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郑州大学硕士学位论文u a s b & c 反应器处理有机废水的运行特性研究 摘要 生化法处理高浓度有机废水，主体单元通常采用厌氧生物反应器，包括应用 广泛的升流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器和新型高效的内循环厌氧( i c ) 反应 器。本文以酒精工业废水处理工程和抗生素工业废水处理工程为研究对象，通过 查阅国内外大量文献，对酒精和抗生素的生产工艺、废水特点以及废水的处理概 况进行了简要论述，对厌氧消化技术及其理论和u a s b 反应器和i c 反应器作了 简要地分析。本文重点研究了u a s b 反应器和i c 反应器处理酒精工业废水的生 产性启动规律和运行规律，u a s b 反应器和i c 反应器处理抗生素工业废水的运 行规律，并进行了深入的对比分析研究。 通过对比分析u a s b 反应器和i c 反应器处理酒精废水和抗生素废水的进水 有机负荷、进出水c o d 、c o d 去除率、v f a 、p h 值、污泥浓度等参数，得出 如下结论： l ，根据厌氧反应器中有机物的降解和细胞合成的关系，建立了进料有机负 荷模型m 。= ( 1 + k ) “1 m 1 。i c 反应器和u a s b 反应器处理酒精废水m 1 分别为3 5 0 k g c o d d 和l o o k g c o d d ，k 根据启动结果验算分别达到了0 0 3 9 和0 0 2 8 。因此 i c 反应器启动周期比u a s b 反应器启动周期短。 2 、i c 反应器和u a s b 反应器处理酒精废水稳定运行时容积负荷分别为 1 2 o k g c o d ( m 3 d ) 和6 o k g c o d ( m j d ) ，处理抗生素废水时分别为5 5 k g c o d ( m 3 d ) 和3 0 k g c o d ( m 3 d ) 。这是由于i c 反应器存在着内循环，传质效果好，生物量大， 比u a s b 反应器有更高的处理效率。 3 、在处理抗生素倒罐废水时，i c 反应器c o d 去除率和出水v f a 变化不大， 而u a s b 反应器c o d 去除率降至3 0 以下，v f a 浓度较高且波动较大，是由于 i c 反应器内循环流量远远大于进水流量，循环流量与进水在第一反应室充分混 合，使原废水中的有害物质得到充分稀释，大大降低有害程度，从而使i c 反应 器比u a s b 反应器有更强的抵抗冲击负荷能力，运行更稳定。 i c 反应器因具有很高的有机负荷，在处理相同废水时，i c 反应器比u a s b 反应器容积小、占地面积少、投资费用低，是一种新型高效的厌氧反应器，具有 很大的发展前景和应用能力，值得推广。 关键词：高浓度有机废水酒精废水抗生素废水厌氧生物处理 内循环厌氧反应器升流式厌氧污泥床 郑州大学硕十学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 a b s t r a c t a n a e r o b i cb i o r e a c t o r su s u a l l ya r eu s e da st h em a i n b o d yu n i t so fb i o - c h e r n i c a l p r o c o s si nt r e a t i n gh i g hs t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e r , i n c l u d i n gt h eu p f l o wa n a e r o b i c s l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) r e a c t o rw h i c hi st h em o s tw i d l ya p p l i e da n dt h en e wh i 曲l y e f f e c t i v ei n t e r n a lc i r c u l a t i o n ( i c ) r e a c t o r t h ea l c o h o ii n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o j e c ta n da n t i b i o t i ci n d u s t r i a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o j e c ta r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ea l c o h o la n da n t i b i o t i cp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ew a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tw e r eb r i e f l yd i s c u s s e d ，a n dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，t h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rw e r eb r i e f l ya n a l y s e dt h r o u g h q u a n t i t i e s o fl i t e r a t u r e t h e p a p e rm a i n l ys t u d i e dt h es t a r t - u p a n do p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h ef u l l - s c a l e u a s br e a c t o r sa n di cr e a c t o r s t r e a t i n ga l c o h o l w a s t e w a t e r , a n dt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eu a s br e a c t o r sa n di cr e a c t o r s t r e a t i n ga n t i b i o t i cw a s t e w a t e r , a n dc o m p a r e dt h ee f f e c t so fu a s ba n d1 1 2 t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h eu a s br e a c t o ra n dt h ei cr e a c t o r p r o c e s s i n ga l c o h o lw a s t e w a t e ra n dt h ea n t i b i o t i cw a s t e w a t e ro ft h ei n f l u e n to r g a n i c l o a d ，t h ei n f l u e n ta n de f f l u e n tc o d ，c o dr e m o v i n gr a t e ，v f a ，p h ，a n ds l u d g e d e n s i t yp a r a m e t e r , i td r a w st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ： f i r s t ，b a s i n go nt h ec o n n e c t i o no ft h eo r g a n i s md e g r a d a t i o na n dc e l l u l a rc o m p o s e i nt h ei c ，a ni n f l u e n tm o d e lo no r g a n i cl o a d sm n = ( 1 + k ) n 。1 m 1 i cr e a c t o ra n du a s b r e a c t o rp r o c e s s i n ga l c o h o lw a s t e w a t e rm 1 r e s p e c t i v e l y w a s3 5 0k g c o d da n d 1 0 0 k g c o d d ，t h ekb a s i ss t a r t st h er e s u l tr e s p e c t i v e l yt oa c h i e v e0 0 3 9a n d0 0 2 8 t h e r e f o r et h et i m eo ft h ei cr e a c t o rs t a r t u pi sm u c hs h o r t e rt h a nt h e u a s br e a c t o r s e c o n d ，t h eo r g a n i cl o a d so fi cr e a c t o ra n du a s br e a c t o rt r e a t i n ga l c o h o l w a s t e w a t e rw e r e 1 2 0 k g c o d ( m 3 d ) a n d6 0 k g c o d ( m 3 d ) ，t r e a t i n g a n t i b i o t i c w a s t e w a t e rw e r e5 5 k g c o d ( m 3 d ) a n d3 0 k g c o d ( m 3 d ) t h i si sd u et oi cr e a c t o r s i n t e r n a lc i r c u l a t i o ns y s t e m ，w h i c ht a k e sh i g ht r a n s f e ra n dm a s ss l u d g e i cr e a c t o r h a sah i g h e re f f i c i e n c yt h a nu a s br e a c t o r t h i r di cr e a c t o re f f l u e n tc o dr e m o v a la n dv f al i t t l e c h a n g e di nt r e a t i n g a n t i b i o t i cw a s t e w a t e ro fr e v e r s i n gt a n k ，w h i l ec o dr e m o v a lr a t eo fu a s br e a c t o r d r o p p e dt ob e l o w3 0 a n dt h ev f ac o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e da n dv o l a t i l e d i c r e a c t o r si n n e rc i r c l ef l o wi sf a rg r e a t e rt h a nt h ei n f l u e n tf l o w , w h i c hm i x e dw i t ht h e c y c l e df l o wa tt h eb o t t o mo ft h er e a c t o l t h eh a r m f u ls u b s t a n c e si nw a s t e w a t e ra r e f u l l yd i l u t e d ，a n dh a r m f u ll e v e li sg r e a t l yr e d u c e d t h e r e b ye n a b l i n gi cr e a c t o ri s 郑州大学硕士学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 m o r er e s i s t a n c et os h o c k l o a d i n gc a p a c i t ya n dm o r es t a b l eo p e r a t i o nt h a nt h eu a s b r e a c t o r t h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rc a l lb eo p e r a t e da th i g ho r g a n i cl o a da n dh i g h s p a c el o a dr a t ew i t hl o wi n v e s t m e n tc o s ta n ds p a c eo c c u p a t i o nc o m p a r e dt ou a s b r e a c t o rw h e nt r e a t i n gs a l n ew a s t e w a t e r i th a sap r o m i s i n gf u t u r ei nw a s t e w a t e r d i s p o s a lf i e l d k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e r a l c o h o lw a s t e w a t e r a n t i b i o t i cw a s t e w a t e r a n a e r o b i ct r e a t m e n t i n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t i i l 郑州大学硕士学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 1 1 有机废水处理技术 第一章概述 我国水污染严重，2 0 0 5 年七大水系的1 0 0 个国控省界断面中，i 一i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为3 6 、4 0 和2 4 ，最主要的污染物就是 有机污染物，化学需氧量排放量为1 4 1 4 2 万吨【l l 。产生大量有机污染物一方面固 然是由于人口的增加和城市化的加速，城市生活污水量不断增加，使有机污染物 增加，但有机污染物的主要来源是来自工业排放。据调查，化工、冶金、炼焦、 轻工等行业是有机污染物的主要来源。 化工、冶金、炼焦、轻工等行业排出的有机物，不仅数量大，而且浓度高， 有些还含有有毒有害的物质。以食品工业为例，据不完全统计，我国2 0 0 6 年酒 精产量约5 5 0 万吨田，每生产1 吨酒精排出废水1 2 一1 5 m 3 ，每年排出酒精废水约 8 0 0 0 万m 3 ，废水c o d 浓度为3 - 5 x 1 0 4 m g l ，每年排出c o d 达4 0 0 万吨。石油、 化工、制药等行业排放出的废水更是十分惊人，如石油化纤排出许多高浓度有机 废水的c o d 平均高达1 3 x 1 0 4 m g l ，而且成分复杂，对环境的污染极为严重 3 1 。 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【4 】：第 一类为不含有害物质且易于生物降解的高浓度有机废水，如食品工业废水；第二 类为含有有害物质且易于生物降解的高浓度有机废水，如部分化学工业和制药业 废水；第三类为含有有害物质且不易于生物降解的高浓度有机废水，如有机化学 合成工业和农药废水。根据有机污染废水的分类，可将高浓度有机废水的处理方 法大致分为三类：生物处理技术、化学处理技术以及物化处理技术。 1 1 1 生物处理技术 生物处理是废水净化的主要工艺，其具有经济可行、无二次污染等特点，主 要用于处理食品、造纸、生物制药等行业的有机废水。根据参与代谢活动微生物 的种类，生物处理高浓度有机废水的主要方法可分为两大类，即利用好氧微生物 作用的好氧法和利用厌氧微生物作用的厌氧法。 好氧法是在有氧的条件下，由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，可分为活性污泥法和生物 膜法两种。活性污泥法是水体自净的人工强化，是使微生物群体“聚居”在活性 污泥上，活性污泥在曝气池内呈悬浮状，与污水广泛接触，使污水净化的技术。 活性污泥法根据其运行方式又可分为：传统活性污泥法( 又称标准活性污泥法) 、 郑州大学硕+ 学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 阶段曝气活性污泥、吸附一再生活性污泥法、延时曝气活性污泥法、高负荷活性 污泥法、完全混合活性污泥系统、深水曝气活性污泥法、深井曝气活性污泥法、 浅层曝气活性污泥法、纯氧曝气活性污泥法等，除此之外，近些年活性污泥处理 工艺又有了新的发展，如氧化沟、间歇式活性污泥法( s b r ) 和a b 法废水处理 工艺等。生物膜法是土壤自净的人工强化，是使微生物群体以膜状附着在某种物 体的表面上，与污水接触，使污水得以净化的技术。属于生物膜法的工艺有生物 滤池( 普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池) 、生物转盘、生物接触 氧化和生物流化床等嘲。 由于高浓度有机废水有机污染物含量很高，采用好氧法的能耗太大，一般采 用厌氧法，即在无氧的条件下，由兼性菌及专性厌氧菌降解有机物，最终产物是 二氧化碳和甲烷。厌氧生物处理技术常用的反应器主要有u a s b 反应器、u b f 反应器、i c 反应器等。厌氧法处理高浓度有机废水不彻底，出水有机污染物含 量还很高，常采用厌氧+ 好氧综合处理工艺使废水得到净化。 1 1 2 化学处理技术 化学处理技术是应用化学原理和化学作用将废水中的污染物成分转化为无 害物质，使废水得到净化的方法，其单元操作过程有中和、沉淀、氧化和还原等。 有机废水中主要污染物为具有还原性的有机物，所以，常用的处理工艺是采用氧 化技术。其方法有焚烧法和催化氧化法。 焚烧法 6 1 是将含有高浓度有机物的废水在高温下进行氧化分解的技术，其中 的有机物生成水、二氧化碳、碳酸盐等直接排放或作为副产品，c o d 的去除率 可达9 9 9 9 。 催化氧化法【7 1 是对化学氧化法的改进与强化，一般需要在反应体系中加入氧 化剂和催化剂，并需要提供一定的激发条件。按照不同的标准，催化氧化的分类 也不同：根据催化剂与反应物是否同相可分为均相催化氧化和多相催化氧化，根 据催化剂的激活因子( 反应条件) 不同将催化氧化法分为湿式催化氧化法、光催 化氧化法和电催化氧化法；根据氧化剂的不同可分为臭氧催化氧化、空气催化氧 化、纯氧催化氧化、双氧水催化氧化。 均相催化氧化法是催化氧化法中研究较多的一项技术，它通过向反应溶液中 加入可溶性的催化剂，以分子或离子水平对反应过程起催化作用。研究最为广泛 深入的f e n t o n 试剂法即属于均相催化氧化法，它用h 2 0 2 为氧化剂，f e 2 + 或f e 3 + 为催化剂，f e “或f e 3 + 可加快h 2 0 2 分解为o h ，使溶液中的有机物被o h 迅速氧 化降解。如使用f e n t o n 试剂成功地氧化分解了在自然环境中极稳定的氯苯【7 1 。 多相催化氧化法是近年来发展起来的一种新型水处理技术，它利用同体催化 2 郑州大学硕十学位论文 u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 剂的催化作用降低反应位垒，加快氧化剂与水中污染物的反应速度。目前多相催 化氧化法主要用于化工染料废水、焦化厂含酚氰废水等较难生化处理的废水【引。 湿式催化氧化法是在传统的湿式空气氧化法的基础上发展起来的。通过向反 应体系中加入催化剂，用h 2 0 2 、0 3 或空气为氧化剂，分解水中的有机物。由于 催化剂的存在，使得氧化效率大大提高，在较低的温度和压力下也可以进行。催 化剂的活性组分一般为过渡金属氧化物，典型的有n i 、f e 、m n 、c u 、m o 等 9 1 。 光催化氧化法是目前催化氧化法中研究较多的一项技术，常用的氧化剂为 h 2 0 2 和0 3 ，在化学氧化和紫外光辐射的共同作用下，系统的氧化能力和反应速 率都远远超过单独使用氧化剂或紫外辐射所能达到的效果 8 1 。 电催化氧化是近年来广受关注的一种处理难降解有机废水的技术。其原理是 在电极和催化材料的作用下产生活性基团氧化水中有机物，使有机物分解为c 0 2 和h 2 0 等无毒无害物质而安全排放【lo 】。目前，电催化氧化技术大多集中在平板 电极的研制开发，如钛基上涂p b 0 2 ，r u 0 2 ，s n o z 以及多种稀贵金属或金属氧 化物复合的涂层物，近年来人们研究的热点转向利用粒子电极进行废水处理【1 1 1 。 1 1 3 物理化学处理技术 物理化学处理技术是指废水中的污染物在处理过程中通过相转移的变化而 达到去除目的的处理技术，常用的单元操作有萃取、吸附、膜技术、离子交换等。 萃取是利用污染物质在水中或与水不互溶的溶剂中有不同的溶解度进行分 离，通常称为物理萃取；但若溶剂和废水中的某些组分形成络合物而进行分离， 常称为化学萃取或络合萃取。萃取法处理高浓度有机废水，不仅具有设备投资少、 操作简便等优点，而且主要污染物能有效回收利用，络合萃取对于极性有机物的 分离具有高效性和选择性f 1 ”。 吸附法是利用活性炭、磺化煤、大孔树脂等吸附剂的多孔性质将废水中的极 性有机物吸附。吸附饱和后，再利用碱液、蒸汽或有机溶剂进行解吸脱附。活性 炭吸附容量大，再生困难：磺化煤再生容易，但吸附容量小；大孔树脂吸附方法 则具有明显的使用优势，但对废水的前处理要求严格【l3 1 。 膜分离技术是一种新型的分离技术，既能对废水进行有效的净化，又能回收 些有用物质，同时具有节能、无相变、设备简单、操作方便等特点，因此在废水 处理中得到了广泛的应用。在废水处理中应用的膜分离过程主要有微滤( m f ) 、 超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 和电渗析( e d ) 等【l4 】。 离子交换法是利用离子交换剂和溶液中的离子发生交换反应进行分离的方 法。离子交换通常用作处理难生物降解、具有生物毒性的有机废水，如含酚废水、 含氰废水、氯化农药废水、染料废水等1 1 5 o 郑州大学硕士学位论文 u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 1 2 厌氧生物处理技术 1 2 1 厌氧生物处理理论 厌氧处理是废水生物处理技术的一种方法。厌氧生物处理( 厌氧消化) 是在 无氧的环境中，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物转化成甲烷、二氧化 碳等的过程。在厌氧处理过程中，复杂的有机化合物被降解，转化为简单、稳定 的化合物，同时释放能量。 有机厌氧消化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 7 9 年m p b r y a n t 1 6 等人根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了 厌氧消化的三阶段理论，与此同时j g z e i k u s t l 7 】提出了厌氧消化过程的四菌群理 论，于是便形成了“三阶段四菌群”理论，见图1 - 1 。 图1 - 1 厌氧消化三阶段和四菌群理论 三阶段消化的第一阶段是在水解发酵细菌的作用下，把碳水化合物、蛋白质 与脂肪等复杂有机物通过水解与发酵转化成脂肪酸、h 2 、c 0 2 等产物；第二阶段 是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成h 2 、c 0 2 和乙酸；例如： 丙酸的转化 c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 一c h 3 c o o h + 3 h 2 + c d 2 乙醇的转化 c h 3 c h 2 0 h + 日2 0 _ c h 3 c o o h + 2 h 2 4 郑州人学硕士学位论文 u a s b & c 反麻器处理有机废水的运行特性研究 第三阶段是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，把第二阶段的产物转化 为c h 4 和c 0 2 等产物。一组把h 2 和c 0 2 转化成甲烷，即： 4 h 2 + c 0 2 _ c h a + 2 h 2 0 另一组是乙酸脱羧转化为甲烷，即： c h 3 c o o h c h d + c 0 2 厌氧发酵过程中还存在一个横向转化过程，即在产氢产乙酸菌的作用下把 h 2 c 0 2 和有机基质转化为乙酸。 在厌氧消化过程中将参与发酵的细菌根据其代谢的差异划分为4 类菌群，即 水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型产乙酸细菌群和产甲烷细菌群。 1 、水解发酵细菌群包括细菌、真菌和原生动物。在厌氧消化系统中，水解 发酵细菌的功能主要有两个方面：( 1 ) 将大分子不溶性有机物水解成小分子的水 溶性有机物，水解作用是在水解酶的催化作用下完成的。( 2 ) 发酵细菌将水解产 物吸收进细胞内，经细胞内复杂的酶系统的催化将部分有机物转化为代谢产物， 排入细胞外的水溶液里，成为参与下一阶段生化反应的细菌群吸收利用的基质。 2 、产氢产乙酸菌是能把第一阶段的发酵产物转化为乙酸、h 2 c 0 2 等产物的 一类细菌。产氢产乙酸细菌的代谢产物中有分子态氢，所以体系中氢分压的高低 对代谢反应的进行起着重要的调控作用。当甲烷细菌因受环境条件的影响而放慢 对分子态氢的利用速率，其结果必然是降低产氢产乙酸细菌对丙酸、丁酸和乙醇 的利用。这也说明了厌氧发酵系统一旦产生问题，经常会出现有机酸积累的原因。 3 、在厌氧消化系统中能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌， 能利用有机基质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产 生乙酸，也能利用h 2 和c 0 2 产生乙酸。由于同型产乙酸菌能利用氢以降低氢分 压，对产氢的发酵细菌有利，同时对利用乙酸的甲烷菌也有利。 4 、产甲烷细菌是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于绝对的厌氧菌。甲烷菌的 能源和碳源物质主要有h 2 c 0 2 、甲酸、甲醇和乙酸，主要代谢产物是甲烷。甲 烷菌常见的有四类，分别是甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌。 在底物相同的条件下，厌氧消化产生的能量为好氧消化的1 3 0 1 2 0 ，而且 此能量绝大部分用于维持细菌生活，只有很少能量用于合成新细菌，因此甲烷菌 生长很慢。在厌氧消化中，热值以甲烷的形式储存起来，当甲烷燃烧时再释放出 来，1 m o l 乙酸所产甲烷燃烧时约放出8 3 9 k j 的能量。 1 2 2 厌氧生物处理技术的发展 厌氧生物处理技术是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化， 是处理有机污染物和废水的有效手段。在过去，它多用于城市污水处理厂的污泥、 郑州大学硕十学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 有机废料以及高浓度有机废水的处理，在构筑物形式上主要采用普通消化池。由 于存在水力停留时间长、有机负荷低等缺点，较长时期内限制了它在废水处理中 的应用。到2 0 世纪六七十年代，随着经济的快速发展以及城市的迅猛增容，环 境污染和能源紧张问题变得越来越严重时，厌氧处理工艺作为一种低能耗的有机 废水生物处理方法，才得到人们越来越广泛的重视，研究与实践也由此不断深入， 从而促进了厌氧处理技术的快速发展。 厌氧处理技术从1 8 8 1 年法国莫拉斯( m o u r a s ) 发明“污泥自动净化器”开 始，已经有一百多年的发展历程。在此期间，该技术主要经历了三个发展阶段1 8 】： 第一阶段( 1 8 6 0 - 1 8 9 9 年) ：简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段。 这个发展阶段具有以下特点： ( 1 ) 把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池( s e p t i c t a n k ，俗称化粪池) 中进行，亦即以简易的沉淀池为基础，适当扩大其污泥贮存容积，作为挥发性悬 浮生物固体液化的场所。 ( 2 ) 处理对象为污水、污泥。 ( 3 ) 精确设计和建造的化粪池至今仍在无排水管网地区以及某些大型居住 或公用建筑的排水管网上使用着。 第二阶段( 1 8 9 9 1 9 0 6 年) ：污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。这个 发展阶段具有以下特点： ( 1 ) 在处理构筑物中，用横向隔板把污水沉淀和污泥发酵两种作用分隔在 上下两室分别进行，由此形成了所谓的双层沉淀池( t w os t o r y t a n k ) 。 ( 2 ) 当时的污染指标仍以悬浮固体为主，但生物气的能源功能已为人所认 识，并开始开发利用。 第三阶段( 1 9 0 6 一) ：独立式营建的高级发展阶段。这个阶段具有以下特点： ( 1 ) 把沉淀池中的厌氧发酵室分离出来，建成独立工作的厌氧消化反应器。 在此阶段中开发的主要处理设施有普通厌氧消化池和u a s b 、厌氧接触工艺、两 相厌氧消化工艺、a f 、a f b 等。 ( 2 ) 把有机废水和有机污泥的处理和生物气的利用结合起来，即把环保和 能源开发结合起来。沼渣的综合利用也被当作重要任务提到了议事同程。 ( 3 ) 处理对象除v s s 外，还着眼于b o d 和c o d 的降低以及某些有机毒物 的降解。 相应厌氧生物处理技术的反应器主体也经历了三个时代： 第一代反应器：以厌氧消化池为代表，属于低负荷系统。 第二代反应器：可以将固体停留时问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。代表反应器有厌氧滤池( a f ) 、 6 郑州大学硕十学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器、厌氧附着膜膨胀床( a f f e b ) 及厌氧流化 床( a f b ) 等。 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。代表反应器有厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 、厌氧 复合床反应器( u b f ) 、内循环式厌氧反应器( i c ) 等。 1 2 3 厌氧处理技术的特点 厌氧生物处理技术在近年来发展如此迅速，是因为它具有好氧生物处理不可 比拟的优点【1 9 1 ： 应用范围广。好氧生物处理法因供氧限制一般只用于低浓度有机废水的 处理，对高浓度有机废水需用大量稀释水稀释后才能进行处理，而厌氧生物处理 法可直接处理高浓度有机废水，也可用于低浓度有机废水的处理。 厌氧处理设备负荷高、占地少。厌氧反应器容积负荷比好氧法要高的多， 特别是使用新一代的高效厌氧反应器更是如此，因此反应器体积小，占地少。例 如，好氧生物法的有机负荷一般为2 - 4 k g c o d ( m 3 d ) ，而厌氧生物处理法有机负 荷一般为5 1 5k g c o d ( m 3 d ) ，高的可达5 0k g c o d ( m 3 d ) 。 厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源。好氧法需要大量能 量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增加，而厌氧法不需充氧，并能产生 沼气可作为能源。据报道 2 0 l ，每处理l t c o d 的废水，厌氧法只需耗电2 7 x 1 0 8 j ( 7 5 k w h ) ，而好氧法需耗电3 6 x 1 0 5 j ( 1 0 0 0 k w h ) 。 污泥产量低，沉降性能好。由于厌氧微生物增殖缓慢，因此处理同样数 量的废水仅产生相当于好氧法1 6 1 1 0 的剩余污泥。而且所产生污泥脱水性能 好，浓缩时可不使用脱水剂，比好氧剩余污泥容易处理。厌氧法所产污泥高度无 机化，可用作农田肥料或作为新运行的废水处理厂的种泥出售。 厌氧法对营养物的需求量小。好氧生物处理营养盐需求量一般为 b o d 5 ：n ：p 为1 0 0 ：5 ：l ，而厌氧生物处理的b o d 5 ：n ：p 为( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：1 。 被降解的有机物种类多。有些有机物对好氧微生物是难降解的，但厌氧 微生物却是可降解的。例如着色剂葸醌和某些偶氮燃料不易被好氧微生物分解， 但能被厌氧微生物还原为无色物质。 对水温的适宜范围较广。好氧生物处理一般认为水温在2 0 一3 0 是效果最 好，3 5 以上和l o 以下净化效果降低，因此对高温工业废水需采取降温措施。 厌氧生物处理根据产甲烷菌的最适宜生存条件可分为3 类：低温范围1 0 3 0 ， 最宜2 0 左右；中温3 0 - 4 0 ，最宜3 5 3 8 ；高温5 0 一6 0 ，最宜5 l 一5 3 。 郑州人学硕+ 学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 耐冲击负荷能力强。厌氧生物处理污泥浓度高，能承受较大的负荷变化 和水质变化。 厌氧处理技术虽然有很多的优点，是一种值得推广的技术，但它的发展尚不 充分，其经验与知识的积累尚有一定局限性。作为一种新的技术，它还有许多不 足之处： 厌氧处理设备启动时间较长。因为厌氧微生物增殖缓慢，启动时经接种、 培养、驯化达到设计污泥浓度的时间比好氧生物处理长。 处理后出水水质差。厌氧方法虽然负荷高、去除有机物的绝对量与进液 浓度高，但其出水往往达不到排放要求，需要进一步处理才能排放，一般在厌氧 处理后串联好氧生物处理。 厌氧微生物对有毒物质较为敏感，因此，对于有毒废水性质了解的不足 或操作不当在严重时可能导致反应器运行条件的恶化。 1 2 4u a s b 反应器 升流式厌氧污泥床反应器( u p n o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e tr e a c t o r ，简称 u a s b 反应器) 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。 一、u a s b 反应器的构造 沼气管 图1 - 2u a s b 反应器的构造原理 淀区 相分离器 应区 u a s b 反应器的构造原理如图1 2 所示。u a s b 反应器主要有以下几部分组 成： ( 一) 配水系统 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地分配到整 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 郑州大学硕十学位论文u a s b & i c 反麻器处理有机废水的运行特性研究 接触，使反应器内的微生物能够获得充分的营养，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。 ( 二) 反应区 反应区包括污泥床和污泥悬浮层区，是u a s b 反应器的核心，是培养和富 集厌氧微生物的区域，废水与厌氧污泥在这里充分接触，产生强烈的生化反应， 有机物主要在这里被厌氧菌分解。 ( 三) 三相分离器 三相分离器又称气、固、液分离器，由沉淀区、集气室( 或称集气罩) 和气 封组成，其功能是把气体( 沼气) 、固体( 微生物) 和液体分离。首先，气体被 分离后进入集气室( 罩) ，然后，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固 体藉重力由回流缝返回反应区。 ( 四) 出水系统 出水系统的作用是把沉淀区液面的澄清水均匀地收集起来，排出反应器外。 出水是否均匀对处理效果有很大影响。 ( 五) 排泥系统 排泥系统的功能是定期均匀地排出反应区的剩余厌氧污泥。 二、u a s b 反应器的工作原理 如图l 一2 所示，废水由反应器的底部进入后，由于废水以一定的流速自下而 上流动以及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥充分混合，有机质 被吸附分解，所产沼气经由反应器上部三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥 的废水进入三相分离器的沉降区，由于沼气已从废水中分离，沉淀区不再受沼气 搅拌作用的影响。废水在平稳上升过程中，其中沉淀性能良好的污泥经回流缝返 回反应器主体部分，从而使反应器内能维持很高的生物量，平均浓度可达 8 0 9 s s l 左右，含有少量较轻污泥的废水从反应器上方排出。u a s b 反应器中可 以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，反应器的s r t 很大，h r t 很小，这使反应 器有较大的上流速度、很高的容积负荷率以及很强的运行稳定性2 ”。u a s b 反应 器运行的3 个重要的前提是：反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污 泥；产气和进水的均匀分布形成良好的自然搅拌作用；设计合理的三相分离 器，能使沉淀性能良好的污泥保留在反应器内口2 1 。 三、u a s b 反应器的特点 l 、有机负荷较高，容积负荷可达到3 - 1 0 k g c o d m 3 d ； 2 、c o d 去除率高，有机物处理效果好； 9 郑州人学硕十学位论文 u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 3 、布水均匀，能保证微生物与基质的充分接触； 4 、抗冲击负荷能力较强； 5 、容积产气率高，能耗低； 6 、占地面积较小，节约土地资源； 7 、污泥产生量少，降低了后续污泥处理成本，同时厌氧污泥可作为种泥出 售，有一定的经济效益。 1 2 5 i c 反应器 内循环厌氧反应器( i n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r ，下称i c 反应器) 是荷兰帕 克( p a q u e s ) 公司8 0 年代中研究开发成功的 一、i c 反应器的构造 图1 - 3i c 反应器的构造原理 i c 反应器的基本构造如图1 - 3 所示。i c 反应器由第一反应室和第二反应室 叠加而成，每个厌氧反应室的顶部各设一个气一液一固三相分离器，如同两个u a s b 反应器的上下重叠串联组成。在第一反应室的集气罩项部设有沼气升流管直通 i c 反应器顶部的气一液分离器，气一液分离器的底部设一回流管直通至i c 反应器 的底部。与u a s b 反应器不同，三相分离器仅将固液进行分离，而气液分离单 独在反应器顶部的气液分离器中进行，气液分离后，气体排出，而反应也回流至 反应器底部。配水系统除了进水配水系统外，增加了回流液配水系统。 二、i c 反应器的工作原理【2 3 】 i c 反应器的特点是在一个反应器内将有机物的生物降解分为两个阶段，底 0 郑州人学硕十学位论文u a s b & i c 反应器处理有机废水的运行特性研究 部一个阶段( 第一反应室) 处于高负荷，上部一个阶段( 第二反应室) 处于低负 荷。进水由反应器底部进入第一反应室与厌氧颗粒污泥均匀混合，大部分有机物 在这里被降解而转化为沼气，所产生的沼气被第一厌氧反应室的集气罩收集，沼 气将沿着升流管上升，沼气上升的同时把第一厌氧反应室的混合液提升至i c 反 应器顶部的气一液分离器，被分离出的沼气从气液分离器顶部的导管排走，分离 出的泥水混合液将沿着回流管返回到第一厌氧反应室的底部，并与底部的颗粒污 泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。内循环的结果使第一厌氧反应室 不仅有很高的生物量，很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，一般为 ( 1 0 2 0 m h ) ，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，从而大大提高第一反应 室去除有机物的能力。 经第一反应室处理过的废水，会自动的进入第二厌氧反应室被继续进行处 理。第二反应室的液体上升流速小于第一反应室，一般为2 1 0 m h 。该室除了继 续进行生物反应外，由于上升流速的降低，还充当第一反应室和沉淀区之自j 的缓 冲段，对防止污泥流失及确保沉淀后的出水水质起着重要作用。废水中的剩余有 机物可被第二反应室的厌氧颗粒污泥进一步降解，使废水得到更好的净化，提高 出水水质。产生的沼气由第二厌氧反应室的集气罩收集，通过集气管进入气液 分离器。第二厌氧反应室的混合液在沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由出 水管排走，沉淀的污泥可自动返回到第二厌氧反应室。 由以上的说明可以看出，i c 反应器实际上是由两个上下重叠的u a s b 反应 器串连组成。用下面第一个u a s b 反应器产生的沼气作为动力，实现了下部混 合液的内循环，使废水获得强化的预处理；上面的第二个u a s b 反应器对废水 继续进行后处理，使出水可达到预期的处理效果。 三、i c 反应器的特点1 2 4 1 、具有很高的容积负荷率。i c 反应器由于存在着内循环，传质效果好、生 物量大、污泥龄长，其进水有机负荷率远比普通的u a s b 反应器高。 2 、节省基建投资和占地面积。i c 反应器不但体积小，而且有很大的高径比， 所以占地面积特别省，非常适用于占地面积紧张的企业。 3 、沼气提升实现内循环节能。i c 反应器是以自身产生的沼气作为提升的动 力实现混合液的内循环，不必另设水泵实现强制循环，从而可节省能耗。 4 、抗冲击能力强。由于i c 反应器实现了内循环，处理低浓度废水( 如啤酒 废水) 时，循环流量可达迸水流量的2 3 倍。处理高浓度废水( 如土豆加工废水) 时，循环流量可达进水流量的l o 一2 0 倍。因为循环流量与进水在第一反应室充分 混合，使原废水中的有害物质得到充分稀释，大大降低有害程度，从而提高了反 郑州大学硕七学位论文u a s b & i c 反廊器处理有机废水的运行特性研究 应器的耐冲击负荷能力。 5 、具有缓冲p h 的能力。内循环流量相当于第一级厌氧出水的回流，可利 用c o d 转化的碱度，对p h 起缓冲作用，使反应器内的p h 保持稳定。可减少进 水的投碱量。 6 、出水的稳定性好。因为i c 反应器相当于上下两个u a s b 反应器的串联 运行，下面一个u a s b 反应器具有很高的有机负荷率，起“粗”处理作用，上 面一个u a s b 反应器的负荷较低，起“精”处理作用。i c 反应器相当于两级 u a s b 工艺处理。一般说，两级处理比单级处理的稳定性好，出水水质较为稳定。 1 3 课题的研究背景 产生有机废水的行业很多，但最具代表性，污染影响大的行业是酒精工业和 抗生素工业。 1 3 1 酒精生产废水 一、酒精工业概况 酒精是一种重要的工业原料，广泛应用于化工、食品饮料工业、军工、日用 化工和医药卫生等领域。目| j i 我国大力提倡采用乙