（环境工程专业论文）厌氧序批式反应器asbr污泥颗粒化及工艺特性研究.pdf

f 、 r 3 7 3 1 9 9 厌氧序批式反应器( a s b r ) 污泥颗粒化及工艺特性研究 摘要：本论文应用厌氧序批式反应器( a s b r ) ，以蔗糖为基质， 在中温( 3 7 。c ) 条件下，培养出成熟的颗粒污泥( 粒径：1 - 3 5 m m ) 并进行了a s b r 反应器的工艺特性研究。论文分析评价了影响颗粒 化过程的基本因素( 包括污泥负荷、搅拌、以及微量元素等) ；并 对影响a s b r 处理效率的工艺参数进行了研究。 ，j 、试规模的a s b r 反应器采用城市污水厂厌氧消化污泥接种， l 经过1 2 1 天实现了污泥颗粒化。颗粒化过程和颗粒污泥的扫描电 镜观察说明在适宜的操作条件下，a s b r 反应器能够成功培养出以 甲烷八叠球菌为主的颗粒污泥。污泥负荷、搅拌和微量元素对颗粒 化过程具有显著影响。 实现颗粒化的a s b r 反应器处理蔗糖合成废水，在有机负荷 3 - 1 2 9 c o d l d 范围内，c o d 去除率均高于9 0 。进水时间和反 应时间比值是影响c o d 去除率的重要参数。由于沉淀时a s b r 反 应器具有低f m 值和低产气率等理想条件，所以能够获得高效的 污泥絮凝( 颗粒化) 和固液分离。实验还验证了a s b r 反应器具有 、，一7 一定的耐冲击负荷能力。 ， 关键词：厌氧序批式反应器厌氧消化颗粒化工艺特性 ：j，fj， s t u d y o ng r a n u l a t i o na n d t e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ea n a e r o b i c s e q u e n c i n g b a t c h r e a e t o r ( a s b r ) a b s t r a c t ：t h ep h e n o m e n o no fg r a n u l a t i o na n d t e c h n o l o g i c a lc h a r a n t c r i s t i c so ft h c a n a e r o b i c s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( a s b r ) t r e a t i n gs y n t h e t i cw a s t e r w a t e r c o n t a i n i n g s “c r 0 8 。a tac o n s t a n tt e m p e r a t u r eo f3 7 ( 2 w e r es t u d i e dt h ef u n d a m e n t a lf a c t o r s a f f e c t i n g g r a n u l a t i o ni nt h ea s b r ，s u c ha ss p e c i f i co r g a n i cl o a d i n gr a t e ( s o l r ) , m i x i n ga n dt r a c e m e t a l sw c f ee v a l u a t e d ，p r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt r e a t m e n te f f i c i e n c ys u c ha so l i lt h e r a t i oo f f i l lt i m ea n dr e a c t i o nt i m 5 5 m n m ) 图2 2不同表面张力环境下颗粒污泥结构鲫 体 低表面张力环境下形成的亲水性表面的颗粒污泥稳定性更高一些， 而疏水性表面的颗粒污泥与c h 。等气体有强烈的粘接作用，易被气泡携带 一 一一 一一 一一 一 冲洗出反应器。因此，在蛋白质丰富的基质中，冲洗出的污泥量更大， 而参与降解的生物量更小船0 3 。 颗粒化过程本身的复杂性决定了颗粒污泥结构的复杂性。生长、操 作条件、反应器中的液体流动状况等都会影响颗粒污泥的结构。如q u a r m b y 和f o r s t e r c 2 4 在处理马铃薯废水时得到了三层结构的颗粒污泥，在小麦 淀粉和造纸废水中的颗粒却呈“蜂窝“结构，没有出现层次结构。研究 者所采取的研究方法、观察手段的不同，也是导致观察结果不同的重要 原因。 2 5 颗粒污泥的类型及形成 张希衡 3 1 概括了许多学者对u a s b 反应器内的颗粒污泥类型的研究 结果。u a s b 反应器中的颗粒污泥可以分为三种类型( a 型、b 型、c 型) ，其中a 型和b 型两种颗粒污泥主要由菌体构成，而c 型颗粒污泥 则是由菌体附着于惰性固体颗粒表面而形成的生物粒子。 a 型颗粒污泥是以马氏甲烷八叠球菌为主体的球状颗粒污泥，外层 常有丝状产甲烷杆菌缠绕，它比较密实，但粒径很小( 约0 1 0 5 m m ) 。 b 型颗粒污泥是以丝状的产甲烷杆菌为主体的颗粒污泥，故也称杆 菌颗粒。它在u a s b 反应器内出现频率极高，其表面比较规则，外层缠 绕着各种形态的产甲烷杆菌的丝状体。b 型颗粒污泥也可细分为两种： 一种是细丝状颗粒，内含很长的产甲烷杆菌的丝状体。通常出现在实验 室u a s b 反应器内；另一种是杆状颗粒，它只含较短的产甲烷杆菌的丝 状体，常见于各种规模的u a s b 反应器内。b 型颗粒污泥的粒径约 1 3 m m 。 c 型颗粒污泥是由疏松的纤丝状细菌缠绕粘连在惰性微粒上所形成 的球状团粒，故也称丝菌颗粒。它类似于厌氧流化床反应器中的生物粒 子。c 型颗粒污泥大而重，粒径为1 5 m m 。 不同类型颗粒污泥的形成与废水中化学物质( 营养基质和无机物) 的不同和反应器的工艺运行条件( 特别是水力表面负荷和产气强度) 有 关。当u a s b 反应器中的乙酸浓度很高时，以乙酸为主要基质的少数菌 种，如巴氏甲烷八叠球菌将迅速生长繁殖，并依靠其杰出的成团能力而 形成肉眼可见的a 型颗粒污泥。由于a 型颗粒污泥基本上是由厌氧微生 物组成，比重轻，因此它的出现并保持稳定存在，必要条件是u a s b 反 应器中的表面水力负荷及表面产气率要低即由其产生的水力及气力分级 作用要弱。但是，在实际的生产性装置中，难于维持高水平的乙酸浓度， 故很少见到a 型颗粒。此外，由于甲烷八叠球菌形成的a 型颗粒污泥内 部有孔洞，常作为其它细菌栖息的场所而变型，不能稳定存在。有研究 表明b 型颗粒就是由丝状甲烷杆菌栖息于上述空洞中而逐渐形成的。b 型颗粒的形成，破坏了a 型颗粒的稳定而使其解体。超薄切片观察幼龄 b 型颗粒的结果表明，在接近边缘的地方沿存有甲烷八叠球菌簇，而其 中心则未见甲烷八叠球菌，表明b 型颗粒是由a 型颗粒转型而成的。随 着幼龄b 型颗粒的逐渐发展，位于外层的甲烷八叠球菌逐渐脱落，表明 a 型颗粒已完全解体，不复存在，而典型的b 型颗粒已成熟定型，其中 已不含甲烷八叠球菌了。 当反应器中存在适量的悬浮固体，具有较好附着能力的丝状甲烷菌 可附着于固体颗粒( 初级核) 表面，进而发展成c 型颗粒，即在初级核 表面形成生物膜。初级核可以是无机颗粒，也可以是其它生物碎片。c 型颗粒发育到一定的程度，生物膜会脱落，而招致c 型颗粒破碎，这些 碎片即成为次级核，形成新的c 型颗粒污泥。 j l 堡至一一 2 6 污泥颗粒化理论 颗粒化过程是单一分散厌氧微生物聚集生长成颗粒污泥的过程，是 一个复杂而且持续时间较长的过程，影响因素很多。颗粒污泥的形成过 程由多个阶段组成 1 2 , 1 4 , 3 0 , 3 2 】： ( 1 ) 细菌与基体( 可以是细菌，也可以是有机、无机材料) 的吸引 粘连过程； ( 2 ) 微生物聚集体的形成； ( 3 ) 成熟污泥的形成。 细菌与基体的吸引粘连过程，是颗粒污泥形成的开始阶段，也是决 定污泥结构的重要阶段。一般来说，细菌与基体之间的排斥力阻碍着两 者的接近，但离子强度的改变，c a 2 + 、m 9 2 + 的中和作用以及e c p 的作用 可以降低排斥位能，促进细菌向基体接近。细菌与基体接近后，通过细 菌的附属物如甲烷丝菌的菌丝、或通过多聚物的粘接，将细菌粘接到基 体上。随着粘连到基体上的细菌数目的增多，形成多种微生物群系互营 的聚集体，即具有初步代谢作用的微污泥体。微生物聚集体在适宜的条 件下，各种微生物竞相繁殖，最终形成沉降性能良好、产甲烷活性高的 颗粒污泥。 目前大多数学说着眼于颗粒化第一阶段，对第二、三阶段的研究工 作则不多见。针对基体的不同，研究者提出了不同的颗粒污泥形成机制。 m a c l e o d 等( 2 7 1 根据所观察到的颗粒污泥的层次分布情况，认为甲烷丝菌 相互聚集在一起形成具有框架结构的内核，从而使产乙酸菌以及氢营养 菌附着其上，最后是发酵性细菌( 产酸菌及其他氢营养菌) 在外围生长， 由此形成颗粒污泥。吴唯民等人在脂肪酸降解颗粒污泥的形成过程中 发现，甲酸甲烷杆菌先粘连在马氏甲烷八叠球菌上形成聚集体，而甲酸 甲烷杆菌、甲烷丝菌、丁酸降解菌构成互营丙酸一丁酸降解聚集体，最 后两类聚集体通过甲酸甲烷杆菌的连接形成颗粒污泥。 二次核学说认为营养不足的衰弱颗粒污泥，在水流剪切力作用下， 破裂成碎片，污泥碎片可作为新内核，重新形成颗粒污泥心m 3 s l 。这一学 说较好地说明了加入少量颗粒污泥可加速颗粒化进程的现象，已为大多 数研究者接受。 2 7 污泥颗粒化的主要影响因素 颗粒污泥的形成与分布，受到些外界条件的制约，其中最主要的 是基质的种类和浓度以及选择压的影响。 2 7 1 基质的种类和浓度 基质的种类和浓度对形成颗粒污泥的种类和质量有着重要的影响。 我们知道，乙酸是厌氧消化系统中最主要的供甲烷细菌吸收利用的营养 物质，而能利用它的甲烷细菌有巴氏甲烷八叠球菌和马氏甲烷八叠球菌， 以及常呈丝状的孙氏甲烷丝菌。巴氏甲烷八叠球菌在乙酸浓度较高的消 化液中有较快的比增殖速度( 比后者快4 5 倍) ，因而有利于a 型颗粒污 泥的形成；丝状的孙氏甲烷丝菌对乙酸有较强的亲和力，在乙酸浓度低 时，它捕获乙酸进行增殖的能力比前者强，因而有利于b 型和c 型颗粒 污泥的形成。 m o r v a i 等c 3 6 发现颗粒污泥的直径随负荷增大而增大，f r o t e n h u i s 等c 3 7 发现颗粒污泥平均直径随进液浓度上升而增大。进液浓度与负荷是相关 的，因此实际上颗粒污泥的大小受底物传质过程所能进入颗粒内部的深 度所支配，当颗粒大小与传质之间不相适应时，颗粒内部会因营养不足 发生细胞自溶，最终导致颗粒破碎。高的负荷或高的进液浓度可使底物 更多进入颗粒内部，从而允许有大的颗粒存在和生长。 环境中h ：的浓度对微生物的成团起作重要作用。氢分压( p h 2 ) 较 高时，以h 为能源的产甲烷菌( 氢营养产甲烷菌) 在有足够的半胱氨酸 存在下，能产生过量的各种氨基酸，形成胞外多肽，再与厌氧细菌结合 成团粒而形成颗粒污泥。 2 7 2 选择压 选择压是表面水力负荷与表面产气率的总和，它对污泥的颗粒化起 着很大的作用。由表面水力负荷决定的上升液流和由表面产气率促成的 上窜气泡对反应区内污泥粒予产生的浮载作用，使大而重的污泥堆积于 底层，小而轻的污泥粒子浮于上层。这种使污泥粒子沿高度的分级悬浮 现象称为污泥粒子的水力和气力分级作用。 当分级作用( 选择压) 较低时，反应器会保持大量的分散态细菌， 由于其传质阻力小，能优先捕获营养物质而大量繁殖，并抑制了传质阻 力大的颗粒污泥的形成，使反应器内保持低水平的处理能力。选择压中 等时，分散态细菌被迫仅存留于反应区顶层，而让附着型和结团型的厌 氧微生物在反应区底部富营养带内大量滋生，从而在此区域内形成颗粒 污泥，大大提高了反应器的处理能力。当选择压过大时，不仅分散态细 菌大量流失，而且一些能改善出水水质的较小颗粒污泥也频频流失，造 成反应器处理效应的反退。 选择压在形成颗粒污泥时的这种优选功能，在w i j b e n g a 等人口1 的实 验中得到了证明。他们以9 5 的絮体污泥和5 的颗粒污泥作为接种物， 启动实验规模的u a s b 反应器。起初维持较低水平的分级作用，经1 6 6 天的运行，终末培养出颗粒污泥，后来采用充氮的办法来提高分级作用， 结果在开始充氮的第3 1 天后即出现了颗粒污泥。 选择压的大小也影响着颗粒污泥的质量。选择压很高时，只有附着 生长结团至足够大的厌氧细菌才能选择性地滞留，其中大多是缠绕能力 很强的丝状甲烷细菌。甲烷八叠球菌只有在迅速结团并达到足够大后， 才能被滞留，否则难以幸存。而甲烷八叠球菌形成的a 型颗粒要比b 、 c 颗粒小。据l e t t i n g a 等人州报道，b 型和c 型颗粒要比a 型颗粒大和6 倍。这使得甲烷八叠球菌被选择滞留的机会更少。 选择压低时，不利于污泥颗粒化，只有较高的分级作用才能促进污 泥颗粒化，有利于形成b 、c 型颗粒。但反应器内的a 型颗粒很少，反 过来又限制了反应器的处理能力。因此，在启动期间必须采用合适的分 级作用f 4 2 】。 2 8 反应器启动和培养颗粒污泥的综合条件 试验研究表明，在u a s b 反应器中培养出高浓度高活性的颗粒污泥 并维持合理的纵向分布，一般需要l “个月时间。其中可大致分为三个 时段，即启动期、颗粒污泥形成期和颗粒污泥成熟期。培养和形成颗粒 污泥的综合技术条件可大致归纳为以下几方面： 1 、接种污泥 厌氧微生物的生长率比好氧微生物要低得多，因此在启动厌氧反应 器时，足够的接种量很重要。接种污泥选取稠型消化污泥( 6 0 k g d s m 3 ) 要比稀型消化污泥( 一2 5 9 c o d l d ) ，为了强化轻质污泥的 洗出，设定最后一次搅拌后的沉淀时间为3 0 m i n ，沉淀3 0 m i n 之后立即 进行排水，来不及沉淀的轻质污泥即被强行排出反应器。如图3 4 ： 排水阶段：经过充分地固液分离后进行排水，排水体积一般与本周 期进水体积相等。一旦排水结束，即可进行下一周期的操作。如图3 5 ： 图3 4 沉淀阶段运行模式图3 5 排水阶段运行模式 3 2 2 进水成分及常量、微量元素的投加 实验进水采用人工合成废水，以蔗糖作为碳源，并补充必要的n 、p 、 s 、k 等营养和缓冲物质。进水成分见表3 3 。 为了确保系统不因缺乏其它无机营养而受到抑制，实验中，向反应 器中投加一定的常量元素( m 9 2 + 、c a 2 + 、f d + ) 和微量元素( c o 、n i 、m o 、 z n 、m n ) 。投加标准见表3 - - 4 。为避免和进水中的阴离子尤其是s 2 离子 形成沉淀，这些金属离子均直接向反应器中投加。 蔓! ! 夏 表3 - 3 进水成分 成分 投加量( m g g c o d ) 食用白糖850a n h c l8 9 2 6 k 2 h p 0 4 3 h 2 0 1 3 1 “ k h 2 p 0 4 6 7 “ n a 2 s 9 h 2 0 3 0 “ n a 王c 0 3适量 a ：该值通过实测获得：b ：c o d ：n ：p ：s = 3 0 0 ：7 ：1 ：1 2 c ：后来被取消，参见41 5 。 表3 - 4 常量和微量元素的投加标准 元素名称 投加标准 化合物形式 投加量 元素名称 化合物形式 f ! 丝垦堕堡：虫 也丝垦堕璺：尘 f e m g c a c o n i m o z n m n 4 1 2 2 0 o 1 0 2 0 1 o 1 o 1 f e c l 2 4 h 2 0 m g c l 2 6 h 2 0 c a c l ， c o c l 2 6 h 2 0 n i c l 2 6 h 2 0 m o c l 2 4 h 2 0 z n c i ， m n c l 2 4 h 2 0 1 4 2 2 1 0 1 5 5 5 5 0 4 o 8 o 2 3 o 3 2 0 3 6 3 2 3 温度 温度是影响微生物活性的重要因素，实验中温度控制在3 5 - 3 7 c 范围 内，这也是厌氧中温发酵的最适温度。 羔戛 3 2 4 实验阶段划分 第l 阶段研究颗粒污泥形成的工艺条件： 第2 阶段研究a s b r 的基本工艺特性。 3 2 5 测试项目与方法 实验阶段所监测的水质指标、工艺参数以及相应的测定方法见表3 5 。 表3 = 5 测定项目及方法 测定项目 测定方法 c o d p h 碱度 n h ( + - n v f a 温度 m l s s m 【s s 产气量 标准重铬酸钾法 精密p h 试纸( 5 5 - 9 0 ) p r t s - 2 5 型酸度计 滴定法( 甲基橙指示剂) 滴定法( 甲基红亚甲基兰) 滴定法( 酚酞指示剂) 水银温度计 滤纸烘干称重法 滤纸烘干灼烧称重法 排水法 墨i ! 戛 3 3 实验过程 3 3 1 颗粒污泥的形成 ( 1 ) 、概况 试验从2 0 0 0 年3 月2 4 日开始启动，采用蔗糖为基质，历时1 2 1 天， 完成了a s b r 反应器中接种消化污泥颗粒化过程。根据反应器中污泥形 态及运行性能的变化，该过程可分为三个运行时期：a 、启动运行期( 1 5 3 天) ；b 、负荷上升期( 5 4 9 0 天) ；c 、颗粒污泥形成期( 9 1 1 2 1 天) 。 ( 2 ) 、污泥的接种 种泥量及活性对反应器的启动速度有较大影响。实验准备阶段，将 4 5 l 消化污泥用2 m m 筛子筛除粗大杂物后，置于1 2 l 窄口瓶中，用葡 萄糖基质进行活化，同时补充营养和碱度，定期( 2 3 天) 抽出上清液， 补充新的基质营养。 经过活化的种泥产气明显，泥水界面模糊，上清液浑浊。接种前， 抽出污泥培养瓶上清液，对瓶内污泥的浓度进行了测定，结果分别是：s s = 6 5 3 9 l ，v s s = 4 1 9 9 l ，挥发组分比例为6 4 2 。 将全部污泥投入反应器，推算出此时反应器中m l v s s = 1 5 7 9 l 。 ( 3 ) 、启动运行期( 1 5 3 天) 实验中，启动运行期指的是从反应器开始运行至负荷达到2 , 5 9 c o d l d 的这段时间。该阶段并不追求反应器的处理效率和出水的质量， 而是使反应器逐渐进入工作状态。 试验开始后第一周污泥基本不产气。原因将在后文讨论。污泥逐渐 恢复活性后，发现回水搅拌的混合效果较差且易形成沟流，所以改用沼气 回流搅拌，效果大为改观。经过充分搅拌后，在搅拌间歇期，可以看到 明显的上清液，泥水分界面清晰，界面下降速度一开始很快，逐渐变慢。 苎! ! 要 上清液透明，色泽为淡黄色，取样后放在空气中，约2 小时后。水样变 成乳白色胶体状，这可能是游离态的厌氧微生物不适应氧气导致蛋白质 变性的结果。成层沉淀的出现是因为搅拌彻底，污泥在聚合力作用下， 颗粒群结合成一个整体向下沉淀，与上清液之间形成清晰的固液界面。 如采用回水搅拌，因为混合效果不佳，缺少颗粒间的聚合力，细小颗粒 很难沉下来，出水悬浮物浓度很高。 这段时期，随着负荷的提高污泥的活性也有了提高，最明显的现象 是搅拌间歇期成层沉淀时，大量的气泡冲出界面，搅浑上清液。许多细 小絮体由于粘附了气泡而上浮，气泡释放后，又下沉，不断地作穿梭运 动。沉淀期间，由于食料的缺乏产气有所减弱，但排水时，因静水压降 低，不时有气泡窜出泥面，带起一些污泥，搅浑上清液，不能及时下沉 的这些污泥随出水流出。 ( 4 ) 、负荷上升期( 5 4 9 0 ) 在该阶段，随着有机负荷的增加，轻质污泥的洗出量增大。由于产 气引起污泥床的膨胀，反应器中污泥床高度变得很高，经过最后次搅 拌后，需要很长时间才能沉淀下来使泥水分界面低于预定排水高度。此 时的对策是设定一个沉淀时间( 3 0 m i n ) ，到时间立即排水，排水线以上的 往往是沉速较慢的絮状污泥和浮渣，则被排出了反应器。随着h r t 的减 少，换水越来越频繁，排水线位置也下降( 每周期液体更新体积从4 l 、5 l 到6 l ) ，来不及沉淀的污泥均被洗出。实验中这些污泥被收集在另外的污 泥培养瓶中，主要是防止出现过度洗出导致启动失败的情况，这时可以 将其重新投入反应器以恢复效率。 当运行到第8 1 天，由于微量元素的缺乏，c o d 去除率急剧下降，不 得不将负荷从7 9 c o d l d 降到3 5 9 c o d l d ，同时补充微量元素 并取消了进水中的s 2 一( 详见4 1 5 节) ，由于措施正确，c o d 去除率很 一 苎塑里 快恢复到8 0 以上，有机负荷率也稳步增加，出水v f a 2g c o d l d 时一般均采用1 2 h 为一个周 期，现以1 2 h 周期为例讨论t ，t 。值对反应器运行的影响。 a s b r 工艺一个完整的运行周期按次序分为进水期、反应期、沉降期 和排水期四个阶段，其中沉降期时间要根据污泥的沉降特性确定，典型 时间在l o 一3 0 m i n 间变化，沉降时间不能过长，否则会因气体的继续产出 造成沉降颗粒重新悬浮。排水期让贮存在气袋中的沼气流回反应器上部 的气室，同时打开预定位置的排水口，让处理后的水重力流出，这一过 程一般不超过l o m i n 。因此在1 2 h 周期中，沉淀和排水的时间是相对固 定的，其余时间由进水时间和反应时间来分配。 当o l r 一 5g c o d l d 时，一直采用高位水瓶进水，进水时间约 1 5 m i n ，可看作瞬时进水，c o d 去除率可达到9 0 以上，说明当o l r 、 5g c o d l d 时，不同o l r 时采用不同t f t r 所达到的 最高去除率如表4 - 2 所示： 表4 - 2 不同负荷下的t f t r 和c o d 去除率 o l r ( g c o d 5 681 01 2 l d ) t f t l i 1 0呐1 1 02 9l 1 0狮湘l 1 0鹏明l m呐勰们 c o d 去除率乱3眠98 l 6呱6眠5g 9鲺58 17图39 5研3孔7观3鲰l ( ) 图4 1 4t ，t r 值和c o d 去除率( o l r = 1 2 9 c o d 儿d ) 从表中不难发现，t f t r 是影响c o d 去除率的重要因子。o l r 较高 时，为了保证高的c o d 去除率必须延长迸水时间。图4 - 1 4 为o l r = 1 2 9 c o d 儿d 时t f t b 值和c o d 去除率的关系，t ，t r 为1 1 0 时去除率只有 6 7 3 ，t f t r 变为4 7 时去除率提高到9 0 1 。 究其原因，笔者认为同挥发酸( v f a ) 的积累有关。进水过快时碳水 化合物转化成的v f a 来不及降解而大量积累在反应器中，引起p h 下降， 影响了甲烷细菌的活性：降低进水速度可以使v f a 及时被甲烷细菌所降 解而不致于积累。 4 2 3 f m 值与污泥沉降 图4 1 5 、4 1 6 、表4 - 3 反映的是o l r = 4 9 c o d l d ，m l v s s = 1 4 3 9 l 时，某一周期反应器内c o d 浓度等参数的变化情况。从图4 1 5 可以看出， 产气速率随着反应时间的推移而下降。图4 一1 6 则揭示了沉淀速度与反应 器内f m 值呈反相关关系的规律。在一般的连续流反应器中，基质的降 解处于稳态，即微生物周围的食料浓度是衡定的。而在a s b r 反应器中， 进水阶段完成后食料浓度( f ) 达到最高，然后逐渐下降，沉淀时达到最 小值，此时的食料浓度( f ) 低于连续进水系统的任何时候，f m 达到最 低。所以a s b r 工艺能够获得比连续进水的普通厌氧活性污泥法更高效的 固液分离效果。 舌伯蚰m 0 0 ， 芒鼍碰咐自8 表4 - 3 反应期间c o d 浓度变化 时间 ( h ) 0o 21 52 53 54 55 56 57 58 59 51 0 5 1 1 5 c o d 2 5 62 2 8 38 4 76 9 06 4 15 9 55 3 64 7 64 1 53 6 73 0 63 0 22 9 2 ( m g l ) 产气 ( m 1 ) 03 0 02 8 0 02 7 如2 2 5 01 6 5 01 5 0 01 3 0 01 2 5 01 1 0 01 0 5 09 5 09 1 0 f m ( x 1 03 d ) 1 51 3 44 94 03 73 53 2 2 82 42 l1 81 71 7 沉淀 时间未出现泥水界面 2 72 52 52 11 51 41 0 ( m i n ) 。2 0 0 0 童- s o o 制 1 0 0 0 6 0 0 681 0 时间( d ) 4 1 5a s b r 反应器内c o d 浓度和产气率变化 4 0 。3 0 暑 墨2 0 嫠1 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 00 4 f 旭1 d ) 图4 - - 1 6f m 值和沉淀时间的关系 (qiv瞢璃rk l|ml；， 塑! ! 墨一 一一 一。这：慧昙= 专等等凳震恭篇嚣蓊 露耄篓黧三篇篓篡嚣赫蔷工 力，其基质浓度的变化在时间上是一个埋想削臣钥“1 ” 本实验对沉淀阶段污泥成层沉降的速度进行了测定，4 - - 1 7 表4 圈4 - 1 7 界面沉降过程 渊。竺羔= 篡6 。川瑚诽刺淌随着 不同m l s s 下的污泥沉速见图4 一1 8 思停工弛小“一 反应器内污泥浓度的增加而减小。 。3 5 。3 妒2 5 j0 2 艮 昧。l 。5 o 图4 - 1 8 污泥浓度和界面沉速的关系 4 2 5 搅拌 4 1 3 节的电镜照片( 图4 7 ) 很能够说明搅拌在颗粒成长过程中的 重要作用。强度的控制很重要，过强的搅拌引起的水流强烈紊动容易剪 碎已形成的颗粒污泥；强度过弱一方面影响反应器效率，另一方面无法 提供足够的碰撞机会和强度，使细小颗粒互相粘接成为较大颗粒，从而 影响颗粒污泥的成长。 实验中采用沼气回流搅拌，搅拌采用的气力搅拌负荷为1 0 5 m 3 m 2 h ( q = 3 0 0 m l m i n ，a = 1 7 2 c m 2 ) 或1 5 m 3 m 3 反应器h ，对于最佳气力搅拌负 荷，课题未进一步探讨。 另外，由于a s b r 工艺缺少如同u a s b 那样的水力分级作用，因此， 为了满足形成颗粒污泥所必须的选择压，气力分级作用显得尤为重要， 光靠甲烷菌产气所形成的气力分级是不够的，沼气回流搅拌客观上满足 了选择压的要求，因为经过搅拌后，重质污泥由于沉降速度快，主要分 布于反应器下部，而轻质污泥由于沉降速度较慢，主要分布在上层，排 水时来不及沉降的轻质污泥被排出反应器，有利于颗粒化。 间歇搅拌方式比连续搅拌方式更可取，国内外许多研究人员均通过 实验证实了这一点a 为了防止连续搅拌导致颗粒污泥破碎，实验中直 采用间歇搅拌方式，但仍有充足的理由得出同样的结论，因为既然间歇 搅拌已经能在o l r = 2 1 2 9 c o d l d 范围内达到c o d 去除率高于9 0 的处理效果，那么，从能耗、噪声、颗粒污泥生成等方面考虑，连续搅 拌都不具备竞争力。 o l r = 8 9 c o d l d 时，做了两种搅拌频率的对比实验，结果为2 5 0 ( 每5 0 分钟搅拌2 分钟) 时，c o d 去除率为9 7 3 ，1 2 5 时c o d 去除 率为9 6 1 ，据此笔者认为两者基本没有差别。 工程实践中搅拌频率的选用还应考虑到搅拌设备，因为有些搅拌设 备不宜过于频繁地启停，间隔时间宜长些。为了保证反应器的效率， 应保证每小时搅拌一次。 4 2 6 总结 根据试验结果，a s b r 的基本工艺特性可以归纳如下： 实现颗粒化的a s b r 的反应器具有较强的处理能力，在负荷为3 1 2 g c o d l d 范围内，c o d 去除率均高于9 0 ，且每次提升负荷后，出 水浓度和c o d 去除率均没有大的波动，表现出良好的抗冲击能力。 t ，t 。值是影响c o d 去除率的重要因素，有机负荷较高时，为了保 证高的c o d 去除率必须延长进水时间。在每一运行周期中，产气速率随 着反应时间的推移而下降，污泥沉淀速度与反应器内f m 值呈反相关关 系，所以到了沉淀阶段，由于具有低产气率和低f m 值等理想条件，a s b r 能够获得高效的污泥絮凝和固液分离。 试验还表明，在不同的污泥浓度下，沉淀阶段的污泥成层沉降的速 度随着反应器内污泥浓度的增加而减小。间歇搅拌方式比连续搅拌方式 更加可取，强度的控制很重要，本试验采用的气力搅拌负荷为 1 0 5 m 3 i n 2 h ( 1 5 m 3 i n 3 反应器。 4 , 3 对a s b r 工艺的进一步讨论 4 3 1a s b r 反应器与普通厌氧消化池 a s b r 的间歇操作方式容易使人们联想到普通厌氧消化池，普通厌 氧消化池有两种工况：一种是施行间歇加排料，另一种施行连续加排料， 这两种工况可进行如下对比： l 、生物学及生化特性比较：连续工况中，池中的生物学特性和生化 特性相对恒定，在一定的有机物负荷率及环境条件下，消化池中的微生 物总量及产酸菌和产甲烷菌的比例基本上保持不变，酸发酵与甲烷发酵 的速率维持某一恒定的协调关系。而在问歇工况中，生物学及生化特性 均呈周期性变化，加料后池中营养物大增，致使水解和产酸过程进行得 旺盛，而产气过程相对减弱，即酸发酵强度大于甲烷发酵强度。此后， 随着时间的推移，基质逐渐减少，致使水解和产酸过程逐渐减弱，产气 环境得到改善，产气强度得了恢复，此时产酸速率与产气速率达到了某 种稳定和平衡，直到下一周期这种平衡被再次破坏。 2 、理化特性比较：连续工况中池中的理化特性保持相对稳定，p h 值、酸碱度、m l v s s 、c o d 等主要参数均相对恒定，池内温度也比较 均匀；间歇工况中，理化特性随加排料的周期进行也呈周期性变化，最 为显著的就是p h 值的下降和回升。 3 、工程学特性比较：连续工况中，由于环境条件无周期性变化，细 菌种群保持着均衡的协调关系，温度均，因而有机负荷率高；间歇工 况中，池内环境作周期性变化，故生化速率受到一定影响，有机负荷率 相对于连续加排料时要低，但操作运行较简单。 由以上的比较可以看出，在普通厌氧消化池中，间歇工况的非稳态 特征使厌氧处理的两大菌群一产酸菌和产甲烷菌处于非协调状态，随着 p h 值的下降，甲烷菌逐渐受到抑制，只有当p h 值回升到适当的范围， 甲烷菌才能进行正常的代谢活动。这就意味着每一周期，甲烷菌都要经 历一次毒性冲击。在这种环境中，当然不可能期望取得较高的有机负荷 率了。因此，在开发新的高负荷厌氧反应器时，人们的目光往往只停留 在连续流反应器。 那么为什么同样施行间歇工况的a s b r 反应器能取得较高有机负荷 率昵? 分析原因可能有以下几点： 1 、足够的碱度使反应器内的p h 值波动减小，并一直处于甲烷菌的 适宜生长范围：6 5 7 8 。因此甲烷菌的代谢生长不受影响。同时，由于 甲烷菌处于良好的代谢状态，能够将v f a 等引起p h 下降的中间产物不 断地转化为c h 和c o ：从环境中清除出去，使得p h 值更加趋于稳定， 从图4 5 可以看出，进水完毕后，产气速率最大，说明甲烷菌代谢旺盛， 而普通厌氧消化池中，产气高峰要等到p h 值回升后才会出现。 2 、颗粒污泥的形成为甲烷菌营造了稳定的微环境。颗粒污泥具有高 活性和高沉降性，其高活性使得反应器中v f a 不容易积累，也就不会影 响甲烷菌的活力。尤其当处理碳水化合物废水时，所形成的颗粒污泥结 构一般是产酸菌在外层，甲烷菌在内层，甲烷菌处在稳定的微环境中， 不会直接受到外部环境的干扰，因而能够与产酸菌协调生长。 3 、反应器的几何构型和操作技术：a s b r 反应器一般采用高径比较 大的“瘦长型”构型，搅拌一般采用沼气回流搅拌，这种方式的优点是： 1 ) 、使反应器内混合效果较好，几乎没有死角，同时也避免了浮渣层的 形成；2 ) 、利于污泥沉降，有效地保留了生物量；3 ) 、通过排水时洗出 轻质污泥，有可能在反应器内形成颗粒污泥。这些都是与普通厌氧消化 池有所不同的。 4 、一些较新的研究成果在a s b r 工艺中得到应用。尤其是满足了甲 烷菌对微量元素的营养需求，以及投加c a 2 + 、m 9 2 + 对污泥颗粒化的促进， 还有阳离子高分子絮凝剂在生物量保持方面的积极作用等。 4 3 2 a s b r 反应器的推流特性的理论分析 在连续流反应器中，有完全混合式( c s t r ) 与推流式( p f ) 这两种 极端的流态。在c s t r 中的基质浓度等于出水浓度。根据生化反应动力 学原理，由于反应器中的基质浓度很低。其生化反应推动力也很小，反 应速率和去除有机物效率都低。在理想的推流反应器中，污水从反应器 首端进入，呈推流状态流动，从反应器末端流出，反应器的各断面上只 有横向混合，不存在纵向的返混，基质从进水的最高浓度逐渐降解为出 水的最低浓度。底物浓度没有被稀释，尽可能保持了最大的推动力。 a s b r 反应器中，虽然其基质浓度与生物体浓度在反应器的空间变 化上呈完全混合状态，但是随时问变化却呈理想的推流状态，不会出现 连续流反应器中的返混现象。下面的推导过程将清楚地显示出a s b r 工 艺相对于采用c s t r 厌氧工艺的动力学优势。 对c s t r 反应器中的基质作物料平衡： v 。d s d t = q s o - q s 。一v 。k x s 。( 1 ) 式中：v 一反应器容积 x 一反应器内生物体浓度 s 。、s 广反应器进出水浓度 k 一基质降解速率常数 一进水流量 d s d t 一基质浓度的变化速率 稳态条件下反应器内没有基质的累积，即d s d t = 0 式( 1 ) 化为( s o s 。) t 。= k x s 。 t 。：c s t r 反应器的水力停留时间 令基质去除率r i = ( s o s 。) s o 箜! ! 蔓 t c - ( s o - s , ) k x s , = r i ( 卜1 1 ) k x ( 2 ) 令c s t r 反应生产率p c = v , s or l t 。( 3 ) 式( 2 ) 代入式( 3 ) 得： v , = p o k x s o ( 卜r 1 ) ( 4 ) a s b r 反应器中由于a s b r 反应时没有进出水，故物料平衡为： d s d t k x s 。( 5 ) 在仁o 时，s t = s 。；h b 时，s t = s 。的边界条件下，对式( 5 ) 积分并整理得： t b = l n ( s o s 。) k x 一1 n ( 卜q ) k x( 6 ) 令a s b r 反应器容积为v 。，其反应时间及停产时间分别为t b 及t i ，则得 生产率为： p b _ v b s or i ( t b + t ，) = v b s or l t b ( 1 + e ) ( 7 ) 式中e = t i t b 将( 6 ) 代入( 7 ) 消去t b 得： v b _ 一p b ( 1 + e ) l n ( 1 一n ) ( k x s on ) ( 8 ) 式( 2 ) 和式( 6 ) 分别表示c s t r 和a s b r 反应器为使出水基质浓度降 至s 。所需的反应时间，这两个反应时间之比为： t j t b n ( 卜n ) i n ( 卜n ) 若要求基质去除率为9 0 ，则有t o t b = 3 9 1 若要求基质去除率为9 5 ，则有t o t b = 6 3 4 表明在相同条件下使去除率大于9 0 时，用c s t r 反应器所需要的水力 停留时间要比a s b r 大3 倍。 当两种反应器的s 。、p f 、及r l 相等时，由式( 4 ) 及式( 8 ) 得两者的容 第5 8 页 积比为： v b v o = 一( 卜r i ) ( i + e ) i n ( i r 1 ) n 若取r l = 9 0 ，则上式为v v 。= o 2 5 ( 1 + e ) 以本实验为例，e 取0 2 ，则v b = 0 3 v 。 说明a s b r 法所需容积仅为c s t r 所需容积的3 0 。 推导过程使我们从理论上进一步了解a s b r 工艺的商效性，但是必 须指出，在工程实践中，a s b r 工艺对于c s t r 工艺( 如厌氧接触法、u a s b 法) 的动力学优势并没有理论上那么巨大，一方面是因为后者的流态并 不是绝对的完全混合，而是处在c s t r 和p f 之间，另外，为了保留生物 量，a s b r 在排水阶段并不将水排空，一般只排5 0 ，这样进水必须首 先被稀释，不过这一稀释作用却提高了a s b r 工艺的抗冲击能力并减小 了对碱度的需求。 第5 章结论与建议 5 1 结论 经过以上的实验工作和分析讨论，可得出如下结论： 1 、实验中以蔗糖为基质，在中温条件下( 3 5 ) 成功地培养出成 熟的颗粒污泥( 粒径：1 - 3 5 r a m ) 。表明中温下a s b r 反应器培养出颗粒 污泥是可能的。 2 、实现颗粒化的a s b r 反应器具有较高的处理效率和抗冲击负荷能 力。实验中，在有机负荷为3 1 2 9 c o d l d 范围内，c o d 去除率均高于 9 0 。且增加负荷时去除率保持稳定，说明a s b r 工艺具有优良的生化 性能。 3 、在a s b r 反应器中，培养颗粒污泥的技术条件有：( 1 ) 适当的污泥 负荷。污泥负荷对颗粒化有很大影响，当污泥负荷为0 3 - 4 ) 4 9 c o d g v s s d 时，颗粒污泥开始出现，污泥负荷高于0 4g c o d g v s s d 时，颗粒化进 展较为迅速，低于0 3g c o d g v s s d ，颗粒污泥生长不明显，甚至会解 体；( 2 ) 适当的搅拌方式和搅拌强度。沼气回流搅拌优于水力回流搅拌， 间歇搅拌比连续搅拌更可取，适当的搅拌强度对于颗粒化是必要的，实 验气力搅拌负荷为1 0 5 m 3 m 2 h ( 1 5 m 3 m 3 反应器h ) ，过低的搅拌强 度会延缓颗粒污泥的生长，过强则会剪碎己生成的颗粒污泥；( 3 ) 满足对 f e 、c o 、n i 等微量金属元素的营养需求；( 4 ) 足够的碱度。 4 、a s b r 反应器可以培育出并能保留以甲烷八叠球菌为主体的颗粒 污泥。小颗粒之间的碰撞粘接是形成较大颗粒污泥的重要原因。 5 、有机负荷率影响着出水悬浮物浓度。出水悬浮物浓度与有机负荷 第6 0 页 率呈正相关关系。 6 、污泥沉降速度与污泥浓度以及f m 值有关，污泥浓度越高，沉 降速度越慢；f m 值越高沉降速度也越慢。 7 、v t r 值是影响c o d 去除率的重要因素。本实验中c o d 去除率随 着f r 值上升而增高。 5 2 建议 1 、研究如何避免排水时上清液被溢出的气泡带起的污泥搅浑，导致 出水s s 较高的现象； 2 、研究采用纯c h 4 进行回流搅拌时，a s b r 反应器的性能变化。着 重研究碱度需求量，并进行技术经济分析； 3 、对a s b r 反应器处理如焦化、制药等实际工业废水的能力作迸一 步研究； 4 、研究常温和低温下，a s b r 反应器的性能。 堑! 夏 参考文献： 【1 】贺延龄废水的厌氧生物处理北京：中国轻工业出版社1 9 9 8 【2 】r e s p e e c e a n a e r o b i cb i o t e c h n o l o g yf o ri n d u s t r i a lw a s t e w a t e r s l 9 9 6 ： a r e h ep r e s s u s a 3 】张希衡等废水厌氧生物处理工程北京：中国环境科学出版社，1 9 9 6 4 】李亚新，田扬捷高负荷厌氧新工艺一厌氧序批式反应器中国给排 水1 6 ( 9 ) ：2 4 2 6 【5 】s u n g s d a g u e r r l a b o r a t o r ys t u d i e so nt h ea 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 w a t e re n v i r o n m e n t r e s e a r c h ，1 9 9 5 ，6 7 ( 3 ) ：2 9 4 3 0 1 【6 】王东海等s b r 法在难降解有机物处理中的研究与应用中国给排 水，1 9 9 9 ，1 5 ( 11 ) ：3 0 【7 】w i r t z r a ，d a g u e r r e n h a n c e m e n to fg r a n u l a t i o na n ds t a r t - u pi nt h e a n a e r o b i c s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r w a t e re n v i r o n m e n tr e s e a r c h 1 9 9 6 ，6 8 ( 5 ) ：8 8 3 8 9 2 【8 】方先金s b r 工艺特性及降解过程的研究给水排水，2 0 0 0 ，2 6 ( 7 ) ：1 8