（环境工程专业论文）棕榈油废水处理的工艺开发和设备研制.pdf

中文摘要 本课题模拟马来西亚棕榈油生产废水的水质，通过对棕榈油废水水质性状 的分析，以及各类含油废水处理工艺的比较，确定适合棕桐油废水处理的的污 水处理工艺，进而开展工艺内关键工艺段的实验。通过对缺氧条件下的生物培 养，生物驯化，研究缺氧生物处理对这类废水的处理能力，印证是否可以通过 生化处理对棕榈油进行有效的降解，从而得到工艺的可行性，并为整套处理设 备的开发，提供有价值的参考依据。 本课题完成了模拟试验和整套设备的开发，主要包括：厌氧试验，气浮试 验，u a s b 反应器的开发，隔油反应器的开发和生物反应器的开发。在生物反 应器的开发过程中，吸收了较多生物处理器的技术优势，提出了一种新型的处 理难降解有机废水的反应器模型，该反应器的创新之处主要包括：通过简单 的物理手段，尽可能大的富集参与生化反应的生物，以提高反应器的容积负荷； 将好氧生化反应和缺氧生化反应在同一个反应器内有机的组合，在空间上形 成缺氧和好氧的不同区域，使参与生化反应的生物种类大大增多，提高生化反 应的效率；通过简单的措施，改进了曝气方式和反应器内水体流动的方式， 提高反应器内水体的水力学性能，为保证高效的生化反应提供较好的环境。 由于实验装置简单，厌氧试验的结果并不是非常的令人满意，通过一个月 的污泥培养和1 5 周的污泥驯化，得到棕榈油废水经厌氧处理，油分的去除率为 2 3 4 2 。但是这一结果也说明，通过生物处理的手段是能够将棕榈油降解去除 掉的，只是在反应的条件，反应器的形式上需要做较多的控制和改进，普通的 生化反应模式对于这类废水的处理是不太适用的。因此从工程和工艺的角度， 开展反应器的装置化改进是非常必要的，装置设计的科学高效，是保证工艺成 功的一个先决条件。 关键词：棕榈油厌氧生物处理油含量生物膜反应器去除率 a b s t r a c t t h i st h e s i ss i m u l a t e sm a l a y s i a np a l mo i lp r o d u c t i o nw a s t e w a t e rq u a l i t y , b yt h e a n a l y s i so fp a l mo i lw a s t e w a t e rq u a l i t yc h a r a c t e ra n de a c hk i n do fo i l yw a s t e w a t e r t r e a t m e n tt e c h n i c a l ，d e t e r m i n es u i t a b l et r e a t m e n tt e c h n i c a l ，a n dt h e nc o l t yo u t e s s e n t i a lt e c h n i c a ls e c t i o nm o d e l i n ge x p e r i m e n t b yt h ea n o x i cc o n d i t i o nb i o l o g i c a l r a i s i n ga n dt h eb i o l o g yc u l t i v a t i n g ，r e s e a r c h e st h et r e a t m e n ta b i l i t yo ft h ea n o x i c b i o l o g i c a lt r e a t m e n tt ot h i sk i n do fw a s t e w a t e r , v e r i f i e sw h e t h e rm a yp r o c e s s i n g t h r o u g ht h eb i o c h e m i s t r yt oc a r r yo u te f f e c t i v ed e g e n e r a t i o nt ot h ep a l mo i l ，t h u s o b t a i n st h ef e a s i b i l i t yo ft e c h n i c a l ，a n dt h e np r o v i d e st h ev a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h e e n t i r ee q u i p m e n td e v e l o p m e n t t h i st h e s i sh a sm a i n l yc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h ec o m p l e t e e q u i p m e n td e v e l o p m e n t ，m a i n l yi n c l u d e s ：a n o x i cb i o c h e m i s t r ye x p e r i m e n t ，g a s f l o a t i n ge x p e r i m e n t ，u a s br e a c t o rd e v e l o p m e n t ，t h e o i ls e p a r a t i n gr e a c t o r d e v e l o p m e n ta n dt h eb i o l o g i c a l r e a c t o rd e v e l o p m e n t i nt h eb i o l o g i c a lr e a c t o r d e v e l o p m e n t , h a sa b s o r b e dm o r cb i o l o g i c a lp r o c e s s o r t e c h n i c a ls u p e r i o r i t y , p r o p o s e d o n ek i n do fn e wr e a c t o rm o d e lt ot h ed i f f i c u l td e g r a d a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e l , t h i s r e a c t o ri n n o v a t i o np l a c em a i n l yi n c l u d e s ：( 1 ) t h r o u g ht h es i m p l ep h y s i c a lm e t h o d ， b i g l yc o n c e n t r a t e st h eb a c t e r i aw h i c hp a r t i c i p a t i o nb i o c h e m i s t r yr e a c t i o na sf a r 嬲 p o s s i b l e ，e n h a n c e st h er e a c t o rv o l u m el o a d ；( 2 ) c o m b i n et h ea e r o b i cb i o c h e m i s t r y r e a c t i o na n da n o x i cb i o c h e m i s t r yr e a c t i o ni nt h es a l n eo n er e a c t o r , f o r m st h ea e r o b i c d e f i c i ta n da n o x i cd e f i c i ti nt h es p a c e ，m a k e st h eb i o l o g i c a lt y p ew h i c ht h e p a r t i c i p a t i o nb i o c h e m i s t r yr e a c t i o ng r e a t l yt oi n c r e a s e ，e n h a n c e st h eb i o c h e m i s t r y r e a c t i o ne f f i c i e n c y ；( 3 ) t h r o u g ht h es i m p l en l e a s u l e ，t oi m p r o v ea e r a t i o nw a ya n d t h ew a t e rf l o w i n gw a y , e n h a n c e si nt h er e a c t o rt h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ，p r o v i d e sa b e t t e re n v i r o n m e n tt og a a r a n t e eh i g h l ye f f e c t i v eb i o c h e m i s t r yr e a c t i o n b e c a u s et h ee x p e r i m e n ti n s t a l l a t i o ni ss i m p l e ，t h er e s u l to fa n o x i ce x p e r i m e n ti s n o t s a t i s f y i n g ，t h r o u g h am o n t h - l o n gs l u d g er a i s ea n d1 5 w e e k - l o n gs l u d g e c u l t i v a t i n g ，o b t a i n st h ep a l mo i lw a s t e w a t e ro i lr e m o v i n gr a t ei s2 3 4 2 b u tt h i s r e s u l ta l s os h o w e dt h a t , t h r o u g ht h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n tm e t h o di sc a l ld e g r a d et h e p a l mo i l ，b u tt h er e a c t o rf o r mn e e d st od om o r ec o n t r o la n di m p r o v e m e n t ，t h e o r d i n a r yb i o c h e m i s t r yr e a c t o ri sn o ts u i t a b l et o t r e a tt l l i sk i n do fw a s t e w a t e r t h e r e f o r ef r o mt h ep r o j e c ta n dt h et e c h n i c a ls i d e ，d e v e l o p st h er e a c t o re q u i p m e n t i m p r o v e m e n ti se x t r e m e l ye s s e n t i a l ，t h es c i e n c ei n s t a l l m e n td e s i g n i sh i g h l ye f f e c t i v e ， w h i c hi sap r e c o n d i t i o ng u a r a n t e ef o rt h et e c h n i c a ls u c c e e d k e yw o r d s ：p a l mo i l ；a n a e r o b et r e a t m e n t ；o i lc o n t e n t ；b i o - m e m b r a n er e a c t o r ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：胡 签字日期：弦0 7 年月j ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些友堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丢整王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴做储铭。锎氍 签字日期：1 年i 月1 1 日 撕魏枷丢 签字目期：弦呵年f 月蹿日 学位论文的主要创新点 一、模拟棕榈油废水的水质特性，开展棕榈油废水水质和处理工艺的 研究，确定了适合棕榈油废水处理的生化工艺方案。 二、对各类生化反应工艺进行比较和研究，吸收各类工艺的特点和优 势，开发了适合工程应用的反应器装置。 三、对生物反应器装置进行了改进和创造性的设计，通过较为简单的 设计方式，改进了生化反应的模式。 第一章项目背景 第一章项目背景 马来西亚在过去的几十年间经济一直保持高速增长，随着工商业的迅速发 展，马来西亚已经从一个农业国家转变成一个新兴的工业化国家。随着对自然 资源的大规模开发利用，资源消耗量急剧增加，随之而来的是环境污染的加剧。 根据马来西亚环境部门2 0 0 4 年的环境报告显示【l 】。2 0 0 4 年被鉴定为清洁的河流 有4 2 条，轻微污染的有6 1 条。严重污染的有1 3 条。造成污染的主要工业部门 有食品加工业、橡胶和棕榈油生产、化工、电子、纺织等。水污染比较严重的 地区主要在马来西亚半岛地区的西海岸，那里工业相对集中，人口密集。针对环 境污染的情况。马来西亚政府采取了一些应对措施。 从上世纪9 0 年代以来，环境恶化引起了马来西亚政府的重视，马来西亚政 府自9 0 年代中期开始采取措施以减轻污染。首先是制订有关的环境保护法规。 1 9 9 4 年，马来西亚政府颁布了环境质量法。这项法案包括控制空气污染、噪音 污染、水污染、水土污染、石油污染等内容。环境质量法规定，新的工程在得 到批准和实施之前要预先做出环境影响评估，把污染控制作为一种治疗性的措 施。法案颁布后，马来西亚政府相继对它做了一些修改和补充，最近又增补了关 于解决日益增长的危险废物导致的环境威胁；扩大环境执法部门的权力；加大 环境保护力度，如加大罚款，对污染物的排放实施更加严格的标准，有权力关 闭污染严重的企业等内容。 从对棕榈油开采中的污染管理来看。9 0 年代早期，棕榈油开采业是马来西 亚造成水污染最严重的行业 2 】。马来西亚有1 3 条河流被严重污染，针对这种情 况，马来西亚政府授权环境局制订棕榈油业污染控制措施，要求各企业必须制 定获得环境局批准的污染控制措施，得到环境局颁发的执照才能生产经营。环 境局建立了由企业界和政府代表组成的专家委员会。委员会的职责在于调查目 前可得到的对环境无害和经济上可行的污染处理技术。为环境局制定环境法规 提供建议。马来西亚棕榈油业在控制污染上之所以做得比较成功，原因有四个： 一是棕榈油1 j n - r 业把其一部分费用转移到了棕榈树种植者身上了；二是技术的 进步减轻了控制污染的费用。技术进步还能从棕榈油加工业中产生的废弃物中 制造一些具有市场价值的副产品。技术的发展使得企业能达到政府规定的环境 保护标准；三是专家委员会发挥了重要的作用。专家委员会中的企业界代表能 对环境局制定的环境法规施加影响，提供他们的意见和建议。他们可以帮助环 境局确保环境法规产生的时间和内容考虑到对企业可能造成的影响并提出相 第一章项目背景 应的对策。四是政府起到了调控的作用。马来西亚政府对违反法规的企业暂停 生产经营执照，政府规定企业应交纳治理污染的最低费用和企业应达到的最低 排污标准，这一切表明了政府治理污染的决心和力度。 由于马来西亚棕榈油业是其政府的支柱产业，而棕榈油在开发的过程中， 对环境造成了极大的污染，因此马来西亚的环境部门开展对含棕榈油废水的处 理工艺的开发和研究，目的是解决含油废水的污染，这样不仅可以解决环境污 染问题，也有很大的经济效益。本项目是应马来西亚有关单位的邀请，设计开 发一套处理含油废水的整套工艺，要求在传统工艺的基础上有所突破，有所创 新，达到工艺简洁，设备占地小，便于运输和安装，便于装置化和模块化，便 于技术推广等要求。 本课题以含油废水处理的工艺开发为主，通过对含油废水的研究，确定污 水处理的工艺，并对处理装置和设备进行优化和改进，力求有所创新和突破， 关键的问题是含有少量乳化油的污水如何通过生化处理，使其中的油分得以分 解并从而得以去除，因此厌氧酸化处理工艺的好坏与否是关键的一步，只要能 够将油分通过生化处理得以降解，那么在理论上有效的去除污水中的c o d 和 b o d 都是可以实现的。 通过人工配制棕榈油含油废水，模拟马来西亚棕榈油废水的水质状况，进 而通过生化处理工艺进行处理。通过厌氧污泥的培养和驯化，使其中的菌群适 应含油废水的生存环境，并通过生物的自然筛选能力，得到除油能力强的菌群， 使生物的处理能力得到加强，从而印证设计工艺的成功与否。 第二章棕榈油加生产及棕桐油废水介绍 第二章棕榈油加工生产及棕榈油废水介绍 2 1 马来西亚的棕榈油规模 棕榈油是世界油脂市场的一个重要组成部分，1 9 8 1 年，它在世界油脂总产 量中占了很大比重，约为9 n 。预计它在世界油脂市场的贸易总额还会进一步 增加。 棕榈油是从油棕树上的油棕果中榨取出来的，它被人们当成天然食品来使 用已超过五千年的历史。棕榈油的原产地在西非，1 8 7 0 年，棕榈油传入马里西 亚，当时只是作为一种装饰植物 4 1 ，直到1 9 1 7 年才进行第一次的商业种植。在 二十世纪六十年代，马来西亚为了帮助减少对橡胶和咖啡的依赖，开始大大提 高棕榈油的产量。 油棕是一种四季开花结果及长年都有收成的农作物，油棕的商业性生产可 以保持2 5 年，油棕是世界上生产效率最高的产油植物。在马来西亚，目前每公 顷油棕大约生产5 吨的油脂，每公顷油棕所生产的油脂比同面积花生高出五倍， 比大豆高出九倍。一般的马来西亚已到成熟期的油棕，每年每公顷平均产量是 3 7 吨毛棕榈油。 棕榈油被称为“饱和油脂”，因为它含有5 0 的饱和脂肪。油脂是饱和脂肪， 单不饱和脂肪，多不饱和脂肪三种成分混合构成的。棕榈油是植物油的一种， 能够替代其他油脂，可代替的有大豆油，花生油，向日葵油，椰油，猪油和牛 油。 2 2 棕榈油的用途 棕榈油在世界上被广泛用于烹饪和食品制造业，它被当做食油、松脆脂油 和人造奶油来使用。像其它食用油一样，棕榈油容易被消化、吸收、以及促进 健康。棕榈油是脂肪里的一种重要成分，属性温和，是制造食品的好材料。从 棕榈油的组合成分看来，它的高固体性质甘油含量让食品避免氢化而保持平稳， 并有效的抗拒氧化，它也适合炎热的气候成为糕点和面包厂产品的良好佐料。 由于棕榈油具有的几种特性，它深受食品制造业所喜爱。 此外，棕榈油还可以用来制造肥皂、菜油、以及其它许多种类的产品。 在中国，目前食用精炼棕榈油，产品规格方面，主要指标是溶点不超过 第二章棕榈油加生产及棕榈油废水介绍 2 4 3 3 c ，用于食品( 面包、饼干等) 的煮炸方面，每年的需要量占进口量 的绝大部分；工业使用的精炼棕榈油，要求溶点不低于4 4 c ，主要用于制造肥 皂、硬脂酸及甘油，每年的需要量基本是在十几万吨( 5 1 。 2 3 棕榈油的主要生产国和进出口国 马来西亚是世界上最大的棕榈油生产和出口国。1 9 8 6 年，马来西亚毛棕榈 油的生产量为4 5 4 万吨，占同年世界棕榈油产量的6 0 。此外，印度尼西亚、尼 日利亚、象牙海岸、巴布亚新几内亚等其它国家和地区也生产少量棕榈油。棕榈 油的主要进口国有印度、欧盟成员国、巴基斯坦、西亚国家、独联体、日本和美 国等。世界棕榈油的产量和出口状况：2 0 0 5 年，世界棕榈油总产量为1 7 4 1 万吨， 比2 0 0 4 增长了3 2 ，总出口量为1 1 3 4 6 万吨嘲。 2 4 棕榈油的生产工艺 棕榈油是从油棕果房中分离的果肉压榨制取的。新鲜果实中含有脂肪酶， 中间隔有一层膜，未与油脂直接接触，果实一经损伤，脂肪酶会立即在油中作 用。因此采收后的果房应尽快处理，以降低毛油中游离脂肪酸的含量，减少精 炼时中性油的损失，提高产品的收集率和质量。棕榈油的制取工艺如图2 1 所 示。从棕榈园运来的新鲜果束，先在3 k g c m 2 的直接蒸汽进行热处理，使脂肪 酶失去活性，控制中性脂肪的分解，使果实和果房易于分离。然后经旋转滚筒， 将果肉与果房，茎，叶分离。采用直接蒸煮或间接加热对果肉进行处理后，用 螺旋压榨机榨取油分。因为榨取的毛油中含有很多的水分和纤维等杂质，需要 在沉淀罐中在8 5 9 5 下静置沉淀，将上层澄清的油经离心分离，真空干燥， 冷却到5 0 c 保存。离心分离后的下脚料再返回至沉淀罐。从榨油机中排出的饼， 经风选分为果核和纤维。果核在进一步分离为果仁和壳，果仁经干燥，使其水 分控制在8 以下，再集中到棕榈核( 仁) 油厂。棕榈核油的加工与食用油通用的 压榨法uj ，预榨浸出法【8 】和溶剂浸出法【9 】相同。 第二章棕榈油加生产及棕榈油废水介绍 雠，7 一l 一 惦果 18 5 9) - c 。污粤 昕法) 飞毫i l p 离 核仁壳分离- 壳 j 干是咽 2 5 棕榈油的物理和化学性质 棕榈油的一般性质，脂肪酸及三酸甘油酯的组成如表l 所示。从表2 - 1 中 可知，棕榈油中饱和脂肪酸( s ) 与不饱和脂肪酸( u ) 各约占5 0 左右。其中饱 茎三兰堡塑塑垫生兰墨堡塑塑堕查坌塑 和脂肪酸以棕榈酸( c 1 6 ：o ) 为主，不饱和脂肪酸以油酸( c 1 8 ：1 ) 为主，其他硬 脂酸( c 1 s ：0 ) ，亚油酸( cs s ：2 ) 含量较少。与一般食用油比较，其稳定性好， 氧化稳定性( a o m ) 在5 0 6 0 h ，熔点高：3 1 3 8 c 。在三酸甘油酯( t a g ) 的多种组合中，以s u s ( 4 2 8 ) ，s u u ( 3 4 4 ) 为主。 在棕榈油的微量成份中，不皂化物在i 以下，其中胡萝h 素，生育酚， 磷脂，铁等的含量如表2 - 2 所示。 表2 - 1 棕榴油的一般性质，脂肪酸及三酸甘油脂的组成 桷麓擘 蕾 蕾 蠢 童奠 乎琦嚣 量 平搏 慧 , r - 舟点。c )e 1 i ，擘r “1 1 0 一1 1 5 舡“6 0 2 一比1 t l l1 9 舢- - o lo $ 1 1o o 舶lo 坫 “i h 一“s l 量 ：船：( 由 1 一嚣v “ 1 略王甜h 4 s i t1 汹1 t l t 1 盯 健 s 1 o 韩i猫1m o l i i o 。0s t e l 。t - “4 量 毫化臂l 辨i 釉l 。0l 蝣，1 5 4 ，2 0 2t 0l i r a 枷o 苯毫仡臂“l s “1 5 l 一si _ 邛1 o 采骨置采重m l o l曩厦z o l“1 5 丑i a a l t d ! p o r i m 曩格藏鬟 “。_ 。- _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h - 1 _ - - 。_ _ 一 毒嗡 似1 , 9 ，i：。：= ：篙：譬 茎 q c s 。u l 堋e o l s 9 “0 1 1 ；。9 “1=，嚣。 墓旧： 。l e o $1 9 , 1竺 ：= = j 。lc 口口28 3 9 4 1 o k 矗衡i v 5 “l 1 ”。h i蓝 羞jp 鞋p 5u o p o m l p3m l ，6o 。l $ l l 0 1 j 硅s “lm o s o ip m ,1p o l e 5o l o9 , 1 * 【”p “p m o “3p p lo p l o o l l 。fp 船 o lp p o ，i p o o 1 1 s o l o 5 l 0 0 1 t | p s p i lp s o 0 4 p i p i ，o p l 9 0 0 l o l p o $ _ p s s o lp o p 2 l 7p s i “，l $ oa 1l l l o 1 _ 。ti 蒿囊 o 1 p o s 7p l s i z0 0 0o 3 其量 o 1 ”1 | s p o os p l 1 。一 并f s s o 1 s 0 0 i 8 【 泌“。8 留： o s 0 0 2 骨t b3 r 托4 1 4 1 “l 6 第二章棕榈油加生产及棕榈油废水介绍 表2 - 2 棕榈油的微量成分 毛搪 糖奠蕾( p p m ) 曩出蕾 0 曩赡肘誓x 6 0 “l的 橱，h 囊( p p a ) 拍一， 囊苴p 1 ) 柏o1 2 0 0 g - - $ , 0 0 0 t ( p p m ) l t l 8 0 0 童胁壤炭化董 1 0效果好，工艺成熟 效果好，操作简单。工 化学凝聚乳化油 1 0 艺成熟 电解乳化油 1 0 除油率高，可连续操作 占地面积大，产生浮 渣浮油难处理 占地面积大，药剂用量 大，污泥难处理 耗电量大，装置复杂， 消耗大量铝材，难大型 化。电解过程有h 2 产 生。易爆 第三章含油废水处理中的常见工艺 第四章生化处理废水的介绍 第四章生化处理废水的介绍 在污水处理过程中，可以利用生物降解作用去除污染物质。生物降解是指 由生物催化的复杂化合物的分解过程。利用生物处理技术进行污染物的无害处 理已有近1 0 0 年的历史。生物处理的主体是微生物。生物降解过程本身以微生 物的代谢为核心，化合物在分解过程中则遵循化学原理。 在实际应用中，微生物一般主要对污水有害化合物中的有机物质起降解， 转化的作用，有机物的转化广义上可定义为两种：“矿化”和“共代谢”： 矿化( m i n e r a l i z a t i o n ) ：将有机物完全无机化的过程，是与微生物的生 长过程相关的过程。 共代谢( c o m e t a b o l i s m ) ：有些合成的有机化合物不能被微生物降解， 但若有另一可供作碳源和能源的辅助基质存在，它们则可被部分降解，这个作 用称为共代谢。共代谢不仅包括微生物在正常生长代谢过程中对非生长基质的 共同氧化( 或其他反应) ，而且也包括了休止细胞( r e s t i n gc e l l ) 对非生长基质 的转化。共代谢的机理目前尚不十分清楚，认为是由非专一性的酶促使反应完 成的。共代谢现象的存在已得到普遍证实。 在污水处理的过程中，根据环境可以分为好氧处理和厌氧处理两个过程。 4 1 好氧处理 图4 - 1 好氧降解的一般途径 在有氧条件下，有机物在好氧微生物的作用下氧化分解，有机物浓度下降， 第四章生化处理废水的介绍 微生物量增加。在这一过程中，有机物的降解、微生物的增殖、溶解0 2 的消耗 这三个过程是同步进行的，也是控制好氧生物处理成功与否的三个关键过程。 图4 1 为有机物好氧降解的一般途径。 4 2 厌氧处理 在厌氧条件下，利用多种厌氧或兼性厌氧微生物的代谢活动n 6 】，将有机物 转化为无机物和少量细胞物质的过程。 厌氧生物处理一般分为四个阶段：水解，发酵，产乙酸，产甲烷。这些物 质主要是大量的生物气体即沼气。沼气的主要成分是c 地和c 0 2 。其过程大致 如下图所示： 复杂有机鲁 囊承化食物麓自履脂娄 l 棚 i 篱簟藩_ 性有机错 l ( 1 ) l 发一 l 膊一叠( 丙一 ( 1 丁t 己尊乳t 辱) 乞，产氧产乙一弋， i = 曩佗囊l 墨笔同墨产乙- lf。i t 彳 甲蟪一氯化曩 产甲, e f l e 用 n ) 童- 蕾2 产产乙t 一3 ) 两疆产乙簟 “ 刺用h t r , m c ：o l 鲍产甲德- 5 分乙l 的产单槐 图4 - 2 厌氧处理的一般过程 ( 1 ) 水解阶段：高分子有机物由于其大分子体积，不能直接通过厌氧菌的 细胞壁，需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的有机 物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麦芽糖和 葡萄糖，蛋白质被分解成短肽和氨基斟 】。分解后的这些小分子能够通过细胞 壁进入到细胞的体内进行下一步的分解。 ( 2 ) 酸化阶段：上述的小分子有机物进入到细胞体内转化成更为简单的化 合物并被分配到细胞外，这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸【峙l ，同时还有部 分的醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。 ( 3 ) 产乙酸阶段：在此阶段，上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、 氢气以及新的细胞物质。 第四章生化处理废水的介绍 ( 4 ) 产甲烷阶段：在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化 成甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程最为重要的阶 段和整个厌氧反应过程的限速阶段。 在上述四个阶段中，有人认为第二个阶段和第三个阶段可以分为一个阶段， 在这两个阶段的反应是在同一类细菌体内完成的。前三个阶段的反应速度很快， 如果用莫诺方程来模拟前三个阶段的反应速率， u = 竺璺坚兰呈( 4 1 ) k + p 式中的k s ( 半速率常数) 可以在5 0 m g 1 以下，p 可以达到 5 k g c o d k g m l s s d 。而第四个反应阶段通常很慢，同时也是最为重要的反应 过程，在前面几个阶段中，废水的中污染物质只是形态上发生变化，c o d 几乎 没有什么去除，只是在第四个阶段中污染物质变成甲烷等气体，使废水中c o d 大幅度下降。同时在第四个阶段产生大量的碱度这与前三个阶段产生的有机酸 相平衡，维持废水中的p h 稳定，保证反应的连续进行。 4 3 应用微生物的常见处理方法 目前，污水的微生物处理主要有活性污泥法，生物膜法，厌氧处理法，氧 化塘法等。 4 3 1 活性污泥法 活性污泥法处理装置是由曝气池和沉淀池两个部分组成。曝气池商度充气， 污水在其中和活性泥不断混合，水中的有机质被污泥吸附，部分被氧化分解， 部分随污泥进入沉淀池。污泥在沉淀池内沉淀，清水流出。沉淀污泥部分回流 再生，部分为剩余污泥被排除。 活性污泥对有毒物质由较大的缓冲力，只要毒物不超出一定限度，污泥就 可以发挥作用。 4 3 2 生物膜法 生物膜法是利用生物滤池处理污水，最初是从酒滴池开始的，并不断得到 改进，出现了塔式滤池，生物转盘，浸没滤池法等多种形式，处理原理基本相 同。 酒滴池是主要由碎石铺成的滤床。处理污水时，水从顶上洒下，各种微生 第四章生化处理废水的介绍 物随污水通过滤床时吸附与石块上，不断生长繁殖成一层微生物膜。 对不断通过的污水中的有机物由很强的吸附，吸收和降解能力。 4 3 3 厌氧处理法 厌氧处理法通常用于不溶性有机物质，如纤维素含量高的污水， 的工业废水，也经常用于处理剩余污泥。( 如后图4 3 ) 4 3 4 氧化塘法 这一层膜 或高浓度 这个方法是利用自然水生生态系统处理污水，将一块较大的，阳光充足的 场地开辟为一个大而浅的池塘，便于风浪对水层的搅动，有利通气。氧化塘中 同时可以进行好氧和厌氧性分解作用和光合作用，三种作用互相影响。 g a so u t l e l 隧撼黝弱鳓燃愿篾溯 s u p e r n a t a n ! 。溺 鍪琵篡复。o 羔：二邈爹。囊缁 j s l u d g eo u t l e t 图, 1 - 3 厌氧反应器 s c u mr e m o v a i s u p e r n a t a n t 。r e m o r a l 第五章棕榈油废水处理工艺的初步确定 第五章棕榈油废水处理工艺的初步确定 通过对棕榈油废水水质性质的研究，以及处理含油废水工艺的研究，含油量 高，c o d ，b o d 等污染物都比较严重的棕榈油压榨及炼制废水，必须经过预 处理来尽量降低水中浮油的含量以及乳化油的含量，为后续的工艺降低处理负 荷，再进而通过生化工艺使棕榈油废水中的油污分解为小分子，才可以通过后 续的工艺，将油分除去。而且在此过程中，污水中的c o d ，b o d 也可以通过生 化反应得以去除。由于浮油( 团) 和水的密度差别较大，可以通过物理方法， 使油水分离，而乳化油由于与水密度相似，而且油珠的粒径较小，必须经过破 乳处理，使细小的油珠集结成大的油珠，才可以通过物理等其他手段使其与水 相分离。但是在生化处理中，油分如果不是乳化状态，由于油分在液体的上层， 与反应器内污泥和生物接触的机会较少，很难通过生化反应使其降解。因此生 化反应在设计中，必须能够使物化处理后的悬浮油被吸附，进而长时间在生化 反应器内留存的设计，这样通过长时间的留存与生物接触，才有机会被降解掉。 而乳化油由于在水中是细密分布的，没有明显的相界限，所以，生物可以直接 和乳化油接触，并对其进行分解。 由于棕桐油的化学成分为棕榈油中饱和脂肪酸( s ) 与不饱和脂肪酸( u ) 各约占5 0 左右。其中饱和脂肪酸以棕榈酸( c l 鲫) 为主，不饱和脂肪酸以油 酸( c 1 8 ：1 ) 为主，其他硬脂酸( c 1 8 o ) ，亚油酸( c 1 8 0 ) 含量较少。与一般食用 油比较，其稳定性好，氧化稳定性( a o m ) 在5 0 6 0 h ，熔点高：3 1 3 8 。 在三酸甘油酯( t a g ) 的多种组合中，以s u s ( 4 2 8 ) ，s u u ( 3 4 4 ) 为主。 因此在生化处理中要想降解掉其中的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸，就必须 采用厌氧工艺，使这些脂肪酸在厌氧反应的第一个阶段水解酸化成简单的碳水 化合物，简单碳水化合物，氨基酸和脂肪酸；接着简单碳水化合物和酸被发酵 菌利用，获得供细菌生长的能量，并产生有机酸和氢气作为主要中间产物，部 分有机酸又被其他发酵菌利用，产生氢气和乙酸。氢气和乙酸是产甲烷细菌利 用的主要基质，产物是甲烷。氢气作为电子供体，二氧化碳作为电子受体产生 甲烷。同时乙酸盐裂解，从甲基和羧基发酵反应产生甲烷，如图5 - 1 所示。 第五章棕榈油废水处理工艺的初步确定 水解+ 发酵 产甲烷 图5 - 1 棕榈油厌氧处理的过程 要降解污水中的纤维素，淀粉等c o d 的主要贡献物，就必须采用好氧处理。 因此初步设计的工艺为：格栅+ 隔油池饩浮池+ 厌氧酸化反应器+ 好氧生物 反应器。 图5 2 棕榈油废水处理流程图 此初步设计的工艺成功与否的关键在隔油，气浮和厌氧反应三步。隔油是 将原污水中悬浮油通过物理的方法将其分离出来；气浮是将污水中的乳化油和 一部分在隔油中未被隔除的浮油分离出来。隔油成功的关键在隔油反应器的设 计，而气浮成功的关键在反应器以及曝气方式的设计，厌氧成功的关键在反应 器和优势菌种的培养。因此对气浮和厌氧开展实验，通过实验来辅助工程设计。 第六章厌氧和气浮的实验 第六章厌氧和气浮的实验 6 。1 厌氧污泥的培养 6 1 1 培养时间 2 0 0 6 年5 月1 9 日至6 月2 0 日，由于此季节气温较为暖和，室内气温在3 0 c 左右， 较为适合厌氧污泥的生长。随着季节的变化，气温越来越高，厌氧反应进行中的 温度因素可以不再考虑。 6 1 2 试验装置 由于实验条件和设施的限制，本试验厌氧部分在一个自制的厌氧反应器内进 行，反应器为一个常规的塑料水桶，水桶的容积为2 0l ，采用塑料桶盖密封，并 在盖上开设有排气孔和观察孔。配有一个搅拌机搅拌水体，搅拌速度为1 0 r s ，使 污泥能够一直处于悬浮状态，泥水混合均匀，提高生化性能。由于产生的甲烷气 体的产生量较少，不再进行收集，通过软管外排到户外。装置如图1 一l 所示。 厌氧反应器集水槽 图6 - 1 厌氧反应器简图 6 1 ，3 培养方法及数据采集 反应器放在实验室内，由于没有措施保证恒温，因此水温随天气的气温以及 昼夜温差有所变化，但因为实验室内有空调控温，室内气温的变化并不太大，所 以在运行过程中的水温还是相对比较稳定的。 本实验以葡萄糖为基质，控制每天c 0 d 的起始值在5 0 0 0 6 0 0 0 m g l 。同时加 2 0 第六章厌氧和气浮的实验 入尿素、磷酸氢二钾为n ，p 源的混合营养液( 按c o d ：n ：p = - 2 0 0 ：5 ：1 配制) ，每天加 入营养液i o l ，每天换水一次，来对厌氧污泥进行培养。每天分别测定反应器内 水体的ph 值，污泥沉降比率( s v ) ，产水的c o d ，每周测定一次污泥的浓度 ( m l s s ) 。通过这些数值的指示，来适当调整污泥培养的方法，并掌握污泥培 养的效果。 6 1 4 接种污泥的来源和性质 厌氧活性污泥可以取自正在工作的厌氧反应器或江河湖泊沼泽底部、下水 道及污水集积腐臭处等厌氧环境中的污泥。本次试验用污泥取自天津泰达污水 处理厂污泥脱水车间脱水污泥。污泥已经经过酸性和碱性两个阶段的消化。第 一阶段，微生物将复杂的有机物( 如蛋白质、脂肪和碳水化合物) 分解成为有 机酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢及其他一些硫、磷化合物等。此阶段中， 由于有机酸的大量累积，p h 值迅速下降到7 以下，污泥呈酸性，故称为酸性消 化阶段。参与的细菌称为产酸菌。污泥经酸性消化后，里粘滞状态，仍不易脱 水，总体积缩小不多，并有恶臭。在这个阶段后期，由于所产生的氨的中和作 用，p h 值又逐渐上升，致使另一些统称为甲烷菌的微生物开始活跃起来，分解 有机酸和醇类，产生甲烷和二氧化碳，开始了第二个消化阶段。随着甲烷菌的 迅速繁殖，有机酸因被分解而迅速减少，p h 值很快上升到7 以上，污泥变为碱 性，称为碱性消化阶段。消化后的污泥称消化污泥或熟污泥。熟污泥体积显著 缩小，星黑色粒状结构，易脱水，性质稳定。 实验接种的污泥是灰黑色的成熟污泥，带有轻微的焦油气，无硫化氢臭， p h 值在6 9 。消化污泥培养正常时的指标和参数见表6 1 。 表6 - 1 消化污泥培养正常时的指标和参数 第六章厌氧和气浮的实验 6 1 5 污泥接种量 厌氧系统要成功启动和运行要求参与第一阶段水解的微生物和参与第二 阶段反应的发酵微生物之间保持适当的平衡。在启动时，接种适当的污泥，当 微生物种群稳定后，控制好有机酸产物和p h 值，就可以实现这一平衡。理想 状况下，一个厌氧反应器应该接种消化污泥或者从厌氧处理系统中取来的污泥。 因为参与第二阶段反应的关键微生物的倍增时间很长( 3 5 下为4 d ) ，接种污 泥必须含各种细菌而且活性好。如果接种物只含少量产甲烷菌，启动时间会变 得很长。要确保厌氧系统正常运行，每毫升反应器体积应含有约1 0 l 1 0 9 个关键 微生物。如果接种只含1 0 3 数量级的关键微生物，那么改种群的细菌数量就需 要增加1 0 6 倍。需要2 0 次倍增，在3 5 下约需要8 0 d 。如果温度比较低，倍增 时间还会增加，每降低l o ，倍增时间增加2 倍。 反应器启动时的负荷不能太大，以保证由生长速率快得多的发酵菌产生的 有机酸不超过反应器的缓冲能力。否则，反应器内部的p h 就要降低，产甲烷 菌群会被杀死。启动的关键步骤是： 接种尽可能好的厌氧污泥； 加入接种污泥和水； 调整到合适的温度； 投加化学缓冲剂，例如碳酸氢钠，来防止反应器内p h 值降低； 投加少量有机物，使通过发酵产生的有机酸不超过2 0 0 0 , 一4 0 0 0 m g l ，同时 保证p h 在6 8 7 6 之间。这些有机酸是产甲烷菌种群生长的食物来源。当反应 达到足够的倍增时间，有机酸浓度将显著降低。在这样一个平衡下，根据系统 负荷，有机酸浓度将渐渐保持在不超过1 0 0 2 0 0 m g l 的水平。 鉴于以上的认识，本次试验在污泥的培养阶段，接种了3 0 容器容积的污泥， 本次实验污泥接种比例较大，这样有利于启动时间的缩短，同时接种污泥中所含 微生物种类的比例也相对协调，以便于污泥快速增殖。在接种过程中，保持反应 器温度处于3 0 2 范围内，使微生物的增殖处于最佳的环境状态。 6 2 培养过程 每天上午8 时对经过2 4 h 反应处理的水进行取样，测定水温( t ) ，污泥沉降 比( s v ) ，p h 值，并测定c o d ，然后对数据进行分析，是否需要对p h 值进行调 整，并与前几天数据进行比照，研究污泥的生长情况。下午1 4 时，停止搅拌器工 作，待污泥沉降后，取出1 0 l 的上清液，补进配制好的营养液。 第六章厌氧和气浮的实验 6 2 1 培养期间的测试结果 图6 2 污泥培养期间原水与产水c o d 值 图6 - 3 污泥培养期间p h 值的变化 (1，6eooo 第六章厌氧和气浮的实验 t i m e d a y 图6 - , t 污泥培养期间温度的变化 6 2 2 对培