（环境工程专业论文）厌氧折流板反应器（abr）的基本特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 的基本特性研究 专业：环境工程 研究生：李贺 指导教师：王志盈教授 摘要 本文主要研究了厌氧折流板反应器( a b r ) 的基本特性，探讨了基质降解的规律，c o d 负荷、进水浓度、h r t 对a b r 反应器基质降解的影响；同时探讨了a b r 反应器的生物污泥 自固定化技术，初步探讨了影响生物污泥自固定化技术的因素。试验结采表明： 1 当a b r 反应器的启动负荷为o 8 5 k g c o d ( m s d ) ，玎= 2 4 h ，温度控制在3 5 士1 时，经过6 0 天的驯化培养，系统的c o d 去除率稳定在8 0 9 0 ，出水的p h 值稳定在7 0 0 左右，镜检各隔室污泥：第一、二隔室呈灰色，颗粒结构较好，粒度较均匀，形状以球形和 椭球形为主；第三、四隔室呈黑色，颗粒粒度较小，多数颗粒表面光滑、轮廓清晰。这表明 系统的启动顺利完成； 2 在低负荷下，由于前两个隔室微生物的营养充足，有利于其自身的生长和活性的提高， 而后两个隔室中的微生物处于饥饿状态，从而抑制了其自身的生长和活性的提高，从而第一、 二隔室对基质的降解起主要作用，前两隔室的去除率基本维持在4 0 6 0 。 3 当采用固定h r t ，逐渐提高进水基质浓度的方式提高反应器负荷，当负荷由 1 0 k g c o d ( m s d ) 到4 0 k g c o d ( m 3 d ) 时，当进水浓度低于4 0 0 0 r o a m 时对反应器处理效果 的影响不大；丽当进水浓度大于4 0 0 0 m e d l 时对反应器出水c o d 浓度增加，c o d 去除率降 低。 4 通过试验我们发现，以奶粉为基质，初始容积负荷为o 8 5 k g c o d ( m 3 d ) ，h r t = 2 4 h 时颗粒污泥的发育与无枫颗粒物质和丝状菌密切相关，微生物与无机颗粒物质相互作用形成 了颗粒污泥的构架。 5 以奶粉为基质的污泥比以淀粉为基质的污泥颗粒大、活性高。在低负荷下淀粉废水的 活性污泥主要分布在反应器的底部和顶部，而奶粉废水的活性污泥主要分布在反应器的底部， 并沿进水方向依次降低。 关键词；a b r 反应器基质降解生物污泥自固定化颗粒污泥 西安建筑科技大学硕士论文 a s t u d y o nt h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so f a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l ih e a d v i s o r ：p r o f w a n gz h i y i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so fa n a e r o b i cb a f f l e dr e c t o r ( a b r ) a n dd i s c u s s e dt h ed i s c i p l i n a r i a no fd e g r a d a t i o n w ea l s o d i s c u s s e dt h ei m m o b i l i z a t i o n t e c h n i q u e a n di t sf a c t o r si nt h ea b r w e g e t t h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 w h e nt h es t a r t i n gl o a d i n gr a t ei so ，8 5 k gc o d ( m 。m ，h r t = 2 4 ha n dt h et e m p e r a t u r ei s a b o u t3 50 c ，a f t e rs i x t yd a y s d o m e s t i c a t i o na n dc u l t i v a t i o n ，t h ec o dr e r n o v a lr a t eo fa b ri s s t e a d i l ya t8 0 9 0 a n d t h e p h v a l u eo f t h ee f f l u e n ti sa b o u t7 0 0 ，t h ea b rc a n s t a r t u pv e r y w e l l a n di nt h ef i r s tt w os e c t o r so f t h ea b rt h es l u d g ei sg r e y , r o do rg l o b u l a rg r a n u l a rs l u d g e ；a n di n t h el a s tt w os e c t o r so f t h ea b r , t h e s l u d g e i sb l a c k , s m o o t h g l o b u l a rg r a n u l a rs l u d g e 2 d u et ot h el o wl o a d i n gr a t e ，t h ef i r s tt w os e c t o r sh a v ee n o u g hf o o da n dt h i sb e n e f i tf o r m i c m b i o l o g y t oe n h a n c et h e i ra c t i v i t y , a n dt h el a s tt w os e c t o r sh a v en o te n o u g hf o o da n dt h i si s h a r m f u lf o rs l u d g et oe n h a n c et h e i ra c t i v i t y s ot h ec o di sm a i n l yd e g r a d e di nt h ef i r s tt w o s e c t o r sa n dt h ec o dr e m o v a lr a t ei sa b o u t4 0 6 3 ，w h c f lw et a k et h eh r ta sac o n s t a n t ，w eg r a d u a l l ye n h a n c et h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ni n o r d e rt oi n c r e a s et h el o a d i n gr a t e w h e nt h el o a d i n gr a t ei sf r o m1 0k gc o d ( m 3 。d 1t o4 0k g c o d ( m 3 d ) ，i t h a s1 1 0e f f e c to nt h et r e a l m e n te f f i c i e n c yo f a b rw h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n i sl o w e rt h a n4 0 0 0 m e l ；w h i l et h ei n f l u e n tc o n c c n l x a t i o ni sh i g h e rt h a n 4 0 0 0 m e l , t h et r e a t m e n t e f f e c ti sd e t e r i o r a t e d 。 4 a tt h ec o n d i t i o no f s t a r t i n gl o a d i n g r a t ei so 8 5k gc o d ( m 3 d ) ，h r t = 2 4 ha n dt h e t e m p e r a t u r ei s a b o u t3 5 c ，t h ec u l t i v a l i o na n dd e v e l o p m e n to f g r a n u l a rs l u d g ei sr d a t e d 幻 i n o r g a n i cp a r t i c u l a t em a t t e ra n df i l a m e n t o u sb a c t e r i u m a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm i c r o b i o l o g y a n d i n o r g a n i cp a r t i c u l a t em a t t e r f o r m a tt h ef l a m e s o f t h eg r a m d a r s l u d g e 西安建筑科技大学硕士论文 5 t h es l u d g et h a tm a k ed a i r ya sf o o da l el a r g e ra n dh a v eh i 曲e ra c t i v i t yt h a nt h o s et h a t m a k es t a r c ha sf o o d a tt h ec o n d i t i o no f l o w l o a d i n gr a t e ，t h ed i s t r a c t i o n o f t h ea c t i v es l u d g ei nt h e s t a r c hw a s t e w a t e ri sm a i n l ya tt h eb o t t o ma n dt h e t o po f t h er e a c t o r w h i l ei nt h ed a i r yw a s t e w a t e r , i sm a i n l ya tt h eb o t t o ma n d 粤a d u a l l yd e c r e a s e dw i t hi n f l u e n tf l o w i n g k e y w o r d s ：a b rc o d d e g r a d a t i o n s e l f - i m m o b i l i z a t i o n g r a n u l a rs l u d g e 声明 本人郑重声明我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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：鸯唆 日期： 2 , o - c , 3 、牛- 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者鹤孝凌新硌彩噍删，讧 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 1 1 前言 我国是一个发展中国家，经济技术相对落后，所面临的水环境污染问题十分严峻。近二十 年来，世界上的能源问题突出，而随着生物学、生物化学等学科的发展和工程实践经验的积累， 不断开发出新的厌氧处理工艺和构筑物，克服了传统工艺的缺点，使得这一处理技术的理论和 实践都有了很大进步，使它在处理高浓度有机废水方面取得了良好的效果和经济效益。与传统 的好氧处理工艺相比，厌氧处理工艺具有如下优点： ( 1 )与好氧工艺相比，厌氧处理不但需要的能源很少，而且还能产生大量可利用的能 源； ( 2 )与好氧工艺相比，厌氧工艺的剩余污泥量少。污泥经过厌氧处理后，性质稳定，易 于脱水，污泥处置费用低； ( 3 )投资成本一般较低，运行管理费用大大低于好氧工艺； ( 4 )适于处理高浓度废水，处理效果好； ( 5 )由于厌氧工艺中细菌组成的多样性，代谢途径的多样性，许多在好氧工艺中难降解 的复杂有机物在厌氧工艺中可以被顺利降解。厌氧水解过程还有助于提高废水的可 生化性，常用于废水的预处理。 综上所述，厌氧废水处理是一种将环境保护、能源回收和生态良性循环结合起来的综 合系统的核心技术，具有较好的环境与经济效益，是一种变废为宝的可持续发展的环保技 术。 1 2 厌氧处理过程的阶段划分 在废水厌氧生物处理过程中，废水中的各类复杂有机物经大量微生物的共同作用，最终被 分解转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨等。厌氧降解过程十分复杂，涉及众多的微生物 种群。各类微生物种群都有相应的营养底物，并产生各自的代谢产物。微生物种群之间通过直 接或间接的共营养关系，相互影响，相互制约，组成一个复杂的共生网络系统。 复杂有机物的厌氧降解过程，早期通行的是两阶段理论，此理论认为，有机物的厌氧降解 过程分为不产甲烷的发酵细菌和产甲烷的细菌共同作用的两阶段过程( 图1 1 ) 。第一阶段常被 称作酸性发酵阶段，即由发酵细菌把复杂的有机物进行水解和发酵( 酸化) ，形成脂肪酸( 挥发 西安建筑科技大学硕士论文 酸) 、醇类、c 0 2 、和h 2 等；第- - 阶段常被称作日撇甲烷发酵阶段，由产甲烷细菌将第一阶 段的一些发酵产物进一步转化为c n 4 和c 0 2 的过程。 图1 1 厌氧降解两阶段过程 两阶段理论简要的描述了厌氧生物处理过程，但并没有全面反映厌氧降解的本质。研究表 明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、甲胺和h 2 ，c 0 2 ，但不能利用其它的脂肪酸和醇类产生 甲烷，因此两阶段理论难以确切解释这些物质的降解。 与两阶段理论模式相比较，b r y a n t 等提出了厌氧降解的三阶段理论( 图1 2 ) 。此理论强调 了产氢产乙酸过程的作用，并把它们独立划分为一个阶段。三阶段理论认为，在第一阶段，复 杂的有机物经过水解和发酵转化为脂防酸、醇类等小分子可溶性有机物；在第二阶段，以上产 物通过产氢产乙酸细菌的作用转化为乙酸和h 2 ，0 2 ；最后，产甲烷菌利用乙酸和h 2 c 0 2 产生 c h 4 。在众多的代谢产物中，仅无机的h 2 c 0 2 和有机的“三甲一乙”( 甲酸、甲醇、甲胺、乙 酸) 可直接被产甲烷细菌利用，而其它的代谢产物不能为产甲烷细菌直接利用，它们必须经过 产氢产乙酸细菌进一步转化为h 2 c 0 2 后，才能被产甲烷菌吸收利用。 图1 2 厌氧降解三阶段、四阶段过程 l慷陵降耙慷懂 西安建筑科技大学硕士论文 同时，z e k u s 等提出了厌氧降解的四阶段理论( 图1 2 ) ，此理论在三阶段理论的基础上增 加了同型耗氢产乙酸过程，即由同型产乙酸细菌把h 2 c c h 转化为乙酸。但这类细菌所产生的乙 酸往往不到乙酸总量的5 ，一般可忽略。三阶段理论和四阶段理论实质上都是两阶段理论的 补充和发展。目前在废水处理工程中研究厌氧消化仍以两阶段理论为主。 1 3 厌氧处理工艺的发展概述 厌氧过程实质是一系列复杂的生化反应，其中的底物、各类中间产物、最终产物以及 各种群的微生物之间相互作用，形成一个复杂的微生态系统，类似于宏观生态中的食物链关系， 各类微生物间通过营养底物和代谢产物形成共生关系或共营养关系。因此，反应器作为提供微 生物生长繁殖的微型生态系统，各类微生物的平稳生长、物质和能量流动的商效顺畅是保持该 系统持续稳定的必要条件。实践表明，个成功的反应器必须是：( 1 ) 具备良好的截留污泥的 性能，以保证拥有足够的生物量；( 2 ) 生物污泥自皂够与进水基质充分混合接触，以保证微生物 能够充分利用其活性降解水中的基质。同时，研究人员基于对各类化合物厌氧降解机理研究的 进展，从厌氧底物降解途径和动力学两方面入手，分析提高和保持反应器内微生物活性的可能 措施，并与反应器的设计相结合，全面提高反应器的性能。下面简述了厌氧反应器的发展： 1 3 1 厌氧接触工艺 1 9 5 5 年s c h r o e p t e r 认识到在厌氧消化池内应保持大量的污泥，提出了采用污泥回流的方式， 提出了采用污泥回流的方式，发展了厌氧接触法( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) ，如图1 3 所示。 它是在消化池后设置沉淀分离装置。由于沉淀池增设了污泥回流装置，污泥部分又重返消 化池，增大了消化池的污泥浓度，不但提高了消化池的容积负荷，而且也大大缩短了水力停留 时间，因此其处理效率与负荷显著提高。这是厌氧处理技术的个重要发展厌氧接触工艺也称 厌氧活性污泥法( a n a e r o b i c a c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ) 。此工艺易于启动，耐冲击负荷。运 行稳定，管理方便。但由于沉淀分离设计的问题，易造成污泥流失等问题。此工艺是对普通消 化池的一种简单改造，因此在我国能得以广泛应用。 1 3 2 厌氧滤池( a f ) 随着生物发酵工程中固定化技术的发展。为防止反应器中污泥流失，提高污泥浓度，于是 基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器得以发展。6 0 年代末，y o u n gm 姗发明了厌氧 滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ) 。a f 是一种内部填充有微生物载体的高速厌氧反应器，厌氧微生物部 分附着生长在填料上，形成生物膜，部分厌氧微生物悬浮在填料间隙。废水在流过反应器时， e q 安建筑科技大学硕士论文 有机物被生物膜吸附并分解。产生沼气。典型的a f 成筒状，滤池中可维持相当高的污泥浓度， 一般可达5 - - 1 5k gv s s m 3 ，故a f 有较高的有机负荷：a f 最大有机负荷通常在l l6 i ( gc o d ，( 一 d ) 之间。反应器污泥产率低，运行启动快t 2 l 。但用a f 处理含悬浮物浓度高的废水易发生堵塞， 对布水装置要求较高，否则易短流，影响处理效果。 图1 3 厌氧接触工艺示意图 出水 1 3 3 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 上流式厌氧污泥床( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ) 反应器是荷兰w a g e n i n g e n 农业 大学环境系的l e t t i n g a 等人于1 9 7 3 1 9 7 7 年间研制成功的( 图1 4 ) 。污水均匀的引入到u a s b 反应器底部。向匕通过颗粒污泥层。反应器在污水与颗粒污泥层的接触过程中发生，衍生的沼 气引起内部循环。附着在气体上的污泥随气体向反应器顶部上升，碰到三相分离器气体反射板， 引起气固分离，污泥下沉，气体被收集迸集气室。其突出优点是工艺结构紧凑，处理能力大， 处理效果好，无需机械搅拌装置，投资费用省等。反应器内具有很高的污泥量，器污泥浓度一 般为4 00 0 0 - - 8 00 0 0 m g l ，有文献报道可达1 0 00 0 0 - , 1 5 00 0 0 r n g lb 。u a s b 中颗粒污泥的粒径 一般在o 5 5 n a n 之间，具有优良的沉降性能。u a s b 反应器发明后，引起了广泛的注意，目i 已成为应用最广泛的厌氧处理方法，据g l e t l i n g a 等人的不完全统计1 4 1 全球至有1 2 8 座这样 的处理装置在实际生产使用中。u a s b 虽优点突出，但也存在一些难以解决的问题，如三项分 离器的设计目前尚无一个成熟的方法，对那些含有高浓度悬浮固体的废水需要考虑s s 的预处 理等问题。 洲o 进水 图1 4u a s b 反应器示意图 4 西安建筑科技大学硕士论文 1 3 a 膨胀颗粒污泥床反应器( e g s b ) e g s b ( e x p a n d e d g r a n u l a r s l u d g e b e d ) 反应器，是在u a s b 反应器的基础上于8 0 年 代后期在荷兰农业大学环境系开始研究的新型厌氧反应器，与u a s b 相比，它增加了出水再循 环部分，是的反应器内的液体上升流速远远高于u a s b 反应器，加强了污水和微生物之间的接 触，是反映器内颗粒污泥处于部分或全部“膨胀化”的状态，正是由于这种独特的技术优势使 得它可以用于多种有机污水的处理。e g s b 反应器在处理浓度低于1 5 0 0 m g c o d l 的废水时能 有很高的去处率0 1 。 1 3 5 厌氧折流板反应器( a b r ) l e t t i n g a 教授话1 在展望未来厌氧反应器发展动向时指出，现有的各类高效厌氧反应器中， 上流式污；：r d g ( u s a ) 系统是最受欢迎的，也是最有发展前途的，上流式厌氧污泥床( u a s b ) 系统 在全球范围的风行可以作为例证聍1 。u s b 系统的一个优点是反应器内水流方向与产气上升方向 相一致，一方面减少堵塞的机会，另一方面加强了对污泥床层的搅拌作用，有利于微生物与进 水基质的充分接触，也有助于形成颗粒污泥。关于新型高效反应器，l e t t i n g a 在推荐膨胀颗粒 污泥床反应器e g s b ( e x p a n d e d c a m m l a r s l u d g e b e d ) 的同时，提出了另一个极有前途，同时也是 极富挑战性的新工艺，即分阶段多相厌氧反应器技术s m p a 巧1 ( s t a g e dm u l t i - p h a s ea n a e r o b i c r e a c t o r ) 。 实际上s m p a 并非特指某个反应器，而是一种新工艺思想。据称，该工艺将适用于各类温 度条件，从低温( 5 5 ) 均可运行，对于各种含抑制性化合物的化工废水也 能适应。 s 加p a 的理论思路是： ( 1 ) 在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及环境因 子( p h ，h 2 分压值等) ； ( 2 ) 防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合： ( 3 ) 各个单体内的产气互相隔开； ( 4 ) 工艺流程更接近于推流式，系统因而拥有更高的去除率，出水水质更好。 a b r ( a n a e r o b i c b a f f l e d r e a c t o r ) 反应器是b a c h m a n 和m c c a r t y 等人陆1 于1 9 8 2 前后提出 的一种具有s m p a 工艺思想的新型高效厌氧反应器，如图1 5 所示。 反应器特点是：内置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都是一 个相对独立的上流式污泥床( u s b ) 系统，其中的污泥可以是以颗粒化形式或以絮状形式存在。 水流由导流板引导匕下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分 接触而得以降解去除。 西安建筑科技大学硕士论文 图1 5a b r 反应器结构示意图 虽然在构造上a b r 可以看作是多个u a s b 反应器的简单串联，但工艺上与单个u a s b 有显著不同。u a s b 可近似地看作是一种完全混合式反应器，而a b r 贝# 更接近于推流式工艺。 与i 创d n g a 提出的s m p a 订1 工艺对比，可以发现a b r 几乎完美地实现了该工艺的思路要点。 首先，挡板构造在反应器内形成几个独立的反应室，在每个反应室内驯化培养出与该处的环境 条件相适应的微生物群落。例如a b r 用以处理葡萄糖为基质的废水时，第一格反应室经过一 段时间的驯化，将形成以酸化菌为主的高效酸化反应区，葡萄糖在此转化为低级脂肪酸( v f a ) ， 而其后续反应室将先后完成各类v f a 到甲烷的转化。通过热力学分析可知，细菌对丙酸和丁酸 降解只有在环境i - h 分压较低的情况下才自芝进行聆，而有机物酸化彰淑是h 2 的主要来源，产甲 烷阶段几乎不产生h 2 。与单个u a s b 中酸化和产甲烷过程融笛莲行不同，a b r 反应器有独立 分隔的酸化反应室，酸化过程产生的h 2 以产气形式先行排除，因此有利于后续产甲烷阶段牛丙 酸和丁酸的代谢过程在较低的h 2 分压环境下顺利进行，避免了丙酸、丁酸过度积累所产生的抑 制作用。由此可以看出，在a b r 各个反应室中的微生物相是随流程逐级遂变的递变的规律 与底物降解过程协调致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性。其次，同传统好氧 工艺相比。厌氧反应器的个不是之处是系统出水水质较差。通常需要经过后续处理彳能达标 排放。而a b r 的推流式特性可确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器的运行也更加稳定， 对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的缓冲适应能力。值得指出的是，a b r 推流式特点 也有其不利的一面，在同等的总负荷条件下与单级的u a s b 相比，a b r 反应器的第一格不得 不承受远大于平均负荷囊局部负荷芦1 。以拥有5 格反应室的a b r 为例，其第格的局部灸荷 为其系统平均负荷的5 倍。如何降低局部负荷过载的不利影响还有待于深入探讨。a b r 反应器 上流室宽，下流室窄。并在折流扳末辨卷设导流折角，a b r 反应器在处理废水时。器上流失的功 能相当于个u a s b 反应器，其中有了瀵的活性污泥，反应器无三相分离装置。运行时就像多 级u a s b 反应器串联，在每吟懦室内是完全混合型。整体e 是推流型。这种 勾逶形式的反应 6 西安建筑科技大学硕士论文 器能在各个格式中形成性能稳定静群配合良好的微生物链，以适应于流经不国隔室的水流水 质情况，有机物被不同隔室中的不同类型微生物降解，可使反应器实现生态幅的分离，以适应 不同的水质，提高处理效果。使a b r 反应器中污水生物处理技术的运行更为灵活、方便、投 资费用更低。 最新型的a b r 反应器p a b r ( p e r i o d i ca n a e r o b i cb a f o e dr c a c e o r ) 是由i v s k i a d a s 和 g l y b e r a t o s “o “”予1 9 9 8 年首次提出的一种新型厌氧反应器。p a b r 反应器如图1 6 所示： 出水 (d() 图1 6p a b r 反应器结构示意图 p a b r 反应器由两个同心的圆柱体组成，圆柱体间分布着用带有导流角的挡板，做成类 似于a b r 反应器的模式。进水由第一隔室的下流窒进 ，经挡板进入同黼室的上流室，然 后再进 下个隔室的下流室，重复e 述过程，至第四隔室的上流室出水。比如，a 室进水， 则d 为出水室。( 见图1 6 ( ) ) 阀门 ，3 。6 ，9 ，l l 打开，阀门2 ，4 ，5 ，7 ，8 ，l o ，1 2 关 闭。同样，如果当进水为b ，c ，d 室时，则出水分别为a ，b ，c 室通过控制阀门的开启或关 闭可以室进水室。出水室发生周期性豹转变。因此在一个周期内。每一个隔室为进水室和 出水室的时间分别为个周期的四分之一。当周期转换的非常慢时，在这个极端情况下，反应 器就可简化为a b r 反应器。在另一个极端情况下，即周期转换非常恢，就相当于每一个隔室 同时进水，同时出水，这样反应器就类似u a s b 反应器。这种反应器的主要优点为： ( 1 ) 逦过改变周期，来调整反应器的工作状态：它可作为a b r 反应器或u a s b 反应器 或两者之( 卣j 的中简! 状态进行操作。当棒翟时间短，负荷高时，可作为u a s b 反应器模式：当停 留时间长，负荷低时，o - - i 作为a b r 反应器模式： ( 2 ) 反应器内部的挡板可作为热交换起来维持反应器的消化剩牛( 中温3 5 c ：高温5 0 。因为与长方体形状的a b r 反应器相比。p a b r 反应器单位体积的外表面积小，放而表面 热损失减小，从而可维持反应器内的温度。 p a b r 反应器结合了u a s b 反应：器和a b r 反应器，强过适当的调整进。出水的周期， 西安建筑科技大学硕士论文 灵活的控制反应器，提高处理效果。因此，p a b r 反应器作为一种高效，灵活性强的厌氧反应 器必将引起广泛的关注和广阔的应用前景。不同形式的a b r 反应器极大的丰富了a b r 研究的 内容。 综上所述，a b r2 1 2 艺主要有如下特性： ( 1 ) 工艺构造设计简单； ( 2 ) 反应器内水流的反复上下折流作用，提高了微生物体与被处理废水间的混合接触，稳 定了处理效果，促进了颗粒污泥的形成和生长： ( 3 ) 每个隔室可形成流态上的完全混合，隔室间可形成流态上的推流反应，这样既可发挥 完全混合式承受冲击负荷能力强，发挥所有微生物体的作用，又可在推流式下在隔室间形成较 高的浓差推动力； ( 4 ) 各隔室营养水平不同，从而使反应器内的微生物相有明显的种群配合和良好的沿程分 布。 目前关于a b r 反应器的研究尚处于实验室阶段。国内外在反应器的工艺特性方面做了 较多的研究a g r o b i c k i ，d c s t u c k e y “2 1 和天津大学的郭静“”对a b r 的水利特性的研究表明： a b r 反应器在没有回流和搅拌的条件下，混合效果良好，死区百分率低；d c s t u c k e y ，a l e t t ea m l a n g e n h o f f “4 1 对于水力停留时间对a b r 反应器的影响进行了研究，结果表明：在进水有机物 浓度为5 0 0 m g c o d l ，3 5 。c 下，当盯= 2 8 7 h 时，c o d 的去除率仍较高( 去处率在8 0 左右) ， 随后，f 电f 门又对低温对a b r 反应器的影响进行了实验“卯，结果表明：在低负荷下，h r t = 1 0 h ， 3 5 时，c o d 去处率达9 5 左右：当温度为2 0 ，c o d 的去除率在7 0 左右，然而，当温度 降到1 0 ，c o d 去除率降到了6 0 。这为a b r 运用到实际工程中阿氐造价提供了依据。t j a n d r a s e t i a d i 等人“6 1 还对回流对a b r 反应器的影响避行了实验研究，结果显示：在a b r 负荷为 l s k g c o d 0 d ) ，没有外加碱度时，当回流比大于1 5 时才能维持系统的p h i 6 8 。王宝贞、沈 耀良等人”7 m 1 用a b r 反应器处理垃圾渗滤液混合废水过程中水解酸化作用进行了研究。结果 表明：a b r 反应器可有效的改善混合废水的可生化性。由进水b o d s c o d = 0 3 提高到出 水的b o d f f c o d = 0 4 , - - 0 6 ，为后续的处理提供了有利的条件。 a b r 反应器在实际工程中的应用还比较少见。美国哥伦比亚城的t e n j o 有一套常温下处理 生活污水的a b r 装置，当c o d 容积负荷在o 4 2 鹂o - d ) 范围内波动时，c o d 去处率基本 上保持在7 0 8 0 。这套a b r 装置的投资比u a s b 节省了2 0 ，仅相当于一座同等规模城市 二级污水处理厂投资的1 6 1 1 9 1 由以上分析可知，a b r 反应器具有结构简单，投资少，运行稳定，抗冲击负荷能力强，处 理效果高等优点，适于处理各种浓度的废水，特另是高浓度难降解的有机废水。但对a b r 工 艺的研究和应用目前尚处于初步阶段，仍有很多工作要做，比如关于各隔室基质降解的过程及 代谢枫理研究：a b r 反应器中颗黼的形成条件及机理研究；如何解决商c o d 容积负荷下 西安建筑科技大学硕士论文 污泥的过度酸化问题等n 9 枷1 。 1 4 本课题的意义及研究内容 本课题结合a b r 的特点，针对a b r 反应器，研究各隔室基质降解特性，a b r 反应器内 生物固定化技术的形成条件，利用厌氧多级处理实珊有机物的最终转化。这一新工艺技术在生 产实践中的推广，将为我国废水治理具有指导作用和重要的现实意义。 本课题的主要研究内容有： ( 1 ) a b r 反应器的启动试验研究； ( 2 ) a b r 反应器各隔室基质降解特性研究 ( 3 ) a b r 反应器内污泥特性的探讨。 1 5 研究思路 为了研究a b r 的基本特性，我们首先选择易降解的有机物为基质，研究易降解有机物在 各隔室的降解特性及其影响因素，并探讨a b r 反应器内生物污泥自固定化的形成过程及影响 条件，从而为以后进一步研究a b r 处理难降解有机物探索条件。 9 西安建筑科技大学硕士论文 2 试验装置及研究方案 2 1 试验装置 试验装置示意图见图2 1 l 进水箱2 蠕动泵3 加热器4 多隔室厌氧反应器5 沼气6 出水箱 图2 1 试验装置图 试验用多隔室厌氧反应器由有机玻璃制成，长、宽、高分别为6 6 0 、1 2 6 、2 2 0 m m ，有效容 积1 5 8 4 l ，反应器分隔成4 个反应室，每室由个升流区和降流区组成，上向流室与下向流室 的宽度比4 ：l 通往上向流室的挡板下部边缘有4 5 。导流板布水，便于将水送至上向流室的中 心，使泥水充分混合接触，维持较高的污泥浓度。为了维持反应器内的温度，在反应器内设置 了温度控制的加热系统。 2 2 试验方案 2 2 1 实验研究内容及拟采用方案 ( 1 ) a b r 反应器的启动试验研究。采用人工配制的奶粉为基质，按比例投配n h 4 c i 、n a 3 p 0 4 并= ! j 1 1 h n a h c 0 3 以维持反应器内碱度，使进水p h 在7 5 8 5 ，控制初始h r t = 2 4 h ，c o d 容积负荷为0 8 5k 学( m 3 d ) 。采取固定h r t ，逐步提高进水基质浓度的方式启动。待反 应器运行稳定后，即维持出水p h 大于6 5 ，c o d 去除率高于8 0 后，再进行下一阶段的 1 0 口 西安建筑科技大学硕士论文 试验。 ( 2 ) a b r 反应器各隔室基质降解特性研究。a b r 反应器启动成功后，我们要研究各隔室对基质 降解的规律：在低负荷下，各隔室c o d 降解规律，p n 值变化规律，c o d 去除率的变化 规律；在此之后，我们还要研究在低负荷下，有机物降解条件的研究：c o d 负荷对基质降 解的影响，进水浓度对基质降解的影响。 ( 3 ) a b r 反应器内污泥特性的探讨。本部分试验将观察并总结以奶粉和淀粉为基质时，颗粒污 泥的形成过程及污泥的特性，并探讨影响颗粒污泥形成的因素。 2 2 2 试验分析项目及方法 本试验采用动态连续试验，进水由人工配制而成。根据本试验的要求和目的，需测定 的项目及方法频率列于表2 1 。 表2 1 试验分析项目、方法、频率 项目分析方法分析频率 温度水银温度计2 嫉 p h 值 p h s 3 c 精密酸度计2 次天 c o d c v 重铬酸钾法2 次倜 删 滴定法2 次周 碱度滴定法2 姗 甲烷含量气相色谱法2 次，周 产气量b s d - 0 5 型湿式气体流量计1 次厌 h s s 重量法1 次，周 口u 姻s 重量法1 次倜 0 对 o r p 测定仪2 次周 n 乩n 纳氏剂分光光度法2 棚 s 6 分光光度法2 次倜 污泥形态光学显微镜1 次倜 西安建筑科技大学硕士论文 3a b r 反应器基质降解试验 3 1 污泥的接种 本实验的污泥取自西安汉斯啤酒厂中运行正常的厌氧池中的活性污泥，污泥性状良好。为 去掉污泥中大块杂质及有毒成分，将取回的污泥沉淀一天，倒去上清液并过滤淘洗后移至反应 器中。在光学显微镜下观察污泥，有许多团状的小颗粒，呈灰白色，其间有絮状污泥。接种污 泥的m z s s = 1 0 1 9 l ，m l v s s ：为5 9 l ，i v l l v s s m l s s = 0 6 4 。 3 2a b r 的启动 由于a b r 可以看作由多个u a s b 反应器串联而成，因此a b r 的启动过程与u a s b 类似。 其启动方式主要有低负荷启动和高负荷启动两种。采用低负荷启动方式时，液流的速度较低， 低负荷还可以有效避免抑制性生化物质的过度积累，从而有利于颗粒污泥的生长。一般建议的 启动负荷为1 2 k g c o d ( m 3 d ) ，停留时间为2 4 h ，n a c h a i y a s i t 旺研究表明，当最初启动负荷高 达1 3 k g c o d ( m 3 d ) 时，中间产物积累导致反应器酸化，最终导致系统的启动失败。 本试验采用低负荷启动方式，启动负荷为o 8 5 k g c o d ( m 3 d ) ，h r t = 2 4 h ，温度控制在3 5 士1 ，按厌氧所需营养的比例采用人工配制的奶粉为试验用水，并投加n a 止j 0 4 和微量元素以满 足厌氧微生物的生长需要。其中，微量元素的成分见表3 1 啦叫1 。由于微量元素的c o d 浓度 相对于基质c o d 浓度来说很小，因此其c o d 浓度可忽略不记。 表3 1 微量元素的成分 成分浓 度( m g l ) f e s 0 4 7 h 2 0 5 0 m 醪0 4 - 7 h 2 0 5 0 c o s 0 4 ，7 h 2 0 5 z n s 0 4 7 h 2 0 1 5 n i s 0 4 t7 i - 1 2 0l 、2 5 c u s 0 4 5 h 2 0 1 0 m n s o , 4 h 2 0 o 7 5 四水和钼酸铵 n 7 5 投加量为0 2 m l l 废水 图3 1 给出了系统启动过程的进水c o d 浓度、出水c o d 浓度和c o d 去除率随时间的变 化情况。从图中我t l l - 1 以看到，在系统启动的前l o 天，出水c o d 值较高并且在这期间c o d 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 的去除率逐渐降低，这是由于从啤酒厂取回的污泥由于进水基质发生了变化，污泥的活性受到 了抑制，从而c o d 的去除率逐渐降低。在第1 0 4 5 天这段期间，进水c o d 基本保持不变， 而出水的c o d 值逐渐降低并且c o d 的去除率也逐渐提高。其中，第4 4 天出水c o d 值为 1 3 l m g l , c o d 去除率达到了9 0 。这表明，污泥经过驯化后其活性得到了恢复使得出水c o d 浓度降低，c o d 去除率提高。在第4 5 6 7 天这段期间，迸水c o d 浓度逐渐提高，然而出水 c o d 浓度依然维持在较低的浓度上，并且c o d 的去除率也稳定在8 0 9 0 之间。 o 5 糕 畿 凸 天( d ) 巨垂区三至歪三圈 图3 1 系统启动阶段进、出水c o d 及c o d 去除率 图3 2 给出了，a b r 反应器系统启动阶段出水p h 值随时间变化的曲线。从图中我们可以 知道，在系统启动的初期，p h 值平均在6 5 左右a 而在系统启动的中后期p h 值基本稳定在7 0 0 左右。 此外，在a b r 系统启动的过程中，我们还观察到系统的污泥浓度逐渐减小，这可能是由 于在系统启动过程中随着负荷的逐渐提高，污泥受到一定的影响，一部分污泥不能适应环境的 变化而死亡，同时细小的污泥随出水流出反应器，污泥的洗出量增加，从而使得污泥浓度降低。 另外，藐们在启动阶段末期观察污泥发现：各隔室均有颗粒污泥出现，呈亮黑色，粒径大小不 等，随着污泥的颗粒化，污泥浓度稳定增加，反应器耐冲击负荷的能力增强，反应器进入稳定 运行阶段。 0 0 0 o o 0 o 0 o 0 o 0 o蛳渤猫墨m!星|曼|呈踮蛎撕。 西安建筑科技大学硕士论文 天( d ) 图3 2 启动阶段系统出水p h 值的变化 由此可见，当a b r 反应器的启动负荷为0 8 5 k g c o d ( m 3 d ) ，h r t = 2 4 h ，温度控制在3 5 + 1 时，经过6 0 天的驯化培养，系统的c o d 去除率稳定在8 0 9 0 ，出水的p h 值稳定在7 o o 左右，镜检各隔室污泥：第一、二隔室呈灰色，颗粒结构较好，粒度较均匀，形状以球形和椭 球形为主：第三、四隔室呈黑色，颗粒粒度较小，多数颗粒表面光滑、轮廓清晰。这表明系统 的启动顺利完成； 3 3 1c o d 降解的试验 本部分试验主要研究了多隔室厌氧反应器内各隔室对c o d 的降解规律。图3 3 给出了a b r 反应器中各隔室c o d 降解情况随时间的变化曲线。从图中我们可以看出，在运行初期的2 0 d 中，各隔室降解的c o d 很少。而在第4 5 d 以后，随着进水c o d 浓度的增加，各隔室降解c o d 的浓度也有了明显的提高。这可能是由于在运行初期，污泥的活性由于环境的变化而受到抑制， 使得各隔室c o d 浓度降解幅度变化不大，而此时c o d 的总去除率一股在4 0 6 0 ；而在污 泥驯化培养结束后，由于厌氧微生物分剐适应了各隔室不同的环境，使其活性得到了恢复和提 高，从而在各隔室的微生物协同作用