（环境工程专业论文）厌氧工艺处理生活污水的研究.pdf

摘要 随着工业化进程和城市化水平的不断提高，水污染问题成为当今世界面l 临的主要 环境问题之一。使用高效厌氧反应器处理生活污水是一种高效节能的手段，有不少研 究者对此进行了大量的研究和探索。 本文通过开展厌氧生物处理试验，考察确定厌氧反应器的启动及稳定运行控制参 数，为厌氧反应器工业化设计提供最佳的设计参数和运行控制参数，分析了厌氧出水 混凝处理情况，确定了最佳混凝剂的筛选和最佳投药量，并对。高效厌氧反应器+ 高 效净水器”工艺处理生活污水的工程应用进行了研究。 采用该工艺处理河北某公司生活污水5 0 m 3 d ，进口污水c o d 为3 0 0 - 4 0 0 m g l ， 处理后出水c o d 5 0 m g l ，系统c o d 去除率达到8 7 4 ，达到了国家标准要求。经 济效益分析表明：工程节水收益3 o 万元a ，水处理费用1 3 7 元m 3 ，年净收益0 9 4 2 万元。 研究表明，该工艺具有运行稳定、净化效率高、出水水质好、流程简单、占地和 投资少、运行费用低等优点。该技术有良好的推广应用前景，并可取得较好的社会效 益、环境效益和经济效益。 关键词：高效厌氧反应器，生活污水，厌氧反应，运行效能 l a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o nr h y t h m sa n du r b a n i z a t i o nl e v e l s , w a t e r p o l l u t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em a j o rp r o b l e m su n i v e r s a l l y i ti sa l le c o n o m i c a la n d e f f i c i e n tw a yt ou s eh i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o ri ns e w a g ed i s p o s a l ， s om a n y r e s e a r c h e r sh a v e b e e nm a k i n gs t u d i e sa n de x p l o r a t i o n si nt h i sf i e l d i nt h i sp a p e r ，t h r o u g he x p e r i m e n t so f b i o l o g i c a la n a e r o b i ct r e a t m e n t ，w ee x a m i n e d a n dd e t e r m i n e dt h es t a r t u pa sw e l la st h ec o n t r o l sp a r a m e t e r si nt h es t a b l eo p e r a t i o no f h i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r i na d d i t i o n ，w ea n a l y z e dt h ec o a g u l a t i o nt r e a t m e n to f a n a e r o b i ce f f l u e n tw a t e r ，a n da l s ow ee x p l o r e dt h et e c h n i c a la p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g y i nt h et r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e rb yu s i n gh i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o rt o g e t h e r w i t he f f i c i e n tw a t e rp u r i f i e r a p p l y i n gt h i st e c h n o l o g yi nac e r t a i nc o m p a n yo fh e b e ip r o v i n c e ，w et r e a t e dp e r d a y3t o n so fd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i t ht h ee f f l u e n tc o d3 0 0 - 4 0 0m g la n da f t e rt h e t r e a t m e n t ，t h ee f f l u e n tc o dw a sl o w e rt h a n5 0m g l t h ec o dr e m o v a lr a t ea r r i v e da t 8 7 4 0 0 ，w h i c hh a sr e a c h e dt h en a t i o n a lr e q u i r e ds t a n d a r d i ti ss h o w nb yt h ee c o n o m i c e f f e c ta n a l y s i st h a tt h ep r o f i tb yw a t e rs a v i n gi s3 0 ，0 0 0y u a np e ry e a r , t h ec o s to f w a t e r t r e a t m e n t1 3 7y u a np e rt o n ，a n dt h en e tp m f i t9 ，4 2 0y u a n p e ry e a r r e s e a r c h e sh a v es h o w nt h a tt h i s t e c h n o l o g yo w n ss u c ha d v a n t a g e s a ss t a b l e o p e r a t i o n ，h i g hc l e a n i n ge f f i c i e n c y ，h i g h - q u a l i t ye f f l u e n tw a t e r ，s i m p l ep r o c e s s , s m a l l c o n t a i n ，l i r l ei n v e s t m e n ta n dl o w w o r k i n g c o s t s i th a sp r o m i s i n gp r o s p e c tf o rp u b l i c i t y a n da p p l i c a t i o n ，a n di tc a nb r i n ga b o u tp r e t t yg o o de f f e c t ss o c i a l l y ，e n v i r o n m e n t a l l ya n d e c o n o m i c a l l y k e yw o r d s ：h i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r ，d o m e s t i cw a s t e w a t e r ，a n a e r o b i cr e a c t i o n ， o p e r a t i o ne f f i c i e n c y - - 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 凑j 电。 矿岁年q 只z 牛日 顾十论文厌氧工艺处理生活污水的研究 1 1 生活污水现状 第1 章绪论 随着工业化进程和城市化水平的不断提高，水资源的过度开发和污染物质的大 量排放，导致了全球水资源的严重缺乏和水环境的不断恶化。水污染问题成为当今 世界面临的主要环境问题之一。 我国地域辽阔，水资源丰富，是世界上少数几个水资源大国，其中地表水资源 名列世界第6 位，但由于人口众多，人均水资源占有量仅为o 2 4 万m 3 ，占有量仅 为世界平均水平的l ，4 ，排名世界第8 8 位，属世界十二个贫水国之一【1 】。全国6 0 0 多个城市中己有一半的城市出现了缺水，有7 0 0 0 多万人口发生饮水困难。而这些有 限的水资源正遭受着来自绝大多数未经处理的城市污水的污染。同时由于水土流失、 围湖造田等自然及人为因素的破坏，一些池塘、水库、江河湖泊出现了泥沙淤积， 蓄水能力减弱，以至于我国每年许多地区时常发生水涝或干旱，给我国经济和人民 生活带来巨大的损失。目前，以上现象已越来越引起社会的极大关注。从地域上来 看，我国8 3 的水资源集中在占全国耕地面积3 8 的长江流域及其以南地区，而黄 河、淮河、海河、辽河等流域耕地占4 2 ，水资源量却只占9 。 另外，我国水资源的浪费也很严重，如制造l t 纸，利用国外先进水平制造，其 中排水量为5 0 2 0 0 t ，b o d 为1 4 2 9 k g ，而在我国来说却需要排出4 0 0 6 0 0 t 的水 和6 0 3 0 0 k g 的b o d ，前后相差几倍到几十倍。而且我国小造纸厂分布众多，技 术水平较低，对资源浪费和排污都比较严重【2 j 。 据统计，我国1 9 8 6 年全国污水排放量为3 3 3 亿t ，1 9 9 0 年为3 5 4 亿t ，到1 9 9 9 年达4 0 1 亿t ，平均年增长率为1 4 ，其中1 9 9 9 年生活污水排放量达2 0 4 亿t ，首 次超过了工业污水的排放量，成为水污染的主要来源【l 一4 1 。大量废水未经处理就直 接排入天然水体，造成了水体的严重污染。在1 4 1 个国控城市河段中，3 6 2 的城 市河段为i 至类水质，其余6 3 8 的城市河段为至劣v 类水质。据估计，我 国每年因水污染所造成的经济损失达4 0 0 亿元。水环境的污染，严重地影响了人民 的身体健康和生活水平的提高，限制了工农业及城市的可持续发展。 随着城市化工业化进程的加快，城市人口迅速增长，生活污水的产生量不断增 加，占到了我国年污水排放总量的7 0 ，由于其排放量大，有机物及氮、磷化合物 含量高，这些营养物质的排入，使得水体中藻类等浮游生物大量生长繁殖，水中溶 解氧急剧下降，产生的富营养化现象，破坏了水体的生态平衡。对水生动物及人类 的健康带来严重的危害。目前，全国河流水环境遭受严重破坏，全国七大江河流域 硕士论文厌氧工艺处理生活污水的研究 的5 0 河段已被污染。同时，随着我国经济发展和城镇建设步伐的加快，生产、生 活用水量急剧增加。根据预测，到2 0 5 0 年，我国城市需水量将达到20 7 0 亿m j ， 同时城市将增加8 5 0 亿i n 3 的污水排放量，污水排放量将高达l2 0 0 亿n ，一大批 省市已经面临日益严重的“水质污染型”缺水，一些地区形成了“经济发展一水体污染 一水质下降”的恶性循环，原始资源型缺水问题日益突出。水环境污染和水资源短缺 已成为严重制约社会经济可持续发展的重要因素。 据报道【5 l ，美国平均每l 万人就拥有一座污水处理厂，欧洲许多国家平均每 50 0 0 80 0 0 人拥有一座污水处理厂，而我国平均每1 5 0 万城镇人口才拥有一座污 水处理厂。由于经济能力不足，对污水处理设施的投入滞后，我国目前的城市污水 处理率较低。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年，全国4 6 个环保重点城市的污水处理率仅为2 0 3 和2 4 7 ，其他城市的污水处理率更低 6 1 。至1 9 9 8 年底，我国建成并运行的污水处 理厂仅2 6 6 座，城市污水处理量2 9 亿t ，仅占当年生活废水排放量1 9 4 8 亿t 的 1 5 t ”。并且，长期以来，我国城市污水处理厂主要侧重于考虑其处理功能，而往 往忽略了由此产生的资源消耗、能源消耗和环境污染问题。我国经济持续发展和人 口持续增加势必导致城市污水处理厂的规模和数量都将扩大，大量土地被征用于建 设污水处理厂，大量建筑材料被用于处理设施的建造，大量能源被用来维持污水处 理厂的正常运转。 因此，在大力推广和开发节水技术、开发多途径水资源化新技术的同时，研究 建设费用低廉、节能和运行管理方便的城镇污水新工艺和新流程已成为我国城镇污 水处理技术研究的重要方向。 1 2 生活污水处理技术现状 1 2 1 概述i f - l o j 生活污水处理一般采用传统的二级生物处理技术，运用最为广泛的主要包括普 通活性污泥法和生物滤池，普通活性污泥法处理流程和运行管理复杂，基建费和运 行费较高；生物滤池也是一种传统的污水处理方法，具有节约能耗、易于建造和运 行方便等优点，但缺点是处理负荷低、占地大、易堵塞、造价较高、敞口运行易滋 生蚊蝇。鉴于上述因素，特别是能源危机和对环境质量要求的日益提高，也就限制 了上述技术的可持续应用和推广。 近年来，工业化进程的加快，生活污水水质日趋复杂，对生活污水的脱氮除磷 处理也越来越受到重视，世界各国也对此进行了大量的研究工作，开发出许多城市 污水的处理工艺技术如b a r d e n p h o 工艺、p h o r e d o x 工艺、u c t 工艺、a o 工艺、 a a o 工艺、c a s s 工艺、s b r 工艺、氧化沟工艺等等，污水处理效果有了明显改 顽士论文厌氧工艺处理生活污水的研究 善，但是，上述技术仍未改变占地大、基建费高、运转费用高的状况，致使许多城 市难以筹资兴建污水厂，或因成本高而难以峰持运转。因此，研究建设费用低廉、 节能和运行管理方便的生活污水处理新工艺和新流程已成为我国生活污水处理技术 研究的重要方向。 厌氧处理技术由于无需曝气，污泥产量少，又可回收沼气而成为国内外普遍关 注的节能污水处理技术。厌氧生物处理技术用于工业及城市污水处理已有百多年的 历史，但由于常规厌氧技术效率低、处理效果不甚理想，因此推广较慢。但近三十 年来厌氧技术突飞猛进，其研究、开发速度大大高于好氧技术，取得一系列重大突 破。厌氧技术在高浓度可生化有机废水处理方面，具有无与伦比的优越效果，在国 际国内得到普遍的认同，在国外应用广泛，在我国也日益受到重视。同时厌氧技术 还被应用于难降解有机废水的预处理及深度有机废水的预处理。与好氧生物处理及 其他技术相比，厌氧技术具有：无能耗或低能耗( 只需对污水作提升) 、污泥产量低( 仅 为好氧法的1 3 左右) 和能产生可供利用的沼气等优点。由于浓度低，沼气产量少， 以及厌氧技术发展相对滞后，污水厌氧处理技术应用相对较少。但由于好氧处理技 术投资、运行费用高和污泥产量大，污水处理采用厌氧技术已越来越引起人们的关 注。特别是近年来随着微生物学、生物化学等学科的发展，人们对厌氧生物处理技 术的研究不断深入，推动了以微生物固定化和提高污泥与污水混合效率为基础的一 系列高速厌氧反应器( h i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r ) 的研究和发展。特别是在升流式厌氧 污泥床( 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 ，以下简称u a s b ) 反应器基础上开发的内循 环( i n t 豇n a lc i r e u l a t i o n ，以下简称i c ) 厌氧反应器及颗粒污泥膨胀床( e x p 锄d c d g r a n u l a rs l u d g eb e d ，以下简称e g s b ) 反应器，被各国专家、学者认定为最有发展 希望的反应器。该种类型反应器除具有u a s b 反应器的全部特性外，还具有以下特 征： ( 1 ) 高的液体表面上升流速，改善了反应器的水流状态，c o d 净化效果高、去 除负荷高； ( 2 ) 厌氧污泥颗粒粒径较大；反应器抗冲击负荷能力强； ( 3 ) 反应器的结构设计，具有较高的高径比，占地面积小； ( 4 ) 可用于s s 含量高的和对微生物有毒性的废水处理。 高速厌氧反应器的出现推动了厌氧处理技术在高浓度有机废水处理领域的进一 步发展，并且这类反应器在低浓度有机废水的处理方面也表现出巨大的发展潜力。 现代高速厌氧工艺的出现使城市污水的厌氧处理重新成为人们关注的热点。 著名厌氧消化专家g l 肌i i l g a 教授断言：厌氧生物处理技术如果有合适的后处 理方法相配合，可以成为分散型生活污水处理模式的核心手段，这一模式较之于传 颂十论文厌氧工艺处理生活污水的研究 统的集中处理方法更具有可持续性和生命力。在1 9 9 7 年第8 届国际厌氧会议上有研 究者将生活污水( 典型的低浓度有机废水) 的厌氧处理列为厌氧技术发展的一个新领 域。并正在逐步为世界各国所认同，尤其适合发展中国家的情况。考虑到我国当前 资金短缺、能源不足与污染日益严重的现状，厌氧处理技术在我国污水处理领域将 具有很大的发展前景，值得大力推广应用。 1 2 2 活性污泥法 活性污泥法【1 1 】是一种应用最广泛的废水好氧生化处理技术，常用为废水处理系 统中的第二级处理工艺。主要由曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统 等组成( 如图1 1 ) 。废水经初次沉淀后与二次沉淀池底部回流的活性污泥同时进入曝 气池，通过曝气，活性污泥呈悬浮状态，并与废水充分接触。废水中的悬浮固体和 胶状物质被活性污泥吸附，而废水中的可溶性有机物被活性污泥中的微生物用作自 身繁殖的营养，代谢转化为生物细胞，并氧化成为最终产物( 主要是c 0 2 ) 。非溶解 性有机物需先转化成溶解性有机物，而后才被代谢和利用，废水由此得到净化。 污泥处理工序 剩余活性污泥 t ： 空气 l 一一 污泥处刍工序 回流污泥 1 2 3 改良的s b r 工艺 图1 1 活性污泥法工艺基本流程 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ) l l “，即序批式活性污泥法，是早期充排式反 应器( f i l l d r a w ) 的一种改进，比连续流活性污泥法出现的更早一些，1 9 8 5 年我国 第一座s b r 处理设施运行。该工艺法集进水、曝气、沉淀、滗水、闲置功能在一个 池子中完成。一般由多个池子构成一组，各池工作状态轮流变换，单池由撇水器间 歇出水，故又称为序批式活性污泥法。该工艺将传统的曝气池、沉淀池由空间上的 分布改为时间上的分布，形成一体化的集约构筑物，并利于实现紧凑的模块布置， 颂士论丈厌氧工艺处理生活污水的研究 最大的优点是节省占地。另外，该工艺系统组成较为简单，无淤泥回流设备，反应 推动力大，可实行计算机自动控制。 s b r 经过不断演变和改良，又产生或同期发展为c a s s ( c y c l i c a c t i v a t e ds l u d g e s y s t e m ) 和c a s t q ：c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ) 等以及d a t i a t ( d e m a n d a e r a t i o n t a n k - - i n t e r m i t t e n t a e r a t i o n t a n k ) 工艺，运行效果进一步改善。随着自动化 技术的发展和p l c 控制系统的普及化，s b r 类工艺的工程应用实现了自动化控制， 进人了一个新的时代。 但是，s b r 类工艺毕竟对自动化控制要求很高，并需要大量的电控阀门和机械 撇水器，稍有故障将不能运行，一般须引进部分关键设备。由于一池有多种功能， 相关设备在一段时间内不得已而闲置，曝气头的数量和鼓风机装机功率必须增大。 对于一些中小规模、可以引进部分关键设备，具有一定管理水平的城市污水厂， 改良的s b r 可以成为一种优选工艺，节省用地、可提高出水水质指标。 1 2 4 氧化沟工艺 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ，o d ) 0 3 l 为一种封闭的沟渠型结构，污水和活性污泥 的混合液在其中不断的循环流动，因此又称为“环形曝气池”。 氧化沟大体可分为4 类：多沟交替式，系合建式，采用转刷曝气，无单独的二 沉池；卡鲁赛尔式，系分建式，采用表曝机曝气，有单独的二沉池，沟深大于多沟 交替式；奥贝尔式，系多建式，采用转碟曝气，沟深较大，有单独二沉池；一体化 式，不设初沉池和单独的二沉池，集曝气沉淀，泥水分离和污泥回流功能为一体。 氧化沟一般不设初沉池和污泥消化池，具有结构简单、工艺稳定，管理方便、 有机物去除率较高、具有脱n ，除p 功能、综合指标较优的特点，适用于中小规模 的低负荷污水处理厂。 上述工艺虽然在处理城市生活污水方面取得了一些进步。但从研究及应用情况 看，这些技术投资大、运行费用高的状况未能从根本上的到解决。因此，迫切需要 一种简单有效、投资省、运行费用低的生活污水处理技术来解决水环境质量的日益 恶化问题。厌氧生物技术是一种有机负荷高、净化效率高、基本投资小和运行费用 低的高效生物净化技术，在处理高浓度有机废水时得到了成功的应用。人们正在尝 试应用在厌氧生物技术对低浓度有机废水的处理，现在已成为人们关注的热点。 1 2 5 a b 工艺 a b 工掣1 4 1 由污泥负荷率很高的a 段和污泥负荷率较低的b 段组成，各设有独 立的污泥回流系统。a 段中絮凝吸附作用为主，生物降解为辅，对污水中b o d 5 去 硕十论文厌氧工艺处理生活污水的研冤 除率可达4 0 7 0 ；b 段为常规活性污泥法，由此构成的工艺为常规a b 法。b o d 5 去除率为9 0 以上，t p 去除率为5 0 7 0 ，t n 去除率约为3 0 4 0 ，其脱氮 除磷效果比常规活性污泥法好，但不能达到防止水体富营养化排放标准，所以可把 b 段设计成脱氮除磷工艺：如以脱氮为重点，则a b 工艺为a + a i o 工艺；如以除 磷为重点a b 工艺为a + a 2 o 工艺；如氮、磷增多需高效去除，则a b 工艺为a 2 ，o 工艺 a b 法工艺较适合于污泥浓度高、具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的 城市污水处理厂，有明显的节能效果。对于有脱氮要求的城市污水处理厂，一般不 宜采用。 1 2 6 a b r 工艺 a b r 工艺【1 5 】是一种高效厌氧处理工艺，具有结构简单，生物截留能力强等优点。 该反应器通过隔板被分为若干个隔室，处理高浓度废水时，位于反应器前端的隔室 中，主要以水解及产酸菌为主；而在后面的隔室中，则以甲烷菌为主【1 6 1 ，h y u 等人 利用一种可变动的a b r 系统处理了生活污水。在h r t 为4 h 时，其c o d 去除率在 6 8 7 8 2 3 之间变化，沼气产量为0 0 9 0 3 0m 3 m 3 d ；出水s s 含量随着h r t 的缩短而增大，当h r t 大于5 h 时，出水s s 含量小于4 0 m g l 1 2 7a 2 o 工艺 a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i e ) 工掣1 7 1 ，即厌氧缺g 好氧工艺，a 2 o 工艺将 生物反应池分为厌氧段、缺氧段和好氧段。a 2 o 工艺是通过厌氧、兼氧和好氧交替 变化的环境，完成除磷脱氮反应在厌氧条件下，回流污泥中的聚磷菌受到抑制，只 能释放体内的磷酸盐获取能量，以吸收污水中的可快速生物降解的溶解性有机物来 维持生存，并在细胞内将有机物转化为p h b 贮存起来，在这个过程中完成了磷的厌 氧释放：在缺氧条件下，反硝化细菌利用污水中的有机碳作为电子供体，以硝酸盐 作为电子受体进行“无氧呼吸”，将回流液中硝态氮还原成氮气释放出来，完成反硝 化过程；在好氧条件下，一方面聚磷菌将体内的p h b 进行好氧分解，释放的能量用 于细胞合成、增殖和吸收污水中的磷合成聚磷酸盐，随剩余污泥排出系统，从而实 现污水的脱磷；另一方面硝化菌把污水中的氨氮氧化成硝酸盐，a 2 o 工艺的特点是 将除磷、脱氮和降解有机物3 个生化过程巧妙地结合起来，在厌氧和兼氧段为除磷 和脱氮提供各自不同的反应条件，在最后的好氧段为3 个指标的处理提供了共同的 反应条件，这就能够用简单的流程，尽量少的构筑物完成复杂的处理过程，给工程 实施创造方便条件。 颂十论文 厌氧丁艺处理生活污水的研究 a 2 0 工艺处理效率较高，适用于要求脱氮除磷的大中型城市污水厂，但基建费 和运行费均高于普通活性污泥法，运行管理要求高，所以对目前我国国情来说，当 处理后的污水排入封闭性水体或缓流水体引起富营养化从而影响给水水源时，采用 该工艺。 1 3 厌氧处理技术现状及进展 厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物的代谢特性分解有机污染物，在不需要提 供外源能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气 体的一种处理技术。厌氧生物处理过程的实质是一系列复杂的生物化学反应，其过 程包括水解酸化阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段，各阶段都由特定的生物菌群完成。 其中的底物、各类中问产物以及各种群微生物间的相互作用，形成一个复杂的微生 物生态系统。各类微生物的平稳生长、物质和能量流动的高效顺畅是维持厌氧过程 稳定的必要条件。如何培养和协调相关各类微生物的平衡生长，最大程度地发挥其 中的微生物代谢活性，并拓宽适用范围，是厌氧反应器开发和发展的基本思想和工 作目标。 该技术用于城市污泥处理至今已有一百多年的历史，到1 9 5 1 年有人提出了厌氧 接触消化工艺，厌氧处理技术较大规模地用于有机废水处理开始于6 0 年代末，期间 人们对厌氧消化的微生物学和生物化学认识得到了逐步深入和完善；在厌氧消化工 艺方面，新型高效厌氧反应器的开发应用，使厌氧消化技术在废水处理方面取得了 很大进展。人们将5 0 年代发展的厌氧消化池称为第一代厌氧反应器，第二代厌氧反 应器则以6 0 年代末美国m c c a r t y 发展的厌氧过滤器【l 引、7 0 年代初荷兰 等开发的u a s b ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g em a n k e t ) 脚t ”】为代表。近年来报道的 e g s b ( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) 【2 0 】反应器和t c o n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 反应器则被 认为是第三代反应器，其性能较第二代反应器又有了明显改善。第二代、第三代厌 氧反应器和传统的厌氧消化装置相比，其特点突出的表现在：能维持较长的 s r t ( s o l i dr e t e n f i o n t i m e ) 和较高的生物量，从而大大提高了容积有机负荷，缩短了 h g t ( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) ，同时厌氧生物处理的范围也从局限于污水污泥的消 化发展到各种高浓度有机废水处理甚至低浓度的生活污水的处理【2 1 1 厌氧消化技术 的发展突破了厌氧处理需要较长的水力停留时间、较高反应温度和容积负荷较低等 传统观念，引起了人们越来越大的兴趣阱2 3 1 。尤其是a f ( a n a e r o b i ef i l t e r ) 和u a s b 厌氧反应器，近年来在世界范围内各种高浓度有机废水的处理中均得到了广泛的应 用 2 4 2 5 1 。 硕士论文 厌氧工艺处理生活污水的研究 1 3 1 第一代厌氧反应器 第一代的厌氧生物处理，重点是解决污水废污泥的处理问题。1 8 6 0 年法国人 l o u i sm o u r a s 将简易沉淀池改进为污水处理构筑物。1 8 9 5 年，英国的c a m e r o n 创造 了一种类似m o u r a s 自动净化器的构筑物，被命名为化粪池 2 6 1 。此后不久，t r a c i s 提出了一种将污水沉淀消化分别在上下2 层的双层构筑物。1 9 0 4 年德国的l m h o f f 又加以改进成为双层沉淀池( 隐化池) 。到1 9 2 7 年，r u h r v e r b a n d 在专用的消化池中 采用污泥加热装置之后，使得这种消化池得以推广。这一工艺至今在排水工程中处 理小流量污水时还占有一定的地位。进入3 0 年代，人们对厌氧处理系统的接种物和 p h 值控制等方面有了更深入的了解，因此大规模专用的、带加热装置的城市污水污 泥消化系统迅速发展起来，并得到了广泛的推广和应用。到1 9 5 0 年，m o r g a n 和t o r p e y 的研究成果导致了厌氧消化池中搅拌装置的广泛应用【2 6 】。上述这些反应器后来被统 称为第一代反应器。 由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，而厌氧消化池无法将水力停留时间和 污泥停留时间分离，由此造成水力停留时问必须较长，一般来说，第一代厌氧反应 器处理废水的停留时间至少需要2 0 3 0 天。典型第一代厌氧反应器的主要技术指标 见表1 1 。 表1 1 第一代厌氧反应器的主要技术性能闭 1 3 2 第二代厌氧反应器l 嬲1 随着生物发酵工程中固定化技术的发展，人们认识到高效厌氧系统必须满足的 条件之一是反应器内能保持大量的活性厌氧污泥，于是出现了基于微生物固定化原 理的高效厌氧反应器。第一个突破性发展出现于2 0 世纪6 0 年代末，y o u n g 和m e c a r t y 发明了厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r 简称a f ) 。2 0 世纪7 0 年代以来，厌氧处理的最大 突破是荷兰农业大学环境系l e t t i n g a 等发明的上流式厌氧污泥床( u p - f l o wa n a e r o b i c s l u d g eb e d ，简称u a s b ) 。这些反应器称为第二代反应器。它们的一个共同特点是 可将s r t 与h r t 相分离，其s r t 可长达上百天，而h r t 缩短到几小时，很大程度 地提高了厌氧反应器的负荷和处理效率，反应器容积大为缩小，从而有利于厌氧技 硕士论文厌氧工艺处理生活污水的研究 术用于工业化的废水处理。由于s r t 的延长与污泥浓度的提高，使厌氧系统稳定性 更好，有效地增强了对不良因素( 例如有毒物质) 的适应性，因此，厌氧废水处理技 术得以很快推广，成为水污染防治领域里一项有效的新技术。 但是，第二代厌氧反应器也有不足。以u a s b 为例，当进水无法采用高的水力 负荷和有机负荷的情况下，就会造成进水和产气的搅拌作用减少，污泥床内的混合 强度降低，可能出现短流效应，这种情况使该类反应器的应用受到限制。针对这一 类问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发与应用。 第二代厌氧反应器的一个共同特点是分离了固体( 污泥) 停留时间与水力( 废 水) 停留时间，固体停留时间可以达至上百天，从而使反应器处理高浓度有机废水 所需要的时间由过去的以天计缩短到以小时计。第二代厌氧反应器的主要技术性能 如表1 2 所示。 表1 2 第二代厌氧反应器的主要技术性能 1 3 3 第三代厌氧反应器 第三代反应器与第二代反应器并无明显划分标准，一般是在第二代反应器f 如 u a s b 和a f 等) 的基础上改进而成。主要是通过增加反应器的高径比，对反应器进 行分段和在反应器内部增加三相分离器等改进手段，使进水和污泥之间能始终保持 良好地接触。 这一代反应器的主要类型有：厌氧流化床( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d ，简称a f b ) ， 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 ) ，厌氧折流板反应器 ( a n a e r o b i cb a f f l c dr e a c t o r ，简称a b r ) ，厌氧内循环反应器( ( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n a n a e r o b i cr e a c t o r ，简称i c ) 等等。 高效厌氧反应器中不仅要分离污泥停留时阃和平均水力停留时问，还应该使进 水和污泥之间保持充分的接触。厌氧反应器中污泥与废水的混合，首先取决于布水 系统的设计，合理的布水系统是保证固液充分接触的基础。与此同时，反应器中液 硕士论文厌氧工艺处理生活污承的研究 体表面上升流速、产生沼气的搅动等因素也对污泥与废水的混合起着极其重要的作 用。例如，当反应器布水系统等已经确定后，如果在低温条件下运行，或在启动初 期( 只能在低负荷下运行) ，或处理较低浓度有机废水时，由于不可能产生大量沼气 的较强扰动，因此反应器中混合效果较差，从而出现短流。如果提高反应器的水力 负荷来改善混合状况，则会出现污泥流失。这些正是第二代生物厌氧反应器的不足。 正是为了解决这一问题，9 0 年代初在国际上以厌氧颗粒污泥膨胀床反应器 ( 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 ) 【3 删及内循环厌氧反应器( i n t e r n a l c i r c u l a t i o n 简称i c ) 4 1 - 4 5 为典型代表的第三代厌氧反应器相继出现，与第二代反应 器相比其特点体现在以下几个方面： ( 1 ) 微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器中，反应器单位容积的生物 量高。 ( 2 ) 具有较大的高径比，一般在5 l o 以上，占地面积小。 ( 3 ) 液体表面上升流速较大，能承受更高的水力负荷，并具备较高的有机污染 物净化效能。 ( 4 ) 在温度、基质浓度较低的条件下，可取得较好的处理效率。 ( 5 ) 动力消耗小。 第三代厌氧反应器的主要技术性能如表1 3 所示。 表1 3 第三代厌氧反应器的主要技术性能1 3 5 】 1 4 厌氧技术在生活污水处理中的应用 用厌氧技术处理城镇生活污水已有多年，在我国南方地区得到了推广，使这项 处理技术逐步成熟。目前，我国城镇生活污水净化池采用厌氧技术，具有不耗能， 占地少、投资分散、操作简单、管理方便、出水基本达标等特点i 4 6 1 。随着世界能源 危机的爆发，厌氧处理技术由于能耗低，污泥产量少，又可回收沼气而成为国内外 普遍关注的节能污水处理技术。近年来，在国内外工业高浓度有机废水处理方面得 硕士论文厌氧工艺处理生活污水的研究 到较为广泛的应用，在消除污染保护环境方面发挥了重要作用。 在我国，别是中小城市的污水处理，受经济技术条件的局限，绝大多数的未得 到治理，造成的环境污染已成为制约区域社会经济发展的主要因素。因此，以厌氧 技术为核心，开发科技含量高，设备国有化程度高，处理后水质质量高；造价低， 运行费低，占地面具少的城市污水处理技术具有重要的现实意义，且具有广阔的应 用前景。 1 4 1u a s b 反应器处理生活污水 u a s b 反应器是荷兰w a g e n i n g e n 农业大学的l e t t i n g a 等人于1 9 8 0 年初研制成 功的。图1 2 是u a s b 反应器的构造示意图。 _ 热苎 进水k 图1 2u a s b 反应器的构造示意图 废水由反应器底部进入，反应器主体为无填料的空容器，其中含有大量高活性 厌氧污泥( 下部为污泥床层，上部为悬浮污泥层) 。由于废水以一定流速自下向上流 动以及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，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，由于沼气己从废水中分离，沉降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沉降面返回反应器主体 部分，从而保证了反应器内高的污泥浓度。含有少量较轻污泥的废水从反应器上方 排出 l e u i n g a 等人【3 1 1 于1 9 7 9 年开始用上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器处理生活污 水的研究。采用1 2 0 l 的反应器，接种颗粒污泥，在温度为8 2 0 ，水力停留时间 为1 2 h 的运行条件，c o d 的去除率达6 5 8 5 ，即使在雨季也可达到5 0 7 0 。 此后进行了6 m 3 反应器的运行试验，证明了在1 5 c 以上均可获得较好的处理效果。 顾士论文厌氧工艺处理生活污水的研宄 1 9 8 9 年b a r b o s a 等人【4 7 1 利用城市污水中的悬浮物的沉降积累作为u a s b 反应器接种 污泥，实现了反应器的顺利启动，在水温1 8 2 8 。c ，h r t4 h 的条件下，经过9 个 月的运行，实现了反应器污泥床颗粒化，颗粒污泥粒径达到8 m m ，c o d 去除率为 7 4 。b c h l i n g 等人m 】的中试结果表明，采用u a s b 反应器处理城市污水，在常温 下，h r t 为7 6 h ，c o d 平均去除率为8 5 。 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 自7 0 年代发明以来，由于其良好的处理效果，一直 成为国内外研究的热点 4 7 一引，并己广泛应用于各类废水的处理，特别是高浓度有机 废水的处理中。u a s b 在9 0 年代开始应用于处理生活污水i 粗5 0 】，并已在巴西、墨 西哥、哥伦比亚等热带亚热带国家建设了多座以u a s b 为主体的城市污水处理厂， 运行效果良好1 5 1 - 5 2 1 。 近年来国内一些单位也已开展了这方面的研究工作。北京环境保护科学研究所 开发了厌氧水解好氧工艺。中国市政工程西南设计院较早地开始了厌氧法处理生活 污水的研究，最近又研究了厌氧好氧系统，该系统的厌氧段在冬季8 1 3 和h r t 为3 4 h 的条件下，总c o d 去除率为3 5 9 5 0 2 。赵建夫等人 5 3 1 采用u a s b 反 应器处理生活污水，重点考察了温度对运行效果的影响，当温度1 5 0 c 以上时，h r t 为3 h ，c o d 去除率可达7 5 以上，当温度为1 0 1 4 0 c 时，h r t 达8 h ，去除率为 6 4 左右。陈学民等人【5 4 】在常温( 1 5 2 3 0 c ) 下，利用某污水处理厂的初沉池污泥 和消化污泥共同接种u a s b 反应器，在较短的时间内启动了反应器，经一段时日j 运 行后虽然反应器中污泥未实现颗粒化，但絮状污泥仍然使系统运行良好，污泥床稳 定，h r t 为5 3 h 时，c o d 去除率达7 7 。郭晓磊等人【5 列使用某污水处理厂浓缩池 好氧污泥接种u a s b 反应器，对极低浓度的生活污水( c o d 为1 6 9 r o g l ) 进行研究， 结果表明，用u a s b 反应器处理极低浓度的生活污水也是可行的。 u a s b 反应器也有很多缺点，如：启动周期长，处理过程的初期很有可能会有 絮状污泥溢出，并且u a s b 反应器要稳定运行需要熟练的操作技巧。 1 4 2 厌氧滤池( a f ) a f 是美国斯坦福大学的2 位学者首先研制的，是采用填充材料作为微生物载 体的一种高速厌氧反应器。厌氧菌在填充材料上附着生长形成生物膜，生物膜与填 充材料一起形成固定的滤床，其结构与原理类似于好氧生物滤床。图1 3 为上流式 厌氧滤池示意图。废水进人反应器底部并均匀布水，在向上流动的过程中，废水中 的有机物被生物膜吸附并分解，进而通过微生物的代谢作用将有机物转化为甲烷和 二氧化碳。沼气和出水由反应器上部分别排出。填料表面的生物膜不断生长，部分 老化的生物膜剥落随出水排出，在反应器后设置的沉淀池中分离成为剩余污泥。 硕七论文厌氧工艺处理生活污水的研究 厌氧滤池可维持较高的生物量和较小的s r t ，且具有耐冲去击负荷、设备简单、 能耗低、运行管理方便等特点。据b o n a s t r e 和p a r i s 5 0 】报道，至1 9 8 9 年至少有3 0 多个厌氧滤池用于工业规模的废水处理，其c o d 负荷通常在5 1 2 k g ( m 3 d ) 。 k u n i y a s u k 等人【5 6 1 用小型的浸没式厌氧滤池加好氧滤池处理系统，进行单住户生活 污水的中水回用，取得了满意的效果。我国钱易等1 5 2 1 用弹性立体材料，进行了厌氧 生物滤池处理生活污水的小型实验。结果表明，厌氧生物滤池可以在低温( 9 5 1 5 5 0 c ) 条件下成功启动，启动期为6 0 天，常温下厌氧生物滤池能有效的去处有机 污染物。 图1 3 上流式厌氧滤池示意图 出水 填料 1 4 3 升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池复合厌氧工艺c o a s b + a d 升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池复合厌氧工艺( u a s b + a f ) 是在同一反应器内 将升流式厌氧污泥床( u a s b ) 与厌氧生物滤池( a f ) 有机结合在一起的复合式厌氧处 理工艺【弘诣l 。如图1 4 所示，反应器底部是设有或没有三相分离器的升流式厌氧污 泥床，上部是厌氧生物滤池。污水从反应器底部进入，向上流经污泥床的污泥层， 经过滤池的滤料层后排出。 u a s b 州虹复合厌氧工艺同时具有u a s b 和a 1 e 的优点，既能充分发挥厌氧污 泥床内颗粒污泥吸附能力强、沉降性能好的优势，又能充分利用生物滤池截留生物 污泥和