（环境工程专业论文）新型厌氧反应器处理模拟高浓度有机废水运行特性研究.pdf

原创性声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：旅联 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 日期：矽f 盼闫砑西 摘要 摘要 厌氧生物处理技术具有经济动力消耗低、占地少、容积负荷高及产生剩余 污泥量少等突出优点，是目前高浓度工业废水处理采用的主要技术。目前研究 和应用的厌氧反应器仍存在三相分离困难、结构复杂、混合不均问题，开发新 型高效厌氧反应器具有重要的现实意义。 针对厌氧反应器存在的各种问题，课题组研发了一种无实体三相分离器的 新型厌氧反应器，负压条件下可实现气体的优先分离，采用次毫米过滤组件实 现固液的强制分离。新型厌氧反应器自接种污泥后历经试启动、酸化调控和再 启动三个阶段，本研究是在再启动阶段负荷提升至1 4 k g c o d ( m 3 d ) 的基础上 进行的后续试验研究。主要内容如下： ( 1 ) 本文采用新型厌氧反应器处理模拟高浓度有机废水，研究了反应器启 动及其对高浓度有机废水的处理效果。结果表明：启动阶段负荷达到 1 2 9 6 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率较高，平均去除率可达为8 1 。出水s s 稳 定，平均值为3 4 3 m g l ，组件固液分离效果稳定。出水p h 稳定在7 2 0 以上，p h 在7 5 0 时处理效果最佳； ( 2 ) 启动结束后继续提升进水负荷，考察反应器的处理潜能，通过对反应 器运行特性和处理效果的监测，确定最大负荷为1 7 2 8k g c o o ( m 3 d ) 。污泥浓 度沿反应器高度重新分布，形成高度约4 0 c m 稳定污泥床，颗粒污泥处于良好的 悬浮状态，距底部4 0 - - - 8 0 c m 区域出现新生颗粒污泥。最佳p h 范围为7 5 7 8 0 。 负荷超过1 7 2 8k g c o o ( m 3 d ) 时，随负荷提升发生污泥流失，固液分离成为 新型厌氧反应器负荷提升的瓶颈； ( 3 ) 在厌氧反应器运行过程中，通过对组件孔径和反冲洗历时对出水水质 的影响的研究，考察次毫米过滤组件与厌氧反应器耦合性能。结果表明：组件 孔径的大小对出水水质的影响很大，当进水c o d 浓度为6 0 0 0 m g 1 ，容积负荷为 1 2 。9 6 k g c o d ( m 3 d ) 时，采用孔径7 6 1 a n 的次毫米过滤组件效果最佳，组件的 反冲洗历时对出水水质影响不大； ( 4 ) 采取静态试验的方式，通过考察不同污泥浓度和不同起始通量对过滤 历程的影响，得出以下结论：起始通量为1 5 0l ( m 2 h ) 时不同污泥浓度( 1 - 2 0 9 l ) 下出水通量均无衰减，污泥浓度越低出水s s 越低，出水水质水质越好；浓度为 1 6 5 9 l 时不同起始通量条件下， 稳定值越低，出水水质越好。 关键词：厌氧反应器容积负荷 起始通量越低，出水通量衰减越慢，出水s s 次毫米过滤组件 a b s t r a c t a b s t r a c t a n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw a sc o n s i d e r e dt ob et h em a i nt e c h n o l o g yf o r h i g l l c o n c e n t r a t i o ni n d u s t r i a lw a s t e w a t e rw i t h m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s , l o w e re n e r g y c o n s u m p t i o n , l i t t l es p a c e ，h i g hv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t ea n dl i t t l er e s i d u a ls l u d g ea n ds oo n a t p r e s e n t , t h ew i l d l ya d o p t e da n a e r o b i cb i o r e a c t o r ss t i l lh a ds o m ei n s u f f i c i e n c y , s u c ha sc o m p l e x s t r u c t u r e s ，i n c o m p l e t em i x i n ga n dd i f f i c u l ts e p a r a t i o no fg a s - l i q u i d s o l i dt h r e e - p h a s ea n ds oo n t h e r e f o r e ，i th a da ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pa ni n n o v a t i v ea n de f f i c i e n t a n a e r o b i cb i o r e a c t o r i nt h ee a s eo fv a r i e t yp r o b l e mo fa n a e r o b i cb i o r e a c t o r , a ni n n o v a t i v ea n a e r o b i cb i o r e a c t o ro f i n c o r p o r e i t yg a s l i q u i d - s o l i dt h r e e - p h a s es e p a r a t o rw a si n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e d t h eg a sw a s s e p a r a t e dp r e f e r e n t i a l l ya tn e g a t i v ep r e s s u l ec o n d i t i o n s ，a n ds e l i d - l i q u i dw a ss e p a r a t e df o r c e f u l l y b ys u b - m i l l i f i l t r a t i o nm o d u l e t h r e ed i f f e r e n ts t a g e so f t h er e a c t o rw e r es t u d i e da f t e ri t si n o c u l a t e d s l u d g e ，t l l e yw e r es t a r t u po ft e s t , a c i d i f i c a t i o nr e g u l a t i n ga n dr e s t a r t , o nt h eb a s i so ft h ea b o v e s t u d y ( 1 4 k g c o d ( m 3 。d ) ) ，f u t u r es t u d i e sw a sp r o c e s s e di nt h ep a p e r ( 1 ) t h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rw a se m p l o y e df o rh i g h - s t t e n g t ho r g a n i cs y n t h e t i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，a n dt h e nt h es t a r t u pp r o c e s sa n dp e r f o r m a n c eo f t h er e a c t o rw e r ea l s or e s e a r c h e d t h e r e s u l ts h o w e dt h a tv o l u m e t r i cl o a d i n gm t ew a s12 9 6k g c o d ( m 3 。d ) a ts t a r t - u ps t a g e ，t l l ec o d r e m o v a la n dt h ee f f l u e n ts sw e r er e s p e c t i v e l y81 a n d3 4 3 m g l ，s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o nw a s o b t a i n e dw e l l ，e f f l u e n tp ho ft h er e a c t o rw a sk e p ta b o v e7 2 0 ，a n dt h eo p t i m a lp h7 5 0 w a s o b t a i n e d ( 2 ) a f t e rs t a r t - u p ，i n f l u e n tl o a d i n gw a sa s c e n d e dt oi n v e s t i g a t eh a n d l i n gc a p a c i t yo ft h e r e a c t o r t h eb i g g e s tl o a d i n gr a t ew a si d e n t i f i e df o r17 2 8k g c o d ( m 3 - d ) b yo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e a n dt r e a t m e n te f f e c t t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o nr e d i s t r i b u t e da l o n gt h eh e i g h to fr e a c t o rt of o r ma s t a b l es l u d g eb e d4 0 c mh i g hi nw h i c ht h eg r a n u l a rs l u d g ew a ss u s p e n d e di nag o o ds t a t e ，a n d n a s c e n tg r a n u l a rs l u d g ea p p e a r e di n4 0 8 0 c mt ot h eb o t t o mo fr e a c t o r t h eo p t i m u mp hr a n g e w a s7 5 0 7 8 0 i tw a ss u i t a b l et oc h o s e17 2 8k g c o d ( m 3 - d ) a st h em a x i m a lv o l u m e t r i cl o a d i n g r a t eo fa n a e r o b i cr e a c t o rw h e no p e r a t i n gp a r a m e t e r sw e r ec o n t r o l l e dw e l l s o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n b e c o m et h eb o t t l e n e c ko fi n c r e a s i n gv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e i h a b s t r a c t ( 3 ) o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ew i t s s t u d i e db y p o r es i z e a n db a c k w a s h i n gt i m e ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo fs u b - m i l l f o r t r a t i o nm o d u l ec o u p l e dw i t ha n a e r o b i cb i o r e a c t o rw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ep o r es i z eh a da g r e a ti m p a c to nw a t e rq u a l i t y t h eo p t i m a lm o d u l ep o r e s i z ew a s7 6 p mw h e ni n f l u e n tc o da n dt h ev o l u m e t r i cl o a d i n gm t ew e r e6 0 0 0 m g la n d 12 9 6 k g c o d ( m 3 - d ) b a e k w a s h i n gt i m eh a dl i t t l ee f f e c to nw a t e rq u a l i t y ( 4 ) i nt h es t a t i ct e s t , t h ef i l t r a t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e db yd i f f e r e n ts l u d g ec o n c e n t r a t i o n s a n di n i t i a lf l u x t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h e r ew e r en of l u xd e p r e s s i o nw h e nd i f f e r e n ts l u d g e c o n c e n t r a t i o na n di n i t a if l u xw e r el 2 0 9 la n d15 0l ( m 2 - h ) t h el o w e rt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o n , t h el o w e rt h ee f f l u e n ts s ，t h eb e t t e rw a t e rq u a l i t yw a so b t a i n e de a s i l y ；a tt h e16 5 9 r ls l u d g e c o n c e n t r a t i o na n dt h ed i f f e r e n ti n i t i a lf l u x , t h el o w e rt h ei n i t i a lf l u x , t h es l o w e rt h ef l u xd e c a y , t h e l o w e rt h ee f f l u e n ts s ，a n dw a t e rq u a l i t yw a so b s e r v e dw e l l k e y w o r d s ：a n a e r o b i cb i o r e a c t o r v o l u m e t r i cl o a d i n gr a ms u b - m i l l i f i l t r a t i o nm o d u l e i v 目录 目录 摘要i a b s tr a c t i i i 目录一v 第1 章绪论1 1 1 厌氧生物降解原理1 1 2 厌氧生物处理技术发展过程及工艺思想2 1 2 1 第一代厌氧反应器。3 1 2 2 第二代厌氧反应器3 1 2 3 第三代厌氧反应器。4 1 3 厌氧反应器研究进展及存在问题一4 1 3 1 典型厌氧反应器研究进展4 1 3 2 典型厌氧反应器存在的问题。7 1 4 本课题研究意义和内容一7 1 4 1 研究意义7 1 4 2 研究内容。8 第2 章新型厌氧反应器的启动9 2 1 试验材料和方法9 2 1 1 试验用水9 2 1 2 接种污泥9 2 1 3 试验装置9 2 1 4 监测项目及方法一l2 2 2 新型厌氧反应器的启动13 2 2 1 启动操作方法13 v 目录 2 2 2 试验运行过程1 4 2 3 结果分析与讨论16 2 3 1 进水c o d 浓度对c o d 去除率的影响一1 6 2 3 2 容积负荷对c o d 去除率的影响。1 7 2 3 3 反应器内污泥的变化情况1 8 2 3 4v f a 和p h 值的变化2 0 2 3 5 出水s s 的变化2 1 2 4 本章小结一2 3 第3 章新型厌氧反应器的处理潜能。2 4 3 1 试验运行过程2 4 3 2 结果分析与讨论2 6 3 2 1 温度对新型厌氧反应器运行的影响。2 6 3 2 2 容积负荷对c o d 去除率的影响2 7 3 2 3 反应器内污泥的变化情况2 9 3 2 4v f a 和p h 值的变化3 3 3 2 5 出水s s 的变化3 4 3 3 本章小结3 6 第4 章固液分离组件的性能3 7 4 1 次毫米过滤组件与新型厌氧反应器耦合性能一3 7 4 1 1 次毫米过滤组件孔径大小对出水水质的影响。3 7 4 1 2 次毫米过滤组件反冲洗历时对出水水质的影响。4 0 4 2 次毫米过滤组件静态试验4 l 4 2 1 实验材料和方法。4 1 4 2 2 结果分析与讨论。4 3 4 3 本章小结4 7 第5 章结论与建议4 8 5 1 结论4 8 目录 5 2 建议4 9 参考文献5 0 致谢5 4 个人简历硕士在读期间的学术研究成果5 5 v i i 绪论 第1 章绪论 在各种废水处理技术中，生物处理技术以其经济有效性而被优先选用。废 水的生物处理是水污染和水资源可持续发展的重要手段，对于水资源的保护和 解决环境问题可以起到至关重要的作用。生物处理技术又分为好氧生物处理技 术和厌氧生物处理技术两大类型。厌氧生物处理技术相比好氧生物处理技术主 要具有经济动力消耗低i l 。3 。、占地面积小、容积负荷率高及产生剩余污泥量少【4 嘲 等优势。随着世界范围内环境污染和能源问题的日益突出，废水厌氧生物处理 技术作为一种把环境保护、资源回收与生态良性循环结合起来的低成本技术【7 】 受到广泛关注。 1 1 厌氧生物降解原理 厌氧生物技术是利用微生物的代谢活动，在无需额外供氧的情况下将废水 中的有机物转变成沼气、水和少量细胞产物的一种生物处理技术，其中沼气是 可回收能源瞵- 9 1 。随着人们对厌氧微生物学研究的不断深入，对生化过程和生物 学过程的认识不断深化，厌氧消化理论也得到不断发展。 1 9 3 0 年b u s w e l l 和n e a v e 肯定了t h u m m 和r e i c h i e 与i m h o f f 的理论，有机 物厌氧消化过程分为酸性发酵阶段和碱性发酵两个阶段。两阶段理论在几十年 里内一直占统治地位，但随着微生物学研究的不断深入，发现产甲烷菌只能利 用甲酸、乙酸、甲基胺类、c 0 2 h 2 ，不能利用两碳以上脂肪酸和除甲醇以外的 醇类，因此两阶段理论不能全面反应厌氧消化的本质。 1 9 7 9 年m eb r y a n t 1 0 l 提出了三阶段理论，即水解发酵阶段、产氢产乙酸阶 段和产甲烷阶段。三阶段理论认为两碳以上的脂肪酸和除甲醇以外的醇类必须 经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、c 0 2 h 2 以后才能被甲烷菌所利用。 三阶段理论提出的同时，j gz e i k u s 1 1 l 在第一届国际厌氧消化会议上提出 了四菌群学说。四菌群学说认为参加有机物厌氧消化过程的微生物有以下四类 茵群：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌和产甲烷菌，四菌群学说关 于复杂有机物的厌氧消化过程【1 2 l 如图1 1 所示。 绪论 图1 1 四菌群有机物厌氧讲解示意图 第1 类菌群( 水解发酵菌) 将复杂的有机物转化为有机酸和醇类；第1 i 类 菌群( 产氢产乙酸菌) 把有机酸和醇类转化为乙酸和c 0 2 i - 1 2 、甲醇、甲酸等； 第类菌群( 同型产乙酸菌) 利用h 2 和c 0 2 等转化为乙酸，一般情况下这类转 化数量很少；第类菌群( 产甲烷菌) 把乙酸、h 2 c 0 2 和甲醇、甲酸转化为c h 4 和c 0 2 。 1 2 厌氧生物处理技术发展过程及工艺思想 厌氧生物处理技术的发展至今已经有一个多世纪的历史，早在1 8 6 0 年法国 人l o u i sm o u r a s 改进简易沉淀池作为污水污泥处理构筑物使用。1 8 8 1 年，c o s m o s 在杂志上刊登介绍m o u r a s 创造的处理污水污泥的自动净化装置。美国学者 m c c a r t y t l 3 1 建议把1 8 8 1 年作为人工厌氧处理废水的开始，称m o u r a s 为应用厌氧 2 绪论 消化处理的创始人。按照年代将5 0 年代之前的厌氧消化工艺划分为第一代厌氧 反应器，6 0 年代以后开发的厌氧工艺成为第二代厌氧反应器，8 0 年代以后的厌 氧反应器成为第三代厌氧反应器。 1 2 1 第一代厌氧反应器 18 9 5 年，d o n a l d 设计了世界上第一个厌氧化粪池( s e p t i ct a n k ) 。化粪池的创 建，是厌氧处理工艺发展史上的重要里程碑。1 9 0 3 年，t r a v i s 发明了t r a v i s 池， 1 9 0 6 年，德国人i m h o f f 在t r a v i s 池的基础上改进设计了i m h o f f 池，我国也称双 层沉淀池。化粪池和双层沉淀池至今在排水工程中仍占重要地位。1 9 1 0 年至1 9 5 0 年间，高效可加温和搅拌的消化池也有了较大的发展。 第一代厌氧反应器以化粪池和隐化池为代表，反应器中微生物和废水处于 完全混合状态，污泥在反应器中的停留时间和废水停留时间是相同的，由于厌 氧微生物的时代时间长，生长缓慢，足够长的停留时间是第一代厌氧反应器成 功的关键，通常的停留时间一般至少需要2 0 3 0 d 。反应器设计负荷较低，属于 低负荷系统。 1 9 5 5 年，s c h r o e f e r 【1 4 】等人成功开发了厌氧接触法( a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) ， 在连续搅拌反应器的基础上增加污泥回流装置，使部分污泥回流到反应器中， 从而增加了反应器中的污泥浓度，使污泥停留时间第一次大于水力停留时问， 因而其处理效能大幅提高，这是厌氧处理技术的一个重大突破。被认为是第一 代厌氧反应器的厌氧接触法，由于做到了使污泥停留时间长于水力停留时间， 实际上已经具有第二代厌氧反应器的特征。 - 1 2 2 第二代厌氧反应器 2 0 世纪6 0 、7 0 年代以来，随着环境和能源问题的日益突出，迫切需要开发 高效节能的废水处理新工艺，为此进行了大量研究和开发工作，人们认识到提 高反应器中微生物浓度的重要性，基于微生物固定化原理的厌氧反应器得以迅 速发展。 1 9 6 7 年j c y o u n g 1 5 j 和p l m c c a r t y 成功开发了厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ) 。 厌氧滤池采用块石作为填料，为厌氧微生物的附着提供支撑，可保留足够的厌 氧微生物，使厌氧滤池具有较高的处理效能，引起了人们的关注。相同温度条 绪论 ，厌氧生物滤池的负荷高出厌氧接触氧化工艺2 3 倍，同时具有很高的c o d 率。1 9 7 4 年，w a g e n i n g e n 农业大学的g l e t t i n g a 1 6 1 等人成功开发了升流式 污泥床反应器( 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 ) ，其最大特点就反应器中形 粒污泥从而保证了反应器中维持高浓度的厌氧污泥，该反应器具有较高的 处理效能。生物固体颗粒化技术开辟了全新的微生物固定化途径，在废水厌氧 生物处理发展史上具有划时代的意义。随着a f 和u a s b 反应器的问世，推动了 以微生物固定化和增加泥水混合效率为基础的一系列厌氧反应器的研究和发 展。1 9 7 8 年，w j j e w e l l l l 7 l 等人和1 9 7 9 年r p b o w k e r 1 8 】分别开发了厌氧膨胀床 ( a n a e r o b i ce x p a n d e db e d ) 和厌氧流化床( a n a e r o b i cf i u d i z e db e d ) 。 第二代厌氧反应器的特点是实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离， 其污泥停留时间可以达到上百天，水力停留时间缩短至几小时到数天，各反应 器通过不同途径使反应器中保持大量的微生物量，处理效率大大提高。这些反 应器的发明也推动了一系列以微生物固定化和提高泥水混合效率为基础的高速 厌氧反应器的发展。 1 2 3 第三代厌氧反应器 第二代厌氧反应器是基于分离水力停留时间和污泥停留时间发展产生而来 的一系列反应器，第二代厌氧反应器在应用中取得很大成功，但仍存在运行中 短流，死角，堵塞等问题，为进一步增强微生物和废水的混合接触，提高负荷 及处理效率，扩大应用范围，学者们在第二代厌氧反应器的基础上开始研发第 三代厌氧反应器。19 8 2 年m c c a r t y 开发厌氧折流板反应器( a n a e r o b i eb a f f l e d r e a c t o r ) ，1 9 8 2 年把u a s b 反应器与厌氧滤池结合开发出了u b f ( u p f l o w a n a e r o b i cf i l t e r ) ，在颗粒污泥理论的基础上，1 9 8 1 年成功开发了e g s b ( e x p a n d e d g r a n u l a rs l u d g eb e d ) 反应器和19 8 5 年开发出i c ( i n t c m a lc i r c u l a t i o n ) 反应器等。 1 3 厌氧反应器研究进展及存在问题 1 3 1 典型厌氧反应器研究进展 在厌氧生物处理技术的发展历程中，反应器是发展最快的领域之一【1 9 1 。新 型高效厌氧反应器层出不穷，在此简要介绍近年来比较典型的u a s b 、e g s b 、 4 i c 等新型厌氧反应器。 1 3 1 1 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 升流式厌氧污泥床( u p - f l o wa n a e r o b i cs l u g eb l a n k e t ，简称u a s b ) 反应器 是7 0 年代由g l e t t i n g a 2 0 】等人研发的高效厌氧反应器，其最主要的特征是拥有性能 良好的颗粒污泥和设计合理的三相分离器，生物固体颗粒化技术开辟了全新的微生物 固定化途径，在废水厌氧生物处理发展史上具有划时代的意义。 u a s b 反应器是目前研究最多，应用最广泛的高效厌氧反应器【2 1 , z 2 1 。美国、 荷兰和比利时等国家的学者采用u a s b 反应器处理多种工业废水，均取得良好 的处理效剁2 3 洲。据资料统计【2 5 1 ，至2 0 0 0 年1 2 月底国内厌氧处理工艺中6 0 均采用u a s b 反应器。 赵雪 2 6 1 等人采用高负荷u a s b 反应器处理核糖核酸废水，研究表明，在中 温条件下，有机负荷3 0 k g ( m3 d ) 时，c o d 盯去除率可达8 5 ，出水p h 值在7 0 左右。 汤金如 2 7 1 等人低温条件下采用u a s b 反应器处理高浓度( c o d5 0 0 0m g l ) 有机废水，结果表明保持温度在1 5 5 - 2 5 ( 2 且不发生突变、反应器p h 值在6 8 7 2 ，即能保证u a s b 的稳定高效运行，c o d 的去除率稳定在6 0 以上。 1 3 1 2 厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 1 9 8 1 年，l c t t i n g a 2 8 】等人设计较大高径比的厌氧反应器，同时采用出水循环 来达到增加反应器内液体上升流速效果，使颗粒污泥床充分膨胀，以此来保证 反应器内泥水的充分混合，由此产生了早期厌氧颗粒污泥床反应器( e x p a n d e d g r a n u l a rs l u d g eb e d ，简称e g s b ) 。由于采用出水回流，使进水中的有毒物质得 以稀释，从而保证反应器内微生物生长的良好环境，同时高的上升流速度改善 了传质效果，增加废水与污泥的接触机会，促进微生物对基质的降解，有利于 减轻底部负荷过重的问题，增加反应器对负荷的承受能力，所以e g s b 反应器 可以用于处理有毒和难降解废水 2 9 3 0 。 l a s t 和l e t t i n g a 3 t l 采用e g s b 反应器研究在常温下处理生活污水，研究表 明e g s b 反应器不适合处理含悬浮物的废水，在温度大于1 3 条件下，当h r t 大于3 5h ，容积负荷大于2 7k g ( m3 d ) 时，可溶性c o d 去除率及总c o d 去除 率分别为5 1 和3 4 ，在h r t 为2h 和1 1 5h 时，可溶性c o d 的去除率分 绪论 别为4 5 和3 2 。 k a t o1 3 2 等人在3 0 条件下采用两个e g s b 反应器处理以乙醇为基质的模 拟低浓度污水，研究证明溶解氧的存在对e g s b 反应器的运行没有明显影响， 另外控制上升流速在2 5 - 5 5m h 范围内时，只要选择适当的o l r ，当进水浓 度为5 0 0 , - - , 7 0 0m g c o d l ，甚至1 0 0 - - 2 0 0m g c o d l 时，反应器的去除率均能达 到9 0 以上。 r j j l z e i m 【3 3 】采用e g s b 反应器处理月桂酸钠和癸酸钠废水，均取得了很好的 效果，处理癸酸钠废水时采用1 4 - - 9 6 倍的循环率，反应器内液体上升流速可达 7 2 7 7 m h ，运行至3 5 天容积负荷即增至3 1 5k g c o d c m 3 d ) ，平均c o d 去除 率可达9 1 ，处理月桂酸钠废水采用5 1 1 倍的循环率，液体循环流速达到1 0 m h ，容积负荷达到3 1 4k g c o d c m 3 d ) ，平均c o d 去除率可达8 3 。 国内学者也对e g s b 反应器进行了大量的研究。左剑恶掣3 4 1 对e g s b 反应 器处理高浓度自配有机废水进行了比较系统的研究。李津等【3 5 l 对e g s b 反应器 在2 0 1 2 下处理模拟啤酒废水进行了系统的研究。董春娟等 3 6 1 对e g s b 反应器在 微氧和厌氧条件下的运行特性进行了对比实验研究，考察e g s b 反应器在微氧 条件下高效稳定运行的可行性。e g s b 反应器对高浓度废水的处理也表现出 u a s b 无法比拟的优势1 3 l 3 8 。 1 3 1 3 内循环厌氧反应器( 1c ) 内循环厌氧反应器( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ，简称i c ) 是8 0 年代中期由荷兰 p a q u e s 公司【3 9 】在u a s b 反应器基础上成功研发的高效厌氧反应器，并与1 9 8 6 年以后迅速应用于生产实际中。i c 反应器实际上相当于由2 个u a s b 单元相互 重叠而成，第一反应室处于极端高负荷起到粗处理的作用，具有很高的容积负 荷率：第二反应室处于低负荷起到精处理的作用，提高了出水水质。i c 反应器 具有高负荷率，同样条件下其处理负荷和产气负荷也是u a s b 的2 5 倍m l ；i c 反应器的体积一般为u a s b 反应的1 4 - 1 3 左右，且具有很大的高径比，占地 面积小；其抗冲击负荷能力强；出水水质稳定。 i c 反应器目前已成功应用于啤酒、造纸、土豆加工和食品加工等工业废水 处n , t 4 1 4 2 j 。荷兰p a q u e s 公司于1 9 8 5 年建立了第一个i c 中试反应器用于处 理高浓度土豆加工废水 4 3 ，4 4 1 ，1 9 8 8 年，第一座生产性规模的i c 反应器建成并投 入运行 4 2 1 。1 9 9 6 年，i c 反应器首次被应用于纸浆造纸行业 4 5 , 4 6 1 。 6 绪论 近年来，国内学者对i c 反应器也进行了广泛深入的研究，并且国内已有部 分生产实例。吴静1 4 7 1 等以葡萄糖配水为水样进行y d , 试试验，探索了内循环厌 氧反应器的启动规律。马三剑4 8 ，4 9 1 等人在深入研究i c 反应器的基础上自行研发 多级内循环厌氧反应器( m i c ) ，并已成功应用于很多实际工程中。 1 3 2 典型厌氧反应器存在的问题 纵观整个厌氧生物处理技术的发展历程，发现高效厌氧反应器必须满足以 下两个原则：( 1 ) 反应器的结构设计或运行方式上能够保证反应器内维持足够 的生物量。由于厌氧微生物生长缓慢且世代时间较长，高的污泥浓度是保证厌 氧反应器处理率的基础和前提。( 2 ) 反应器内泥水之间保持良好的接触，以保 证微生物能够充分利用其活性降解水中的有机物，从而提高处理效果 s o , s l 】。 目前的研究比较多的i c 反应器、e g s b 反应器等第三代厌氧反应器均可以可 以满足这两个原则，但是仍存在以下不足： ( 1 ) 需要设计合理的三相分离器，必须培养性能良好的颗粒污泥，三相分 离器国内尚无成熟的方法，目前采用的是平流沉淀池理论，在厌氧反应器顶部 增加一组钢制平流沉淀池，其分离效果并不理想，导致部分污泥随出水流失； ( 2 ) 反应器的结构复杂，泥水混合不很均匀、易出现局部短流、沟流和死 角等现象。 1 4 本课题研究意义和内容 1 4 1 研究意义 2 0 0 8 年，全国废水排放总量5 7 1 7 亿吨，比上年增加2 7 ，废水中化学需 氧量排放量1 3 2 0 7 万吨，比上年减少4 4 。我国在环境保护虽然取得积极进展， 但环境形势依然严峻，“十五 环境保护计划指标没有全部实现，化学需氧量 仅减少2 1 ，未完成削减1 0 的控制目标。“十一五期间，我国人口在庞大 的基数上还将增加4 ，城市化进程将加快，经济总量将增长4 0 以上，经济社 会发展与资源环境约束的矛盾越来越突出，废水排放量和污染程度都与日俱增， 研发高效厌氧处理工艺已经成为亟待解决的重大课题。国家环境保护“十一 五 规划将高效厌氧生物处理列入“十一五 环保产业优先发展领域。 7 绪论 1 4 2 研究内容 一个成功的厌氧反应器应该朝着高效、稳定、易控、经济的方向发展。在 深入研究典型高效厌氧反应器优缺点的基础上，针对其普遍存在气、液、固三 相分离效果不佳、结构复杂、混合不均匀、操作条件要求苛刻，造价高等问题， 课题组自行研发一种无实体三相分离器的新型厌氧生物反应器，通过对集气区 负压的控制实现气体的优先分离，同时采用自制次毫米过滤组件实现固液的强 制分离，从而实现气、液、固三相的顺序分离；通过反应器结构的优化设计可 实现自然内循环，利用自身产气进行间歇曝气，强化产气的提升作用，提高反 应器内泥水混合程度。 新型厌氧反应器自接种污泥后历经试启动、酸化调控和再启动三个阶段， 本研究是在再启动阶段负荷提升至1 4 k g c o d ( m 3 d ) 的基础上进行的后续试验 研究本研究，主要研究内容如下： 1 以模拟高浓度有机废水为有机基质，研究反应器启动及其对高浓度有机 废水的处理效果； 2 研究影响新型厌氧反应器处理效果的过程参数( 容积负荷、p h 、微生物、 出水s s 等) ，探索反应器稳定运行的操作条件； 3 反应器达到设计负荷成功启动后，继续提升负荷考察反应器的处理潜能， 确定新型厌氧反应器最大处理负荷以及最佳运行参数； 4 通过对组件孔径及反冲洗时间对出水水质的影响的研究，考察组件与新 型厌氧反应器耦合性能；通过静态试验考察污泥浓度和起始通量二者对组件过 滤历程的影响，提出新型厌氧反应器固液分离优化方案。 8 第2 章新型厌氧反应器的启动 2 1 试验材料和方法 2 1 1 试验用水 本文采用葡萄糖为有机基质，按m ( c o d ) ：m f n ) ：r e ( p ) = 2 0 0 ：5 ：1 添加各 种营养物质，并在进水中加入适量n a h c 0 3 以调节碱度，同时加配一定的微量 元素以保证微生物的生长需要，详见表2 1 和表2 2 。 表2 1 模拟高浓度有机废水组成( g l h 2 0 ) 药品名称 f e c l 3 - 6 h 2 0c o c l 2 6 h 2 0m n c l 2 - 4 h 2 0 z n s 0 4 7 h 2 0n i c l 2 6 h 2 0 含量8 0 8 04 00 2 4o 2 4 2 1 2 接种污泥 接种污泥取自某制药厂污水站厌氧内循环( i c ) 反应器厌氧颗粒污泥，接种污 泥m l v s s m l s s 踟5 5 ，反应器接种污泥量约为1 1 k g v s s m 3 ，污泥床高约7 0 c m 。 2 1 3 试验装置 试验所用装置主要由新型厌氧反应器、蠕动泵、进水箱、真空泵和湿式气 体流量计等设备构成，装置如图2 1 所示。 9 新型厌氧反应器的启动 图2 1 装置实物图 2 1 3 1 设计理念 1 ) 摆脱传统三相分离器，通过对集气区负压的控制从而实现气体的优先分 离；同时采用自制次毫米过滤组件强制分离固液，实现气、液、固三相顺序有 效分离； 2 ) 通过对反应器结构设计实现自然内循环，利用反应器自身产气间歇曝 气，通过气提作用增强泥水混合率； 3 ) 实现污泥从沉淀区向反应区的自动回流。 2 1 3 2 反应器结构 反应器由有机玻璃制造而成，总高约为2 1 米，总容积6 4 l ，其有效容积5 4 l 。 分为主反应区、和固液分离区和集气区，v 反：v 一：l ，分离区分布在反应区的 两侧，上下与主