（环境工程专业论文）egsb生物接触氧化联合工艺处理果汁废水试验研究.pdf

摘要 果汁生产废水中的污染物种类繁多，主要含有水溶性的多糖类物质、果胶、果渣、 纤维素、苹果酸以及少量的矿物质等，废水的粘性大，c o d 、s s 含量较高，p h 值较低， 该类废水若不经处理直接排入水体，将会导致周围水体有机酸的大量积累，使水环境质 量严重恶化，威胁人体健康并阻碍相关工业发展。因此为该类废水寻找一条切实可行的 处理工艺，已成为现阶段国内外环境保护领域噬待解决的重要课题。 试验在广泛查阅相关资料，仔细研读国内外废水处理最新科研成果的基础上，结合 陕西省果汁生产厂废水处理工艺的运行现状，分析废水处理工艺中存在的实际问题，提 出采用“e g s b + 生物接触氧化 联合工艺处理果汁废水。试验对e g s b 反应器和生物接 触氧化反应器的启动及联合工艺进行了试验研究，得出了联合工艺的最佳运行参数，并 初步分析了联合工艺的技术经济可行性。 试验研究发现：采用处理葡萄糖废水的颗粒化污泥作为e g s b 接种污泥，可在两周 内完成微生物的快速驯化；控制进水碱度在2 5 0 0 m g l 左右，能够有效防止反应器的酸 化现象；e g s b 反应器出水中的v f a 浓度随着反应器负荷的提高而升高；e g s b 出水p h 值能够反映系统是否稳定运行，本试验出水p h 在7 左右时，反应器处理效果最佳。 生物接触氧化反应器采取接种挂膜方式挂膜，挂膜成功后，控制反应器内的温度在 2 0 ( 2 左右，进水p h 为6 , - - - , 9 ，溶解氧5 m g l ，水力停留时间1 0 h ，营养物质的投加量为： c o d ：n ：p = - 3 0 0 ：5 ：l ，结果表明：工艺运行状况良好。 “e g s b + 生物接触氧化 联合工艺试验结果表明：e g s b 反应器最佳水力停留时间 为2 0 h ，生物接触氧化反应器水力停留时间为1 0 h ，出水c o d 为9 0 m g l 左右，b o d 。在 2 5 m g l 以内，s s 浓度不超过5 0 m g l ，p h 为6 6 - - 7 4 ；联合工艺出水c o d 总去除率达 到9 9 以上，出水水质达到国家污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 一级排放标准。 因此，本研究为工程实际应用提供了科学的工艺技术路线，且有广阔的应用前景。 本文在实验数据的基础上推导出e g s b 反应器处理果汁废水出水基质降解动力学 模型为：喾= o 0 2 2 9 ( s 。一2 2 1 ) ：产气动力学模型为：g = 0 0 0 0 3 ( s 。一s e ) q + 1 2 5 7 5 ； 生物接触氧化基质降解动力学模式为：u = 百丽- i 3 i 0 0 面2 s 丽e 。 关键词：果汁废水、e g s b 厌氧反应器、生物接触氧化反应器、联合工艺、动力学模型 a b s t r a c t t h e r ea r e m a n y k i n d so fi n f e c t a n ti n j u i c ew a s t e w a t e r m a n y o ft h e ma r e p o l y s a c c h a r i d e ，p e c t i n ，f r u i td r e g ，c e l l u l o s e ，m a l i ca c i d a n dl i t t l e m i n e r a l s ，i th a v i n gs t r o n g v i s c o s i t y ，l o wp h ，h i 曲c o da n gh i g hs s ，i fi ti sd i s c h a r g e dd i r e c t l yi n t ow a t e rw i t h o u tt r e a t e d ， i tw i l ll e a dt oal a r g en u m b e ro fa c c u m u l a t i o no fo r g a n i ca c i d si ns u r r o u n d i n gw a t e r , t h e ni t 谢1 1m a k es e r i o u sd e t e r i o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ta n dt h r e a tt oh u m a nh e a l t ha n dr e l a t e d i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t s of i n g d i n gaf e a s i b l ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea c u r r e n tp r o b l e mo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i e l da th o m ea n da b r o a d t h r o u g hw i d e l yl o o k i n gu pr e l e v a n ti n f o r m a t i o n ，p e r u s i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n to ft h e l a t e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，c o m b i n a t i n gt h ec o n d i t i o n so fj u i c ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s so fs h a n x ip r o v i n c e ，a n da n a l y z i n gp r o b l e m so fp r a c t i c a lp r o c e s s i ti sp r o p o s e dt h a t u s i n g ”e g s b + b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n j o i n tp r o c e s st r e a tj u i c ew a s t e w a t e r e g s br e a c t o r a n db i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nr e a c t o rs t a r t u pa n dj o i n to p e r a t i o nw e r es t u d i e d f o u n dt h e o p t i m u mo p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h ej o i n tp r o c e s s a n da n a l y z e dt h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t yo f j o i n tp r o c e s s e x p e r i m e n t a ls t u d yf o u n d ：t h eg r a n u l a rs l u d g eo ft r e a t i n gw a s t e w a t e ro fg l u c o s ee m p t y i n t oe g s ba st h ei n o c u l a t i o ns l u d g e ，i tc a nc o m p l e t ed o m e s t i c a t i o ni nt w ow e e k s ，i ft h e b a s i c i t yo fe g s bi su pt o2 5 0 0 m g l ，i tw i l ln o tb ea c i d i f i c a t i o ni nt h ep r o c e s so fi n c r e a s i n g o r g a n i cl o a d t h ev f ac o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n tw a t e rw i l li n c r e a s ew h e nt h eo r g a n i cl o a do f r e a c t o ri n c r e a s e t h ep ho fe f f l u e n tw a t e rc a l lr e f l e c tw h e t h e rt h es y s t e mi ss t a b l eo rn o t i nt h i s e x p e r i m e n t , t h eo p e r a t i o no fe g s bi st h eb e s tw h e nt h ep h o fe f f l u e n tw a t e ri s7 b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nr e a c t o ra d o p ti n o c u l a t i o nm e t h o dt oc u l t i v a t eb i o l o g i c a l m e m b r a n e ，t h em e t h o di ss u c c e s si nt e nd a y s w h e nt h et e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e di n2 0 c ，t h e p ho fe f f l u e n tw a t e ri sc o n t r o l l e di n6 - 9 ，d oi sc o n t r o l l e di ns m e l l ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e i sc o n t r o l l e di n 1 0 h ，a d d i n gn u t r i e n t sq u a l i t y ：c o d n ：p = 3 0 0 ：5 - 1 ，t h eo p e r a t i o no f b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nr e a c t o ri so p t i m u m w h e n ”e g s b + b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n j o i n tp r o c e s si ss t a b l eo p e r a t i o n ，t h eb e s t h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo fe g s bi s2 0 h ，a n dt h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o ni s10 h ，t h ec o d c o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tw a t e ri s9 0 m g l ，b o d 5i sl o w2 5 m g l ，s si sl o w5 0 m g l ，p hi s 6 6 - - 7 4 ，t h ec o d o fe f f l u e n tw a t e ri sr e m o v e da b o v e9 9 ，e f f l u e n tw a t e rc o m e su pt ot h e s t a n d a r d t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c hp r o v i d e ss c i e n t i f i ct e c h n o l o g yr o u t ef o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n ，a n dh a v eb r o a dp r o s p e c t s i i e f f l u e n tw a t e rm a t r i x - d e g r a d i n gd y n a m i cm o d e li nt r e a t i n gj u i c ew a s t e w a t e ro fe g s b 舔 f o l l o w e d ： 可s 0 - f s , = o 0 2 2 9 ( s 。一2 2 1 ) ， g a sd y n a m i c sm o d e la sf o l l o w e d ： g = 0 0 0 0 3 ( s o s e ) q + 1 2 5 7 5 ； e f f l u e n tw a t e rm a t r i x d e g r a d i n gd y n a m i cm o d e li n 仃e a t i n gj u i c ew a s t e w a t e ro f b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o na sf o l l o w e d ： u ：二! 塑羔_ 1 4 6 0 8 + 0 9 9 3 8 s , k e yw o r d s ：j u i c ew a s t e w a t e r , 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 ) ，b i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o nr e a c t o r , j o i n tt e c h n o l o g y ，d y n a m i cm o d e l 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： 京忙辟0 一夕年于月。e t 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 潍埽小7 年专月，e l 导师签名：1 彬冻 1 耵肋日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 果汁是以新鲜水果或干果为原料采用压榨或其他方法取得的汁液，果汁含有水果中 最有营养价值的成分，对人体健康大有裨益，因此果汁已成为许多国家的主流饮料。果 汁饮料始于1 9 世纪末2 0 世纪初，作为一种新兴的营养饮料，发展速度很快，将成为世 界饮料工业的发展方向【。 我国苹果资源丰富，苹果产量位居世界第一位，现已成为世界苹果生产基地。目前 已形成渤海湾、西北黄土高原、黄河故道和西南冷凉高地等四大苹果主产区 2 1 。近年来 苹果种植面积已经超过3 0 0 0 万亩，年产苹果2 5 0 0 多万吨，占世界苹果总产量的5 0 ， 资源优势十分明显。 果汁行业在我国起步较晚，但却发展迅速，1 9 8 0 年年产还不到3 0 万吨，但2 0 0 0 年年产迅速增为1 4 9 0 万吨，2 0 年时间增长了5 0 倍之多。目前，我国果汁行业年销售收 入已超过6 0 0 多亿元，年创利税6 0 多亿元【3 1 0 浓缩苹果汁营养丰富、口味温和且价格低廉，因此在很短的时间内迅速成了全球销 量增长最快的果汁。巨大的社会需求促进了我国苹果汁行业的迅速崛起，目前我国浓缩 苹果汁年生产能力7 5 万吨以上，位居世界首位。 陕西省苹果汁加工业始于2 0 世纪9 0 年代，由于苹果资源丰富，经过十余年的发展， 已有数十家生产企业。但是，果汁生产过程中用水量相当大，不少果汁生产企业的用水 量都突破了陕西省行业用水定额。同时，生产过程中产生大量的生产废水，果汁加工厂 每加工1 吨原材料，就产生2 3 m 3 左右的废水。果汁废水直接排放将造成接纳水体水质 的严重恶化，甚至会影响到地下水。可以说，在过去相当长一段时间里，果汁生产企业 所取得的经济效益实际上是以牺牲环境作为代价的，这种损失不仅造成当前的水体污 染，还会影响到子孙后代的生存环境，后果是非常严重的。目前，果汁废水对环境的污 染己成为突出问题，引起了各有关部门的重视，解决果汁废水的污染问题势在必行 4 1 。 1 1 2 研究目的及意义 果汁生产废水中的污染物种类繁多，主要含有水溶性的多糖类物质、果胶、果渣、 纤维素、苹果酸以及少量的矿物质等，废水的粘性大，c o d 、s s 含量较高，p h 值较低。 第一章绪论 该类废水若不经处理直接排入水体，将会导致周围水体大量积累各种形态的有机酸，使 水环境质量严重恶化，威胁人体健康以及阻碍相关工业发展。所以为该类废水净化寻找 一条切实可行的处理工艺已成为现阶段国内外环境保护技术领域噬待解决的个问题。 在广泛查阅相关资料，仔细研读国内外果汁废水处理最新科研成果的基础上，结合 陕西省部分果汁厂废水处理工艺的运行现状，分析实际工艺存在的问题，致力于寻找一 种运行稳定、经济高效、易于管理的果汁废水处理工艺，并为果汁废水处理工艺提供切 实可靠的设计、调试等技术参数。这对促进果汁行业的良性发展具有重要的现实意义和 深远历史意义。 1 2 国内外果汁废水处理研究现状 1 2 1 果汁废水处理工艺概述 1 ) 物化法 物化法一般作为高浓度果汁废水处理的预处理单元和后期处理单元，主要去除果汁 废水中的s s 和部分难溶解性的物质。果汁废水处理中常用的物化法包括过滤法、沉淀 法、气浮法、吸附法、絮凝法等，简述如下： 过滤法 果汁废水在排入处理系统时，首先经过格栅和滤网等过滤装置，这样可以去除废水 中较大的悬浮物，如烂果、果渣等，对s s 去除率较高，从而大大减轻后续处理单元的 污染负荷。 沉淀法 用该方法一般可以去除5 0 - - 8 0 的悬浮物，悬浮物沉淀时，可以带走一些色素和胶 体物质，使废水的负荷有所降低，沉淀法作为一级处理的较多。 气浮法 气浮法在处理废水时，向废水中通入空气，产生大量细微气泡，细微气泡带着污染 物一起向水面运动，最后气泡和污染物悬浮在水面上，从而把污染物从废水中去除。气 浮方式可分为散气气浮、溶气气浮和电解气浮三种。 吸附法 吸附法是利用吸附剂去除水中微量溶解性杂质的一种处理工艺，在果汁废水处理中 可利用活性硅藻土、炉渣处理，运行费用较低，效果较好，但缺点是维护费用较高，泥 渣产生量大。劳动强度大，占地面积大【5 1 。 2 长安大学硕士学位论文 絮凝法 果汁废水处理中也有使用絮凝法的报道。该方法通过加入化学絮凝剂，如碱式氯化 铝( p a c ) 和聚丙烯酸胺( p a m ) 等，将有机污染物絮凝沉淀，从而达到去除废水中有机污染 物的目的。但用该方法对果汁生产废水处理后，将产生大量粘稠性污泥，很难再处理。 另外，加入化学药剂可能会对后续生物处理的微生物造成毒害作用，如铝盐对微生物的 生长有毒害作用。 2 ) 生化法 果汁废水的生化性较好，因此生化法是目前果汁废水处理普遍采用的一种方法。目 前采用的好氧生化法主要有活性污泥法，生物接触氧化法等；厌氧生化法有u a s b 法， 水解酸化法等。另外，为了达到更好的去除效果，工程实际中还采用厌氧+ 好氧的组合 工艺，水解酸化+ 接触氧化，u a s b + 接触氧化法等。 活性污泥法 该方法处理有机废水，主要是依靠悬浮于水中的多孔性胶状絮状污泥。该污泥活性 较好，微生物丰富，菌种在5 0 种以上。其净化过程可分为两部分，首先，活性污泥的 表面吸附作用，包括物理吸附、电吸附和化学吸附作用，能吸附微小悬浮物、有机胶体 和溶解性有机物，该过程主要是污染物在细菌体内氧化分解，排出二氧化碳、水和氨， 并繁殖细菌本体，使污泥保持良好的活性。其次，在曝气池中，还存在有多种原生动物， 他们不仅食掉有机物，还以细菌为食料，以抑制过多污泥产生。 生物接触氧化法 生物接触氧化法是生物膜法中的一种典型工艺，生物膜法是使细菌、菌类等微生物 和原生动物、后生生物等微型动物在滤料或某些载体上生长繁育，形成膜状生物污泥一 一生物膜。通过废水与生物膜接触，生物膜上的微生物摄取水中的有机物作为营养，从 而使废水得到净化。 从生物接触氧化工艺的特性而言，该法对废水水质、水量的变动具有较强的适应性， 这已为多数工程实例所证实；在低温条件下，生物接触氧化法仍能保持较为良好的净化 功能；而对低浓度的有机废水，该法也能够取得较好的处理效果。并具有动力费用低， 污泥产量少、运行管理简单等优点。鉴于以上优点，生物接触氧化在果汁废水处理中得 到了广泛的应用。 膜生物反应器( m b r ) 膜生物反应器是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，基本 3 第一章绪论 原理是通过膜分离装置代替普通活性污泥法中的二沉池，不仅能高效的进行固液分离， 取得较好的出水水质；而且膜的截留作用有利于提高反应器内的微生物浓度，从而提高 容积负荷。与传统的生化处理技术相比，m b r 具有以下主要特点：处理效率高、出水 水质好；设备紧凑、占地面积小；易实现自动控制、运行管理简单。 目前，该技术已成为水处理技术研究的一个热点。但膜技术需要专用设备，投资高， 且膜易结垢堵塞，使用寿命短，因此该方法没有广泛应用。 水解酸化法 水解酸化工艺与厌氧全过程工艺相比有很多优点，第一水解酸化反应可以在常温下 进行，不需另外加温，能耗低。第二反应可以在敞开的反应器中进行，不需密闭，不需 搅拌器及三相分离器，从而降低造价且便于维护。第三由于水解反应控制在第二阶段完 成以前，所以出水没有不良气味，第四由于水解酸化反应速度快，因此所需反应器容积 较小，节约基建费用，因此该方法在处理果汁废水中也得到了一定程度的利用。 ( 重) u a s b 法 该方法处理能力强，占地少，但工艺运行条件高，不适合s s 较高的水质，该方法 在国外果汁废水处理中有较好的运行效果，处理能力高达1 0 k g c o d m 3 d ，但u a s b 需要较长的启动时间和较大的生物量，出水水质不能稳定在较低浓度，操作条件要求也 比较高。目前有部分果汁废水处理厂采用该工艺。 1 2 2 国外果汁废水处理研究现状 目前，果汁生产废水的处理主要是生物处理。用生物法处理这类废水时通常需要先 调整它的营养成分及酸碱度，从而适应微生物的生长需求。国外同类废水处理多以厌氧 处理工艺为主，如升流式厌氧污泥反应器( u a s b ) ，升流式厌氧滤池，中温、高温厌氧 过滤器，生物转盘等。并取得了显著的成果6 , 7 , 8 】。 国外比较成功的工程实例是德国采用厌氧消化系统处理果汁加工废水，整个流程由 一个粗滤系统，两个缓冲池，一个u a s b 和一个好氧池组成。粗滤系统用来去除果皮、 砂子等沉淀物，缓冲池用来调节p h 及氮磷等营养物质，在u a s b 反应器中微生物最终 将废水中的有机物降解为甲烷及二氧化碳气体，使废水得到净化。u a s b 反应器的有机 负荷为1 0 1 7 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率达5 0 - - 9 0 。再经好氧工艺处理后，废水 可以达到排放标准。 4 长安大学硕士学位论文 1 2 3 国内果汁废水处理研究现状 目前，由于果汁废水所带来的环境污染日趋严重，国内许多科研单位都把研究目光 投向了果汁废水的处理研究，并取得了一定的成效。果汁废水中大多数的有机物可进行 生化降解，废水可生化性好，有机物在微生物作用下，最终降解为c 0 2 和h 2 0 及微生 物原生质等。另外生化处理工艺比较经济，所以目前国内果汁废水处理的主体仍是生化 处理法，生化处理一般采用厌氧+ 好氧组合工裂9 1 。 近几年的果汁废水处理工程实例主要有：林晓葱【l o 】等利用s b r 工艺处理果汁灌装 生产废水，使出水达到广东省地方标准水污染物排放限值( d b 4 4 2 6 2 0 0 1 ) 二时段 一级标准，水质稳定；郑志伟【1 1 1 等采用水解酸化s b r 工艺对浓缩果汁生产废水处理进 行了试验研究，当进水c o d 浓度为3 5 0 0 5 0 0 0 m g l ，p h 为6 5 7 5 ，在水解酸化池水 力停留时间为8 h ，s b r 反应池m l s s 浓度3 5 0 0 , - 4 0 0 0 m g l ，进水1 5 m i n ，曝气7 l l ，沉 淀1 h ，出水1 5 m i n 的条件下，出水c o d 去除率保持在9 7 以上，s s 去除率达9 3 以 上；刘子俊【1 2 】采用e i c + u a s b + 接触氧化工艺处理果汁废水。处理后出水水质：c o d 为 5 8 m g l ，s s 为1 6 m g l ，n h 3 - n 为2 6 5 m g l ，b o d s 为1 3 5 m g l ，t p 为0 2 0 m g l ，均 低于污水综合排放标准( g b s 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) q b 的一级标准。该系统容易控制、运行稳定 且产生污泥量少。周焕祥【1 3 】等利用u a s b 一接触氧化工艺处理果汁废水，最终出水达到 污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 中的一级标准。 1 3 课题提出 1 3 1 果汁废水来源及特点 目前浓缩果汁生产工艺主要产污环节如图1 1 所示： 圃一匠盈一回一圆一囤一唾囹一圆 ill 清洗废水设备清洗废水 罐底物废水 图1 1浓缩苹果汁生产工艺产污环节图 根据浓缩果汁的生产工艺，分析产污节点，浓缩果汁的废水来源具体归纳为以下四 个方面： 1 ) 一为清洗原料废水： 2 ) 二为生产车间废水，主要来自粉碎、榨汁、罐底物冲洗、地面冲洗及化验废水； 3 ) 三为公用辅助设施排水，锅炉房排水等； 5 第一章绪论 4 ) 四为生活污水。 其中清洗原料和生产车间废水量较大，公用辅助设施和生活污水量较小。 该类废水主要有以下特点【1 4 】： 1 ) 水温：废水水温变化范围较大，一般为1 5 3 5 。 2 ) 悬浮物含量高：废水中含有大量小果、烂果、果屑、果肉、果胶等物质，s s 一 般都在4 0 0 0 m g l 以上。 3 ) p h 值偏低：废水中含有大量果酸，因此p h 较低，一般在5 6 之间，最低时可 达4 0 左右。 4 ) 有机物浓度高：超滤浊液的c o d 浓度可达1 0 多万m g l ，混合废水c o d 通常 在6 0 0 0 m g l 以上。 5 ) 废水可生化性好：b o d 5 c o d 一般在0 4 - - 0 5 。 6 ) 营养元素：含有大量糖类、醇类等碳水化合物，碳源丰富、氮磷缺乏。 7 ) 水质水量变化大：生产和排水具有间歇和周期性，各工序排水所含的成分不同， 因此废水水量和水质波动大，不均匀程度较高。 8 ) 废水排放量大：吨浓缩果汁产生废水量约为：1 6 , - - 1 8 m 3 。 9 ) 其它：废水中含有果肉、果胶等胶体，废水粘性大。受苹果收购季节及储存条 件影响，果汁加工一般在7 月到1 2 月份，其它时间处于停产或深加工状态，几乎不排 放废水。 总之，果汁废水具有排放量大、水质差、污染种类复杂、易降解、间歇性等特点， 特别是废水c o d 、s s 和酸度均较高；若污水不经处理直接排入水体，将会造成水体内 生态系统受到影响，严重时将会出现水体酸化、缺氧发臭，最终导致水生生物死亡等， 从而使周围水体环境质量下降，破坏生态平衡。 1 3 2 陕西省果汁废水处理的典型工艺 目前陕西省较大果汁企业的废水处理主要采用生物化学法，均是利用“厌氧+ 好氧 工艺进行处理。比较典型的果汁废水处理工艺流程有以下几种： 1 ) 机械格栅一集水池一高效气浮一水解酸化一曝气池一二沉池一过滤池一出水； 2 ) 格栅一提升水池一微滤机一初沉区一水解酸化池一好氧反应池一沉淀区一加药 装置一高效气浮一出水； 3 ) 机械格栅一沉沙池一网筛过滤器一均质均量调和池- - p h 调节池一预备池一 6 长安大学硕士学位论文 u a s b 一好氧接触氧化- - - 力n 药装置一气浮装置一高效过滤器一出水； 4 ) 粗格栅一细格栅一初沉池一调节池一u a s b 一沉淀池一中间水池- * s b r 反应器 一出水。 1 3 3 现有果汁废水处理工艺存在问题 从上面的工艺流程可以看出，在厌氧阶段以u a s b 工艺、水解酸化工艺为主。从工 艺运行及验收情况看，u a s b 稳定运行时优于水解酸化的稳定运行，但两者都存在明显 缺陷： 厌氧阶段为u a s b 的处理工艺存在问题主要有： 1 ) 果汁废水高s s 容易造成反应器布水系统堵塞： 2 ) 上流速度难于控制，容易造成污泥从反应器流失。 厌氧阶段为水解酸化的处理工艺存在问题主要有： 1 ) 出水c o d 值较高，对后续处理工艺要求高； 2 ) 出水p h 值低，必须调节p h 值后方能进入好氧系统。 通过对现有工艺存在问题分析可知，处理果汁废水的关键在于如何针对废水水质合 理选择厌氧反应器。 1 4 试验工艺路线的提出 由于试验用水量较大，在实验室里直接采用果汁废水进行试验相对比较困难，因此 采用陕西省澄城海升果汁厂污染浓度最大的罐底物废水来调配试验原水。桶装带回的罐 底物废水取三个平行样，检测污染控制因子的浓度，取其检测结果的算术平均值作为实 测值，罐底物废水水质状况如表1 1 所示。 表1 1 果汁厂灌底物废水水质组成 罐底物 3 69 5 4 1 0 31 6 1 1 0 58 8 2 x 1 0 4 由表1 1 可知，果汁废水的p h 值较低、c o d 、b o d 5 、s s 较高，b o d s c o d 0 5 4 ， 废水的可生化性较好，结合国内外处理果汁废水及其它高浓度有机废水的科研成果，试 验决定采用“厌氧+ 好氧 的废水处理方法：最后通过对各类厌氧、好氧反应器优缺点 的比选，试验决定采用“e g s b 一生物接触氧化 联合工艺处理果汁废水。 7 第一章绪论 1 5 试验思路及内容 本试验的设想是在理论指导的基础上，强调试验研究与理论分析相结合，全程采用 稀释高浓度灌底物废水来模拟高浓度果汁废水，通过试验寻求工艺启动过程中最佳的反 应条件，以及高效、低耗、实用的处理工艺技术路线，工作内容如下： 1 ) 确定处理工艺路线：通过分析果汁废水的特点，查阅国i 为j b 相关废水处理的科 研成果，分析部分果汁厂废水处理工艺存在的问题，进行废水处理工艺比选，选择出设 备简单、经济、高效、管理方便的果汁废水处理工艺。 2 ) e g s b 反应器启动试验研究：试验采用低负荷方式启动，控制碱度、p h 、氨氮、 总磷、v f a 、产气量和温度等因素，并确定控制因素的最佳条件参数。 3 ) 生物接触氧化反应器启动试验研究：生物接触氧化反应器采用接种法启动，试 验主要控制条件是d o 、温度、p h 、氨氮和总磷等，通过改变相关控制条件，考察出水 水质情况，并确定相关控制条件的最佳运行参数。 4 ) “e g s b + 生物接触氧化 联合运行试验研究：当e g s b 和生物接触氧化反应器分 别启动成功后，用e g s b 反应器的出水作为生物接触氧化反应器的进水，完成联合工艺 启动运行。在联合工艺运行初期，生物接触氧化反应器不一定能很好的适应e g s b 反应 器的出水，必要时需人为调节e g s b 反应器出水，以满足生物接触氧化反应器进水要求。 5 ) 试验总结：对本试验的废水处理提供总结性的观点，并对今后研究本课题时需 注意的问题和研究方向提出若干建议。 8 长安大学硕士学位论文 第二章e g s b 、生物接触氧化工艺简介 2 1e g s b 工艺概述 2 1 1 厌氧生物处理技术简介 厌氧生物处理技术是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化，是处理 有机废水的有效手段，但由于其种群多、关系复杂、培养和鉴定细菌技术复杂等原因， 导致该技术在过去的1 0 0 年时间里发展缓慢，随着科学技术发展和分离鉴定技术水平提 高，原来限制该技术发展的瓶颈已被打破，该技术的优越性更加突现出来，其发展过程 大致经历了三个阶段【1 5 】。 第一阶段( 1 8 6 0 - 1 8 9 9 年) ：简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段。这个 阶段具有以下特点： 1 ) 污水沉淀和污泥发酵集中在一个化粪池中进行； 2 ) 处理对象为污水、污泥； 3 ) 该方法目前仍在沿用。 第二阶段( 18 9 9 1 9 0 6 年) ：污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。该阶段特点 如下： 1 ) 在处理构筑物中用横向隔板把污水沉淀和污泥发酵两种作用分隔在上下两室分 别进行，由此形成了所谓的双层沉淀池； 2 ) 当时的污染指标仍以悬浮固体为主，但生物气的能源功能已为人所认识，并开 始开发利用。 第三阶段( 1 9 0 6 - , - 2 0 0 1 年) ：独立式营建的高级发展阶段。特点如下： 1 ) 把沉淀池中的厌氧发酵室分离出来，建成独立工作的厌氧消化反应器，在此阶 段开发的主要处理设施有普通厌氧消化池和上流式厌氧污泥床( u a s b ) 、厌氧接触工艺、 两相厌氧消化工艺、厌氧滤池( a f ) 、厌氧流化床( a f b ) 等； 2 ) 把有机废水和有机污泥的处理和生物气的利用结合起来，即把环保和能源开发 结合起来，沼渣的的综合利用也提到了议事日程； 3 ) 处理对象除v s s 外，还着眼于b o d 和c o d 的降低以及某些有机毒物的降解。 2 1 2 厌氧生物处理的基本原理 有机物的厌氧分解是涉及多种微生物生理类群的生物化学反应。依据微生物生理类 9 第二章e g s b 生物接触氧化试验工艺简介 群的代谢差异，可把有机物厌氧分解的过程分为三个阶段1 1 6 1 ，如图2 1 所示。 第一阶段为水解和酸化阶段。在此阶段通过兼性水解发酵菌( 既产酸菌) 的代谢活 动，将复杂的有机物一碳水化合物、蛋白质和脂类发酵成为有机酸、醇类、二氧化碳、 氢气、氨气和硫化氢等。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。通过专性厌氧的产氢产乙酸细菌的作用下，将第一阶 段的产物进一步转化为乙酸、氢气、二氧化碳以及新的细胞物质。 第三阶段为产甲烷阶段。由产甲烷利用第一和第二阶段产生的乙酸、氢气、二氧化 碳、甲酸和甲醇等转化为甲烷、二氧化碳、水和新的细胞物质。该阶段的产甲烷菌包括 两种特异性很强的细菌：一种产甲烷菌主要利用氢气把二氧化碳还原为甲烷( 也可利用 甲酸) ：另一种产甲烷菌主要以乙酸为基质( 也可利用甲醇和甲胺) ，把它分解为甲烷和 二氧化碳。在这一阶段中，据研究还有一种同型产乙酸菌可把二氧化碳和氢气合成乙酸。 l 发酵性细菌 2 产氢产乙酸细菌 3 同型产乙酸细菌 4 - 利用h 2 和c 0 2 产甲烷菌 5 分解乙酸的产甲烷菌 图2 1 有机物厌氧消化全过程 2 1 3 厌氧生物处理的特点 厌氧生物处理法与好氧生物处理法相比，具有下列显著优尉1 7 j ： 1 ) 应用范围比较广：好氧生物处理法由于受到供氧条件的限制，一般仅适用于中、 低浓度有机废水处理，而厌氧生物处理法既适用于中、低浓度有机废水处理，又适用于 1 0 长安大学硕士学位论文 高浓度有机废水处理；一些常规好氧生物工艺难以处理的有机工业废水可采用厌氧生物 处理方法取得较好的处理效果，如炼焦废水、煤气洗涤废水、农药废水、印染废水等： 厌氧微生物还具有某些好氧微生物不具有的功能，如多氯链烃和芳烃的还原脱氯，芳香 环还原成烷烃环结构或环的断裂等。 2 ) 对氮和磷等需要量较少：好氧生物处理法b o d ：n ：p 为1 0 0 ：5 ：l ，而厌氧生物 处理法的b o d ：n ：p 为( 3 5 0 - - 5 0 0 ) ：5 ：1 ，对于需要投加氮、磷的工业废水而言，厌氧 生物处理法所需投加的量较少，使运行成本降低。 3 ) 可以节省动力消耗：厌氧菌分解是营无分子氧呼吸，在分解有机物过程中不必 提供氧气，而好氧菌降解有机物是营分子氧呼吸，分解过程中必须提供分子氧。所以利 用厌氧生物法可以节省大量电耗。 4 ) 可以产生生物能：污泥消化和有机废水的厌氧发酵能产生大量沼气，沼气的热 值很高，可以作为能源利用。 5 ) 负荷较高：好氧生物处理方法的有机容积负荷一般在2 - 4 k g b o d s m 3 d ，而厌 氧生物处理方法有机容积负荷为2 - 1 0 k g c o d 5 m 3 d ，最高时能达到5 0 k g c o d s m 3 d 。 6 ) 污泥产量少：有机物好氧降解时，如碳水化合物，其中约有2 3 被合成细胞，约 有l 3 被氧化分解提功能量；厌氧降解时，只有少量的有机物被同化为细胞，大部分被 转化为c h 4 和c 0 2 。所以好氧生物处理产泥量高，厌氧处理产泥量低，且污泥已稳定， 可降低污泥处理费用。 7 ) 厌氧处理过程还有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒 等。 8 ) 厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以间歇性运转。与好氧反应器相比， 在停止运行一段时间后，能较迅速启动。 但是，厌氧生物处理法也存在下列不足： 1 ) 初次启动时间较长。由于厌氧微生物的世代期长，增长速率较低，污泥增长缓 慢，因而厌氧设备启动和处理时间比较长。一般初次启动期长达3 6 个月，甚至更长时 间。 2 ) 去除有机物不彻底。厌氧法虽然负荷高，去除有机物的绝对量和进液浓度高， 但是其出水c o d 浓度高于好氧处理，去除有机物不够彻底，因此一般单独采用厌氧生 物处理不能达到排放要求，必须把厌氧处理与好氧处理结合起来使用。 3 ) 不能去除氮和磷。厌氧生物处理废水时，一般不能去除氮和磷等营养物质，通 第二章e g s b 生物接触氧化试验工艺简介 过厌氧消化后，氮磷被转化为氨氮和磷酸盐，只有少量的氮磷被细胞利用，所以处理含 有过量氮和磷的废水时，不能单独用厌氧法，应采用厌氧与好氧工艺相结合的处理工艺。 4 ) 运行管理较为复杂。由于厌氧菌的种群较多，如产酸菌与产甲烷菌性质各不相 同，而又密切相关，要保持这两大类种群的平衡，对运行管理较为严格。稍有不慎，两 种群失去平衡，反应器就不能正常运行。 5 ) 卫生条件差。一般废水中含有硫酸盐，厌氧条件下会产生硫酸盐还原作用而放 出硫化氢气体。 2 1 4 厌氧生物处理工艺 高效厌氧生物处理系统必须满足的原则是【1 8 】： 1 ) 能够保持大的厌氧污泥和足够长的污泥龄， 2 ) 保持废水和污泥之间的充分接触。 为了满足第一条件，可以采用固定化( 生物膜) 或培养沉淀性能良好的厌氧污泥( 颗 粒污泥) 的方式来保持厌氧污泥。从而在采用高的有机负荷和水力负荷时不发生严重的 的厌氧活性污泥流失。依照该原则，在2 0 世纪7 0 年代末人们成功地开发了各种新型的 厌氧工艺，例如，厌氧生物滤池( a f ) 、上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 、厌氧接触 膜膨胀床反应器( a a f e b ) 和厌氧流化床( a f b ) 等。这些反应器的共同特点是可以将 固体停留时间和水力停留时间分离，固体停留时间可以长达上百天。这使得水力停留时 间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天，极大地提高了反应器效率。这一系列厌 氧反应器被称为第二代厌氧反应器。 高效厌氧处理系统需要满足的第二个条件是获得进水和被保持污泥之间的良好接 触。为了满足该条件，应该确保反应器布水均匀，这样才可以最大限度的避免短流，另 一方面，厌氧反应器的混合来源于进水的混合和产气的扰动。但是在进水无法采用高的 水力负荷和有机负荷的情况下( 例如在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床内 的混合强度太低，以致无法抵消短流效应) ，u a s b 反应器的应用负荷和产气率受到限 制，为获得高的搅拌强度，必须采用高的反应器或采用出水回流，获得高的上流速度。 正是对这一问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应用。 综上所述，目前所用的厌氧反应器主要分为以下几种类型： 第一代厌氧处理工艺：普通厌氧消化器( 池) ：厌氧接触工艺等。 第二代厌氧处理工艺：上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器；厌氧滤池( 器) ；厌氧 1 2 长安大学硕士学位论文 流化床反应器；厌氧生物转盘；厌氧混合反应器等。 第三代厌氧处理工艺：厌氧折流板反应器( a b r ) ；厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 反应器；厌氧复合床反应器( a f + u a s b ) ；水解和厌氧膨胀颗粒污泥床( 水解+ e g s b ) 工艺等。 2 1 5 厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 反应器 厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 反应器是在u a s b 反应器的基础上于2 0 世纪8 0 年代 后期l e t t i n g a 教授等人【l9 】在利用u a s b 反应器处理生活污水时，为了增加污水与污泥的 接触，更加有效地利用反应器的容积，优化u a s b 反应器的结构设计和操作参数，使反 应器中颗粒污泥床在高的液体表面上升流速下充分膨胀，从而处理效果大大提高。其结 构示意图如图2 2 所示。 e g s b 反应器作为一种改进型的 u a s b 反应器，虽然在结构形式、污泥形 态等方面与u a s b 反应器非常相似，但是 工作运行方式与u a s b 不同，即e g s b 反应器采用高达2 5 1 0 m h 的液体表面上 流速度，这要远远大于u a s b 反应器所采 用的约0 5 2 5 m h 的上流速度【2