（环境工程专业论文）多级厌氧颗粒污泥床反应器处理造纸黑液研究.pdf

摘要 多级厌氧颗粒污泥床反应器被广泛地应用于工业废水的处理中，但反应器的 设计过于复杂，动力学的模型研究也还十分的不完善，因此对该反应器的理论研 究具有十分重要的意义。本文就该反应器处理草浆黑液的处理条件，反应器的优 化设计、运行以及反应器的基质降解动力学模型做了研究，主要内容如下： 采用间歇进水的方式研究了几种运行参数( 如温度、p h 值、碳氮比、催化剂 等) 对造纸黑液处理效果的影响。实验结果表明，在温度为3 5 c 左右，p h 为7 5 时，供试颗粒污泥对造纸黑液的处理效果最好；选用( n h 4 ) 2 s 0 4 调节废水的c ：n 为 3 5 0 ：7 时，反应器的累积产气量最高；研究f e c l 2 、f e c l 3 和c o c l 2 对产甲烷菌的激 活能力和机理，铁对厌氧颗粒污泥的产甲烷活性有着较大的影响，并且在间歇条 件下f e e l 2 的催化作用要明显大于f e c l 3 和c o c l 2 ，f e 2 + 可使污泥的产甲烷活性提高 两倍以上：本研究通过米门方程描述厌氧颗粒污泥产甲烷的动力学过程，并且得 出了加f c 2 + 前后的基质降解动力学系数。 本研究的多级厌氧颗粒污泥床反应器采用u p v c 管设计，并且进行了反应器 的启动实验。实验结果表明，反应器的充气率对循环水流量的影响非常显著，而 且在一定范围内反应器的循环水流量随产气率成线性关系变化；在反应器第一次 启动初始阶段，c o d 的去除率较低，然后随着反应器c o d 负荷的增加，c o d 去 除率逐渐增大，最后c o d 的去除率基本维持在6 0 左右；在反应器第二次启动中， 反应器c o d 的最终去除率可以达到7 0 以上；采用外加氮气搅拌颗粒污泥和废水 的方法，可以在一个月的时间内快速启动多级厌氧污泥床反应器，并且废水c o d 的最终去除率能稳定在5 5 - 6 0 的范围内。 本文对该反应器处理造纸黑液的基质降解动力学进行了研究，得出了以下结 论：( 1 ) 在温度为3 5 1 c 、p h 为7 5 、c ：n ：p 为3 5 0 ：5 0 ：1 、黑液c o d 浓度为 1 0 0 0 5 0 0 0 m g l 的范围条件下， 污泥床区基质降解动力学模型为： s m - s n 1 百i2 t + 1 0 1 s x v q 精处理区的基质降解动力学模型为： l n 3 l n - s d = 0 0 2 1 t ，： 5 e - 5 - ( 2 ) 由实验结果得到的产气动力学模型为：g = 0 0 9 1 ( s o - - s 。) q + 0 9 8 6 ， 这表明产气量与c o d 的去除率有着较好的线性关系。 桂林工学院硕士学位论文 后续混凝实验结果表明，当粉煤灰和铁矿渣的混合比例为1 ：9 的条件下，废 水c o d 的最终去除率可以达到9 5 1 ，废水的色度可以降低9 5 以上，这表明粉 煤灰可以作为废水处理中一种实用性较强的混凝剂。 以上的研究结果证明了该多级厌氧颗粒污泥床反应器处理造纸黑液的可行 性，这为实际的工程设计和工程调试提供了良好的理论依据。 关键词：多级厌氧颗粒污泥床反应器；造纸黑液；产甲烷菌；基质降解动力 学模型 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i s t a g ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o r ( m a g s b r ) i s w i d e l yu s e di n i n d u s t r i a lw a s t ep r o c e s s i n g ，b u tr e a c t o r sd e s i g ni st o oc o m p l e x ，t h e o r yk i n e t i c sm o d e l s t u d yi sa l s ov e r yi m p e r f e c t ，s oi th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi n v e s t i g a t et h i s r e a c t o r sf u n d a m e n t a l t h i sa r t i c l eo nt h i sr e a c t o rp r o c e s s i n gs t r a wp u l pb l a c kl i q u o r a b o u tt h ep r o c e s sc o n d i t i o n ，r e a c t o r sm o v e m e n ta n dr e a c t o r sm a t r i x d e g e n e r a t i o n d y n a m i c sm o d e lh a sb e e ns t u d i e d t h em a i nr e s u l t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h ei n f l u e n ti si n t e r m i t t e n t t os t u d yo nt h eb l a c kl i q u o rp r o c e s s i n gc o n d i t i o n ， s u c ha st e m p e r a t u r e ，p h ，c ：n ，a n dc a t a l y z e r t h er e s u l ts h o w st h a tt h eb e s tt e m p e r a t u r e i s3 5 。c ，p hi s7 5 ，c ：ni s3 5 0 ：7 ，a tt h i sc o n d i t i o nt h ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec a n b e b e s tu s e di n p r o c e s s i n go ft h eb l a c kl i q u o r t h em o s tm e t h a n ec a nb eg e tb yu s i n g ( n h 4 ) 2 s 0 4t oa d j u s tt h ec ：nt o3 5 0 ：7 a c t i v a t i o na b i l i t yo ff e c l 2 ，f e e l 3a n d c o c l 2w a s c o n t r a s t e d ，a n df i n dt h a tf e e l 2c a nd o u b l et h eq u a n t i t yo fm e t h a n e t h ek i n e t i c so ft h e a n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a ss t u d i e db yt h em i m e nm o d e la n dt h ek i n e t i c sc o e f f i c i e n t o f f e 2 + c a nb eg e t m u l t i s t a g ea n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o ri sm a d eb yt h e u p v ct u b e t h e h y d r o m e c h a n i c a ls t u d ya b o u tm a g s b rs h o w st h a tt h en 2i n f l a t i o no b v i o u s l yj n f l u e n c e t h ew a t e rc i r c u l a t i o n t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nn 2i n f l a t i o na n dt h ew a t e rc i r c u l a t i o nc a n b ee x p r e s s e db yl i n e a re q u a t i o n t h em e a nc o dr e m o v a l e f f i c i e n c ya tf i r s ts t a r t u pw a s a b o u t6 0 ，w h e nt h eo l rw a s5 2 ( k gc o d m 3 d ) ，w i t ht h eh r tw a s1 4h t h ev f a o f t h ee f f l u e n tw a sh i g hd u r i n gt h er e a c t o rs t a r t u pa n dt h e nw a sb e l o w5 m m o l 1 t h em e a n c o dr e m o v a le f f i c i e n c yi sa b o v e7 0 a ts e c o n ds t a r t u po ft h er e a c t o r t h es t a r t u pc a l l b ef i n i s h e di no n em o n t hb yu s i n gn 2i n f l a t i o nt oc h u mu pt h eg r a n u l a rs l u d g ea n dt h e w a s t e w a t e r h em e a nc o dr e m o v a le f f i c i e n c yi si nt h er a n g eo f5 5 - 6 0 t h e o r yk i n e t i c sm o d e lo fs u b s t r a t ed e c o m p o s i n gi nu a g s rr e a c t o rw a ss e tu pi i i t h ec o n d i t i o no ft e m p e r a t u r ei sa b o u t3 5 _ + 1 ，p hi s7 5 ，c ：ni s3 5 0 ：7 a n dt h e k i n e t i c s m o d e lt ne x p a n d e d 孕a n u l a rs l u d 舻b e dt s 妻害= i 蒜锄d6 n et r e a t m e n t b e di sl ns m s a 5 e - 5 n= 0 0 2 1 t 2 ，m e t h a n e k i n e t i c sm o d e li s ：g = 0 0 9 1 ( s o - s o ) q + 0 9 8 6 m a x i m u mc o dr e m o v a le f f i c i e n c yw a s7 0 0 8 i n t h ec o n d i t i o no ft h e e x p e r i m e n t s t h ef o l l o wf l o c c u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw h e nf l y a s ha n di r o ns l a g t r e a t m e r i t u a g s r t o ri ss u i t a b l ef o rp r o c e s s i n g t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l e t s s h o w e d t h f o e r ：c h n i c sd r e e s a i c 印t o r a ：ld e b u g 百n g c kl i q u o r , a n d t h e o r y b a s i c 锄w a s e 舭s e tu p = 篡= i ：茹泌n q k c y w o r d s ：m u l t i s t a g e a n a e r o b l cg r 锄u i 砒 s i l i u 铲 v一 m e t h a n o g e n ；t h e 。r y k i n e t i c sm 。d e l0 fs u b s t r a t ed e c o m p o s l n g 栅 搠 | | w w酊协凹甜 烈 惦 恤州 m e 缸 b 咖 蛙劬 d b k 锄眦恤 k 嘣 伽= 量 咖舢 葩铴甜9 叫 肌衄m 9 埘缸甜加加 e r眦k 以 咖 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在曾鸿鹄副教授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 包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论 文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：么! 生幺 签字日期：2 1 芝星。 = 2 1 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期：理! ：兰! 桂林工学院硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章前言弟一早月| j 苗 造纸技术作为中国的四大发明之一，是人类文明史上的一项杰出成就，如今 造纸工业更是一个与国民经济息息相关的行业，是我过国民经济的重要产业之一。 据中国造纸协会对综合信息资料调查，2 0 0 6 年全国纸及纸板生产企业约有3 5 0 0 家， 全国纸及纸板生产量6 5 0 0 万吨，较上年5 6 0 0 万吨增长1 6 0 7 。消费量6 6 0 0 万吨， 较上年5 9 3 0 万吨增长1 1 3 0 ，入均年消费量为5 0 公斤，比上年增长5 公斤。2 0 0 6 年 l t 2 0 0 0 年生产量增长1 1 3 1 1 ，消费量增长8 4 6 1 。2 0 0 0 2 0 0 6 年，纸及纸板生产 量年均增长1 3 4 4 ，消费量年均增长1 0 7 6 l l j 根据国家环境保护总局统计，2 0 0 5 年制浆造纸及纸制品产业( 统计企业3 9 1 1 家) 用水总量为7 6 7 亿吨，其中新鲜水量为4 2 5 亿吨，重复用水量为3 4 2 亿吨，水 重复利用率为4 4 6 ，万元工业产值( 现价) 新鲜水用量为1 8 3 0 吨，比上年减少5 3 吨，降低3 。造纸工业2 0 0 5 年废水排放量为3 6 7 亿吨，占全国工业废水总排放量 的1 6 9 9 。造纸工业废水排放达标量为3 3 6 亿吨，占造纸工业废水排放总量的 9 1 6 ，比上年提高1 9 个百分点。排放废水中化学需氧量( c o d ) 为1 5 9 7 万吨， 占全国工业c o d 总排放量的3 2 4 ，比上年减少0 6 个百分点。万元工业产值( 现价) 化学需氧量( c o d ) 排放强度为6 9 公斤，比上年降低8 。造纸工业废水处理设施 年运行费用为2 7 7 亿元【。 造纸工业不合理的原料结构和规模结构以及较低的技术装备水平，决定了我 国造纸工业的水、能源、物料的消耗较高并成为主要的污染源。就吨浆纸综合能 耗和综合水耗来看，国际上先进水平为吨浆纸综合能耗0 9 1 2 吨标煤，综合取水 量3 5 5 0 吨，我国除少数企业或部分生产线达到国际先进水平外，大部分企业吨 浆纸综合能耗平均为1 3 8 吨左右标煤，综合取水量平均仍处于1 0 3 吨左右高位。2 0 0 5 年造纸工业废水排放量3 6 7 亿吨，约占全国重点统计企业废水排放总量的1 7 0 ， c o d 排放量1 5 9 7 万吨，占全国重点统计企业c o d 排放总量的3 2 4 。其中草浆生 产线有碱回收装置的产量仅占草浆总产量的3 0 0 ，草类制浆c o d 排放量占整个造 纸工业排放量的6 0 以上，仍然是主要的污染源。我国造纸工业面临的环保压力依 然很大、污染防治任务十分艰巨。 我国造纸工业污染治理总体上处于被动的局面，废水处理是其中的重中之重。 表1 1 表明生化法是制浆造纸废液的处理的主要方法之一【2 】。目前，随着造纸育林 基地的建立与成熟，5 - - - 1 0 年后高得率制浆进入大规模实施阶段，高得率制浆废液 桂林工学院硕士学位论文 污染负荷为碱法化学浆黑液的1 3 - 1 5 ，无法采用黑液碱回收法技术路线治理，但 又比中段废水的污染负荷高2 - 4 倍，采用常规生化法处理投资与运行费用偏高， 经济性制约了可行性。 。 ， 表1 1 目前造纸废液的主要处理方法 多级厌氧颗粒污泥技术特别适合于高浓度有机废水的处理。其技术核心是其 强化传质过程，好氧内循环技术由于内循环的产生是外加动力所致，高传质是以 高耗能为代价的，故其效能比随废水性质的差异而非期望性变化。多级厌氧颗粒 污泥床是反应器内所产沼气的提升作用所致，废水基质浓度越大，沼气的产量越 大，内循环作用越强，传质过程越强烈，转化效率越高，因此多级厌氧颗粒污泥 床技术特别适用于高浓度有机废水的处理。高得率制浆废液的c o d 在4 0 0 0 8 0 0 0 单位，草浆中段废水的c o d 在2 0 0 0 - 4 0 0 0 单位，因此，多级厌氧颗粒污泥技术 是处理该类废水的合适技术。 1 2 本文研究内容和论文结构 本文主要以多级厌氧颗粒污泥床反应器和造纸黑液为研究对象，较系统的研 究多级厌氧颗粒污泥床厌氧反应器的设计、水力学、基质降解动力学各方面的性 能，并得出了基础的研究参数。具体包括以下几个方面： ( 1 ) 采用史式发酵管装置测定了颗粒污泥处理造纸黑液的各种条件的影响， 包括温度、p h 值、碳氮比和催化剂等。得出了理想的温度为3 5 左右，最佳的 p h 值为7 5 ，用( n h 4 ) 2 s 0 4 调节c ：n 为3 5 0 ：7 的时候累积产气量最高，也就是说， 实验用的颗粒污泥最适合在这个营养比例下运行。在加入f e 的前后对产气量的影 响，寻找最佳的f c 2 + 浓度，即在怎样的f e 2 + 浓度下对产气量的影响最大，促进作用 最强。并对f e 的催化机理做探讨，f e 对细菌的产能代谢过程的影响主要作用于有 桂林工学院硕士学位论文 机物在微生物体内的生物氧化过程。并对加f e 2 + 前后基质降解动力学系数进行研 究。 ( 2 ) 探讨实验用多级厌氧颗粒污泥床反应器的设计，从水力学模型和循环流 量等方面提出反应器设计的几个参数的确定，最终设计制作试验用的反应器，并 进行启动的试验，研究c o d c ，的去除率等参数。并对试验过程中的颗粒污泥进行 了观察。 ( 3 ) 对多级厌氧颗粒污泥床反应器处理造纸黑液的基质降解动力学进行研 究，在实验条件下，得到的污泥床区基，精处理区的基质降解动力学模型以及试 验得到的产气动力学模型。 ( 4 ) 对反应器中各个阶段的颗粒污泥进行电镜扫描观察，观察到甲烷八叠球 菌，并对污泥物理化学性质进行了简单的讨论。用自制的粉煤灰絮凝剂对后续处 理做了初步探讨。 3 桂林工学院硕士学位论文 第二章造纸工业废液处理技术和m a g s r 研究进展 目前过内外对造纸综合废水和黑液的处理可概括为以下几种方法：生物法、 物理化学法、物理法、化学法等。 2 。1 造纸工业废液处理技术 2 1 1 碱回收技术处理制浆黑液 作为一种较成熟的制浆黑液治理技术已在世界范围内得到了广泛的应用。该技 术主要经过蒸发、燃烧、苛化( 碱回收) 、石灰回收、蒸汽发电等步骤，达到黑液中 的有机物被燃烧取能，无机碱被回收再用的资源化目的。大型木浆厂