（环境工程专业论文）提高偶氮染料废水厌氧水解效率的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 利用厌氧水解处理工艺处理偶氮染料废水中的有机污染物，具有操作简单， 费用低廉的特点，是一种切实可行的污水处理技术。论文研究工作旨在解决厌氧 水解工艺应用过程中污泥生长速率低、不稳定、抗水质与水量冲击性能差的缺点， 提高厌氧水解效率。 研究工作从两方面着手：一是设计复合厌氧水解反应器，研究反应器流化区 流体的混合特性，填料对微生物生长及微生物与污水问传质的影响：二是分析多 种因素对厌氧水解系统降解偶氮染料废水中有机物效率的影响，寻求保证厌氧水 解工艺稳定运行的参数，提高厌氧水解工艺的运行水平。 设计出的复合水解反应器污泥流化区内投加填料、增加进水量能缩短液体混 合时间，减小水力停留时间，强化微生物与污水间的传质作用，促进污泥分层和 污泥颗粒的增大。同时，选用的活性碳颗粒可以为微生物生长提供凝结核，促进 微生物抱核成团。反应器固定床区填料能够拦截积聚有机物，有助于微生物的增 殖，同时该填料层兼起三相分离器的作用，防止污泥流失，利于兼性污泥的积累。 反应器运行期间，水力停留时间控制在3 - - - 4 小时，水力负荷维持在1 2 5 1 6 3 m ( m 2 h ) ，m l v s s 保持在2 0g l 左右辅以5 0 的出水回流，此时系统对c o d 的平均降解率为5 5 ，对偶氮染料的平均降解率为6 0 ，厌氧水解出水能达到 后续好氧工艺对进水的要求。 厌氧水解反应器系统有较好的抗p h 值冲击性能，允许p h 值有较大的变化， o r p 值的变化能较好地指示偶氮染料废水的处理效果，当o r p 在1 4 8 m y 1 6 8 m y 区间时，偶氮染料废水中的有机污染物的去除率较高。 此外，作者还分别对降解前后的偶氮染料废水进行了图谱分析，得出偶氮染 料废水不宜直接采用好氧法处理，而适用厌氧水解和好氧组合工艺处理。 关键词；复合厌氧水解反应器偶氮染料流化床，水力负荷 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a e r o b i ch y d r o l y s i sp r o c e s si sa na t t r a c t i v ec h o i c ef o r t h ea z od y ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t i ti ss u i t a b l et oc h i n e s ee c o n o m i cs i t u a t i o nf o ri t so p e r a t i o n a ls i m p l i c i t y a n dl o wc o s lt h er e s e a r c ha i m sa tm l s i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h ea n a e r o b i ch y d r o l y s i s p r o c e s s i t i s t os o l v es o m e p r o b l e m ss u c h l o wg r o w t hr a t ea n d i n s t a b i l i t y o f s l u d g e a n db a dc h a r a c t e r i s t i cr e s i s t i n gi m p u l s i v el o a do f w a s t e w a t e rq u a i l t yo rq u a n t i t y f o rr a i s i n gt h ee f f i c i e n c yo fa n a e r o b i ch y d r o l y s i sp r o c e s s ，t h er e s e a r c hf o c u s e d o nt w oa s p e c t s o n ev 船t od e s i g nt h ea h r ( a n a e r o b i ch y d r o l y s i sr e a c t o r ) h a v i n ga s m d y o n l i q u i d s c h a r a c t e r i s t i c i nf l u i d i z e db e d a n dt h ef i l l e r a f f e c t i n g m i c r o o r g a n i s m sg r o w t ha n dm a s st r a n s f e rb e t w e e nt h em i c r o o r g a n i s ma n dt h e w a s t e w a t e r t h eo t h e rw a st oe n h a n c et h er u n n i n gl e v e lo fa n a e r o b i ch y d r o l y s i s p r o c e s s t h e r ew a sas t u d y o i ld e g r a d i n gt h ea z od y ew a s t e w a t e rb yt h ea h ra n dt h e p a r a m e t e r ss u i t a b l ef o rt h ep e r f o r m a n c eo f t h ea h r t h em o r ef i l t e ra n dt h ei n t a k ef l o wi nf l u i d i z e db e do ft h ed e s i g n e da h rc a n d e c r e a s et h el i q u i dm i x i n gt i m ea n dt h eh r t , 5 t r e n 昏h e nm a s st r a n s f e rb e t w e e nt h e m i c r o o r g a n i s ma n dt h ew a s t e w a t e ra n df a v o rs l u d g ed e l a m i n a t i n ga n ds h a p i n gt h e g r a n u l es l u d g e t h eg r a n u l ea c t i v ec a r b o n sh e l p e dt h em i c r o o r g a n i s mt oe m b r a c ea n d b e c a m et h en u c l e a rr e g i m e n t t h ef i l l e ri nf l x e db e da c c u m u l a t e dt h ep o l l u t a n t sa n d t h em i c r o o r g a n i s mm u l t i p l i c a t i o na c c e l e r a t e dw h e nt h ea n a e r o b i cb i o d e g r a d a t i o n b e g a n t h ef i l l e r 如1 f i l l 甜t h et h r e e - p h a s es e p a r a t o rf u n c t i o nd u r i n gt h es t a r t - u pp e r i o d i tp r e v e n t e dt h er u n n i n go ft h es l u d g e ，s ot h es l u d g ea c c u m u l a t i o ni nt h er e a c t o r b e c a m ef a s t e ra n de a s i e r d u r i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea h 扎t h ea v e r a g ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yw a s 5 5 t h ea v e r a g ed y er e m o v a le f f i c i e n c yw a s6 0 a n dt h eq u m i t yo ft h ew a t e r d i s c h a r g e df r o mt h ea h ra r r i v e dt h ed e m a n do ft h ei n p u tw a t e ri na e r o b i cp r o c e s s w h e nt h eh r tw a sb e t w e e n3a n d4h o u r s ，t h eh y d r a u l i cl o a d i n gi n c r e a s e df r o m l 2 5 m 3 ( m 2 h ) t o1 6 3m 3 ( m 2 h ) ，a n dk e e p i n gm l v s sa ta b o u t2 0g l ，p r o d u c i n g5 0 ，删e re i r c u m f l u e n c e t h ea h rs y s t e mh a dt h ec a p a e i t yo f a d j u s t i n gt h ev a r i e t yo f t h ep h ，a n do r p c a ni n d i c a t et h et r e a f i n ge f f e c to fa z od y ew a s t e w a t e rb yt h ea h r a so r pv a r i e d f r o m - 1 4 $ m v t o 1 6 8 m t h er e m o v a le f f i c i e n c y o f a z o d y e w a s t e w a t e rr e a c h e d h i g h l y t h r o u g ha t l a sa n a l y s i s ，w ec a nc o n c l u d et h ed y e s t u f fw a s t e w a t e ri sr a t h e rt r e a t e d 兰苎查堂塑主堂堡垒圭 b yt h ec o m b i n e dp r o c si e t h ea n a e r o b i ch y d r o l y s i sa n dt h ea e r o b i cp r o c e s st h a nt h e a e r o b i cp r o c e s sd i r e c t l y k e y w o r d s ：c o m p o u n da n a e r o b i ch y d r o l y s i sr e a c t o r , a z od y e ，f l u i d i z e db e d ， t h eh y d r a u l i cl o a d i n g 学位论文版粳使臻授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 蟹并向营浆寄关部门或搬稳送交论文的复印舞i 电子舨，竞许论文拔套舞秘整 湄。本人援较江苏大学可 奠将本学位论文的全部内窑竣部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫摘薜复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密日，在 年解密螽逶浯本授毅书。 不保密口。 学位论文作者签名：列磊适 。口口4 年矿月寂je t 燃：安瑶 占k v 年么月呢日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名葫7 梭迁 j 日期：2 0 0 4 年6 月z f 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 染料废水概述 第一章概述 1 1 1 染料废水来源及特点 染料废水主要来源于染料工业中染料及染料中间体的结晶母液、生产过程 中流失的染料以及印染工业中的染色废水等。我国染料工业染料的年生产量约为 l o 大类、十多万吨，同时还需产出十万多吨的染色助剂和中间体配合染料的使 用。染料由原料到产品整个过程常伴随有硝化、缩合、还原、氧化、重氮化、偶 合等多个单元操作 ”，副反应较多，产品产率较低。过程中流失物质量和种类都 较多，因而产生的染料废水成分复杂。染料生产过程中的分离、精制、水洗等单 元操作都是以水为溶剂或洗涤剂，用水量相当大，产生废水量也相当可观。而印 染废水中的污染物质，主要来自纤维材料、纺织用浆和印染加工过程中染料、化 学药齐n 及印染助剂的使用。， 染料废水水质由于染料、辅料和生产工艺不同而存在着一定的差异，但总体 上仍存在一些主要的共同特性1 ”，如表1 - 1 所示： 表1 1染料废水的主要特性 t a b l e1 - 1t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co f d y e s t u f f w a s t e w a t e r 理化参数相关 特 性 染料废水的颜色由于染料种类，形态、结构不同以及使用方式的不 色度 同，色泽不一样，色度一般为8 0 0 一1 5 0 0 0 该数据与原料种类和生产过程中水的循环使用有关，用较少的水则 b o d 5 有较高的b o d s 通常平均为3 0 0 - - 5 0 0 m g r b c o d h 在8 0 - 1 2 ( 1 0 m g l 之间，平均为1 0 0 0 h i g ，l b o d ，c o d 。b o d ，和c o d e ，之比在0 i - 0 3 之间，一般将比值调整到0 4 0 5 之间 硫化物平均含量在0l m g ，l 金属古量 平均为0l i m 扎或更小主要随染料的种类不同而变化 酚含量 平均为0 0 5 m g z l ，因选用不同的助剂而有差别 染料废水中的污染物质主要是有机染料，且多为偶氮染料。偶氮染料又包 括酸性、媒染、活性、阳离子、中性染料、分散染料等，这些几乎占了有机染料 总产量的8 0 【3 1 。太部分偶氮染料是芳香胺经重氮化后与酚类、芳香胺类、活性 亚甲基化台物偶合而成。偶氮染料化学性质相对稳定，且一般为高分子化合物， 江苏大学硕士学位论文 可降解性差。一般染料废水中所含偶氮染料种类繁多，因此偶氮染料废水已成为 公认的难治理高浓度有机废水。 1 1 2 偶氟染料废水的危害性 染料废水直接排入自然水体，会对生态环境造成严重的污染1 4 1 。例如，废水 中的苯对人体的神经系统和心血管系统有着显著的毒性，对造血机能有抑制作 用，易引起白血球减少，贫血等。 国外许多专家学者对染料的毒性和危害做了大量的研究。根据美国的 c i ( c o l o ri n d e x ) ，目前染料种类已高达数万种，其中偶氮染料占8 0 以上。它们 不但具有特定颜色，而且结构复杂，生物降解性能差，大部分具有潜在的毒性嗍 在环境中累积将对自然界和人类健康造成危害i “。 美国染料生产者协会( a d m i ) 和染料产业省体育毒理协会( e t a d ) 一直 关注染料在环境中的潜在积累并赞助这方面的研究【”。他们认为一般商用染料不 属于有毒化学物，但是联苯胺以及其部分衍生物被证明对哺乳动物有致癌性嗍。 据报道，水环境中的偶氮染料如酸性黑5 2 、碱性棕4 、直接红8 l 等对活性污 泥、水体的微生物氧化过程有抑制作用。o g a w a 卿等确认染料对活性污泥中的微生 物的呼吸作用起抑制作用。当水体的p h 值高于微生物的等电点时，碱性染料的抑 制作用要强于酸性染料，向染料结构上引入- c h 3 、- n 0 2 、- s 0 3 h 、一c o o h 等官能团 或以萘环取代苯环都可以削弱染料对微生物呼吸作用的抑制；而引入- c i ，- b ，等官 能团则会加强抑制作用。o g a w a 等的研究f l o 】还表明，高浓度染料对活性污泥中的微 生物的活性和生长的抑制作用更明显。 1 1 3 偶氮染料废水治理的必要性 随着国民经济的发展，染料、印染行业也得到迅速发展。染料、纺织印染行 业现已成为我国用水量大、排放废水量多的工业部门之一。据不完全统计，仅国 内染料、印染企业日排放废水量就高达3 0 g - - 4 0 0 万吨，印染企业每加工1 0 0 m 织 物，将产生废水量3 5 m 3 。排放的废水中含有纤维原料自身的夹带物，j n t 过程 中所用的染料、浆料、油剂和化学助剂等，具有生化需氧量高、色度高、p h 值 高的特点。此类废水如果不经过处理或处理后未达到规定排放标准就直接排放， 不仅直接危害人们的身体健康，而且严重破坏水体、土壤及其生态系统，因此而 带来的经济损失和生态破坏是不可估量的。故现今对于印染废水和染料废水韵处 2 江苏大学硕士学位论文 理与回用问题已势在必行。 1 2 偶氮染料废水的降解 1 2 1 偶氮染料的降解机理 ” m 、旷+ ： 三 囤1 - ! 用烟碱腺嘌呤= 核苷酸使偶氮染料还原的机制 c h a r t1 - 1t h ed e o x i d i z a t i o nm e c h m a i s mf o ra z od y eb yn a d h 诸多研究表明，偶氮染料的最初脱色反应是在偶氮还原酶的催化作用下进行 的【“1 。多数偶氮还原酶对氧敏感，在有氧条件下会丧失活性，所以偶氮类有机物 的初始降解必须在厌氧条件下进行”】。u r u s h i g a w a 曾利用活性污泥对3 1 种偶氮 染料的生物降解性进行了研究，研究表明偶氮键的断裂是脱色的主要步骤。 z i m m e r m a n n 等的研究也表明偶氮双键还原是偶氯染料生物降解的关键步骤，且 其中多数还原酶是厌氧的。 s a n g k i l n a m 等人用n a d h ( 烟碱腺嘌呤二核苷酸) 研究了偶氮染料的非酶 还原1 ”1 ，如图1 - 1 所示，他们认为偶氨染料得到两个电子还原产生相应的联氨化 合物或得到四个电子还原产生两个芬芳胺，颜色在还原过程中得以去除，并提出 两种偶氮染料的还原机制。一种是，n a d h 提供的氮键与磺酸基苯环的偶氮键结 合，因为这氮键连接亲硫苯基体。是电子受体，向带负电荷氮键中加入一个质 3 江苏大学项士学位论文 子产生联氨中间体，再加入一个氢键和质子将偶氮键裂解产生两个芬芳胺；另一 机制是：连接苯酚环的氮键先发生质子化作用，接着一个氢键转化到连接亲硫基 苯环的氮键上产生相应的联氨衍生物，再加入质子和氢键使偶氮键断裂。 1 2 2 偶氦染料废水的主要处理技术 由于偶氮染料废水具有色度高、组分复杂的特点，直到目前此类废水的降解 处理仍是工业废水处理中的难题之一。现今偶氮染料废水的主要处理方法有物理 法、化学法及生物法等。 1 ) 物理法 现用的物理法主要有两种形式，一种是利用多孔性固体吸附剂吸附废水中染 料的吸附法；另一种是利用一定流体压力推动力和孔径在2 0 - - 2 0 0 a 的半透膜实 现高分子和低分子分离的超滤法。 2 ) 化学法 化学法是处理染料废水的主要方法，混凝沉淀法、化学氧化法应用较多。近 年来，在传统化学法基础上又作了一定研究，开发出了一些新的化学物理方法如 光催化氧化法、电解氧化法、微电解氧化法等。 物理法、化学法现已发展得相对成熟，但是处理成本较高，亦可能会带来二 次污染。从环境的可持续发展角度出发，生物法是更经济、更有效的方法，已成 为废水处理的主要研究方向。 3 ) 生物法 废水的生物处理技术是利用微生物自身的新陈代谢作用分解环境中有机物 这一生理功能，并采取一定的人工技术措施，创造有利子微生物生长、繁殖的良 好环境，加快微生物的增殖及其新陈代谢生理功能，从而使废水中的有机污染物 被微生物分解去除。根据参与代谢活动的微生物种类废水的生物处理技术分为 好氧法和厌氧法两大类。 好氧法处理染料废水，国内应用较早【，主要是传统的活性污泥法。活性污 泥法处理染料废水能够去除部分有机物色素，还可以调节p h 值，所生产的剩余污 泥可以利用。所以得到了迅速发展，而起初的好氧法即传统活性污泥法处理效率 较低，但同时存在多种染料的有机废水可生化性差，所以传统活性污泥法脱色率 较低。 4 江苏大学硕士学位论文 为了改善传统活性污泥法的上述缺点，在此基础上又发展出了多种其他好氧 处理工艺，如延时曝气法、生物转盘、生物接触氧化、生物流化床、纯氧曝气生 物处理、s b r 法、氧化沟以及塔式滤池等【。 实践证明，在有机废水( 染料废水) 处理中。采用生物处理方法，会获得较 为稳定的去除效果。这是因为经过较长时间的运行后，微生物不断被驯化，对染 料废水有一定的适应性。由于废水中含有一定量的难降解物质，仅用好氧工艺处 理难以达到较好的去除效果。而厌氧水解酸化工艺是利用厌氧过程中的产酸阶 段，将难降解物质变为较易降解物质将大分子物质变为小分子物质，既有一定 的去除效率又可以改善废水的可生物降解性，将厌氧水解酸化处理工艺作为好 氧工艺的前处理，共同组成厌氧水解一好氧的生物处理工艺l ，可望得到满意的 去除效果。由于生物处理过程中好氧处理需要消耗一定电力，而厌氧处理电力消 耗较少，因此，偶氮染料废水采用厌氧水解一好氧生物处理运行费用相对较低， 具有很好的应用前景。本文将对偶氮染料废水的厌氧水解酸化工艺进行研究。 1 2 3 偶氮染料的厌氧水解 1 2 31 厌氧水解i 艺原理 厌氧处理过程是一个连续的生物处理过程。根据参与生化过程的微生物类群 及其特征，可以将厌氧处理过程分为四个过程【1 5 l 。废水中的有机物，主要是复杂 基质，如染料高分子化合物，胶体、悬浮物，这些有机物在厌氧过程发生降解。 其降解途径如图1 - 2 所示： 加胞扑酶 产酸藩 产氢产己艘溘 产p 烷荫 图l - 2 厌氧降解过程示意圈 c h a r t1 - 2t h ep r o c e s so f t h ea n a e r o b i cd e g r a d a t i o n 5 江苏大学硕士学位论文 1 ) 水解阶段 染料高分子有机物因相对分子量较大，不能透过细胞膜而被细胞直接利用， 只能在细胞外酶的作用下分解为小分子有机物。这一阶段的典型特征是生物反应 发生在细胞外，微生物通过释放胞外自由酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成 生物催化反应( 主要包括大分子物质的断链和水解) 。 2 ) 酸化阶段 经过水解阶段后形成的小分子物质被微生物吸收并在细胞内进一步被转化 为更小的物质，然后被分泌到细胞外。在这一过程中，生物利用分子转化时产生 的化学能合成自身需要的物质来实现自身生长。此阶段的主要产物有挥发性脂肪 酸( 简称v f a ) 、醇类、c 0 2 和h 2 等。 3 ) 产乙酸阶段 将上一步产生的有机酸、醇转化为乙酸、c 0 2 、h 2 以及新的细胞物质。 4 ) 产甲烷阶段 在这一阶段产甲烷菌将前几个阶段产生的简单物质转化为甲烷，并利用这 一过程的能量合成自身物质。 从微生物菌群来划分，参与厌氧过程的微生物包括发酵菌群、产氢产乙酸菌 群、同型产乙酸菌群和产甲烷菌群。简单地可以划分为非产甲烷菌群和产甲烷菌 群f 。其中，非产甲烷苗群种类较多，并且可以在各种恶劣环境生存，生长速度 较快：产甲烷菌对生存环境要求苛刻，比如绝对厌氧、p h 中性，对金属等有毒 物质敏感等，另外。由于产甲烷菌群的生化过程只能利用少量简单有机物，如甲 酸、乙酸、甲醇、甲胺等，这些有机物在转化为甲烷时只能放出少量能量。因而 为生物合成提供的能量也少，使得产甲烷菌群的生长速率较低，世代时间长，成 为厌氧应用的制约因素 1 8 】。 水解工艺作为厌氧处理的一个单独部分，受到人们的重视并于近年来有了较 快发展，该工艺利用了非产甲烷菌群生长相对较快、适应环境能力强的特点发展 起来的一种在有机物浓度高，生化性差废水处理中应用广泛的处理工艺。一般水 解工艺将生物化学反应控制在水解和部分酸化阶段。水解处理虽然对有机物处理 效率较低，但对于改变有机物结构，改善生化性能有着显著效果，可以为后续处 理单元创造适宣的环境 1 9 1 。 染料废水中，有机污染物主要是一些大分子量、结构复杂的物质，多含有苯、 6 江苏大学硕士学位论文 萘、醌等芳香类化合物。简单的芳环结构可以在好氧条件下降解去除，但对于含 有杂环的有机物必须在厌氧条件下水解开环变成小分子，其他大分子结构有机物 也要经过水解，变成小分子后才能被利用。 1 2 3 2 厌氧水解( 酸化) 段的控制方案 要维持一个厌氧水解( 酸化) 反应器内良好的水解( 酸化) 反应，必须根据 水解( 酸化) 反应的特点，对其创造合适的反应条件，从而使反应器内的厌氧反 应维持在水解( 酸化) 段。根据目前的研究结果，水解( 酸化) 段的控制方案主 要有以下几种 z o l ： 1 动力学控制。调整水力停留时间，利用水解细菌与甲烷细菌生长速度的不 同，使微生物停留时间小于甲烷细菌的倍增时问，利用水力的流动将甲烷菌从水 解( 酸化) 反应器中淘洗出来。一般认为，甲烷菌的倍增时间从几天到几十天， 而水解、产酸菌则只有几小时甚至几分钟。 2 氧化还原电位调节。甲烷菌属于专性厌氧菌，对氧化还原电位要求极为严 格，一般应控制在一3 0 0 m y 以下，而水解、酸化段为典型的兼性过程，只要氧化 还原电位在+ 5 0 m y 以下，过程即可顺利进行。因此，可以维持反应器内一定的溶 解氧浓度。保持较高的氧化还原电位，抑制甲烷菌的生长。 3 负荷控制。调整负荷以保持系统内的挥发酸浓度，使p 1 - i 值保持在6 0 以 下，抑制甲烷菌的活动。 1 3 本课题研究内容 目前，厌氧水解工艺在工程上已有成功实例但是厌氧水解工艺在实际运行 过程中，因为传统反应器系统抗水质、水量冲击性能差，尤其是反应器中污泥生 长速率不高，且对进水水质变化反应较大，水解降解效率低，甚至可能使污泥完 全失效，丧失去除能力。因此，维持微生物在厌氧水解条件下稳定增长，保证反 应器系统的去除效率，提高厌氧水解系统抗水质、水量冲击的性能，是本谋题研 究的问题。 因此，本课题的研究工作主要从两方面着手：一方面是设计复合厌氧水解反 应器，研究反应器内流体的混合特性，填料对微生物生长及微生物与污水问传质 的影响；另一方面是分析多种因素对厌氧水解系统降解染料废水中有机物效率的 影响，寻求保证厌氧水解工艺稳定运行的参数，提高厌氧水解工艺的运行水平。 江苏大学硕士学位论支 i ) 改进厌氧水解反应器 为进一步加强生物处理技术，加强微生物群体在毒性条件下降解有机底物的 功能，提高生物处理设备处理废水的效率，其关键技术是：( 1 ) 强化传质作用， 加速有机底物从污水中向微生物细胞的传递过程。对此采取的技术措施主要是强 化生物膜与污水之间的接触，加快废水与生物膜之间的相对运动。( 2 ) 提高处理 设各单位容积内的生物量。对此采取的技术措施，是扩大微生物栖息、繁殖的表 面积，提高生物膜量。 因此本课题首先结合多种反应器的优点设计出一套复合厌氧水解反应器，以 加强微生物与废水之间的传质效率，提高微生物的生长代谢速率。缩短微生物的 驯化时间t 使微生物在数量上和对废水的适应能力上都有较大提高。 2 ) 运行反应器。提高厌氧水解工艺的运行水平 针对废水处理的实际情况，分析影响废水处理效率的主要因素，将反应器运 行过程中的限制因素进行有效控制。使废水进水的水质、水量发生变化时，保证 这种变化在微生物能承受的范围内变动，以利于微生物的稳定增长。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章复合厌氧水解反应器的研制 目前染料废水处理中的水解池是一种新型的厌氧反应器，它是在废水厌氧 处理技术研究的基础上，采用较短的水力停留时间，从而省去了厌氧反应过程中 时间长、控制条件要求高的甲烷发酵阶段，而利用水解、产酸细菌可以迅速降解 水中有机物的特点形成以水解产酸细菌为主的厌氧上流式污泥床。由于水解池 集生物降解、物理沉降和吸附为一体，在与初沉池停留时间相近的情况下，有机 物去除效果显著高于初沉池，并且能将污水中难降解的大分子有机物转化为小分 子有机物，提高了废水的可生物降解性，使得后续的好氧处理所需的时间缩短， 能耗降低。与此同时，悬浮固体物质( 包括进水悬浮物和后续好氧处理中的剩余 污泥) 被水解为可溶性物质，降低了污泥产量，并使污泥得到处理从而取消了 传统工艺中的污泥消化池实现了污水污泥的一次性处理【2 ”。因此染料废水的厌 氧水解处理具有良好的发展前景。 2 1 复合厌氧水解反应器的设计目标 1 ) 维持反应器内较短的水力停留时间 传统水解池属于升流式污泥床反应器的技术范畴，废水通过水解池污泥床，大 量微生物将进水中的颗粒物质和胶体物质迅速截留和吸附这是一个物理过程的快 速反应，一般只需几秒钟到几十分钟即可完成。不溶性有机物在大量水解细菌作用 下水解为可溶性物质，同时在产酸菌的协同作用下将大分子物质、难于生物降解物 质转化为易于生物降解的小分子物质，重新释放到水体中，在较高的水力负荷下随 水流出系统。由于水解和产酸细菌世代期较短，往往以分钟和小时计，降解过程相 当迅速阎，因此，维持较短的水力停留时间有利于充分发挥水解工艺的特点。 2 ) 有利于污泥的积累和驯化 对于难生物降解的染料废水，水解过程具有较好的提高生物降解性能的作 用。对于芳香族化合物的废水而言，厌氧水解处理的主要限制因素是厌氧水解反 应速率缓慢，生物增长量低。废水中芳香族化合物的生物毒性更加加剧了这一过 程，在厌氧水解过程中仅有少部分有机物被转化为新细胞，反应器内部微生物增 长量很小，要维持大量的微生物在工艺控制上比较困难口”，因此，设计的反应器 应有利于提高污泥浓度，加快微生物的驯化速度。 9 江苏大学硕士学位- 磬文 3 ) 强化微生物与废水的传质过程 水处理工程中，反应器内流体混合程度是反应器设计时所需要考虑的重要因 素鲫。微生物截留下来的物质吸附在水解污泥表面，慢慢地被分解代谢，其在系 统内的污泥停留时间一般大于水力停留时问。而且，污泥在毒性条件下生长速率 低，代谢缓慢阱】，污泥浓度不高时，污水由反应器底部高速进入反应器，污泥会 被废水带出反应器，因此厌氧水解反应器设计要有利于泥水的混合和强化微生物 与废水的传质，加快微生物的新陈代谢，提高降解效率。 2 2 复合厌氧水解反应器的尺寸设计 2 2 1 污泥流化床的设计 2 2 1 1 污泥流化床尺寸的确定 由于反应器是升流式进水，在反应器底部，细菌得到的营养最多，因而污泥 浓度最高，且污泥的浓度随高度逐渐减少。污泥的这种分布特征，决定了废水中 有机物的去除主要在反应器底部进行。据y o u n g 和d a h a b 报道，厌氧生物膜反应 器在l m 以上时c o d 的去除率几乎不再增加，而大部分c o d 是在0 3 m 以内去除 的。窖积负荷一定的情况下，浅床反应器比深床反应器具有更好的处理效率 2 6 1 。 本反应器污泥床选取有效高度h = 0 9 m 。 有研究表明选用径高比( d ：h ) 为1 ：1 0 时有利于反应器的稳定运行【”1 。本研 究设计的复合反应器污泥流化床拟采用1 ：1 5 的径高比( 即d = h 1 5 - - 0 0 6 m ) ，主 要目的是使得反应器在不需大量出水回流时就能使污泥实现流态化，满足提高厌 氧水解效率的要求。 2 2 1 2 流化床填料的选择 流化床中添加填料主要是作为微生物生长的载体，增加生物膜与废水的接触 面积，为微生物提供栖息和繁殖的稳定环境。并保持较多的微生物量，从而强化 微生物与有机物之间的传质1 2 8 1 。 载体填料的选择应满足一定的要求： 1 ) 有良好的水力学特性( 含比表面积、空隙率、形状尺寸和填充度) 。 一般地。大的比表面积是有利的。但是，比表面积越大，反应器越易堵塞， 流经填料内的水流阻力也越大，能耗随之增加，现在填充在生物膜反应器的填料 江苏大学硕士学位论文 的比表面积多在1 0 0 4 0 0 m 2 m 3 之间。 空隙率越大，废水的实际停留时间越长，其容积利用率越高，水流阻力越小， 从而减少反应器堵塞和短流的可能性【2 9 】；同时填料用量减少，基建投资降低。但 是，空隙率越高，比表面积和机械强度就越小，反应器出水中的悬浮物浓度也就 越高。 填料的形状尺寸不仅影响其比表面积和空隙率，而且影响填料间的水流流 态，进而影响废水与生物膜之间的传质和生物膜的更新。填料的填充度对反应器 的处理能力及水流流态都有较大影响【 2 ) 有较好的生物膜附着性 表面租糙度是决定能否快速形成生物膜的主要条件。粗糙度越大。挂膜越快。 填料表面的孔隙大小也影响生物膜的附着性，较小的孔隙具有毛细7 l 保水作用， 因而对活动于水中的微生物有较强的持留作用叫。 常用于可溶性染料分子吸附、脱色的载体填料包括细砂、粘土、焦碳颗粒等， 它们有一定吸附能力和有限的化学活性，但由于是惰性载体，比重较大，在曝气 池中均匀混合困难，而且它们在曝气池底的沉积还会减少曝气池的有效容积，所 以应用较少。 但是粉末活性碳吸附载体，它具有以下优点：提高对有机物质( 包括可生物 降解、难生物降解和挥发性有机物) 的去除率，提高色度的去除率；对冲击负荷、 有毒物质的缓冲能力强；加强硝化作用：改善氧传递速率；改善污泥沉降效果和 压缩、脱水能力，减少污泥膨胀等。 因此。本复合厌氧水解反应器流化床区域采用粉末活性碳作为载体填料活 性碳颗粒技术条件如表2 1 所示： 表2 1 活性碳( 颗粒) 技术条件 t a b l e2 - lt h ep a r a m e t e r so f a c t i v ec a r b o n 江苏大学硕士学位论丈 2 2 2 固定床设计 2 2 2 1 固定床填料选择 本复合厌氧水解反应器固定床选用悬浮型生物填料【竭，它由辐条网格外壳和 通心多孔柱体组成的球形填料。该填料既克服了现有软性、半软性填料需要固定 安装、维护管理困难，软性填料易结球、堵塞半软性填料挂膜较差等缺点，又 克服了石英砂、陶粒等载体动力消耗高、比表面积小的不足 3 3 1 。产泥量少，约为 活性污泥系统的8 0 ，比表面积大( 8 0 0 m 2 i n 3 ) ，能附着生长更多的活性生物。 适当的孔隙率，能保证其新陈代谢的顺畅。传质效率高。 主要技术参数如表2 - 2 示： 表2 - 2 悬浮填料主要技术参数 t a b l e2 - 2t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f s u s p e n d i n gf i l l i n g 2 2 22固定床填料高度设计 厌氧水解反应器的固定床与流化床相比不承担降解染料废水中主要有机物 的任务而是增加系统的污泥浓度，实现对废水的二次降解。一般载体填料系统 对有机物的降解主要是在填料系统的中下部，过多地增加填料高度只是增大了反 应器体积，在进水流量和浓度一定的情况下，反应器容积增加，但废水有机物的 去除率投有显著提高。但是反应器填料高度过小时污泥就会有被冲出反应器的 危险而不能保持较高的处理效率。同时，由于出水悬浮物的增多，致使出水水质 下降d ”。因此综合考虑以上因素基础上，确定反应器中固定床填料高度为0 1 4 m ， 填充率为4 5 。 2 2 3 澄清区高度的确定 在污泥流化区的上部是澄清分离区。由于污泥在流化段基本完成了微生物的 絮凝吸附和沉淀过程，澄清区只是进一步提高系统的固液分离效果，因而澄清区 高度不需要很高。将澄清区高度定为0 1 8 m 。 江苏大学硕士学位论文 2 2 4 复合厌氟水解反应器的总体结构 图2 - 1 为复合厌氧水解反应器装置图。反应器下部为污泥流化区，上部是填 料层，中部为反应器沉淀区，各部分尺寸如表2 - 3 所示 表2 - 3 复台厌氟水解反应器各部分尺寸 t a b l e2 - 3d i m e n s i o n so f a n a e r o b i ch y d r o l y s i sr e a c t o r 沿反应器高度设有三个采样口，采样口的分布如表2 - 4 所示： 表2 4 复台厌氧水解反应器采样口分布 t a b l e2 - 4t h es a m p l i n gs p o t so f a n a e r o b i ch y d r o l y s i sr e a c t o r 注： 采样口高度从反应器底部算起。 i 2 3 7 围2 一l 复合厌氧水解反应器 c h a r t2 - it h er e a c t o ro f a n a e r o b i ch y d r o l y s i s 1 固定床2 澄清区3 流化床4 辅助孔5 进水口6 取水口7 出水口 江苏大学硕士学位论文 2 3 复合厌氧水解反应器的混合特性 如上所述，复台生物反应器的结构决定了反应器对废水中有机物的去除，主 要发生在反应器的流化床区我们研究复合生物反应器内流体的混合特性，主要 是研究流化床区流体的混合特性。 反应器内流体的循环混合特性不仅影响到微生物与底物间的传质作用，而且 对反应器内微生物抗冲击负荷能力、降解废水中污染物的能力以及对出水水质都 有很大的影响。因此，了解反应器内流体的循环混合特性是评价反应器设计优劣 的有力依据。 2 3 1 试验部分 2 3 1 1 试验装置 试验装置如图2 - 1 所示。液体流量由p r o m i n e n t 计量泵控制。液体从反 应器底部进水口进入，在反应器的污泥流化区与微生物及载体填料充分混合，流 体经过流化床进入澄清区，由反应器上部的出水口流出。 2 3 12 话凇刘维 试验在室温下进行，利用n a c l 溶液作为示踪液。在反应器的辅助孔4 处用 注射器瞬问注射进样( 图2 1 示) ，利用电导率仪( g l i e 3 3 ) 测定液体电导率的 变化，从而反映n a c l 浓度的变化。每次试验注入浓度为0 , 2g m l 的n a c l 溶液 1 0 m l 。电导率传感器放置在距离反应器底部9 5 c m 的位置。液体混合时间是指从 电导率仪开始响应到床内液体电导率值不再变化为止( 信号波动在峰值的3 以 内) ，即为所加入的示踪物与污泥流化床内所持液体混合均匀所用的时间。 2 3 2 试验结果与讨论 2 3 2 1 流化床的液体混合特性 分别在流化床内载体质量为0 9 、1 5 0 9 、3 0 0 9 三种情况下，研究流化床进水 流量对液体混合时间的影响，记录的数据如表2 5 示。 流化床内液体混合时间的趋势图如图2 - 2 所示，当载体质量为0 时，即流化 床内不投加任何载体，研究不同进水流量条件下床内液体混合时间的变化。从表 中可以看出，流化床内流体混合时间在3 1 3 5 秒之间变化。随液体流量的增大 1 4 汪苏太学颈女擎拄 垂交 流化床内液体混合时间略宵下降，说明流他床内无载体情况下。流体流煎变化对 液体混合时问影响不明显。 表2 - 5 流化廉内液体潞时间( s ) t a b l e 2 - 5m i x i n g t i m e o f t h e l i q h 话i n f l u i d i z e d b e d 恶竺流量。m 2 8 33 5 3 4 65 。5 l 6 2 77 6 5 载体质量c g ) 、 o 3 53 53 43 33 2 3 1 1 5 蛙 3 4 3 3 3 13 02 3嚣 3 0 0 3 33 33 2 3 02 7 2 6 在流化床内投加载体艏，液体混合时间相对无载体情况不断减少。黼载体量 增加，起始避水流量不丈，渡体混台时嘲变优不大。随液体漉量的不断燧拥，液 体混合时闻邂谛 减少，说明栽钵有利于珠海滚体豹混合，同时增加液俘瀛璧能促 进液体的混禽。 反应嚣内液体混合时间较小，可以使液体有充足的时间与反应器内微生物接 勇耋霸混合，强健徽生物与游瘩润懿簧质作髑，园时有聿蛙予簿低液钵在反藏器内豹 东力停留时嗣，提高反应嚣的整体效率。 - 4 0 3 5 3 0 2 5 匠 蔫2 0 鐾1 s 臻1 0 0 = ：= 。 。 = o 。一m = o g m = 1 5 0 9 一m = 3 0 0 9 o2468 滚俸溅纛( l h ) 嘲2 - 2 流化床的液体混合特性 c h a r t2 - 2m i x i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h el i q u i di nf l u l d i z e db e d 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 4 复合厌氧水解反应器设计特点 本研究复合厌氧水解反应器的设计，具有如下特点： 1 ) 复合生物反应器下部采用流化床工艺形式 复台生物反应器流化床系统通过惰性填料微粒表面形成的生物膜来实现污 泥截留，废水与污泥的混合、物质传递又是依靠使这些带有生物膜的微粒形成流 态化来实现的。流态化反应器具有如下主要特征1 3 5 j ： a 流态化能保证微生物与被处理废水充分接触。本试验液体混合时间一般 在3 0 秒左右，而一般生物流化床内的液体水力停留时间在2 3 小时以 上，液体有足够的时间混合均匀； b 生物化学反应过程快，反应器水力停留时间短。主要是由于反应器内投 加载体和增加进水流量，使载体颗粒与废水相对运动速度高，液膜扩散 阻力小，形成的生物量大生物膜较薄，传质作用强； c 有机物容积负荷较大，具有较好的耐冲击负荷能力。微小颗粒载体为微 生物附着生长提供较大表面积使反应器内具有很高的微生物浓度。 2 ) 具有较大的高径比 流化床反应器为了取得高的上流速度以实现良好的流态化，需要较大的径高 比r 本试验径高比为1 ：1 5