d m 3 d ，t h eh r t = 2 4 h ，t h et e m p e r a t u r e = 3 3 士1 ， a f t e r6 0d a y so p e r a t i o n ，t h ec o dr e m o v a lr a t eo fr e a c t o ri ss t e a d l y8 7 o rs o t h ep hv a l u eo ft h ee f f l u e n t i sa l m o s t7 2 2 w h e nt a k i n gt h eh r ta sac o n s t a n t ，w eg r a d u a l l ye n h a n c et h ei n f l u e n tc o n c e n w a t i o ni no r d e rt o i n c r e a s et h el o a d i n gr a t e 1 0 a d i n gr a t ei si n c r e a s e df r o mi k g c o d ( m 3 d ) t o5 k g c o d ( m 3 。d ) w h e nt h e i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni sl o w e rt h a n3 5 0 0 m g l , i th a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h et r e a t m e n te f f e c t w h e nt h e i n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a n3 5 0 0 m g l , w en e e dt oi n c r e a s et h eb a s i c i t yo ft h ea b r 3 w h e nt a k i n gt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o na sac o n s t a n t , w eg r a d u a l l ye n h a n c et h eh r ti no r d e rt o i n c r e a s et h el o a d i n gr a t e w h e nt h eh r ti sf r o m3 2 ht o l2 h ，i th a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ea b r st r e a t m e n t e f f i c i e n c y w h e nt h eh r td e c r e a s e st o8 h ，t h eq u a l i t yo ft h ee f f l u e n ti sg e t t i n gw o r e s ，t h e nw en e e dt o i n c r e a s et h eb a s i c i t yo ft h ea b r 4 彬五跚t h ei n f h i e n tc o dc o n c e n t r a t i o ni s15 0 0 r a g l , h r t - - - 2 4 h 。t h et e m p e r a t u r ei sf r o m4 de 幻 15 。c t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nt h et e m p e r a t u r ei s3 5 。c ，t r e a t m e n te f f i c i e n c yo ft h ea b rr e a c h e di t s h i g h e s tl e v e l w h e nt h et e m p e r a t u r ei s a sh i g ha s4 0 ，t h et r e a t m e n te f f i c i e n c yh a sn o tb e e na f f e c t e d s t r o n g l y w h e nt h et e m p e r a t u r ei sa sl o wa s1 5 t h ec o n d i t i o no f t h ee f f l u e n td e t e r i o r a t e ss e r i o u s l y 5 b e c a u s eo ft h eh i g l li n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n ，t h ef n - s tc o m p a r t m e n tt a k e so na ss e v e r a lt i m e ss l u d g e l o a d i n ga st h eo t h e rc o m p a r t m e n t s a n di t i sm a i n l yi na c i d i f i c a t i o np h a s e t h e r ea r eal a r g ea m o u n to f o r g a n i ca c i d sp r o d u c e d t h e r e f o r e ，t h es l u g ei nt h ef k r s tt w oc o m p a r t m e n t sa l eg r a y ，l o o s ea n dr o u g h t h e s l u g ei nl a s tt w oc o m p a r t m e n t si si nm e t h a n ep r o d u c i n gp h a s e ，a n di sb l a c k ，s m a l l ，d e n s ea n ds m o o t h k e yw o r d s ：a b r ，g l u c o s ew a s t e w a t e r ，o l rt r e a t m e n te f f i c i e n c y ，s t a r t u p i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： - 7 、击 吠f 少f 年厂月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名 黝 6 气年5 窍7 c b 。7 年朋弘日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 引言 厌氧生物处理技术是一种节能、低耗、无害化的废水净化技术，在无氧条下，通过 多种微生物的协同作用对有机物进行降解，把有机物转化为简单、稳定的化合物和少量 的细胞物质，同时释放能量。厌氧生物处理技术把废水的处理能源的回收利用相结合， 同好氧生物处理相比，其处理成本较低，还能有效解全球范围内环境污染、能源短缺的 严重问题，更能解决包括中国在内的大多数展中国家面临的经济发展与环境治理资金不 足的问题。 1 1 水资源现状 水是自然界最基本的要素，是一切生物赖以声脆的重要条件。当今世界，随着社会 经济的不断发展和人口的快速增长，对水的需求量越来越大，水成为农业的命脉，工业 的动力，城市转动的血液。2 1 世纪水资源将是人类争夺的最宝贵的资源之一。水是人类 社会赖以生存和发展的不可替代的资源，是人类社会可持续发展的最基本条件之一。但 是，随着经济和社会的发展，淡水资源越来越少，废水的排放量与日俱增，使人类面临 越来越严重的水质型和水量型水资源不如的问题。 据估计水的总体积约为1 3 8 亿立方公里。但是其中9 8 是咸水，主要分布在海洋 中。淡水只占地球水总量的2 ，约有3 0 0 0 万立方公里，而这2 的淡水也不能全为人 类所应用，因为它的8 8 被冻在两极的冰帽和冰川里，剩下的1 2 即河流、湖泊和能 开采的浅层地下水才可为人类应用，其中绝大多数又为地下水，不开采不能应用，可直 接应用的河流湖泊中的水，只占淡水总量的0 0 4 。地球上的水，总是处在变化之中， 海洋和陆地上的水蒸发到大气中，再形成雨或雪落回大地，滋养万物，补充河流、湖泊 或注入大海。水还会渗入地下，汇入地下蓄水层。极深的地下水不能补充，也不能开采， 被称为原生水，因而不能再生。正因为水资源的这种流动性质，因而形成陆地的水涝或 干旱，造成水资源分布不均衡，世界上每年约有6 5 的水资源集中在1 0 个国家里，而 人口共占世界总人口的4 0 的8 0 个国家( 其中9 个国家在近东和中东) 却严重缺水， 另2 6 个国家( 共有2 3 亿人口) 的水资源也很少。 我国的水资源总量为2 8 1 0 1 2 m 3 ，居世界第4 位，占世界水资源总量的7 。但我 国人均的水资源总量仅2 3 0 0m 3 ，只有世界平均水平的1 4 。同时，水资源分布极不均匀， 北方人均水资源仅为9 9 5m 3 ，属于严重缺水地区；而西南和南方各省虽然人均水资源量 超过了3 0 0 0m 3 ，但地区水污染严重，产生了水质性缺水。据国家环保总局的一份报告 第一章绪论 中显示，我国2 0 0 0 年排放废水达6 0 0 亿t ，其中8 0 没有经过处理，造成全国9 0 以上 的城市水污染严重，6 3 0 多座城市近3 亿居民生活因此受到影响。其中l 亿以上城市居 民饮用水大肠杆菌含量超标，全国3 2 个重点城市7 1 个水源点中有近一半水源地的水质 达不到合格的饮用水标准，每年水资源造成的损失约为3 0 0 亿元。2 0 0 5 年国家环境质量 公告中指出，我国的环境状况是：全国废水排放总量从2 0 0 2 年的4 3 9 5 x l o 坦吨增加到 2 0 0 5 年的4 8 2 4 x 1 0 1 2 吨，其中的工业废水排放量也从2 0 0 2 年的2 0 7 2 x 1 0 1 2 吨增加到2 0 0 5 年的2 2 1 1 1 0 1 2 吨。 日趋严重的水污染问题不仅降低了水体的使用功能，而且进一步加剧了水资源短缺 的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略和努力构建和谐社会的进程带来了严重的影 响，并且还严重威胁到了城乡居民的饮水安全问题的人民群众的健康。因此，进行水污 染问题的治理刻不容缓1 1 - 3 。 1 2 废水处理技术工艺的分类 对于废水的处理技术工艺，可以分为三大类【4 】： 废水的物理处理工艺。废水的物理处理通常是借助物理力或者机械力的废水中 的某些物质得以分离的单元操作过程，其目的在于取出那些大小或性质方面不利于后续 处理过程的物质，如大款漂浮物和泥砂等。废水的物理处理采用的方法主要有筛滤、截 留、水质水量调节、重力分离等；采用的处理设备或装置主要有格栅、筛网、微滤机、 沉砂池、沉淀池、旋流分离器及气浮装置等。 废水的化学处理工艺。废水的化学处理，就是利用化学反应的作用去除水的杂 质，其处理对象主要是废水中无机或有机的( 难于降解的) 溶解物质或胶体物质。废水 化学处理的主要方法包括中和法、化学混凝法、化学沉淀法和化学氧化法等。 废水的生物处理工艺。有废水排放造成的污染类型和描述水污染状况的指标可 以得出，废水中含有大量的溶解性或胶体有机物质，有效去处废水中的有机污染物十分 必要且刻不容缓。这些有机物质单靠物理处理或者化学处理是无法在技术与经济都允许 的条件下有效去除的，一般需要进行生物处理。按照又无氧气的参与，废水生物处理方 法可分为有氧气参与条件下的好氧生物处理和无氧气参与的厌氧生物处理。 1 3 厌氧生物处理及其主要原理 厌氧生物处理工艺过去主要用于剩余污泥的厌氧处理，传统生称之为厌氧消化。它 是在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳 等的过程。随着人们对厌氧生物处理研究的不断深入，厌氧生物处理技术已应用于废水 2 长安大学硕士学位论文 处理，同时开发出生物相分离技术等，因此广义的厌氧生物处理技术是指在无氧条件下， 利用厌氧微生物的生命活动将各种有机物或者无机物加以转化的过程。 长期以来，厌氧生物出路工艺被认为是一种较慢的生物处理过程，而且仅仅是用于 有限的一些有机物的处理。所以，很长一段时期主要用于污泥在脱水处在前为减少有机 质含量和尽可能避免腐败所进行的污泥厌氧生物处理。在无水处理方面，几乎都采用好 氧生物处理工艺。2 0 世纪7 0 年代，随着全球性能源问题的日益突出，在废水处理领域 内，人们开始对厌氧生物处理工艺产生了新的认识和估价，并通过对产甲烷细菌的生理 学、生态学和生物化学等研究的进一步深入和工程实践的积累，不断开发出新的厌氧生 物处理工艺和设备，克服了传统工艺的缺点，使得这一技术有了很大的进步，在高浓度 有机废水的处理方面取得了良好的效果和显著的经济效益。 目前，公认为四阶段理论是对厌氧生物处理较全面和准确解释【5 1 。 水解阶段：高分子有机物因为相对分子量巨大，不能透过细胞膜，因此不能为细 菌直接利用。所以他们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子。这一阶段包括蛋白质、 碳水化合物和脂类等物质的水解。例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀 粉被淀粉酶水解为葡萄糖与麦芽糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分 子的水解产物能够溶解于水，并透过细胞膜被细菌所利用； 产酸发酵阶段：在这一阶段，上述的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更 为简单的化合物并分泌到细胞外。其中包括氨基酸和糖类的厌氧化以及高级脂肪酸与醇 类的厌氧化。这一阶段的主要产物包括挥发性脂肪酸( v f a ，v o l a t i l ef a t t ya c i d s ) 、醇类、 乳酸、二氧化碳、氢气、氨和硫化氢等。与此同时，酸化细菌也利用部分物质合成新的 细胞质； 产氢产乙酸阶段：在此阶段，上一阶段的产物进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以 及新的细胞物质。生成乙酸有两个途径，即从中间产物中形成乙酸和氢气，以及由氢气 和二氧化碳形成乙酸； 产甲烷阶段：在这一阶段里，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。甲烷化阶段包括有乙酸形成甲烷和有氢气和二氧化碳形成甲 烷。 其具体过程如图1 1 所示 3 第一章绪论 图1 - 1 厌氧生物代谢过程示意图 1 4 厌氧生物处理的发展概述 厌氧生物处理自问世以来，已有1 0 0 多年的历史，它的发展和应用大致经历了3 个 时期。 第一时期：2 0 世纪2 0 年代以前，主要应用于废水和粪便处理，其中代表性的构 筑物包括：法国的自动净化器( 1 8 8 1 年) 、英国的化粪池( 1 8 9 5 年) 和t r a v i s 池( 1 9 0 4 年) 以及德国的i m h o f f 池( 1 9 0 5 年) 。他们的共同特点为停留 时间长，出水水质较差。尽管如此，由于结构简单，曾在美、德等国得到较大的推广。 第二时期：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 逐步被取代且仅用于污泥的稳定化，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验装置，这是厌氧生物处理发展史中第二时期的主要特征。 4 长安大学硕士学位论文 第三时期：2 0 世纪5 0 年代以后，厌氧生物处理技术进入第三阶段。由于工业的 飞速发展，环境污染也日趋严重，同时面临着能源危机的挑战，这使得厌氧生物处理作 为节省能源的方法日益受到重视，有机废水、废渣厌氧生物处理技术的各种工艺的研究 日趋深入。特别是2 0 世纪7 0 年代以来研究的一批第二代厌氧生物处理工艺和装置，使 废水厌氧生物处理系统的有机负荷和处理效率大大提高，进一步拓展了厌氧生物处理的 领域。在第三个时期，厌氧生物处理技术主要朝着两个方面发展。a 最大限度的提高反 应其中的生物持有量，通过生物量比好氧反应其中的高几倍甚至几十倍，以使处理效率 接近或达到好氧处理的效率，在此基础上开发出大量新型厌氧反应器，其共同特征为有 机负荷高、处理能力强。1 9 5 5 年出现了厌氧接触法，由于其中生物固体浓度的增加和污 泥龄的延长，使处理能力大大提高，停留时间大为缩短，这被认为是现代高速厌氧生物 处理的开端。此后又发明了厌氧填充床反应器( 1 9 6 9 年) 、升流式厌氧污泥层反应器( 1 9 7 9 年) 、厌氧流化床反应器( 1 9 7 9 年) 、厌氧膨胀床反应器( 1 9 8 1 年) 以及复合式厌氧反 应器、厌氧生物转盘、厌氧序批式反应器、厌氧折流板反应器和内循环升流式厌氧污泥 层反应器等一大批先进的高效厌氧生物处理反应器。b 利用厌氧新军的特点，采取分离 项技术，开发出两项厌氧反应器，发挥不同厌氧菌群的各自特点，在各自的反应器中各 司其职，充分发挥作用，从而提高转化效率。 1 5 厌氧生物处理的特征 厌氧生物处理之所以有如此广泛的应用，是因为他有着许多好氧处理所没有的优 点。但任何事物都要一分为二来看，有利必有弊，厌氧生物处理也存在着一些不足。所 以，厌氧生物处理与好氧生物处理各有其适用范围。尽管厌氧生物处理有许多缺点，但 是它的发展前景依旧很广阔。随着人们对厌氧微生物的进一步深入，同时根据其生理及 生态特点开发出新型设备和技术，厌氧生物处理必将发挥更大的优势。厌氧生物处理法 的优缺点如表1 1 所示。 5 第一章绪论 表1 - 1 厌氧生物处理的优缺点 优点 缺点 耗能少，运行费用低；欲达到理想的生物启动周期长； 污泥产生量少；优势需要提高碱度； 营养盐需要少；常需要进一步通过好氧处理达到排放要 产生甲烷，可作潜在的能源；求； 可消除气体排放的污染；低温条件下降解速率低； 可处理高浓度的有机废水； 对某些毒物质敏感； 可承受较高的有机负荷和容积负荷；产生臭味和腐蚀性物质 厌氧污泥可长期贮存，添加底物后可实现快 速响应 1 6 厌氧生物处理的影响因素 1 6 1 温度 温度是影响生物厌氧处理的重要因素。根据甲烷菌对于温度的重要性可以将甲烷菌 大体分为中温甲烷菌( 适应温度区3 0 c 3 6 。c ) 和高温甲烷菌( 适应温度区为5 0 c 5 3 c ) 两 类。利用适应在两个温度间生长的厌氧菌进行厌氧消化处理系统的分别称为中温消化和 高温消化。当处于中温及高温之间的过渡区时，反应速率反而减小，可见厌氧消化反应 与温度之间的关系是不连续的。 温度的波动对于厌氧生物处理过程也有重要影响。中温和高温厌氧消化允许的温度 变化范围为士1 5 2 ，一般推荐温度变化应该小于士1 d ，温度突然变动士2 3 就 可能严重影响处理性能，超过+ 1 5 c 时，有机酸就会大量积累而破坏整个厌氧消化过程 1 6 - 7 1 o 厌氧污泥活性在i o 。c 左右仍能够维持，c e l e s l i e 认为2 0 c - 2 5 c “似乎”是厌氧消化 的低温实用极限【引，从而有许多研究表明在更低温的温度下仍能稳定的运行【9 。1 1 1 。研究 厌氧处理工艺的低温极限是多少的问题目前还未有定论，分析其原因、处理工艺、试验 条件等因素有关。 厌氧消化反应中，产甲烷菌比水解酸化菌对温度的变化更为敏感，所以一般以对产 甲烷菌的影响为准。当然根据不同的基质种类和处理目的，考虑侧重点也会有所差异。 例如，对于含有大量有机质和易生物降解有机废水，温度对于甲烷菌的影响是首要考虑 的问题，对于含有大量复杂有机质和颗粒态有机质的废水，温度对于水解和产酸反应的 6 长安大学硕士学位论文 影响则更重要。 1 6 2 有机负荷 反应器的有机负荷包含容积负荷和污泥负荷。过高的负荷易造成反应器内挥发性脂 肪酸( v o l a t i l i t y f a t a c i d ，v f a ) 的积累，导致反应器运行失败；过低的负荷不能满足厌氧 微生物新陈代谢的需要，由于厌氧菌的衰减而导致反应器运行失败，因此适当的负荷对 于反应器运行极为重要。 不同的厌氧工艺可承担的负荷差别很大：厌氧接触工艺的负荷一般为 o 5 1 0 c o d m 3 d ，厌氧滤床( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) 为5 1 5c o d m 3 - d ，u a s b 为2 2 5 c o d m 3 d ，厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，a b r ) 为0 1 3 3 1 9 c o d m 3 d 【1 2 】。由于膨胀污泥颗粒床( e x p a l l dg r a n u l a rs l u d g eb e d ，e g s b ) 和内循环反应 器( i n t e r - r e c y e l er e a c t o r ，i c ) 采用了独特的结构设计强化乐传质作用，承受负荷可达1 5 3 0 c o d m 3 d ，甚至超过4 0c o d m 3 d 1 3 彤】，另一方面也适合处理较低浓度的污水。 1 6 3 污泥停留时f 司( s r t ) 与水力停留时间( h r t ) s r t 在厌氧生物处理过程中是控制厌氧生物累积量的重要参数。高效厌氧反应器采 用各种微生物固定技术提高s r t ，从而保证反应器内的污泥浓度，以便为厌氧反应器提 供足够的生物活性，s r t 常常达到3 0 d - 4 0 d 以上，有些甚至达到l o o d 。s r t 大小一般 通过反应器的定期排泥来控制。 h r t 是控制厌氧反应程度的重要参数，传统工艺将h r t 与s r t 分离，为达到较好 的处理效果，h r t 一般在几天左右。由于h r t 是与反应器容积成正比的，它的确定直 接影响工程建设投资。高效厌氧反应器可在较短h r t 达到较高的处理效率，反应器所 需容积也小，所以有着更好的经济效益比。另外，h r t 直接决定着反应器内的水力条件、 搅拌与混合强度，短的h r t 使反应器更好接近推流型，而较长的则更接近于完全混合 型。 1 6 4 接触与混合 厌氧处理过程是由细菌体的外酶、内酶与底物进行的接触反应，只有在反应器中基 质与微生物之间充分而有效的接触，才能发挥其最大的效能。充分的接触混合除了完成 基质与微生物的接触外，还起到使反应期内的温度及污泥浓度均一，使气泡及时与污泥 颗粒脱附，强化传质过程，防止污泥浮升，防止浮渣层的形成等作用。接触混合方式有 机械混合接触、水力混合接触、气动混合接触。就许多厌氧工艺实践来看，气动混合和 间歇搅拌的方式较好，并且搅拌强度不应太大【1 6 】。脉冲等进水方式被证明在强化接触效 7 第一章绪论 能方面是有效的【1 7 】。人工和机械搅拌混合需要额外的动力消耗，所以确定合适的搅拌混 合动力投入是工程中非常重要的课题。 1 6 5 营养物质 厌氧工艺与好氧生物处理一样，也需要营养物质以维持微生物正常的新陈代谢。一 般来说，厌氧比好痒工艺对营养物质的需求较少，好氧工艺对氮磷的需求为 c o d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而厌氧仅为( 3 5 0 - - , 5 0 0 ) ：5 ：1 。必要的金属元素补充也非常重要，其主 要作用还是增强各种群单位质量微生物活细胞浓度和其酶活性【1 8 l 。在处理各种废水时应 当了解其水质成分，如缺少某些微量元素时应当适量补充，以保证微生物的正常生长。 特别是铁、钴、镍、锰例子能够有效促进污泥比活性的增加，在厌氧反应器启动期间尤 为重要 1 9 - 2 1 l 。 1 6 6 抑制及毒性物质 在厌氧处理过程中，所谓“抑制”和“毒性”都是相对的，一种物质于厌氧消化过程( 主 要指甲烷消化) 都有两方面作用，关键看这种物质的浓度阈值，当其浓度较低时可以促 进甲烷菌生长，当浓度超过一定范围后便对甲烷细菌产生抑制甚至是毒害作用。较为典 型的抑制和毒性物质是有氨、无机硫化物、盐类、重金属以及各重有机化合物。它们主 要通过相对应的甲烷菌内酶的影响而降低甚至是抑制甲烷菌的代谢作用，一般分为三 类：影响代谢的毒性物质、影响细菌生理的毒性物质和杀菌性的毒性物质。为防止由于 抑制和毒性物质导致整个厌氧工艺的失败，应根据各类废水性质进行适当预处理。 1 6 7 p h 值及消化液缓冲能力 水解发酵及产氢产乙酸菌的p h 值适应范围大致为5 - 8 5 ，甲烷菌对p h 值较为敏感， 虽各文献的报道略有不同，但一般在6 5 7 8 t 2 2 】之间，这也是通常情况下厌氧处理所需 的p h 值范围。如果水解发酵阶段与产氢产乙酸阶段的反应速率超过甲烷阶段，反应器 内的p h 值会由于挥发性脂肪酸的过度积累而降低，影响甲烷菌的正常代谢作用。可采 用投加适量的缓冲剂和稀释进水及吹托c 0 2 回流等方法来降低p h 值降低的影响【2 3 1 。 厌氧反应器的有机酸缓冲能力使其运行稳定的重要指标，r e s p e e c e 和许保玖等认 为，单以碳酸氢盐碱度作为衡量厌氧反应器对p h 值缓冲能力的指标是不适应的，而应 以挥发性有机酸( v f a ) 和碳酸氢盐碱度( b a ) 之比作为更准确的指标，当v f a b a 0 8 时， 缓冲能力极小。 1 6 8 氧化还原电位 8 长安大学硕士学位论文 厌氧环境是厌氧处理过程赖以正常进行的最重要的条件。所谓厌氧环境一般理解为 隔断系统与空气中的氧接触，尽可能使反应期内无溶解氧存在，以保持厌氧反应器的正 常运行。严格来说，厌氧环境的主要标志是反应器内具有低的氧化还原电位，其值应为 负值。反应器内的氧化态物质越多时，氧化还原电位就越高。研究成果表明，高温厌氧 处理系统适宜的氧化还原电位为一5 0 0 m v - 6 0 0 m v ；中温应低于3 0 肛一3 8 0 m y ，产酸菌适 宜的氧化还原电位范围较大，可在+ l o o m v - 一1 0 0 m v 的兼性条件下繁殖，而甲烷菌较为 严格，须在3 0 0 m v - 3 5 0 m v 以下才可正常繁殖。厌氧反应器经过适当的封闭措施一般可 以达到厌氧环境的要求。即使在反应器进出水口，沉淀槽等部位难免有溶解氧的进入， 反应器中也能始终保持着极低的电位，这是各类微生物生长而对环境的氧化还原电位产 生的影响。反应器内好氧、兼氧、厌氧微生物的依次活动可以将消化污泥以及进水中带 入的少量氧气及时消耗掉，是氧化还原电位很快地降到适宜甲烷细菌生长的范围。 1 6 9 废水特性 实际工程中应根据废水特征选择相应的厌氧处理工艺，一些厌氧工艺比较适合于处 理含颗粒态有机物的废水，而另一些则适合于处理溶解性基质。例如厌氧消化池、发酵 池就是用来处理颗粒态有机物的，而低速厌氧工艺和一些高速厌氧工艺，例如 a c ( a n a c r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) 、a f ( a n a e r o b i cf i l t e r ) 、a b r 等能够处理颗粒有机物浓度 比较高的废水，f b ( f l u i d i z e db e d ) 、u a s b 和u a s b a f 等一些高效厌氧反应器不能有效 截留颗粒态物质，所以更适合于处理溶解性有机物。但它们由于能够有效积累高浓度的 微生物，因而对于处理缓慢生物降解的溶解性有机物比低速厌氧工艺更有效。 9 第二章厌氧折流板反应器( a b r ) 介绍 第二章厌氧折流板反应器( a b r ) 介绍 厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l t e dr e a c t o r 简称a b r ) 是美国s t a n f o r d 大学的 b a c h m a n 和m c c a r t y l 2 4 】等人于1 9 8 2 年前后开发、研制的一种高效新型的废水厌氧生物 处理反应器。a b r 综合了多种第二代厌氧生物处理反应器的优点，属于分阶段多相厌 氧生物处理工艺技术，被认为具有第三代厌氧生物处理反应器的特征。它适应了厌氧处 理过程中不同种群微生物对基质利用的不同生理和生态原理，具有比传统的两级( 或两 相) 厌氧处理工艺更灵活、易管理的特点，反应器易高效、稳定地运行。 国内外目前对a b r 反应器的主要研究领域包括a b r 反应器的结构特征、处理废水 的类型、反应器的水力特性、反应器的启动、厌氧颗粒污泥与微生物及其代谢、反应器 的稳定性、与u a s b 反应器的比较、温度及其他因素的影响以及动力学模型等。对于实 际工程，近年来也有一些研究。 2 1 厌氧折流板反应器的结构特征 从构造上看，a b r 是通过内置的竖向折流板，将反应器分隔成串联的若干个上流 式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ，简称：u a s a ) ，废水在每个隔室中作先升 流后降流的上下运动，借助于处理工程中反应器内产生的气体的溢出，使反应器内的微 生物固体在折流板所形成的各个隔室作上下膨胀和沉淀运动，整个反应器的水流则以较 慢的速度作水平运动。 从工艺上看，a b r 与单个u a s b 有显著不同。首先，u a s b 可近似看作为一种完 全混合式反应器，而a b r 是一种复杂混合型水利流态，更接近于推流式反应器；其次， u a s b 中酸化和产甲烷两类不同的微生物交织在一起，不能很好适应相应的底物组分及 环境因子( p h 、h 2 分压值等) ，而在a b r 中各个反应室中的微生物相是随流程逐级递变 的，递变的规律与底物降解过程协调一致，从而导致厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得 到分离，使a b r 反应器在整体上相当于一个两相厌氧处理系统。厌氧折流板反应器独 特的分格式结构及其与推流式流态使得每个反应隔室中可以驯化培养出与该隔室的污 水水质、环境条件相适应的微生物群落，从而导致厌氧产酸相和甲烷相的分离。使得 a b r 反应器在整体上相当于一个多项厌氧处理系统。 2 2 a b r 反应器的优点 工艺简单，投资少，运行费用低 a b r 法结构简单，没有活动部件，同传统的厌氧消化池相比，无须机械搅拌装置， 1 0 长安大学硕士学位论文 也不需要额外的澄清沉淀池。同u a s b 和a f 相比，a b r 法不需要昂贵的进水系统，也 不需要审计复杂得气、固、液三相分离器。容积利用率高，不易堵塞，污泥床膨胀程度 较低而可降低反应器的总高度。因此，a b r 法的投资成本少，运行费用低。 耐冲击负荷，适应性强 由于折流板良好的滞留微生物的能力和污泥良好的沉降性能，再有a b r 中的微生 物环境与有良好的生物级配，a b r 对冲击负荷的适应性很强。d c s t t u c k e y ( 1 9 9 7 ) 的研 究表明，无论是对水利冲击负荷还是对有机冲击负荷，a b r 均有良好的适应性。因此， a b r 法对于处理流量和浓度变化较大的工业废水有很好的应用前景。n a c h a i y a s i t 等的研 究简化反应器分为3 个区域：酸化区、缓冲区、产甲烷区，这种功能上的分区避免了 a b r 反应器在冲击负荷下大部分微生物暴露于很低的p h 值下，从而提高反应器耐冲击 负荷的能力。 o 固液分离效果好，出水水质好 厌氧生物团絮同好氧活性污泥法的模式类似，是由细菌对己之的有限浓度引起的， f m 值对其有重要的影响( l o g n a , 1 9 8 8 ) 。低f m 值有利于生物絮凝，沉降加快，出水悬 浮固体浓度低。a b r 的分格结构和水流的推流状态，使得f f m 随水流逐渐降低，在最 后一隔室内f m 最低，最有利于固液分离，所以能够保证有良好的出水水质。自a b r 工艺得到开发以来，国外研究这已对其进行了一定的研究。表2 1 与表2 2 分别为a b r 处理工艺与其他反应器在处理不同高浓度有机废水时运行性能方面的比较( 沈耀良， 2 0 0 1 ) 。 运行稳定，操作灵活 由于a b r 反应器特有的挡板构造，大大减少了污泥堵塞和污泥床膨胀等现象发生 的可能性，可长时间稳定运行。并且a b r 法可根据水质、水量的不同，通过改变挡板 的间距，调节h r t ，甚至还可以进行间歇操作，来满足出水水质的要求。a b r 法还可 以在适当的隔室进行耗氧操作，以达到在同一反应器进行脱氮的目的( w i l l i 锄，2 0 0 0 ) 。 o 对有毒物质适应性强 由于挡板将反应器各格分隔开，所以有毒物质对反应器的影响主要集中在反应器的 前部，对后部的危害较小( 戴有芝，2 0 0 0 ) 。这使得的只有少数微生物暴露在有毒物质 的影响下，有利于整个反应器系统的驯化，并能在较短的时间恢复到正常水平。 第二章厌氧折流板反应器( a b r ) 介绍 表2 - 1a b r 反应器与其他反应器的性能比较 反应器类型 废水类型 反应器容积、 容积负荷 c o d 去除率 ( l ) ( k g c o d ( m 3 d ) ) ( ) a f b r 制酒废水 57 2 蟠 糖浆废水 1 82 9 u a s b 木釜馏废水 1 01 68 6 u a s b 屠宰废水 3 31 18 5 a s b 糖浆废水 8 52 3 7 7 a b r 制酒废水 6 33 59 l a b r 糖浆废水 1 6 32 0 7 7 表2 - 2a b r 反应器处理不同废水效果的比较 废水类型进水c o d反应器容积有机负荷c o d 去除率 ( m g l ) ( l ) ( k g c o d ( m 3 d ) ) ( ) 屠宰废水 4 0 0 0 5 5 0 05 1 60 8 78 9 合成废水 3 0 0 06 32 59 3 蒸馏废水 5 1 6 0 06 33 59 1 糖蜜废水 3 8 7 0 01 6 52 07 7 葡萄糖废水 1 5 0 0 01 52 0 9 8 城市废水 2 6 4 9 0 63 5 02 1 79 0 制药废水 2 0 0 0 01 02 06 8 含酚废水 2 2 0 0 31 9 21 6 7 2 58 3 9 4 养猪厂废水 5 0 0 02 01 87 5 6 稳定的生物固体截留能力 a b r 反应器对卫生物固体具有良好而稳定的截留能力。主语要表现在它对进水中 高浓度的悬浮固体( s s ) 具有很强的适应性和处理能效。b o o p a t h y 等人( 1 9 9 1 ) 应用a b r 工艺对高浓度制糖废水处理的研究结果表明，反应器对s s 具有良好的截留能力，除水 中无污泥流失问题，即使在高负荷条件下亦如此。郭静等人对人工合成葡萄糖废水的处 理研究结果也表明，a b r 反应器内的折流板对污泥起到良好的阻滞作用，并可在反应 器的各隔室内维持一定的污泥浓度( 污泥浓度可达7 0 以上) 。a b r 反应器工艺之所以 具备如此良好的污泥截流性能，主要有两方面的原因：一是a b r 反应器内的污泥与被 处理废水间的良好混合接触，有效体积利用率好，因而有利于污泥絮体积污泥颗粒的形 成和生长，使反应器内形成种群配合良好的微生物群落。二是由于折流板的阻挡作用即 1 2 长安大学硕士学位论文 通过对折流板间距的合理设置( 水流在上向流室上升流速相对较小) 为污泥的沉降和截 留创造了一个良好的条件，进而a b r 反应器内能截流大量的微生物，其微生物浓度可 达到7 2 0 8 9 l ( b o o p a t h y , 1 9 9 1 ) 。 良好的生物种群分布 挡板构造在反应器内形成几个独立的隔室，所以能在每个隔室内驯化培养与该隔室 环境条件相适应的微生物群落，形成良好的种群配合和良好的沿程分布，避免了不同种 群间生态幅的过多重复，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性，必要时还可以 通过合理设置个隔室的废水水质，来稳定运行工作，提高处理效果，使现在一个反应器 内完成一体化的两相或多相处理。在a b r 反应器中不同隔室中存在适应流入该隔室的 废水水质的优势生物种群。在a b r 反应器的前端隔室中，主要以水解及产酸菌为主， 而在较后面的隔室中，则以甲烷菌为主。就甲烷菌而言，虽隔室的推移，该种群又把叠 球菌属为主逐渐向甲烷丝菌属、异养甲烷菌和脱硫孤菌属等转变，这样逐室的变化，使 优势微生物种群得以良好的生长繁殖、废水中的污染物分别在不同隔室中得到降解，进 而具有良好的处理效能和稳定的处理效果。 2 3 a b r 反应器的发展 自从a b r 反应器问世以来。科研人员对a b r 反应器的结构作了多种改进，其最终 目的是：延长艳阳污泥的停留时间；这对不用废水水质，使进水分布均匀，泥水混合良 好。这些是改进使a b r 反应器性能稳定，处理效果好。图2 1 为不同的a b r 反应器的 构造形式和运行方式。 最初的设计如图2 1 ( a ) 所示，该反应器中的上流室和下流室是等宽的，折流板的加 入增强了污泥的停留，提高了处理效率；多隔室结构是反应器成为推流式，给不同种群 产生甲烷提供了更适宜的基质。b a c h m a n n 等对a b r 做了如图2 1 ( b ) 所示的改进，下 向流室变窄，上相流室加宽，有利于厌氧污泥停留在上向流室内，使反应器成为上流室 污泥床( u p f l o ws l u d g eb l a n k e ，简称u s b ) 系统，水流方向与产气上升方向一致，加强 了对污泥床的搅拌作用，有利于微生物与基质的充分接触，也有利于污泥颗粒的形成【2 6 】； 折板边缘折起将进水引进反应室中心促进混合，有助于实现布水的均匀性。a b r 反应 器的前面隔室中氢气的浓度较高，进而图2 1 ( c ) 所示的各隔室气体单独收集有利于保护 共生菌而加强反应器的稳定性。为了降低费用，o r o z o 等于1 9 9 7 年开发了图2 1 ( d ) 所示 的等间距敞口式折流板厌氧反应器。y a n g 和c h o u 于1 9 8 5 年提出的一种新型a b r 反应 器如图2 1 ( e ) 所示，y a n g 等对这种水平折流板厌氧反应器的的研究发现，此种反应器可 1 3 第二章厌氧折流板反应器( a b r ) 介绍 以有效实现固液两相的分离并且具有占地面积小，操作简单，成本低等特点，适合处理 悬浮固体高浓度的有机废水。为了提高微生物的平均提留时间以高效地处理