（环境科学专业论文）高盐榨菜废水处理技术研究.pdf

a b s t r a c t ab s t r a c t w a s t e w a t e rf r o mt h ep i c k l ei n d u s t r yh a st h ec h a r a c t e r so fh i g hs a l i n i t ya n d h i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cs u b s t a n c e s b a s e do nt h el i t e r a t u r e sa n de x p e r i m e n t s ， a n a e r o b i c a e r o b i c p o s t - t r e a t n a e mp r o c e s sw a se m p l o y e di nt h i sp a p e rt ot r e a tt h e p i c k l ew a s t e w a t e r i tw a sa n a l y s e dt h a tt h ep i c k l ew a s t e w a t e rc o n t a i n e da m o u n t so fn u t r i e n t s i n c l u d i n gv a r i o u sa m i n oa c i d s ，w h i c hw a sa b l et os u p p l ea d e q u a t en u t r i e n t sf o r a n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t t h er e s u l t so fb i o d e g r a d a b i l i t yt r i a ls h o w e dt h a t t h ep i c k l ew a s t e w a t e rw a sb i o d e g r a d a b l et os o m ee x t e n t t h r o u g ht h el a b o r a t o r i a lt r i a la n ds i m u l a t i v em e d i u mt r i a lc o n c e r n i n gt h e c h a r a c t e r so fu a s b ，i tw a sv e r i f i e dt h a ta n a e r o b i c r o b i c p o s t t r e a t m e n tp r o c e s s w a sf e a s i b l et ot r e a tp i c k l ew a s t e w a t e r t h eo p e r a t i o no fu a s bw a sa f f e c t e db yv a r i o u sp a r a m e t e r si n c l u d i n g i n f l u e n t s a l i n i t y , p hv a l u e ，s l u d g es p e c i e s ，o r g a n i cl o a d i n g ，a n dt e m p e r a t u r e ， a l k a l i n i t ya n do r p o ft h er e a c t o r t h ec o dr e m o v a lr a t i or e a c h e d4 5 o n eo f t h ek e y sf o rt h eh i g he f f i c i e n c yo p e r a t i o nw a st oc u l t u r eg r a n u l a rs l u d g ew i t h g r a d u a l l yi n c r e a s i n gt h eo r g a n i cl o a d i n gw h i c hs h o u l d n o tb eh i g h e rt h a n 15 o k g c o d ( m 3 d ) ；t h eo t h e rw a st od o m e s t i c a t ea n dc u l t i v a t eh a l o p h i l e sw i t h g r a d u a l l yi n c r e a s i n gt h ei n f l u e n ts a l i n i t yw h i c hs h o u l dn o tb eh i g h e rt h a n4 6 0 g l t h es t u d ya l s os h o w e dt h a tt h eh i g h e s ts a l i n i t yt o l e r a b l yi nt h ec o n t a c t o x i d a t i o nr e a c t o rw a s19 o g l u n d e rt h i ss a l i n i t y , t h er e a c t o rc o u l db eo p e r a t e d s u c c e s s f u l l yw i t hd oc o n c e n t r a t i o ni n t h er a n g eo f4 o m g l - 5 o m g l ，c o d r e m o v a lr a t i o6 0 f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n t sa n dc o n t e n t si nt h ei n f l u e n ta n de f f l u e n t o f e a c hs e c t i o na n a l y z e db yg c m s ，t h ec h a n g e so fo r g a n i cs u b s t a n c e sw i t h i nt h e p r o c e s s e sw e r ep r i m a r i l yd i s c u s s e d k e y w o r d s ：h y p e r s a l i n ew 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 ，u a s b ，h a l o p h i l e v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 17 学位论文作者签名欣专彬 名年月心日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：气纵 学位论文作者签名：镢量岳 年月 e t 名年月i s 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：磁专墨 d 6 年 只 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 腌制蔬菜是我国古老的传统食品之一，其加工简易、成本低廉、容易保 存，并具有独特的色、香、味，广受大众欢迎，产量至今仍在稳步上升。据 报道，蔬菜加工品中5 5 是腌制品，不论国内还是国外，蔬菜加工产品都有 着巨大的市场潜力，比如，日本市场每年消费腌制蔬菜大约4 0 亿美元，几乎 全部依赖进口。 榨菜是腌制蔬菜的一种，生产区域主要分布在长江流域的重庆、浙江、 四川、湖南、湖北、安徽、江苏、江西以及贵州、山东、福建等省市，尤以 重庆、浙江两地的种植和加工规模较大。目前，我国具有一定规模的榨菜加 工企业约2 0 0 多家。2 0 0 3 年全国榨菜原料( 青菜头) 种植面积达6 6 7 万h m 2 ， 产量达1 5 0 万吨，其中鲜销2 2 万吨，加工用1 2 8 万吨，生产榨菜约7 0 万吨， 销售成品榨菜4 5 万吨，出口近4 万吨，创汇约4 0 0 0 万美元【。 在榨菜腌制过程中，会产生大量含高盐、高有机物的废水，直接排放会 导致河道、地下水污染，严重污染周边环境；若用于灌溉，会导致蔬菜极易 长虫，农田减产、绝收，是多年来的技术难题。为了保护环境，必须对此类 废水的处理技术、相关的环保设备及工程开展进行较全面的分析和研究。榨 菜属于地区性产品，在国内四川涪陵、浙江宁波等地，都有大面积的种植基 地和大规模的加工生产市场，由此每年产生的废水水量达几千万吨，但是国 内外鲜有此类废水处理的相关技术报导。在慈溪、余姚两地，据不完全统计， 生产榨菜的企业有2 0 0 多家，多年来长期直接排放造成河道的污染，严重影 响周边居民的正常生活，慈溪市政府很重视这个问题，将此课题作为宁波市 科委的立项项目。本课题废水取自慈溪某榨菜加工企业。 表1 1 蔬菜腌制行业废水排放标准 第一章引言 目前蔬菜腌制行业还没有国家排放标准，根据榨菜废水的理化性质，将 其划归为高盐度食品废水一类，排放标准【2 1 如表1 1 所示。 1 2 文献综述 1 2 1 高盐度废水生物处理的研究现状和发展动态 1 2 1 1 盐度对废水生物处理的影响 高盐度废水是指含有有机物和n a c i 含量至少1 0 9 l 的废水【3 1 。在这些废 水中除了有机污染物外，还含有大量的n a + 、c a 2 + 、c 1 和s 0 4 2 等无机离子。 目前对这类废水一般采用电解法、膜分离法、焚烧法或深井灌注法处置。但 电解法和焚烧法运行费用高、膜分离法存在废水中s s 和有机物对膜的阻塞 问题、深井灌注法产生二次污染等，故难以在实际中推广【4 1 。生物处理技术 因其经济、高效，而被广泛地应用于污水处理上，但是无机盐的存在对常规 生物处理有明显的抑制作用p - 7 1 ，属于极难处理的废水。 1 9 3 7 年，z o b e l l 8 l 首次研究无机盐对有机废水处理的影响，他用从生活 污泥、土壤和海水接种来的微生物处理含盐废水，结果发现，在盐度为2 8 0 9 l 介质中三种不同来源的微生物存活率分别为o 、小于1 和小于2 ，表明 常规生化法不能有效处理高盐度有机废水。近来，国内外学者经过长期的研 究，发现无机盐对常规生化法主要有以下三个方面的影响： ( a )对出水水质的影响 处理系统对离子的浓度变化很敏感，当系统突然受高盐度废水的冲击时， 系统的有机物去除率降低、微生物呼吸速率降低、s v i 增大、出水b o d 5 、s s 升高【9 1 。 ( b )对生物活性的影响 盐度的增加将破坏生物的代谢功能和降低生物的降解能力。在盐度为 3 5 9 l 的系统中，每毫克污泥降解总有机碳能力从0 3 m g h 降低到 0 12 m g h t l 0 - 1 2 , 5 8 。 ( c )对生物种类的影响 盐度的增加，使处理系统中的原生动物和丝状微生物减少 1 3 , 1 4 ，出水的 悬浮物浓度一般高- 于1 0 0 m g l 。石建敏【l l 】等人利用接触氧化系统对微生物进行 2 第一章引言 驯化，水体会变成淡红色，说明生化池中的微生物不断更新演变，最后嗜盐 细菌占了多数。 为了使各种适盐微生物能在含盐废水处理中广泛应用，国内外学者对此 进行了大量的研究，h a m d a 和a 1 a t l a 一”j 利用完全混合式反应器研究了盐度为 1 0 9 l 和3 0 9 l l 拘废水对活性污泥工艺处理效率的影响。k a 玛i 和u y g u r 【1 6 1 发现 盐杆菌( h a l o b a c t e r ) 牢l 充到活性污泥系统后对于c o d 具有很好的处理效果，当 废水的盐度为5 0 e e l ，c o d 的去除率仍然可达8 0 左右。d i n c e r 和k a r g i t l 7 1 利用 生物转盘系统处理不同盐度( o - - 一 o o g l ) 的废水，探讨了盐度与c o d 去除率 之间的关系。研究发现，当无机盐浓度小于3 0 9 l 时，c o d 的去除率可达9 0 以上；而继续升高无机盐浓度，系统的c o d 去除率降低，当无机盐的浓度为 5 0 9 l 和l o o g l 时，c o d 去除率分别降低到8 5 和6 0 。 最近，生物处理技术与其他方法组合的工艺在含盐有机废水治理方面， 成为目前一个研究亮点，一般认为有如下几种处理工艺： ( 1 )a _ b 两段接触氧化法 两段接触氧化工艺有较强的抗毒性和耐冲击负荷能力，具有体积小、维 持较高的泥龄、生物量相对稳定、水力停留时间大为缩短等特点。安丽【18 】用 两段生物接触氧化法对处理含盐有机废水进行了研究，分别采用一段法和二 段法平行试验，停留时间3 5 8 h ，含盐量为5 - 3 5 9 l ，有机负荷为4 1 4 k g ( m 3 d ) ( 以b o d 5 计) 。结果表明，盐度和有机负荷对系统有明显的抑制作用，要保 持较好的出水水质，必须控制盐度和有机负荷，二段法的去除率明显好于一 段法。 ( 2 ) 传统活性污泥法 盐度对活性污泥法的影响大于对生物膜法的影响，所以，通过活性污泥 的驯化过程培养出具有良好有机物降解性能的耐盐微生物是处理高盐度有机 废水的重要前提。杨例1 9 l 对处理高盐度废水的活性污泥驯化进行了探讨，结 果表明，驯化污泥的有机物去除率与未驯化相比有显著提高，具有良好的有 机物吸附和氧化能力，c o d 去除率可稳定在9 0 以上，未驯化的污泥则出现 明显的中毒现象。驯化污泥经4 6 周的培养后逐渐成熟，外观颜色由深褐色 转变为浅棕黄色，s v i 值在0 5 5 0 8 0 之间，污泥絮凝颗粒细小紧密，无机成 分多，m l v s s m l s s 值在0 5 5 - 0 6 之间。 ( 3 )s b r 3 第一章引言 间歇反应器有较强的抗冲击负荷能力，与连续流反应器相比有更好的处 理效果。杨健【2 0 1 采用s b r 活性污泥法处理高含盐量石油发酵工业废水，废水 的t d s 为5 0 0 0 0 - - 6 5 0 0 0 m g l ，c o d 为3 0 0 0 一6 0 0 0 0 m g l ，研究发现，高盐度 对驯化后的耐盐活性污泥并无明显抑制作用，负荷1 o k g c o d ( k g v s s d ) 时， c o d 去除率稳定在9 0 以上，b o d 5 去除率稳定在9 5 以上。驯化的污泥以菌 胶团和少量的原生动物( 裂口虫和漫游虫) 为主，菌落形态相对较少。 c r w o o l a r d 1 4 】从大盐湖分离出嗜盐菌，分别在序批式反应器和序批式 生物膜反应器中培养，实验结果表明，嗜盐菌并不需要很复杂的营养物质， 要维持酚的降解，只需要1 5 0 9 l 的盐、氨、磷和铁。盐度为l o - - 一1 5 0 9 l 的合 成酚废水经过1 2 h ( 反应时间7 h ) 处理后，酚的去除率为9 9 左右，出流悬浮 物较高，s v i 在l o o m g l 以上，s s 为5 0 m l 左右。 ( 4 )生物滤池 生物膜法反应器比活性污泥法有更强的盐耐受力。l y a n g 和c t l a i 1 0 , 2 2 】用生物滤池和滴滤塔处理高盐度石油废水。原水t o c 浓度逐渐增加到 1 0 0 0 m g l ，盐度逐步增加为4 9 l 、3 6 e e l 、4 0 s l ，水力停留时间为1 8 h ，负荷 为1 5 k g t o c ( m 3 d ) ，t o c 去除率达到9 5 。 ( 5 )厌氧反应器 厌氧条件下，甲烷菌活性会受到盐度的抑制，特别是当向厌氧反应器投 3 【i n a o h 和n a 2 c 0 3 调节p h 值时，钠离子的影响就不容忽视。海产品加工的废 水中含高浓度的离子主要是n a + 、c l 和s 0 4 2 。g u m e r s i n d of e r j o o t 冽利用u a s b 研究挥发性脂肪酸的甲烷化反应，当钠离子质量浓度从3 9 l 增加到1 6 9 几，硝 化作用减少5 0 ，厌氧污泥显示了较高的耐盐性。经过4 0 d 的硝化反应，当钠 离子质量浓度为2 1 5 9 l 时，甲烷菌活性增加了4 5 。当阴阳离子同时存在时， 产生拮抗作用，从而影响了钠离子的毒性。另外，温度也是重要影响因素， 高温细菌产生污泥聚集，而中温细菌没有污泥聚集或絮凝现象。 s h i m s h o nb e l k i n l 6 】等人用n o i 艺处理含盐量为3 2 9 l 的高盐度化工废 水，厌氧阶段的处理效率占整个系统的6 0 ，对于稳定有机物密度和种类以 及抗冲击负荷有非常重要的作用，还能为后续好氧段减少有机负荷和提高降 解率。 r a m o nm e n d e z 2 6 】利用中温和高温厌氧滤池( m a f 和t a f ) 处理高浓度含 盐工业废水，该废水c o d 浓度为1 0 0 0 0 , , 5 0 0 0 0 m g l ，含8 - - 。9 9 l 的c l 和5 4 第一章引言 1 2 9 l 的n a + 。经过9 个月的启动期后，即使在负荷率高达9 k ( m 3 - d ) ( t a f ) 和 2 4 k g c o d ( m 3 d ) ( m a f ) ，氯离子质量浓度达到1 3 9 l 的情况下，实验仍然运行 平稳，c o d 去除率高达7 3 ( t a f ) 和6 4 ( m a f ) ；c o d 甲烷化达至i j 6 9 ( t a f ) 和6 6 ( m a f ) 。硫酸根离子完全去除，h 2 s 浓度在生物气中占3 4 。 p b a l s l e v - o l e s e n l 2 7 1 对厌氧滤池( a f ) 和厌氧流化床( a f b ) 进行研究。对盐 度2 0 - - 4 0 9 l 的废水，负荷从2 6 k g c o d ( m 3 d ) 增加到1 2 5 k g c o d ( m 3 d ) ( a f ) 和 1 5 k g c o d ( m 3 d ) ( a f b ) ，实验未出现抑制现象，气体产量和污泥量均没有太大 的变化。 ( 6 )a 2 o 工艺 a 2 o - v 艺有脱氮除磷功能，是近年来研究和应用的热点，而越来越多的 高盐度生活废水和工业废水必然会对处理系统产生影响。t h o n g c h a i p a n s w a d t 2 8 】对接种和末接种驯化污泥用a 2 o ( 水力停留时间2 + 2 + 1 2 h ) 处理， 其c o d 、氮、磷质量浓度分别为5 0 0 m g l 、2 5 m g l 、1 5 m g c l 。当盐度从0 升 高n 3 0 9 l 时发现，采用未经驯化的污泥时c o d 去除率从9 7 ( 盐度0 9 l ) 下 降到6 0 ( 盐度3 0 9 l ) ，驯化后污泥的c o d 去除率从9 0 ( 盐度5 9 l ) 下降 到7 l ( 盐度3 0 9 l ) 。系统受到剂量高达7 0 9 l 的盐度冲击时，总氮去除率 减少至1 j 4 0 , - - - , 6 0 。反硝化表现出与硝化相同的趋势，反硝化菌比硝化菌有 更好的盐度耐受力。磷去除率从4 8 ( 盐度1 4 0 9 l ) 降到1 0 ( 盐度3 0 9 l ) ， 这说明聚磷菌比碳化和硝化菌对盐度更敏感，低盐度冲击后磷去除率比冲击 前还好，由4 8 提高到5 8 。冲击后恢复时间，驯化的为4 - 7 d ，末驯化的为 5 1 9 d 。 1 2 1 2 基础性研究 1 盐度对微生物对抑制原理 高盐度废水的主要毒物是高浓度的无机盐类物质，这些物质对废水生物 处理的影响与无机盐物质的类型和浓度有关，一般随着浓度升高可分为刺激 作用、抑制作用和毒害作用三大类，如图1 1 所示： 5 第一章引言 姆 瑙 趟 蟋 s 删 刺激作用l 抑制作用i 毒害作用 一雠 无机盐浓度 图1 1 生物反应速率同无机盐浓度的关系 如图1 2 所示，高浓度的无机盐对废水生物处理的毒害作用主要是通过 升高的环境渗透压而破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，从而破坏微生物的 生理活动【2 0 】： ( 1 ) 在5 8 s o l 盐度的溶液中，微生物在等渗透压下生长良好，微生物 形态和大小不发生变化； ( 2 ) 在低渗透压( 盐度 2 0 9 l ) 下，微生物体内的水分子大量渗到体外 溶液中，使细胞发生质壁分离。 戛蠹毫蓦善蓦妻蓦； 善i 泵；：序一雾誊 ；i 川善 善：v t 善釜； 1 、等渗溶液 2 、低渗溶液3 、高渗溶液 图1 2 细菌在不同渗透压溶液中的反应 6 第一章引言 2 嗜盐菌的分类 根据细菌最佳生长所需盐度的不同，如表1 2 所示，可以将细菌分为非 嗜盐菌、嗜盐菌和耐盐菌【2 9 l 。 非嗜盐菌就是指一般形态的常规细菌，普遍存在于普通生物法的活性污 泥以及淡水和陆地生态系统中【10 1 。 表1 2 按不同盐度划分的微生物种类 嗜盐细菌是指只有在含盐环境下才能生长的微生物，在种属上可分为嗜 盐杆菌属、嗜盐球菌属、嗜盐碱杆菌属、小盒球菌属等1 1 2 1 。按最适宜生长所 需的盐量，分为弱嗜盐菌、中度嗜盐菌和极端嗜盐菌【4 1 。弱嗜盐菌是指适于 生长在盐度为2 - 5 9 l 的介质中的微生物，中度嗜盐菌指在含盐浓度为5 2 5 e e l 的环境中能良好生长的微生物，主要是真细菌群落【3 0 1 。极端嗜盐菌是指 在含盐浓度为2 5 5 2 9 l 的介质中也能良好生长的微生物，甚至在饱和浓度中 也能生长【3 l j 。 耐盐细菌是指能够耐受一定盐度，在含盐环境下生长，但是不依赖盐度 的微生物。 3 嗜盐菌的结构 嗜盐菌的细胞内除了含有k + 、n a + 外，还含有氨基酸、三甲铵乙内酯、 丙三醇等有机化合物以调节渗透压。n a + 在调节渗透压过程中并非必要，但嗜 盐菌的营养吸收、细胞质内p h 值的调节、电位的平衡都需要n a + 的存在【3 2 】。 嗜盐菌的酶在高盐度环境下能发挥作用是因为它们的蛋白质组织具有独特的 适应性，大多数嗜盐菌微生物的蛋白质中含有过量的酸性氨基酸和非极性的 残余物，过量的酸性物质需要阳离子屏蔽其附近的负电荷，否则蛋白质会遭 到破坏。总之，嗜盐菌中的大多数酶的活性和稳定性、核蛋白的稳定性和功 7 第一章引言 能的发挥以及细胞的生长都需要一定浓度的n a c i 和k c i 来维持1 3 3 1 。嗜盐菌这 种生长需要高盐度的生理特征是在漫长的进化过程中，通过自然选择，是细 胞结构与功能高度适应高盐环境的结果1 3 4 。 此外，大多数嗜盐菌能合成糖( 主要是蔗糖、海藻糖、甘油葡萄糖) 、 氨基酸等，它们成为嗜盐菌的渗透压调节剂，有利于稳定和保护菌体内酶的 活性，当受到高盐废水冲击时，会调节自身新陈代谢，改变遗传基因，使其 能在高盐浓度下正常生长【3 5 】。 1 2 2 生物处理技术 1 2 3 1 厌氧生物处理的现状 废水厌氧生物处理是一种低成本的废水处理技术，利用厌氧微生物的代 谢过程，在无需提供氧气的情况下把有机物转化为无机物和少量的细胞物质， 这些无机物主要包括大量沼气( 称生物气) 和水，它是把废水的处理与能源 的回收利用相结合的一种技术，具有工艺耗能低、污泥生成量少的突出特点， 受到人们的广泛重视。对于低浓度有机废水，厌氧生物处理是一种高效省能 的处理工艺；对于高浓度有机废水，不仅是一种省能的治理手段，而且是一 种产能方式，同时还有促进生态良性循环的功能。 废水出水生物、物理或化学出7 废水厌氧处理 后处理 排放 图1 3 废水厌氧处理技术的环境保护、能源生产和综合利用的系统示意图 废水厌氧生物处理技术可以作为能源生产和环境保护产业的一个核心组 成部分。例如，处理后的清水可用于环境用水、景观用水、农田灌溉与养鱼 用水等；产生的沼气可作为能源；剩余污泥可作为农业肥料或用于土壤改良。 它的综合效益表现在环境、能源和生态三个方面，如图1 3 所示。 8 第一章引言 1 2 3 2 厌氧生物学原理 废水的厌氧生物处理技术是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物( 包括 兼氧微生物) 的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化 碳等物质的过程，也称厌氧消化【3 6 】。有些厌氧微生物是将有机物转化成甲烷 和二氧化碳；有些( 包括兼性厌氧微生物) 是将复杂的有机物转化成简单的 有机酸等物质。厌氧过程与好氧过程的根本区别在于受氢体的不同，好氧过 程以氧分子为受氢体，而厌氧过程则是以化合态的氧、碳、硫、氢等为受氢 体。 有机物厌氧生物降解的基本过程是在多种微生物共同作用下完成的，在 此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系 统。复杂有机物的厌氧降解过程可以分为如图1 4 所示的4 个典型阶段【3 7 1 ： l 、发酵细菌2 、产氢产乙酸菌3 、同型产酸菌； 4 、利用h 2 和c 0 2 的产甲烷菌5 、分解乙酸的产甲烷菌 图1 4 有机物厌氧分解过程 ( 1 ) 水解阶段 水解是复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的 9 第一章引言 过程。高分子有机物因相对分子质量较大，不能透过细胞膜，因此不能被细 菌直接利用。它们首先在细菌胞外酶的作用下转变成小分子物质，这些小分 子的水解产物可以顺利的透过细胞膜，从而被细菌所利用。 水解过程通常都比较缓慢，因此是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降 解的限速步骤。影响水解过程的因素有很多种，例如水解的温度、废水( 有 机质) 在反应器中的停留时间、p h 值、有机质的组成、水解产物的浓度、氨 的浓度等。 ( 2 ) 发酵阶段 发酵阶段是指有机物既作为电子受体也作为电子供给体的生物降解过 程，也有人将此阶段称为酸化阶段【3 蚋。在此过程中，水解阶段所产生的小分 子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的、以挥发性脂肪酸( ) 为主的有机物，并分泌到细胞外，同时进行自身的合成。发酵过程的末端产 物取决于厌氧降解的条件、底物的种类和参与发酵的微生物种群，这一阶段 的产物主要以挥发性脂肪酸为主。 ( 3 ) 产乙酸阶段 产乙酸阶段是指废水在进入甲烷化阶段之前所进行的乙酸化【彻。在这一 过程中，发酵阶段的末端产物( 、，】 a 、醇类、乳酸等) 进一步被产乙酸菌利 用，生成乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。 王凯军、贾立敏p 9 1 认为，在产乙酸阶段，废水中大约7 0 的c o d 被转 化成乙酸，而其余的电子供体能力是由氢气提供的。 ( 4 ) 产甲烷阶段 产甲烷阶段一般是厌氧总过程中的限速阶段。在这一过程中，产生甲烷 的途径有两种，一种是从乙酸形成甲烷的过程，主要是通过利用乙酸的产甲 烷细菌来实现的，这类细菌主要包括索氏甲烷丝菌( m e t h a n o t h r i xs o e h g e n i i ) 和巴氏甲烷八叠球菌( m e t h a n o s a r c i n ab a r k e r i ) ；另一种是氢细菌在二氧化碳 存在时利用氢气产生甲烷。两者的生长速率差别较大，在一般的厌氧反应器 中，约7 0 的甲烷由乙酸分解产生，3 0 由氢气还原二氧化碳产生。 利用乙酸：c h 3 c o o h 主! 竺譬 c h 4 + c 0 2 利用h 2 和c 0 2 ：4 h 2 + c 0 2 兰! 竺蔓c h 4 + 2 h 2 0 上述4 个阶段是瞬时连续完成的，并且在这些过程中还包含许多其他的 1 0 第一章引言 生物反应过程，比如在水解阶段包含蛋白质水解、碳水化合物水解和脂类水 解等；在发酵阶段包含氨基酸和糖类的厌氧消化、较高级的脂肪酸的厌氧消 化等。 在厌氧消化发生的不同过程中必须强调两个重点【3 9 1 ： ( 1 ) 图1 4 中，仅有3 0 有机物通过氢细菌途径被转化为甲烷，因此在 厌氧处理系统中充分去除有机物的必要条件是保持数量充足的乙酸甲烷菌。 ( 2 ) 如果由于某种原因造成酸的净增加，p h 值将趋于降低，这会造成 甲烷菌的活性降低，从而产生不稳定性。在实践中这一现象被称为厌氧反应 器的“酸化 ，经常会引起厌氧反应处理系统操作的失败。通过维持酸发酵和 甲烷发酵的适当平衡，可以避免酸化的危险。 已有的经验和研究表明，p h 值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环 境因素。一般来讲，p h 值应在6 8 7 2 之间。最适温度有两个范围，一个是 3 5 - 3 8 c ，被称为中温厌氧；另一个在5 2 - 5 5 之间，为高温厌氧，后者需 要的热量比前者高很多。 1 2 3 3 厌氧反应器的分类 表1 3 厌氧反应器的分类 第一代厌氧处理工艺 普通厌氧消化器( 池) 厌氧接触工艺 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器 厌氧滤池( 器) 第二代厌氧处理工艺 厌氧流化床反应器 厌氧生物转盘 厌氧混合反应器 厌氧折流反应器 厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 反应器 第三代厌氧处理工艺厌氧复合床反应器( a f + i7 a s b ) 水解和厌氧膨胀颗粒污泥床( 水解+ e g s b ) 工艺 由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，随着对厌氧发酵过程认识的不 断提高，人们意识到反应器内保持大量的微生物和尽可能长的污泥龄是提高 反应效率和反应器成败的关键。因此高速率厌氧处理系统必须满足的两个原 l l 第一章引言 则：一是能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄；二是保持废水和 污泥之间的充分接触。 对于第一条原则，可以采用( 生物膜) 固定化或培养沉淀性能良好的厌 氧( 颗粒) 污泥的方式来保持厌氧污泥。从而在采用高的有机和水力负荷时 不发生严重的厌氧活性污泥流失。在2 0 世纪7 0 年代末期人们成功开发了各 种新型的厌氧工艺。例如，厌氧滤池( a f ) 、上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 、 厌氧接触膜膨胀床反应器( a a f e b ) 和厌氧流化床( a f b ) 等。这些反应器 的一个共同的特点是可以将固体停留时间与水力停留时间相分离，固体停留 时间可以长达上百天。这使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天 或几十天可以缩短到几小时或几天。这一系列厌氧反应器被称为第二代厌氧 反应器。 高效厌氧处理系统需要满足的第二个原则是获得进水和保持污泥之间的 良好接触。为了在厌氧反应器内满足这一条件，应该确保反应器布水的均匀 性，这样才可最大程度地避免短流。这一问题无疑涉及到布水系统的设计， 从另一个方面讲，厌氧反应器的混合来源于进水的混合和产气的扰动。但是 对于进水在无法采用高的水力和有机负荷的情况下( 例如在低温条件下采用 低负荷工艺时，由于在污泥床的混合强度太低，以致无法抵消短流效应) ， u a s b 反应器的应用负荷和产气率受到限制；为获得高的搅拌强度，必须采 用长径比高的反应器或采用出水回流，获得高的上升流速。对于这一问题的 研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应用。 1 2 3 4 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 结构及其工作原理 1 上流式厌氧污泥床的主体结构： u a s b 反应器工作原理如图1 5 所示，反应器主要由下列几部分构成： 进水配水系统：主要是将废水尽可能均匀地分配进入整个反应器，并具 有一定的水力搅拌功能，它是反应器高效运行的关键之一； 反应区：包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌分 解，是整个反应器的主要部分； 三相分离器：由沉淀区、回流缝和气室组成，其功能是把沼气、污泥和 液体的气、固、液三相分开。污泥在沉淀区沉淀后由回流缝回流到反应区， 产生的沼气进入气室。三相分离器的分离效果将直接影响反应器的处理效果； 出水系统：作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地加以收集并排出反应 1 2 第一章引言 器； 气室：也称集气室，其作用是收集反应产生的沼气，并维持反应器内一 定的压力； 浮渣清除系统：其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣； 排泥系统：其功能是均匀地排除反应区可能多余的污泥。 沼气 沉 淀 区 反 应 区 3亘 j l jl 、 。- 一昏 三相分离 j。-_-1。 悬 、 。、- 。+ 浮 。， -一，、 区f ； 。 。、 ! i j t l j ! ；：! i ：+ ：j 三；羔 j 三| 污 珍父： ，：- ，( f ? 进水管 泥 床 1f f ； 图1 5u a s b 反应器结构示意图 2 上流式厌氧污泥床的原理和特点 u a s b 在运行过程中，废水一般以o 5 1 5 m h 的上升流速自反应器的底 部经布水系统依次流经污泥床、悬浮污泥床至三相分离器和沉淀区。u a s b 的水力流型呈推流式，进入反应器的废水与污泥床及悬浮污泥床中的微生物 充分混合接触并进行厌氧分解。厌氧分解过程中产生的沼气在上升过程中将 污泥颗粒托起；由于大量气泡的产生，即使在较低的有机及水力负荷条件下， 污泥床也发生明显的搅拌作用( 微小的沼气气泡在上升过程中相互结合而逐 渐变成较大的气泡，将颗粒污泥向反应器的上部顶托。最后由于气泡的破裂， 绝大部分颗粒污泥又返回到污泥床区) 。随着反应的进行气泡产生变得日益剧 烈，从而降低了污泥中夹带气泡的阻力，气体便从污泥中突发性的逸出，引 起污泥床表面呈沸腾或流化状态。反应器中沉淀性能较差的絮体状污泥则在 气体的搅拌作用下，在反应器上部形成污泥悬浮层。沉淀性能较好的颗粒状 污泥则处于反应器的下部形成高浓度的污泥床。随着水流的上升流动，沼气、 1 3 第一章引言 废水、污泥三相混合液上升至三相分离器中，气体遇到反射板或挡板后折向 集气室而被有效的分离排出；污泥和水进入上部的沉淀区，在重力的作用下 泥水发生分离。 由于三相分离器的作用，使得反应器混合液中的污泥有一个良好的沉淀、 分离和再絮凝的环境，有利于提高污泥的沉降性能。在一定的水力负荷条件 下，绝大部分污泥能保持很高的污泥龄，使得反应器中有足够的污泥量。 3 颗粒污泥的意义和培养 ( 1 ) 污泥颗粒化的意义 在u a s b 反应器形成厌氧颗粒污泥( 简称颗粒污泥) ，对反应器的启动 和运行至关重要。颗粒污泥是微生物凝聚的结果，是一种特殊的生物膜，许 多微生物【柏1 ，如细菌、酵母、霉菌和其它真菌等都能够发生凝聚作用，微生 物的凝聚是种普遍存在的自然现象，对废水的生物处理是非常有用的。分 散的单个菌体在溶液中不稳定，由于它们体积微小【2 1 、比重与水接近并带 有负电荷l 删等特性而很难沉降，因而容易被冲洗出水处理设备。凝聚使单个 菌体吸附在一起，形成污泥，能提高污泥的沉降性能，有利于其在设备中的 保留。污泥的颗粒化不仅可大大增加污泥的沉降性能，保证反应器中有效菌 体保留，而且可改善污泥的生理条件，从而有利于菌体生长和它们之间的相 互作用。 颗粒污泥因所处理废水的组成、操作条件和分析方法等的不同而有所不 刚4 5 , 4 6 】。颗粒污泥的形成实际上是微生物固定化的一种形式，但与其它类型 不同，其形成与存在不依赖于任何惰性生物载体。m p h e n a a r 4 7 】将颗粒污泥定 义为具有自我平衡能力的微生态系统的、其特性特别适宜于上流式废水处理 系统的微生物聚集体。颗粒污泥的半径一般为o 5 - - 一5 m m ，通常用已酸化底物 培育的颗粒污泥比用未酸化底物( 如葡萄糖) 小【4 8 1 。颗粒污泥有球形、杆形、 椭球形，以球形为主 4 1 , 4 2 】，颜色为黑色或灰色，还有研究者观察到了白色的 颗粒污泥【5 2 1 。颗粒污泥有两个重要特性【5 2 1 ：良好的沉降性能和高比产甲烷活 性。在u a s b 反应器中，颗粒污泥的沉降速度为1 8 , - - 1 0 0 m h ，一般为1 8 5 0 m h 。 颗粒污泥主要由厌氧菌组成，如共生单胞菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷 丝状菌属等，但同时还存在一些好氧菌和兼性厌氧菌。甲烷菌在生物分类学 上属于古细菌，是绝对厌氧副4 5 , 4 6 , 4 8 , 5 1 】。 1 4 第一章引言 ( 2 ) 颗粒污泥的培养 u a s b 反应器是目前各种厌氧处理工艺中所能达到的处理负荷最高的高 浓度有机废水处理装置之一，其关键在于反应器内形成了以甲烷菌为主体的 颗粒污泥。在反应器启动过程中，如果有足够的颗粒污泥作为种泥，将为反 应器的启动运行提供很多方便，但实际情况是大多u a s b 反应器在启动初期 都采用城市污水污泥作为种泥，以此作为颗粒污泥培养的前提条件。 当反应器的初期启动结束以后，污泥己适应废水水质并具有一定的去除 有机物的能力，此时应及时提高负荷，把污泥负荷提高至 0 2 5 k g c o d ( k g v s s d ) 以上或者进水容积负荷率提高至2 0 k g c o d ( m a d ) 以 上，使微生物获得足够的养料。此时在反应器底部可发现细小的颗粒污泥， 开始粒径为o 1 - 0 2 m m 。由于本阶段污泥以絮状污泥为主，随着有机负荷率 的提高，沼气产量增大，会出现絮状污泥流失现象。然而，新生成的颗粒污 泥由于其相对密度较大，可保留在反应器底部。反应器的污泥浓度会有所减 少，但由于颗粒污泥中微生物活性较高，反应器的处理效能不仅不会降低， 反而会有所提高。絮状污泥的流失和淘汰，使反应器底部的颗粒污泥能够获 得足够的养料，有利于颗粒污泥的增长。此时反应器的污泥负荷率已达到 0 3 k g c o d ( k g v s s d ) 以上，而容积负荷率也达到3 5 k g c o d ( m 3 d ) 左右。为 了加速污泥的增殖，随后应尽快把负荷提高至o 4 o 5 k g c o d ( k g v s s d ) 左 右，促使微生物快速生长。反应器内的污泥总量将重新回升。反应器的容积 负荷率以每次1 ，2 k g c o d ( m 3 - d ) 的梯度逐步提高，经过2 - - 3 个月后，反应 器内的平均污泥浓度将从5 1 0 9 v s s l 上升到3 0 - - 一4 0 9 v s s l 。颗粒污泥一 旦培养成功，反应器从此可以投入经常性的运行管理。 1 2 3 4 接触氧化反应器的结构及其工作原理 1 好氧生物学原理 好氧生物处理是在有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，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， 使废水得到稳定、无害化的处理方法。这些高能位的有机物质经过一系列的 生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化 的要求。 1 5 第一章引言 有机物+ 氧+ 微生物 ( c 、o 、h 、n 、s 、p ) 合成 分解 原生质( 微生物的增长) c o ：、h 2 0 、n i - 1 3 、 s o ? 、p o 。3 _ + 能热 l 一一一一一一一一一随水扫；出 图1 6 废水好氧生物处理的降解过程 废水好氧生物处理的最终过程可用图1 6 表示，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，并提供其生理活动所需的能量； 另外的三分之二被转化、合成为新的原生质( 细胞质) ，即进行微生物自身生 长繁殖。后者就是废水生物处理中的活性污泥或生物膜的增长部分，通常称 为其剩余活性污泥或生物膜，又称为生物污泥。在废水生物处理过程中，生 物污泥经固一液分离后，需进行进一步处理和处置。 2 接触氧化反应器 接触氧化反应器又称淹没式生物滤池，是在生物滤池基础上，通过接触 曝气方式演变成的一种污水生物处理技术，其结构如图1 7 所示。典型的工 艺由氧化池( 氧化床或生物反应器) 、填料( 载体) 、布水装置和曝气系统四 部分组成，运行时填料全部浸没在污水中，利用机械装置向水体充氧，生物 膜绝大部分附着在固体填料上，少量悬浮于水中。由于吸附作用，生物膜表 面附着一层滞流薄水层，空气中的氧通过滞流层进入生物膜。在有氧条件下， 污水层内的有机物不断被膜中微生物吸附、氧化分解。滞流水层内有机物浓 度极大地低于流动层，在传质推动力作用下，流动层内有机物不断向附着层 转移，使流动水层在整体流动中逐步得到净化，达到污水处理目的【 1 。 1 6 第一章引言 图1 7 接触氧化反应器结构图 接触氧化法与传统的活性污泥法、生物滤池法相比，在处理效率、运行 稳定性、工程投资和运行费用等方面都具有明显的优点【5 4 1 ，如： ( 1 ) 处理效率高，对水中有机负荷变动适应性强、范围宽； ( 2 ) 反应器中微生物浓度高，结构紧凑，生物膜适应性强，比较容易除