（环境工程专业论文）用uasb处理几种单一化学物质的效能研究.pdf

1 nn nj n e l i e c t l v e n e s sr e s e a r c n0 ns e v e r a l0 i t h e s i n g l ec h e m i c a l sw i t hu a s b m a s t e rc a n d i d a t e ：z h o ul i a n g m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n gj i n g d o n g m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s 时o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n to fe n v i r o l l j m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 1 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签祀! 宣堕日期： 学位论文使用授权书 至竺年月垒二- 日 苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库 等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录 检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同 意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名翅兰兰刍期： 指导教师签名：挚耍砻二日期： 竺年月尘日 丝年月上上日 厌氧生物技术是有机废水处理技术中的重要组成部分，对于某种化学物质， 若可以知道厌氧菌对其降解能力，且在保持稳定且较高的c o d 去除率条件下， 知道厌氧菌能承受的最高有机容积负荷。当某工程废水主要含有该物质时，我们 就可以更严谨而经济地设计厌氧反应器，最大限度减少占地投资和运行成本，方 便运行管理。同时也会加深对厌氧微生物的特性的理解，对它们的有机负荷承受 能力会有更深的体会。 本文根据厌氧消化原理，在对反应器的工作原理进行分析的基础上，针对几 种化学物质，从u a s b 等厌氧反应器的启动规律和运行特性进行研究，主要研 究结果如下： 1 、采用有效容积为3 l 的上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理丙酮，在保证 去除率高于9 0 前提下，丙酮负荷最高可至2 1 k ( m 3 d ) ，容积负荷最高可至 4 0 k g c o d ( m 3 - d ) 。 2 、采用有效容积为3 l 的上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理处理甲醛，在 保证去除率高于9 0 的前提下，甲醛负荷最高可至1 6 k ( m 3 d ) ，容积负荷可稳 定在4 k g c o d “m 3 d ) 。厌氧微生物适应甲醛后，其承受甲醛的冲击能力有限，不 可迅速提升甲醛负荷，不然容易导致出水恶化。 3 、采用有效容积为3 l 的上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理处理乙二醇、 山梨醇、丙二醇，在保证去除率高于9 0 、运行稳定的前提下，反应器的最高容 积负荷分别能达到1 4 k g c o d “m 3 d ) 、1 3 k g c o d ( m 3 d ) 、5 8 k g c o d “m 3 d ) ，乙二 醇负荷能达6 7 k ( m 3 d ) 、丙二醇负荷能达4 5 k ( m 3 d ) 。若继续提高其负荷，出 水c o d 去除率与p h 将迅速下降，反应器将面临酸化的危险。 试验所得的结果对厌氧生物处理技术有着极高的科学研究价值和工程应用 价值。 关键词：厌氧容积负荷，上流式厌氧污泥床反应器，丙酮，甲醛 苏州利技学院硕十学伊论文摘璎 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 e c h n o l o g yi sa ni m p o n m e n tp a no fo 玛a n i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n tt e c h n o l o g y f o rs o m ec h e m i c a l s ，i fy o uc a nl ( i l o wt h ea n a e r o b i cd e g r a d a t i o n c 印a b i l i t i e s ，锄di ns t a b l ec o n d i t i o na j l du n d e rl l i 曲c o dr e m o v a l ，a n a e r o b i cb a c t e r i a t 1 1 a tc a nw i t h s t a n dt 1 1 em a x i m 啪 。唱a n i c1 0 a m n gr a t e w h e na ne n g i n e e r i n g 、v a s t e w a t e rm a i n l yc o n t a i n st l l es u b s 伽c e ，w ec a nb em o r er i g o r o u s 锄de c o n o m i c a l l y d e s i g n e dr e a c t o r ，m i m m i z i n gt h e a r e ao fi n v e s t i n e n t 锄d o p e r a t i n gc o s t s ，e a s y o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t w i l la l s od e e p e nu 1 1 d e r s t a n d i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f a n a e r o b i cm i c r o o r g ；a 1 1 i s m s ，a 1 1 dw i l lg e tab e t t e re x p e r i e n c eo nt h e i ra b i l i t yo ft l l e o r g a n i cl o a d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa 1 1 a e r o b i cd i g e s t i o n ，i nt h e 、0 r k i n gp r i n c i p l eo ft h e r e a c t o rb a s e do nt h e 觚a l y s i s ，f o rs e v e r a lc h e m i c a l s ，s u c ha sa n a e r o b i cu a s br e a u c t o r f 如mt l l es t a r ta 1 1 d 删n gc h a r a c t e r i s t i c so fl a w ，t h em a i nf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： 1 u s i n gu p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l 砌【e tm a s b ) r e a c t o r ( e 丘e c t i v ev o l u m ei s3 l ) t o 仃l ：a ta c e t o n ei 1 1c o n d i t i o no f3 5 2 a n dt 1 1 ec o dr e m o v a lr a t ek e p tm o r et h 趾 9 0 ，w h i l ev l ro fa c e t o n er e a c h e dt 021 k ( m 3 d ) a n dv l rr e a c h e dt o4 0 k g c o d ( m 3 d ) 2 u s i n gu p n o wa n 皇屺r o b i cs l u d g eb 1 2 l r 墩e t a s b ) r e a c t o r ( e 髓c t i v ev o l 啪e i s3 l ) t o 仃l ：a tf o m a l d e h y d ei nc o n d i t i o no f35 2 锄dt h ec o dr e m o v a lr a t ek e p tm o r e t 1 1 a i l9 0 ，w l l i l ev l ro ff o 肌a l d e h y d er e a c h e dt o 1 6 k ( m 3 d ) a n dv l r r e a c h e dt o 4 0k g c o d ( m 3 d ) a n r o b i ca d 印t a t i o no ff o 衄a l d e h y d e ，i t sl i 觚t e dc 印a c 时t o w i t h s 切n dt h ei m p a c to ff o r m a i d e h y d e ，f o m a l d e h y d ei sn o tt 0b ee l e v a t e dt l l el o a d ， o t h e 九v i s ee 嬲i l yl e a dt od e t e r i o r a t i o no ft h ew a t e r 3 u s i n gu p n o w 山诅e ：r o b i cs 1 u d g eb l a n k e t ( u a s b ) r e a c t o r ( e 脏c t i v ev o l u m ei s3 l ) t 0 仃e a te t h y l e n eg l y c o l ，s o r b i t o l ，p r o p y l e n eg l y c 0 1 ，i ne n s u r i n gt h er e m o v a lr a t ea b o v e 9 0 ，o p e r a t i n gs 协b i l i t ) ，o ft h er e a c t i o nt 1 1 e1 1 i 曲e s tv o l 啪el o a dd e v i c e s ，r e s p e c t i v e l y t oa c h i e v e1 4 k g c o d ( m 3 d ) ，1 3 k g c o d ( m 3 d ) ，5 8 k g c o d ( m 3 d ) e m y l e n e g l y c o l l o a d c 印a c 时i s6 7 k m 3 。d ，a n dp r o p y l e n eg l y c o l o a dc 印a c 时i s 4 5 k ( m 3 d ) i fy o uc o n t i n u et oi m p r o v ei t sl o a d ，t h ee 御u e n tc o dr e m o v a l 锄dm e p hw i l ld e c r e a s e ，a n dt h er e a c t o r 、啊l lf - a c et h er i s ko fa c i d i f i c a t i o n t e s tr e s u l t so nt h e 锄a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n th 嬲ah i g hs c i e n t i f i cv a l u ea n d e n g i n e e r i n gv a l u e k e y w o r d s ：a n a e r o b i o t i co 唱a n i cv o l l j n ml o a dr a t e ，u a s b ，a c e t o n e ，f o m a l d e h y d e i i 苏障 技学院硕十学伊论文f 1 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章引言。6 1 1 我国的水环境现状及问题6 1 2 本课题的研究背景。6 1 3 课题研究的意义及内容7 1 3 1 课题研究的意义7 1 3 2 研究的内容7 1 3 3 研究的技术路线9 第二章厌氧生物技术10 2 1 废水处理方法1o 2 1 1 物理处理方法1o 2 1 2 化学处理方法。lo 2 1 3 生物处理方法1 1 2 2 厌氧生物处理技术概述1 2 2 2 1 厌氧生物处理的理论：1 2 2 2 2 厌氧生物处理出水监测指标1 4 2 2 3 厌氧生物处理技术的发展1 4 2 3u a s b 厌氧反应器的简介1 6 2 4 影响厌氧处理的环境因素1 7 2 4 1 温度和温度的波动。1 7 2 4 2 p h 值18 2 4 3 废水的性质对厌氧反应的影响。18 2 4 4 氧化还原电位1 9 2 4 5 营养物。19 2 4 6 毒物19 2 4 7 水力停留时间。2 0 第三章u a s b 处理丙酮的试验研究2 l 3 1实验材料和方法2 1 3 1 1 实验材料2 1 3 1 2 分析项目及方法2 2 3 1 3 试验方案2 2 u l 苏州科技学院硕十学何论文f 1 录 3 2 实验内容2 3 3 2 1 聊l 化期。2 3 3 2 2 负荷提升期。2 4 3 2 3 再次启动期2 6 3 2 4 负荷稳定期2 7 3 3 本章小结2 7 第四章u a s b 处理甲醛的试验研究2 9 4 1实验材料和方法。2 9 4 1 1 实验材料2 9 4 1 2 分析项目2 9 4 1 3 试验方案2 9 4 2 实验内容3 0 4 2 1 习0 化期3 0 4 2 2 负荷提升期3 1 4 2 3 负荷稳定期3 4 4 3 本章小结3 6 第五章u a s b 处理乙二醇的试验研究3 7 5 1 实验材料和方法3 7 5 1 1 实验材料3 7 5 1 2 分析项目3 7 5 2 实验内容3 7 5 2 1 试验方案3 7 5 2 2 试验内容3 8 5 3 本章小结4 2 第六章u a s b 处理山梨醇的试验研究4 3 6 1实验材料和方法4 3 6 1 1 实验材料4 3 6 1 2 分析项目4 3 6 2 实验内容4 3 6 2 1 实验方案4 3 6 2 2 实验内容4 4 6 3 本章小结4 6 第七章u a s b 处理丙二醇的试验研究4 8 7 1 实验材料和方法4 8 i v 7 2 - 3 负荷再次提升期5 0 7 2 4 负荷稳定期5 2 7 3 本章小结5 2 第八章结论与建议5 3 8 1结论5 3 8 2建议。5 4 参考文献5 5 致 射5 7 附j 录5 8 v 苏州科技学院硕十学伊论文第。l 市厌氧十物技术 第一章引言 1 1 我国的水环境现状及问题 目前我国水环境面临生态用水缺乏，水环境恶化加剧、江河湖泊普遍遭受污 染以及主要污染物排放量远远超过水环境容量这三大问题。2 0 0 9 年，我国工业 和城镇生活废水排放总量已达5 8 9 2 亿吨，其中其中工业废水排放的化学需氧量 约为4 3 9 7 万吨。 工业废水是我国水环境污染的主要来源。据2 0 0 9 年环境保护总局发布的中 国环境状况公报称，中国地表水污染依然较重，七大水系总体为轻度污染，湖 泊富营养化问题突出，近岸海域总体为轻度污染。2 0 3 条河流4 0 8 个地表水国控监 测断面中，i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 7 3 、2 4 3 和1 8 4 。全国废水排放总量为5 8 9 2 亿吨，比上年增加3 0 ；化学需氧量排放量 为1 2 7 7 5 万吨，比上年下降3 3 ；氨氮排放量为1 2 2 6 万吨，比上年下降3 5 ， 最主要的污染物就是有机污染物，大部分来自化工、冶金、炼焦、轻工等工业排 放2 。 1 2 本课题的研究背景 目前，化工手册上对各种化学物质的理化性质描述很详细，但是缺乏对各种 化学物质生物降解性的描述，所以我们有必要对其生物降解性进行基础性研究。 且随着人民群众的生活水平普遍迅速提高，随之而来的各种化工废水的排放 使环境水体发黑变臭，这一直以来是都困扰着我们。如果我们清楚微生物对其的 降解能力，对我们的工程应用可提供理论依据。 水处理分为物理、化学、物化和生物四种。从众多的化工废水处理工程实例 来看，尤其对于含有机污染物的废水，生物处理是最经济有效的。 废水生物处理技术按微生物代谢过程中对氧的需求情况，可以分为好氧处理 和厌氧处理两种工艺技术。好氧处理工艺利用好氧微生物的代谢，通过不断向水 中充入氧气，以维持好氧微生物所需要的溶解氧浓度，实现将废水中的有机物氧 化为水和二氧化碳，废水中含碳有机物( b o d 5 ) 被污泥中好氧微生物氧化分解； 有机氮通过氨化作用和硝化作用，转化为氧化态氮。这个工程的实质是通过消耗 电能来达到净化水质的目的，是典型的耗能型技术；厌氧工艺是在无氧环境下， 使厌氧微生物大量繁殖并将污水中的有机物还原分解为甲烷、二氧化碳、硫化氢 等。它不需充氧，节省了能耗，还可回收产出物沼气。由于厌氧工艺的容积负荷 通常比好氧工艺的负荷高得多，其占地面积自然也就相应更小。所以，厌氧处理 6 苏州科技学院硕+ 学何论文 菊一j 章厌氕十物技术 是一种既节能又产能的水处理技术，在常规资源曰益减少的今天，其有着宽广的 研究和应用领域。 1 3 课题研究的意义及内容 1 3 1 课题研究的意义 对于某种化学物质，厌氧菌能否将其降解? 且在保持稳定且较高的c o d 去除 率条件下，厌氧菌到底能承受多大的有机容积负荷昵? 若可以知道，当某工程废 水主要含有该物质时，我们就可以更严谨而经济地设计厌氧反应器，最大限度减 少占地投资和运行成本，方便运行管理，同时也会加深对厌氧微生物的特性会有 更深的理解，对它们的有机负荷承受能力会有了更深的体会，在理论上会深化对 厌氧微生物的认识。 当然，影响这一问题的因素很多，也很复杂。现准备从醇类、酮类、醛类这 三种最简单的官能团选择甲醛、丙酮、乙二醇、丙二醇、山梨醇这五种碳原子数 目最少的物质。通过资料收集，发现目前国内外对该课题研究的直接报道几乎没 有，相关论述多散轶于对各种工程实践的报道中，如2 0 0 6 年孟卓采用单段u a s b 工艺处理甲醇废水，以颗粒污泥为接种污泥，容积负荷达到1 8k g c o d “m 3 d ) p j ； 刘景明利用中温消化法处理1 ，3 一丙二醇发酵废液，当投配比7 时，c o d 去除 率达到9 0 3 【4 1 ；沈滨采用厌氧一好氧工艺，并辅以化学除磷技术路线处理山梨 醇废水，进水c o d c r 2 5 0 0 m g l ，出水c o d 甜为5 0 【5 j ；吴香强采用u a s b 厌氧消化 器处理丙酮、丁醇废醪，h r t 为2 5 天，启动c o d 负荷为2 5 ( l d ) ，运行负荷8 9 ( l d ) ，c o d 去除率达9 2 【6 】；熊正为采用厌氧酸化一序批式活性污泥法处理甲醛 废水，当反应期缺氧段为2 0 h ，好氧段为1 1 h ，b o d 5 负荷0 0 4 o 0 8 埏b o d 5 l ( g m l s s d ，甲醛负荷o 0 1 1 o 0 2 2k g 瓜g m l s s d 时，甲醛去除率可以达 到9 8 ，c o d 盯去除率9 0 以上【7 】张春青等采用s b r 法处理乙二醇废水，控 制进水c o d 在25 0 0m g l ，曝气时间4h 、p h 值在6 5 左右时，c o d 去除率平 均可达9 6 左右例。 综上所述，该课题选题新颖，有着极高的科学研究价值和工程应用价值。 1 3 2 研究的内容 ( 1 ) 根据国内外研究成果，设计制作实验用的反应器模型。 ( 2 ) 中温条件下，选定的几种单一化学物质厌氧生物对其的降解性。 ( 3 ) 中温条件下，选定的几种单一化学物质对厌氧微生物所能承受的最大有机 容积负荷的影响。 7 苏州科技学院硕十学伊论文第。：章厌氧牛物技术 ( 4 ) 中温条件下，化学物质单一因素影响下，厌氧反应器的启动运行条件和影 响因素。 ( 5 ) 化学物质单一因素影响下，在保证较高且稳定的c o d 去除率时，厌氧微 生物在高容积负荷下的运行方式和操作条件。 ( 6 ) 系统地监测进出水c o d 及c o d 去除率、产气量等指标，并进行分析比 较。 8 一一 苏”俐技学院硕十学伊论文 筇一一章厌氧卡物技术 1 3 3 研究的技术路线 前期工作。 文献资料查阅与 分析，文献综述 1 l 实验方案的设计，反 应器启动前的准备， 准备测定指标的药 品及仪器。 1r 实验研究： ( 1 ) 根据国内外研究成果，设计制作实验用的反应器模型。 ( 2 ) 中温条件下，选定的几种单一化学物质厌氧生物对其的降解性。 ( 3 ) 中温条件下，选定的几种单一化学物质对厌氧微生物所能承受的最大有 机容积负荷的影响。 ( 4 ) 中温条件下，化学物质单一因素影响下，厌氧反应器的启动运行条件和 影响因素。 ( 5 ) 化学物质单一因素影响下，在保证较高且稳定的c o d 去除率时，厌氧 微生物在高容积负荷下的运行方式和操作条件。 ( 6 ) 系统地监测产气量、进出水c o d 及c o d 去除率等指标，并进行分析比 较。 总结： 通过以上研究，以期为单一化学物质的可生化 性提供可靠的理论依据，并对高负荷下化工废水的 厌氧处理技术的发展和实践起到一定的指导作用。 9 根据微生物分解有机污染物的难易程度，可以将有机废水分为三大类：第一 类为易于生物降解的高浓度有机废水，这类废水一般来自以农牧产品为原料的工 业废水，如食品工业废水；第二类为高浓度有机废水中的有机物是可以降解的， 但废水中含有有害物质，这类废水主要来自轻工业和冶金工业等；第三类为难于 生物降解的和有害的高浓度有机废水，这类废水主要来自有机合成化学工业和农 药生产工业等哼 。 根据其作用机理，可将高浓度有机废水的处理方法大致分为三类：物理处理 技术、化学处理技术和生物处理技术。 2 1 1 物理处理方法 物理处理技术通过物理作用，分离、回收污水中呈悬浮状态的污染物质，在 处理过程中不改变污染物的化学性质，其去除对象是漂浮物、悬浮物质。该处理 方法主要有筛滤截留法、重力分离法、离心分离法，还有均和调节等方法。 2 1 2 化学处理方法 化学处理技术通过化学反应和传质作用，来分离、回收污水中呈溶解、胶体 状态的污染物质，或将其转换为无害物质。常规化学处理技术主要有加药法、电 解法、传质法( 包括吸附法、离子交换法、膜分离法、萃取法、吹脱法、汽提法) 。 目前，处理有机废水的主要方法有化学氧化法、溶剂萃取法、吸附法、焚烧法、 等。 化学氧化法分为两大类，一类是在常温常压下利用强氧化剂( 如过氧化氢、高 锰酸钾、次氯酸盐、臭氧等) 将废水中的有机物氧化成二氧化碳和删1 0 j ；另一类 是在高温高压下分解废水中有机物，包括超临界水氧化和湿空气氧化工艺，所用 的氧化剂通常为氧气或过氧化氢，一般采用催化剂降低反应条件，加快反应速率 【l h 1 2 】。化学氧化法反应速度快、控制简单，但成本较高，通常难以将难降解的有 机物一步氧化到无机物质，而且目前对中间产物的控制的研究较少。 溶剂萃取法利用难溶或不溶于水的有机溶剂与废水接触，萃取废水中的非极 性有机物，再对负载后的萃取剂进一步处理。该法简单易行，适于处理有回收价 值的有机物，但只能用于非极性有机物，被萃取的有机物和萃取后的废水需要进 一步处理，有机溶剂还可能造成二次污染。萃取只是一个污染物的物理转移过程， l o 苏州科技学院硕十学伊论文第市厌氰牛物技术 而非真正的降解。 吸附法利用多孔介质( 如活性炭、磺化煤、树脂等) 吸附废水中的非极性有机 物，饱和的吸附介质需做进一步处理。吸附法的优缺点与溶剂萃取法十分相似 【1 3 】 o 焚烧法利用燃料油、煤等助燃剂将有机废水单独或者和其他废物混合燃烧， 焚烧炉可采用各种炉型。焚烧技术效率高，速度快，可以一步将有害废水中有机 物彻底转化为二氧化碳和水。但设备投资大，处理成本高，除某些特殊废水( 如医 院废水) 外难以采用【14 1 。 2 1 3 生物处理方法 生物处理法是通过水微生物的代谢作用，使污水中呈溶解状态、胶体状态以 及某些不溶解的有机物甚至无机污染物。废水生物处理，转化为稳定、无害的物 质，从而使污水得到净化。该技术以其消耗少、效率高、成本低、工艺操作管理 方便可靠和无二次污染等显著优点而备受人们的青睐【1 5 1 7 1 广泛应用于印染、造 纸、生物制药等化工行业的有机废水处理中。 根据参与代谢活动微生物的种类，该方法可分为好氧和厌氧两大类。 一、好氧生物方法 好氧生物技术是在有溶解氧的条件下，利用好氧微生物降解废水中的有机 物，最终产物是水和二氧化碳。好氧处理工艺按其微生物的生存方式，可分为活 性污泥法( 悬浮生长型) 和生物膜法( 附着生长型) 两种。 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。它利用含有好氧微生 物的法。根据曝气方式的不同。分为普通曝气法、完全混合曝气法、逐步曝气法、 旋流式曝气法和纯氧曝气法。活性污泥法不仅用于处理生活污水、而且在印染、 炼油、石油化工、农药、造纸和炸药等许多工业废水处理中，都取得很好的净化 效果。活性污泥中的微生物以细菌为主，还包括真菌、藻类、原生动物等。此法 最大的弱点是产生大量的剩余污泥，剩余污泥已成为令人头疼的难以解决的疑难 问题，研究开发从源头上不产生或少产生污泥的污水处理技术成为研究的热点 【1 8 】 o 生物膜法是一种耐毒性基质较强的接触生物氧化工艺，具有代表性的是旋 转式接触生物膜反应器( r b c 生物反应器) 。用塑料介质作填料的生物滴滤池生 物膜中的主要微生物是b a c t e r i 啪及p s e u d o m o n 硒，可用来处理高浓度的含酚废 水【19 1 。 好氧生物技术一般用于处理低浓度的废水，但近年来有人研制出一些高效的 好氧生物处理工艺，可用于处理高浓度有机废水，如，好氧流化床和固定化细胞 苏州科技学院硕十学伊论文第i 市厌氰乍物技术 技术等。 1 、生物流化床法( a b f b ) 固体颗粒流态化技术是四十年代发展起来的一门新技术，它能改善固体颗 粒与流体之间的接触，使温度分布均匀，传质速度加快，在整个系统中具有流 体的性质。将这项固体流态化技术移植到废水生物处理工程领域，并开发出新的 工艺技术，叫生物流化床工艺。它将废水从底部以超过一定极限值的流速进入流 化床，并通入空气，表面具有生物膜的载体即开始流化，这些颗粒剧烈运动， 使固( 生物膜) 、液( 废水) 、气( 空气) 三相之间得到充分接触，颗粒之间剧 烈碰撞，生物膜表面不断更新，微生物始终处于生长旺盛阶段。目前，国内利用 a b f b 处理高浓度有机废水尚处于实验阶段，工程应用并不岁2 0 1 。 2 、固定化细胞技术( 简称i m c ) 固定化细胞技术( 简称i m c ) ，也叫固定化微生物技术，是指通过化学或物 理手段，将筛选分离出的适宜于降解特定废水的高效菌株，或通过基因工程技 术克隆的特异性菌株进行固定化，使其保持活性并反复利用。目前该技术还不 够成熟，尚开始起步。 二、厌氧生物处理方法 由于某些有机废水中污染物含量高，若采用好氧处理的能耗太大，而利用厌 氧处理技术处理能耗大大节省，营养物添加费用和污泥脱水费用也教好氧少，故 运行投资省，更重要的是还能产生高热能的沼气，所以目前多采用厌氧生物技术 处理高浓度有机废水。 厌氧生物处理技术是在厌氧条件下，兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转 化为甲烷和二氧化碳的过程，又称为厌氧消化。 2 0 世纪6 0 年代以来，世界能源短缺问题日益突出，这促使人们对厌氧消化 工艺进行重新认识，对处理工艺和反应器结构的设计以及甲烷回收进行了大量研 究，使得厌氧消化技术的理论和实践都有了很大进步，并得到广泛应用。如上流 式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 、厌氧内循环反应器( i c ) 和厌氧折流板反应器 ( a b r ) 等，使厌氧消化技术在废水处理方面取得了长足的进步，但由于厌氧反 应器的容积负荷通常一般高于好氧反应器的负荷，出水污染物含量还很高，常采 用厌氧+ 好氧联合处理工艺使废水得到净化。 2 2 厌氧生物处理技术概述 2 2 1 厌氧生物处理的理论 厌氧生物处理又称厌氧消化，是指厌氧微生物在无氧( 或缺氧) 或硝态氮参与 1 2 苏州科技字：院7 ，而十字：何论文第一：市厌氧乍物技术 条件下，将有机物转化为无机物和少量细胞物质的过程。在多数情况下，厌氧工 艺用于将溶解性和颗粒态的可生物降解有机物质转化成甲烷和c 0 2 。 厌氧消化是一个复杂、缓慢的生化过程，在自然界内厌氧发酵过程也广泛存 在着。厌氧消化过程存在于例如沼泽、湖泊和海洋沉淀物以及瘤胃动物的胃液等 自然生态系统中。人们所开发的厌氧消化工艺，则是用人工的办法在一种反应器 内创造出厌氧微生物所能适应的营养条件和环境条件，使得在相对较短的时间内 提高厌氧微生物的量。 1 9 7 9 年m p b r y a n t 等人根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了 厌氧消化的四阶段理论眨，至此人们对产甲烷的微生物过程有了较为清楚的认 识。 第一阶段是水解和发酵性细菌将复杂有机物如：淀粉、纤维素等水解为单糖 后，再再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基为有机酸和氨；脂类水 解为低级脂肪酸和醇，例如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、 氢、氨和硫化氢等。 图2 1 甲烷发酵的三个阶段 第二阶段是产氢和产乙酸细菌群把第一阶段的产物进一步分解成h 。和乙酸， 例如： 乙醇的转化c h s h ，o h + h ，ojc h s o o h + 2 h ， 丙酸的转化c 风c 风c d 删+ 2 ，d j c h ，c d 鲫+ c 0 + 3 见 第二阶段的微生物群落为产氢、产乙酸细菌。1 9 6 7 年b 巧a n t 分离出了s 菌 株和布氏甲烷杆菌。s 菌株是厌氧的革兰氏阴性杆菌，它发酵乙醇产生乙酸和氢， 为产甲烷的布氏甲烷杆菌提供乙酸和氢气。此外，还有将第一阶段发酵的三碳以 上的有机酸、长链脂肪酸及醇等分解为乙酸和氢气的细菌和硫酸还原菌。 第三阶段是两组生理上不同的专性厌氧的产甲烷菌群。一组是将氢气和二氧 一、c o d 的监测 化学需氧量( c o d ) 是表示废水中有机物完全氧化所需的氧气。目前常用作 氧化有机物的氧化剂为k m n 0 4 和k 2 c r 2 0 7 。但在废水c o d 的分析中有逐渐被淘 汰的趋势。 由于应用厌氧生物技术处理的水质中有机物浓度较高，若测定其b o d 指标， 在稀释过程中容易产生较大的误差，而且该指标的测定时间长，不利于及时对反 应器做出调整，故目前多采用c o d 指标来指导反应器的设计、调试和运行。 二、p h 的监测 p h 值是厌氧处理的又一重要因素。为了使厌氧过程顺利的进行，反应器中 的p h 环境必须在6 5 8 2 之间( 某些情况下可以低至6 0 ) 。因为微生物反应可以 明显改变进水的p h ，所以试图中和废水是不必要的甚至可能是有害的。 但有许多实验和工程实践证明，与p h 这个指标相比，废水的温度应更为我 们重视。因为过低的温度会降低厌氧微生物的活性，使其代谢能力不强，容易使 厌氧反应器发生酸败。而过高的温度会使厌氧微生物失去活性，同样使厌氧反应 器无法正常运行2 羽。 三、v f a 的监测 挥发性脂肪酸( v f a ) 是厌氧消化过程中重要的中间产物，甲烷菌主要是利用 v f a 形成甲烷，只有少部分甲烷由h 2 和c 0 2 生成，形成甲烷的过程离不开v f a 。 但是v f a 在厌氧反应器中的积累可以反映出甲烷菌的不活跃状态或反应器操作 条件的恶化，较高的v f a ( 例如乙酸) 浓度对甲烷菌有抑制作用。在v f a 测定中， 通常进行v f a 总量测定，其单位以m m o l l 或换算为按乙酸计，以单位m l 表 示【2 3 】。 2 2 3 厌氧生物处理技术的发展 事实上厌氧消化工艺并不是一个新的工艺，人们早在一百多年前就开始采用 厌氧工艺处理生活污水污泥在1 8 6 0 年法国工程师m o m a s 采用厌氧方法处理经 1 4 苏州利技学院硕十学付论文 第市厌氧生物技术 沉淀的固体物质。1 9 0 4 年德国的i n l h o f f 将其发展成为i m h o f f 双层沉淀池( 即腐 化池) ，这一工艺至今仍然在有效地利用。在1 9 1 0 至1 9 5 0 年代，高效的、可加温 和搅拌的消化池得到了发展，其比腐化池有明显的优势。s c i l r o e p f e r 在5 0 年代开 发了厌氧接触工艺，这些反应器可以称为第一代的厌氧反应剁2 4 】。 厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，足够长的停留时间是厌氧工艺成功的关 键条件。很显然厌氧消化池无法分离水力停留时间和污泥停留时间，这也是污泥 消化池必须保持足够长的停留时间的原因之一。一般消化工艺在中温( 3 旺3 5 ) 停留时间为2 0 3 0 d 。 高效厌氧处理系统应该满足以下两个条件：( 1 ) 系统内能够保持大量的具有 活性的厌氧颗粒污泥；( 2 ) 反应器进水应与污泥的混合保持良好的接触。依据这 两原则，在2 0 世纪6 0 年代末，m c c 柳和y o u n g 推出了第一个基于微生物固定化 原理的高速厌氧反应器厌氧滤池。它的高明之处在于在反应器中加入固体填 料( 如沙砾等) ，使得微生物是附着生长在填料的表面，这样可以避免水力冲刷，巧 妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离，其固体停留时间可以长达 上百天，这就使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到 几小时或几天。由此产生了第二代的厌氧反应器。 第二代厌氧反应器的典型代表有：厌氧滤池( a f ) ，上流式厌氧污泥床a s b ) ， 厌氧流化床( a f b ) 。但反应器内可能出现短流、沟流现象而影响处理能力；而且 当进水中的悬浮物浓度过高时容易导致管道堵塞。对于这些情况，无疑传统高效 u a s b 反应器系统的设计需要很大的改进，正是对于这些困难问题的研究，导致 产生了第三代高效厌氧反应器的开发和利用【2 引。 第三代厌氧反应器的典型代表有：厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) ，厌氧内循 环反应器( i c ) ，厌氧升流式流化床工艺f bb i o b e d ) 。 e g s b 反应器实际上是改进的u a s b 反应器，其仅仅是在运行方式上与u a s b 不同，即其运行在高的上升流速下使颗粒污泥处于悬浮状态，从而保持了进水与 污泥颗粒的充分接触1 2 引。 i c 工艺是基于u a s b 反应器颗粒化和三相分离器的理念而改进的新型厌氧 反应器。它由2 个u a s b 反应器的单元相互叠加而成。特点是在反应器内分为2 个部分。反应器的底部处于一个极端的高负荷，上部处于一个低负荷。i c 反应器 主要由4 个不同的功能单元构成：混合部分、膨胀床部分、精处理部分和回流部 分。 u f b 工艺是由美荷b i o t h a n e 系统国际公司所开发的一种新型反应器，它是介 于流化床和u a s b 反应器之间一种反应器。该反应器可以在极高的水和气体的上 升流速( 两者都可达到5 7 m ) 下产生和保持颗粒污泥，所以不用采用载体物质。 苏州科技孚! 院硕十导：伊论文第+ 章厌瓴十物技术 由于高的液体和气体上升流速造成进水和污泥之间的良好混合状态，因此系统可 以采用15 3 0 k ( m 3 d ) 的c o d 负荷【2 7 1 。 第三代厌氧反应器的共同特点是：( 1 ) 微生物均以颗粒污泥固定化方式存在 于反应器之中，反应器单位容积的生物量更高。( 2 ) 能承受更高的水力负荷，高达 4 0k ( m 3 d ) ，并具有较高的有机污染物净化效能。( 3 ) 具有较大的高径比，一般在 5 1 0 以上，负荷高，所以体积小、占地省。( 4 ) 污泥床处于悬浮或膨胀状态。( 5 ) 污 泥龄长，污泥产量少。( 6 ) 动力消耗小。 2 3u a s b 厌氧反应器的简介 上流式厌氧污泥床反应器( u p n o wa m a c r o b i cs l u d g eb l a n k e t 简称u a s b ) 是 荷兰学者l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初开发的。在已开发的高效厌氧反应器 中，u a s b 反应器是一种研究最为深入、应用最为广泛的厌氧反应器，己大量成功 地应用于各种废水的处理。u a s b 反应器内有机负荷高，水力停留时间短，处理 周期大为缩短；反应器无填料，无污泥回流装置，无搅拌装置，成本和运行费用 大大降低；初次启动后可直接以污泥颗粒接种，目前已成为应用最广泛的厌氧处 理方法。 据1 9 9 3 年的报道，国外至少已有3 0 0 个以上的生产性规模的u a s b 反应器在 运行。其