（环境工程专业论文）abr法处理塑料回收废水的试验研究.pdf

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 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叁：些竺堑 日 期。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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；本人授权山东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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丞鼬导师签名：坳日期：竺m 山东大学硕士学位论文 摘要 塑料业是国民经济的重要支柱，再生利用是塑料业持续发展的必由之路。塑料再生 行业兴旺发展的同时，引发了相应的环境污染问题由于需要对废塑料进行清洗，洗涤 后的污水含有一定量的有机物和悬浮物，直接排放后绘农作物和水源地居民造成了危 害。水污染问题已经成为制约国内塑料再生企业生存和发展的重要因素。 目前，污水处理方法主要有物理法、物理化学法和生物法。生物处理主要是利用微 生物的生命活动过程，对废水中呈溶解态或胶体状态的有机污染物进行转移和转化作 用。生物处理包括好氧处理和厌氧处理。 好氧处理主要是通过活性污泥微生物，在有氧的情况下，将有机物合成新的细胞物 质或将其分解代谢，然后再经过由合成细胞形成的菌体有机物的絮凝、沉淀、分离，从 而达到去除有机物、净化污水的目的。 厌氧反应器是将去除废水中的有机物和沼气能源回收相结合的一种有效、经济的废 水处理装置。厌氧生物反应器的飞速发展，为高浓度工业有机废水和生活污水的中水回 用提供了重要的技术手段。 本论文对铁屑微电解法、生物处理法的原理、厌氧反应器的发展过程、两相厌氧消 化工艺的发展、阶段化多相厌氧反应器的完善过程、a b r 反应器国内、外的研究现状、 a b r 工作原理、a b r 工艺性能特点等进行了理论研究。 本论文是针对山东省临沂地区的低浓度塑料回收废水而进行的试验研究。在该地区 废旧塑料制品回收加工已成为农村的主导产业，产生的废水难以集中处理，对环境产生 了污染，危害了人们的健康。为解决塑料回收废水污染，实现中水回用，本试验先后采 用了物化法、好氧、厌氧处理塑料回收废水，并对处理过程和工程实用效果进行了分析 比较。 在铁屑微电解法试验中研究了混凝剂投加量与c o d 去除率的关系以及反应时间对 c 0 d 去除率的影响；在好氧生物处理中研究了不同曝气时间和水与污泥不同体积比条件 下的c 0 d 去除情况；在a b r 法处理塑料回收废水过程中，研究了a b r 反应器的启动，考 察了在常温2 5 时a b r 反应器处理该种废水的最佳条件，研究了不同进水容积负荷、 h r t 、温度对a b r 反应器去除效率的影响，进行了a b r 反应器二次启动的研究。 根据所查的现有资料，用a b r 法处理塑料回收废水，还未见报道；分别用物化法、 好氧处理、厌氧处理塑料回收废水，比较了三种方法处理较低c o d 浓度废水的实际效果， 山东大学硕士学位论文 2 实验内容比较全面；处理塑料回收废水后，用于灌溉林木，有一定的工程实用价值。 关键词：塑料回收废水；铁屑微电解法；好氧处理；a b r 法 山东大学硕士学位论文 a b s r r a ( 汀 t h ep l a s t i ci n d u s t _ r yi so n eo ft h ei m p o r t a n ts u p p o r to fn a t i o n a le c o n o m y r e u s eo ft h ep a s t i c - a st h eo n l yw a yo ft h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i ci n d u s t r y t h er e u s eo fp a s t i ci n d u s t r yi sf l o u r i s h i n g ， i ta l s ob r i n gs o m ep r o b l e m so f e n v i r o 珊e n t a lp 0 1 1 u t i o nc o r r e s p o n d i n 9 1 ya tt h es 硼et i m e b e c a u s et h ew a s t e p l a s t i c 删s tb e r a s h i n g ，t h e r ea r ec e r t a i nq u a n t i t yo fo r g a n i cc o m p o u n da n d s u s p e n d e ds 0 1 i d i fd i s c h a r g e dd i r e c t l y ，t h e ym a yb eb a dt oc r o p sa n dt h er e s i d e n t o fw a t e rs o u r c ep l a c e t h ep r o b l 鲫o fw a t e rc o n t a m i n a t i o nm yb et h em a i no b s t a c l e o ft h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i cr e u s ec o m p a n y n o w ，t h em e t h o d so fs e w a g et r e a t m e n tm a i nc o n t a i np h y s i c a lm e t h o d ，p h y s i c a l c h e m i s t r ym e t h o da n db i o l o g i c a lm e t h o d t h eb i 0 1 0 9 i ct r e a t m e n tm a i n l yu s e st h e v i t a l p r o c e s so ft h em i c r o o r g a n i s mt ot r a n s f e ra n dt r a n s f o r mt h ed i s s 0 1 v e do r c o l l o i do r g a n i cc o n t a m i n a t i o n t h eb i 0 1 0 9 i c a lt r e a t m e n tc o n t a i n sa e r o b i c t r e a t m e n ta n da n a e r o b i ct r e a t m e n t a e r o b i ct r e a t m e n tm a i n l yu s e sa c t i v es l u d g em i c r o o r g a n i s mt os y n t h e s i z et h e o r g a n i ct on e wc e l lm a t t e ro rt od e c o l p o s et h eo r g a n i s m t h e na f t e rt h e f l o c c u l a t i n g ， s u b s i d i n ga n ds e p a r a t i n g 曲i c hi sa c c o m p l i s h e db yt h et h a l l i o r g a n i s mf o m e db ys y n t h e s i z e dc e l l ，t h eo r g a n i s ma r ew i p e do f ft h es e w a g e ，a n d t h ew a t e rb e c o m ec l e a n a n a e r o b i cr e a c t o ri sak i n d o fe f f i c i e n c ya n de c o n o m i cs e w a g et r e a t e d e q u i p m e n t ，i ti n t e g r a t et h ew i p eo f fo fo r g a n i s ma n dt h ec a l l b a c ko ft h em e t h a n e t h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ea n a e r o b i cr e a c t o ro f f e r si 叩o r t a n tt e c h n 0 1 0 9 yo f c a l l b a c ko fh i c o n c e n t r a t i o no r g a n i cs e w a g ea n ds a n i t a r ys e r a g e s l a gt i n ye l e c t r o l y s em e t h o d ，t h et h e o r yo fb i o l o g i ct r e a t m e n t ，d e v e l o p m e n t o fa n a e r o b i cr e a c t o ra n dt w op h a s ea n a e r o b i ca s s i m i l a t i o nt e c h n i c ，p e r f e c t i o n p r o c e s so f 舢1 t i p h a s ea n a e r o b i cr e a c t q r ， t h er e s e a c hs t a t u so fa b rr e a c t o ri n d e m e s t i ca n do v e r s e a s ，w o r kt h e o r yo fa b r ，t e c h n i c sa n dp e r f o m a n c ec h a r a c t e r s o fa b ra r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h i st h e s i si so nt r i a lr e s e a r c h ，a i m i n ga tt h ep l a s t i c sr e c o v e r yw a s t ew a t e r 3 山东大学硕士学位论文 霄i t hl o d e n s i t yo fs h a n d o n gp r o v i n c el i n y i t h er e c o v e r yp r o c e s s e so f0 1 d p l a s t i c sp r o d u c th a v eb e c o m et h ep r e d o m i n a n ti n d u s t r yi nt h a tr e g i o n ，h o w e v e r ， t h eo u t p u tw a s t ew a t e ri sh a r dt oc o n c e n t r a t e st oh a n d l e ，p r o d u c i n gt h ep o l l u t i o n t 0t h ee n v i r 0 咖e n t ， e n d a n g e r i n gp e o p l eh e a l t h i no r d e rt 0s 0 1 v et h ew a t e r p o l l u t i o no fp l a s t i c sr e c o v e r yd i s c a r d sa n dr e a l i z et h ec i r c l eo fi n s i d ew a t e r ， t h i se x p e r i m e n ta d o p t ss u c c e s s i v e l yt h ep h y s i c a lc h e m i s t r ym e t h o d ，a e r o b i c t r e a t m e n ta n da n a e r o b i ct r e a t m e n tt oh a n d l e p l a s t i c sr e c o v e r y r a s t ew a t e r ，a n d c o m p a r e st h ep r o c e s s0 ft r e a t 嘴n tw i t ht h ep r a c t i c a lr e s u l ti ne n g i n e e r i n g i nt h ee x p e r i m e n to fs l a gt i n ye l e c t r o l y s em e t h o d ，w es t u d yt h er e l a t i o n w i t ht h eq u a n t i t y0 ff l o c c u l a t i o na n dt h er a t eo fd e a l i n g 霄i t hc o d ，a tt h es a m e t i m e ， w ea s l os t u d yt h ei n f l u e n c eo fr e a c t i o nt i m e st od oa w a yw i t ht h ec a d ： i na e r o b i ct r e a t m e n t ，w es t u d yt h ec 唧l e x i o no fd e a l i n gw i t hc o du n d e rd i f f e r e n t w a t e ra n dd i r t yp h y s i c a lv 0 1 哪ew i t hd i f f e r e n ta e r a t i o nt i m e ；i nt h ep r o c e s s o fa b rm e t h o dt oh a n d l ep l a s t i c sr e c o v e r yw a s t ew a t e r ，w es t u d yt h es t a r t i n g o fa b rr e a c t o r ，a n di n v e s t i g a t et h eb e s tc o n d i t i o nt ot r e a tt h ew a s t ew a t e rw i t h t h ea b rr e a c t o ra tn o 瑚a 1t e 叩e r a t u r e2 5 ，a n ds t u d yt h ei n f l u e n c et ot h ea b r r e a c t o rt od e a lw i t hw a s t ew a t e rw i t hd i f f e r e n tc a p a c i t yc a r r i e so fw a t e r ，t h e h i ha n dt e m p e r a t u r e ，a n ds t u d yt h er e s t a r t m e n to fa b rr e a c t o r a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n td a t a ， w eu s et h em e t h o do fa b rt od e a lw i t hp l a s t i c s r e c o v e r yw a s t ew a t e r ， h a v e n ta p p e a r e di nn e w s p a p e r ：w eu s et h ep h y s i c a l c h e m i s t r y e t h o d ，a e r o b i ct r e a t m e n ta n da n a e r o b i ct r e a t m e n tt oh a n d l ep l a s t i c s r e c o v e r yw a s t ew a t e r ，a tt h es 锄et i m e ，c o m p a r i n gt h ea c t u a lr e s u l to fh a n d l i n g t h e1 0 w e rc o dd e n s j t yw a s t ew a t e rw i t ht h et h r e e k i n d so fm e t h o d s ，t h ee x p e r i m e n t c o n t e n t si sv e r yc 唧1 e t e ：t h ep l a s t i c sr e c o v e r yw a s t e 旧t e rw h i c hh a v eb e e n h a n d l e d ，c a nb eu s e dt oi r r i g a t et h ew o o d ，h a v i n gt h ep r a c t i c a lv a l u eo fc e r t a i n e n g i n e e r i n g k e y 霄0 r d ：p 1 a s t i cw a s t e r 8 t e r ： s l a gt i n ye l e c t r o l y s e 舱t h o d ： a e r o b i ct r e a t m e n t ：a b rm e t h o d 4 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章前言 1 1 1 水资源环境现状 水是自然界的基本要素，是一切生物赖以生存的重要条件。当今世界，随着社会经 济的不断发展和人口的快速增长，对水的需求量越来越大，水成为农业的命脉、工业的 动力、和城市转动的血液。水是人类社会赖以生存和发展不可替代的资源，是人类社会 可持续发展的最基本条件之一。2 1 世纪水资源将是人类争夺的最宝贵资源。但是，随着 经济和社会的发展，淡水资源越来越少，废水的捧放量与日俱增，人类面临越来越严重 的水资源不足的问题。 我国是水资源较丰富的国家之一，淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源 的6 ，居世界第六位，但由于人口众多，人均只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的 1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列第1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之 一。我国水资源主要来源于降水，降水受大气、地形、地势及海陆位置等诸多因素的影 响，在地区分布上很不均匀，总格局是南方多、北方少，东南方多、西北方少。在时间 分布上更不平衡，大多数降水集中在夏季的7 、8 、9 三个月。我国西北、华北以及部分 沿海缺水地区由于水资源匮乏，地区国民经济发展受到了严重的制约【l 】。 人们的生活用水和生产用水主要来自地下水和地表水。近年来，我国国民经济持续 快速发展，尤其是有机化工、石油化工、制药、农药、杀虫剂以及除草剂等工业发展迅 速造成有机、无机污染物的种类和数量不断增加，各种生产废水和生活污水未达到排放 标准就排入水体，对地表水源造成了极大的危害，水源水质也因此急剧下降。目前全国 多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，并有逐年加重的趋势。2 0 0 3 年中国环 境状况公报公布了水环境状况：该年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面 满足i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质； 海河水系污染严重，劣v 类水质断面占5 0 以上；辽河水系总体水质较差，劣v 类水质 断面占4 0 6 ；黄河水系总体水质较差，支流污染普遍严重；淮河干流以类水体为主， 支流及省界河段水质仍然较差；松花江水系以类水体为主；珠江水系、长江干流及主 要一级支流水质良好，以类水体为主。2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废水排放总量为 5 山东大学硕士学位论文 4 6 0 o 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，比上年增加2 5 ；城 镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增加6 6 。 日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺的矛盾， 对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水 安全和人民群众的健康。 1 1 2 塑料工业的发展现状 塑料的主要化学成分是高分子碳氢化合物，密度一般很小，仅为钢的1 4 _ 2 5 ，铝 的5 0 左右，具有优异的化学稳定性、耐腐蚀性、电绝缘性、绝热性、优良的吸震和消 音隔声作用，并具有很好的弹性，能很好地与金属、玻璃、木材等材料粘接，易加工成 型。因此，在四大工业材料中，塑料的数量、作用、地位、应用范围急剧扩张，大量的 替代了金属、木材、纸张等，被广泛应用于国民经济的各个领域。印年代末期，在结构 材料的总消耗中，黑色金属占6 0 9 6 ：9 0 年代，合成塑料占7 8 ，黑色金属占1 9 。可以 说，没有任何材料象塑料一样有如此广泛的用途。 然而，正是由于塑料的某些优异性能，导致其在使用或消费后不易腐烂，日积月累， 严重影响了地球的生态环境，引起了世界各国的极大关注。 1 9 8 8 年，在美国废塑料达到1 3 2 万吨，占城市固体废弃物重量的8 ，体积的2 1 ； 在西欧城市废弃物中，废塑料约占总质量的7 4 ，总容积的1 5 2 0 ；西欧各国每年 消耗各种塑料约3 0 0 0 万吨，最近l o 年塑料增长率稳定在年均4 6 的范围，其中用于 建筑行业的塑料占1 6 ，汽车工业占1 0 ，农业占4 ，包装材料占3 8 ；1 9 9 4 年， 日本塑料总产量达到1 3 0 0 万吨，仅次于美国，位居世界第二，产生塑料废弃物累计达 4 4 6 万吨；1 9 9 7 年，世界塑料总产量突破1 亿4 千万吨，其体积相当于1 0 亿吨钢材。 从国内看，我国1 9 9 5 年塑料原料产量为5 1 9 6 万吨，进口约6 5 2 6 万吨，国内塑料消耗 量1 1 7 2 万吨，比1 9 9 2 年将近翻了一番，同期我国塑料制品行业销售额达1 1 0 0 亿元；2 0 0 0 年，我国塑料制品的年产量已经突破1 2 0 0 万吨，并以1 3 的年增长速度商速发展，废旧 塑料的总量也将急剧增长，环境与发展的矛盾日益突出。因而，对废旧塑料的治理已经 刻不容缓。 目前我国废旧塑料已占世界总量的lo ，6 ，约为5 0 0 一6 0 0 万吨。我国废塑料的基本组成、 物理化学性质及产品形式见表卜1 。 6 山东大学硕士学位论文 塑料业是国民经济的重要支柱，再生利用是塑料业持续发展的必由之路。随着我国 塑料工业的发展及消费水平的提高，塑料制品的应用已深入到社会的每个角落，从工农 业生产到衣食住行，塑料制品可谓是无处不在。塑料原料价格的大幅度上扬，刺激了塑 料再生行业的再度兴旺。由于新生产出来的塑料原料价格波动频繁，国内不少塑料制品 企业在采购原料时把目光投向了再生塑料。据了解，一个中等城市一年产生的塑料废弃 物，再生加工后可满足2 0 多家中小型塑料制品企业的原料需求。利用废旧塑料熔融造 粒，既可缓解塑料原料供需矛盾，又可大量节省国家进口原油的外汇，并且废塑料的再 生利用也对保护环境起到了积极作用。 与此同时，在塑料再生过程中所引发的一些环境问题却不能不令人深思。由于需要 对废塑料进行清洗，洗涤后的污水有的就被直接排放到农田，给农作物等造成了危害。 环境问题已经成为制约国内塑料再生企业生存和发展的重要因素。从国内该行业现状 看，目前从事塑料再生的企业基本上是小作坊，设备简陋，技术含量低，企业主的心理 是能多赚一点是一点，而在环保投入上是能省一点是一点。另一方面，大多数从事塑料 回收的企业主缺乏社会责任，环保意识淡薄，从而引发了对周边环境的污染破坏。 目前废旧塑料制品回收加工已成为众多农村的主导产业。就是在这些被垃圾覆盖和 侵蚀的村庄中，出现了许多令我们无法回避的环境问题。大多数废旧塑料制品回收加工 点都集中在自家的院落和临近的空场地中。成堆的废旧塑料垃圾像小山一样堆满了院 落、村中的街道。造成的污染隐患包括：一是分拣过程中废旧塑料制品所携带细菌的污 染；另一方面，在废旧塑料破碎漂洗过程中污水排放对环境的污染。今天的废旧塑料回 收利用已经摆脱了单纯的勤俭节约的狭隘概念，与环境保护、资源循环再利用乃至国民 7 山东大学硕士学位论文 经济可持续发展战略联系在一起，然而粗放式的管理和行业自身盲目无序的扩张，致使 这本应利国利民的工程对生存环境造成了严重污染 1 2 废水处理 1 2 1 废水处理方法简介 目前，废水处理方法主要分为物理法、物理化学法和生物法。 物理法常用于废水的一级处理，主要分离或回收废水中的悬浮物质，常用的物理方 法有过筛、隔截、沉降、过滤、蒸发浓缩。 化学法主要分离废水中的胶体物质和溶解物质，从而达到回收有用物质，降低废水 的酸碱度，去除金属离子，氧化某些有机物的目的。常用的化学方法有凝聚、中和、氧 化、还原。 物理化学法主要分离废水中的溶解物质，回收有用的成分，使废水得到进一步处理。 常用物理化学法有吸附、离子交换、电渗析、反渗透。 生物法是常用的二级处理法。主要是去除废水中的溶解和胶体的有机污染物质，生 物法分活性污泥法和生物膜法二类。 1 2 2 塑料洗涤废水处理方法选择 1 2 2 1 塑料洗涤废水 在废塑料回收利用过程中一般要用水洗涤，去除塑料表面的污染物，用水量较大， 废水中含有一定量的有机物和悬浮物。生物处理是实现水污染防治和水资源可持续发展 的重要工程技术手段。生物法主要是利用微生物的生命活动过程，对废水中呈溶解态或 胶体状态的有机污染物进行转移和转化。现代水污染治理工程的基本原则是有效、经济、 节能，由于生物法具有消耗少、效率高、成本低、反应条件温和、无二次污染等优点， 越来越多地得到广泛应用。用生物法进行污水处理主要具有以下优点【3 】【4 】：生物既具 有很强的吸附能力，又具有良好的沉降性能，处理废水的效果好；生物具有很强的降 解能力，处理效率高；可处理的水量大，方法成熟；成本低，无二次污染。 在处理该种废水时选择分别采用物化法和生物法进行处理，并对二者进行了比较。 8 山东大学硕士学位论文 1 2 2 2 物化处理法一铁屑微电解法 铁屑微电解法是利用电解质溶液中铁屑晶体结构上的铁一碳之间形成的许多局部微 电池来处理工业废水的一种电化学处理技术。这种技术用于治理工业废水始于2 0 世纪 7 0 年代。此法在没有外加电能条件下充分利用金属一金属，金属，非金属之间的电位差 而产生的无数微小电池的作用，使废水中的污染物通过电化学氧化一还原反应、凝聚、 气浮和沉降等作用达到净化的目的。微电解法处理废水的特点是：作用机制多、协同效 应强、使用范围广、去除效果好、投资费用低、脱色效率高、原料来自机械工业切削加 工的垃圾一废铁屑具有“以废治废”的意义，成本低廉，操作简便。 1 2 2 3 生物处理法 生物法是目前应用最广泛的一种有机废水处理方法，。主要包括活性污泥、生物膜法、 好氧一厌氧法等。主要是利用微生物的新陈代谢，通过微生物的凝聚、吸附、氧化分解 等作用来降解污水中的有机物，具有应用范围广、处理量大、成本低等优点。但当废水 中含有有毒物质或生物难降解的有机物时，生物法的处理效果欠佳，甚至不能处理。针 对这类废水，人们对生物法作了一些改进，使其能应用于这类废水的处理。主要包括以 下几方面： 生物强化技术 生物强化技术是通过改善外界环境因素，提高现有工艺对有毒难降解有机物的生物 降解效率。目前实施的生物强化技术主要有3 个途径嘲：a 、投加有效降解的微生物：主 要是针对所要去除的污染物质，投加专门培养的优势菌种对其进行有效降解。该法已在 美国、德国、日本等国采用，主要用于改善活性污泥法处理效果，为了增加优势菌种在 生物处理装置内的浓度，提高难降解有机物的处理效率，固定化技术已被用来处理部分 难降解有机物。固定化技术是通过化学或物理的手段将优势的游离菌固定，使其不再游 离，但仍具有生物活性的技术b 、投加营养物和基质类似物：由于大部分有毒有机物 的降解是通过共代谢途径进行的，在常规活性污泥系统中可降解目标污染物的微生物数 量与活性比较低，添加某些营养物包括碳源与能源性物质，或提供目标污染物降解过程 所需的因子，将有助于降解菌的生长，改善处理系统的运行性能。投加基质类似物是针 对代谢酶的可诱导性而提出，利用目标污染物的降解产物、前体作为酶的诱导物，提高 山东大学硕士学位论文 酶活性。c 、投加遗传工程菌酶：通过基因工程技术构建具有特殊降解功能的菌，形成 了酶生物处理技术。酶的固定化技术是目前这一领域研究的热点。 优化组合的处理工艺。 提高难降解物质的去除率，必须延长水力停留时间和增加泥龄，提高微生物有效浓 度，增加污染物与微生物的接触时间。 a 、添加粉末活性炭活性污泥工艺：采用这一工艺，使有机物除被微生物氧化处理 外，还被活性炭所吸附。由于活性炭表面的污泥泥龄较长，污染物与微生物接触时间远 大于水力停留时间，从而使难降解毒性有机物去除率提高。 b 、厌氧一好氧工艺的组合：生物法主要有好氧生物处理和厌氧生物处理，好氧生 物处理需要依靠消耗大量的能量来改善水质，而厌氧生物处理具有可节约能耗并能够产 生能源( 沼气) ，剩余污泥产生量少、能够处理高浓度废水和生物难降解有机物的特点， 因此厌氧生物处理是一种较经济的污水治理技术。有时采用单独的好氧或厌氧工艺处理 效果都不理想，但采用联合处理工艺后，可能会发挥各工艺的优点，产生协同效应，使 处理效果大大提高。 现代水污染治理工程的基本原则是有效、经济、节能，相对于依靠消耗大量能量来 改善水质的好氧生物处理工艺来说，厌氧生物处理具有可节约能耗并能够产生能源( 沼 气) ，剩余污泥量少、可以处理在高能度废水和好氧条件下生物难降解有机物的特点， 可以说厌氧生物技术提供了一个经济的替代技术，并可以提供一个替代能源。因此，废 水的厌氧生物处理技术的发展对水污染这一环境问题有着巨大的有益影响而始终是各 国环境工程界关注的焦点。与传统的好氧处理工艺相比，厌氧处理工艺具有以下优点1 6 j ： ( 1 ) 能将有机污染物转变成沼气并加以回收利用；( 2 ) 运行能耗低；( 3 ) 有机负荷高，占 地面积少；( 4 ) 污泥产量少，剩余污泥处理费用低。厌氧处理工艺已经逐渐成为我国控 制有机污染的重要手段。 我国从2 0 世纪7 0 年代末开始介绍和引进国外的研究与应用成果，并开始了对厌氧 生物技术的广泛研究。目前，除理论研究外，我国在工业废水厌氧生物处理技术的应用 上也积累了相当的工程经验。我国水污染的严峻形势和可持续发展的战略要求都需要把 我国关于厌氧生物技术的理论研究和工程应用提到一个新的水平。 在废水处理系统的设计和运行中发现，随着废水排放量的急剧增加以及对废水处理 要求的日益严格，同时在处理某一给定的废水时应该了解厌氧处理不足之处：启动慢( 产 1 0 山东大学硕士学位论文 泥少、生物培养不好) ，处理后出水的c o d 、b o d 值较高，水力停留时间较长并且产生 恶臭等。它们在某种程度上限制了厌氧处理技术的应用。为此，认为以下几个问题亟待 解决：( 1 ) 厌氧处理设备启动时间长，因而厌氧生物增殖缓慢，启动时经接种，培养驯 化达到设计污泥浓度的时问比好氧生物处理长，一般需要8 1 2 周。( 2 ) 某些情况下出 永水质不能满足排放到地表水体的要求，往往需进一步处理才能达标。一般在厌氧处理 后串联好氧生物处理。( 3 ) 对碱度的要求较严。( 4 ) 如何使反应具有更高微生物浓度。 因此开发、研究和应用新型废水厌氧生物处理工艺和技术已经成为世界各国水污染 控制工程领域研究的重要课题。2 0 世纪7 0 年代以来，厌氧废水生物处理新工艺新技术 的研究开发应用已经在全世界范围内得到了长足的进步，开发出了许多新型高效的厌氧 反应器以高效、稳定、节能。并能对污染物去除的多功能性为共同特点的这些厌氧生 物处理新工艺有的已经在国内外实际工程中得到了良好的应用，有的已经显示出来良好 的应用发展前景，得到了广大研究者和工程技术人员的关注并正在得到不断的深入研 究。 1 3 厌氧反应器 研制高效低耗并具有多种附加功能的厌氧污水处理工艺已经成为亟待解决的重大 课题。在污水处理的同时实现污水的无害化和资源化，实现水的良性循环和水资源的可 持续利用。厌氧反应器是将去除废水中的有机物和沼气能源回收相结合的一种有效、经 济的废水处理装置。最初，厌氧处理技术主要用于污泥的消化处理，近3 0 年来，随着 人们对厌氧技术原理认识的深入和生物科学技术的发展，厌氧生物反应器技术得以飞速 发展，为高浓度工业有机废水和生活污水的工业化提供了重要的手段。 1 3 1 厌氧反应器的发展过程 厌氧处理技术发展至今己有l o o 多年的历史。厌氧反应器的发展经历了三个阶段： 第一代厌氧反应器、第二代厌氧反应器和第三代厌氧反应器。 ( 1 ) 第一代厌氧反应器 第一代厌氧反应器以厌氧消化池为代表，属于低负荷系纠_ 7 】。1 8 6 0 年法国工程师 m o u m s 采用厌氧方法处理经沉淀的固体物质；1 8 9 6 年，英国出现了第一座用于处理生活 污水的厌氧消化池，所产生的沼气用于照吲8 】；随后的几十年中，厌氧处理技术迅速发 展并得到广泛应用，至1 9 1 4 年美国有1 4 座城市建立了厌氧消化池：1 9 0 4 年德国的 山东大学硕士学位论文 i m h o f f 将其发展成为i i i l l l 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 嘲；在1 9 1 0 年至1 9 5 0 年，高效的、可加温和搅拌的消化池得到了发展；2 0 世纪4 0 年代在 澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，厌氧反应器采用污泥与废水完全混合的模式， 污泥停留时间( s l u d g cr 他嘶o n1 i m e ，简称s r t ) 与水力停留时间( h y d m u l i cr 鼬e n t i o n 面m e ，简称m 玎) 相同，厌氧微生物浓度低，处理效果差，此时的厌氧消化技术还不能 经济的用于工业废水的处理；s c h r o e p f e r 在2 0 世纪5 0 年代开发了厌氧接触反应器， 在连续搅拌反应器基础上于出水沉淀池中增设污泥回流装置，使厌氧污泥在反应器中的 停留时间第一次大于水力停留时间，提高了负荷与处理效率，一般其容积负荷在4 5 k g c o d ( 一d ) 以下。第一代厌氧反应器主要用于污泥和粪肥的消化，以及生活污水的处 理。 ( 2 ) 第二代厌氧反应器 随着人们对厌氧生物处理技术研究的深入，以提高厌氧微生物浓度和停留时间，强 化传质作用，缩短液体停留时问为基础的一系列高速厌氧反应器( h i g h - _ r a t ea n a e r o b i c r e a c t o r ) 相继出现。主要有厌氧滤器( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ) 、厌氧流化床 ( a n a e r o b i cf 1 u i d i z e db e d ，简称a f b ) 反应器、上流式厌氧污泥床( u 旷f 1 佣a n a e r o b i c s 1 u d g eb e d ，简称u a s b ) 反应器等。 第二代反应器可以将固体停留时间与水力停留时间分离，能够保持大量的活性污泥 和足够长的污泥龄，属于高负荷系统。第二代厌氧反应器的共同特点是厌氧污泥的停留 时间( s r t ) 很长，反应器内能维持足够多的生物量，同时反应器的容积负荷率很高，水 力停留时间( h r t ) 较短，从而使反应器具有很高的效能1 0 1 。 这一时期还开发出一些其它类型的厌氧反应器，如2 0 世纪7 0 年代中期，r i o 鸺 和m c c a 啊开发的厌氧生物转盘；1 9 8 1 年m c c a 啊改进开发的厌氧折流板反应器 ( a i 腓r o b i cb 棚e dr c ：a c t o r ，简称a b r ) 等。 ( 3 ) 第三代厌氧反应器 虽然第二代厌氧生物反应器在应用中取得了很大的成功，但为了解决u a s b 在运行 中出现的短流、死角和堵塞等一些问题，进一步增强厌氧微生物与废水的混合与接触， 提高负荷及处理效率，扩大适用范围，人们在其基础上继续研究和开发了第三代反应 器主要有厌氧颗粒污泥膨胀床正x p 锄d c dg 1 删l a rs l u d g eb e d ，简称e g s b ) 、厌氧内循 环反应器( i 璐i d ec y c l i n g ，简称i c ) 、厌氧折扳式反应器( a n a e d o b i cb 棚e dr c 卵t o r ，简称 山东大学硕士学位论文 a b r ) 、厌氧序列式反应器( a 删珊b i cs e q u 钮c i n gb a t c hr e a c 研，简称a s b r ) 、厌氧膜生 物系统( a n 删o b i cm e m h mb i o s y s t c m ，简称a 佃s ) 等，目前生产实践中应用较少。 第三代反应器在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下，使固液两相充分 接触，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。第三代厌氧反应器的技术特点是强的生物固体截留能力和良好的水力混合条 件。它们通过构造上的改进，使反应器中的水流大多呈推流与完全混合流结合的复合型 流态，延长了水流在反应器内的流径，使污泥和废水接触良好，在获得较高的处理能力 的同时，在一个反应器内微生物在不同的区域内生长，与不同阶段的进水相接触，在一 定程度上实现了生物相的分离，从而稳定提高了反应器的处理效果。 从上述厌氧反应器发展的过程可以看出，在厌氧反应器发展的不同阶段，对反应器 改进的重点有所不同。在第一代厌氧反应器发展过程中，重点是为了分离污泥停留时间 s r t 和水力停留时间 玎；第二代厌氧反应器发展过程中，重点是为了提高反应器的负 荷，提高处理效果，通过改进使反应器内能够保持有大量的活性污泥，使反应器具有很 高的效能；第三代厌氧反应器发展过程中，重点是为了提高生物固体截留能力和良好的 水力混合条件，从而达到提高处理效果的目的。李刚对这一过程做了总结，如图1 1 所示。 污泥浓度低 污泥浓度高 。 有机负荷低 有机负荷高 图1 1 厌氧反应器发展中的实质性变化 总之，随着厌氧反应器的发展，其处理效率不断提高，适用范围也由原来的污泥、 粪肥消化扩展到对各种浓度的生活污水和工业废水的处理。 山东大学硕士学位论文 1 3 2 厌氧消化理论研究进展 1 3 2 1 两相厌氧消化工艺 两相厌氧消化工艺的提出是随着厌氧消化机理的研究和厌氧微生物学的发展而出现 的，厌氧消化是一个复杂的生物学过程。有机物的厌氧消化一般经历发酵细菌、产氢产 乙酸菌、产甲烷菌三类细菌的相接替转化以及同相乙酸细菌的横向转化。从生物学角度 来看，由于产氢产乙酸菌和产甲烷菌是共生互营菌，因而把他们划为一相，即产甲烷相， 而把发酵细菌划为另一相，即产酸相。人们经过研究发现，产酸菌种类繁多，生长快。 对环境条件变化不太敏感；而产甲烷菌则恰恰相反，专一性强，对环境条件要求苛刻， 繁殖速度缓慢。基于此理论依据，两相厌氧消化工艺把产酸菌和产甲烷菌分别置于两个 串联的反应器内并提供各自所需的最佳条件，以避免不同种群生物间的相互干扰和代谢 产物转化不均衡而造成的抑制作用，产酸相对进水水质和负荷的变化有较强的适应能力 和缓冲作用，可大大削减运行条件的变化对产甲烷菌的影响，因而可提高系统的处理效 率和运行稳定性。 两相理论简要的描述了厌氧生物处理过程，但没有全面的反映厌氧降解的本质。研 究表明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、甲胺和h 2 ，c 0 2 ，但不能利用其它的脂肪 酸和醇类产生甲烷，因此两相理论难以解释这些物质的降解。 1 3 2 2 阶段化多相厌氧反应器 2 0 世纪7 0 年代以来，废水厌氧生物处理技术得到了较快的发展，出现以u a s b 为 代表的第二代反应器得到了广泛的应用，但在应用第二代反应器中发现了许多问题，一 个良好的厌氧反应器要具备良好的污泥截留能力，具有生物污泥与进水基质充分接触的 条件，具有提供微生物适宜的生长环境条件的功能这三个方面的特性。于是在第二代反 应器的基础上开发了第三代反应器是目前热门的研究和应用的厌氧反应器，第三阶段的 反应器结构多向多级多段方向发展，但第三代反应器尚处于研究阶段。 l c n i g a 【1 2 1 教授提出来的分阶段多相厌氧反应器技术( s m p a ，s t a g e dm u m p h a a n a e f o b i cr e a c t 啪的概念将是今后厌氧工艺技术研究和应用发展的主导方向。s m p a 是 新型高效废水厌氧处理工艺研究和开发应用的新思路，该工艺将适用于各种温度条件和 不同进水基质类型的处理。s 加p a 的理论思路是1 1 3 j ： 在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及环境 1 4 山东大学硕士学位论文 因子( p h ，h 2 分压值等) ； 防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合； 各个单体内的产气互相隔开； 工艺流程更接近于推流式，系统因而拥有更高的去除率，出水水质更好。 上述的思路可以看出，s 枷p a 的理论依据来源于对厌氧降解机理的最新理解。l e 瓶g a 指出，组成s m p a 的单体反应器既可是e g s b ，也可是u a s b 。在众多的新型高效厌氧 反应器中，只有a b