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u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 摘要 实验研究了采用u b f ( u p f l o w b l a n k e tf i l t e r ) 反应器处理废纸 浆造纸废水的情况。废纸也称为“二次纤维”，利用二次纤维造纸， 可以减少原生纤维纸浆的使用，减少森林消耗，是维持生态平衡、 减轻环境污染的一项重要有效的措施。 首先，经过阅读大量资料文献后，设计制作出u b f 反应器。 然后，在系统地分析废纸浆造纸废水的形成过程、组成成分、水质 特征以及国内外处理技术现状的基础上，以西安市某造纸厂的废纸 浆造纸废水为研究对象，采用u b f 反应器对废纸浆造纸废水进行 了试验研究。采用经过筛选的i c 系统底部的剩余厌氧污泥作接种 污泥，投加活性炭和对填料进行预处理等方法均可以促进系统较快 速的启动。 启动后当去除率达到6 0 左右的时候进行负荷的提升，负荷提 升手段有两种方式：第一是维持反应器的进水流量基本不变( h r t 不变) ，主要提高进水浓度来提高负荷；第二是维持反应器进水浓 度不变，主要提高进水流量来提高。同时，颗粒污泥量不断增多， 活性逐增加，反应器上部填料滤层生物膜也随之增厚，系统启动完 成并投入运行。 填料滤层的存在使得反应器的体积得以最大限度的利用，反应 器积累微生物的能力大为增强，反应器的有机负荷更高，使其具有 启动速度快，处理效率高，运行稳定等显著特点。填料滤层对有机 污染物具有2 0 左右的去除率，而低温运行期由于受到温度影响， 处理效果变化较大，但仍具有6 7 的平均去除率。试验还确定了 水温、p h 值以及容积负荷等运行条件对u b f 反应器处理效果的影 响。 研究表明该反应器启动快速、具有良好的运行特性和处理效 果。在稳定运行阶段，进水c o d c ，一般为2 0 0 0 m g l 左右时，出水 c o d c ，一般达到6 0 0 7 0 0 m g l ，其c o d c ，总去除率平均稳定在 6 5 7 左右，其最大时达到了6 8 5 。而s s 的去除率最大达到了 6 3 8 9 。在温度2 5 左右，h r t = 1o h ，有机负荷4 3 k g c o d m 3 d 的情况下，所测得的气体产率大概为o 2 7 m 3 k g c o d 去除( 常压下) 左 右。 关键词：u b f 反应器，厌氧处理，废纸浆造纸废水，颗粒污泥 s t u d yo nt r e a t m e n to f r e g e n e r a t e dp a p e r m a k i n g w a s t e w a t e rb yu p f l o wb l a n k e t f i l t e r a b s t r a c t u p f l o wb l a n k e tf i l t e rw a su s e dt ot r e a tr e g e n e r a t e dp a p e r m a k i n g w a s t e w a t e ri nt h i se x p e r i m e n t p a p e rw a sa l s ok n o w na s r e c y c l e d f i b e r ，t h eu s eo fr e c y c l e df i b e rc a nr e d u c et h eo r i g i n a lu s eo fp u l p f i b e ra n dc o n s u m p t i o no ff o r e s t ，w h i c hw a sa ne f f e c t i v em e a s u r et h a t m a i n t a i n se c o l o g i c a lb a l a n c ea n dr e d u c e sp o l l u t i o n f i r s to fa 1 1 a f t e rag r e a td e a lo fl i t e r a t u r ed a t aw a sr e a d ，au b f r e a c t o rw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d t h e n ，a tt h eb a s eo fs y s t e m a t i c l y a n a l y s eo f t h ef o r m a t i o np r o c e s s ，t h ec o n s t i t u t ec o m p o s i t i o n ，t h ew a t e r c h a r a c t e r i s t i co fr e g e n e r a t e dp a p e r m a k i n gw a s t e w a t e rd o m e s t i c l ya n d t h ep r e s e n td i s p o s a lt e c h n o l o g yn a t i o n a ll ya n di n t e r n a t i o n a l l y ，t h e r e g e n e r a t e dp a p e r m a k i n gw a s t e w a t e r f r o map a p e r m a k i n gm i l li n x i a nh a sb e e nt a k e na st h er e s e a r c ho b je c ti nt h ee x p e r i m e n tb yu s i n g u b ft e c h n o l o g y t a k i n gt h ef i l t e r e ds u r p l u sg r a n u l e so f i cs y s t e ma s t h es e e d ，a d d i n gp o w d e r e da c t i v a t e dc h a r c o a la n dp r e t r e a t m e n to ft h e f i l l i n gm a t e r i a la r ea l le f f e c t i v ew a y st op r o m o t eaf a s t e rs t a r t u p o 士 t h eu b fs y s t e m a f t e rt h es t a r t u p ，t h el o a d i n gs h o u l db eu p g r a d e dw h e nt h e r e m o v a lr a t ew a su pt o6 0 ，a n dt h e r ew e r et w ow a y st ou p g r a d et h e l o a d i n g f i r s t l y ，m a i n t a i n t h er e a c t o ri n f l u e n tf l o wu n c h a n g e d b a s i c a l l y ( h r tu n c h a n g e d ) a n dm a i n l yi m p r o v ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n t oi m p r o v ew a t e rl o a d ；s e c o n d l y ，m a i n t a i nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n o fr e a c t o ru n c h a n g e d ，a n dm a i n l yi m p r o v ew a t e rf l o wt oi m p r o v e w a t e rl o a d a tt h es a m et i m e ，t h ea m o u n to fs l u d g ei n c r e a s e d ，s oi t s a c t i v i t ye n h a n c e d ，w h i l et h eb i o f i l m i nt h eu p p e rp o s i t i o no fu b f r e a c t o rt h i c k e n e d t h e nt h es t a r t u pg o tc o m p l e t e da n dt o o kf u n c t i o n t h ee x i s t e n c eo ft h ea fl a y e rm a d et h ev o l u m eo ft h eu b f r e a c t o rf u n c t i o nu t m o s t l y ，t h ea b i l i t yt oa c c u m u l a t em i c r o o r g a n i s m b e c a m es t r e n g t h e n e dg r e a t l y ，a n dt h eo r g a n i cl o a do ft h er e a c t o rw a s h i g h e r w h i c hm a d et h eu b fr e a c t o rh a v ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s s t a r t i n gu pq u i c k l y ，t r e a t i n ge f f e c t i v e l ya n dr u n n i n gs m o o t h l y t h e r e m o v a lr a t eo ft h eo r g a n i cp o l l u t a n t sc o u l dr e a c h e da b o u t2 0 b ya f l a y e r ，w h i l ei tw o u l dg e ta f f e c t e di nt h el o wt e m p e r a t u r es i t u a t i o n ，a n d t h ee f f e c to ft r e a t m e n tc h a n g e dg r e a t l yb u ti tc o u l ds t i l lr e a c h6 7 o n a v e r a g e a n dt h ee x p e r i m e n ta l s oc o n f i r m e dt h a tt h ee f f e c to fw a t e r t e m p r e t u r e ，p ha n dv o l u m el o a do nt h eu b fr e a c t o r i ti n d i c a t e dt h a tt h es t a r t u po fr e a c t o rw a sf a s ta n dh a dg o o d o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r e a t m e n te f f e c t t h ec o d c ro fe f f l u e n t c o n c e n t r a t i o n g e n e r a l l y r e a c h e d 6 0 0 - 7 0 0 m g l w h e ni n f l u e n t c o n c e n t r a t i o nw a sa r o u n d2 0 0 0 m g ld u r i n gs t a b l e o p e r a t i o ns t a g e t h el a r g e s tr e m o v a lr a t eo fc o d c rw a s6 8 5 a n dt h ea v e r a g ew a s 6 5 7 w h i l et h el a r g e s tr e m o v a lr a t eo fs u s p e n d e ds o l i dw a su pt o 6 3 8 9 a ta b o u t 2 5 ， g a sp r o d u c t i o n r a t ew a sa b o u t o 2 7 m j k g c o d r e m o v a l ( a m b i e n tp r e s s u r e ) w h e nh r tw a s 1o ha n d o r g a n i cl o a dw a s4 3 k g c o d ( m d 、1 k e yw o r d s ：u b fr e a c t o r ，a n a e r o b i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n t ， r e g e n e r a t e dp a p e r m a k i n gw a s t e w a t e r ，g r a n u l a rs l u d i v u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 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 进行研究所取得的成果。除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。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蛐盘 日 期：2 q q 窆生匀 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、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；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 晒自导师签名：埠日期：2 q q 缝月 u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 1 绪论 1 1 目前我国造纸废水的污染现状 造纸工业在世界上曾经是一个严重破坏环境、污染环境的重要行业之一。主要原因是 造纸原料的9 0 来自于被砍伐的大片森林树木，以及制浆造纸过程中产生的大量对环境 有污染的废水。从6 0 年代初，制浆造纸工业有了成功防治污染的方法，并不断完善，至 今有些造纸厂已经完全达到了清洁生产。但一方面，草浆造纸废液的治理依然不尽完善， 严重制约了草浆的应用；另一方面，木材纤维优良的特性使之成为高级纸张的主要原料， 因此在国际上现代的造纸工业仍然采用9 0 以上木浆。然而，随着世界范围内的环境恶 化和能源短缺问题的日益严重，如何充分利用资源、研究节约能源变废为宝的资源优化 技术正在受到全世界范围的关注。为了弥补木材原料的严重不足，利用废纸生产的脱墨 浆替代部分木材原浆作为造纸原料已经成为造纸行业普遍采用的方法，废纸的回用已经 受到世界各国的高度重视。 制浆造纸工业是用水大户，节约水资源，建立可持续发展的水资源利用模式，不但 是社会经济发展和环境保护的需要，对于造纸工业本身的发展也是性命攸关。目前，欧 洲与北美以废纸为原料的制浆造纸厂，不少已实现“零排放 ，即完全没有废水的排放。 目前，废纸制浆造纸废水的会用技术已经成熟，对于脱墨或不脱墨的废纸工艺，在技术 上均可达到零排放【一l 。 我国纸张总产量的4 0 来自于废纸原料，废纸造纸的工厂用水封闭循环程度的提高， 导致有机和无机污染物积累到很高的程度，最终引起循环水质量恶化、设备的腐蚀和纸 张质量问题。对于封闭循环的零排放，废水的用水量相应的减少，而负荷也相应地增加。 在以废纸为原料的造纸厂里建立废水生物处理系统处理循环水，合理设计和工艺控制达 到去除有机污染物，从而使循环水可以全部回用，成功地实现废水的零排放，是废纸浆 造纸废水处理的一个趋势。 虽然现有的废水处理技术基本上能满足需要，然而要切实做到处理效果好、工程投 资少、运行费用低、操作稳定可靠并不易达到。因此，选用经济有效的治理方案，具有 十分重要的意义。 废水好氧处理法的主要问题是反应条件比较苛刻，对设备要求严格，导致治理费用 较高。现行的处理废水的“物化+ 完全好氧处理技术存在能耗高、同时需加入大量化 学药剂、设备腐蚀性大、污泥量大、运转费用高等不足，并且难以满足国家新颁布的造 纸废水的排放标准。厌氧技术投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、 耐冲击负荷、设施占地面积小、可以处理季节性排放的废水、工艺稳定等优点。近年来 陕两科技大学硕士学位论文 厌氧技术受到世人的青睐。 而且，在封闭循环和零排放的工厂中，废水不断的循环使用，有害的物质逐渐积累， 达到很高的浓度。废水的厌氧处理技术以其运行成本低、节约能源、污泥易于处置等优 点，在废水处理中正发挥着越来越大的作用。 废水厌氧处理工艺的实质是利用厌氧微生物的代谢特性，将废水中有机物进行还原， 同时产生甲烷气体的一种经济而有效的处理技术，厌氧生物处理技术的发展起源于城市 污水废污泥的处理，至今已有1 0 0 多年的历史 2 1 ，其间发展非常缓慢，直到2 0 世纪六七 十年代，随着经济的快速发展以及城市的迅猛增容，环境污染和能源紧张问题变得越来 越严重时，厌氧处理工艺作为一种低能耗的有机废水生物处理方法，才得到人们越来越 广泛的重视。 我国造纸行业中中小企业偏多，规模普遍较小、生产能力较低、生产工艺和设备落 后，管理水平不高，原料资源消耗量大，严重影响我国造纸行业的发展及造纸废水处理 技术的应用推广。由于竞争压力越来越大，造纸生产利润率逐渐下降，而企业能提供造 纸废水处理的运行费用也是寥寥无几。因此，目前寻求投资小，运行费用低的废水处理 工艺、设备显得尤为重要。本课题正是基于这样的前提下，以期提供高效、简便、可行 的方法，为实现造纸行业的零排放做出贡献，为造纸行业的发展贡献力量。 1 2 废纸浆造纸废水的概述 1 2 1 废纸浆造纸废水的来源 废纸也称为“二次纤维 ，利用二次纤维造纸，可以减少原生纤维纸浆的使用，减少 森林消耗，是维持生态平衡、减轻环境污染的一项重要有效的措施。按照国际有关数据， 每生产1 t 再生高档文化纸，可节约l o o t 净水、6 0 0 度电、3 m 3 木材或9 棵百年大树、1 1 2 t 煤、3 0 0 k g 化工原料，少产生3 m 3 固体废物、6 0 磅工业废气，且可节省大量用于处理废 渣的资金。此外，再生纸生产使用的化学药剂比使用机械浆少，对河流的污染也要比原 生纸生产小得多。因此，在世界性能源危机和生态保护日趋重要的今天，废纸的再生更 加受到人类的关注。据有关专家预测，2 1 世纪未来的5 0 年内，原浆的产量与纸和纸板 的产量之间的差距将越来越大，其差额部分将主要由二次纤维来补充p l 。 利用废纸进行制浆造纸，在废纸的碎解、洗涤、浆料的筛选、净化、浓缩都会产生大 量的废水，而这些废水就是本实验的废水来源。 1 2 2 废纸浆造纸废水的特点 废纸制浆造纸虽然没有黑液，废水污染负荷相对较低，但由于废纸制浆造纸工业是 高耗水行业，仍不可避免要产生废水。这类废水的主要特点是：废水量大，一般每生产 一吨废纸浆，废水量高达6 0 m 3 ：废水中含有大量的悬浮物，其主要成分是油墨、细小纤 2 u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 维、填料及泥沙等；废水中s s 和c o d c ，等污染物指标较高 4 1 。 曩可溶性有机物的积累 废水封闭循环后，可溶性有机物在水中积累，造成水温升高，为微生物生长创造了 条件。粘液和丝状的微生物，由于能够附着在容器壁而易于生长，成团的带粘液的微生 物与纤维一起形成腐浆( s l i m e ) ，由腐浆生成的h 2 s 和挥发性脂肪酸( v a f ) 容易造成纸页的 空洞、透明点等纸病，甚至造成抄造断头而影响产品质量。因此可溶性有机物是封闭循 环水处理中的首要污染物。 b 盐的积累和腐蚀问题 废水中的阳离子除了钠盐以外，还有钙盐如c a s 0 4 和c a c 0 3 。c a c 0 3 来自废纸中的 填料和涂布层，会与微生物产生的v f a 缓慢地进行反应，生成c 0 2 和c a 2 + 。c 0 2 易引 起气泡和泡沫，产生纸病和断头，严重影响抄纸。c a 2 + 会和树脂酸、s 0 4 2 。生成c a s 0 4 ， 在纸机网部形成垢层，造成糊网、粘辊等问题，难于抄造。s 0 4 2 和高浓度的v f a 以及 细菌的生长都会引起腐蚀，而温度的升高又加速了腐蚀。 c 二次胶粘物问题 二次胶粘物( s e c o n d a r ys t i c k i e s ) 是指工艺过程中形成的具有胶粘性的憎水和部分憎 水性物质。二次胶粘物可存在于水中或沉积于设备表面，虽然憎水，但大部分却带有电 荷，能暂时稳定于水中。二次胶粘物引起的抄造问题相当于树脂障碍，会使纸浆粘度升 高，网部滤水困难。 1 3 废纸浆造纸废水的处理工艺 1 3 1 物化处理工艺 白水气浮法处理技术是使空气在一定压力的作用下溶解于水中，再经过减压释放形 成极微小的气泡，使其与处理的白水混合，微小气泡粘附在白水中的纤维或细小填料上， 而后一起上浮于水面并被去除，达到白水净化的目的。经过处理，循环白水中大部分的 细小纤维、石蜡、油墨以及各种胶粘物都能得到去除，而后可作为碎浆机碎浆用水，以 消除废水循环使用对制浆造纸系统和产品质量造成的不良影响。 目前常用的气浮法是高效浅层气浮技术，处理设备为涡凹式气浮装置。废纸制浆造 纸废水经该工艺处理后，c o d 、s s 去除率分别达到9 0 和9 9 以上，出水水质达到造 纸工业废水排放二级标准。涡凹式气浮装置具有技术含量高、投资省、运行费用低、操 作简便、适应性强等优点。 1 3 2 生化处理工艺 电化学法是新型的水处理技术，其直接或间接地利用电解作用将水中的污染物去除 或将有毒物质转化为无毒、低毒物质。已有研究表明，电絮凝法( 或电化学凝聚法) 用 陕西科技大学硕士学位论文 于处理污染物浓度较高的废纸制浆造纸废水，不需要采用预处理去除悬浮物，可在低电 压和低电流的条件下运行，安全性高，而且与化学凝聚法相比，耗费低，废水的浊度去 除率和c o d 去除率分别可达9 5 和6 0 ，有较好的推广应用前景【们。 1 3 3 综合处理工艺 采用“厌氧( 水解酸化+ 活性污泥+ 氧化塘) ”工艺，同时辅以合理的物化预处理和 深度后处理工艺。如预处理的纤维回收、选择性物化处理和后过滤处理技术。 废水处理过程为：从生产车间来的造纸废水先后经过细格栅和纤维回收系统，滤去 纤维等较小的漂浮物后，进入调节池进行水质水量调节，同时保证后续处理构筑物的正 常运行。然后再提升至初沉池，去除大量的非活性悬浮物( s s ) 及部分b o d 5 ，减轻后 续处理构筑物的负荷，沉淀的物化污泥排至污泥浓缩池，出水进入生化处理系统。 出水首先进入脉冲布水器均匀脉冲布水，在水解和产酸菌的作用下，污水中大分子 有机物被分解成小分子有机物，使污水中溶解性有机物显著提高；在短时间内和相对较 高的负荷下获得了较高的悬浮物去除率，改善和提高了原水的可生化性，有利于后续处 理进一步降解。厌氧池出水进入活性污泥池，利用好氧菌吸附、氧化、分解污水中的有 机物；活性污泥池出水在辐流沉淀池泥水分离后排入氧化塘，再提升到砂滤池，砂滤池 过滤后自流入回用水箱，由回用水泵送车间回用水箱。 废水处理过程所产生的污泥脱水后外运进行处置。 水解酸化的处理效果取决于：足够的污泥浓度；良好的泥水混合；足够的污水水力 停留时间；合适的污泥留存方式。在废纸造纸废水处理工程的运行过程中，当污泥浓度 和水力停留时间一定时，泥水混合程度和污泥留存方式就决定了水解酸化的处理效果。 在废水处理工程中，曝气系统的能耗是废水处理日常运行成本中最主要的组成部分。 因此应合理选择高效节能的曝气器，避免造成不必要的浪费。 典型工程就是山东某纸业有限公司废水处理站，主要处理废纸生产箱板纸产生的废 水，采用厌氧好氧及深度处理技术，日处理造纸废水2 万吨。该工程于2 0 0 4 年1 2 月动 工建设，2 0 0 5 年1 0 月投入运行。废水处理后出水各项指标均达到回用水要求，可全部 回用于生产。该工程实现了以废纸为原料的造纸厂的废水封闭循环，做到了低消耗、低 排放、高效率的资源高效利用，解决了企业生产过程中高消耗、高污染和资源环境约束 问题1 6 1 。 1 4 研究的依据 1 4 1 研究的技术依据 在厌氧生物处理工艺发展过程中，反应器是发展最快的领域之一，以厌氧消化池1 7 1 为代表的第一代厌氧反应器由于无法对水力停留时间和污泥停留时间分离，造成处理废 4 u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 水的停留时间至少需要2 0 - 3 0 天，因此处理效率极低。2 0 世纪5 0 年代诞生了厌氧接触 工艺【i 】2 0 世纪6 0 年代出现厌氧滤池 9 1 ，以及1 9 7 4 年荷兰l e t t i n g a 等人0 0 1 开发出了u a s b 反应器，标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代，以这些反应器为代表的第二代厌氧 反应器的共同特点，就是实现了污泥停留时间与水力停留时间相分离，从而提高了反应 器内污泥的浓度。 高效厌氧反应器中不仅要分离污泥停留时间和水力停留时间，还应使进水与污泥之 间保持充分的接触。但是单纯地改善混合状况有时会出现污泥的流失，因此为了解决这 一问题，2 0 世纪9 0 年代国际上相继开发出了以厌氧膨胀颗粒污泥床( u a s b ) 、内循环 式厌氧反应器( i c ) 、厌氧上流污泥床过滤器( 切弹) 等为典型代表的第三代厌氧反应 器。 由于u a s b 为使污泥膨胀，采用出水循环，需要更高的动力，而i c 启动时间较长， 反应器内平均剪切速率较高，颗粒污泥的强度相对较低，所以本研究将选用第三代厌氧 反应器之一；厌氧上流污泥床过滤器( u p f l o wb l a n k e tf i l t e r ) 来处理废纸浆造纸废水， 因为对于可以驯化出颗粒污泥的废水，u a s b 、e g s b 、i c 等反应器具有更强的竞争力， 而对于不易( 甚至不能) 驯化出颗粒污泥的废水，例如p h 值低、含盐量高、有生物毒性、 波动冲击范围较大、组成或种类变化频繁的废水，如果采用颗粒污泥化的反应器会遇到 较大的问题，在这些情况下u b f 反应器的竞争力更强。而且u b f 内颗粒污泥浓度高， 密度大，沉淀性能好，不需污泥回流装置和出水的剩余污泥分离装置，有效降低了建设 费用和运行成本，使之非常适用于工业化的废水处理。 1 4 2 研究的理论依据 u b f 反应器是由上流式污泥床( u a s b ) 和厌氧滤器( a f ) 复合而成，反应器下面是高浓 度颗粒污泥组成的污泥床，上部是填料和其表面附着的生物膜组成的滤料层。u b f 反应 器极大地延长了s r t ，反应器内污泥的浓度高，增强了反应器对不良因素如有毒物质的 适应性，能够高效、稳定地处理高浓度难降解有机废水】。 au b f 的结构特点 结合废纸浆造纸废水的水质、水量变化特点，本实验采用的u b f ，依据u a s b 反应 器的工作原理，但在结构上进行了改进，即在反应区加装填料。其优点主要：在较高 的水力负荷条件下，由于下部填料的截留、阻挡和吸附作用( 兼有布水作用) ，易于在下 部形成污泥层，使得u b f 具有膜法和活性污泥法的双重特点；经沉淀区和三相分离器 处理后，脱落的生物膜及气液固三相介质分离后，悬浮固体回流到反应器内，降低了 出水中的s s ，同时保持了反应器中较高的厌氧活性污泥量；能够忍受水量、水质的波 动变化而不致使系统失稳，克服了u a s b 在此方面的缺点。 bu b f 的动力学控制 陕西科技大学硕士学位论文 厌氧过程中，微生物将有机物分解的过程分为3 个阶段，本研究通过控制废水在反 应器中的停留时间( h r t ) 来将厌氧反应控制在水解酸化阶段。从物理含义上讲，h r t 仅 反映污水在反应器中的平均反应时间，不涉及反应条件，但与之相关的水力负荷即是反 应器中污泥沉淀条件和污泥浓度的水力决定因素。因此在厌氧反应器的动力学控制中具 有重要作用。本研究就是根据水解酸化的进程特点，适当控制h r t 以达到不完全厌氧消 化的目的。 现有的u b f 反应器的运行参数主要是参考u a s b 或a f 反应器选取的，而关于u b f 反应器独立的性能参数还很少。国内外这方面的研究较少，对用u b f 处理废纸浆造纸废 水的相关参数还未见报道【t 2 】。为此，本课题将对用u b f 生物反应器处理高浓度废纸浆造 纸废水时运行参数的选取问题进行试验研究。 6 u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 2u b f 工艺介绍 2 1u b f 工艺的发展 2 1 1 废水厌氧生物处理技术的发展 厌氧生物处理技术发展至今已有1 2 0 多年的历史。早在1 8 6 0 年法国人l o u i sm o u r a s 把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用。1 8 8 1 年法国c o s m o s 杂志上登载了 m o u r a s 介绍创造的处理污水污泥的自动净化器。美国学者m e c a r t y 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 是第一个应用厌氧消化处理的创始人【- r i o 。2 0 世纪 7 0 年代以来，随着能源问题的突出，各国迫切需要开发高效节能的废水处理新工艺，而 废水厌氧处理技术因其具有运转费用低、产生的甲烷气可进行能源回收利用以及在处理 高浓度废水方面的一系列优越性而得到迅速的发展，并出现了一批以升流式厌氧污泥床 反应器( u a s b ) 、厌氧滤池( a f ) 等为代表的第二代厌氧反应器处理技术。有人把2 0 世纪5 0 年代以前开发的厌氧消化工艺称为第一代厌氧反应器，而把6 0 年代以后开发的 厌氧消化工艺称为第二代厌氧反应器。主要第一代和第二代厌氧处理工艺和设计参数见 表2 1 。 表2 - 1 第一代和第二代主要厌氧处理工艺1 1 3 l t a b l e 2 1t h ef i r s ta n ds e c o n dg e n e r a t i o nm a j o ra n a e r o b i ct r e a t m e n tp r o c e s s 第二代厌氧反应器的特点是污泥龄( s i 玎) 与水力停留时问( h r t ) 分离，两者不 7 陕西科技大学硕士学位论文 相等。在厌氧处理高浓度有机废水时，反应器可以维持很长的s r t ，而h r t 由原来的数 十天缩短到几天乃至十几或几小时，反应器所需容积大大缩小，在保证处理要求的前提 下，处理效能大大提高。 第二代厌氧生物处理工艺已经在世界各国得到了成功应用，其中应用最广泛的当属 u a s b 工艺，其应用率达到了工业化厌氧反应器的6 5 。但目前所应用的以u a s b 为代 表的第二代反应器存在一些缺点，如在结构方面，高径比小，因而占地面积大；在大规 模反应器中难以实现均匀布水；u a s b 三相分离器合理设计和稳定操作较为困难等。因 此在u a s b 基础上发展起来了第三代高效厌氧处理工艺，如1 9 8 2 年把u a s b 反应器与 a f 反应器结合开发出了u b f 反应器，又称厌氧复合反应器。1 9 8 2 年在u a s b 反应器基 础上开发出了以处理含高固体的废水反应器u s r ( u p f l o ws o l i dr e a c t o r ) ，并在u a s b 可形成颗粒污泥的基础上于1 9 8 1 年开发成功了e g s b ( e x p a n d e dg l a n u l a r ) 和1 9 8 5 年 开发出内循环厌氧反应器，即i c ( i n t e m a lc i r c u l a t i o n ) 反应器等。 第三代厌氧生物反应器具有如下几个特点：微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于 反应器中，反应器单位容积的生物量更高；能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机 污染物净化效能；具有较高的高径比，一般在5 - 1 0 以上；占地面积小，动力消耗少。 本文拟采用u b f 反应器进行试验研究。 2 1 2u b f 工艺的出现 厌氧生物技术随着人们对其技术原理的认识的深入和生物科学技术的发展而得到越 来越多的重视与研究应用，它为高浓度工业有机废水和生活污水等的处理提供了重要的 方法。 2 0 世纪6 0 年代末，在美国y o u n g 和m c c a r t y t t7 】基于微生物固定化原理首次发明了 一种高效厌氧反应器即厌氧滤器( a f ) ，使污泥在反应器内的停留时间极大地延长，容积 负荷由一般反应器的4 - - 一5 k g c o d ( m 3 - d ) 以下提高到1 0 1 5 k g c o d ( m 3 d ) 。 7 0 年代末，l e t t i n g a 8 ) 等发明的上流式厌氧污泥床高效反应器，使颗粒污泥浓度和污 泥与废水的混合效率极大地提高，容积负荷高达2 0 - - - 3 0 k g c o d ( m 3 d ) 以上，在废水处理 中得到了广泛的应用。最初是博士和他的同事们在实验室中进行试验研究的。对容积为 6 0 l 的上流式厌氧污泥床反应器的实验结果表明，该处理装置的处理效能很高，其有机 负荷率高达1 0 k g c o d ( m a - d ) ，此后进行了容积为6 m 3 、3 0 m 3 和2 0 0 m 3 的中试研究。研究 表明，中温条件下，处理甜菜制糖废水的c o d c ，容积负荷高达3 6 k g c o d ( m 3 - d ) ，处理马 铃薯加工废水c o d c ，负荷为1 5 k g ( m 3 d ) 以上，c o d c ，去除率为7 0 - - 9 0 。 其后，荷兰、德国、瑞典、比利时和美国的研究者用u a s b 反应器进行了土豆加工 废水、蚕豆加工废水、屠宰废水、甲醇废水、乙酸废水及纤维板废水的小试或生产性试 验，都取得了较好的结果。我国于1 9 8 1 年开始u a s b 反应器的研究工作，在处理高浓 8 u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 度有机废水方面，已得到了实际的推广应用。 1 9 8 4 年，加拿大的g u i o t o g 】在a f 和u a s b 的基础上开发出了上流式厌氧污泥床滤 器( u p f l o wb l a n k e tf i l t e r ，简称u b f ) 。以微生物固定化和污泥颗粒化为基础所开发出 的u b f 工艺，是一种高效厌氧废水处理工艺，通过对u a s b 反应器上部增设填料而得 到u b f 反应器。u b f 反应器整合了上流式厌氧污泥床( u a s b ) 与厌氧滤池( a f ) 的技术优 点：相当于在u a s b 装置上部增设a f 装置，将滤床( 相当于a f 装置，内设填料) 置于污 泥床( 相当于u a s b 装置) 的上部，由底部进水，于上部出水并集气。u b f 反应器所具有 的多种优点使其在对高浓度污水的处理上显示了很好的效果。 2 1 3u b f 工艺的研究现状 u b f 反应器在水污染防治领域中是一项极具开发应用前景的生物处理新技术。一直 以来，国外都对反应器的应用展开了深入的研究t 2 a - m ! 。 “七五”期间反应器的研究被列入了国家攻关项目，此后多年来我国也对其理论与 应用方面进行了探讨与实验，反应器的研究与应用有了很大的进展。 韩洪军等 2 5 2 6 1 采用厌氧复合反应器( u b f ) 处理高浓度涤纶生产废水试验，在启动初期 投加阳离子聚丙烯酰胺和颗粒活性炭实现了u b f 反应器生产性试验处理系统的快速启 动；稳定运行容积负荷可达1 0 1 k g c o d ( m 3 d ) ，水力停留时间2 2 - 2 4 h ，c o d 去除率8 0 左右，并具有启动速度快，耐冲击负荷等特点。 操家顺f 明用复合厌氧反应器处理印染废水对某印染厂的生产应用研究中发现，在处 理规模6 0 0 0 m 3 d ，u b f 反应器规格为3 2 x 3 2 x 6 3 ( m 3 ) 条件下，u b f 反应器对中等浓度 ( c o d = 8 0 0 , - - , 1 8 0 0 m g l ) 印染废水具有较好的、稳定的处理效果：在中温( 2 0 - - - 3 5 。c ) 、进 水有机负荷1 5 - - - 2 0 k g c o d ( m 3 - d ) ，h r t = 2 0 2 4 h 时，c o d 去除率可达3 8 - - - 6 9 ，色度 去除率6 7 - 7 5 ；u b f 反应器对高浓度( c o d 2 0 0 0 m g l ) 具有较好的适应性，处理效果 良好：在3 5 - - 4 5 、进水有机负荷3 1 3 8 k g c o d ( m a d ) ，h i 玎= 2 4 h 条件下，c o d 去 除率为3 4 1 7 4 6 ，色度去除率为6 0 - - - 8 0 5 。 此外，我国对u b f 反应器的研究与应用见表2 2 。 9 陕两科技大学硕士学位论文 2 1 4u b f 工艺在处理方面的研究与应用 厌氧生物处理反应器技术的研究和开发主要集中在欧美等发达国家，我国还无自主 开发的报道! 目前，我国厌氧反应器的研究与应用仍然处于第二代厌氧反应器的实践探 索阶段，在第三代厌氧反应器迅速发展的今天，如何缩小与世界先进水平之间的差距， 是摆在我们面前的挑战性的课题! u b f 反应器抗冲击负荷能力强，将它用在高浓度有机 废水的厌氧处理阶段，可降低废纸浆造纸废水的污染负荷，改善后续工艺的运行环境， 处理效果良好。 a 国内 最近几年，国内对u b f 的研究增多，吴根义等人【2 9 】针对湖南长沙县城市固体废弃物 处置场的垃圾渗滤液处理工艺进行了介绍。该渗滤液处理采用的工艺为吹脱u b f s b r ， 设计处理能力为1 0 0 m 3 d ，通过调试运行，使出水水质达到了生活垃圾填埋污染控制 标准( g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 ) - 级标准，并至今运行稳定。 曹占平1 3 0 1 采用u b f 反应器对垃圾渗滤液进行处理的中试研究结果表明：在温度 1 5 3 3 5 2 ，水力停留时间为6 d 条件下，当进水c o d c r 质量浓度为5 4 3 1 - - 8 7 2 3 m g l ， b o d 5 质量浓度为1 6 3 3 5 3 1 2 4 2 m g l 时，c o d c ，b o d 5 去除率分别为7 0 6 - 7 3 9 和 7 4 5 - 7 8 1 。特别是在冬季8 1 5 的低温条件下，水力停留时间仍为6 d ，通过外加污 泥，可使c o d c ，、b o d 5 的去除率分别保持在7 0 、7 5 左右。 陆从容1 3 q 在u b f 反应器处理垃圾渗滤液工程实践中，通过对各污染指标的观察监 测，发现即使v f a 有较大的波动，出水数值也比较稳定，说明了u b f 于渗滤液预处理 是可行的，具有很强的抗水质冲击负荷的能力。而且在运行期间，出水中的s s 比进水 的相应值低，u b f 对较高的悬浮物含量有一定的去除作用。 1 0 u b f 反应器处理废纸浆造纸废水的研究 此外，也有关于u b f 反应器仅作酸化相的研究。黄继国等人i ，2 】在研究垃圾填埋场渗 滤液处理过程中，针对渗滤液水质特性，采用以高效生物陶粒为填料的u b f 反应器作酸 化相，以u a s b 反应器作甲烷相的两相厌氧系统进行处理垃圾渗滤液的实验研究。实验 结果表明在系统进水c o d e ，和b o d 5 质量浓度分别为3 8 8 7 m g l 和8 1 9 m r d l ，u b f 与 u a s b 的h r t 分别控制在l o 3 h 和6 1 7 h 时，c o d e ，和b o d 5 总去除率分别为8 5 4 和 9 0 1 ，u b f 酸化率达4 2 9 ，b o d 5 c o d e ，比值由0 2 1 提高到0 3 9 。 孙剑辉等人【3 ，1 总结了对u b f 的研究进展，认为u b f 工艺在高浓度、难降解有机废水 处理中有着广阔的前景，应加强研究开发的力度。胡锋平等人【划在3 5 条件下采用u b f 反应器处理鸡粪混合液离心废水，当n h 3 - n 浓度 2 0 0 0m g l 时有较好的处理效果。刘 锋等人p s i 利用u b f 进行了处理高含盐废水的小试。买文宁等人【3 6 1 设计了体积为6 0 0 m 3 的 u b f 处理抗生素废水，在u b f 工业化上取得了进步。聂艳秋1 3 7 1 在处理制浆造纸黑液时， 未设三相分离器，对c o d 的去除率为8 0 t 3 s j 。 b 国外 h a s h e m i a n 等1 3 9 1 对用聚氨酯为填料的u b f 的启动进行了研究。h u u b 等 4 0 - 4 2 1 对用聚氨 酯为填料的u b f 与u a s b 的启动进行了对比研究，发现u b f 较u a s b 启动更快，可能 是由于在u b f 反应器中产甲烷菌群快速固定的缘故。 r a f a e l 等人1 4 3 1 用聚氨酯泡沫作填料的u b f l 3 反应器在3 5 处理屠宰废水研究中发 现，在c o d 浓度从3 4 9