（环境工程专业论文）常温条件下uasbsbr工艺处理甲胺、甲醇废水的试验研究.pdf

摘要 本文通过试验，研究了在常温条件下采用u a s b + s b r 工艺处理山东肥城某化 工厂的甲胺、甲醇生产废水。为了使试验结论能够服务于工程，考虑到工程应用 的技术可行性和经济可行性，试验的条件与工程基本保持一致。试验中调整、控 制u m 和s b r 反应器的各运行参数，通过测试比较得出该工艺处理该废水的最 佳运行参数值，为工程应用提供一定的参考。对试验结果进行整理分析，得到如 下结论： ( 1 ) u a s b 在常温下运行8 1 d ，启动基本完成；最佳水力停留时间为2 4 h ， 反应器处于稳定运行阶段时，产气与温度表现出一定的相关性。 ( 2 ) 整个工艺对该化工厂的甲胺、甲醇废水有一定的c o d 去除效率，从u a s b 进水至s b r 出水，平均c o d 去除率为6 8 1 4 。 ( 3 ) 系统的t n 去除效率较为稳定，平均去除率可达7 2 3 ，出水t n 浓度 在1 6 5 6 m g l 以下。 ( 4 ) 系统有一定的抗冲击负荷能力，但不是很强。 ( 5 ) 系统有一定的耐低温性。低温运行时，u a s b 表观沼气产量和c 0 1 ) 去除 能力都有所下降，但系统未发生酸化现象；s b r 对有机物的去除效果受低温影响 不大，污泥性能未受太大影响。 ( 6 ) 对工艺进行动力学分析，基质去除趋向于零级反应，比基质利用速率 常数k = 0 0 2 9 3 ，基质浓度与基质去除率可按下式计算： 一s o - s e ：0 0 2 9 3 f o 0 6 2 6 。 爿 最后结合工程实际，对试验结论从技术和经济两方面进行工程可行性分析， 得出结论：采用该工艺处理该化工厂甲胺、甲醇及其它生产废水和生活污水，设 计工程总投资7 1 6 7 4 万元，运行费用为0 7 5 元m 3 污水，可被工程所接受。 关键词：u a s b ；s b r ；甲胺废水：甲醇废水 a b s t r a c t t h r o u g he x p e r i m e n t ，u a s b + s b rc o m b i n e dp r o c e s sw a se m p l o y e da ta m b i e n t t e m p e r a t u r e st ot r e a tt h em e t h y l a m i n ea n dm e t h a n o lw a s t e w a t e rf r o m ac h e m i c a lp l a n t i nf e ic i t yo fs h a n d o n g c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a l i t y , e x p e r i m e n tc o n d i t i o n sw e r e c o n s i s t e n tw i t ht h a ti na p p l i c a t i o n t h ep e r f o r m a n c e so ft h eu a s b s b rr e a c t o r sa n d t h ew h o l ep r o c e s sw e r es t u d i e dt h r o u g hc h a n g i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r si n c l u d i n gt h e c o n c e n t r a t i o no fs u b s t r a t e s ，h y d r a u l i cl o a d i n gr a t e ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，e t c m o r e o v e r , t h ek i n e t i c so fs y s t e ma n dt h ef e a s i b i l i t yi np r a c t i c ew a sa n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h em a i nc o n c l u s i o n so f e x p e r i m e n ta n da n a l y s i sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u a s br e a c t o rf i n i s h e ds t a r t u p a f t e r8 1 d a y s ，a n dt h eo p t i m a lh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m ew a s2 4 h t h eb i o g a sp r o d u c t i o ns h o w e dac e r t a i nr e l a t i v i t yw i 1t h e t e m p e r a t u r ed u r i n gs t e a d yo p e r a t i o ns t a g e ( 2 ) t h eu a s b + s b rc o u l dp u r i f yt h em e t h y l a m i n ea n dm e t h a n o lw a s t e w a t e r f r o mt h ec h e m i c a lp l a n tt os o m ed e g r e e ，a n da v e r a g ec o dr e m o v a lr a t ew a s6 8 1 4 ( 3 ) t h ep r o c e s sd i s p l a y e das t a b l er e m o v a lo ft n t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f t nc a nb eu pt o7 2 3 a n dt h et nc o n c e n t r a t i o ni ns b re f f l u e n tw a sb e l o w 1 6 5 6 m g l ( 4 ) t h ew h o l es y s t e mh a dac e r t a i nb u tn o ts t r o n gc a p a b i l i t yo fr e s i s t i n gs u d d e n l o a dc h a n g e ( 5 ) t h ep r o c e s sh a dac a p a b i l i t yo fr e s i s t i n gt h el o wt e m p e r a t u r e w h e l lt h e s y s t e mr u na tal o wt e m p e r a t u r e ，t h eb i o g a sp r o d u c t i o na n dc o d r e m o v a lm t ei n u a s br e a c t o rw e n td o w n b u ta c i d i f i c a f i 0 1 1d i dn o to c c u r 1 1 1 cp e r f o r m a n c eo fs b r w a sn o ti n f l u e n c e dg r e a t l yb yl o wt e m p e r a t u r e ( 6 ) a n a l y z i n gt h ek i n e t i c so ft h ep r o c e s s ，t h ed e g r a d a t i o no fs u b s t r a t e so ft h e w h o l es y s t e mi n c l i n e dt oz e r og r a d er e a c t i o na n dk ，t h ec o n s t a n to fs p e c i f i c d e g r a d a t i o n r a t ef o rs u b s t r a t e sw a s0 0 2 9 3 c o n c e n t r a t i o na n dr e m o v a lr a t eo f s u b s t r a t e s i n t h e s y s t e m c a nb ec a l c u l a t e d b y t h ef o r m u l a ： 一s o - s e ：0 0 2 9 3 f o 0 6 2 6 爿 a n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o c e s sf r o mt w oh a n d so f b o t hi n t e c h n i q u ea n de c o n o m y , t h ep r o c e s sc a nb ev i a b l ei np r a c t i c e k e yw o r d s ：u a s b ；s b r ；m e t h y l a m i n ew a s t e w a t e r ；m e t h a n o lw a s t e w a t e r 第一章绪论 1 1 试验研究背景 目前，我国有多家化工企业生产甲胺和或甲醇试剂，并有众多化工单位的 生产车间排放高浓度含甲胺和或甲醇的废水。甲胺i l 】又名氨基甲烷，化学分子式 为c h 3 - n h 2 ，是一种重要的有机化工原料和农药、医药中间体，也是性能优良的 溶剂和各种气体的吸收剂，广泛用于有机合成、无机化工、农药( 乐果、杀虫脒 等) 、石油、燃料、炸药、合成纤维、人造革、医药( 咖啡因、麻黄素等) 等行 业。甲胺常温下为无色有氨臭的气体或液体，有毒，能刺激皮肤和粘膜，对眼睛、 呼吸器官作用更强。甲醇【l i 化学分子式为c h 3 一o h ，常温下为无色、透明、高度 挥发的易燃液体，略有酒精气味，遇热、明火或氧化剂易着火。甲醇蒸气对呼吸 道粘膜有强烈刺激作用，可经呼吸道和胃肠道被人或动物吸收，也可被皮肤吸收， 主要作用于神经系统，具有明显的麻醉作用，可引起脑水肿，对视神经和视网膜 有特殊的选择作用，易引起视神经萎缩，导致双目失明，危险性较大。因此，工 业上产生的含甲胺和或甲醇的废水均需经一定处理达标后才能排放。 由于甲胺属于较难处理的有机污染物，且甲胺废水含氮量高，在目前国内的 废水处理工艺中，鲜有成功的运行实例，国外也仅有个别国家成功运用废水厌氧 技术处理高浓度含甲胺废水，但大多属于专利技术，尚未公开。 本论文即针对废水处理领域的这种状况，通过对山东肥城某化工厂的高浓度 含甲胺、甲醇的废水进行水质分析，采用理论上、经济上及处理效果上都较有优 势的生物处理工艺探讨采用生物处理技术净化该类废水的方法，并进行工程可行 性分析，以期应用于工程实践，减少该类废水对环境的污染。 1 2 试验研究目的及意义 测试试验选定的工艺在常温下对该化工厂甲胺、甲醇化工废水的处理效果， 确定该工艺各运行参数的最佳值，如有机负荷、水力停留时间等，并分析其工程 应用的可行性，从而为指导工程实践提供一定的参考。 1 3 试验方案选择 试验方案的选择要充分考虑该化工厂废水排放特点及其水质特征，特别是甲 胺、甲醇属于低分子有机物的特点。化工废水污染物浓度高，营养不平衡，对微 生物培养驯化有较大影响，及甲胺废水的高氮源特性都是本试验进行方案选择时 认真考虑的因素。 分析该化工厂排放废水的水质特性，甲胺废水c o d 浓度较高，可生化性良 好，废水含氮量高，生产废水与生活污水混合后有机物浓度适中；另外该厂废水 排放具有水量波动大、变化快、极不稳定等特点，故采用厌氧+ 好氧的组合工艺 进行处理。因厌氧处理节省能耗，并且可以回收能源；好氧处理效果显著，出水 浓度低，经厌氧处理后再进行好氧处理，将大大降低好氧处理的投资和运行费用， 同时可将废水中的大分子有机物分解，有利于后续好氧生物处理。厌氧系统采用 目前处理中、高浓度有机废水应用较为广泛的u a s b 工艺，该工艺具有有机负 荷率高、污泥稳定性好、有机物去除效果好等优点；好氧系统采用s b r 工艺， 因为它具有规模灵活、操作方便( 易与实现全自动运行) 、运行稳定、去除有机 物和脱氮效果好等特点，适合于u a s b 出水的后处理。 因此，本试验方案最终选定为u a s b + s b r 两级串联的组合工艺。 1 4 试验研究方法 由于试验的主要目的是为工程应用服务，为了尽量取得与工程应用较为一致 的效果，并考虑到实际应用的可操作性和经济性，试验的环境条件尽量保持与工 程应用一致。 试验在常温下进行，对u a s b 反应器，阶段性地控制其进水流量和有机负 荷以完成启动，并比较其在不同运行参数下的处理效果；对s b r 反应器，通过 控制其运行周期和各阶段运行的时间，检测其对c o d 污染物及含氮有机物的去 除率。试验中，定期检测系统的c o d 、p h 值、v f a 、n h 3 、t n 、s v i 等水质指 标，并不定期观察反应器中微生物相，以便及时掌握工艺运行的状态和污泥的性 状，也便于出现问题时及时采取相应的解决或补救措施。 试验末期，进入冬季，气温较低，可检验该工艺在低温下的运行情况及整个 废水处理系统的稳定性。 另外，考虑到该化工厂废水排放具有水量波动大、变化快、极不稳定且水质 特性复杂等特点，试验中将对该处理工艺做抗负荷冲击能力的检测。 2 第二章工艺原理及简述 2 1 u a s b 工艺溉述 21 1厌氢生物处理技术的产生及发展 厌氧生物处理技术的发展起源于城市污水污泥的处理，早期的厌氧装置，如 厌氧消化池、霍夫池( i m h o f f t a n k ) 以及连续搅拌、可加温的厌氧消化池口j 等， 都属i 丁低负荷系统。本质上这些反应器的污泥停留时间( s r t ) 与废水停留时 间( h r t ) 相同，因此反应器中污泥浓度低，处理效果差。 2 0 世纪5 0 年代中期出现了厌氧接触反应器，使厌氧污泥在反应器中的停留 时间第一次大于水力停留时间，被认为是现代高速厌氧反应器的开端。 随着生物固定化技术的发展，人们认识到提供反应嚣中污泥浓度的重要性， 2 0 世纪7 0 年代，厌氧滤池( a f ) 和上流式厌氧污泥床( u a s b ) 相继问世，推 动，以提高污泥浓度和改善废水与污泥混合效果为基础的一系列高负荷厌氧反 应器的发展。a f 和u a s b 把废水在反应器内的停留时间缩短到只有几个小时， 从而使厌氧处理技术真正成为处理多种废水的有效技术。 第三代厌氧反应器包括厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e g s b ) 、厌氧内循环反 应器( i c ) 、厌氧升流式流化床t 艺( u f b ) 、分级“多相恹氧反应器( s m p a ) 以及厌氧序批式反应器( a s b r ) 等。这些反应器多是在u a s b 的基础上进行改 良而开发出来的( 如e g s b 、i c 等) ，且大部分尚处于开发阶段，没有生产觌模。 212 厌氧生物处理过程的机理及特点 早在2 0 世纪3 0 年代，人们就已经认识到厌氧生物处理中有机物的分解过程 分为酸性( 酸化) 阶段和碱性( 甲烷化) 阶段。1 9 6 7 年，b r y a n t 的研究表明， 厌氧的两段模式论过于简单，提出了厌氧发酵的四个阶段( 或三个阶段) 理论： 篇一阶段为水解阶段：复杂的大分子有机物被胞外酶水解为小分子的溶解性 有机物。水解性细菌或发酵性细菌使纤维素、淀粉等碳水化合物水解为糖类，使 蛋白质水解为氨基酸等。 第二阶段为酸化阶段：溶解性有机物由兼性或专性厌氧菌转化为有机酸、醇、 醛和c o 。、h 。有时，人们也将水解阶段和酸化阶段合称为第一阶段。 醛和c 如、也。有时，人们也将水解阶段和酸化阶段合称为第一阶段。 第二章工艺原理及简述 2 1u a s b 工艺概述 2 1 1厌氧生物处理技术的产生及发展 厌氧生物处理技术的发展起源于城市污水污泥的处理，早期的厌氧装置，如 厌氧消化池、霍夫池( i m h o f ft a n k ) 以及连续搅拌、可加温的厌氧消化池f 2 】等， 都属于低负荷系统。本质上，这些反应器的污泥停留时间( s r t ) 与废水停留时 间( l r t ) 相同，因此反应器中污泥浓度低，处理效果差。 2 0 世纪5 0 年代中期出现了厌氧接触反应器，使厌氧污泥在反应器中的停留 时间第一次大于水力停留时间，被认为是现代高速厌氧反应器的开端。 随着生物固定化技术的发展，人们认识到提供反应器中污泥浓度的重要性， 2 0 世纪7 0 年代，厌氧滤池( a f ) 和上流式厌氧污泥床( u a s b ) 相继问世，推 动了以提高污泥浓度和改善废水与污泥混合效果为基础的一系列高负荷厌氧反 应器的发展。a f 和u a s b 把废水在反应器内的停留时间缩短到只有几个小时， 从而使厌氧处理技术真正成为处理多种废水的有效技术。 第三代厌氧反应器包括厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e g s b ) 、厌氧内循环反 应器( i c ) 、厌氧升流式流化床工艺( u f b ) 、分级“多相”厌氧反应器( s m p a ) 以及厌氧序批式反应器( a s b r ) 等。这些反应器多是在u a s b 的基础上进行改 良而开发出来的( 如e g s b 、i c 等) ，且大部分尚处于开发阶段，没有生产规模。 2 1 2 厌氧生物处理过程的机理及特点 早在2 0 世纪3 0 年代，人们就己经认识到厌氧生物处理中有机物的分解过程 分为酸性( 酸化) 阶段和碱性( 甲烷化) 阶段。1 9 6 7 年，b r y a n t 的研究表明， 厌氧的两段模式论过于简单，提出了厌氧发酵的四个阶段( 或三个阶段) 理论： 第阶段为水解阶段：复杂的大分子有机物被胞外酶水解为小分子的溶解性 有机物。水解性细菌或发酵性细菌使纤维素、淀粉等碳水化合物水解为糖类，使 蛋白质水解为氨基酸等。 第二阶段为酸化阶段：溶解性有机物由兼性或专性厌氧菌转化为有机酸、醇、 醛和c o 。、h ：。有时，人们也将水解阶段和酸化阶段合称为第一阶段。 第三阶段为产乙酸阶段：产乙酸产氢细菌利用前阶段产生的各种有机酸分解 成乙酸和h 。，有时还有c o 。生成。 第四阶段为产甲烷阶段：由产甲烷细菌利用乙酸、c o 。和h ：或其它一碳化合 物产生甲烷。 以上过程可由图2 1 表示。 5 l o 复杂的有机化合物 ( 碳水化合物、蛋白质、脂肪等) 水解阶段i 胞外酶作用 2 0 之鑫亍喜篓姜喜挈 3 5 ( 糖、氨基酸等) 酸化阶段l 酸化菌作用 挥发性脂肪酸 ( 丙酸、酪酸等) 1 3 l 产乙酸阶段 产乙酸菌作用 1 1 7 h 2 0 + c 0 2 li 乙酸 2 8 i 产甲烷阶段产甲烷菌作用1 7 2 c i | + a 巩 图2 1 厌氧处理的连续反应过程( m c o a r t ya n ds i i l j t h ，1 9 8 6 ) 厌氧生物处理与好氧生物处理相比有以下优点o - s ： ( 1 ) 应用范围广。好氧处理一般只能处理中低浓度的有机废水，而厌氧处理 能处理高中低浓度的各类废水，而且有些有机物对好氧处理来说是难降解的，而 对于厌氧处理来说却是可降解的。 能源需求少且能产生大量能源。好氧处理需要消耗大量的能量供氧，曝 气费用随着有机物浓度的增加而增大；而厌氧处理不需要充氧，且产生的沼气量 巨大、可以作为能源。一般厌氧处理的动力消耗约为好氧处理的1 1 0 。 ( 3 ) 有机负荷高。好氧处理有机负荷一般为：o 2 3 2 9 c o d l d ；而厌氧处 理有机负荷一般为：3 2 3 2 9 c o d l - d ，甚至可高达5 0 9 c o d l d 。 ( 4 ) 剩余污泥量少，易处理。由于厌氧微生物增殖缓慢，产生的剩余污泥量 比好氧处理少得多，处理同样数量的废水仅产生相当于好氧处理1 6 1 1 0 的剩 余污泥，且污泥脱水性能好，浓缩时可不使用脱水剂，处理较容易。 ( 5 ) 对营养物的需求量小。一般认为，好氧处理氮和磷的需求量为b o d ： n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而厌氧处理为( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：l 。有机废水一般已含有一 定量的氮和磷及多种微量元素，因此厌氧处理可以不添加或少添加营养盐。 ( 6 ) 厌氧菌种便于二次启动。厌氧处理的菌种，例如厌氧颗粒污泥，可以在 终止供给废水与营养的情况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上， 它的这一特性为其间断性或季节性的运行提供了有利条件。 ( 7 ) 耐冲击负荷能力强。厌氧处理污泥浓度高，能承受较大的浓度变化和水 质变化。 ( 8 ) 规模灵活。厌氧处理系统规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作， 且无需昂贵的设备。 厌氧生物处理法也存在以下不足： ( 1 ) 由于厌氧微生物增长缓慢，启动时经接种、培养、驯化达到设计污泥浓 度所需的时间比好氧处理长。 ( 2 ) 厌氧处理虽然负荷高、去除有机物的绝对量与进水浓度高，但其出水 c o d 浓度高于好氧处理，原则上仍需要后处理才能达到较高的排水标准。 ( 3 ) 厌氧微生物对有毒物质较为敏感。随着人们对有毒物质的种类、毒性物 质的允许浓度和可驯化性的了解以及工艺上的改进，这一问题已经得到部分解 决。近年来人们发现，厌氧细菌经驯化后可以极大地提高其对毒性物质的耐受力。 ( 4 ) 低浓度或碳水化合物废水的厌氧处理易造成碱度不足。 ( 5 ) 卫生条件较差。一般废水中均含有硫酸盐，厌氧条件下会产生硫酸盐还 原作用而放出硫化氢等气体，如果反应器不能做到完全密闭，就会散发出臭气， 引起二次污染。因此厌氧处理系统的各处理构筑物应尽可能密封，以防臭气散发。 2 。1 3 u a s b 工艺的原理 u a s b ( 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2 0 世纪7 0 年代由荷兰 w a g e n i n g e n 农业大学l e t t i n g a 等人研制成功的，该工艺将保证较高的生物量和生 物活性与充分的混合巧妙地结合在一起，并通过设计合理的三相分离器将气、液、 固分离。可以说u a s b 的没计思想将厌氧处理工艺推向了一个新的阶段，是新 一代高效厌氧反应器的典型代表。 进水管 布水管 污泥床层 污泥悬浮层 三相分离器 除渣板 出水挡板 出水管 集气管 图2 - 2u a s b 反应器结构 如图2 2 所示，u a s b 反应器主体部分可以分为两个区域，即反应区和气、 液、固三相分离区，在反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥( 颗粒污泥或絮状 污泥) 形成的厌氧污泥床。废水由反应器底部布水区均匀进入反应区后，上向流 的水力搅拌和气体上升的气力搅拌，强化了基质与厌氧颗粒污泥( 絮状污泥j 的 传质作用，而在污泥床上部的污泥悬浮层基质进一步得到去除。u a s b 上部是分 离区，借助三相分离器，气体被分离，污泥在此沉降返回反应区。 u a s b 反应器运行的三个重要前提是【3 】【6 】： ( 1 ) 反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥； ( 2 )由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用； ( 3 ) 设计合理的三相分离器，使沉淀性能良好的污泥能够保留在反应器内。 2 1 4 u a s b 工艺的特点及应用情况 由u a s b 的工作原理可知，u a s b 工艺的本质特点是通过污泥颗粒化来对厌 氧微生物细胞进行固定，从而使水力停留时间与污泥停留时间分离，延长了污泥 龄，保持了高浓度污泥，因此u a s b 有较高的负荷和处理效率。其主要特点有： ( 1 ) 反应器内污泥浓度高。一般平均污泥浓度为3 0 4 0 9 l ，其中底部污泥 床污泥浓度达6 0 8 0 9 l ，悬浮层污泥浓度为5 7 9 l ； ( 2 ) 有机负荷高，水力停留时间短。中温消化，c o d 容积负荷一般为1 0 2 0 k g c o d ( m 3 m ； 6 ( 3 ) 反应器内设三相分离器。被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一 般无污泥回流设备； ( 4 ) 无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用自身产生的沼气和进水来搅动： ( 5 ) 污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。 ( 6 ) 反应器中污泥泥龄长，污泥表观产率低，所排出的污泥数量极少，从而 降低了污泥处置的费用。 u a s b 的不足之处在于：反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬 浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高，以免对污泥 颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞；运行启动时间长，对水质 和负荷突然变化比较敏感。 u a s b 反应器一出现很快便获得广泛的关注和认可，并在世界范围内得到广 泛的应用，据1 9 9 9 年对世界范围内统计的1 5 2 2 个厌氧工艺中有超过9 2 0 个采用 了u a s b 反应器，占全部项目的6 0 左右用。我国从1 9 8 1 年开始进行了u a s b 反应器处理有机废水方面的大量试验研究工作，据不完全统计，1 9 9 9 年共有2 1 9 个项目采用的不同厌氧反应器中u a s b 反应器有1 2 0 个以上，占全部项目的 5 8 【7 1 。目前u a s b 是最为广泛研究和应用的厌氧生物处理技术 钠，蚺主要瘫冉 温下处理高浓度有机废水发展到在常温下处理中、低浓度工业有机废水和生活污 水 8 l 。 目前，采用u a s b 工艺处理的废水包括几乎包括了所有以有机污染物为主 的废水，如各类发酵工业、淀粉加工、皮革、制糖、罐头、饮料、牛奶与乳制品、 蔬莱加工、豆制品、肉类加工、造纸、制药、石油精练及石油化工等各种来源的 有机废水 9 1 。表2 1 列出了国内部分u a s b 技术应用实例。由上表可以看出， u a s b 具有很高的容积负荷率和污泥负荷率，应用u a s b 处理高浓度有机废水有 着十分广阔的前景。 表2 1国内部分u a s b 治理高浓度有机废水技术 试验温装置容进水c o dc o d 去容积负荷 产气率 废水种类研究单位 度( 1 积( m 3 )浓度( m l )除率( )( k g m l d )( m 3 r n 3d ) 味精废水 3 0 4 6 1 2 0 0 08 85 52 3 北京环保所 酒厂废水 3 22 02 5 0 0 0 9 06 7 2 5 西南师范 淀粉废水 3 51 2 5 1 7 0 0 09 21 0 2 8 1武汉能源所 丙丁废醪 4 01 4 0 1 5 0 0 0 9 09 54 5 华北制药厂 脱酸废水 3 62 51 8 0 0 06 06 o1 8 湖南冶金所 制药废水 3 06 34 0 0 08 07 o1 6 徐州环保所 2 2s b r 工艺概述 2 2 1s b r 的工作原理及流程 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ，即序批式活性污泥法，是传统活性污泥法 的一种变形，它的反应机理以及污染物质的去除机制和传统活性污泥法基本相 同，仅运行操作不一样。活性污泥法利用微生物去除有机物，首先需要微生物将 有机物转化成c 0 2 、h 2 0 以及微生物菌体，反应后需要将微生物保存下来，在适 当时间通过排除剩余污泥从系统中除去新增的微生物。连续流工艺是从空间上进 行这一过程的，污水首先进入反应池( 曝气池) ，然后进入沉淀池对混合液进行 沉淀，与微生物分离后的上清液外排。而s b r 则是通过在时间上的交替实现这 一过程，它在流程上只设一个反应池，将曝气池和二沉池的功能集中在该反应池 上，兼行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。 s b r 在时间上的交替运行就是它的工作方式。s b r 是按周期运行的，每个 周期的循环过程包括进水、反应( 曝气) 、沉淀、排水、闲置五个工序。图2 3 为s b r 一个周期内的基本操作运行模式。 进水曝气 曝奄朗黼曝气静置椭排蚓阮 蝴+反目睁_ + 蝴+ 捧捌蝴_ 獭 图2 3s b r 一个周期的操作运行过程 如前所述，s b r 的一个运行周期包括了五个阶段的操作过程，即进水期、 反应期、沉淀期、排水排泥期和闲置期。各阶段的特征和作用具体说明如下： l ，进水期 指从向反应器开始进水至到达反应器最大容积的一段时间。充水期内s b r 池相当于一个变容反应器，混合液基质( 污染物) 浓度在存留污泥的上清液基质浓 度的基础上逐步增大，直至充水期结束，曝气池充满，混合液基质浓度达到最大 值。在污水的投加过程中，s b r 反应器内也同时存在着污染物的混合及污染物 被池中活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。在此期间可分为三种情况：曝气( 好 氧反应) 、搅拌( 厌氧反应) 及静置。在曝气的情况下有机物在进水过程中已经 开始被大量氧化，在搅拌的情况下则抑制好氧反应。对应这三种方式就是非限制 曝气、半限制曝气和限制曝气，运行时可根据不同微生物的生长特点、废水特性 和要达到的处理目标，选择采用合适的进水方式。通过控制进水阶段的环境，就 实现了在反应器不变的情况下完成多种处理功能。 2 ，反应期 反应期是在进水期结束后或s b r 反应器充满水后，进行曝气或搅拌以达到 处理的目的( 去除b o d 、硝化、脱氮除磷) 。 在反应阶段，活性污泥微生物周期性地处于高浓度及低浓度基质的环境中， 反应器也相应地形成厌氧缺氧好氧的交替过程，使其不仅具有良好的有机物处 理效能，而且具有良好的除磷脱氮效果。在s b r 反应器的运行过程中，随反应 器内反应时间的延长，其基质浓度也由高到低变化，微生物经历了对数生长期、 减速生长期和衰减期，其降解有机物的速率也相应地由零级反应向一级反应过 渡。为了保证沉淀工序的效果，在反应工序后期可进行短暂的微量曝气，去除附 着在污泥上的氮气。 在反应阶段，虽然s b r 反应器内的混合液呈完全混合状态，但在时间序列 上是一个理想的推流式反应器装置。这可从两方面加以说明：一是就单个运行过 程而言，反应器在停止进水后，进行曝气使微生物对有机质进行生物降解。虽然 就反应器本身而言是属于完全混合型的，但由于在反应过程中反应器不进水，因 而在反应器内存在一个污染物的浓度梯度，即f m 梯度。犹如传统推流式活性 污泥法中沿反应器池长存在一个f m 梯度，所不同的是s b r 反应器的这种f v l 梯度是按时间序列变化的，而推流式反应器中的这种f m 梯度是按污水在反应 器内流经的位置变化的。二是就整个处理系统而言，s b r 处理工艺是严格地按 推流式运行的，上一个运行周期内进入反应器的污水与下一个运行周期内进入反 应器的污水是不相混的，即是按序批的方式进行反应的。因而s b r 处理工艺是 一种运行周期内完全混合、运行周期间序批推流的理想处理技术。 3 沉淀期 沉淀工序相应于传统活性污泥法的二沉池，在停止曝气和搅拌后，活性污泥 9 絮体进行重力沉降和上清液分离。s b r 反应器本身作为沉淀池，避免了在连续 流活性污泥法中泥水混合液必须经过管道流入沉淀池沉淀的过程，从而也避免了 使部分刚刚开始絮凝的活性污泥重新破碎的现象。此外，传统活性污泥法的二沉 池是各种流向的沉降分离，而s b r 工艺中污泥的沉降过程是在相对静止的状态 下进行的，和理想沉淀池的假设条件十分相似，因而受外界的干扰甚小，具有沉 降时间短、沉淀效率高的优点。 4 排水排泥期 排出活性污泥沉淀后的上清液，作为处理出水，一直排放到最低水位。反应 池底部沉降的活性污泥大部分作为下个处理周期的回流污泥使用，过剩污泥( 反 应过程中生长而产生的污泥) 被引出排放。一般而言，s b r 法反应器中的活性污 泥数量占反应器容积的3 0 左右。另外反应池中还剩下一部分处理水，可起循环 水和稀释水的作用。 5 闲置期 闲置期的作用是通过搅拌、曝气或静置使微生物恢复活性，并起到一定的反 硝化作用而进行脱氮，为下一个运行周期创造良好的初始条件。通过闲置期后的 活性污泥处于一种对营养物的饥饿状态，单位重量的活性污泥具有很大的吸附表 面积，因而一当进入下个运行周期的进水期时，活性污泥便可充分发挥其较强的 吸附能力而有效地发挥其初始去除作用。闲置期的设置是保证s b r 工艺处理出 水水质的重要内容。闲置期所需的时间也取决于所处理的污水种类，处理负荷和 所要达到的处理效果。 2 2 28 b r 的主要性能及特点 从2 0 世纪7 0 年代由美国r i r v i n e 教授等开展间歇式活性污泥法的研究以来 0 0 l ，s b r 法得到了深入的研究和广泛的应用。近年来，随着计算机和自动控制 技术的飞速发展，解决了活性污泥法开发初期问歇操作中的复杂问题，使s b r 工艺的优势得到了逐步充分的发挥。而监控技术的自动亿程度以及污水处理厂自 动化管理要求的日益提高，又为间歇式活性污泥法的再度深入研究和应用，提供 了极为有利的先决条件 1 l 】。s b r 已被美国环保局和日本下水道协会评估为为数 不多的富有革新意义和较强竞争力的废水生物处理技术之- - 1 “】。 s b r 工艺最根本的特点是处理工艺不是连续的，而是间歇的、周期性的， 污水一批一批地顺序经过进水、曝气、沉淀、排水，然后又周而复始。s b r 法 其独特的运行方式奠定了它优越的性能。 ( 1 ) 工艺流程简单、造价低 s b r 工艺的主体工艺设备只有一个s b r 反应器，它与普通活性污泥法工艺 流程相比，不需要另设二沉池及污泥回流设备，一般情况下不需设调节池，多数 情况下可省去初沉池。由于流程简单，相应地节省了基建费用和运行费用，而且 布置紧凑，节省了占地面积。k e t c h u m 等人的统计结果表明：采用s b r 法处理 小城镇污水，要比用普通活性污泥法节省基建投资3 0 i l 。 ( 2 ) 时间上具有理想的推流式反应器的特性 这是s b r 工艺的主要优点之一。s b r 反应器的运行是一个典型的非稳态过 程，在整个反应过程中，其底物( b o d ) 和微生物( m l s s ) 浓度的变化是不连续的。 但是在连续曝气的反应阶段，其底物和微生物浓度的变化是连续的。在此期间， 虽然反应器内的混合液成完全混合状态，但是底物与微生物浓度的变化在时问上 是一个推流过程，并且呈现出理想的推流状态。 ( 3 ) 运行方式灵活、脱氮除磷效果好 s b r 法为了不同的净化目的，可以通过不同的控制手段，灵活地运行。由 于在时间上的灵活控制，为其实现脱氮除磷提供了极有利的条件。它不仅很容易 实现好氧、缺氧与厌氧状态交替的环境条件，而且很容易在好氧条件下增大曝气 量、反应时间与污泥泥龄，来强化硝化反应与脱磷菌过量摄取磷过程的顺利完成； 也可以在缺氧条件下方便地投加原污水( 或甲醇等) 或提高污泥浓度等方式，提供 有机碳源作为电子供体使反硝化过程更快地完成；还可以在进水阶段通过搅拌维 持厌氧状态，促进脱磷菌充分地释放磷。上述复杂的脱氮除磷过程只有在a - a o 工艺中才能完成，而s b r 法的单一反应器一个运行周期即可完成。 ( 4 良好的污泥沉降性能 污泥膨胀问题是传统活性污泥法运行过程中经常发生且难以杜绝的令人棘 手的问题。污泥膨胀绝大多数是由丝状菌的过度生长所造成的。s b r 法能有效 抑制丝状菌生长，其关键在于反应器内存在较高的有机底物浓度梯度( 在时间 上) ，同时对应存在着一个变化的污泥负荷，这一非稳态的过程不利于丝状菌竞 争生长优势的发挥【1 4 】。这一点可从三个方面说明：s b r 反应器内底物浓度 梯度大( f m 梯度) ，反应前期菌胶团细菌能大量繁殖并继续利用贮存的底物生 长，具有竞争优势，从而抑制丝状菌的过量生长；缺氧、厌氧、好氧状态交 替运行，能抑制专性好氧丝状菌的过量繁殖，而对多数菌胶团细菌不会产生不利 影响：底物去除速率大，、污泥龄短，使得比增长速率较小的丝状菌无法大量 繁殖。 ( 5 ) 对进水水质水量的波动具有较好的适应性 s b r 反应器是集调节池、曝气池和沉淀池于一体的污水处理工艺，能承受 较大的水质水量的波动，具有处理效果稳定的特点。 虽然s b r 法对于时间来说是一个理想的推流过程，但反应器本身的混合状 态又保持了典型的完全混合特性。因此，它具有较强的耐冲击负荷能力。此外， s b r 工艺在沉淀阶段属于静止沉淀，污泥沉降性能好且不需要进行污泥回流， 使反应器中维持较高的m l s s 浓度。在同样条件下，较高的m l s s 浓度能降低 f m 值，显然更具有良好的抗冲击负荷能力。若采用一边进水一边曝气的非限量 曝气运行方式，则更能大幅度地增强s b r 工艺承受废水的毒性和高有机物浓度 的能力。 经典s b r 的优点1 q 汇总如表2 2 所示。 表2 2s b r 工艺的优点汇总 优点原因 沉淀性能好理想沉淀理论 有机物去除效率高理想推流状态 多样性的生态环境 提高难降解废水的处理效率 ( 出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态) 抑制丝状菌膨胀选择性准则 生态的多样性 可以脱氮除磷，不需要新增反应器 ( 出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态) 不需二沉池和污泥回流，工艺简单结构本身特点 同时，经典s b r 反应器也存在一些问题，比如1 6 】：对于单$ b r 反应器 的应用需要较大的调节池；对于多个s b r 反应器，进水和排水的阀门自动切 换频繁；无法解决大型污水处理项目连续进水、连续出水的处理要求；设 备的闲置率较高；污水提升的水头损失较大。 正是以上这些问题的存在引起人们对s b r 工艺的不断改进和开发。s b r 工 艺在时间和空间上的特点，造就了s b r 工艺在运行操作上的灵活性，使得s b r 工艺的发展呈现了多样性，目前已经开发出了i c e a s 、c a s s 、c a s t 、u n i t a n k 等新型s b r 工艺，可以适应不同的处理水质及处理要求。 s b r 工艺采用间歇进水、间歇排水的处理方式，其反应池具有一定的调节 功能，可以在一定程度上起到均衡水质、水量的作用。通过供气系统、搅拌系统、 自动控制方式等的设计及闲置期时间的选择，可以将s b r 工艺与调节、水解酸 化工艺结合起来，使三者合建在一起，从而节约投资与运行管理费用。 第三章常温条件下u a s b + s b r 工艺处理 甲胺、甲醇废水的试验研究 3 1废水特性与试验设计 试验用废水为山东肥城某化工厂的生产废水，该工厂生产线主要排放三股废 水，即甲胺、甲醇和总排废水，分别经不同的管道排放，其中甲胺和甲醇废水流 量基本相同，为3 5 m 3 m ，总排废水c o d 浓度较低，流量较大，为7 0m 3 1 1 ，主 要成分为甲胺和甲醇的混合物。工程上拟将三股废水混合( 混合后c o d 浓度为 2 0 0 0 m l 左右) 厌氧处理后再与该厂生活污水混合采用好氧工艺进一步净化。 由于试验用废水运输较为困难，只托运了甲胺、甲醇两种水样，故试验中将甲胺、 甲醇废水按体积比l ：l 混合并用自来水稀释至c o d 浓度约2 0 0 0 m g l 作为u a s b 的进水，以保证与工程处理中进水水质基本一致。 经检测分析，试验用废水的各项水质指标如表3 一l 所示。甲胺废水呈碱性， 且c o d 浓度较高；甲醇废水显酸性，c o d 值较低；两股废水按体积比l ：1 混 合后仍呈碱性，生化处理时需先调整p n 值，其b o d 与c o d 比值为0 6 4 ，废水 可生化性良好。 表3 1 试验用废水水质特征 c o db o dt nn h 3 _ n 排放流 废水类别p h 值物理特征 ( m g l )( m g l )( m g l )( i - l g l )量( 0 h ) 水色透明，呈淡 甲胺废水 1 6 0 0 01 0 2 5 01 1 o o6 8 6 1 05 5 3 o o 黄色，有浓重的 3 5 氨臭气味 无色透明，略有 甲醇废水 8 04 0 0 3 5 酒精气味 甲胺、甲醇呈透明的淡黄 废水按体积7 8 0 05 0 2 01 0 6 53 3 5 8 53 8 2 2 5 色，有较重的氨 比l ：1 混合 臭气味 试验运行过程中发现，进水放置几个小时之后，会有粉末状淡黄色沉淀生成， 可能的原因是该化工厂当前正在与北京大学合作开发生产一种新型农药，主要成 分为3 ，4 二甲基苯甲醛( 俗名海诺) ，其能在常温下与甲胺或甲醇发生缓慢反应 而生成一种不溶性的物质。 试验设计思路：根据试验处理水质的特性及研究的目的，本试验处理工艺以 1 4 u a s b 处理为主，s b r 则作为后续处理工艺，以进一步降低出水c o d 浓度，并 达到脱氮的目的，以使最终出水能够达标排放。试验分为以下几个阶段进行： ( 1 ) u a s b 启动，s b r 污泥驯化并投入运行 通过控制进水的浓度和有机负荷，使u a s b 反应器完成启动，进入稳定运 行阶段；同时对s b r 系统的污泥进行驯化，形成适应处理水的活性较强的微生 物菌群后，即投入运行。 ( 2 ) u a s b + s b r 工艺稳定运行阶段 通过调整系统各运行参数，并检测其对应的运行状态，确定各运行参数的最 佳值，为工程应用提供参考。 ( 3 ) 系统在低温下运行状况检测 检测该工艺在冬季气温较低( 1 5 。c = 时对该化工厂甲胺、甲醇废水的处理 效果。 ( 4 ) 系统稳定性检测 在系统最佳运行参数下，突然增大反应器有机负荷，检测该工艺抗负荷突变 的能力。 在以上各运行阶段，均定期检测u a s b 及s b r 的进、出水c o d 浓度、n h 3 尊 浓度、u a s b 表观沼气产量、u a s b 出水p h 值及挥发酸( v f a ) 浓度及其它相 关水