（环境工程专业论文）水解酸化生物接触氧化工艺处理乳制品废水的试验研究.pdf

摘要 本试验研究了水解酸化一生物接触氧化工艺中水解酸化与两级生物接触氧化工艺处 理乳制品废水，试验研究表明，工艺运行稳定、出水水质较好，能够满足国家相关排放 要求。水解酸化处理过程利用厌氧发酵的第一个和第二个阶段，而生物接触氧化法比活 性污泥法具有优势，能够承受较高的容积负荷和冲击负荷，有较广的适应性，可避免污 泥膨胀的产生，在实际运行中易于控制。 处理装置采用活性污泥接种法进行挂膜启动，培养期为6 0 天。挂膜期间c o d 去除 率保持在8 0 - - - 9 0 之间，其中水解酸化池的去除效率在4 0 - - - - 6 0 之间。 挂膜期间进水色度为4 5 , - - - 4 2 5 倍，出水色度维持在7 0 倍以下，水解酸化对色度去 除起主要作用，去除率为2 7 - - 一5 5 ，在挂膜后期色度去除率稳定在5 5 左右。挂膜后期， 级生物接触氧化池色度去除率为4 5 左右，二级生物接触氧化池为4 0 左右。 试验研究表明：在进水c o d 基本恒定( c o d 均值为3 4 0 3 2 3m g l 3 4 7 1 8 7m g l ) ， 温度、d 0 与p h 基本不变时，随水力停留时间h r t 的增大，水解酸化对c o d 的去除也逐 步增大，出水c o d 平均值从2 1 4 1 2 3m g l 降到1 7 0 7 4 6 m g l ，c o d 去除率从3 0 9 7 增加 到5 1 9 。 试验研究表明，在试验有机负荷条件下，水解酸化h r t 控制在3 0 h 时，c o d 平均去 除率为3 6 9 5 ，氨氮出水含量较高，色度去除率达到4 8 8 5 。同时，主要考察了生物 接触氧化过程中的h r t 、气水比及容积负荷( n v ) 对c o d 、氨氮、色度去除过程及n 0 3 一 形成过程的影响。 生物接触氧化最佳h r t 为1 6 h ，此时一级接触氧化出水c o d 均值为1 9 4 5 2 m g l ，平 均去除率9 0 2 5 ，二级接触氧化出水c o d 均值为5 3 9 m g l ，平均去除率6 9 1 7 ；一级 接触氧化出水氨氮均值为2 8 71 m g l ，平均去除率7 5 5 2 ，二级接触氧化出水氨氮均值 为2 0 3 7 m g l ，平均去除率2 9 1 0 ；一级接触氧化出水色度均值为1 0 0 倍，平均去除率 5 0 6 1 ，二级接触氧化出水氨氮均值为5 5 倍，平均去除率4 4 8 2 。 通过对氨氮去除效果的分析可知，氨氮的减少量与n 0 3 一的增加量并不一致，可能是 部分未n 0 2 一未转化成n 0 3 - 。 满负荷运行及d o 维持在3 1 - - - 4 3 之间，温度在2 0 一- - 2 2 c 之间时，最佳气水比为 2 0 ：1 。 关键词：乳制品废水、水解酸化、生物接触氧化、容积负荷 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n tb a s e so nh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o n b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s t r e a t sd i a r yw a s t e w a t e r , w h i c hc o n r a i n st w op a r t s - h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o na n db i o - - c o n t a c t o x i d a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hs h o wt h a tt h ep r o c e s so p e r a t es t a b l y ，a n de f f l u e n tq u a l i t y a b l et om e e tt h en a t i o n a lr e q u i r e m e n t sr e l a t e dt oe m i s s i o n s h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o np r o c e s s m a k eu s eo fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no ft h ef i r s ta n ds e c o n ds t a g e b i o - c o n t a c to x i d a t i o ni s b e t t e rt h a na c t i v a t e ds l u d g ea n da b l et ow i t h s t a n dh i g hv o h a m el o a da n di m p a c tl o a d ，i th a v ea w i d e ra d a p t a b i l i t y , w h i c hb ea v o i d e dt h es e l e c t i o no fs l u d g eb u l k i n ga n db ee a s yt oc o n t r o l t h ea c t u a lo p e r a t i o n t r e a t m e n tp l a n tm a k eu s eo fa c t i v a t e ds l u d g ei n o c u l a t i o nm e t h o dt os t a r ta n dc u l t u r ef o r6 0 d a y s c o dr e m o v a lr a t em a i n t a i n e da t8 0 9 0 d u r i n gt h ec u l t u r i n gb i o - m i c r o b i o l o g y ，a n d c o dr e m o v a lr a t ei s4 0 6 0 i nh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o n i n f l u e n tc o l o r i t yi st h e4 5 - 4 2 5 t i m e sd u r i n gc u l t u r i n gb i o - m i c r o b i o l o g y , e f f i u e n tc o l o r i t y m a i n t a i n e da t7 0t i m eb e l o w , h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o np l a y sam a j o rr o l ei nt h ec o l o r i t y r e m o v a l ，t h er e m o v a lr a t eo f2 7 t o5 5 ，w h i c hs t a b l e a t5 5 i nt h el a t e c u l t u r i n g b i o - m i c r o b i o l o g y i nt h el a t ec u l t u r i n gb i o - m i c r o b i o l o g y , a n df i r s tb i o c o n t a c to x i d a t i o n p r o c e s ss t a b l e sa tc o l o rr e m o v a lr a t eo f4 5 ，a n ds e c o n db i o c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s ss t a b l e s a tc o l o rr e m o v a lr a t eo f4 0 t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hs h o wt h a tc o di nt h ei n f l u e n ti sc o n s t a n t ( a v e r a g ec o di s 3 4 0 3 2 3m g l 3 4 7 1 8 7m g l ) ，t e m p e r a t u r e ，d oa n dp hw i l lr e m a i nb a s i c a l l yu n c h a n g e d w h e nt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew i t hi n c r e a s i n gh r t , a n dh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o no ft h e c o dr e m o v a li sa l s og r a d u a l l yi n c r e a s i n gl a r g e t h ea v e r a g ee f f l u e n tc o dd e c l i n e sf r o m 2 1 4 1 2 3m g lt o1 7 0 7 4 6 m g l ，c o dr e m o v a lr a t ei n c r e a s e dt o3 0 9 7 f r o m5 1 9 e x p e r i m e n t a ls t u d ys h o w st h a tt h eo r g a n i cl o a di nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，w h e nt h e h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o nh r t = 3 0 h ，c o dr e m o v a le f f i c i e n c ys t a b l ea tt h ea v e r a g eo n3 6 9 5 ， a n dt h ec o n t e n to fn h 4 + i sh i g h e ri ne f f l u e n t ，a n dc o l o r i t yr e m o v a lr a t er e a c h e d4 8 8 5 a t t h es a m et i m e ，t h ee x p e r i m e n ts t u d yo nm a i n l yt h eb i o c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s so ft h eh r t , a n dt h er a t i oo fa i rt ow a t e ra n dv o l u m el o a d ( n v ) e f f e c tu p o nt h er e m o v a lp r o c e s so fc o d 、 i i n i - h + 、c o l o r i t ya n dt h ef o r m a t i o np r o c e s so f n 0 3 。 w h e nt h eb e s tb i o c o n t a c to x i d a t i o nh r ts t a b l ea t16 h ，t h ea v e r a g ec o do fe f f l u e n ti s 19 4 5 2 m g li n f i r s tc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s9 0 2 5 ；t h e a v e r a g ec o d o fe f f l u e n ti s5 3 9 m g li ns e c o n dc o n t a c to x i d a t i o n ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e i s6 9 1 7 t h ea v e r a g en i - h + o f e f f l u e n ti s2 8 7 1m g li nf i r s tc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，a n d t h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s7 5 5 2 ；t h ea v e r a g en h 4 + o fe f f l u e n ti s2 0 37 m g li ns e c o n d c o n t a c to x i d a t i o n ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s2 9 。1o ；t h ea v e r a g ec o l o r i t yo fe f f l u e n ti s 10 0t i m e si nf i r s tc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s5 0 61 ；a n dt h e a v e r a g ec o l o r i t yo fe f f l u e n ti s5 5t i m e si ns e c o n dc o n t a c to x i d a t i o n ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e i s4 4 8 2 t h r o u g ha n a l y z i n ga m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c y , w ek n o wt h a tt h ed e c r e a s i n ga m o u n to f n h 4 + a n dt h ei n c r e a s i n ga m o u n to fn o s 。i sn o tc o n s i s t e n t ，p e r h a p st h ef a c tt h a ts o m en 0 2 i s n o tt r a n s l a t e di n t on 0 3 w h e ni to p e r a t e sa tf u l lc a p a c i t y 、d of r o m 3 1m g lt 0 4 3m g l 、t e m p e r a t u r ef r o m2 0 t o2 2 t h eb e s tg a s w a t e rr a t i oo f 2 0 ：1 k e y w o r d s - d a i r yw a s t e w a t e r ；h y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o n ；b i o c o n t a c to x i d a t i o n ；v o l u m el o a d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：幺tjl 弓函 l 日 年6 具r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 沙哆年莎月日 厶u ，年石月7 日 长安大学硕上学位论文 1 1 我国水污染治理现状 第一章绪论 水是人类生存和发展必不可少的资源。随着社会和经济的发展，水环境面l 缝更为严 峻的挑战，水污染己成为世界重大环境问题。世界各国对水污染防治都十分重视，许多 国家都要求对工业废水和生活污水进行处理后排放，政府对不达标排放的企业有严厉的 处罚规定。但是从全球来看总体水环境污染的趋势尚未扼制。我国水资源极不丰富，人 均占有量仅占世界的1 4 ，属贫水大国。同时，我国水资源分布又不均衡，使得水对于 人类生存已相当宝贵。随着工业发展和人民生活水平的提高，一方面，人们需要更清洁 的水源和更充足的水量以保证不断增长的需求；另一方面，人们又将大量的废水排入环 境，造成水体恶化，水体达不到使用功能要求。据全国环境状况公告，2 0 0 7 年我国长江、 黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河七大重点流域，地表水有机污染普遍，主要污 染指标为有机耗氧物质、石油类和氨氮，主要污染河段均集中在城市河段。主要湖泊富 营养化现象突出，太湖、滇池、巢湖的总氮、总磷严重超标。近海赤潮不断，仅2 0 0 7 年就发生8 2 次。2 0 0 5 年，全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨( 其中，工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ；化学需氧量排放量为1 4 1 4 2 万吨( 其中，工业排放 量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ：氨氮排放量为1 4 9 8 万吨( 其中，工业排放量 为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) 。面对严酷的水污染现状，水环境容量仍面临巨 大的挑战【。 近几年在我国经济快速发展的同时，也带来了很多的环境问题，工业废水对水环境 的污染就是其中之一。尽管我们对这一问题投入了很多的关注并采取了一系列有效措 施，但是工业废水对水环境的影响仍没有得到有效的控制。究其原因主要是工业生产长 期以来高投入、低产出，高消耗、低效率的状况没有得到根本改变，资源浪费依然十分 严重，污染物产生量和排放量很高，导致水环境的严重污染。 根据中国环境状况公报2 0 0 7 年报道，随着我国居民生活水平的提高，城镇居民生 活污水排放量有逐渐提高的趋势；而随着我国对各行业工业废水排放量的控制，工业废水 排放量有逐渐减少的趋势。总的来看，近几年我国废水排放及c o d 排放基本得到控制， 没有得到恶化。 第一章绪论 1 2 乳品废水污染现状 随着我国社会主义市场经济体制的不断确立、国民经济持续增长、人民生活水平不 断提高，乳品行业也呈现产销两旺之势，乳业己经成为国家大力鼓励发展的朝阳产业。 近两年来，我国乳品工业发展很快，根据统计显示，根据国家统计局的统计显示：2 0 0 6 年1 1 2 月全国累计乳制品产量为1 4 6 0 万吨；2 0 0 6 年1 一1 2 月全国累计液体乳产量为 1 2 4 4 万吨。虽然我国的乳品消费增幅迅速，但目前我国的人均消费只相当于世界人均消 费量的3 7 ，乳制品消费和生产存在很大的发展空间【2 】乳制品种类多种多样，主要的 有液态奶、奶粉、奶油、冰淇淋等。目前来说，我国市场上最常见的主要乳制品是液态 奶和奶粉，而干酪、乳清加工等产品相对较少【3 1 。液态奶根据发酵程度可分为鲜乳和发 酵乳；根据其风味类型可以分为原味乳和调味乳等。 1 2 1 乳品废水来源及水量水质特点 乳品加工废水通常分为三类，即冷却水、环境卫生废水、生产废水。 冷却水包括鲜奶蒸发浓缩排出的水，主要来自各工段的冷却过程，这部分水基本不 受污染，c o d 只有4 0 , - - , 5 0 m g l ，但水量较大，约占总水量的6 0 9 0 t 4 1 ，通常直接排 放到环境中去。 环境卫生废水包括厂区内的生活污水，如食堂废水、澡堂废水、宿舍区和办公区废 水等，这部分废水在整个废水中占的比例相对较小，通常和生产废水一起处理。 生产废水是乳品厂主要处理对象。根据乳制品生产工艺可知，乳品厂废水通常来自 生产加工过程中的所涉及的器皿、设备、管道的洗涤、车间地面的冲刷、蒸发器的冷凝 水、超高温灭菌的凝结水等。其中乳品加工废水主要来自输送线路和设备的清洗、罐装 卡车的清洗以及乳液储存设施的清洗。其他废水来源是由于设备故障或操作失误( 接收 过程中的牛奶散落、储存设备溢出、在加工过程中牛奶和乳产品的散落、管道、泵和罐 体的泄漏、腐败牛奶和乳产品的外排以及包装操作的散落) 等引起的【5 _ 7 门】。d a n a l e w i c h 等人【8 】通过调查美国具有代表性的巧个乳品厂的废水来源，通过调查得知即使确定哪个 工序是主要的废水来源，但是很难确定该具体工序产生废水所占的比例。这充分说明： 即使能够了解加工操作过程的详细工艺资料，也很难预测各个工段产生废水的流量。 乳品加工厂中的废水水量每天波动很大，该波动与产品加工周期中的清洗程序直接 相关【7 】。另外由于每个季节所接收的加工乳液数量不同，因此水量变化也很普遍，典型 的季节变化是夏天高，而冬天低【7 棚】，另与乳品加工方法、加工种类、管理水平等密切 2 长安大学硕+ 学位论文 相关。从目前来看，我国在乳品加工行业方面的规模、技术和管理水平远远落后于美国 这些发达国家【2 】，因此我国乳品加工废水排放量通常是发达国家的1 0 - - - 2 0 倍【9 1 ，废水的 日变化或季节变化特性更大一些。 从乳品加工废水的来源可以看出，乳品加工废水中的基本物质是奶、相应产品以及 清洗过程中所用清洗剂的存在。日前国内乳品加工的原料以牛奶为主，因此在乳品废水 中的有机物成分和营养物质的大部分来自牛奶和乳产品。为更好地了解乳品废水的特 点，将牛奶的一些主要组成和化学及物理性质分别列于表1 1 【l o l 。 表1 1 牛奶主要成分 t a b 1 1 p r i n c i p a lc o n s t i t u e n to fd a i r y 钫须名称 变化范潮平均禽教( )挫径( m m )状态 承分8 5 5 鄹u s 8 o液态 毳嚣坊2 5 6 4 o1 0 4 - - - i 矿 乳状液 乳萤岛蕨2 9 s m3 i 矿一l 矿 殷体溶液 乳镑3 6 5 55 。oi 扩一l 矿 襄溶液 矿物质a 6 o 哆o 3l 矿l 矿 竞溶渡 产箍c o d 8 0 瑰 骆弹 n h 4 - n p h 类臻 ( m g l )( r a g l )( m g t )和 g ，i c r a g t , ) 液态黜诛濒游2 0 帅一的1 2 一4 d3 5 0 - - i 伽 3 力一1 1 o 液态奶的o l s 蝴8 5 0 0 - - 7 0 02 - s6 。s 一7 5 渡态奶9 5 0 2 4 5 0 0 一l 鞠d 9 0 - 4 5 05 0 9 0 装鸯奶1 4 嶙7 3 0l6 7 0 2 2 0 02 2 0 3 0 乇4 1 2 i3 5 一1 2 o 激恣奶1 5 一5 5 1 0 0 0 舢2 0 0 - - 7 0 0io 0 t l 奄 千酪突7 8 5 7 5 1 95 6 s 一5 7 2 23 2 6 3 5 ；6 02 9 1 8 1i 力 - 3 4 i 6 2 一1 1 3 由表1 1 可以看出，乳品废水水质波动性是非常大的，乳品废水是以高的有机污 染为主，乳品废水的b o d 5 和c o d 的比值通常在o 5 以上，属于生化性很好的废水【5 1 。 乳品加工废水的s s 通常来源于絮状牛奶、干酪凝结物微粒或者是调味成分如水果 和坚果等，这些s s 的成分决定了他们大多是有机物质，一般情况下，大约7 6 的s s 是可挥发性的【引。 乳品加工废水中主要污染物为随水流失的乳品组分，乳品废水中的蛋白质、脂肪、 乳糖的存在方式同牛奶中的形式是相同的。这三种成分，除乳糖能直接以真溶液的形式 溶解于水中外，其他两种物质是以胶体或乳浊液的形态存在的。这些微粒表面有牢固的 3 第一章绪论 液膜附着，并带有电荷，能比较稳定的存在于废水中。另外一些研究认为，这些物质尤 其是脂肪及其中间产物会对厌氧微生物产生抑制作用，减少污泥中的a t p 浓度1 2 】，而 且这些物质的生物降解速率缓慢【1 3 】。在同样厌氧条件下，糖类物质的酸化程度为9 2 9 9 ，蛋白质为5 9 8 5 ，而脂肪只有1 2 , - - - , 4 2 1 1 4 】，另外这些物质可以被吸附到污 泥的表面，从而限制溶解性基质向微生物传递，降低微生物的转化率【1 5 】。因此，若直接 采用生物法处理，如果降解时间不足，出水中会残留这些物质及这些物质降解中间体。 这样要使废水处理达到比较高的要求，就必须充分考虑这些物质的存在，使这些脂肪、 蛋白质微粒凝聚与脱稳。 通常情况下，乳品加工过程中要使用各种酸碱洗涤剂以及消毒剂，这些物质都导致 了乳品废水的p h 变化很大，如表1 1 所示，大多数废水的p h 值波动范围均较大。在乳 品废水中，t p 和n h 4 + - n 的浓度相对较低，这些氮、磷主要来自加工过程中跑、漏的牛 奶或其产品和清洗剂。废水中的磷主要以有机物或聚磷酸盐的形式存在，而大部分的氮 以有机氮的形式存在( 如蛋白质) 。除了这些主要指标外，乳品废水所存在的主要元素为 n a ，k ，c a ，m g 等【8 】，这些元素的存在有利于e b p r 系统的运行【1 6 】。 1 2 2 乳品废水的污染危害 由乳品加工废水的来源和水质特性可知，随着我国乳品工业的发展，乳品废水将成 为一种对环境污染严重、影响面较广的典型高浓度食品废水之一。乳品废水中含有大量 的可生物降解的有机污染物质，如蛋白质、脂肪、乳糖、油类等，这些有机物质进入水 体后，会使水体中的微生物大量增殖，从而使水体处于缺氧或厌氧状态，严重影响周围 的大气环境，并破坏水体的基本功能。乳品废水中含有很多悬浮物质，水体受到悬浮物 的污染后，造成的危害有：降低光的穿透率，减弱水体中植物的光合作用并妨碍水体的自 净能力：尤其是乳品加工废水中的脂肪类物质，会结合其他的悬浮物质，浮于水表面成为 浮渣层，既阻碍了水体的表面复氧，影响整个水体的观赏性。此外乳品废水中的氮、磷 若直接排入水体，会使水体富营养化，而水体的富营养化很大程度与氮、磷浓度过高有 关【18 1 。 1 2 3 减少乳品废水污染的途径 乳品废水相对于其它典型废水，污染程度相对较轻，且污染源较单一，因此就目前 来说，对乳品废水的研究远没有对其它类污染严重的废水研究的多。 目前国内外对该类废水的控制主要有源头控制和后续处理两种方法。源头控制是通 4 长安大学硕上学位论文 过改善生产状况从而减少乳品废水的排放污染；后续处理通常采用常见的物化或生化方 法，而且这些方法也被证明是行之有效的【1 9 - 2 0 l 。 对乳品废水的处理通常是采用常规的处理方法，同时随着废水处理技术的发展和创 新，一些新的工艺或方法也应用于乳品废水处理。目前所采用的处理方法主要有物化处 理工艺和生物处理工艺。 物化处理工艺即物理化学法，其作用机理比较复杂，通常用于深度处理，但根据情 况也用于初级处理。这类方法有混凝、气浮、吸附、离子交换、膜法处理( 包括电渗析、 反渗透、超滤等) 等组成。通常情况下，该类方法的运行费用或投资较高，除了特殊情 况下，在乳品废水处理中应用相对较少，但是随着水资源的缺乏，这些方法在废水的回 用中应用越来越广泛。如意大利开发了被称为 d a i r ym z s e r i e s ”的系列膜分离单元来净化 乳清和乳品工业废水，使其达到了环保标准【2 3 】；此外超滤和反渗透( r o ) 技术也应用于处 理乳品工业的c i p 系统产生的清洗水或类似工序的废水，既减少了废水中的污染物含 量，并能回收部分产品，又可以基本使废水达到排放标准【2 4 1 ，张敏等人网在对乳品废水 处理的研究中，采用气浮技术可使乳品废水的c o d 去除率达到4 0 ，吴俊奇等人【2 6 】采 用混凝气浮工艺处理冰淇淋废水，当投加硫酸铝为5 0 m l 时，可获得9 0 的c o d 去除 率；其他利用不同的化合物，如阳离子生物壳聚糖、氯化铁、硫酸亚铁等处理乳品废水， 可以通过蛋白质和脂肪沉淀的方式去除部分有机负荷，并能回收利用2 7 ，2 8 2 9 1 。林阳等【3 0 】 采用电凝聚方法处理乳品废水，可获得稳定的处理效果( c o d 去除率达9 2 ) ，并且运行 费用低于常规的化学絮凝法；田颖等人【3 l 】采用专利混凝剂处理乳品废水，当投加量为 1 0 m g l 时，就可以获得6 0 以上的c o d 去除率。 生物处理工艺就是利用微生物的新陈代谢作用，使废水中的溶解性的、溶胶状态的、 细微的悬浮颗粒的有机污染物质吸附和吸收的过程。生物处理工艺是目前应用最为广泛 的废水处理技术，适应于很多种类废水。生物处理工艺主要分为厌氧处理和好氧处理两 种。生物处理工艺的具体工艺、方法很多，好氧法就分为自然好氧处理、氧化沟、s b r ， 流化床、生物接触氧化法等，厌氧有u a s b ，厌氧滤池等。这些方法很多都已经应用到 乳品废水处理方面，并且取得了比较好的效果。如接触氧化法【3 2 3 3 1 、水解一好氧移动床 生物膜法m - 3 5 1 、厌氧滤床【3 6 1 、s b r 法【2 6 ，3 7 ，3 8 ，3 9 1 、u a s b 1 3 , 4 0 1 ，其他处理方法包括m s b r l 4 1 】， h u a s b r 4 2 1 、其它厌氧处理方法 4 3 , 4 4 和好氧处理方法如延时曝气、土地利用、氧化沟1 8 ，4 5 1 等。这些方法都取得了较好的应用效果。 由上可以看出，到目前为止正在使用或研究的乳品废水处理技术以生物法为主，并 5 第一章绪论 且基本上每种生物法都可以用于此类废水的处理，这是由乳品废水的特性所决定的。另 外，对于某种废水，往往针对不同的废水特点和处理要求选择联合的处理工艺，如物化 和生物的组合等，以充分利用各自的优点，乳品废水也不例外，尤其是随着废水排放标 准的提高。 1 3 研究目的和意义 随着我国经济的增长和人民生活水平的提高，人们对于乳品的消费也越来越大，相 应的乳品废水的排放量也会越来越多。尽管相对于其他类废水来说，乳品废水的处理难 度并不大，而且人们对此己经进行多年的研究，并开发出多种工艺。但是随着乳制品新 产品的开发和制造工艺的改进及使用，乳品废水的水质也在逐渐变化，另外，对于每一 种废水的处理，采用某种工艺虽然能够达到要求，但是如何保证所选择的工艺，使之能 在投资最小，又能在最佳的运行条件下运行，满足出水要求，这需要将实验室研究与工 程实践紧密结合起来，才能寻求到最佳工艺，并能根据出水要求选择合理的设计参数和 运行参数。 本课题研究通过调研乳品废水来源和特点，为选择适宜的处理工艺提供依据，根据 选择的工艺，确定主要处理单元的运行参数，以达到经济、有效的目的。 本课题的研究为日益发展的乳品加工业的废水处理提供了一种适应性强、运行可 靠、稳定、经济的处理工艺，并给出了主要处理单元的最佳设计参数和各处理单元的最 优控制条件。同时通过实际工程的运行，探讨了实际运行中容易出现的问题，为确定更 为适宜的乳品废水处理工艺提供借鉴和参考。 6 长安大学硕士学位论文 第二章研究内容及理论基础 随着我国经济的增长和人民生活水平的提高，人们对于乳品的消费也越来越大，相 应的乳品废水的排放量也会越来越多。尽管相对于其他类废水来说，乳品废水的处理难 度并不大，而且人们对此也已经进行多年的研究，并开发出多种工艺。但是随着乳制品 新产品的开发和制造工艺的改进及使用，乳品废水的水质也在逐渐变化，另外，对于每 一种废水的处理，采用某种工艺虽然能够达到要求，但是如何保证所选择的工艺，使之 能在投资最小，又能在最佳的运行条件下运行，满足出水要求，这需要将实验室研究与 工程实践紧密结合起来，寻求最佳工艺，并能根据出水要求选择合理的设计参数和运行 参数。 2 1 课题的研究目的及内容 2 1 1 课题研究目的 目前污水处理工程应用最大的难题有两点，一是基建投资过大，二是处理能耗过高， 运行费用过大，这已经成为妨碍我国污水处理事业发展的最大障碍。我国是一个发展中 国家，一方面经济实力还不够强大，财政比较紧张；另一方面经济的发展很大程度上是 以破坏环境为代价的。为了我国的可持续发展，很多工厂城市都建设了污水处理设施。 但是，由于运行成本高昂，很多污水处理设施都没有运行，甚至没有建设污水处理设施。 因此，研究和开发高效低耗的水处理工艺和方法就成为解决我国水污染问题的一个重要 途径。 本试验是以陕西省和氏乳品厂加工生产废水为对象，采用高效低耗的生物处理方法 降解水中的污染物，主要目标是确定反应器的最佳工艺运行参数，为实际工程提供理论 指导与设计。 2 1 2 乳制品废水处理主要研究内容 本次试验以实验室的小试研究为主。试验前期做了大量的资料收集和调查，采用水 解酸化生物接触氧化工艺处理乳品废水，通过对水解酸化生物接触氧化工艺处理高浓 度乳品废水处理效果进行监测分析，课题研究的内容主要包括： ( 1 ) 乳品废水的特点及乳品废水处理的工艺综述。阐述乳品废水的来源和特点，将 国内外针对乳品废水的研究和应用情况依据工程实践进行整理和统计，以此为基础，比 较不同工艺的特点并参考国内外最新研究成果确定最终的处理方法。 7 第二章研究内容及理论某础 ( 2 ) 介绍主体生物处理方法的工作原理和去除污染物的机理，讨论对反应装置| 生 能有重要指导意义的设施，通过试验确定反应器的最佳工艺运行参数，以保证该工艺方 法在中试和生产应用中的高效率运行。探讨污染物的去除规律，以指导实际工程的建设 和运行。 ( 3 ) 通过试验对比确定反应器的最佳工艺参数，确定反应器的最佳工作状态。在 最佳工作状态下，考察反应器对各种污染物的处理变化规律。 ( 4 ) 考察该工艺处理废水的实际效果，即对c o d 、色度以及n h 4 + - n 的去除效果 和效率。 ( 5 ) 介绍反应器运行基本原理和方法，确定试验的合理运行方式，以保证反应装 置的高效和稳定。 2 2 课题研究理论基础 2 2 1 厌氧生物处理技术介绍 在众多的废水生物处理工艺中，人们又重新认识采用厌氧生物处理工艺处理有机废 水和有机废物的重要性，企图把厌氧生物法作为好氧生物法的一种可替代的处理工艺。 这不仅可把好氧生物法过高的能耗节省下来，而且厌氧生物法可把有机物转化为生物能 一沼气。由此可知，厌氧生物法是一种既节能又产能的废水生物处理工艺。经过各国学 者的不断研究和所取得的进展，厌氧生物法不仅可处理高浓度有机废水，而且能处理中 等浓度的有机废水，还成功地实现了处理低浓度有机废水的可行性、为废水处理方法提 供了一条既是高效能的，又是低能耗的，且符合可持续发展原则的治理废水途径。因能 源短缺和生产发展的要求，促使废水厌氧生物处理技术在近2 0 多年来有了迅速发展， 通过各国环境工程专家和微生物工作者的潜心研究，在厌氧微生物学和生物化学等基础 研究方面取得了很大的进展，同时成功开发了一批新型废水厌氧生物处理新工艺。彻底 改变了过去人们认为厌氧生物法只能处理高浓度乳品废水，废水厌氧生物处理是低效能 的，需要对废水进行增温等过时的观念。新开发的现代废水厌氧生物处理反应器不仅是 高效能的，并可在常温下进行；不仅可处理高浓度有机废水，而且可以处理中低浓度有机 废水。厌氧生物处理是在无氧条件下，利用多种厌氧微生物的代谢活动，将有机物转化 为无机物和少量细胞物质的过程，这些无机物主要是沼气和水。厌氧生物处理是一种低 成本的废水处理技术，它把废水处理和能源的回收利用相结合，使得既体现社会效益又 产生经济效益，因此对它的研究有较强的现实意义【4 6 7 1 。 8 长安大学硕士学位论文 厌氧生物处理过程复杂有机物的厌氧生物处理过程可分为如图2 1 的4 个阶段： 簟一阶段 廉 厦 图2 1 厌氧生物处理的四个阶段 f i g 2 1 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 tf o u rs t a g e s ( 1 ) 水解阶段 复杂有机物首先在发酵性细菌中产生的胞外酶的作用下分解为溶解性的小分子有 机物，如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为多肽及氨 基酸等，水解过程通常比较缓慢，是复杂有机物厌氧降解的限速阶段 ( 2 ) 发酵( 酸化) 阶段 溶解性小分子有机物进入发酵菌( 酸化菌) 细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂 肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞 物质。发酵可以定义为有机化合物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程。在 此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称 为酸化。酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。其中重要的类群有梭状芽抱杆菌和 拟杆菌。这些菌绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1 的兼性厌氧菌生存于厌氧环境 中，这些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，即产甲烷菌免受氧的损害与抑制的作用。 9 第二章研究内容及理论基础 ( 3 ) 产乙酸阶段 发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为 乙酸 ( 4 ) 产甲烷阶段 在此阶段，产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲 烷。其一是在二氧化碳存在时，利用氧气生成甲烷。其二是利用乙酸生成甲烷。利用乙 酸的产甲烷菌有索氏甲烷丝菌和巴氏甲烷八叠球菌，两者生长速率有较大差别。在一般 的厌氧生物反应器中，约7 0 的甲烷由乙酸分解而来，3 0 的氢气由还原二氧化碳而来 【4 8 】。厌氧生物处理优缺点如表2 1 所示 表2 1 厌氧生物处理优缺点 t a b 2 1t h em e r i t sa n dl a c k so ft h ea n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t 跃艇生物缝理优矗获瓴生物处理缺点 】：艺稳定为增加反斑嚣内生物缴扇动对阀长 硪少囊象污花处置赞瑚簸l 承承质幂缝达期标准 设缝l l f 埯函獗小瓣乐滚有簧求 萄蚴牧瞻淫禽豁硫酸搬离子幺产囊禳嘲气昧 阿以绛解好氧进襁牵不可绕钧降钫物魇 2 2 2 水解酸化工艺技术机理 水解酸化处理是指将厌氧过程控制在水解和酸化阶段，利用兼性的水解产酸菌将复 杂有机物转化为简单无机物。水解在化学上指化合物与水进行的一类反应的总称。在废 水生物处理中，水解指的是有机物( 基质) 进入细胞前，在胞外进行的生物化学反应。这 一阶段最为典型的特征是生物反应的场所发生在细胞外，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氧化反应( 主要包括大分子物质的断链和水 溶) 【4 9 1 。发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程， 在此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物。因此这一过程也 称之为酸化。水解和酸化无法截然分开，这是因为水解菌实际上是一种具有水解能力的 发酵细菌，水解是耗能过程，发酵细菌付出能量进行水解的目的是为了取得能进行发酵 的水溶性物质，并通过胞内生化反应取得能源，同时排出代谢产物( 厌氧条件下为各种 有机物) 。 影响水解酸化过程的主要因素： 1 0 长安人学硕士学位论文 ( 1 ) 基质的种类和状态基质的种类和形态对水解( 酸化) 过程的速率有着重要的影 响。就多糖、蛋白质和脂肪三类物质来说，在相同的操作条件下，水解速率依次减少。 同类有机物，分子量越大，水解越困难，相应的水解速率就越小。 ( 2 ) 水解液的p h 值水解液的p h 值主要影响水解的速率、水解( 酸化) 的产物以及 污泥的形态和结构。研究表明，水解( 酸化) 微生物对p h 值变化的适应性较强，水解过 程可在p h 值宽达3 5 - - 6 5 进行。p h 值朝酸性方向或碱性方向移动时，水解速率都将减 少。 ( 3 ) 水力停留时间水解停留时间是水解反应器运行控制的重要参数之一。它对反 应器的影响，随着反应器的功能不同而不同。对于单纯以水解为目的的反应器，水力停 留时间越长，被水解物质与水解微生物接触时间也越长，相应的水解效率也就越高。 ( 4 ) 水解反应是典型的生物反应，因此温度变化对水解反应的影响符合一般的生 物反应规律，即在一定的范围内，温度越高，水解反应的速率越大。 ( 5 ) 粒径是影响粒状有机物水解( 酸化) 速率的重要因素之一。粒径越大，单位重 量有机物的表面积越小。 从原理上讲，水解酸化是厌氧消化的第一、二两个阶段，即将反应控制在第二阶 段完成之前( 酸化可能进行得不十分彻底) ，不进入第三阶段。但单纯水解酸化工艺中的 水解酸化段和厌氧消化追求的目标不同，因此是截然不同的处理方法。单纯水解酸化工 艺中的水解酸化段的主要目的是将原水中的非溶解性有机物转化为溶解性有机物、难生 物降解的有机物转化为易生物降解的有机物，提高废水的可生化性，以利于后续的好氧 生物处理。在混合厌氧消化系统中，水解酸化和整个消化过程有机地结合在一起，共处 于一个反应器中，水解酸化的目的是为混合厌氧消化过程中的甲烷化阶段提供基质。而 两相厌氧消化中的产酸段是将混合厌氧消化中的产酸段和产甲烷段分开，以便形成各自 的最佳环境，同时，产酸相对所产成的酸的形态( 主要是乙酸) 也有要求。此外，如果废 水中含有高浓度的硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐时，这些物质及其转化产物不 仅对甲烷菌有毒害作用，而且影响沼气的质量，也在产酸相中予以去除。因此，尽管水 解酸化阶段、两相厌氧消化中的产酸相和混合厌氧消化工艺中产酸过程均产生有机酸， 但由于三者的处理目的不同，各自的运行环境和条件均存在着明显的差异，主要表现如 表2 2 所示。 第二章研究内容及理论基础