（环境工程专业论文）uasbmbr工艺短程硝化同时甲烷化反硝化研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 在能源紧缺，全球气候变暖的情况下，节能减碳和高效的污水治理技术已经成为研 究的热点与重点。本研究采用u a s b m b r 组合工艺系统试图在实现同时有机碳与氮去 除的前提下，最大化保证厌氧产甲烷的功能，目的在于为新加坡新生水厂提供可靠的进 水来源，同时也为低浓度市政污水处理开辟一条高质、高效、产能的新路径。 本研究中，m b r 被选为u a s b 出水的后处理设施，在保障高效稳定的出水质量的前 提下，实现污水中n h 4 + - n 的氨氧化硝化过程；而前置的u a s b 系统既要实现水体中反 硝化的去除氮的功能，又要最大限度的保证u a s b 产甲烷的优势。鉴于甲烷化与反硝化 是由两类相互独立的厌氧微生物完成，并且反硝化的底物以及中间产物对甲烷化有较大 的抑制与毒害作用。因此，在组合系统操作前，首先采用批试验的方法研究反硝化对甲 烷化的抑制作用和甲烷菌的适应能力。试验结果显示：当底物中的n 0 2 。- n 浓度高于1 5 m g l 时，能对有机碳的降解速率产生一定的抑制作用；而当以n 0 3 - n 为反硝化底物时， 显著的抑制作用发生在底物浓度高于6 0m g l 时；n 0 2 。- n 比n 0 3 。- n 对厌氧条件下有机碳 的降解具有更强的抑制作用。但是以n 0 2 = n 为底物的反硝化过程具有较快的反应速率， 相对抑制作用时间短，且对于环境p h 和温度的适应范围更广。 为了进一步验证同时甲烷化反硝化的长期稳定性与可行性，本试验中以不同浓度的 反硝化底物n 0 2 。- n 为代表，进行了长期抑制或适应性实验研究。结果显示：在较低的 n o a - n 浓度条件下，厌氧系统能够很好的实现有机碳与氮去除，并且甲烷的产生与回收 利用仅受到较小的影响；而在较高n 0 2 。- n 浓度条件下，尽管有机碳与氮的去除效率不变， 但是产生的气体中以n 2 为主，破坏了厌氧产能的功能。d g g e 指纹图谱也证明高n 0 2 n 浓度条件下，系统中菌群分布以及优势菌群发生了显著的变化。因此，要想在厌氧系统 中实现反硝化的同时回收利用甲烷，就只能在相对较低的n 0 2 - n 浓度下进行，换言之， 这种脱碳、脱氮、产能的一体化过程只适用于处理低氮负荷的废水。 因此，u a s b m b r 组合工艺的操作适用于低浓度生活污水处理，不同运行条件的 调查结果显示：随着循环比从5 0 增加到8 0 0 的过程中，t n 的去除效率从4 8 1 增 加到8 2 8 ；在系统实现较高的有机碳与氮去除的同时，甲烷生成没有因为反硝化的引 入而受到显著的影响，这主要是系统中实现了短程硝化反硝化的结果，在确保较低碳源 竞争的同时，缩短了对甲烷菌的抑制时间；但当循环比从4 0 0 增加到8 0 0 时，t n 的 去除效率仅轻微增加，较大的上流速率和较高的d o 条件却破坏了u a s b 系统运行的稳 定性。因此建议根据进水中氮含量将循环比控制在2 0 0 4 0 0 之间能够达到比较满意的 效果。同时，研究了m b r 中曝气强度对系统运行的稳定性的影响：在较低的曝气速率 u a s b - m b r 工艺短程硝化同时甲烷化反硝化研究 条件下，能够维持系统中较高的甲烷产量，但是较低的硝化速率抑制了系统中t n 的去 除表现；在曝气速率高于2 5l m i n 时，系统中t n 去除能够达到8 0 ，并且u a s b 中 存在的部分好氧菌，对厌氧环境起到了一定的保护作用，使得甲烷的产生量随着d o 浓 度的升高仅轻微的降低。因此，在控制适当的循环比和曝气强度的条件下，这种技术在 处理生活污水中是可行的，在完成有机碳与氮去除的同时实现了甲烷气的回收利用，并 且系统污泥产量较低，后处理费用降低。 一， 。7 经过进一步的实验验证：这种伴随着甲烷产生的高氮去除过程主要是由于系统中实 现了短程硝化反硝化。m b r 中n 0 2 。- n 的累积现象主要是由于活性污泥混合液在厌氧与 好氧环境下的内循环模式，较高的p h 值以及较低的c n 比加速了对硝酸盐氧化菌 ( n o b ) 的抑制和淘洗作用而实现的，从而使u a s b m b r 组合工艺在处理低浓度生活 污水中实现了高出水质量、高处理效率和较高的甲烷能源回收。 最后，针对本u a s b m b r 组合工艺中m b r 的膜污染形成过程、膜污染物主要成 份以及膜污染控制方法进行了初步的研究与探讨，结果显示：该运行条件下m b r 的膜 污染速率较高，几乎呈线性增长趋势，胶体粒子和溶解性有机物，尤其是分子量与膜孔 径相当的物质，比大的污泥絮体更容易沉积到膜表面，形成过滤凝胶层，加速膜污染进 程：同时注意到当悬浮液中蛋白质为e p s 主要成分时，多糖确是膜污染物中e p s 的主 要成分，尤其是在污染物形成的初期，多糖是构成污染物的主要物质。试验也同时证明 了间歇运行模式和气体曝气剪切力模式都是有效的减缓膜污染的方法。间歇运行时，膜 污染速率随着闲置时间的延长而降低，尤其是在高通量条件下，间歇运行对膜污染的改 善更加明显；但当采用气体曝气模式时，存在最佳曝气强度。 关键词：膜生物反应器；上流式厌氧污泥床；短程硝化反硝化；甲烷化；膜污染 大连理工大学博士学位论文 c o m b i n e du a s b m b rf o rs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n c o u p l e d w i t hs i m u l t a n e o u s m e t h a n o g e n e s i sa n dd e n i t r i f i c a t i o n a b s t r a c t t h e e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i o na r et w oo ft h em a i np r o b l e m st h ew o r l d i sf a c i n gt o d a y h e n c e ，t h es i m u l t a n e o u sb i o - e n e r g yp r o d u c t i o na n dn u t r i e n tr e m o v a lh a sb e e n g i v e nm u c ha t t e n t i o ni nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e sd u r i n gt h el a s td e c a d e n l ea i m o ft h i ss t u d yi st oe s t a b l i s haf e a s i b l em e t h o do ft r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri na nu a s b c o u p l e dw i t ha na e r o b i cm b r t h ep r e - u a s bw a sd e s i g n e dt or e t a i nah i g hc a r b o nl e v e lf o r d e n i t r i f i c a t i o nv i an i t r i t ea n df o rm e t h a n o g e n e s i sa n dt op r o v e dt h el o wc nr a t i oe m u e n t f e e d i n gt ot h em b rt op e r f o r mt h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o ns t e pw h i l et h em b rp e r f o r m e dt h e n i t r i f i c a t i o ns t e pa n di m p r o v e dt h ee f f l u e n tq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h ef o c u so ft h i sw o r kw a st o i n v e s t i g a t es i m u l t a n e o u sc a r b o na n dn i t r o g e nr e m o v a l b y s h o r t c u tn i t f i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o nw i t ham e t h a n ep r o d u c t i o np r o c e s st r e a t i n gl o ws t r e n g t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e r i nac o m b i n e du a s b m b r s y s t e m f i r s t l y ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sw a sc a r r i e do u tt of i n do u tt h ei m p a c tf a c t o r sa n d f e a s i b i l i t yo nas i m u l t a n e o u sm e t h a n o g e n e s i sa n ds h o r t c u t c o m p l e t ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s u s i n gt h ea d a p t e da n a e r o b i cm i x e dm e t h a n o g e n i cc u l t u r e t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h e o b v i o u si n h i b i t i o no fn o x - na d d i t i o no nc a r b o nr e m o v a lr a t es t a r t e dt ob eo b s e r v e dw h e n t h ei n i t i a ln 0 2 。- nc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e rt h a n15m e g la n dt h e i n i t i a ln 0 3 - n c o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e rt h a n6 0m e g l w h e r e a s ，t h el e s s c a r b o nr e q u i r e m e n tf o r d e n i t r i f i c a t i o na n df a s t e rd e n i t r i f i c a t i o nr a t ev i an 0 2 - nt h a nn 0 3 。- ns t i l la l l o w e d m e t h a n o g e n e s i st op r o c e e di nt h es a m eb i o r e a c t o rt r e a t i n gw a s t e w a t e rw i t hal o w e rn 0 2 n c o n c e n t r a t i o n ，b u tw i t hah i g h e rt o c 1 nr a t i ou n d e rt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r eo f3 0 3 5 0 ca n d p ho f7 0 8 0 u n d e rt h es a m eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，al o n g t e r mi n h i b i t i o na s s a yi na l lu p f l o wa n a e r o b i c s l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) t r e a t i n gt h es y n t h e t i cn 0 2 。nc o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e ri n d i c a t e dt h a t t h es t a b l ec a r b o na n dn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c i e sw i t ha na c c e p t a b l eb i o g a sp r o d u c t i o nr a t e o n l yc o u l db eo b t a i n e da tt h el o wn 0 2 - nc o n c e n t r a t i o na l t h o u g ht h ev a r i e t i e so fd o m i n a n t b a c t e r i a lc o m m u n i t yc o m p o s i t i o nw e r eo b s e r v e di nt h ep c r d g g ea n a l y s i sr e s u l t s a tt h e l l i 曲n 0 2 nc o n c e n t r a t i o n ，t h eh i g h e rn 2 ，b u tl o w e rc i - 1 4p r o d u c t i o nw a so b s e r v e d e v e n t h o u g ht h ec a r b o na n dn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c i e sm a i n t a i n i n ga th i g hl e v e l i ti s i n d i c a t e dt h a t 也et e c h n i q u eo fs i m u l t a n e o u sm e t h a n ep r o d u c t i o na n dn i t r o g e nr e m o v a lo n l y c a nb eu s e dt ot r e a tal o wn i t r o g e ns t r e n g t hw a s t e w a t e r i i i u a s b - m b r 工艺短程硝化同时甲烷化反硝化研究 s e c o n d l y ，ac o m b i n e db i o e n e r g yp r o d u c t i o na n dn i t r o g e nr e m o v a ls y s t e mc o n s i s t i n go f a l lu a s ba n dm b rw a sd e v e l o p e dt ot r e a ts y n t h e t i cm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h es i m u l t a n e o u sm e t h a n o g e n e s i sa n dd e n i t r i f i c a t i o nf o rt r e a t i n ga1 0 ws t r e n g t h s y n t h e t i cm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw a st e c h n i c a l l yf e a s i b l ew i t hm o r et h a n9 8 0 t o t a lt o c r e m o v a l ，9 8 0 n h 4 + - nr e m o v a la n d4 8 1 - 8 2 8 t nr e m o v a la st h er e c y c l i n gr a t i o i n c r e a s e df r o m5 0 t o8 0 0 。i nt h i sc o m b i n e d 泓s b - m b rs y s t e m ，t h em e t h a n e p r o d u c t i o nw a s n o ta f f e c t e do b v i o u s l yb yt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s as l i g h tr e d u c t i o ni nt h e m e t h a n ep e r c e n t a g eu pt oar e c y c l i n gr a t i oo f4 0 0 w a so b s e r v e dd u et oa ni n c r e a s e d n i t r o g e np r o d u c t i o n h o w e v e r , a tt h eh i g h e s tr e c y c l i n gr a t i oo f8 0 0 ，ar a p i dd e c r e a s ei nt h e m e t h a n ep e r c e n t a g eo c c u r r e d i tw a sp r o b a b l yd u et oh i 曲d oc o n c e n t r a t i o nw a si n t r o d u c e d i n t ot h eu - a s b w h i c hr e s t r a i n e dt h ea c t i v i t yo fm e t h a n o g e n sa n di n d u c e dm o r eo r g a n i c s u b s t a n c e sb e i n gc o n v e r t e dt oc 0 2i n s t e a do fm e t h a n ea c c o r d i n gt ot h ea n o x i co ra e r o b i c b i o d e g r a d a t i o nt h e o r i e s h e n c e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e c y c l e r a t i os h o u l db e c o n t r o l l e da tt h er a n g eo f2 0 0 4 0 0 c o n s i d e r i n gt h en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o na n dt h e d i s c h a r g e dc r i t e r i o n a tt h es a m et i m e 也ee f f e c to fa e r a t i o nr a t ei nt h em b ro nt h ec o m b i n e ds y s t e m p e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d o p t i m a la e r a t i o nr a t er a n g e ( 2 5 - 5 0l m i n ) w a ss u g g e s t e d b a s e do nt h em e t h a n ep r o d u c t i o na n dr a t i oa sw e l la ss t a b l et o c ( 9 8 ) a n dt nr e m o v a l e 伍c i e n c i e s ( 8 0 ) a tt h el o wa e r a t i o nr a t e ，h i g hm e t h a n ep r o d u c t i o na n dr a t i ow e r e a c h i e v e d b u tt nr e m o v a lp e r f o r m a n c ew a sr e s t r a i n e db yt h en i t r i f i c a t i o ne 伍c i e n c i e s 讹e n t h ea e r a t i o nr a t ew a sa b o v e2 5l m i n ，t nr e m o v a lp e r f o r m a n c ea r r i v e dt oa r o u n d8 0 a n d c o u l dn o tb ea f f e c t e db yt h en i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ne f j f i c i e n c i e s h o w e v e r ，t h e m e t h a n ep r o d u c t i o nd e c r e a s e ds l i 曲t l yf o l l w o n gt h ei n c r e a s ei nt h ed oc o n c e n t r a t i o n h e n c e ，i nt h ec o m b i n e du a s b - m b rs y s t e m ，s i m u l t a n e o u sm e t h a n ep r o d u c t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o nw a st e c h n i c a l l yf e a s i b l ea sa ne n e r g ye f f i c i e n t l yt r e a t i n gw a yt oa c h i e v eh i 曲 e f f l u e n tq u a l i t y ，m i n i m a lb i o s o l i d sg e n e r a t i o n ，a n do p t i m a ln i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c i e sb y c o n t r o l l i n gt h er e c y c l i n gr a t i oa n d a e r a t i o nr a t e 们1 i 1 d l y ，t h en 0 2 - na c c u m u l a t i o n w a sc o n s i d e r e da s t h e k e yf a c t o r t oa c h i e v e s i m u l t a n e o u sm e t h a n o g e n e s i sa n dd e n i t r i f i c a t i o nu s i n gac o m b i n e du a s ba n dm b rt r e a t i n g m u n i c i p a lw a s t e w a t e r b a s e do na n a l y s i sr e s u l t s ，i t w a ss u g g e s t e dt h a tt h ei n t e r n a l r e c i r c u l a t i o np a t t e m ，h i g h e rp ha n dl o w e rc nr a t i ow e r et h ei m p o r t a n tf a c t o r sl e a d i n gt o p a r t i a ln i t r i f i c a t i o ni nt h ec o m b i n e du a s b - m b r l a s t l y ，m e m b r a n ef o u l i n gt e n d e n c y ，f o u l t a n tc o m p o s i t i o n ，f o u l i n gm e c h a n i s ma n dt h e f o u l i n gc o n t r o lm e t h o d sw e r ei n v e s t i g a t e da n dr e s e a r c h e d 1 1 1 eh i g h e rf o u l i n gr a t ep r e s e n ti n t h em b rt r e a t i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o ne f n u e n t mm e m b r a n ef o u l a n t sc o n s i s t e do fs l u d g e f l o e s ，c o l l o i d a lp a r t i c l e sa n ds o l u t e s ，e s p e c i a l l y ，t h es m a l lp a r t i c l e si ns l u d g es u s p e n s i o n ，t h o s e - l v 大连理工大学博士学位论文 d i a m e t e ra r es i m i l a rw i t ht h em e m b r a n ep o r es i z e ，h a das t r o n gd e p o s i tt e n d e n c yo nt h e m e m b r a n es u r f a c e a tt h es a m et i m e ，t h ep o l y s a c c h a r i d ew a so b s e r v e da st h em a i ne p so n t h em e m b r a n es u r f a c ew h i l et h ep r o t e i ni st h em a i nc o n t a i ni nt h es u s p e m a n te p s i n t e r m i t t e n ts u c t i o na n da i rs p a r i n gw e r et w ok i n d so fe f f e c t i v ec l e a n i n gs t r a t e g i e st o d e c r e a s et h em e m b r a n ef o u l i n gr a t e u n d e rt h ei n t e r m i t t e n ts u c t i o nm o d e ，e x t e n d i n gi d l et i m e b e n e f i t e df o rr e d u c i n gm e m b r a n e f o u l i n g t l l i si m p a c tw a sm o r es i g n i f i c a n tu n d e rh i g h e rf l u x n l er e s u l t so fa i rs p a r i n go nm e m b r a n ef o u l i n gt e n d e n c ys h o w e dt h a ts m a l lo rl a r g ea e r a t i o n i n t e n s i t yh a dan e g a t i v ei n f l u e n c eo nm e m b r a n ep e r m e a b i l i t y l o wa e r a t i o nc o u l dn o tr e m o v e t h em e m b r a n ef o u l a n t sf r o mm e m b r a n es u r f a c ee f f e e t i v e l y h o w e v e r , t h el a r g e ra e r a t i o n i n t e n s i t yr e s u l t e di nas e v e r eb r e a k u po fs l u d g ef l o e s ，a n dp r o m o t e dt h er e l e a s eo fc o l l o i d a l a n ds o l u b l ec o m p o n e n t sf r o mt h em i c r o b i a lf l o e st ot h eb u l ks o l u t i o nd u et om i c r o b i a lf l o e b r e a k a g e ，t h u sc a u s e dar a p i dl o s si nm e m b r a n ep e r m e a b i l i t y k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ；u p - f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e to o a s n ) ； s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ；m e t h a n o g e n e s i s ；m e m b r a n ef o u l i n g - v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：塑苎日期：型：! 里_ = 望 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名型毒 导师签名：撮殛进导师签名：丕龋生二匿二 大连理工大学博士学位论文 引言 目前，污水处理的主要对象为有机物( c o d ) 、氨氮和磷酸盐。传统上，c o d 和氨氮 的脱除一般由生物氧化和硝化反硝化完成；磷酸盐的去除或通过细菌的生物摄取聚集、 或靠化学沉淀去除。传统工艺存在以下弊端： ( 1 ) c o d 氧化和硝化耗能巨大，且在c o d 氧化中，无形中失去贮存在c o d 内的大量 化学能； ( 2 ) 反硝化与磷的生物聚集均需消耗c o d ： ( 3 ) 剩余污泥量大； ( 4 ) 耗能造成大量二氧化碳释放，并进入大气 可见，传统污水处理工艺耗能高，剩余污泥产量大，消耗大量有机碳源，同时释放 较多c o 。( 因耗能) 到大气之中。随着能源危机的爆发，越来越多的研究者开始重新考 虑节能的厌氧污水处理技术，试图在最小的能源消耗条件下达到最好的污染治理效果， 即提倡可持续污水处理技术。所谓可持续污水处理技术就是朝着最小的c o d 氧化、最低 的c o 。释放、最少的剩余污泥产量以及实现磷回收和处理水回用等方向努力。因此，研 发以节省能( 资) 源消耗、并最大程度回收( 用) 有用能( 资) 源的可持续污水处理工 艺，即发展可持续污水处理工艺已势在必行。 发展新颖的可持续污水生物处理工艺依赖于在微生物学及生物化学方面的新发现 或新认识。荷兰、南非、日本等国科学家对微生物脱氮除磷的代谢机理重新认识后，确 定了厌氧甲烷化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等节能新技术、新途径。 这些新技术的研发与应用对发展可持续污水生物处理工艺具有划时代意义的推动作用。 本研究以厌氧甲烷化和短程硝化反硝化技术为基础，在同时考虑能源与回用水质的 基础上进行的试验性探讨，研究与开发厌氧产能技术与其他技术的结合工艺，在试图保 证厌氧产能优势的同时，降低出水中有机碳与氮的含量。为污水治理的发展开辟一条新 途径。针对厌氧技术不能去除水体中的氮和相对较低的处理效果等缺点，采用先进的膜 生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 作为厌氧产能技术的后处理技术，在m b r 能 够确保高质量出水的同时实现水体中的硝化过程，然后在厌氧产能反应器( u a s b ) 中力 求实现最大的能源产生与碳氮的去除。 u a s b - m 职工艺短程硝化一同时甲烷化反硝化研究 1 绪论 1 1 厌氧生物废水处理技术的发展历程与应用前景 1 1 1 厌氧生物技术的发展历程 自然界的厌氧消化产甲烷反应最早被r o b e r tb o y l e 和s t e p h e nh a l e 等发现并报道。 最早的人工厌氧发酵于1 8 9 5 年建造在英国的埃克塞特，产生的甲烷被用于街道照明。 而学术界对厌氧技术的共识开始于二十世纪3 0 年代，但出于人们对参与这一过程的微 生物的研究和认识不足，致使厌氧技术没有像好氧技术那样应用普遍，尤其在生活污水 治理方面，在过去的1 0 0 年间发展缓慢。最早的厌氧系统仅以厌氧消化池为代表，又称 传统或常规消化池，属于低负荷系统。它们的共同特点是废水分别由沉淀池底和中层排 出，所产的沼气从池顶排出。具有结构简单，可以直接处理悬浮物、固体含量较高或颗 粒较大的废液等优点，但是缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化池中难以保 持大量的活性微生物，水力停留时间长，管理不便。因此，一个沉淀分离装置被安装到 消化池后，形成了厌氧接触工艺，也称厌氧活性污泥法。经消化池厌氧消化后的混合液 排至沉淀池分离装置进行泥水分离、澄清水由上部排出，污泥回流至厌氧消化池。这样 既避免了污泥流失又可提高消化池容积负荷，从而大大缩短了水力停留时间。尽管这种 设计有效的提高了容积负荷，缩短了水力停留时间，但是需要污泥回流，并且厌氧污泥 的固液分离比较困难。这些主要是第一代的厌氧反应器。 随着人们对厌氧技术的逐渐认识【l 引，1 9 7 1 年荷兰瓦格宁根( w a g e n i n g e n ) 农业大 学拉丁格( l e t t i n g a ) 教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异， 发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥 床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，u a s b ) 反应器的雏型。u a s b 是基于微生物固 定化原理的第二代废水厌氧处理反应器，是一项污水厌氧生物处理新技术，1 9 7 4 年荷兰 c s m 公司在其6m 3 反应器处理甜菜制糖废水时，还首次发现了活性污泥自身固定化机 制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥( g r a n u l a rs l u d g e ) 。并将颗粒污泥的概念引入反 应器中。u a s b 工艺是目前研究较多、应用广泛的新型污水厌氧生物处理工艺，继荷兰 之后，德国、瑞土、美国、加拿大以及中国等相继开展了对u a s b 的深入研究和开发工 作，使这种工艺成为一种应用迅速、使用广泛的新型反应器技术。它具有厌氧过滤及厌 氧活性污泥法的双重特点，可实现污泥的颗粒化，使其固体停留时间长达1 0 0d ；气、 固、液的分离实现了一体化，因而u a s b 具有很高的处理能力和处理效率，尤其适用于 各种高浓度有机废水的处理。并且同时具有工艺结构紧凑，处理能力大，效果好，投资 大连理工大学博士学位论文 省的优点。作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源一沼气的一项技术，开始广 泛的被应用。但同时也应该考虑该工艺不适于处理高悬浮物固体浓度的废水，三相分离 器的分离效果也应该被进一步的改善。 此外，u a s b 中颗粒污泥的出硎4 】，不仅促进了以u a s b 为代表的第二代厌氧反应 器，如：厌氧过滤床( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) 、厌氧附着膨胀床( a n a e r o b i ca t t a c h e df i l m e x p a n d e db e d ，a a f e b ) 、厌氧流化床( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d ，a f b ) 等的应用和发 展，而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。第三代厌氧反应器则主要是以 l e t t i n g a 5 】教授推荐的膨胀颗粒污泥床反应器( 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 ) 和分阶段多相厌氧反应器技术( s t a g e dm u l t i p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r ，s m p a ) 为主。 b a c h m a n 等【6 j 在考虑将固体停留时间和水力停留时间相分离、并力图实现较好的固液两 相接触的前提下，于2 0 世纪8 0 年代中期开发研究了具有高效污水厌氧生物处理工艺一 厌氧折流板反应器( a n a c r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，a b r ) ，其具有构造简单，能耗低，运 行稳定可靠等优点。关于a b r 的工艺特性研究，最早是由b a c h m a n 等【6 ，7 】所做。随后 b a r b e r 和s t u c k e y 8 】研究了a b r 的启动特性，g r o b i c k i 和s t u c k e y 9 研究了以葡萄糖为基 质的a b r 在稳定状态和冲击负荷情况下的运行特性。n a c h a i y a s i t 等【1 0 1 2 j 研究了低温对 a b r 性能的影响。随后厌氧序批式反应器( a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，a s b r ) 【1 3 】被研究与开发，该工艺彻底解决了厌氧污泥容易流失的问题，具有投资省、操作灵活、 稳定高效等优点，能够在常温下处理低浓度废水，所以是一种非常适合我国国情的污水 处理新技术，应用前景很广阔。 因此，随着科学技术发展和分离鉴定技术水平的提高，原来限制厌氧生物水处理技 术发展的瓶颈已被打破、该技术的优越性更加突现出来。再加之u a s b 、e g s b 、s m p a 、 a b r 、a s b r 等新技术、新工艺的出现，使厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水 ( 例如：发酵废水、食品废水、纺织印染废水、抗菌素废水、中药废水、酱品废水、含 油废水、有机磷农业药废水、造纸废水、制革废水等) ，也可适用于低浓度有机废水( 如 城市污水等) ，其对进水c o d 浓度具有广泛的适用范围( 几百至几万毫克升) 。在全 社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧污水处理技术重 新受到人们的关注，特别是随着能源危机，水质污染日趋复杂，节能、高效的厌氧处理 技术又成为人们的新一轮的研究热点。 1 1 2 厌氧生物技术原理 厌氧消化是指在没有分子氧存在的情况下，通过厌氧微生物( 包括兼氧微生物) 的 作用，将废水中的各种复杂的有机物分解为甲烷和二氧化碳等物质的过程，它与好氧过 程的本质区别在于不以分子态氧作为受氢体，而是以化合态的氧，碳，硫、氮等作为受 u a s b 加r 工艺短程硝化一同时甲烷化反硝化研究 氢体。其处理过程是一个复杂的微生物化学过程，其主要依靠三大类菌群( 水解产酸细 菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌) 的联合作用，通过三个阶段的反应( 水解，酸化和 甲烷化) 来完成。反应过程及c o d 转化过程如图1 1 所示。 图1 1 厌氧消化的三个阶段和c o d 转化率( 引用自m e t c a l f 和e d d y , 1 9 9 1 【1 叼) f i g 1 1s t e p si nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s sw i t he n e r g yf l o w ( f r o mm e t c a l fa n de d d y ，19 91 ) 第一阶段为水解阶段( h y d r o l y s i s ) ：通常情况下，废水中的有机物都以碳水化合 物、脂肪、蛋白质等大分子的形式存在，而厌氧微生物又很难直接利用这些复杂的大分 子、不溶性有机物，它们首先要在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，这 个水解过程是厌氧消化的第一步，也是关键的一步，然后水解产生的单糖、氨基酸和醋 酸等小分子物质才能够渗入细胞体内，进行下一步的反应。 第二阶段为酸化阶段( a c i d o g e n e s i s ) ：这一阶段与酸奶发酵过程相似，利用酸化 菌的发酵作用，将第一步残留物质进一步转化