（环境科学专业论文）uasb反应器处理大豆蛋白废水的运行特性与数学建模.pdf

a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e d f a c i l i t i e s f o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t h a v e a d v a n t a g e s o fl o w i n v e s t m e n t s m a l lo c c u p a t i o na r e a ，l o we n e r g ec o n s u m p t i o na n ds i m p l em a n a g e m e n t ，t h e y a le n e wd i r e c t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts u i t a b l ef o rt h ec o n d i t i o no fo u rc o u n t r y u p 。f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) i se f f i c i e n tw a s t e w a t e rd i s p o s a lr e a c t o r , t h ee q u i p m e n t 1 s s i m p l ea n dh i g he f f f i c i e n c y i t i saw 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 yw i t hb r o a da p p l i c a t l o n p m s p e c t s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e r e a c t o rs t a r t u p ，o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dm l c r o b l a l e h a r a c t e r i s t i c s ，龇试o nt h i sb a s i st ob u i l do p t i m i z i n gc o n t r o lm o d e l t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t s a r ea sf o l l o w s ： w i t hh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i c w a s t e w a t e r觞t h es u b s t r a t e ，o r g a n i cw a s t e w 栅 仃e a 仃n 瞰ti sc o n d u c t e do nt h eb a s i so fn u t r i e n t ( n ，p ) a n dm e t h a n er e c o v e r yi nu a s b r e a c t o r i n s p e c t st h ei n f l u e n c eo fr e a c t o rs t a r t u pi nt h ed i f f e r e n tw a y s ，d i f f e r e n tl o a da n di n c r e a s eo u t e r c i r 伽i l a t i o n s t r i c tc o n 仃o li n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sa l k a l i n i t y , h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，r e d o x p o t e n t i a l sa n ds l u d g eq u a n t i t ya t 3 5 4 - 1 r e s e a r c hp r o v e st h a tt h i st e c h n o l o g yh a sh i g h p r o c e s s i n ge 衔c i e n c ya n ds t r o n gs t a b i l i t y w h e n t h es y s t e mo fo r g a n i cl o a dr e a c h e d2 8 7 8 k g c o d m s d c o dr e m o v a lr a t ei s a r o u n d8 7 t h i se x p e r i m e n ti sd i s c u s s e dw i t hr e a c t o r s t a r t u p t h er e t u r nf l o wm e t h o d ( i n c r e a s eo u t e rc i r c u l a t i o n ) c o n d u c t st ot h e r e a c t o rs t a i t 。u p ， h i g ho r g a n i cl o a da n da c c e l e r a t e dw i t ht h es t a r to f t h er e a c t o ro b v i o u s l y a l la b o u ts t a r t - u p ，t h e 觚c f o o r g a n i s mp r o p e r t i e sa n ds o m ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fg r a n u l a rs l u d g e h a v e c h a l l g e df a s t e r w h e nt h ep a r t i c l ed i a m e t e rr e a c h e da b o u t1 - 3m i d ，t h eg r a n u l a rs l u d g ef o r mt h e b u l ko ft h es l u d g eb e d a sak i n do fh i g he n e r g ye f f i c i e n c yo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n t , a n a e r o b i cr e a c t o r o c c u p i e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s b u ti t w i l lp r o d u c em e t h a n e ， c 抽o nd i o x i d e ，h y d r o g e na n do t h e rs u b s t a n c e si nt h er b n i nt h er a n g eo ft e m p e r a t u r e3 0 ， p hv a l u ei s6 5 8 t o t a lh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m eg r a d u a l l ys h o r t e n e dw i t ht h eo p e r a t i o no f t h e r e a c t o ri ne x p e r i m e n t ，t h ef i n a lh r t i s2 4 4hw i t hs t a b l ea n de f f i c i e n t i no r d e rt op r o v i d i n g a n a i 衲i cm i c r o b ew i t hl o w e ro x y g e ne n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l ym e t h a n o g e n s ，r e d o xp o t e n t i a l s i sc o n t f - 0 1 i n gw i t h i n 3 0 0 m y 3 5 0 m v t h ey i e l do fm e t h a n ei su pt o8 0 i nt o t a lg a s ，t o a c h i e v et h ep u r p o s eo f t h ee n e r g yr e c o v e r y a d r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n dm o n i t o r i n gd a t a t or a p i dd i a g n o s i ss y s t 锄 i sn o 肌a 10 rn o t 觚dt a k em e a s u r e sa ss o o n 舔p o s s i b l et or e c o v e rt h en o r m a lo p e r a t i o ni nt h e r e s e a r c ho ft h er e a c t o ro p e r a t i o n f o ru a s br e a c t o ra c i d i f i c a t i o n ，a d o p t t h em e t h o d so f i n c r e a s i n ga l k a l i n i t ya n dr e d u c i n gt h el o a di nt h em e a n t i m e c o n t i n u o u sc o n t r o l i n g 蚴v 删 m e t h a i l og i m e s i sa c t i v i t y o fs l u d g e i no r d e rt oc o n t r o l t h e p r o c e s s o fu a s br e a c t o r 1 1 a b s t r a c t c o n v e n i e n t l y , a c c o m p l i s hm u l t i p l ef a c t o rq u a n t i t a t i v er e g u l a r i z a t i o no ft h em e t h a n o g e n e s i s p r o c e s sa n da n a e r o b i cb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o np r o c e s s c h o o s i n gm a i nf a c t o r si n f l u e n c e ds y s t e m r u n n i n ge f f e c ts u c ha sp h 、i n f l u e n tc o d 、h r ta n da l k a l i n i t yc r o s ss e c t i o n s ，u s i n gt h e o p t i m i z e da n di m p r o v e db pa l g o r i t h mw i t ha d d i t i o n a lm o m e n t u mi t e ma n da d a p t i v el e a r n i n g r a t e e s t a b l i s h e4 - 3 - 1s t r u c t u r ef o rb pn e t w o r km o d e l t h en e t w o r kg e n e r a l i z a t i o na b i l i t ya n d t h ep r e d i c t i o nr e s u l ti sg o o d u s i n gs e p a r a t i o nr i g h tv a l u em e t h o dt os o r tm a i nf a c t o r st h a t i n f l u e n c eo fr e a c t o r , u a s be a c hi n p u tp a r a m e t e r si nt r a i n i n gd a t aw i t h i nt h es c o p eo ft h e r e l a t i v ei m p o r t a n c ei sp h i n f l u e n tc o d h r t a l k t h er e s e a r c hs h o w st h a t ，u a s br e a c t o rp r o c e s sc o m b i n eo r g a n i cw a s t e w a t e rb i o l o g i c a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g yw i t he n e r g yr e c o v e r yc o u p l i n gp r o c e s sr a i s e di nt h i s p a p e r , w h i c hi s s t r e n g t h e nt h ea n a e r o b i ct r e a t m e n tf u n c t i o na n du s eo fe n e r g ye f f e c t i v i l ya tt h es a m et i m e i ti s o n eo ft h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n so fw a s t e w a t e rd i s p o s a lt e c h n o l o g yw i t hh i g he n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：u a s br e a c t o r , o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，e n e r g yr e c o v e r y , m i c r o b i o l o g i c p r o p e r t i e s ， b pn e u r a ln e t w o r k ，i i i l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 我国废水排放量逐年增加，其中主要是工业废水。废水中的有机物是造成水污染最 重要的污染物，因此在环境保护、控制污染的工作中，废水有机物的处理是非常重要 的。 在二十一世纪，世界将变为能源的世界。各种能源材料短缺已经深入的影响到了每 个人的生活中。并且这些问题u 趋严重，如果不能及时的抑制，会将变得尤为突出。传 统的好氧生物处理方法的实质：利用电能的消耗来达到改善废水品质的一种技术措施， 使其符合水域环境质量要求的。厌氧生物处理工艺不仅仅一种既节能又产能的废水生物 处理工艺，而且为废水处理提供了一条不但高效，而且耗能低的方法，还符合可持续发 展原则的治理途径。因此，采用厌氧工艺处理蛋白废水的发展前景非常广阔。目前发达 国家用于废水处理的能耗已占到全国总电耗的1 左右，所以废水好氧生物处理是耗能 型的废水处理技术。世界各国尤其是处于发展中的国家，这些国家十分需要研究和探索 高效率、低能耗的新型废水处理技术。 与好氧微生物处理法相比，在治理废水的同时，以u a s b 反应器为代表的厌氧处理工 艺可将有机污染物转化为生物能源沼气，具有独特的优势。它的处理效率较高，适用于 处理多种不同浓度和成分的废水，不需要供氧装置和剩余污泥处理设施。u a s b 系统基 建投资小、操作费用低，是很有前途经济实惠的产能、节能的处理方法。 1 2 底物的国内外研究现状 1 2 1 大豆蛋白废水来源与特点 大豆蛋白生产企业快速发展的同时，生产企业所排放的高浓度大豆蛋白废水水量也 在迅速增加。而大豆蛋白生产废水具有排放量大、易酸败、有机物浓度高、氮磷含量高 等特点l l 】，常规处理工艺很难使其达标排放，寻求其经济高效的治理方法成为近年来的研 究热点。 大豆蛋白废水主要来自分离蛋白生产工艺和浓缩蛋白生产工艺两方面【2 1 。 ( 1 ) 分离蛋白生产工艺所产废水 低温豆粕先经碱洗使蛋白质溶解、分离，再加酸至等电点使蛋白质沉淀，并加碱进 行中和，干燥即可得分离蛋白。后两个分离过程产生废水。 ( 2 ) 浓缩蛋白生产加工所产生废水 将低温豆粕加水研磨成一定粒度，加酸使之沉淀，将得到的沉淀物用水洗涤并加碱 中和，进行干燥处理可得到浓缩蛋白。分离过程产生废水。 东北林、i k 犬学硕上学位论文 大多蛋白废水属于高浓度、呈乳白色的有机废水，其中包含溶解性和非溶解性低聚 糖、乳清蛋白、脂肪酸、无机盐和少量纤维【3 ，4 】，主要以蛋白质和低聚糖为主，有机物 浓度高；排放量较大；水质波动大。其中有机质的含量较为粗大，其直径在0 0 5 0 1 m m 之间。废水的c o d 、b o d 值都很高，均在1 0 0 0 0 以上。大豆蛋白废水为酸性废水，在 试验中可以看出，如果室内温度较高，在几小时内，废水就会发生酸败，其p h 常为4 6 6 7 。且蛋白质在其等电点( p i = 4 5 ) p j 时，溶解度最低。在等电点附近，即从p h 值为4 变化n 5 时，蛋白液都会出现非常明显沉淀现象，而在其他p h 值条件下，蛋白液呈现较 为稳定状态，不发生沉淀、分层。在等电点附近时，蛋白质分子不带电荷，分子间斥力 最小，所以蛋白液容易发生凝聚、沉淀现象。因此，要选择适合的方法来处理大豆蛋白 废水。 1 2 2 国内外大豆蛋白废水处理现状及发展方向 据统计，一年生产3 0 0 0 吨大豆分离蛋白的生产车间每天约排放出1 5 0 2 0 0 吨乳清 废水，这样的排放量相当于2 5 万人口一天排放的生活污水。大豆乳清废水的c o d 、 b o d 值都很高，均在1 0 0 0 0 以上，其污染程度是相当惊人的，如果不加处理势必会对 环境造成严重污染1 6 j 。 在我国，大豆蛋白生产厂家排放的乳清废水，其处理源于2 0 世纪7 0 年代，有很多 是通过各种物理的、物理化学的方法，把大豆蛋白分离提取后回收利用，这种回收利用 的思想是很积极的，但是所用的物理或者物理化学试剂的成本比较高，并且容易被破 坏，而由于废水中有机物含量高，b o d c o d 值在0 3 , - - - , 0 5 之间，可生化性比较好，所 以常利用生物方法，尤其是厌氧生物法，不仅可以使高浓度的有机废水得到充分的处 理，同时还可以产生新能源物质，如沼气或者氢气。 。 1 3 厌氧技术 厌氧技术具有很突出的特点：工艺耗能低、污泥生成量少等。厌氧生物处理技术是 一个代谢过程，主要是利用厌氧微生物，在厌氧的的情况下把有机物转化为无机物( 主 要包括大量沼气和水) 和少量的细胞物质。这一技术的发展早些时候主要应用在减量处 理中，比如：污泥和废水中固体废物。在二十一世纪，厌氧技术受到了更多更广泛的关 注。 1 3 1 厌氧技术的发展 早在几千年前，沤肥和堆肥技术作为有机肥料的加工工艺就在我国农业生产中得以 应用。现代厌氧生物技术在污水处理领域的发展到目前己有1 0 0 多年历史，1 8 8 1 年法国 学者m o u r a s 发明“m o u r a 自动净化器”，厌氧生物技术的应用是以它为起点的。 在1 8 5 0 年左右，生物学家开始逐渐的发觉到沼气的产生是一个微生物的代谢过 程。近1 9 0 0 年，用于处理生活污水的第一座厌氧消化池在英国出现。1 9 4 0 年左右，连 续搅拌的厌氧消化池在澳大利亚出现了，为了提高处理效率1 7 j ，从而改善了厌氧污泥与 l 绪论 废水的混合。1 9 5 0 年，出现了厌氧接触反应器，这个反应器的出现是厌氧处理技术的一 个重要突破。厌氧接触反应器增设了一个污泥回流装置，从而使反应器中的污泥浓度增 大了，这样就会使其处理效率与负荷显著增加。 在2 0 世纪6 0 年代末，人们认识到提高反应器中污泥浓度的重要性，随着生物发酵 工程中固定化技术的发展，出现了第一个突破，y o u n g 和m c c a r t y 发明了厌氧滤器【8 1 。 现今，厌氧处理工艺包括很多，如升流式厌氧污泥床法、内循环反应器法、厌氧流化床 法、厌氧接触法和膨胀颗粒污泥床法等。 1 3 2 厌氧技术的特点 厌氧生物处理与好氧生物处理相比有以下优剧川： ( 1 ) 处理各种浓度废水。厌氧处理能处理高中低浓度的各类废水，好氧则只能处理 中低浓度的有机废水。对于一些好氧无法降解的有机物，厌氧生物处理可以做到。 ( 2 ) 可作为能源、耗能少。厌氧生物处理不需要氧气，就可以有大量的沼气产生， 可以做能源使用。好氧生物处理需要曝气供给，若有机物浓度很大，则需要曝气的量也 会成比例增大。所以，厌氧处理比好氧处理消耗的能力少的多。 ( 3 ) 处理高浓度c o d 的有机物。好氧处理有机负荷为o 2 3 2k gc o d ( m 3 d ) ，而厌 氧处理有机负荷一般为3 2 3 2k g c o d ( m 3 d ) ，甚至可高达5 0k g c o d ( m 3 d ) 。 ( 4 ) 污泥的剩余量少。好氧微生物处理之后剩余的污泥量会比厌氧处理多很多，而 厌氧处理同样数量的废水所剩的污泥比好氧少一半之多，剩余污泥的处置也处容易的 多。 ( 5 ) 对营养物的需求量小。厌氧处理的条件下，一般c o d ：n ：p 是( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：1 。因 为有机废水一般已含有一定量的n 和p 及多种微量元素，所以厌氧处理可以少添加一 些营养盐即可，一般采用氮磷复合肥。 ( 6 ) 具有很强的耐冲击力。好氧污泥无法承受较大的c o d 变化，而厌氧生物处理也 可以处理污泥浓度高的。 厌氧生物处理的不足之处： ( 1 ) 厌氧生物技术处理方法去除有机物能力强，负荷较高，进水浓度高，但它出水 c o d 比好氧处理要高，原则上应该进行后处理，才能达到排水标准。 ( 2 ) 有毒物质对厌氧微生物影响很大，因此，对于有毒废水的物理化学性质了解的 不够充分，或操作不当可能导致反应器的稳定运行。 1 4u a s b 反应器概述 1 4 1u a s b 反应器的产生及发展 上流式厌氧污泥床( u pf l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，简称u a s b ) 反应器是荷兰 w a g e n i n g e n 农业大学的l e t t i n g a 等人于1 9 7 3 1 9 7 7 年间研制成功的【埘。我国于1 9 8 1 年 开始了u a s b 反应器的研究工作，该技术在我国已得到了实际的推广应用。u a s b 反应 东北林、l k 大学硕士学位论文 器是目前应用最为广泛的高速厌氧反应器，该技术在国内外已经发展成为厌氧处理的主 流技术之一【j 。 升流式厌氧污泥床与其它大多数厌氧生物处理装置不同之处是：废水由下向上流过 反应器，污泥无需特殊搅拌设备：反应器顶部装有三相分离器。它的最大突出特点是能 在反应器内实现污泥颗粒化，颗粒污泥的直径一般为0 1 2 啪，相对密度为1 0 4 1 0 8 ， 具有良好的沉淀性能和很高的产甲烷活性。污泥颗粒化后，反应器水力停留时间比较 短，所以u a s b 反应器具有很高的容积负荷。 我国从1 9 8 0 年初开发和引进u a s b 处理技术后，在高浓度有机废水厌氧处理技术 的发展方面进行了大量的开发研究，针对高浓度废水的特点以啤酒、酿造业进行了攻关 研究，在小试和中试研究的基础上，建立了一些示范工程。 在此期间国际上厌氧技术也在迅速发展。由第二代高效厌氧反应器u a s b 向第三代 厌氧反应器发展，其中有代表性的是厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e g s b ) 。 1 4 2u a s b 反应器的机理及出发点 u a s b 反应器由两个区域组成，一个是反应区，一个是三相分离区，分离区使气、 液、固三相分离，所以称之为三相分离。其下部是反应区，上部是沉淀区。反应区下部 是污泥床，污泥床上具有良好沉降性能与生物活性的许多厌氧颗粒污泥构成。 在u a s b 运行的时候，把需要处理的废水以一定流速引入到u a s b 反应器的底 部，使其水与泥混合，从而就会发生厌氧反应。废水经过酸化和甲烷化两个过程，把污 水中的有机分解，并产生沼气( 主要是c h 4 和c 0 2 ) ，就会在水和气之间形成一种自然的 搅拌形式。气体经过搅拌，把污泥床的松散污泥带入污泥悬浮层区，与悬浮污泥碰撞接 触，一部分污泥比重加大，被沉入污泥床区。悬浮层混合液中污泥松散，颗粒污泥的比 重小，存在着很小的v s s ( 污泥浓度一生物量) 。气、液、固的混合液上升至三相分离器 内，气体首先把进入集气室的进行分离，污泥和水进入沉降室，由于把气体分离了，沉 降室的扰动很小，液体的运动趋于层流形态，所以在万有引力的作用下，泥水分离，污 泥沿斜壁返回反应区，使反应器中具有足够的污泥量，上清液被流水从沉淀区的上部排 走。 u a s b 工艺的基本出发点【1 2 以卅： ( 1 ) 只要能提供有利于污泥絮凝并能够保持良好的絮凝污泥的物理条件，厌氧污泥 就能够获得和保持良好的沉淀性能： ( 2 ) 污泥床可以看作是一个独立的、或多或少具有本身特性的流化段，在良好的污 泥床内，常常可以形成一个比较稳定的生物相： ( 3 ) 从污泥床内流出的粒子或絮体，可采取在反应器内形成一个静止区，使污泥在 此絮凝、沉降并返回到反应区。 u a s b 反应器运行的前提i l 孓1 6 1 ： ( 1 ) 反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥； l 绪论 ( 2 ) 由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用： ( 3 ) 设计合理的三相分离器，使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内。 1 4 3u a s b 反应器的特点 u a s b 反应器本身具有很多优点： ( 1 ) 它水力停留时间短，容积负荷高，处理高浓度有机废水的c o d 去除率很高： ( 2 ) 次反应器能源消耗低、运行成本低。对于处理相同总量c o d 的废水，与传统好 氧工艺相比，它具有处理价格低、省电耗、占地面积小的特点： ( 3 ) 污泥产率低。与传统好氧工艺相比，产泥量仅为活性污泥产泥量的八分之一， 约为0 0 5 0 0 6k g k g c o d 。在最大负荷下运行1 2 月，反应器才能有剩余污泥产生，新 厌氧系统运行中，这些剩余污泥正是所必需的菌种： ( 4 ) 能够回收生物能。u a s b 反应器处理废水的同时可以回收甲烷气体，利用沼气 作为动力发电是目前综合利用的一个方向。 随着c o d 容积负荷的提高，使u a s b 反应器具有较高的处理容量，但同时也使得 u a s b 反应器存在一些新的问题，如： ( 1 ) 培养颗粒污泥。能否培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥是u a s b 运行是否成 功的一个关键的因素，若想实现颗粒污泥，控制碱度( a l k ) 和水力停留时间 ( h r t ) ，调整合适颗粒污泥的n 、p 比都是很重要的因素。 ( 2 ) u a s b 处理废水必须对温度有一定的保证，单独使用的情况比较少，一般采用两 相厌氧反应器，使用u a s b 作为产甲烷相，这样取得的效果会比较理想，所以常见配合 其他反应器一起使用，比如( c s t r 、i c 等) ( 3 ) 厌氧反应器存在污泥流失的问题，主要是可能因为u a s b 反应器的上流速度难 于控制，这是u a s b 保持稳定的一个重要因素。因反应器中的微生物对于反应器具有高 度的敏感性，所以反应器中的微生物数量也是其运行稳定的保证。显而易见，保持良好 的生物停留状态并不受冲击是u a s b 运行关键。 1 4 4 国内外u a s b 反应器的应用 u a s b 反应器作为一种高效、节能的处理工艺，自2 0 世纪7 0 年代开发以来，在水 处理领域发展非常迅速。荷兰、德国、瑞典、美国等研究者用u a s b 反应器进行土豆加 工、屠宰、罐头制品加工、甲醇、乙酸、制糖以及纤维板等废水的中试与生产性废水试 验，均取得满意的结果。目前u a s b 已普遍用于啤酒、味精、制药、化工、制糖以及柠 檬酸等行业废水的厌氧生物处理，可以说它的设计思想将厌氧处理工艺推向了一个新的 阶段，是新一代高效厌氧反应器的典型代表。到1 9 9 9 年为止，在世界范围内至少有9 0 0 多座生产规模的u s a b 反应器投入运行，占全部厌氧工艺项目的5 8 左右，其处理的废 水包括几乎所有以有机污染物为主的废水n 7 j 引。 国内对u a s b 反应器的研究起步于2 0 世纪8 0 年代，主要集中于颗粒污泥的培养、 反应器的启动及工艺运行条件的控制，获得了比较系统的理论研究数据，为这一技术的 东北林、i k 大学硕上学位论文 推广应用打下了良好的基础【1 9 1 。目前许多单位先后用u a s b 处理多种有机废水，取得 了实际性的推广作用，并建成投产运行了一批生产性的u a s b 装置。北京、无锡及兰州 等地率先在2 0 世纪8 0 年代将u a s b 应用于处理味精废水，其它的还应用于处理酒精过 滤液、柠檬酸废水，啤酒废水的处理等。山东景芝酒厂的酒精废水处理工程就应用 u a s b 技术，酒精废水经过处理后c o d 去除率达9 0 以上，容积负荷可达7 1 2 k g c o d ( m 3 d ) t 20 。另外，安阳啤酒厂将u a s b 接触氧化工艺用于啤酒生产废水的处 理，稳定运行后，容积负荷率一般在1 0k g c o d ( m 3 d ) 左右，各项指标都达到排放标 准，并因u a s b 反应器的设备简单，减少了运行成本，达到了环境效益与经济效益的统 一 2 1 1 。 2 实验材料与方法 2 实验材料与方法 2 1 实验装置 本试验所用u a s b 反应器由有机玻璃管加工而成，反应器总体积为3 9 1l ，反应区 体积为2 0 7l ，内径为1 7 5c m ，反应区高为1 0 0b t n ，沿反应器高度设置了4 个取样口 ( 其中反应区有三个，分别位于反应区的2 5c m 、5 0c m 、7 5c m 处，沉淀区的取样口位 于2 10 啪处) 。反应器采用计量蠕动泵进水，回流水用提升泵泵入反应器，在项部溢流 出水。反应器外表面缠有电热丝，通过温控装置将反应器内部温度控制在( 3 s 1 ) - c 屹1 。 气体收集装置采用湿式气体流量计计量。试验装置与工艺流程见图1 。 lf e e d i n gt a n k 2p e r i s t a l t i cp u m p ( c o u n t i n gp u m p ) 3g r a n u l a rb i o m a s s ( s l u d g eb e d ) 4 s l u d g eb l a n k e t 5s o l i d - l i q u i d - g a ss e p a r a t i o n 6e 用u e n tg u t t e r 7b i o g a sc o l l e c t i n g 8f i l t e r 9 g a sc o u n t e r 图lu a s b 反应器实验设计流程图 2 2 实验水样 试验用废水是取自当地某大豆分离蛋白生产企业所排放的废水，其c o d 浓度平均在 1 7 0 0 0m g l 1 左右，可生化系数( b o d c o d ，简写为b c ) 约为0 6 ，同时含有大量的氮、磷。 比较适合采用生物法进行处理。原水经不同程度的稀释后作为实验用水。该厂日产废水 量为1 2 0 0t d ，具体水质情况见下表： 表1 某大豆蛋白废水水质情况 项目c o d ( r a g l ) b o d ( r a g l ) p h ( 品)( 孟)黑捌( 叠) 均值1 7 0 0 0 1 0 0 0 06 54 97 42 6 3 1 7 5 0 东北林、i k 人学硕上学位论文 2 3 接种污泥 反应器以哈尔滨市文昌污水处理厂的脱水污泥( 含水率为7 5 左右) 。取用污泥先 用蒸馏水浸泡，并间歇性曝气，使其复壮后污泥的v s s s s 达到约为o 5 5 ，p h 值为6 9 5 ， 呈浅黄色，作为接种污泥。接种污泥的投加量为反应器容积的2 3 ，采用大豆蛋白废水 稀释投加，折合污泥浓度为1 2 5gs s l 反应器。 厌氧颗粒污泥的成熟表现在具有较强的降解活性，能够长时间存放于常温下并不损 失活性，能够适应各种废水。所以我们将成熟的颗粒污泥作为反应器的接种污泥，以此 缩短启动周期。污泥的接种量对反应器启动的成功与否起着决定性的作用，接种污泥量 过低会使初始污泥负荷过高，造成污泥量的迅速增长而使反应器内各种群数量的不平 衡，使反应器内部环境酸化的可能性增大，降低了系统运行的稳定性。如果接种的污泥 量过多，虽然能够缩短启动周期，但反应过程中多余的污泥会随出水洗出，造成浪费。 所有污泥经淘洗后，用曝气的与处理方式培养2 0 天，每天按c o d ：n ：p 为1 0 0 ：5 ：1 向污泥中添加红糖、n h 4 c 1 和k h 2 p 0 4 。当污泥颜色由黑色变为黄褐色时，污泥絮体的 沉降性达到良好。污泥中悬浮物浓度在2 0 0 0m g l 以下时便可接种到反应器中进行连续 流实验。 2 4 测定分析项目及技术 在u a s b 系统运行中，进水水质的控制指标是：p h 值、温度、c o d 、s s 、a l k ( 碱度) ；运行中的控制指标是：p h 值、反应温度、水流速度、沼气产量和污泥量：出水 水质的控制指标是：p h 值、c o d 、s s 、a l k ( 碱度) 。 研究中通过实验来控制各环境因素对u a s b 反应器启动与运行，及对颗粒污泥的形成和 处理蛋白废水效率的影响。如下为测试项目及其测试方法( 见表2 ) ： 表2 测试项目及其测试方法 测定项目测定方法 化学需氧量( c o d ) 悬浮固体( s s ) 污泥容积指数( s v i ) 水温 p h 值 碱度 气体产量 b o d s 液相末端产物 c o d - 5 7 1c o d 测定仪 过滤，在1 0 5 烘干至恒重后称重 以3 0 r a i n 静置沉降后，l 克干污泥的体积计 温控仪控制 p h s 一2 5 型数显p h 计 酸碱指示剂滴定法( 以m g c a c 0 3 l 计) 湿式气体流量计 溶解氧测定仪 g c - 1 1 2 型气相色谱仪( 氢火焰检测器) 2 实验材料与方法 2 4 1 温度 温度是由温控装置控制。u a s b 反应器在接种污泥后，应逐步升高反应器内部的温 度，但应注意温度升高的速率。如果温度升高速率过快，会造成反应器内部大量污泥的 浮生膨胀并堵塞三相分离器，导致微生物活性的降低。因此应通过温控仪逐步提高温度 的方式将反应器内系统的温度逐渐从室温升至中温的操作条件，即以每天2 的速率升 高温度，直至达到( 3 5 1 ) 。 2 4 2 进水和出水c o d 进水和出水的c o d ( 化学需氧量) 采用上海精密科学仪器有限公司的c o d 5 7 1 型 化学需氧量测定仪测量，其测量的方法是重铬酸钾法哺。每日测量一次。 2 4 3 进水和出水p h 及反应器内o r p 进水和出水的p h 及反应器内o r p ( 氧化还原电位) 使用p h 3 c 型实验室p h 计测 量。每口测量一次。反应系统内部处于的酸性环境有利于产酸菌的生长，但易于产生酸 的积累，导致反应器内部出现酸化得现象。这种情况的发生需要很长的一段时间才能恢 复到常态，因此在反应器运行的过程中要尽量避免系统出现酸化现象，尽量保持进水的 p n 值在中性或碱性。 2 4 4 产气量 生物气体积由长春汽车滤清器有限责任公司生产的l m l 1 型湿式气体流量计测 量。每日测量一次。 2 4 5 氢气含量 生物气中的氢气含量( ) 用上海天美公司生产的g c 7 8 9 0 i i 型气象色谱测量。其配备 了t c d ( 热导检测器) ，色谱柱是以t d x 0 1 为担体的柱长2 m ( 内径3 m m ) 的不锈钢填充 柱。进样口、柱箱和检测器温度分别为6 0 、5 0 和1 2 0 ，桥电流为8 0m a 。采用流速 为3 0m l m i n 的氮气为载气。进样量为0 5m l 。每口测量一次。 2 4 6 液相末端产物 液相末端产物的浓度( m g l ) 用另一台g c 7 8 9 0 i i 型气象色谱测量。其配备了 f i d ( 氢火焰检测器) ，色谱柱采用以g d x - 1 0 3 ( 6 0 8 0 目) 为担体的2m 3m m 的不锈钢填 充柱。进样口和检测器温度分别为2 0 0 和2 2 0 ，柱箱温度采用程序升温，温度范围在 1 4 0 - - - , 1 5 0 之间，进样量为1l il 。每目测量一次。 2 4 7 生物量 取一定体积的样品液，在1 0 5 的条件下于烘箱内干燥1 2h ，用分析天平称重至恒 重；再将恒重的样品于马弗炉中灼烧3 0 m i n 后，取出冷却至室温，再用分析天平称重至 恒重。 东北林、l k 人学硕上学化论文 3u a s b 反应器的启动与运行特征 3 1 启动阶段的污泥培养 3 1 1 基本原理 大豆蛋白废水的厌氧处理过程主要有4 个阶段：水解、发酵、产乙酸和产甲烷n 2 羽。 大分子的有机物在各种微生物的共同作用下被转化为c h 4 、c 0 2 和h 2 0 。当发酵和产乙 酸的时候，反应器内的p h 是挥发酸和氢气的含量所左右。而在产甲烷阶段，产甲烷菌把 挥发酸和氢气利用了，碱度含量也增加了，从而反应器内的p h 又呈现出了上升态势。 据研究显示，对于产酸菌最佳的p h 为5 5 5 9 ，产甲烷菌则要求p h 在6 8 7 2 ( 7 附近) 。在p h 为3 8 - 8 3 的时候，重碳酸盐的缓冲能力最强【2 】，因此大豆蛋白废水的实 验中，仅仅依靠碱度的调节来稳定u a s b 是不够的，p h 值也起到重要作用，然而大豆 蛋白废水中p h 值比较低。 大量的蛋白质存在于大豆蛋白废水中，厌氧生物降解过程见以下关系式( 1 ) 【2 3 】。 由式( 1 ) 可以看出，氨和脂肪酸( f a ) 是氨基酸发酵的产物。大豆蛋白废水中的氨基酸大部 分都是碱性基酸( 等电点 7 ) 。因此p h 将明显的升高，同时伴随着氨基酸水解的进行。 。 由此可见，如果蛋白质的水解和发酵过程能够在可接受的水力停留时间( h r t ) 内完成，即使 在p h 7 进水条件下，整个厌氧生物过程还可以进行下去，并且比较稳定，最终完成产 甲烷过程。 蛋白质骂氨基酸_ 矍甄慨+ 刚骂( ： 鸟( 嚣燃 蛋白质墅j 旦专氨基酸堂竖墅型兰旦哼朋墨+ 刚丝遂k l 烈1 型马i 二? 畎i 3 1 2 污泥的培养驯化 污泥经过复壮培养放入反应器，进入污泥活性恢复期，随即注入c o d 浓度为11 0 0 m g l 。模拟蛋白废水充满反应器，采用间歇进水，进水浓度维持在1 1 0 0m g l 。同时， 由于蛋白废水呈酸性，为了维持进水的p h 在中性，使反应器中的微生物在适宜的环境下 快速增长，在进水中加入n a 2 c 0 3 使碱度维持在1 0 0 0 左右。当污泥生物适应基质后，开始 缩短进水间歇时间直至连续进水。有资料显示乜钔，污泥培养时，尽快从间歇运行变为连 续运行，利于基质和污泥的混和接触，促进油脂和脂肪酸的降解，防止油和脂肪酸的积累 及其抑制作用，防止油脂包覆污泥，造成污泥漂浮流失。同时，反应器的温度采用温控装 置控制，接种污泥的温度从2 0 开始，每天升高温度为2 3 ，最高不高于4 c 【2 5 1 ，直 至3 5 ，促使菌种恢复活性，并逐步适应模拟废水的水质状况，并保持在此温度下。连 续进水后，通过缩短水力停留时间来控制反应器容积负荷在0 5k gc o d ( m 3 d ) 以 下，并利用回流维持水力负荷不低于0 1m 3 m 2 h ，( 逐步提高反应器容积负荷，每次 提高的负荷幅度为0 3 k gc o d m 3 d 左右) 并稳定1 2 天，每周监测出水p h 及c o d 去 3u a s b 反应器的启动与运行特征 除率及产气量。这里采用较长的h r t 可以避免水力负荷过大把污泥冲出反应器。 此阶段，要保持一定的回流水，使反应器中的污泥保持一定的膨化状态，这也有助 于厌氧菌尤其是产甲烷菌逐渐适应环境，这也避免了沟流或死角的形成。使好氧微生物 逐渐减少，厌氧菌活性逐渐增强，并且有气体产生。另外，出水回流也有利于调节反应 器中的p h 值和碱度，使u a s b 系统能稳定运行【2 6 1 。 3 1 3 颗粒污泥的形成 经过驯化的污泥在进水c o d 浓度为11 0 0m g l ，h r t 为4 8h ，容积负荷为0 5 5 k g ( m 3 d ) 开始运行。继续维持进水碱度在1 0 0 0m g l 左右，并投加质量浓度为1 0 0 m g l 的s 0 4 。因为有资料显示【2 琨引，在厌氧系统中引入硫酸盐还原过程，可以避免体 系中v f a 过剩对产甲烷菌的富集产生影响。另外硫酸盐还原菌的活动也有助于厌氧系 统的稳定。 当反应器的去除率大于7 0 且产气量较稳定时，开始通过控制进水浓度和逐渐缩短 水力停留时间，慢慢提高反应器负荷，使反应器中污泥不断适应环境。通过调节蠕动