（环境工程专业论文）uasbao处理生物制药废水的工艺研究.pdf

摘要 i l l i i ii iii ii i i ii ii i l l l l 1 0 i y 17 4 6 6 4 7 摘要 本文针对高有机物浓度、高氨氮、难生物降解废水的特点及其处理技术存 在的主要问题，提出了u a s b + a o 工艺处理生物制药废水。结果表明采用该组合 工艺处理生物制药废水是可行的，主要出水指标均能达到发酵类制药工业水 污染排放标准( g b 2 1 9 0 3 2 0 0 8 ) 现有企业水污染物排放限值。 1 生物制药废水具有污染负荷大，污染成分复杂，水质水量变化较大，有 机污染物浓度较高的特点。本工程采用u a s b + a o 组合处理技术处理生物制药废 水。 2 本项目新增调节池容量为6 0 0 m 3 ，调节池在水力停留时间为2 4 h ，调节池 出水c o d 浓度稳定在3 5 0 0 5 0 0 0 m g l ，p h 亦可以达到进入u a s b 标准。 3 u a s b 反应器采用污泥含水率为9 5 的消化污泥接种，接种后u a s b 内污 泥量为1 8 k g v s s m 3 ，启动初期采用逐步提高反应器的容积负荷，u a s b 反应器处 理生物制药废水可在3 9 d 内完成启动。u a s b 进水容积负荷3 5 5 k g c o d ( m 3 d ) ； 水力停留时间2 4 h ：进水p h 范围为5 7 7 3 ；进水碱度6 0 0 1 5 0 0 m g l ；u a s b 对c o d 去除率稳定在5 0 左右，出水c o d 浓度在1 7 0 0 - 2 1 0 0 m g l 。 4 a o 工艺进水p h 为6 5 7 1 ，污泥浓度为3 o 3 5 9 l ，有机负荷为 o 3 4 k g c o d ( m 3 d ) ，出水平均c o d 浓度为1 8 7 m g l ，平均去除率为8 0 以上，出 水氨氮平均浓度为1 3 4 m g l ，平均去除率在8 3 。 5 。改造工程直接投资为1 3 5 万元，其中土建投资为4 5 万元，设备经费为9 0 万元。直接运行费用为3 3 元m 3 。 关键词：u a s b ，a o ，生物制药 a b s t r a c t a b s t r a c t a i m i n ga th i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cm a t t e r , a m m o n i an i t r o g e nt r e a t m e n t ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h em a i ne x i s t i n gp r o b l e m sa n dp u t s f o r w a r du a s b + a ob i o p h a r m a e e u t i c a l sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ec o m b i n e dw a s t e w a t e rb i o l o g i c a lp h a r m a c e u t i c a lp r o c e s si s f e a s i b l e m a i ne f f l u e n tc a l la c h i e v et h e ( ( d i s c h a r g es t a n d e r d so fw a t e rp o l l u t a n t sf o r p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y ) ) e x i s t i n ge n t e r p r i s ee m i s s i o nl i m i t s 1 b i o p h a r m a c e u t i c a lw a s t e w a t e rw i t hp o l l u t i o nl o a d ，p o l l u t i o n ，w a t e rc h a n g e s g r e a t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cp o l l u t a n t s t h ep r o j e c t a d o p t su a s b + a oc o m b i n a t i o nt r e a t m e n tt e c h n o l o g y f o rt h et r e a t m e n to f w a s t e w a t e rb i o l o g i c a lp h a r m a c y j 2 t h ep r o j e c tf o rt h en e wr e g u l a t i o np o n d s ，a d j u s tt h ep 0 0 1 6 0 0 m c a p a c i t yi n h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ef o r2 4 h ，a d j u s tt h ew a t e ri nt h ep o o lo fc o dc o n c e n t r a t i o n s t a b l e4 0 0 0 m g l ，p hv a l u ec a nr e a c hi n t ot h eu a s bs t a n d a r d s 3 a n a e r o b i cd i g e s t e rs l u d g ew a su s e dt os e e di nt h eu a s br e a c t o r t h er e a c t o r c a ns t a r t u pi n3 9 d a y so nt h ec o n d i t i o no f18k g v s s m s e e ds l u d g ec o n c e n t r a t i o n a n du s i n gi n t e r m i t t e n t l yi n f l u e n tm o d e o nt h ed y n a m i c ss t u d yo fs t a r t u pp r o c e d u r e ， v a l u ei n3 9 t hd a y s u n d e rn o r m a lc i r c u m s t a n c e s ，u a s bw a t e rv o l u m el o a df o r 3 5 5 k g c o d ( m 3 d ) ，h a d5 0 a v e r a g ec o d r e m o v a le f f i c i e n c y , t h ee f f l u e n tc o d w a sa b o u t17 0 0 2 10 0m g l 4 a op r o c e s sa n dt h u so d d sr a t i o w h i c hh a d4 2 9 a v e r a g ec o dr e m o v a l e f f i c i e n c ya n d6 7 n h 4 + - n r e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h ee f f l u e n tc o dw a sa b o u t18 7m g l 5 t h ep r o j e c tc o s ta b o u t1 3 5m i l l i o ny u a ni na 1 1 i n c l u d i n go 4 5m i l l i o ny u a n r m b ，t h ei n v e s t m e n tf o rc i v i lo 9 0m i l l i o nf u n d i n gf o re q u i p m e n t d i r e c to p e r a t i o n c o s ti s3 3y u a n m 3 k e yw o r d s ：u a s b ，a o ，b i o p h a r m a c e u t i c a l s i l 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 制药行业生产废水特性1 1 1 1 生物制药的废水来源1 1 1 2 生物制药废水主要特征2 1 1 3 生物制药废水处理工艺简介4 1 2 厌氧生物处理技术4 1 2 1 厌氧生物处理原理5 1 2 2 厌氧反应器发展历程6 1 2 3 厌氧反应器优点与缺点7 1 2 4u a s b 反应器8 1 3 好氧生物处理技术1 0 1 3 1 活性污泥法1 l 1 3 2 生物膜法1 2 1 3 3a o 工艺原理及应用1 2 第2 章研究内容及方法1 4 2 1 课题来源1 4 2 2 研究内容：1 4 2 3 工艺流程及设备1 4 2 3 1 废水水质及水量1 4 2 3 2 工艺流程15 2 3 3 主要设备17 2 4 项目检测及分析方法1 9 第3 章工艺启动”2 0 3 1u a s b 反应器的启动2 0 3 1 1 污泥接种一2 0 3 1 2u a s b 启动2 0 目录 3 1 3u a s b 反应器的k 值2 3 3 2a o 的启动2 5 3 2 1 o 的启动过程2 5 3 2 2 运行参数的核算2 8 第4 章工艺运行效果及分析2 9 4 1u a s b 反应器的运行2 9 4 1 1c o d 容积负荷影响分析2 9 4 1 2p h 值影响分析3 0 4 1 3v f a 与碱度影响分析3 1 4 1 4 温度影响分析3 3 4 1 5 氨氮浓度影响分析3 3 4 2 o 池的运行3 4 4 2 1 氨氮浓度影响分析。3 4 4 2 2p h 值影响分析3 6 4 2 3 温度值影响分析3 6 4 3u a s b + o 组合工艺整体性能评价3 7 4 3 1 运行效果分析3 7 4 3 2 运行成本分析3 8 第5 章结论与建议3 9 5 1 结论3 9 5 2 建议4 0 致 射4 l 参考文献4 2 攻读学位期间的研究成果4 5 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 水是地球上人类最宝贵的一种自然资源，生命起源于古代的海水之中，一 切生物皆离不开水，水既是人体组成的基础物质，又是新陈代谢的主要介质， 其含量占体重的2 3 。生物体内的化学反应皆在水溶液中进行。 随着工农业生产的增长，人口的增长，造成了所谓的“环境危机”。水污 染对人体健康、工农业生产和人类社会的持续发展带来了极大的危害。我国水 污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化”。水资源缺乏和水污染严重已成 为日益突出的环境问题，2 1 世纪被称为水的世纪，工业废水、城市生活污水的 高效处理和回用是目前研究的热点l l 引。 1 1 制药行业生产废水特性 目前，我国生产的常用药物多达2 0 0 0 多种，不同种类的药物所采用的原料 一 和数量以及生产工艺也不相同，医药产品按其特点可分为抗菌素，有机药物、 无机药物和中草药4 大类。如按生产工艺过程可分为生物制药和化学制药。其 中发酵工程制药发展历史最为悠久、技术最为成熟、应用最为广泛，所谓生物 一 制药是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动产生的酶对无机或有机原料 进行加工，直接产生代谢产物或次级代谢获得产品的过程。化学制药是采用化 学方法使无机物或有机物通过化学反应生成的合成物，而生物制药在发酵、提 炼等过程有时也采用多级化学反应。此外，还有采用物理或化学的方法从动、 植物中直接或提取形成药物的制药生产方式，即国内生产厂家众多的中成药， 国外也称为天然药物，此类药物近年发展较快，也是我国制药行业优先发展的 重点。生物制药按生物工程学科范围可分为以下4 类：( 1 ) 发酵工程制药：( 2 ) 基因工程制药：( 3 ) 细胞工程制药：( 4 ) 酶工程制药。目前，最为广泛采用 的是发酵工程制药。药物的化学组成主要是氨有机酸和丙酮类、脂类、基酸类、 蛋白质类、酶及辅酶类、激素、免疫调节物质、多糖等等【3 1 。 1 1 1 生物制药的废水来源 生物制药的工艺主要包括菌种的制备及菌种保藏、培养基制备( 培养基的 种类与成分、培养基原材料的质量和控制) 与灭菌及空气除菌、发酵工艺( 温 1 第1 章绪论 度与通气搅拌等) 与设备、发酵液的预处理和过滤、提取工艺( 沉淀法、溶剂 萃取法、离子交换法) 和设备、干燥工艺与设备。因此，其生产过程所产生的 废水主要有以下几个方面： ( 1 ) 发酵废水。此类排水是最重要的一类废水，生产的提取可采用沉淀法、 萃取法、离子交换法等工艺，这些工艺提取药物后的废母液、废流出液等污染 负荷高，此废水虽然水量未必很大，但其中污染物浓度较高，属高浓度有机废 水。发酵废水是经提取有用物质后的发酵残液，本类废水如果不含有最终成品， b o d 5 为4 0 0 0 1 3 0 0 0 m g l 。当发酵过程不正常，发酵罐出现染菌现象时，导致 整个发酵过程失败，必须将废发酵液排放到废水中，从而增大了废水中有机物 及药物的浓度，使得废水中c o d 、b o d 5 值出现波动高峰，此时废水的b o d 5 可高达( 2 3 ) x1 0 4 m g l 。 ( 2 ) 酸、碱废水和有机溶剂废水。该类废水主要是在发酵产品的提取过程， 需要采用一些提取工艺和特殊的化学药品造成的。 ( 3 ) 设备与地板等的洗涤废水。冲洗废水主要是发酵罐的清洗、分离机的 清洗及其他清洗工段和地面冲洗等，其中过滤设备冲洗水( 如转鼓过滤机、板框 过滤机等过滤设备冲洗水) 污染物浓度也很高。洗涤水的成分与发酵废水相似， b o d 5 一般为5 0 0 1 5 0 0 m g l 。 ( 4 ) 工艺辅助废水。此类废水主要包括工艺冷却水( 如消毒设备冷却水、发 酵罐) 、循环冷却水系统、动力设备冷却水( 如空气压缩机冷却水、制冷机冷却水) 、 蒸馏( 加热) 设备冷凝水等，此类废水污染物浓度低，废水中污染物主要成分是发 酵残余的营养物，如糖类、蛋白质、脂肪和无机盐类( c a 2 + 、m 9 2 + 、k + 、n a + 、 s 0 4 、c 1 等) 但是水量较大，浓度接近城市污水，b o d 5 一般在4 0 0 m g l 左右。 一些设备还有有机溶剂和化工原料等，c o d 含量也很高。 1 1 2 生物制药废水主要特征 从生物制药的生产原料及工艺特点中可以看出，该类废水成分复杂，有机 物浓度高，溶解性和胶体性固体浓度高，p h 经常变化，温度较高，带有颜色和 气昧，悬浮物含量高易产生泡沫，含有难降解物质，并且有生物毒性，c o d 贡 献量最大的是发酵废水。其具体特征如下： ( 1 ) c o d 浓度高( 5 8 0 9 l ) 。其中主要为发酵残余基质及营养物、溶媒提取 过程的萃取液，经溶媒回收后排出的蒸馏釜残液，离子交换过程排出的吸附废 2 第1 章绪论 液，水中不溶性的发酵残液，以及染菌倒罐废液等。这些成分浓度较高 ( 2 ) 废水中s s 浓度高( 0 5 - 2 5 9 l ) 。其中主要为发酵残余培养基质和发酵产 生的微生物丝菌体。如庆大霉素s s 为8 9 l 左右。 ( 3 ) 存在难生物降解和有抑菌作用的抗菌素等毒性物质。发酵或提取过程 中投加的有机或无机盐类，如破乳剂p p b ( 十二烷基溴化吡啶) 、消泡剂( 聚氧乙 烯丙乙烯甘油醚等) 、草酸盐、黄血盐、残余溶媒( 甲醛、甲酚、乙酸丁脂等有机 溶剂) 和残余抗生素及其降解物等，这些物质达到一定浓度会对微生物产物抑制 作用。由于药物得率较低，仅为0 1 3 ( 质量分数) ，且分离提取率仅6 0 7 0 ( 质量分数) ，因此废水中残留抗菌素含量较高，一般条件下四环素残余浓度 为1 0 0 1 0 0 0 m g l 。资料表明1 4 j ，废水中青霉素、四环素、链霉素、氯霉素浓度 低于0 1 m g l 时，不会影响好氧生物处理，并且可被生物降解，但当它们的浓度 大于1 0 m g l 时就会抑制好氧污泥的呼吸，降低处理效果。田园等【5 l 认为浓度低 于5 0 0 0 m g l 时，厌氧消化基本上未受抑制。张希衡1 6 1 等的研究表明草酸浓度低 于5 0 0 0 m g l 时，对厌氧发酵没有影响，超过1 2 5 0 0 m g l 时消化过程被抑制。而 卡拉皮辛【7 j 等认为链霉素、青霉素5 0 0 m g l 时不抑制好氧活性污泥活性。甲醛对 厌氧消化的毒物临界浓度为4 0 0 m g l ( 连续法) 等。 ( 4 ) 硫酸盐浓度高。一般认为在好氧条件下硫酸盐的存在对生物处理没有 影响，但对厌氧生物的甲烷菌等处理有抑制作用。由于硫酸氨是发酵的氮源之 一，硫酸是提炼和精制过程中重要的p n 值调节剂，大量使用的硫酸氨和硫酸， 造成很多发酵制药废水中硫酸盐浓度高，给废水厌氧处理带来困难。 ( 5 ) 成分复杂。中间代谢产物、表面活性剂( 破乳剂、消泡剂等) 和提取 分离中残留的高浓度酸、碱、有机溶剂等原料成分复杂，易引起p h 波动大，影 响微生物反应活性。 ( 6 ) 水量小且间歇排放，冲击负荷较高。由于分批发酵生产，废水间歇排 放，所以其废水成分和水力负荷随时间也有很大变化，这种冲击给生物处理带 来极大的困难。排水点多，高、低浓度废水单独排放，有利于清污分流。高浓 度废水间歇排放，酸碱性和温度变化大，需要较大的收集和调节装置。 ( 7 ) 含氮量高，主要以氨态氮和有机氮的形式存在，发酵废水经生物处理 后氨氮指标往往不理想，并且一定程度上影响c o d 的去除。发酵过程中为满足 发酵微生物次级代谢过程特定要求，一般控制生产发酵的c n 比为4 ：1 左右，这 样废酵液中的b o d 5 n 一般在4 ：l 之间，与废水处理微生物的营养要求相差较 多，会影响生物与代谢，不利于提高废水生物处理的负荷和效率。 3 第1 章绪论 1 1 3 生物制药废水处理工艺简介 随着制药工业的迅猛发展，制药废水污染问题受到了世界各国的高度重视。 长期实践表明，最为经济的方式为生物技术，在五、六十年代，美国、日本等 国家几乎全部采用好氧生物处理技术，但随着技术的发展，逐渐出现了厌氧工 艺、好氧工艺、厌氧一好氧联合工艺、膜生物反应器等。 由于生产废水成分复杂，有机物含量高，同时还含有少量残余药物，会对 生化处理产生抑制作用，虽然物化工艺比生化工艺处理成本高，且易引起二次 污染，但作为生化处理的前序工艺，可有效改善生化工艺进水的水质，大幅减 少后期生化的压力，主要包括沉淀、絮凝、过滤等。采用含ca 2 + 复合絮凝剂对 抗生素制药废水进行混凝处理f 8 】，c o d 去除率可达7 1 7 7 ，s s 去除率达 8 7 8 9 ，可大辐度地削减废水中残留药物的抑菌效力，制药废水的药物效价去 除率大于9 0 。处理后的水质达到排放标准，更趋于普通有机废水，有利于实 现此种废水的常规生物处理。如絮凝一电解法处理麻黄素废水1 9 j ，絮凝一厌氧一 好氧处理抗菌素废水5 1 2 1 0 】，其目的多是降低水中的悬浮物和减少废水中的生物 抑制性物质，有利于废水的后续生物处理，这些实验均取得了较好的实验效果。 当前大量资料已经证明，对于不断增加的工业废水处理设施来说，厌氧工 艺将是一个合理的选择。7 0 年代后期，厌氧生物法才在制药工业废水中真正得 到了广泛应用。美国普强制药厂首先采用厌氧过滤法处理高浓度制药废水，开 始了厌氧技术在制药废水中的工程应用【1 1 1 2 】，刘汝鹏等采用采用m i c r o f r e t h 技术 对庆大霉素综合废水进行预处理，后续u a s b 反应器+ 接触氧化的主体处理工艺， 在综合废水进水c o d 、b o d 5 、s s 的质量浓度分别为1 2 8 2 0 、2 4 8 2 、7 6 2 0 m g l 时，出水的c o d 、b o d 5 、s s 的质量浓度分别为6 0 0 7 0 0 、2 0 0 - 2 4 0 、 1 0 0 1 2 0 m g l ! l 3 1 。 在8 0 年代，我国处理制药废水的主要方法是好氧工艺，包括活性污泥法、 接触氧化法、生物转盘法、深井曝气、氧化沟等。先后经历了深井曝气，接触 氧化，氧化沟等几个阶段，生物流化床在现代也缺的了小规模的应用。李向东 等应用，运行结果表明，该工艺处理效率高，操作简单，处理后排放废水符合 国家污水综合排放标准【l4 。 1 2 厌氧生物处理技术 废水的厌氧生物处理是指在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有 4 第1 章绪论 机物进行降解、稳定的一种无害化处理方法 1 2 1 厌氧生物处理原理 有机物厌氧消化产甲烷过程是一个非常复杂的由多种微生物共同作用的生 化过程。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 ( 1 9 1 4 ) 与i m h o f f ( 1 9 1 6 ) 的看法，有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段【1 5 】。随着厌氧 微生物学的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程认识不断深化， 厌氧消化理论得到不断发展。m p b r y a n t ( 1 9 7 9 ) 根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌 的研究结果，认为两阶段理论不够完善，提出了三阶段理论【1 6 1 ，三阶段理论如 图1 一l 所示。该理论认为产甲烷菌不能利用乙酸，h 2 c 0 2 和甲醇等以外的有机 酸和醇类，长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、h 2 和c 0 2 等， 才能被产甲烷菌所利用。三阶段理论包括： 图1 1三阶段厌氧消化过程示意图 第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作 用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀 粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为简单的氨基酸等， 这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。继而这些简 单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等 脂肪酸和醇类。参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。由一类专门的细菌( 产氢产乙酸细菌) 将丙酸、 丁酸等挥发性脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、h 2 和二氧化碳。 5 第1 章绪论 第三阶段为产甲烷阶段，由产甲烷的细菌利用第一阶段和第二阶段产生的 乙酸、h 2 和二氧化碳产生甲烷( c h 4 ) 。 几乎与b r y a n t 提出三阶段的同时，j g z e i k u s ( 1 9 7 9 ) 在第一届国际厌氧消 化会议上提出了四种群说理论【l7 1 ，该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四 种群厌氧微生物参与，这四种群即是：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙 酸菌( 又称耗氢产乙酸菌) 以及产甲烷菌。图1 2 表达了四种群说关于负载有机 物的厌氧消化过程。 图1 2 四种群说有机物厌氧降解示意图 从两阶段说发展到三阶段说和四阶段说过程，是人们对有机物厌氧消化不 断深化认识的过程。这也从侧面反映出，有机物消化过程是一个由许多不同微 生物群协同作用的结果，是一个极为复杂的生物化学过程。 1 2 2 厌氧反应器发展历程 废水厌氧生物处理技术发展至今，已有1 2 0 多年了。人类对厌氧生物处理 法的研究首先是从处理粪便开始的。大体厌氧反应器经历了三个阶段： 第一代厌氧反应器( 1 8 6 0 1 9 5 5 ) ：此反应器的特点是h r t ( 反应器水力停 留时间) = s i 玎( 反应器污泥停留时间) 。这些最初的厌氧反应器采用污泥与废 6 第1 章绪论 水完全混合的模式，厌氧微生物污泥浓度低，处理效果差，主要用于污泥和粪 肥的消化，以及生活污水的处理l l8 1 ，主要代表反应器为化粪池、传统消化池、 厌氧接触池【1 9 - 2 2 1 。 第二代反应器( 1 9 6 7 1 9 8 1 ) ：此反应器通过微生物固定化技术，是厌氧反 应器实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离，实现了s r t h r t ，使反应器 内能够保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，具有高的有机负荷和水力负荷， 构造简单，结构紧凑，投资小，占地少，并注重培养颗粒污泥。主要代表反应 器为厌氧滤池，升流式厌氧污泥床反应器，厌氧膨胀床和厌氧流化床1 2 3 - 2 6 】。 第三代厌氧反应器：它的特点是在将污泥停留时间和水力停留时间相分离 的前提下，使s r t h r t ，提高进水速度，通过高的水力负荷和强的产气搅动作 用，使固液两相充分接触以提高传质效率，从而既能保持大量污泥又能使废水 和活性污泥之间充分混合、接触，以达到真正高效的目的。第三代反应器的设 计能确保布水的均匀性，避免短流和死角等现象的产生，还能利用塔式反应器 结构和出水回流提高进水流速而获得良好的搅拌强度，从而实现上述要求【2 7 2 8 1 。 代表反应器厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) ，内循环厌氧反应器( i c ) ，厌氧序批式间 歇反应器( a s b r ) 和厌氧复合床( u b f ) 2 9 3 1 】。 1 2 3 厌氧反应器优点与缺点 过去几十年间处理各种各样工业废水的许多生产装罱已经确切表明了厌氧生 物技术在将有机污染物生物转化为甲烷的优点。在大部分所研究的示例中厌氧生物 降解处理的优点明显超过其不足之处【3 2 1 。厌氧工艺的优点与缺点归纳示于表1 1 表1 1厌氧技术优缺点比较 仄军l 坡不削v l 恩仄飘殳埋刚u j 日艺猷息 下甘狍出 为增加反应器内生物量启动时间长 ：壅歪要萎雪泥竺霎鍪星弗田 ：羹鋈群徽龛鞣燃麓到地表水体 减少补充氮、磷营养的费用 。：等型同帅。l u 月叫、伙1 匕1 蹦心。从到出仉川r 篓冀点些要眢尘h 太壬丌弘汶。6 h 徘b ? 泵谣滚度低产生的甲烷的热量不足以使水温加 璧套冀善并具有生态和经济上的优点纛；震g 甚端i - i 误霸翟7 - - - 瑟 1 7 1 葚蓬釜翟篙以阪月、恤删 话行筒茧 “”“。j 、目“。m “ ：孽著窭囊重墓冀型譬娈季鎏毫耀鬈物岳 ：委覆篙篙嚣族化合物对甲烷茵的毒性比对好氧 可以降解好氧过程中不可生物降解物质型菩二j w 环吖叫“肌图n y 咩旺4 ”4 烈 ：婺省豪釜塞銎罄璺蠢譬虐如i 主篮￥力学速率低 可以处理季节性排放的废水 茎蓊嘉茬爻蒜委案n h 。浓度高，约4 0 7 0 m g l 7 第1 章绪论 1 2 4u a s b 反应器 1 9 7 4 年，荷兰w a g e n i n g e n 农业大学的g l e t t i n g a 等人在生物滤池基础上成 功的研制了升流式厌氧污泥床，简称u a s b 反应器【3 3 3 4 1 。 1 2 4 1u a s b 的原理 u a s b 反应器主体部分由反应区和气、液、固三相分离区组成，如图1 3 所 示。 图1 3u a s b 结构示意图 废水由池底进入反应器，通过反应区经气体分离后混合液进入沉淀区进行 固液分离。澄清后的处理过的水由出水渠排走，沉淀下来的微生物固体，即厌 氧污泥靠重力自动返回到反应区，集气室收集的沼气由沼气管排出反应器。 u a s b 内不设搅拌装置，上升的水流和产生的沼气可满足搅拌要求，反应器内不 需填装填料，构造简单，易于操作运行，便于维护管理。 u a s b 反应器在处理各种有机废水时，反应器内一般情况下均能形成厌氧颗 粒污泥，而厌氧颗粒污泥不仅具有良好的沉淀性能，而且有较高的产甲烷活性 【3 5 】。由于u a s b 反应器设有三项分离器，使得反应器内的污泥不易流失，所以 反应器内能维持很高的微生物量，平均浓度可达8 0 9 s s l 左右1 3 引。同时，反应 器的s r t 很大，h r t 很小，这使反应器有很高的容积负荷率和处理效率及运行 稳定性。 u a s b 反应器的构造主要有下列几个部分组成： 8 第1 章绪论 ( 1 ) 进水分配系统 配水系统设在u a s b 反应器的底部，其功能主要是把废水均匀的分配到整 个u a s b 反应器，使有机物能在反应区内均匀分布，有利于废水与微生物充分 接触，使反应器内的微生物能够获得充足的营养，这是提高反应器容积利用率 的关键。同时，进水分配系统还具有搅拌功能。 ( 2 ) 污泥床 污泥床位于整个u a s b 反应器的底部，污泥床内具有很高的污泥生物量， 其污泥浓度( m l s s ) - - 般为4 0 1 0 4 8 0 1 0 4 m g l ，污泥粒子虽呈一定的悬浮状 态，但相互之间距离很近，几乎呈搭接之势，这个区域内的污泥固体浓度高达 4 0 - 8 0 9 v s s l 。污泥床的容积一般占整个u a s b 反应器容积的约3 0 ，但它对 u a s b 反应器的整体处理效率起着极为关键的作用，是对废水中的课生化性有机 物进行生物处理的主要场所，被降解的有机物中，大约7 0 - - 9 0 是在这个区域 完成的。 ( 3 ) 污泥悬浮层 u a s b 反应器容积沉淀区以上的7 0 左右为污泥悬浮层，悬浮着粒径较小 的絮体污泥和颗粒污泥，絮体之间保持着较大的距离，其中的污泥浓度低于污 泥床，通常为5 - - - 2 5 9 v s s l ，污泥容积指数一般在3 0 - - 一4 0 m l g 之间，其沉降速 度要明显小于颗粒污泥的沉降速度，靠来自污泥床中上升的气泡使此层污泥得 到良好的混合。污泥悬浮层中絮凝污泥的浓度呈自下而上逐渐减小的分布状态， 这一层污泥的有机物降解量一般占到着整个u a s b 反应器有机物降解量的 1 0 - - 3 0 。 ( 4 ) 三相分离器 u a s b 反应器最重要的和最有特点设备是三相分离器，其功能是把气体、固 体和液体分离。这一设备安装在反应器的顶部并将反应器分为下部的反应区和 上部的沉淀区。首先，气体被分离后进入集气室，然后，固液混合液在沉淀区 进行固液分离，下沉的固体借重力由回流逢重新返回反应区。它同时具有两个 功能：能收集从分离器下的反应室中产生的沼气；使得在分离器之上的悬 浮物沉淀下来。沉淀区其作用是使由于水流的夹带作用而随上升水流进入出水 区的固体颗粒( 主要是污泥悬浮层中的絮凝性污泥) 在沉淀区沉淀下来，并沿 沉淀区底部的斜壁滑下而重新回到反应区内( 包括污泥床和污泥悬浮层) ，以 保证反应器中污泥不致流失而同时保证污泥床中污泥的浓度。为了取得在沉淀 9 第1 章绪论 器中对上升流中污泥絮体颗粒满意的沉淀效果，三相分离器第一个主要的目的 就是尽可能有效地分离从污泥床层中产生的沼气，特别是在高负荷的情况下。 在集气室下面反射板的作用是防止沼气通过集气室之间的缝隙逸出到沉淀室。 另外挡板还有利于减少反应室内高产气量所造成的液体紊动【3 7 】。 1 2 4 2u a s b 的特点 u a s b 主要的优点是： ( 1 ) 有机负荷高，水力停留时间短，容积负荷可达到3 1 0 k g c o d l d ，c o d 去除率高，有机物处理效果好，具有较强抗冲击负荷能力【3 8 】。 ( 2 ) 反应器内污泥浓度高，废水在反应器内水力停留时间较短，因此所需池 容积大大缩小【3 9 】。 ( 3 ) 反应器内设三相分离器。被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一 般无污泥回流设备。 ( 4 ) 设备简单，运行方便，无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用自身产 生的沼气和进水来搅动。污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题【4 们。 ( 5 ) 容积产气率高，能耗低，占地面积较小，节约土地资源，反应器中污泥 泥龄长，所排出的污泥数量少，从而降低了污泥处理的费用。 u a s b 的不足之处在于： ( 1 ) 反应器内有短流现象，影响处理能力。 ( 2 ) 进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，般控制在5 0 0 m g l 以下，特 别是难消化的有机物固体不宜太高。 ( 3 ) 运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏，耐冲击能力稍差。 ( 4 ) 出水不能直接达标，需要后续工艺。 1 3 好氧生物处理技术 好氧生物处理是在有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，好氧微生物降解有机 物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物( 以溶 解状与胶体状为主) ，作为营养源进行好氧代谢。有机物被微生物摄取后，通过 代谢活动，约有三分之一被分解、稳定，并提供微生物生理活动所需的能量， 约有三分之二被转化，进行微生物自身生长繁殖。后者就是废水生物处理中的 剩余活性污泥或生物膜。好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短， l o 第1 章绪论 故处理构筑物容积较小。在废水处理工程中，好氧生物处理法有活性污泥法和 生物膜法两大类。 1 3 1 活性污泥法 活性污泥法是废水生物处理中使用最广泛的一种方法。它于1 9 1 4 年在英国 曼彻特市由a r d e m 和l o c k e t t 建厂以来，已有九十多年的历史。 活性污泥法基本流程如图1 4 所示。含有各种有机物和无机物的污水进入初 沉池，然后进入活性污泥反应池( 又称曝气池) ，与活性污泥混合并进行曝气， 污水中的悬浮固体和胶体物质在很短的时间内即被活性污泥所吸附。污水中有 机物被微生物利用作为生长繁殖的碳源和能源，代谢转化为生物细胞并氧化成 为最终产物( 主要是c 0 2 ) 。非溶解性的有机物需先转化为溶解性的有机物，然 后才被代谢和利用。 空气 进 i 纠流污泥剩余污泥 图1 4 活性污泥法基本流程 含活性污泥和污水的混合液最终从反应池内排出，在二沉池内进行固液分 离f 4 1 。4 2 1 。上层出水即为净化水；分离浓缩后的生物固体返回反应池，使池内始终 保持一定浓度的生物固体，用于连续不断地讲解污染水中的有机污染物。由于 微生物进行连续的合成和繁殖，因此产生多余的活性污泥必须将其从系统排出， 这部分污泥即可以从二沉池排出，也可以从反应池排走，可通过设计和运行予 以调解和控制。活性污泥是悬浮的生物固体，由以下四部分组成：活性微生 物；活细胞代谢残留物；吸附在活性污泥表面的惰性的不能生物降解的 有机悬浮固体；惰性的无极悬浮固体。主要来自入流污水，但细胞物质中也 有此类物质【4 3 1 。 活性污泥法生物处理系统在长期实践过程中，根据对水质的适应性，微生 物代谢活性的特点、运行操作、技术经济及净化要求等方面的不同情况又发展 成为多种运行方式和类型。按运行方式可分为以下几种：传统活性污泥法、渐 第1 章绪论 减曝气法、分步曝气法、阶段曝气法、生物吸附法、完全混合法、延时曝气法、 克劳斯法、高负荷曝气法、氧化沟法、纯氧曝气法、间歇活性污泥法等【7 1 。 1 3 2 生物膜法 生物膜法是属于好氧生物处理的方法，它是将废水通过好氧微生物和原生 动物，后生动物等在载体填料上生长繁殖形成的生物膜，吸附和降解有机物， 使废水得到净化的方法。生物膜法与活性污泥法的主要区别在于生物膜或固定 生长、或附着生长于固体填料的表面，而活性污泥则以絮体方式悬浮生长于处 理构筑物中。生物膜是由固定在附着生长载体上的并经常镶嵌在有机多聚物结 构中的细胞所组成。随着时间的增长，生物膜的增厚，渗入的0 2 在外层的微生 物消耗下，造成膜内出现厌氧，最后生物膜脱落【4 8 】。根据装置的不同，生物膜 法可分为接触氧化法、生物转盘、生物滤池及生物流化床等4 种【4 争”】。 1 3 3a o 工艺原理及应用 由于二级生化处理主要是去除以b o d 5 为主的有机污染物，对废水中同时存 在的氮元素只能去除其中的一小部分，大量残存的氮元素排入受纳水体，近二、 三十年代以来，废水中氮元素的去除己成为废水处理的热点。 1 3 3 1 生物脱氮原理 生物脱氮是污水中的含氮有机物( 如蛋白质、氨基酸、尿素、脂类、硝基 化合物等) ，其中的有机氮通过细菌对蛋白质的分解和对尿素的水解转化成氨， 即氨化作用，然后在供氧充足及其他合适的条件下，由自养型硝化细菌将其转 化为亚硝酸盐和硝酸盐，最后在无氧条件下，由反硝化细菌将硝酸盐还原为对 人体无害的分子态氮气，这就是生物脱氮工艺。由上可知，传统的生物脱氮主 要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用。 ( 1 ) 氨化作用 微生物分解有机氮化合物制造氨过程称为氨化作用。有机氮在废水中首先 在水解酶作用下水解为氨基酸，这个过程可以在细胞或细胞外进行，然后水解 形成的氨基酸在氨化细菌脱氨基酶作用下产生氨。很多细菌、真菌、放线菌可 分解蛋白质和氮衍生物，能力强的微生物即能分解、释放出n h 3 微生物称为氨 化微生物。无论是在厌氧、中性或酸性还是碱性环境中都可以进行。其反应是 为： 1 2 第1 章绪论 r c h n h 2 c o o h + 0 2 _ r c o o h + c 0 2 删3 ( 2 ) 硝化作用 硝化作用是指n h 3 被氧化成n 0 2 ，然后再进一步氧化成n 0 3 的过程。它由 两个步骤完成：通过亚硝酸盐菌将氨氮转化为亚硝酸的反应和经硝酸细菌把亚 硝酸盐转换为硝酸盐的反应。亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌。他们不需要 有机性营养物质，他们使用有机质的营养，如c 0 2 和h c 0 3 等作为碳源，通过 无机物n h 3 、叫或n 0 2 的氧化还原反应获得能量。硝化作用需在好氧条件下 进行f 5 2 】。 其反应过程如下 亚硝化反应：n h 4 + + 1 5 0 2 n 0 2 一+ 2 h + + h 2 0 + 能量 硝化反应： n 0 2 一+ o 5 0 2 一n 0 3 一 硝化总反应：n h 4 + + 2 0 2 _ n 0 3 一+ 2 r 。斗h 2 0 + 能量 ( 3 ) 反硝化作用 在缺氧条件下，由于兼性脱氮菌( 反硝化菌) 的作用，在氢供体充分的条 件下，将n 0 2 一和n 0 3 - 还原成n 2 排入空气中，同时有机物分解的过程称为反 硝化过程。其反应式为【5 3 】 2 n 0 2 + 6 一( 氢供体) 一n 2 t + 2 0 h + 2 h 2 0 2 n 0 3 - + 1 0 h + ( 氢供体) _ n 2 t + 2 0 h 。+ 4 h 2 0 由上述反应式可知：其氧化还原反应实际上利用了废水中的n o 厶、n 0 3 。中 的氧。每氧化l g n 0 3 。- n 的供氧量约为2 6 9 ；反硝化过程产生提供一定量的重碳 酸盐碱度，约为3 4 7 9 c a c 0 3 g n o 孓- n1 5 4 1 。 1 3 第2 章研究内容及方法 第2 章研究内容及方法 2 1 课题来源 江西新瑞丰生化有限公司是于2 0 0 4 年1 1 月改制成立，致力于生物化学制品 的研究、开发、生产和销售于一体的外商独资企业。其前身“核工业华新生物 化学制品厂”始建于1 9 8 9 年，经过三次技术改造，从一个赤霉素设计年生产能 力为3 6 吨的生化小厂，现已发展成为赤霉