（环境工程专业论文）工业化uasb反应器运行控制研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本研究通过实验室试验和生产试验， 对工业化u a s b 反应器运行控制进行了 研 究。出水回流对u a s b 反应器影响非常复杂，研究表明: ( 1 ) 采用厌氧出水回流工艺，可以使u a s b 保持良 好的工作状态，设备容积负荷 提高到 5 k g c o d 屏 d 以 上， c o d 去除率大 于 8 5 ， 提高了 u a s b 反 应器的工 作效率。 ( 2 ) 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器在中 温下处理维生素c 废水的工艺流程和设 备进行了 合理的改革， 以厌氧出水回流与高浓度废水混合稀释降低进水c o d 浓度， 提高 进水的总碱度，同时控制反应器水力负荷，从而提高了反应器的处理能力。 并节省了 调节p h 的用碱量和稀释水用量。 ( 3 ) 对于给定的废水有机物浓度和水力负荷存在一个最佳回流比r 二， ， 它对应于 回流条件下的最大c o d 去除率。 关键词:上流式厌氧污泥床 ( u a s b )反应器厌氧消化回流技术c o d 去除率 abs tract t h i s s t u d y w a s c a r r i e d o u t o n l a b - s c a l e a n d p r o d u c t - s c a l e .t o s t u d y o n f u l l - s c a l e o f u a s b r e a c t o r r u n n i n g a n d c o n t r o l l i n g . t h e a c t i o n o f e f fl u e n t r e c y c l e o n a n u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t i s v e r y c o m p l e x , s t u d y s h o w : ( 1 ) t h e r e c y c l e p r o c e s s c a n m a k e u a s b b e tt e r . t h a t t h e o r g a n i c l o a d i n g r a t e b e m o r e t h a n s k g c o d /m 3 .d a n d n e a r ly 8 5 % i n fl u e n t c o d w a s r e m o v e d .i t i m p r o v e uas b r e a c t o r r a t e ( 2 ) r e f o r m i n g w a s d o n e r a t i o n a l ly o n t e c h n o l o g ic a l p r o c e s s a n d e q u i p m e n t f o r t r e a t in g v i t a m i n c w a s t e w a t e r w i t h u p fl o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t ( u a s b ) a t m e d i a l t e m p e r - a t u r e .h i g h c o n c e n t r a t i o n w as t e w a t e r w a s m i x e d w i t h r e c y c l e e f f l u e n t t r e a t e d b y a n a e r o b i c m e t h o d . s o i n fl u e n t c o d w as r e d u c e d a n d t o t a l a l k a l i n i ty w a s i n c r e as e d ， m e a n w h i l e ,即p r o p r ia t e h y d r a u l i c l o a d o f t h e r e a c t o r w as c o n t r o l l e d d u r i n g i t s r u n n i n g ， t h u s t r e a t m e n t c a p a c i t y o f re a c t o r w as i m p r o v e d . t h e a m o u n t o f a l k a l i a n d d i l u t i o n w a t e r f o r a d j u s t i n g p h w e r e a l s o r e d u c e d . ( 3 ) f o r a g i v e n i n p u t c h e m i c a l o x y g e n d e m a n d ( c o d ) c o n c e n t r a t i o n a n d h y - d r a u l i c lo a d i n g r a t e ( h l r ) , i t w as p r e d i c t e d t h a t t h e r e i s a t h r e s h o l d r e c i r c u l a t i o n r a t i o ( r t) f o r t h e a n a e r o b i c fi l t e r . z h a o z h ir u i ( e n v i e r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f h u a n g q u n x i a n k e y w o r d s : u a s b r e a c t o r , a n a e r o b i c d i g e s t i o n , r e c y c l e , c o d re m o v e d r a t e 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 工业化u a 5 b 反应器运行控制研 究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电 力大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名邃去 蝉一日期: . 3 , / a 牛闪工 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有 权保管、并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学 位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 ) 作者签名: x t导师签名:拭 碍食 日期，s a cs 3 ,1 0 日期 : 少述 4 . t c 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引 言 1 . 1 废水的厌氧处理 1 . 1 . 1 厌氧生物处理的机理 厌氧处理又称为厌氧消化，是在无分子氧条件下，通过微生物作用， 将有机物 分 解并 生成c h c 0 2 , h 20 , h 2s 和n h : 的 过 程1, z.31 。 在此 过 程中 ， 不同 微生 物的 代 谢 过程相互影响，相互制约，形成了复杂的生态系统。人们对厌氧消化的微生物学和 生 物化学的认识， 经历了 一个由 肤浅到深入逐渐完善的 过程, l 0 2 0 世纪3 0 年代， 厌 氧消化被概括的划分为产酸阶段和产甲烷阶段，把微生物菌群分为产酸菌和产甲烷 菌两类，产酸菌参与酸化反应，将复杂的有机物降解为有机酸、 醇类、c 0 2 和h 2 等， 然后产甲 烷菌利用所产生的有机酸等生成甲 烷， 这就是厌氧消化的两阶段理论s , e 1 两阶段理论简要描述了厌氧消化过程， 被用于厌氧生物处理过程的动力学描述，并 在相当长时间内指导着生产实践。 但是，两阶段理论没有全面的反映厌氧消化过程 的本质。 2 0 世纪 7 0 年代，其中突出了产氢产乙酸菌( h ) i d r o g e n 有机物的厌氧消化 过程， b r y a n t 提出的 三阶段理论来说明( 图1 - 1 17 1 ) 有机物硫酸盐或 i 去 发 酵 细 菌 亚硫酸盐 乙醇， h 长链脂肪酸 产氢产乙酸细菌 硫酸盐或 亚硫酸盐 氧化长链脂 肪酸的硫酸 盐还原菌 氧化氢的 硫酸盐 还原菌 m占 产甲 烷菌 氧化乙酸 的硫酸 还原菌 c 城+ c o 2 h 2 s + c q 图1 - 1 厌氧生物处理的三阶段 第一阶段水解、发酵阶段，复杂的有机物被微生物的胞外酶分解为小分子化合 物后， 进入发酵细菌( 即酸化菌) 的细胞内并在其中转化为更加简单的化合物，同时， 细菌利用部分物质合成新的细胞物质; 第二阶段: 产氢产乙酸阶段，由一类专门的细 菌( 产氢产乙酸细菌) 将丙酸、 丁酸等挥发性脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、 h 2 和二氧化 华北电力大学硕士学位论文 碳: 第三阶段: 产甲 烷阶段， 由 产甲 烷的细菌利用乙酸、 h z 和二氧化碳产生甲 烷( c h 4 ) , 以上三阶段还可能存在含硫化合物被硫酸盐还原菌还原的过程。厌氧处理属于一种 串联代谢过程，其中最慢步骤的特点在于限制步骤之前基质的积累。如果这种基质 是以非酸性有机物形式存在，如乙醇，则对整个微生物群体无不良 影响。微生物群 体中生长最慢的组分常常是丙酸或乙酸利用菌，所以丙酸和乙酸的积累会抵消系统 中的碳酸氢盐碱度， 这样的运行故障有可能使系统的p h 值降低， 进而对整个微生物 群体产生不利的影响。 而且低p h 值恰好会对引起这一问 题的丙酸和乙酸等有机酸的 利用微生 物产生大 量的 抑制作用【 6 4 . 77 。 与 此同 时， z e i k u s le l 等 提出了 厌氧消化四 段理 论，此理论阐明了 复杂有机物厌氧发酵过程的生物学原理。 如图1 - 2 所示。 有机物 i 脂肪酸 ( 丙酸、 i i 发醉性细菌 丁酸、乳酸) 、醉类 产氢产乙 酸苗 乙酸 c o z 图1 - 2 厌氧生物处理的四阶段 厌氧消化的四个阶段为: ( 1 ) 水解阶段:高分子有机物不能直接通过细胞膜，因此不能被细菌直接利用， 必须被细菌胞外酶分解为小分子有机物，这一过程被称为水解。 在水解过程中，纤 维素被分解为纤维二糖和葡萄糖， 淀粉被分解为葡萄糖和麦芽糖，蛋白 质被分解为 短肤和氨基酸。 这些小分子有机物可以 通过细菌细胞膜而被利用。从维生素 c的发 醉生产过程来看，作为发酵原料的碳水化合物在排出的废水中肯定会有一定程度的 存在， 但大部分发酵原料中 容易被降 解的有机物可以认为已 经在生产过程中得到降 解，因而废水中 所含的主要有机物应是发酵过程中 产生的 微生物代谢产物和原料中 难于发酵的复杂成分， 水解过程在厌氧生化处理中起着重要的作用。 ( 2 ) 酸化阶段: 小分子化合物在酸化细菌内 转化为更简单的化合物并分泌到细胞 外，形成的主要产物有挥发性脂肪酸( v f a ) , 醉类、乳酸、以) ，h z , h z s等。酸化过 华北电力大学硕士学位论文 程是由大量的多种多样的发酵细菌组成的， 除了1 % 的兼性菌， 其余均为严格厌氧菌。 根据厌氧反应理论，酸化发酵过程可以表示为: n a d h +h + =n a d +h z ag o =+1 8 k j 通常情况下反应热力学上不利， 只有当氢浓度很低， p h , 2 c h , 0 0 0 + h - + 2 h , a g o = + 4 8 . 1 k j / m o l c h ;c h ,c 0 0 + 3 h , 0 - + 2 c h , 0 0 0 + h c o ; + h - + 3 h : a g o = + 7 6 . 1 k j /m o l 2 h c o , + h + 4 h , c h ,0 0 0 + 4 h ,0 a g o = - 7 0 .3 k j /m o l 只有当氢分压很低时前面三个反应才能进行，根据这个分压可以计算出一个氢 分子平均在 0 . 5秒内 被消耗，因此可推论出产乙酸菌与消耗氢的产甲烷菌存在密切 共生关系， 二者在空间上是相互附 着生长的。 ( 4 ) 产甲 烷阶段: 产甲 烷菌可分为二类， 一类以乙酸为基质， 这类细菌产甲烷量 占甲烷总量的 7 0 % ， 己知的菌种有甲烷丝菌 ( m e t h a n o t h r i x )和甲烷八叠球菌 ( m e t h n o s c r r c i n a ) ， 低乙 酸浓度时， 前者较后者优势。 研究表明甲 烷丝菌对乙 酸有更 高的亲和力且有利于形成品质更好的颗粒污泥;另一类产甲烷菌为嗜氢甲烷菌，它 利用h z 和c 0 2 形成甲 烷，甲 烷量占 总量的3 0 % , 在厌氧消化过程中，从动力学角度， 人们归纳出可能存在如下 5个速度限制步 骤: 胞外酶对大分子的水解: 由于有机物浓差的存在， 溶解基质对细胞的渗透; 挥发性有机酸的形成; 挥发有机酸转化为甲 烷和二氧化碳;溶解产物从液相 转移到气相。一般认为，厌氧消化中重要的速度限制步骤是产甲烷菌的生长率低， 且其对环境的影响因素如p h ， 温度、 氧化还原电极电 位，抑制物等非常敏感。现在， 由于采用先进的生产工艺及控制技术，产甲 烷菌本身生长并不缓慢，其生长速率取 华北电力大学硕士学位论文 决于被代谢的基质与分解代谢的专一性有关。一般认为，第四步即挥发酸转化为甲 烷和二氧化碳是速率的限制步骤。可见，厌氧消化的限速步骤除和不同功能微生物 的生物特性有关外，还和代谢的对象有关。对复杂有机物而言，第一步水解成为整 个厌氧消化过程的限速步骤的可能性是很大的。 1 . 1 . 2影晌厌氧消化的因素 ( 1 ) 温度 厌氧菌的活动与温度有关， 一般可根据不同的 温度将发酵过程分为三 个类型，即 低温发酵， 温度为 5 - 1 5 0c , 中温发酵， 温度为3 0 - 3 5 0c , 高温发 酵， 温度为5 0 - 5 5弋 ，温度的高低对厌氧反应速度影响较大。 ( 2 ) p h 及碱度影响在厌氧消化过程中， 产甲 烷菌的 最适p h 值随甲 烷菌种类 不同略有差异，适应范围大致是 6 . 5 - 7 . 5 . p h值变化直接影响产甲烷菌的生存与活 性，一般说来， p h 值维持在6 . 5 - 7 . 8 范围，最佳范围 是6 . 8 - 7 . 2 左右. 碱度表明了厌氧体系消化液的缓冲能力， 如果级冲能力低，则挥发酸浓度稍有 增加， 即 可对p h 值造成严重影响。 反之如系统有足够的 碱度， 则系统挥发酸浓度有 较大变动时也不至于使p h 值发生较大波动。 有资料认为， 在厌氧消化中 维持2 0 0 0 m g / l 以 上的 碱度和挥发酸浓度处于3 0 0 - 5 0 0 m g / l 左右是正常的。 厌氧体系中的碱度和废水的水质条件有关， 废水中的某些物质对厌氧体系中的 碱度及p h 值影响较大， 如废水中的 硫酸根、 蛋白 质在厌氧消化过程中 均可对体系的 碱度及p h 值产生影响。 因此有人将废水中的 碱度分成两类， 即 表观碱度和潜在碱度， 表观碱度为直接测试获得的数值; 潜在碱度是某些物质在生物转化过程产生的碱度， 如硫酸根、蛋白质等。因此全面了解废水的水质特征，能有效地指导厌氧消化的运 行控制。 ( 3 ) 碳氮比 污泥 ( 或废水)中有机物的碳氮比 ( c / n ) 对厌氧处理过程有很大 的影响， 如c / n 太高， 则组成细菌细胞的n 量会不足， 消化液中的重碳酸盐h c o , - 碱 度( 以， n h , h c o , 形式存在) 浓度低， 缓冲能力差，p h 容易下降，反之，如果c / n 太低， 则 n 量过高， 钱盐会大量积累， p h 可上升到8 以 上， 也会抑制细菌的生长。 一般认 为，c / n以 ( 1 0 - 2 0 ) : 1 为宜，消化效果较好。城市污水厂的初次沉淀池污泥的c / n 约为1 0 : 1 ， 活性污泥的c / n 约为5 : 1 ，因此，活性污泥单独消化的效果是较差的。 一 般都是把活性污泥与初次沉淀池污泥一起消化。粪便单独厌氧消化，含氮量过高， c / n 太低， 厌氧发酵效果受到一定影响， 如能投加一些含c 多的 有机物， 不仅可提高 消化效果， 并能提高沼气产量。 废水厌氧法处理对氮和磷的需要量较低， 约b o d 5 : n : p 二2 0 0 : 5 : 1 ， 农村沼气池一般采用人畜粪便为发酵原料， 常投加植物茎杆或杂草 等以 提高 发酵效果和产气量。 ( 4 ) 有机负荷率正常运行的厌氧处理装置是处于甲 烷发醉阶段，污泥和废水 华北电力大学硕士学位论文 在厌氧反应器内的停留时间是一定的，如果投加生污泥或有机物过多，则产酸速率 将超过产甲 烷速率， 有机酸会积累起来， 超过缓冲能力后，反应器会发生酸化， 产 甲烷细菌将受到抑制。由此可知， 控制合适的污泥投配率和有机负荷率对反应器的 稳定运行是十分重要的。 ( 5 ) 搅拌在污泥厌氧消化或高浓度有机废水的厌氧发酵过程中，定期进行适 当的搅拌是很重要的，搅拌有利于新投人的新鲜污泥 ( 或废水)与熟污泥 ( 或称消 化污泥)的充分接触，使反应器内的温度、有机酸、厌氧菌分布均匀，并能防止消 化池表面形成污泥壳，以利沼气的释放。搅拌可提高沼气产量和缩短消化时间。 ( 6 ) 有毒物质主要为重金属离子和某些阴离子，必须严格加以控制，表6 - 1 所 列 出 的 某 些 有 害 物 质 进 行 厌 氧 消 化的 最 大 容 许 浓 度 供 参 考 s ) 如 表1 - 1 . 表 卜1 污泥消化有害物质最大容许浓度 班大容许 浪皮( m e / 乙 污月) 东 .00期伽瀚“ .叫 . . . . .， 翻 七. 曰 勺 阴溯 攀 甲非 止. 甲- 芝硫备甲乖 食皮挂涤别 氛t n h . - 对 ) 白盆棍 1 0 0 - - 1 翻 ”柳”“.伽.00 重金属离子对厌氧过程的抑制作用表现在两方面:一是重金属离子与某些酶结 合， 使酶失去活性，使某些生化代谢不能进行:二是某些重金属离子及其氢氧化物 的凝聚作用，使某些酶产生沉淀。 1 . 1 . 3 废水的厌氛处理发展 厌氧消化用于污水污泥的处理始于1 8 8 1 年，至今己有百余年历史， 但该技术是 在近三、四十年才较大规模地应用于废水处理中 . 1 8 6 0 年法国的莫拉斯将简易沉 淀池加以改进而得到的 “ 自 动净化器”可以说是最早用于污水处理的厌氧工艺。而 对早期污水厌氧处理的发展最有影响的是1 8 9 5 年英国卡麦隆获得专利权的腐化池。 该反应器的主要结构比莫拉斯的自 动净化器还要简单。 但腐化池的出 水经常是黑色 的并带有臭味未被消化的固体物质可能仍会堵塞后续处理构筑物。此为第一代厌氧 反 应 器 w 2 0 世纪4 0 年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池， 改善了厌氧污泥与废 水的混合， 提高了效率。 但本质上池中的厌氧污泥与废水是完全混合在一起的， 污 泥的 停留时间与废水的停留时间 相同，因 此消化池内的污泥浓度较低，导致系统处 理效果较差。此时厌氧处理技术主要用于污泥与粪便的消化，尚不能经济的用于工 华北电力大学硕士学位论文 业废水处理。 2 0 世 纪5 0 年代中 期出 现了 厌氧接触反 应器( 12 1 。 这种反 应器是在连续搅拌反 应器 的基础上在出水沉淀池中增设了污泥回流装置，使部分厌氧污泥重新返回到反应器 中， 从而增加了反应器中厌氧污泥的浓度， 使厌氧污泥在反应器中的停留时间 大于 水力停留时间，在一定程度上提高了系统的有机负荷率和处理效率。一般认为， s c h r o e p f e r 等 提出 的 处 理有 机 废水的 厌 氧 接 触法 是 现代高 速 厌 氧工艺 的 开 端。 近三十年来，世界上的能源危机问题日 益突出，厌氧处理技术作为一种把污水 处理与能源回收利用相结合的技术得到了人们的普遍关注。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墓础的一系列高速厌氧反应器( h i g h一 r a t e a n a e r o b i c r e a c t o r ) 的研究和发展。如 y o u n g和 m c c a r t y ( ) 发明t厌氧滤池 ( a n a e r o b i c f i l t e r ， 简称a f ) 、 上流式厌氧污泥床反 应器( u p f l o w a n a e r o b i c s l u d g e b e d r e a c t o r ，简称 u a s b ) 1 16 1 到目 前为比， u a s b反应器作为一种高效厌氧生物反 应 器， 在世界范围内 被大a应用， 并取得成功。 其最大特点是能 够形成沉降性能良 好， 产甲 烷活性高的 颖粒污泥o a f 与u a s b 的 发明， 推动了以 微生物固定化和提高污泥与 废水混合效率为基础的一系列新的高速厌氧反应器的 研究和开发，例如厌氧流化床 ( a f b ) ， 厌氧生物转盘116 . 17 等。 此为第二代厌氧反应器。 在第二代厌氧反应器的基础上， 人们从反应动力学、 流体力学等角度，对反应器 结构和运行控制条件进行了 进一步的研究，使厌氧反应器中进水和污泥之间的接触 更加充分， 以 提高厌氧反应器的运行效能。 开发的 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 、 内 循 环厌氧反应器( i c ) 20 , 2 1 1 、厌氧升流式流化床( u f b b 1 0 b e d ) ,以及阶段多相厌氧反应 器( s m p a ) 等被认为是第三代反应器。 如图1 - 3 图1 - 3 第三代厌氧反应器的结构示意 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: 华北电力大学硕士学位论文 能维持较长的固体停留时间( s r t ) 和较高的生物量，从而大大提高了容积有机负荷， 缩短了水力停留时间 ( h r t )， 同时，厌氧生物处理的范围也从仅局限于污水污泥的 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” ， 川 。 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4 5 . 2 6 . 27 1 。 尤其是 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广泛应用2 6 , 2 9 1 1 . 2 u a s b 反应器 1 . 2 . 1 u a s b 反应器工作原理 在反应器底部是浓度很高的具有良 好沉淀性能的污泥，形成污泥床。污水从反 应器下部进入污泥床， 与污泥混合。 污泥中的微生物分解污水中的有机物产生沼气。 在沼气的搅动下， 污泥在污泥床内形成浓度较稀薄的悬浮层。 在反应器上方设有固、 液、气三相分离器。沼气被分离器的集气罩收集，悬浮层的泥水混合液进入沉淀区 后，污泥发生絮凝， 颗粒逐渐增大，在重力作用下沉降，沿分离器斜面滑回反应区 内，这样反应区内能保有大量污泥。分离出污泥后的水从溢流堰溢出。u a s b反应器 中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，能够允许较大的上流速度和很高的容积负 荷。u a s b 系统结构大致如图1 - 5 所示 . l 1 尹、 1 议 /_t jcrala 污泥惫浮层区 阵isd c si i i l 污泥f i# f l1 gi i s i l 污泥床区 l 图1 - 5以s b 反应器工作原理及工作状态模型 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2 . 2优点与问题 优点:由于在u a s b反应器中能够培养得到一种具有良 好沉降性能和高比产甲 烷活 性的 污泥3 0 1 ， 因 而 相对于 其他同 类装置 颗粒污泥，,u a s b反应 器具 有一定 优势。 u a s b反应器解决了厌氧微生物生长缓慢 ( 厌氧过程本身 特点) 和生物量易被液体 带出 ( 传统消化池的 特点) 等不利于反应器高效运行的关键问题。其优点包括: ( 1 ) u a s b 反 应器在基建和运行上都更简单 ， 因而 其费用 较低。 ( 2 ) 处理过程能 耗很 低。 ( 3 ) 处理系统的规模宜大宜小， 因而使用面更广。 ( 4 ) 处理系统可以 分散布置， 从而更接近污 染 源，这样可以 大 大节省费 用。 ( 5 ) 处理 过程所产生的 剩余污 泥量少， 而 且其浓度大、 体 积小. ( 6 ) !r 氧污泥易于脱水， 稳定性好。 问 且: 考虑到当前能源不足与污染日 益严重的 现状， 厌氧处理技术在我国城市污 水处理、 含难降解有机物的工业废水的处理领域将具有很大的发展前景，值得大力推 广应用。 但如何高效稳定运行，充分发挥u a s b效率，一直不易找到理想的方法。 如抗生素废水是一类成分复杂的高浓度有机废水， 其中污染物主要是发醉残余营养物， 包括发醉代谢产物、残余的消沫剂、凝聚剂、破乳剂和残留的抗生素及其降解物， 以 及酸 碱、 有 机 溶剂 和 其他 化工 原 料等。 生 产 每公 斤 抗生 素 约 排出6 公 斤s o d s 。 这 类高浓度废水的碳氮比 偏低， 一般b o d 5 / n 在1 -4 , 还含有甲 醛等较多的生化抑制物以 及较高 浓度的硫酸盐等，使反应无法稳定运行。同 样金霉素废水厌氧生物处理也存 在问 题。 某企业厌氧消化装置由 酸化罐， 混合器和上流式厌氧反应器三部分组成。其 中产酸相为升流式反应器， 产甲 烷相为改进型的上流式厌氧污泥床反应器。由 于金霉 素 废水的c o d浓度高 ，, p h值低， 直接 进入厌氧反应 器， 势必影响 产甲 烷菌的 活性， 曾 试 用石灰水调节p h值， 实验表明 ， 由于出 现凝聚现象， 使反应器内 颗粒污泥表面包裹上一 层凝聚 物而降 低活性。 同 样影响反应的 稳定运行3 2 1 。 林可 霉素原 料药 生 产废水有机 物浓度高 ， 成分复杂， 亦含有少量对微生物有抑制作用的抗生素、 溶媒等。 采用物化处 理， 仅能去除水中部分的悬浮物， 对大分子有机物难以 去除， 且运行费用较高。 用uas b 能有效去除水中的有机物， 做到出水达标排放， 且投资省、占 地面积少、 运行管理方 便 ， 并 且 还 有新的 能 源 沼 气 产 生 3 3 1 。 但 如 何 稳定 高 效 运 行 一直 是需 要 迫 切 解决的 问 题。因此，维持u a s b高效稳定运行，充分发挥u a s b的作用，有着重要意义和 广阔前景。 据统计，到1 9 8 5 年7 月前建成或投人运行的u a s b 反应器仅有7 0 座， 至 1 9 8 8 年， 生产性u a s b 装置己 达到1 2 8 座， 到1 9 9 0 年9 月， 国外已有2 0 5 座u a s b 的 生产性装置投人运行，而截至 1 9 9 8 年底可统计到的u a s b 工业性装置达9 2 1 座，到 1 9 9 9 年 底可统计到的u a s b 约为 1 3 9 6 座。 图1 - 4 为世界各国 应用第二 代反 应器的 情 况。lu l 华北电力大学硕士学位论文 j.曰. e g s b 反 应 翻庆 级 论 他 庆 暇 箱 化床， 复合床 完全砚合型 1 2 u a s b 反应月 6 4 % 图1 - 4 世界范围各种厌氧反应器的应用情况 1 . 2 . 3 u a s b 反应器研究现状 1 . 2 . 3 . 1 结构研究 面对u a s b反应器的广泛应用，如何提高u a s b负荷，维持较高的微生物浓度和 有效地防止污泥流失等问 题，国内、 外学者对u a s b 的结构进行了改进与优化。 主要 研究如下: ( 1 ) 在 u a s b地悬浮反应区加装填料， 保持了传统 u a s b的污泥床，综合了u a s b 和生物膜法的优点。 提高了生物量，克服了u a s b 启动难的缺点，可防止污泥大量流 失， 并 有效 地 利用了 反 应器的 容积。 这种反 应器也 称为u k . ( 2 ) 微氧升流式 污泥 床反 应器w . ( 3 ) 在悬浮层的下部设预排气系统。 u a s b 反应器中的大部分有机质是 在污泥床层去除的，但当有机负荷提高时，大量产生的气体将污泥带入悬浮层，如 果悬浮层体积较小， 污泥就会发生流失。产气量是污泥上浮的主要原因，因 此在悬 犷 浮层下部设置一个集气罩， 预先排除由床部产生的大部分气体，这样就可以 提高负 荷却不增加容积3 n o ( 4 ) 斜板上流式厌氧污泥床( u a s b / i t s ) 。 其主要特点是以 斜板( 或 斜管) 代替u a s b 装置中的三相分离器。 较之普通的u a s b 工艺， 其优点是， 提高固液 分离效果，增强污泥沉降和回流效果，降低反应器的高度，省略设计复杂的三相分 离器， 而且造价较低in . ( 5 ) 加压上流式好氧污泥床( p u a s b ) 。 在同一浓度水平之下， 提高 压力c o d 去除率明 显提高，p u a s b 最大的 优点 之一是停留时间 短阅。 1 . 2 . 3 . 2 运行控制研究 ( 1 ) 国 外 研究 现状 近几年来， 许多国 家 广泛 应用了u a s b反应器， 国 际 上， 在 欧美、 日 本等西方发达国家， 已经普遍实行城市污水， 抗生素制药废水的集中u a s b 处理，日 本、美国、南非、以色列等国家早已开展污水经处理后回用的工作。 u a s b 反应器已成功地应用于处理多种不同成分、浓度的污水。目前 u a s b已成为应用最 为广泛的厌氧反应器。对于使用u a s b反应器处理城市污水的研究最早是由是由荷 兰w a g e n i n g e n 农业大学的教授l e t t i n g a 等人于1 9 7 2 -1 9 7 8 年间开发研制的 一项污 水厌氧生物处理新技术， 实验反应器的容积为1 2 0 l ， 在水温8 -2 0 1c , h r t 1 2 h 的条 件下 运行， c o d去除 率达到6 5 % - 8 5 % 。 文献 4 0 1 中 用城市污水中 悬浮物的 沉降 积累 华北电力大学硕士学位论文 作为接种污泥， 成功启动了反应器， 在水温为1 8 2 8 0c ,h r t为4 h 时， c o d的去除 率 达到7 4 % 。 文 献 4 1在水 温为1 5 2 9 c , h r t 为4 .2 - 8 .4 h 的 条 件 下启 动反 应 器 也 获 得了 成 功， c o d去除 率 达7 1 .5 % 8 2 .9 0/ o 。 文 献 4 2 1采用5 5 l的 反 应 器 在 不 提供 外 加热源的 情况下处理城市污水， h r t为7 .6 h , c o d平均去除率为8 5 % 。文献4 3 1 对用 u a s b反应器处理城市污水的可行性进行了研究， 水温的变化范围为1 3 -2 5 c , h r t 为4 .7 h , 总c o d和固体c o d的平均去除率分别为7 0 % 和8 0 %。 文献4 4 1 以 低浓度城 市污水为 进水， 在2 0 的条件下6 0 d 内 成功地启动了 反应器，稳定运行时的 温度变 化范围为6 -3 2 1c ， 而相应的c o d . b o d和s s的去除率分别为3 8 0/ o 9 0 %, 4 7 % - 9 1 %和 5 0 %一9 2 %0 ( 2 ) 国内 研究现状国内 对u a s b反应器 的 研究起步于1 9 8 1 年， 许多单位先后 进行了 用u a s b反应器处理多种有机废水的 试验研究，目 前已 建成并以 投入运行了 一 大 批 半 生 产 和生 产性u a s b 反 应 器。 除 一 些国 外技 术外， 任洪强、 陈 坚等 人 14 5 在 5 3 -5 6 下 ，用普 通消 化 污泥 作 接 种 污 泥， 在3 5 d 内 成 功启 动了 体 积1 5 0 0 m 3 的 生 产 性u a s b 反 应 器 ， 处 理 酒 精 废 水 ，,c o d负 荷 达 到 了5 .5 k g c o d / ( m 3 d ) . 该 研 究 采 用有 机负荷的 冲击试验来考察整个体系的 稳定 性炸为 判断uasb 反 应 器启 动过 程 是否 结 束的一 个指标。当反 应器有 机负 荷 达到5 .5 k g c o d 代 m 3 d ) 左右时 ， 突然 将 反应器的 有 机负 荷提高到7 . 8 -8 . 5 k g c o d / ( m 3 d )， 运行5 -6 d 之后 恢复到原 来条 件， 结果发现， 当 冲击负荷结束后， 系统能够很快恢复原来的 状态河 以 认为反应器己 完 成启动 过 程。 杨景 亮 、 刘翠英等 人在c o d启 动负 荷1 . 5 k g / 1 ( m 3 .d ) ， 进 水c o d浓度 在 4 0 0 0 - 5 0 0 0 m g/ 1 ， 经过2 0 d 的 运行， 容积负 荷达到5 . 1 2 k g / ( m 3 .d ) , c o d 去处率为9 4 .8 %。 4 6 1 对己 报道的 研究除部分为 实 验室研究 外， 实际工程 运行控制研究 只是根 据水 质特点， 进行反应器的运行控制。 但是对于极高浓度有机废水，在实际运行中，由 于 水质、水量波动，对反应器运行影响较大，易发生沉酸腐败现象，影响着反应器的 高 效 稳 定 运 行 4 7 .4 8 1 。 因 此， 针 对工 业 化u a s b 反 应 器， 在8 0 年 代 初 起在高 浓 度 有 机 废水的处理中得到日 趋广泛的应用。 1 . 2 . 4 u a s b的启动 厌氧设备的启动是一个渐进的过程，是不同于正常运转的特殊阶段。由 于甲 烷 化细菌增长很慢，所以 启动可能是一个漫长的过程，而当启动完成后由 于污泥保有 量大，活性高，所以正常运转的速度是很快的。因此，在启动之前要明确启动的目 的是使反应器逐渐进入 “ 工作”状态。启动初期，不能够追求反应器的处理效率、 产气率和进出水质量等。从微生物角度看，它实质上是使菌种由休眠状态恢复，即 活化的过程。在这一过程中，理所当然有一个停滞期存在。当菌种从休眠中恢复到 营养细胞的状态后，它们还要经历对废水性质适应的过程。颗粒污泥的出现可能需 华北电力大学硕士学位论文 要相对较长的时间， 这一阶段里不可能有较大的反应器负荷。 u a s b反应器的启动可分为两个阶段，第一阶段是接种污泥在适宜的驯化过程中 获得一个合理分布的微生物群体，第二个阶段是这种合理分布群体的大量生长、繁 殖。可见启动过程对发挥反应器的效能具有重要的意义。 ( 1 ) 接种污泥 在生物处理中， 接种污泥的数量和活性是影响反应器成功启动的 重要因素。不同的污泥接种量宏观地表现为反应器中污泥床高度不同。h e e r t g e s的 试验表明: 在污泥床层高度为0 . 4 m 时， 短流率达7 0 %-8 0 %; 污泥床层高度为1 . 2 m 时， 仅有1 / 3 的进水短流; 污泥床层高度为2 . 2 m 时，短流率又再度增加。 v a n d e r m e e r 等人的试验结果提出，污泥床厚度以2 -3 m 为宜，如太厚会加大沟流和短流。 因试验条件不同，所报道的结果存在着一定的差异，但从中可以看出，污泥床高度 对反应区的水流的影响较大。 ( 2 ) 反应器的升温速率不同种群产甲 烷细菌适宜的生长温度范围均有严格要 求。控制合理的升温有利于反应器在短时间内成功启动。研究发现，反应器升温速 率过快， 会导致其内部污泥的产甲 烷活性短期下降，为了确保反应器在短时间内快 速启动，建议较合理的升温速率为在2 - 3 0c / d ，最快不宜超过5 c o ( 3 ) 进水p h 的控制 在厌氧发酵过程中， 环境的p h 对产甲 烷细菌的活性影响很 大， 通常认为最适宜的p h 为6 . 5 -7 . 5 。因此， 启动初期进水p h 应控制在7 . 5 - - 8 . 0 范围内，由 于在有些情况下， 待处理废水的p h 较低，因此， 开始启动时进水需经中 和后再进人反应器中，当反应器出水p h 稳定在6 . 8 -7 . 5 时， 可逐步由回 流水和原 水混合进水过渡到直接采用原水进水.才 ( 4 ) 进水方式在反应器的启动初期，由于反应器所能承受的有机负荷较低， 进 水方式可在一定程度上影响反应器的启动时间。 研究中发现， 采用出水回流与原水 混合，然后间歇脉冲的进料方式，反应器可在预定的时间内完成正常的启动，通过 对反应器的 产气速率进行分析发现，每天进料 5 -6 次，每次进料时间以4 h 左右为 宜。 ( 5 ) 反应器进水温度控制影响反应器消化温度的主要因素包括， 进水中的热量 值、反应器中有机物的降解产能反应和反应器的散热速率。在生产性反应器的启动 后期，应采取一定的有效措施， 平衡诸影响因素对反应器消化温度的影响，控制和 维持反应器的正常消化温度。研究中发现，通过对回流水加热，将进水温度维持在 高于反应器工作温度8 -1 5 范围， 可保证反应器中微生物在规定的工作条件下进行 正常的厌氧发酵。 ( 6 ) 反应器容积负荷增加方式反应器的容积负荷直接反映了基质与微生物之 间的平衡关系。在确定的反应器中，不同运行时期微生物对有机物降解能力存在着 差异。反应器启动初期，容积负荷应控制在合理的限度内，否则将会引起反应器性 华北电力大学硕士学位论文 能的恶化， 影响反应器的正常启动过程。 反应器的启动负荷操作控制条件为: 当c o d 去除率大于8 0 0、出 水p h 为7 . 0 -7 . 5 稳定运行4 -6 d 后， 再提高负荷。 每次c o d 负荷提高的幅度为0 . 5 - l . o k g /(m 3 d ) . ( 7 ) 冲击负荷试验反应器的有机负荷、 污泥活性和沉降性能、 污泥中微生物群 体、气体中甲烷含量等参数在启动过程中均发生不同程度的变化。如何评定反应器 的启动是否结束，各学者说法不同。有研究采用冲击负荷试验方法，通过分析反应 器耐冲击负荷的稳定性，从而评价反应器启动终止与否。有机负荷的突然增大，使 得反应器出水c o d 、产气量和p h 都迅速发生变化，但由于反应器中已 培养出了 活性 较高、沉降性能优良的厌氧污泥，当冲击负荷结束后系统很快能恢复原来状态.说 明系统已 具有一定的稳定性，此时认为反应器已 经完成了启动过程，可以进入负荷 提高或运行阶段。 ( 8 ) 出 水循环出 水循环在启动阶段应特别注意出 水中 未被降解的c o d 总it和浓 度的变化。当 采用出 水循环时，可以 参照表 2 - 2给出的应用要点。这些原则一般也 适用于启动后的正常操作， 但进水浓度可以 有很大提商阶切 。 表2 - 2 u a s b 反应器出水循环的应用要点 生水 co d抽全 c o d 浓度任于， 加加. 几 co d依度s u 0 (， 一劝 wo r m几 c ( 扣浓度妞过m 0 0 0 m g 几 应用耍点 ，尸 一口 一一一. -一.-. 一一 不 份 要 出 水 . 环 ; 沮 当 豆 吮 盆 趁 浓 度 大 于2 伪 口 几， 川 应采 用出 水 扭 环。 位 班 水 亚 碗 . 盆浓 度 任 于1 口m h 几 果用出水橄环 启动， 便 进 水镶度 在s 仪 肠n 几 左 右 在启动阶 段可以 果 用其位 水 种释 。离 浓度度水常含有较离的趁浓 度， 这使得甲烷产串场加很怪， 因此以其他含盆少的水戒府水衬释有利于 苗 的 增 殖， . 后 宜搜 秘 释 到5 加 0 m e 几。 如 呆 不能 称 释至5 0 o o m a /l. 日 至少行释到加 日 汉 知 1 . 几 以下.并同时采用出水抽环 注:当 增加负 衍 时， 必须记 住出水c c o馆 度会 有姐甘的 增加阶 段. 北 时采 用出 水 .环时可以 通过汁 算得出反应臼 弃 正的负荷或进水浓度. 1 . 3 u a s b 反应器的出水回流 高 浓度有机废水，由于c o d 浓度较高， 影响去除效率，因 此需加水稀释， 。 有利 于反应进行， 耗费了 大量的稀释水。以 某v c 生产企业为例。 在生产过程中， 不同的 工段产生不同的废水，除去回收再利用的部分，目 前主要处理为提取，转化和精制 三个工段所排放的废水。 这些废水， 废液均排入调节池混合，然后进行处理。 混合 后废水c o d 浓度很高，属于高浓度有机废水，其b o d s / c