（环境工程专业论文）复合式高效厌氧反应器处理生活污水的试验研究.pdf

摘要目前高效厌氧生物技术已经成为生活污水处理领域的研究热点之一，因其具有投资少、节省能源、运行稳定和操作简单等优点，该技术对于经济欠发达地区和城镇地区分散污水的处理具有一定的指导意义和实用价值。为开展高效厌氧生物技术处理生活污水的应用研究，本试验依据颗粒膨胀床反应器( e g s b ) 、内循环( 1 c ) 厌氧反应器、厌氧生物滤床的特点，设计加工了一套有效容积为2 0 3 l 的复合式高效厌氧反应器，先后以模拟生活污水和实际生活污水为处理对象。系统地研究了该反应器的启动方法与污泥的颗粒化过程；将同一个反应器中厌氧颗粒污泥按不同的粒径区间划分来探讨了污泥的理化特性和生化特性；采用单因素试验对反应器性能的影响因素进行了研究主要研究结果如下：( 1 ) 该套反应器通过提高反应器的高径比，同时增设外循环水系统，使得反应器可以承受更高的表面水力负荷，实现了微生物与基质之间更有效充分的接触；同时反应器上部填料层的增设，使得反应器截流颗粒污泥的能力明显改善，反应器内维持了较高浓度和生物活性的污泥。( 2 ) 在厌氧污泥培养的不同阶段，反应器采用适当的运行模式，可以成功实现厌氧颗粒污泥的培养反应器接种污泥为絮状污泥，8 7 ”的污泥粒径小于0 1 8 r a m , 颗粒污泥增殖阶段，5 3 6 9 的污泥粒径大于0 4 2 5 m m ；颗粒污泥成熟阶段，8 3 6 6 的污泥粒径大于0 4 2 5 m m ，反应器内已形成数量、理化和生化性质稳定的颗粒污泥( 3 ) 随着厌氧颗粒污泥粒径的增大，厌氧颗粒污泥中活性物质含量呈明显增多的趋势，沉降性能明显改善，机械强度明显增强，湿密度略有所增加。本试验首次在动态和静态试验条件下对五种不同的粒径区间的厌氧颗粒污泥比产甲烷活性进行了对比研究，试验数据表明：随着污泥粒径的增大，厌氧颗粒污泥比产甲烷活性明显增强；相同粒径区间的厌氧颗粒污泥，动态试验的所测得比产甲烷活性较静态试验提高了捌8 5 。( 4 ) 反应器以模拟生活污水作为基质，对反应器性能的影响因素进行了研究，试验结果表明：随着进水温度的升高、水力停留时间( 1 盯) 的延长、外循环水流量的增大，反应器c o d c ，平均去除率呈明显提高的趋势进水温度在3 4 _ * i c 下，c o d o 平均去除率为9 4 0 4 ；h r t 为3 h时，c o d o 平均去除率为9 3 3 9 ；外循环水流量为3 2 - 1 0l h - l 时，反应器的c o d o 平均去除率为9 3 2 7 ，出水c o d c , 值均小于5 0 n a g l - 1 。( 5 ) 在进水温度3 4 + 1 下、h r t 为3 h 、外循环水流量为3 2 1 0l h - 1 参数下运行反应器，逐步实现以实际生活污水作为进水基质，反应器的c o d o 去除率在4 2 6 4 之间，逐步提高外循环水流量至4 8 1 1 0l h ，c o d c ，去除率在6 8 9 6 7 5 之间，出水c o d c ，浓度稳定在1 0 0 1 5 0n a g - l - 1 之间。关键词；厌氧颗粒污泥。高效厌氧反应器，内循环厌氧反应器，生活污水a b s t r a c ts t u d yo nd o m e s t i cw a s t e w a t e ri r e a l m e n tb yh i g h - r a t ea n a e r o b i cb i o t e c h n o l o g yh a sb e e nah o tt o p i c i th a sc e r t a i np 0 怔n d a la n dp r a c t i c a lv a l u ef o rt h et r e a t m e n to fd e c e n t r a l i z e dw a s t e w a t e ri nl e s sd e v e l o p e dr e g i o n sa n dv i l l a g e sf o ri t sh i g hp e r f o r m a n c e 。l o wc o u , e a s yo p e r a t i o na n dm i i n t e n a n t oc a r r yo u ta p p l i e dr e s e a r c ho nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb yh i g h - r a t ea n a e r o b i cb i o t e c h n o l o g y , as e to fh i g h - r a t ea n a e r o b i ch y b r i dr e a c t o rw i t ha ne f f e c t i v ev o l u m eo f2 0 3l i t e r sw a sd e s i g n e da n dp r o c e s s e d i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hw a sc a r r i e do u tw i t ht h r e eo b j e c t i v e s ：t h ei n v e s t i g a t i o no fp r o p e rm e t h o d sf o ri t ss t a r t - u p ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea n dd e t e r n 吐n a t i o no fo p t i m a lp a r a m e t e r sf o ri t se f f i c i e n c y , u s i n gs i m u l a t i v ed o m e s t i cw a s t e w a t e ra n dd o m e s t i cw a s t e w a t e r 鹊s u b s t r a t e t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：( ) t h i sr e a c t o rw a sd e s i g n e db a s e do ut h ei n n e r - c i r c u l a t i o na n a e r o b i cr e a c t o r , h o w e v e r , t h ei n c r e a s eo fh e i g h t - t o - d i a m e t e rr a l i oa n dc i r c u l a t i o no fo u t e rw a t e rs y s t e mm a d et h er e a c t o re n d u r a b l ef o rh i g h e r驰a u l i cs u r f a c el o a d i n g , s om i c r o b e sc o u l df u l l yc o n t a c tw i t hs u b s t s a t e t h es e t u po f p a c k i n gl a y e r si nt h et o pp a r to fr e a c t o rc o u l dd r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ea b i l i t yo fg r a n u l a rs l u d g er e t e n t i o na n dm a i n t a i ni t sh i g hc o n c e n t r a t i o na n db i o a c t i v i t yo fs l u d g e ( 2 ) t h ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a sc u l t i v a t e dt h r o u g ht h r e es t a g e s ，d u r i n gw h i c hd i f f e r e n ts t r a t e g i e sw o r et a k e nf o rc e r t a i np m l ，0 s e s i nt h er e a c t o r , t h es l u d g ed i a m e t e ra u g m e n t e dd r a m a t i c a l l y a t t h e f i r s ts t a g e ，t h er e a c l o r w a s i n o c u l a t e d w i t h t h e p e r c e n t a g e o f 8 7 2 7 o f t o t a ls l u d g e w h o s es i z e i ss m u l e rt h a n0 1 8 r a m a tt h es e c o n ds t a g e ，5 3 6 9 o ft o t a ls l u d g es i z ew a sl a r g e rt h a n0 4 2 5 m m a tt h et h i r ds t a g e ，t h es l u d g es i z ed i s t r i b u t i o nr e a c h e das t e a d yl e v e la n d8 3 6 6 o ft h et o t a lw a sl a g e rt h a n0 4 2 5 m m ( 3 ) w i t ht h ea u g m e n to fs l u d g es i z e ，t h ec o n t e n to fb i o a c t i v es u b s t a n c eo fs l u d g ea n dm e c h a n i c a lm e n g t hd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e da n ds e t t l e m e n tp e r f o r m a n c ea l s ow a si m p r o v e dg r e a t l yw i t hw e td e n s i 哆i n c r e a s i n gsb i ta c c o r d i n g l y s p e c i f i cm e t h a n o g e n i ca c t i v i 够( s m a ) w i t ham i x t u r eo fg l u c o s e ，s o d i u ma c e t a t ea n dp e p t o n es h o w e das i g n i f i c a n ti n c r e a s ew i t hs l u d g es i z e ，s u g g e s t i n gb e t t e re s t a b l i s h m e n to fm n t r o p m cr e l a t i o n s h i pi nl a r g e rg r a n u l a rs l u d g e t h es m at e s t e di nd y n a m i ce x p e r i m e n tw a s2 3 8 5 h i g h e rt h a nt h a ti ns t a t i ce x p e r i m e n tf o rs l u d g ew i t ht h es a m es i z e ，s h o w i n gt h a tb e t t e rh y d r a u l i cc o n d i t i o ni sf a v o r a b l ef o rs l u d g ea c t i v i t y ( 4 ) s i n g i ef a c t o rt e s tw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ，h r ta n dc h - c u l a rf l o wo nc o d e rr e m o v a le f f i c i e n c y , u s i n gs y n t h e t i cw a s t e w a t e ro f4 0 0 6 0 0 m g l - 1 a ss u b s t r a t e i nt h ef i r s te x p e r i m e n t , w i t hh r ts e ta s3 ha n dc i r c u a rf l o w4 8 * l l h t , w h e nt h et e m p e r a t u r et f s ct o3 4 1 c ，a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d or e a c h e d9 4 0 4 i nt h es e c o n de x p e r i m e n t , t e m p e r a t u r ew a ss e ta s3 4 _ + 1 ca n dc i r c u l a rf l o w4 8 _ + 1 l h 1 , w h e nh r tw a s3 h , a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d c ，c o u l dg e t9 3 3 9 i nt h et h i r de x p e r i m e n t t e m p e r a t u r ew a ss e t 舔3 4 1 a n dh r t3 h , w h e nc i r c u l a rf l o ww a s3 2 _ + 1 l - h 1 。a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d oc o u l dg e t9 3 2 7 a n dc o d o c o n c e n t r a t i o no u t f l o ww a sb e l o w5 0m g l 1 j tw a sa l s os h o w nt h a tt h eh i g h e rc i r c u l a rf l o ww a s t h ch i g h e rt h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yw a st os o m ee x t e n d ，h o w e v e r , i tw a sn o te c o n o m i c a l 圆i nt h ef o r t he x p e r i m e n t , h 玎w a ss e ta s3 hw i t ht e m p e n t u r e3 4 * 1 ca n dc i r c u l a rf l o w3 2 l l h 1 ，t h ei e a ( ：l o l w a sa p p l i e dt ob a td o m e s t i cw a s t e w a t e rf o ram o n t h , c o d or e m o v a le f f i c i e n c yw a s4 2 6 4 w h e nc i r c u l a rf l o ww a si n c r e a s e dt o4 8 _ + l l h 1 9 r a d u a l l y , r e m o v a le 伍c i c n c yr i s et o6 8 7 5 a n do g d o c o n c e n t r a t i o no u t f l o ww a s1 0 0 1 5 0r a g l 1s t e a d i l y k e yw o r d s ：a n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，h i g h - r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r , i n n e r - c i r c u l a t i o na n a e r- o b i cr e a c t o g , d o m e s t i cw a s t e w a t e rm独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：疹钛关于论文使用授权的声明本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)论文作者签导师签名月9 日b 月门日，中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 污水的厌氧生物处理技术1 1 1 污水厌氧处理的微生物学原理污水的厌氧生物处理是一个在厌氧条件下由多种微生物共同作用，将大分子有机物转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨等的复杂的生化过程。不同的微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统m p b r y a n t 于1 9 7 9 年根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果提出了“三阶段理论”，该理论认为产甲烷菌不可以利用除乙酸，h 2 c 0 2 和甲酵等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸和醇类须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳，才可为甲烷菌所利用( m p b r y a n t ，1 9 7 9 ) 。这三阶段即是：水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段。j g z e i l m s于1 9 7 9 年在第一届国际厌氧消化会议上提出了著名的“四种群说”，该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与，这四种群即是：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌、产甲烷菌( j g z e i k m ，1 9 7 9 ) “三阶段理论”的提出和。四种群说”的完善，使得人们对有机物厌氧消化这个复杂的生物学化学过程得到深刻而正确的认识有机物的厌氧降解过程见图1 - 1 。圈1 - 1 有机物厌氩分解过程f i g m e1 - ia n a e r o b i cd c g r a d a t l o np r o a o f o r g a n i cp o l l u t a n t s1 发酵细2 产氢产乙藏3 同型产乙酸曹椭i 用氢气和二氯化碳的产甲烷蕾5 利用乙馥的产甲烷蕾( h 枷咖s 辱1 9 9 1 )( 1 ) 水解发酵阶段水解是复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子有机物中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论因相对分子质量巨大，不能透过细胞膜，不可以为细菌直接利用。复杂有机物首先在厌氧菌胞外酶的水解作用下转化为小分子物质，如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，脂类被转化为脂肪酸和甘油等，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等( 孔繁翔等，2 0 0 0 ：任南琪等，2 0 0 4 ) 小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜，在发酵细菌细胞内转化为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌至细胞外末端产物有挥发性脂肪酸( a ) 、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨和硫化氢等发酵性细菌是一个复杂的混合菌群，其功能性菌群主要包括纤维素分解菌、木聚糖分解菌、果胶分解菌、淀粉分解菌、木质素分解菌、脂类分解菌和蛋白质分解菌等在中温厌氧消化过程中，有梭状芽胞杆菌属( c l o s u i d i u m ) 、拟杆菌属( b a c i c f i o d c s ) 、丁酸弧菌属( b u t y r i v i b r i o ) 、真细菌属( e u b a c t e f i u m ) 、双歧杆菌属( b i f i d b a c t e r i u m ) 和螺旋体等属的细菌。在高温消化中，有梭菌属和无芽孢的革兰氏阴性杆菌，其它也存在一些链球菌和肠道菌兼性厌氧细菌( 胡纪萃等，2 0 0 2 ) ( 2 ) 产氢产乙酸阶段在该阶段，产氢产乙酸菌将除乙酸、甲酸、甲醇以外的水解发酵产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类转化为乙酸、氢气和二氧化碳等；同型产乙酸菌将部分氢气和二氧化碳转化为乙酸。利用乙醇、丙酸、丁酸等基质的产氢产乙酸过程需要乙酸的低浓度、液体中氢的低分压环境。产氢产乙酸菌只有和耗氢微生物( 如产甲烷菌) 互营联合，才能将长链脂肪酸降解为乙酸和氢气，并获得能量生长。产氢产乙酸菌为产甲烷菌提供乙酸和氢气，促进甲烷菌的生长产甲烷菌利用分子氢而降1 氐生长环境中的氢分压，利于产氢产乙酸菌的生长，这种互营联合菌种之间形成的种间氢转移对于使得厌氧生境具有生化活性十分重要，是推动厌氧生境物质循环尤其是碳素转化的生物力( 胡纪萃等，2 0 0 2 ) 。近年来，发现的产氢产乙酸菌主要包括互营单胞菌属( s y n t r o p h o m o n a s ) 、互营杆菌属( s 灿o p h o b a c t e r ) 、梭菌属( c l o s t r i d i u m ) 、暗杆菌属( p e l o b a c t e r ) 等。同型产乙酸菌代表菌种有伍德氏产乙酸杆菌( a c e d b a c i e f i u mw o o d i i ) 、威林格乙酸杆菌( a c e t o t o b a c t e r i u m w i e r i n g a e ) 、乙酸梭菌( c l o s t r i d i u ma c e t i c u m ) 、基维产乙酸菌( a c e t o g e n i u mk i v i ) 、嗜热白养梭菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o a u t o t r o p h i c u m ) 等( 胡纪萃等，2 0 0 2 ) ( 3 ) 产甲烷阶段这一阶段，产甲烷细菌对基质的转化存在两条途径：食乙酸产甲烷菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺、氢气等物质转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质；食氢产甲烷菌将氢和二氧化碳转化为甲烷。在一般的厌氧反应器中。约7 0 的甲烷由乙酸分解而来，3 0 的甲烷由氢气还原二氧化碳而来产甲烷菌是严格厌氧的古生菌，目前发现的主要代表种有巴氏甲烷八叠球菌( m e t h a n o s a r c i n ab a r k e d ) 、索氏甲烷丝菌( m e t h a n o t h r i xs o e h n g e n i i ) ，这两类菌种主要利用乙酸生长并产生甲烷；甲酸甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e f i u mf o r m i c i c u m ) 、布氏甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i u mb r y a n f i i ) 、嗜热自养甲烷杆菌( m e t h a n o b a c t e r i u mt h e n n o a u t o t r o p h i c u m ) 、瘤胃甲烷短杆菌( m e t h a n o b r e v i b a c t e rr u m i n a n t i u m ) 、万氏甲烷球菌( m e t h a n o c o c c u s v a n i e l i i ) 、亨氏甲烷螺菌( m e t h a n o s p i r i l h m h u n g a t e i ) ，这六类菌种主要利用h d c o ：和甲酸生长并产生甲烷( 张国政等，1 9 9 0 ；赵一章等，1 9 9 7 ；胡纪萃等，2 0 0 2 ：单丽伟等。2 0 0 3 ) 2中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论1 1 2 污水厌氧生物处理技术评价( 1 ) 污水厌氧生物处理技术可节省动力能耗好氧菌降解有机物是营分子氧呼吸。分解有机物的过程必须提供分子氧。而厌氧菌分解有机物是营无分子氧呼吸，分解有机物的过程中不需提供氧气理论上完全氧化1 0 0 0 k g b o d 5 需要消耗1 0 0 0 k g 分子氧，耗电量为5 0 0 1 0 0 0 k w h ( s p e e c er e ，2 0 0 1 ；胡纪萃等，2 0 0 3 ) ，采用厌氧工艺则无需这方面的能耗( 2 ) 污水厌氧生物处理技术可产生生物能污水的厌氧发酵可以实现污水的资源化利用，其问产生大量热值很高的沼气，在厌氧条件下，每去除1 0 0 0 k g b o d 5 产生甲烷的能量为1 2 6 6 0 0 0 0 k j ，其能源价值十分可观( 3 ) 污水厌氧生物处理技术产生的剩余污泥量少在好氧降解过程中，有机物，如碳水化台物，约有2 3 被合成细胞，约有1 3 被氧化分解提供微生物生长所需能量，好氧微生物每去除l k gb o d 5 产生0 4 0 6 k g 生物量在厌氧降解过程中，只有少量有机物被同化为细胞，大部分被转化为甲烷和二氧化碳，厌氧微生物每去除l k gb o d s ，只生成0 0 2 0 t k g 生物量。一般而言，厌氧工艺营养需要量是好氧工艺的5 2 0 ，合成生物量是好氧工艺的5 2 0 ( s p e e c er e2 0 0 1 ) ( 4 ) 厌氧工艺可承受较高的有机负荷好氧工艺受到污染水体中氧气传质限制，其容积负荷一般为0 2 4 k gc o d o , m - 3 d ，厌氧工艺则没有这方面的限制，反应器内可以保持较高的微生物浓度，其容积负荷一般为2 1 0l 【gc o d c t m r d 1 ，也可高可达的5 0l c gc o d c a m 3 d 1 ( 5 ) 厌氧工艺对氮和磷的需要量较低厌氧微生物每去除l k g b o d 5 所合成的生物量远低于好氧生物处理，对n 、p 需要量很少，一般情况下只要满足b o d 5 ：n ：p = ( 2 0 0 - 3 0 0 ) ：5 ：1 ，对于缺乏n 、p 的有机废水。采用厌氧生物处理工艺，可大大节省n 、p 的投加量，降低运行费用( 6 ) 厌氧消化对某些难降解的有机物有较好的降解能力一些难降解的有机工业废水，如炼焦废水、煤气洗涤废水、农药废水、印染废水等，直接采用常规的好氧生物处理工艺不能获得满意的处理效果，而采用厌氧生物处理工艺作为预处理单元或核心处理单元，则可取得较好的处理效果。近年来的研究发现：厌氧微生物具有某些脱毒和降解有害有机物的功效，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。应用厌氧处理工艺作为前处理可以使一些好氧难以处理的难降解的有机物得到部分降解，并使大分子降解成小分子，提高废水的可生化性，往往使后续的好氧生物处理变得比较容易( 孔繁翔等，2 0 0 0 ) 。1 1 3 高效厌氧技术的特点( 1 ) 反应器内形成颗粒污泥，其为微生物的生长和生化活性的发挥提供良好的微生态系统，各类微生物间平衡生长、协同作用，基质的利用效率显著提高( 2 ) 颗粒污泥内部形成一个相对稳定的微环境，即使废水的性质发生波动，由于传质的限制，中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论颗粒污泥内部基质的浓度仍维持在一个稳定的范围内，因而，反应器在很大程度上能够抵抗冲击负荷、对毒性有机物质，重金属有较高的耐性( 3 ) 微生物以颗粒污泥固定化方式存在于反应器内，反应器内单位容积的生物量更高，能够承受更高的容积负荷，具有更高的有机污染物能力( 4 ) 反应器能够承受更高的水力负荷。增强了反应器内的水力扩散度，微生物与基质之间得到更有效的接触，基质颗粒污泥内部的传质效率得到有效提高( 5 ) 占地面积小。动力能耗低1 1 4 常见的高效厌氧反应器( 1 ) 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器u a s b 是2 0 世纪七十年代发展起来的用于处理高、中浓度污水的高效厌氧技术，属于第二代高效厌氧反应器。u a s b 工艺实现了h r t ( 水力停留时间) 和s r t ( 污泥停留时间) 的分离，在u a s b 反应器内，微生物相互黏接缠绕形成致密的颗粒污泥，改善活性污泥沉降性能，有效减少游离于消化液中的微生物数量；避免微生物的大量流失，维持反应器内较高的微生物浓度，从而提高反应器容积负荷；同时颗粒污泥的形成，强化了反应器内微生物群落之间的功能协同作用，大大缩短厌氧生物降解基质过程的时间，提高了污水的处理效率u a s b 工艺的缺点在于：污泥床内混和强度不可以太高，不能够完全避免短流现象；对于各类污水，存在系统内传质阻力和浓度梯度问题，混合程度从流体动力学角度证明了质量传递在微生物降解有机物中的重要作用；浓度梯度的出现限制了富含蛋白质和长链脂肪酸的污水以及生物可降解的有毒化舍物如甲醛的处理，传统的u a s b 的应用参数表现出严格的限制( 王凯军等，2 0 0 0 ；王凯军，2 0 0 2 ；郭琦，2 0 0 2 ；董欣杨，2 0 0 5 ) ( 2 ) 颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 反应器e g s b 反应器是传统u a s b 的最新演变和拓展，属于第三代高效厌氧反应器，e g s b 工艺实现了水力停留时间( i 珉t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的分离，同时满足了进水与反应器污泥之间的良好接触。e g s b 工艺充分利用了颗粒污泥良好的沉降性能，通过部分出水回流和采用较大高径比的反应器，提高了反应器中液体的上升流速，使颗粒污泥床充分膨胀，减少了反应器的死区，同时提高了反应器的有效容积e g s b 反应器的特点有：( a ) 上升流速大，为2 5 1 0 m h 1 ，u a s b 反应器的上升流速为0 5 1 5m h 1 ；( b ) 有机负荷高，为5 5 0k g c o d c ：m 3 d ；( c ) 高径比大，污泥床为膨胀状态；( d )出水回流比大。适合处理低浓度污水；( c ) 颗粒污泥接种，活性高，沉降性能好，粒径大；较大的上升流速。使得污水与污泥接触状态良好e g s b 存在的缺点是：较大的高径比对构筑物的构建有较高的要求，同时给系统的维护检修带来很大的不便；较大的高径比和出水的大比例回流需要大量的能耗；外部需附加的先进的固液分离装置，以实现出水水质和维持反应器内较高生物量的要求( 季民等，1 9 9 9 ；王凯军等，2 0 0 0 ；何连生等，2 0 0 4 ；郭晓燕等2 0 0 4 ) 。( 3 ) 内循环( i c ) 反应器内循环( i c ) 反应器是基于气提概念的一种膨胀床系统。由第一厌氧反应室和第二厌氧反应4中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论室叠加而成，相当于二级串联u a s b 反应器，反应室顶部各设一个三相分离器。进水由反应器底部进入第一反应室与厌氧颗粒污泥均匀混合，大部分有机物在这里被转化成沼气，所产生的沼气被第一厌氧反应室的集气罩收集，沼气将沿着提升管上升，沼气上升的同时将第一厌氧反应室的混合液提升至反应器顶的气液分离器，被分离出的沼气从气液分离器顶部的导管排走，分离出的泥水混合液将沿着回流管返回到第一厌氧反应室的底部，并与底部的颗粒污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环内循环的结果使第一厌氧反应室不仅有很高的生物量，很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，有很高的传质速率，使生化反应速率提高，从而大大提高第一反应室的去除有机物能力。经过第一厌氧反应室处理过的污水，自动进入第二厌氧反应室进行处理，污水中的剩余有机物可被第二反应室内的厌氧颗粒污泥进一步降解，污水得到更好的净化，提高了出水水质，产生的沼气由第二厌氧反应室的集气罩收集，通过集气管进入气液分离器，第二厌氧反应室的泥水在混合液沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥可自动返回第二厌氧反应室，污水就完成了处理的全过程( 马三剑等，2 0 0 2 ：任南琪等，2 0 0 4 ；李志建，2 0 0 4 ) 1 c 反应器的特点有：( _ ) 具有很高的容积负荷，可达3 0 4 0k g c o d c r m - 3 d 1 ，比普通u a s b反应器高3 倍多；( b ) 节省基建投资和占地面积；( c ) 沼气提升实现内循环，不必外加动力；( d )抗冲击负荷能力强，循环流量与进水在第一反应室内混合，使原污水中的有害物质得到充分稀释，大大降低其有害程度( c ) 具有缓冲p h 的能力，内循环流量相当于第一厌氧出水的回流，可利用c o d c ，转化的碱度对p h 起调节作用1 c 反应器存在缺点有：( a ) 结构复杂，设计、制作、安装存在很大困难；( b ) 多层结构单位面积的造价是u a s b 反应器的2 3 倍；( c ) 水力负荷大，污泥流失问题较为突出；( d ) 种泥要求高；( c ) 调试时间长；( f ) 由小试到中试比较困难，l c 牵扯到不少的液体力学问题，在小型规模的反应器中无法进行。1 2 厌氧污泥颗粒化1 2 1 厌氧颗粒污泥形成的机理厌氧颗粒污泥的形成是一个繁杂的物理化学和微生物学的过程，受到接种污泥的特性、进水基质性质、反应器的结构、运行参数等因素的影响。目前人们对颗粒污泥的形成过程不清楚，许多研究者根据颗粒污泥在培养过程中观察到的现象提出了一系列的假说，至今仍没有一种较为理想的理论来完整阐释颗粒污泥的形成机理。下面分别介绍一下各种假说。( 1 ) s p a g h e t a 理论s p a g h e t t i 理论认为颗粒污泥的形成过程也就是选择压等物理作用对微生物进行选择的过程。在u a s b 反应器的接种污泥中，存在m e t h a n o t h r i x 和m e t h a n o s a r c i n a 两类细菌，在启动过程中，上升流速很小，m e t h a n o t h r i x 菌体会自然生长成为小聚集体或附着在其它物体上，这样有利于具体的聚团化生长，一旦新生体形成，颗粒即便慢长大。初生颗粒会由于自身菌体生长或粘附一些零散的细菌而成长起来，在上升流速和沼气剪切力的作用下，形成球状的颗粒污泥( w i e g a n t 等，5中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论1 9 8 8 ) ( 2 ) 二次成核理论在厌氧污泥颗粒化理论中，多数学者支持。二次成核理论”，认为初次形成的部分衰弱的颗粒污泥，在外界营养不足时，在水力剪切力的作用下破碎成小碎片，污泥碎片可以作为新的内核，细菌附着在其表面增殖，重新形成颗粒污泥( 夏凤毅，2 0 0 2 ) ( 3 ) 晶核假说l e t t i n g a 等人提出了“晶核假说”，认为颗粒污泥的形成过程类似于结晶过程，在晶核的基础上，颗粒不断发育到最后形成成熟的颗粒污泥形成颗粒污泥的晶核来源于接种污泥或反应器运行过程中产生的非溶解性无机盐结晶体颗粒这一假说获得实验结果的证实，如在培养过程中投加钙离子将有助于污泥的颗粒化，镜检可观察到颗粒中碳酸钙晶体的存在但晶核的存在并非是污泥颗粒化的必要条件，不少成熟的颗粒污泥中并无晶核存在，z o 。h w 等人提出，颗粒污泥完全可以通过自身的生长而形成( l e u i n g a 等，1 9 8 6 ：z e e u w 等，1 9 8 7 ) ( 4 ) 电荷中和假说细菌的细胞表面带负电荷，互相排斥使菌体趋于分散状态。金属离子如c a p 、m 矿等带有正电荷，二者相互吸引可减弱细菌间的静电斥力，并通过盐桥作用促进细胞的互相凝聚，形成团粒( y m gw a n g 等，2 0 0 4 ) ( 5 ) 胞外多聚物假说很多研究者认为胞外多聚物( e x t r a c e u u l a rp o l y m e re c p ) 是形成颗粒污泥的关键因素。e c p主要是由蛋白质和多聚糖组成，其可能影响细菌絮体的表面性质和颗粒污泥的物理性质，e c p 的产生可能改变细菌表面的电性，从而产生凝聚作用( b k a h r i n g 等，1 9 9 5 ；j e n ses c h m i d t 等，1 9 9 6 ) ( 6 ) 共代谢理论有机质的厌氧生物降解过程是由四种群的微生物共同作用完成的，微生物之间相互依存、相互制约，存在着密切的协同作用关系，代谢产物及其中闻产物在种间转移，共代谢理论认为由于微生物间的生存的需要，功能互补的微生物趋向于自发聚集，形成稳定的微生物群体或共生体，随着微生物的不断增殖，最终形成颗粒污泥( 董春娟等，2 0 0 2 ) 。1 2 2 厌氧颗粒污泥的特性( 1 ) 厌氧颗粒污泥的物理性质颗粒污泥外观不规则，一般接近球形，粒径一般在o 1 4 2 0 0 r a m ，大的可达3 5 m m 。粒径的大小决定于废水的性质、有机物浓度、反应器负荷、运行条件等，酸化了的基质培养的颗粒污泥的粒径一般小于葡萄糖为基质培养的颗粒污泥。颗粒污泥的湿密度为1 0 3 1 0 8 9 锄。颗粒污泥的沉降性能主要取决于污泥颗粒的有效粒径和密度，沉降速度一般为1 8 5 0m h 1 ，沉降速度小于2 0m h - 1 的颗粒污泥被认为沉降性能较差，大于5 0m - k 1 的颗粒污泥被认为沉降性能良好( 2 ) 厌氧颗粒污泥的化学组成( _ ) 有机组分颗粒污泥中有机组分一般以v s s 浓度表示，相对值以v s s 胚s 表示废水水质不同，组成6中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论颗粒物的有机组分含量亦不同；同种水质，规模不同，组成颗粒污泥的有机组分含量亦不同：生活污水所舍的无机杂质较多，处理生活污水所形成的颗粒污泥v s s ，璐s 较小( b ) 无机组分颗粒污泥中的无机组分的主要成分是钙、钾和铁等无机化合物，随废水性质的不同，无机物的含量可达1 0 6 0 ( 千重) ，细胞具有的辅酶组分中含镍、钴等元素( c ) 胞外多聚物镜检可见颗粒内的微生物细胞为e c p 包围。颖粒内的e c i 主要由蛋白质和多聚糖组成，一般比值为2 ：1 6 ：1 ，含有少量的脂类。已报道e c p 的含量为v s s 含量的0 5 2 0 。高温下培养的颗粒污泥e c p 的含量低于中温下培养的，处理含塘废水的颗粒污泥含e c p 量较处理舍乙酸、丙酸和丁酸废水的颗粒多( 3 ) 厌氧颗粒污泥的微生物组成及结构( - ) 颗粒污泥具有丰富的生物相，水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌、产甲烷菌等四类菌群分布在颗粒的不同的部位，微生物相互依存、相互制约，形成具有功能上协同的微生态系统，为微生物的生长和代谢提供良好的环境。( b ) 研究者采用m p n 法对不同废水形成的颗粒污泥厌氧微生物组成进行了研究，一般认为，与絮状污泥相比，颗粒污泥中的三大类群微生物在数量上有很大提高，发酵性细菌增长了3 个数量级。产氢产乙酸菌约增加了4 个数量级，产甲烷菌约增长了4 5 个数量级这也是颗粒污泥比絮状污泥产甲烷活性高的原因之一( 胡纪萃等，2 0 0 2 ) ( c ) 采用扫描电镜对厌氧颗粒污泥进行观察，颗粒表面通常存在洞穴和小孔可能是气体或基质传递的通道。一般认为生长在处理含碳有机物为主的废水中的颗粒污泥各类细菌的空间定位十分明显。在颗粒的较外部分，水解酸化菌占优势，颗粒污泥的较内部分，类似m e t h a n o s a e t a菌占优势，介于二者之间为互营菌。对于粒径较大的颗粒污泥，由于传质的限制，位于中心位置的细菌因得不到足够的养料而死亡，形成一个类似空心的多孔丸状的空间结构( 4 ) 厌氧颗粒污泥的比产甲烷活性颗粒污泥微生物组成与分布具有良好的微生态环境。有利于对基质的代谢，颗粒污泥较絮体污泥有更高的产甲烷活性，常用最大比产甲烷速率u 。，c m 和最大比c o d o 去除速率u 。，d 来表示比产甲烷活性c s p e c i f i cm e t h a n o g e n i ca c t i v i t ys m a ) 中温条件下颗粒污泥的s m a 一般在0 5 2 0k g c o d j ( k g v s s d ) 相当于1 0 4 2m o l c h j ( k g v s s d ) 。高温条件下颗粒污泥的s m a最高可达7 1k g c o d o ( k g v s s d ) ，相当于1 4 8 m o l c h ，( k g v s s d ) 1 2 3 厌氧污泥颗粒化的影响因素( 1 ) 废水性质一般处理含糖类废水易于形成颗粒污泥，脂类废水、蛋白质废水和有毒难降解废水较难培养出颗粒污泥：废水的c ：n ：p 约为2 0 0 ：5 ：1 为宜；废水的浓度与颗粒污泥的粒径存在一定的关系，对于低浓度的废水，所形成的颗粒污泥粒径相对较小；适量的镍、钴、铝、和锌等微量元素的投加补充有利于提高污泥的产甲烷活性，可加速污泥颗粒化过程；适量c a “的投加有利于带负电荷细菌相互粘结，从而促进污泥的颗粒化。7中国农业科学院硕士学位论文第一章绪论( 2 ) 污泥负荷率影响污泥颗粒化进程主要的运行控制条件是可降解有机物的污泥负荷率。当污泥负荷率达0 3 k g c o d o ( k g v s s d ) 以上是便能形成颗粒污泥，这为微生物提供充足的碳源和能源，当污泥负荷率达到0 6k g c o d o ( k g v s s d ) 时，颗粒化进程加快( 3 ) 水力负荷率和产气负荷率升流条件是u a s b 等高效厌氧反应器形成颗粒污泥的必要条件。代表升流条件的物理量是水流的上升流速和沼气的上升流速，即水力负荷率和产气负荷率，h u l s h o f fp o l 等人将二者作用的总和称为系统的选择压，选择压对污泥床产生沿水流方向的搅拌作用和水力筛选作用，定向搅拌作用产生的剪切力使微小的颗粒产生不规则的旋转运动，有利于丝状微生物的相互缠绕，为颗粒的形成创造一个外界条件：水力筛选作用能够将微小的颗粒污泥与絮状污泥分开，污泥床低聚集比较大的颗粒污泥，比重较小的絮状污泥进入悬浮层或被淘汰出反应器( h u