（环境工程专业论文）ic反应器处理猪场废水试验研究.pdf

摘要 本研究的目的是探讨内循环厌氧反应器( i c 反应器) 处理猪场污水的可行性、运行效果及运 行参数，主要研究内粹有i c 常温下运行效果、3 5 cfi c 恒温运行效果羽i 内循环特征研究，及在 常灞下j c 与上流式厌氧污泥康反应器( u a s b 反应器) 进行对比。l c 反应器是在查阅大量文献 基础上，根据i c 原理自行设计，i c 有效容积为1 0 0 l 。研究结果表明： 1 ) 温度对t c 反应器的启动和运行有重要影响。在常温启动运行条件下，当反应器运行温度 在2 5 3 5 变化时，经过8 5 天运行，1 c 反应器仍不能产生内循环；但同样进水浓度f ，当i c 反应器在3 5 恒温状态运行时，2 3 天后即开始产生内循环；停止恒温，运行温度降至01 55 c 左右， i c 反应器当天即停止内循环。 2 ) 辅加气试验和理论计算分析表明，当h r t 为2 天，i c 处理化学需氧量( c o d ) 低于3 0 0 0 m g l 的猪场废水时，由于产气量不足而不能产生内循环。不能发挥l c 反应器处理高浓度废水的特点。 3 ) 常温启动运行过程中，尽管l c 反应器不能产生内循环，但当进水c o d 浓度高于5 0 0 0 m g l 时，i c 反应器对c o d 去除率仍略高于u a s b 。在容积负荷率( v l r ) 为4 0 k g c o d ( m 3 d ) 时， 进水c o d 为4 7 8 5 2 7 1 3 m g l ，i c 与u a s b 出水c o d 分别为1 6 3 5 9 7 1 m g l 和1 9 0 4 8 6 8 8 m 舻。 c o d 去除率分别为5 5 4 2 6 8 和4 5 8 2 2 6 。 4 ) 3 5 恒温f ，在一定负荷范围内增大v l r 有利于i c 内循环，当v l r 为5 ，7 3k g c o d ( m 3 d ) 时，循环剧烈。当v l r 为45 k g c o d ( m 3 d ) ，进水c o d 为1 8 0 8 6 m 9 8 。时，出水c o d 为4 9 7 6 m g l l ， c o d 去除率为7 2 4 6 。 5 ) 在常温或恒温条件下，j c 反应器均不能有效去除氨氮( n h 4 + - 1 4 ) 、总凯氏氮( t k n ) 和总 磷( t p ) 。 关键词：猪场废水，i c 反应器，厌氧处理 a b s tr a c t i no r d e rt oa s s e s st h ef e s i b i l i t yo f1 cr e a c t o rt r e a t i n gs w i n ew a s t e w a t e r , w ec a r r i e do u tal a bs c m e e x p e r i m e n ti n a10 0 l1 cr e a c t o rw h i c hw a sd e s i g n e db yo u r s e l v e sw ei n v e r t i g a t e do nt h et r e a t i n g e f f e c t so fi cr e a c t o rw i t ha n dw i t h o u ti n s u l a t i o n ，b a s e do nw h i c hw ec o m p a r e di tt oau a s br e a c t o r u n d e rt h ec o n d i t i o no f d i f i e r e n ti n f i u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n 1 1 h er e s u l t s & t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ： 1 t e m p e r a t u r eh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h es t a r t u p a n dr u n n i n go ft b ei cr e a c t o r w h e n1 c r e a c l o rw a sr u nf o r8 5d a y sw i t ha m b i e n tt e m p e r a t u r ew h i c hr a n g e sb e t w e e n2 5 。ca n d3 5 。c ，i n t e r n a l c i r c u l a t i o nd i dn o to c c u r b u tw h e ni tw a sr u nw i t h3 5 i n s u l a t i o n ，i n t e r n a lc i r c u l a t i o na p p e a r e do i lt h e 2 3 “d a y a n d i n t e r n a lc i r c u l a t i o ns t o p p e dr i g h ta tt h e d a yw h e nw es h u t o f fi n s u l a t i o na n dt h e t e m p e r a t u r ef e l lt oa b o u t1 5 2 i nt h ee x p e r i m e n t ，w ea r t i c i f i c a l l ya d d e dg a s e o u sn i t r o g e nt ot e s tt h em i n i m a la m o u n to fg a s n e e d e dt oc a u s ej n t e r n a lc i r c u l a t i o ni n s i d et h ei cr e a c t o rw h o s er e s u l t si l l u s t r a t et h a tw h e nh r t w a s2 d a y sa n dt r e a t i n gw a s t e w a t e rw i t hc o d c o n c e n t r a t i o nl o w e rt h a n3 0 0 0 v m e y e ，t h eg a sy i e l dw a st o o s m a l lt oc a u s ei n t e m a lc i r c u l a t i o no f1 cr e a c t o ra n dt h u st h ei c sc h a r a c t e r i s t i co ft r e a t i n gh i g hl o a d w a s t e w a t e rw e l lc a nn o tb ef u l l ye m b o d i e d 3 a l t h o u g hi n t e m a lc i r c u l a t i o no fi c d i dn o to c c u rw h e ni n s u l a t i o nw a sn o ta p p l i e da n dt h e i n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e rt h a n5 0 0 0 m g l ，t h e1 cr e a c t o rb e h a v e dal i t t e rb i tb e t t e rt h a n t h eu a s bw h e nv l rw a s40 k g c o d ( m 3 d ) a n dt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o dw a s4 7 8 5 - - 4 - _ 2 7 1 3 m g l ，t h e e f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no ft h ei cr e a c t o ra n dt h eu a s bw e r e1 6 3 5 - + _ 9 7 1 m g la n d 1 9 0 4 + - 8 6 8 8 m g l a n d t h e i rr e m o v i n gr a t e s w e r t 5 5 ，4 2 6 8 a n d 4 5 。8 - - + 2 2 6 r e s p e c t i v e l y 4 w i t h3 54 ci n s u l a t i o na n di nac e r t a i nr a n g eo fl o a d i n g ，i n c r e a s i n gt h ev l rd i dg o o dt oc a u s e i n t e r n a lc i r c u l a t i o nt h ee f f e c to fc i r c u l a t i o nw a st h eb e s ti nt h i s e x p e r i m e n tw h e nt h ev l rw a s s 7 3 k g c o d ( m - 4 d 、i tc o u l dt r e a tw a s t e w a t e rw i t hi n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o no f18 0 8 6 m g f lt ot h a t w i t hc o dc o n c e n t r a t i o no f 4 9 7 6 m g la n di t sc o d r e m o v i n gr a t ew a s 7 2 4 6 5 w h e t h e ri n s u l a t i o no rn o t 血ei cr e a c t o rc a nn o tr e m o v en h 4 + n 、t k na n dt pw e l l k e y w o r d s ：s w i n ew a s t e w a t e r , 1 cr e a c t o r , a n a e r o b i ct r e a t m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过i e 内研究成果。也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 虢形 ：勿 咖：硎甲年7 月舌日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业科学院有关恒留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权恒留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段恒存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 恒密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生虢前莎乞辛 。 、 j 导师签名： 时闻：切垆7 月日 衫孤帅：岬沙日 术语注释 a b r 厌氧折流反应器 a c 一一厌氧接触反应器 a f 一厌氧滤池反应器 a f 3 r 厌氧流化床反应器 a s b r 厌氧序批式反应器 b i m a 无动力搅拌厌氧反应器 b o d 5 一一5 日生化需氧量 c o d 化学需氧量 c h 4 甲烷 c 小碳氮比 c s t r 全混式厌氧反应器 e g s b 厌氧膨胀颗粒污泥床反应器 h r t 水力停留时间 i c 内循环厌氧反应器 n h 4 + - n 氮氨 s r t 污泥停留时闯 s s 悬浮物 t k n 总凯氏氮 i d c 总有机碳 t p 总磷 t s s 总悬浮物 u a s b 升流式厌氧污泥床反应器 v l r 容积负荷 v s s 挥发性固体 v i 第一章绪论 近年来，我国规模化养殖的快迷发展，在促进农村经济发展的同时，由于没有配套耕地消纳 其生产的粪便，也造成r 严重的环境污染。据统计，畜禽养殖业产生的有机污染已相当于全国i ： 业污染的总量。特别是规模化养猪场，由于废水排放量大，有机物含量高，如果得不到有效处理， 会村我国农业生态环境造成严重污染，另外，猪场废弃物捉不到有效处理，还会敞发臭味及传播 病菌等( j u t e a u 等，2 0 0 4 ：f e r r e i r a 等，2 0 0 3 ) 。因此，台理的猪场废水处理对防治水污染已刻不 容缓， 1 1 猪场废水处理研究现状 猪场废水处理主要有塘处理、土地处理、厌氧消化和好氧处理等( f u n k 和f o r m e r ，1 9 9 8 f a n g 和o a n ，t 9 9 8 ；k n i g h t 等，2 0 0 0 ) 。 1 。1 1 稳定塘和土地处理技术 稳定塘既可作为相当于传统的二级生物处理，也可作为二级生物处理出水的深度处理工艺技 术( f u n k 和f o r m e r ，1 9 9 8 ；张自杰等。2 0 0 2 ) ，在美国、欧洲等国家和地区的猪场废水中得到广 泛应用。墨西哥采用沉淀池一厌氧塘一兼性塘一深度处理垢处理猪场废水，其中厌氧塘化学需氧 量( c o d ，c h e m i c a l o x y g e n d e m a n d ) 平均去除率3 7 ，兼性塘c o d 平均去除率4 8 ，深度处 理塘c o d 去除率为2 8 ( e s t r a d a 和h e m a n d e z ，2 0 0 2 ) 。澳大利亚、瑞典、新加坡、德国等采 用厌氧塘、好氧塘与农田灌溉工艺或土壤净化工艺对猪场粪污进行处理，美国夏威夷州采用生物 膜一水生植物一体化工艺处理高浓度猪场废水，c o d 去除率达9 0 以上、总凯氏氮( t k n ，t o t l e k j e l d a h l n i t r o g e n ) 去除率达9 5 、总悬浮物( t s s ，t o t l es u s p e n d e ds o l i d s ) 去除率达9 9 ( 崔 理华等，2 0 0 0 ) 。采用水生植物塘为后续处理能去除猪场废水中氮和磷，水生生物塘中的一些藻 类碲1 大型植物如浮萍、水葫芦、香草根和风车草等能去除猪场废水中的氮利磷，回收其营养物， 工程实践中，水葫芦塘的c o d 去除率5 3 、t k n 去除率5 0 、总磷( t p ，t o t l ep h o s p h o r u s ) 去除率4 6 ( c h e n g 等，2 0 0 2 ：c o s t a 等，2 0 0 0 ：廖新悌，骆世明，2 0 0 2 ；y a n g 和c h e n ，1 9 9 4 ) 。 土地处理技术是利用土壤一微生物一植物组成的生态系统实现废水无害化、稳定化和资源化 的生态处理技术，是一种高效、节能、经济并符合生态学原理的废水处理利用系统。土地处理技 术现已发展成慢速渗滤、快速渗滤、地表慢流、人工湿地及其他一些人工土地处理系统。人工湿 地在畜禽场废水处理，特别是猪场废水处理中能改善氨的处理，氮氨( n h l n ) 去除率可达4 8 、t k n 去除率为4 2 ( k n i g h t 等，2 0 0 0 ；p o a c h 等，2 0 0 3 ；c r o n k 。】9 9 6 ；廖新悌等，1 9 9 7 ) 。 f r e d d i e 等( 2 0 0 1 ) 研究利用表面滴灌和低能耗喷灌技术处理猪场废水，取得成功应用。y e 等( 2 0 0 1 ) 采用盆栽红树系统能有效去除畜禽废水中有机物，有人将大豆和水稻用丁- 猪场废水处理，既处理 ，废水，又发展了农业生产( s z 6 9 i 等，2 0 0 0 ) 。 中嘲农业科学院t i m i d ：学位论文 第章绪论 有足够土地消纳人量猪场废水的情况下，可采取稳定塘和土地处理等技术。在我国，大部分 规模化养猪场建在土地紧张的城郊，没有足够n g ：l 地来采用稳定塘和十地处理技术或采用二者的 凯台r 艺处理猪场废水。因此需对猪场废水进行厌氧等工程化处理，刚含高浓度有机物猪场废水 进行厌氧预处理，不但能回收沼气，节省粪污处理占地面积，还能减轻后续蚶氧处理负荷，达到 达标排放。 1 1 2 厌氧工艺 厌氧l + 艺能将有机物质转化为沼气，从而获得可利用l ：j l l 源与物质。 厌氧反应器广义上分为附着生长性系统和悬浮生长性系统，在附着生长性反应器中，填充载 体( 如塑料、陶瓷、沙石和竹子等) 供微生物繁殖生长，提高生物菌群停留时间。在悬浮生长性 反应器中，微生物成长为密实絮状体或颗粒污泥，絮状体或颗粒污泥能在后续格栅处理中去除及 返回反应器。具体来说，厌氧反应器主要有以下几种类型( l e s l i e 等，1 9 9 9 ；许葆玖，龙腾锐， 2 0 0 0 ：r i n t a l a 等；n i c o l e l l a 等，2 0 0 1 ) ： ( 1 ) 全混式厌氧反应器( c s t r ，c o n t i n u o u s l y s t i r r e dt a n kr e a c t o r ) c s t r 反应器的固体停留时间( s r t ，s o l i d r e t e n t i o n t i m e ) 等于或大于水力停留时间( h r t ， h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ) ，通过浆、推进器、螺旋桨或气体扩散器等对泥水混合物进行机械搅拌 促进传质。c s t r 反应器适于处理含高浓度颗粒或高浓度可生物降解污水，在污泥消化中有广泛 应用。 c s t r 反应器有水压式沼气池、浮罩式沼气池、隧道式沼气池及无动力搅拌厌氧反应器 ( b t m a ) 反应器等，其中b i m a 反应器是一种改进型c s t r 反应器( 周孟津，1 9 8 6 ；b t m a 资 料) 。c s t r 反应器均具有操作简单，运行费用低等优点。有些规模化养猪场采用传统c s t r 厌氧 技术生产沼气，如江两省施工和运行了江西省良种场等1 2 个水压式沼气池、浮罩式沼气池等沼 气工程( 方仁声，1 9 9 8 ) ，日本、韩国和德国等已采用b i m a 系统处理畜禽废弃物，生产沼气( g e s ) 。 c s t r 反应器存在反应器体积大、占地面积大、水力停留时间长等缺点。 ( 2 ) 厌氧接触反应器( a c ，a n a e r o b i cc o n t a c tr e a c t o r ) a c 反应器特点是活性污泥回流。相对于c s t r 反应器，a c 反应器在一定程度上提高了有机 负荷和处理效率。与其他高效厌氧反应器相比，a c 反应器生物量浓度较低，需要较长的接触时 间和更人反应容积。a c 反应器生物菌团分散，易受环境变化和有毒化合物影响，适于处理低浓 度和中等浓度悬浮物废水。 ( 3 ) 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ，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 ) ，厌氧膨胀颗粒 床反应器( e g s b ，e x p a n d e d g r a n u l a s l u d g eb e d ) 和内循环厌氧反应器( i c ，i n t e r n a lc i r c u l a t i o n r e a c t o r ) u a s b 反应器是微生物生长发育为密实絮状体或颗粒污泥的悬浮生k 性反应器。颗粒污泥沉 降性好，出水周液分离厉，颗粒污泥回流到反应器。u a s b 底部进水，顶部出水，泥水能充分接 触。顶部安装有三相分离器，同液气在三相分离器中分离。”馓u a s b 能耐受较高浓度固体悬浮 物( s s ，s u s p e n d e ds o l i d s ) 而不阻塞，但是s s 会在反应器中积聚或流经反应器时带出活性污泥， s s 还会通过凝聚作用降低s r t 和抑制污泥产甲烷活性。另外，废水水质、有毒化台物及操作条 中崮农业科学院硕士学位论文 笫一章绪论 4 1 j 者i j 可能导致颗粒污泥沉降性变差或使颗粒污泥分解，从而使u a s bt 艺负荷降低( z e e l n a n 等， 1 9 9 7 ) 。 f e r r e i r a 等( 2 0 0 3 ) 采用含两级u a s b 反应器的一体化生物消化系统处理猪场废水，进水c o d 浓度为3 4 9 2 5 1 1 4 0 9 4 4 8 1 m l ，h r t 为1 4 h 时，一级u a s b 反应器c o d 去除率8 1 8 9 2 4 - 3 。杨朝晖等( 2 0 0 0 ) 在2 0 2 5 f ，采用u a s b 反应器对猪场污水厌氧预处理，进水c o d 浓度为9 0 3 7 1 6 0 1 6 m g l 时。去除率为7 0 - - 8 5 。在实验室条4 1 二下，u a s b 反应器二级厌氧处理 猪场粪污时，温度控制在3 0 3 5 。c 。有机容积负荷( v l r ，v o l u m el o a d i n gr a t e ) 等于或低于 4 9 c o d ld 时，系统可获得很好稳定性能和较好操作参数，当有机容积负荷提高时，c o d 去除 率立即f 降( s d n c h e z 等，2 0 0 4 ) 。 e g s b 反应器特点是颗粒污泥床由于有更高水力上升流速和更高有机负荷而膨胀。能强化泥 水接触，提高微生物活性。缺点是增加循环的同时增加了泵耗。l c 反应器是在u a s b 系统基础上 开发山来的反应器，属于e g s b 型反应器。 ( 4 ) 厌氧滤池( a f ，a n a e r o b i cf i l t e r ) a f 反应器是反应器内填满供微生物附着生蚝的滤料介质，滤料表面容易生长为密实生物膜， 悬浮微生物菌团能被所填介质截获。滤料材料通常为比表面积较大的塑料、砾石、陶瓷或竹子等， 要求不易阻塞，经久耐用。目前有上流式和下流式厌氧滤池运行。 a f 反应器能达到u a s b 反应器同样高的容积负荷能力，但含高浓度s s 废水容易阻塞滤料导 致短流，从而减少泥水接触。降流式a f 反应器较升流式a f 反应器更容易阻塞。需周期性清除 死亡菌团，避免阻塞滤料和恶化出水水质。 j c h e n g 和b 1 i u ( 2 0 0 2 ) 采用漂浮填料厌氧消化系统处理猪场废水，在h r t 为1 0 天时，c o d 、 总有机碳( t o c ，t o t l e o r g a n i c c a r b o n ) 、t s s 与挥发性固体( v s s ，v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ) 去 除率分别为6 5 、5 5 、6 9 和7 0 ，在h r t 为5 天时，c o d 、t o c 、t s s 与v s s 去除率分 别为5 5 、4 8 、5 7 和6 0 。 ( 5 ) u a s b a f 组合反应器( 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 a n a e r o b i cf i l t e r ) u a s b a f 组合厌氧反应器是在u a s b 上部填加滤料。这种设计优点在于滤料能截获菌团。 滤料不能填塞太密实，也不能置于浮渣区以防阻塞和沟流。冈为气体通过滤层时会产生紊流，会 增加生物菌团洗出。因此，气体收集器须妥善设计。 滤料表面生长的生物膜有助于系统稳定性及产甲烷稳定性。l o 等( 1 9 9 4 ) 采用u a s b a f 组 合反应器处理经格栅处理过的中等浓度猪场废水，c o d 去除率高于5 7 ，甲烷( c h 4 ) 产率为 0 71l c h j l r e a c t o r d 。 ( 6 ) 厌氧流化床反应器( a f b r ，a n a e r o b i c f l u i d i s e d b e d r e a c t o r s ) a f b r 反应器是在反应器底部装填载体，载体在废水处理过程中能循环流化。a f b r 优点是 有效的传质和最低限度的阻塞和短流，而且，废水循环能降低反应器中污染物浓度，相应降低废 水的毒性。a f b r 缺点是载体流化和废水循环需消耗能量。 ( 7 ) 厌氧序批式反应器( a s b r ，a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ) a s b r 反应器是在一个单元反应器中对废水进行包括进料、反应、沉降和滗出一系列处理过 程，负荷较低。a s b r 反应器容积较连续流反应器大，没有特殊的澄清器及不需外部生物循环。 操作过程取决于生物菌团是否具有良好沉降性。a s b r 缺点是不能稀释有毒化台物。 3 巾| j j 农业科学院砸卜学位论文 第一章绪论 a s b r s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ，序批式反应器) 组合反应器处理猪场废水，能很 鲥地去除猪场废水l _ l 有机碳和氮，t o c 去除率为8 1 9 1 ，t k n 去除率为8 5 9 1 ( b e m e t 等， 2 0 0 0 ) 。a n g e n e n t 等( 2 0 0 2 ) 通过对a s b r 系统启动过程中产甲烷菌群动态特征研究发现，启动 过程中，仔细监测系统中氨氮含量和挥发性脂肪酸含量并灵活地对系统实施操作对于系统能否正 常运行非常关键。 ( 8 ) 厌氧折流反应器( a b r ，a n a e r o b i cb a f l t e dr e a c t o r s ) a b r 反应器运行方式为废水流过一系列垂宜挡板，微生物水平流速很低。a b r 反应器可看 作系列u a s b 反应器的组台。a b r 反应器理论上具有结构简单、经济，耐冲击负荷，高容积 反应率及有效处理低浓度和中浓度有机废水。 b o o p a t h yr a m a r a j ( 1 9 9 8 ) 采用四个分别为2 、3 、4 和5 格的a b r 反应器处理猪场粪污，在 3 5 c ，h r t 为1 4 天时，c o d 去除率为7 0 7 8 。4 格和5 格的a b r 反应器比2 格和3 格的a b r 反应器产气效率高。杨虹等( 2 0 0 0 ) 在3 5 c 下，采用a b r 反应器处理猪场冲栏废水v l r 可达 8 9 c o d ld ，c o d 去除率稳定在7 0 - - 7 5 。 猪场废水特性是氨磷含量高，单级厌氧处理不能有效地脱氮赊磷，要使含高浓度有机物猪场 污水实现高效低耗处理，达到国家排放标准，一般厌氧处理之后接好氧处理。 1 1 3 好氧工艺 好氧工艺主要有氧化沟、活性污泥法及生物滤床等( 张自杰等，1 9 9 9 ：l e s l i e 等。1 9 9 9 ；r o s s m e t 等，2 0 0 2 ) 。尽管好氧工艺能有效处理猪场废水，但好氧工艺存在以下缺点：氧化沟占地面 积大，活性污泥法投资太高且管理不便，生物滤床法处理规模小，再者好氧工艺均不能回收能源 且能耗高( 去除l k g c o d 需耗电1 k w h ) 。在猪场废水处理中，一般采用厌氧一好氧组合工艺对猪 场废水进行脱氮除磷处理。 间歇曝气对氨含量高的猪场废水进行硝化与反硝化处理，有较好脱氮效果( c h e n g 和1 i u ， 2 0 0 1 ) 。据报导( v a n o t t i 和h u n t ，2 0 0 0 ) ，在曝气与停气为3 h ：3 h 间歇曝气工艺中，c o d 、生化 需氧量( b o d s ，b i o - c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 、t k n 、t p 与t s s 去除率分别达8 7 4 、9 87 、9 2 7 、7 1 和9 7 5 。 为，提高曝气池内生物量，增强废水处理能力，提高好氧工艺运行稳定性，人们在好氧活性 污泥法处理废水中采用生物同定化技术，即在曝气池中投加载体或增设膜组件( 即膜生物反应器 m b r ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 。采用聚乙烯小球作为填料固定驯化硝化菌对猪场厌氧塘废水进行 硝化处理，能延长硝化菌停留时间，比传统活性污泥法大大增强了n h - n 去除率( y a n g 和w a n g ， 1 9 9 9 ) 。 在大气污染标准不很严格的地区，对猪场废水进行空气吹脱，能取得很高的氨氮去除效果。 但是，空气吹脱需要大量石灰、高空气流率及反应器需填充填料( l i a o 等，1 9 9 5 ) 。而s b r 反应 器在猪场废水处理过程中，能有效地脱氮除磷。对于已消化猪场粪污，s b r 反应器对氦的去除率 可达9 9 7 ，对磷的去除率可达9 7 3 ( o b a j a 等，2 0 0 3 ) 。邓良伟( 2 0 0 1 ) 采用水解- - s b r 工 艺处理处理猪场污水，氨氮去除率达9 7 以上。将u a s b 与s b r 或a f 组合工艺或与水生植物 塘绸台工艺能有效去除猪场废水有机物和氨氯( 黄宏坤，董红敏等，2 0 0 1 ；t a n a k a ，】9 9 8 ：李 d 中图农业科学院砸上学位论文第章绪论 跃生，2 0 0 1 ) 。s b r 反应器不但能去除氨磷污染，而且能有效去除有机碳。采川朱消化猪场粪污 作为反硝化垌i 脱磷的可降解内源碳源，当碳氨比( c n ) 等于或高于17 时，能取得完全反硝化 ( o b a j a 等，2 0 0 4 ) 。 由于猪场废水富含高浓度有机物币l 痫原菌等微生物，对猪场废水进行厌氧处理是最有前景的 处理方法之一( b e m e t 等，2 0 0 0 ：s f n c h e z 等，2 0 0 4 ；a n g e n e n t 等，2 0 0 2 ) 。厌氧j 二艺处理猪场 废水具有如下优点：1 杀灭大肠杆菌和寄生虫等：2 吲收能源( 甲烷) ，出水和污泥可作为十壤调 1 ，剂；3 与好氧处理相比，具有低生物比生氏速率，低消化容积，因此降低污泥处理费用：4 操 作费用比好氧处理低，特别对于处理c o d 浓度高于4 9 l 污水时，厌氧处理比好氧处理更有优势。 c s t r 、a c 、a f 、a s b r 等厌氧反应器在猪场废水处理应用中存在体积大，i 与地面积大，运 行不稳定等缺点。尽管u a s b 在猪场废水处理中是高效的成熟工艺，但猪场废水高浓度悬浮物影 响其运行。为了满足城郊猪场废水工程化有效处理，引入l c 厌氧反应器，为猪场废水厌氧处理工 艺提供选择。 1 2ic 厌氧反应器研究现状 i c 厌氧反应器( 以下简称i c 反应器或1 c ) 是荷兰p a q u e s 公司于8 0 年代开发成功的高效厌 氧发庞器。我国t - 】9 9 6 年引进了第一。套i c 反应器用于目处理c o d 为4 3 0 0 m g l 的啤酒废水， v l r 高达2 5 3 0 k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率稳定8 0 。i c 的特点是在一个高的反应器内将沼气 分离分为两个阶段，下反应区处于高负荷，上反应区处于低负荷，以下反应室产生的沼气作动力， 实现下反应区混合液内循环，使废水获得强化预处理，同时上部反应室对废水继续进行后处理， 使出水达到预期的厌氧处理( h a b e t s 等，】9 9 7 ；胡纪萃，1 9 9 9 ) 。i c 与u a s b 等厌氧反应器相比， 具有有机负荷高，水力停留时间短，占地面积省、耐冲击负荷能力强等优点。 由于j c 技术还未完全公开，目前主要在i c 水力学特性、i c 颗粒污泥特性及i c 在各种废水 中的应用研究。 1 2 1 】c 反应器水力学特性研究 p e r e b o o m 和v e r e i j k e n ( 1 9 9 4 ) 通过上升管中气体表面上升流速( u f ) 和液体表面上升流速( u l ，) 间的经验表达式估算上升管中的气持率( 6 9 r ) ，建立以f 水力动力学模型描述i c 反应器中液体循 环： 型里 8 9 r0 2 4 + 1 3 5 ( u g r + ” ( 1 ) ( 1 ) 式中： 8 上升管中气持率； u f 上升管中气体表面上升流速，m s ； u l ，液体表面上升流速，m s 。 5 中同牺i k 科学院硕卜学位论文第一章绪论 ( 1 ) 式是在o15 m 直径和1 0 5 m 高的提升管气提反应器中得到的。它在气体表丽上升流速 和液体表面上5 1 流速分别为0 0 7 3 5 m s 和o3 2 7 m s 的范闸内得到很好证实。根据能量守恒得 山的液体表面上升流速( “1 0 ，p e r e b o o m 和v e r e u k e n 结合气持率( ef ) 及系统设计参数等实际情 况对u l ，进行了修订( ( 2 ) 式) ： 2 9 陆。g 扩s ) 一a h 南m 硝研1 ( 2 ) ( 2 ) 式中： h d 气液扩散高度，m ； h 提升管与降流管间的液位差，m ： k b 。底部或项部阻力系数； a 。d 提升管或降流管间的横截面积，m 2 。 丁丽丽等( 2 0 0 2 ) 为了考查i c 在中温条件下的运行特性及影响因素，控制温度为3 5 + 1 ， 发现气液混合液上升流速为2 6 5 4 3 5 m h 时，i c 反应器下反应区沼气产量明显增加，有利于反 应器稳定运行。左剑恶等( 2 0 0 1 ) 认为，对于e g s b 型反应器，水力上升流速在2 4 r r d h 内增加 有利手提高c o d 去除率，但过高水力上升流速( 大于6 m h ) 并不会提高反应器运行效果，相反 会影u l a j 颗粒污泥结构稳定，造成颗粒污泥解体。为了克服i c 工艺在低浓度有机废水处理中内循 环气量不足或内循环量小的缺点，陈广元( 2 0 0 2 ) 采用附加气循环来改善i c 工艺稳定性。 1 2 ，2i c 反应器颗粒污泥研究 厌氧颗粒污泥形成过程、速度及形成特性受很多因素影响，一般依赖于所涉及微生物的基本 特性，如微生物生长率、死亡率、衰减率、生态特性、水解能力、表面负荷、产生多聚物能力及 基质特性等( l e t t i n g a 等，1 9 9 7 ) 。p e r e b o o m ( 1 9 9 4 ) 通过对处理同样废水的生产规模u a s b 和 i c 反应器内颗粒污泥性质进行了研究，发现i c 反应器比u a s b 反应器具有更高容积负荷率和污 泥负荷率，前者污泥效率是后者的两倍多。 了丽丽等( 2 0 0 1 ) 发现，l c 反应器在启动过程中污泥产甲烷活性不断增加，启动结束时，污 泥产甲烷活性可达接种污泥的4 倍，颗粒污泥平均直径可由0 ，8 8 r a m 增加到1 2 5 r a m 。 1 2 3 ic 反应器在各种废水处理中的应用 目前，l c 反应器在啤酒生产、土豆加工、造纸等生产领域内的废水处理都得到了j 泛应用 ( p e r e b o o m 和v e r e i j k e n ，1 9 9 4 ；张忠波等，2 0 0 0 ；戚凯，2 0 0 1 ：贺延龄2 0 0 1 ) 。处理平均c o d h4 5 0 0 m g l 中等浓艘食品废水和平均c o d 为1 3 0 0 0 m g l 高浓度啤酒废水时，i c 容积负荷可高 达3 5 k g c o d m 3 d ，c o d 去除率在8 0 左右；i c 处理平均c o d 为1 5 5 0 m g l 低浓度奶牛场废水 6 中吲农业利学院硕1 学位论文 第一章绪论 时当h r r 为2 6 h ，c o d 平均去除率为5 1 ( d r i e s s e n 和y s p e e r t ，1 9 9 9 ) 。 邓良伟等( 2 0 0 1 ) 在常温条什下，采_ 1 j 容积】2 0 1 。的i c 反应器处理猪场废水。邓良伟等采瑚 的i c 反应器为长方体，主体部分由不锈钢制作氏3 2 c m ，宽3 2 c m ，高1 2 0 c m ，有效容积为1 2 0 1 。 内设防层三相分离器；集气室由塑料制成。猪场废水进水水质c o d 为2 8 2 9 1 4 4 7 6m g l ，b o d ，为 1 6 7 9 - 8 4 7 4 m g l ，s s 为1 1 5 9 7 9 4 7m g l ，n h 4 + - n 为3 9 4 - 1 3 9 5r r l l ，t n 为6 0 4 - 2 1 3 8m l ，t p 为6 6 3 4 0m e g u ，p h 值为7 1 7 7 。该试验在无重复条件f 运行2 3 周试验结果表明，采用l c 反 应器处理猪场废水h r t 为0 8 - - 2 d ，负荷周平均值达3 7 k g c o d m s d ，单日最高值达1 0 k g c o d m 3 d ，产气率可达1 5 - - 3 m 3 m s d 。c o d ，b o d 5 ，s s ，t k n 和t p 平均去除率分别为8 0 3 ，9 5 8 ，7 8 ，2 1 7 u5 3 8 。 1 3 研究意义和目的 i c 反应器用于猪场废水处理刚刚起步，还未见i c 工艺在猪场废水中的工程应用，引进l c 工艺能为猪场废水厌氧处理工艺提供选择。尽管邓良伟等在实验室对i c 处理猪场废水进行了初 次试验研究，但在试验中未考虑温度对i c 工艺的影响。 本研究的目的是探讨i c 在猪场废水处理可行性、运行效果及运行参数。研究主要内容有l c 常温下运行效累、i c 内循环特征测试试验、3 5 c 下i c 恒温试验及常温下i c 与u a s b 对比试验。 1 4 总体研究思路 查阅文献，并进行分析、综述 i 确定研究目的： 【探讨l c 在猪场废水处理可行1 1 - 、运行效果及运行参数 l 确定研究内容i j l c 未恒温启动i c 内循环特征 i c3 5 恒温i c 与u a s b 未恒温后 运行试验测试研究启动运行试验运行平行试验 l 总结及进一步建议 2 1 试验设计 第二章试验设计、材料与方法 糍个i c 试验分为常温启动l e a ? 、辅加气内循环特征测试和3 5 c 恒温启动运行三个部分，其 中常温试验进行了i c 与u a s b 对比试验。 常温试验分别在2 5 3 5 和1 0 2 54 c 范同内，考查l c 启动运行效果，探讨不同进水c o d 浓度f f l ji c 运行参数，并与u a s b 进行对比。 ( 1 ) 2 5 3 5 ，h r t 为2 5 d ，进水c o d 分别低于2 0 0 0 m g l 及在4 0 0 0 8 0 0 0 m g l 之间时， 考查i c 运行效果，并与u a s b 进行对比：1 0 2 5 。c ，i c 的h r t 为3 - 3 4 d ，u a s b 的h r t 为 5 d ，进水c o d 为2 0 0 0 6 0 0 0 m g l 时考查i c 运行效果，并与u a s b 进行对比。 ( 2 ) 外接纯氮气测定i c 内循环所需虽少气量，研究其内循环特征。 ( 3 ) 3 5 c 恒温试验，主要考查进水c o d 大于s o o o m e d l 时i c 启动过程中内循环特征及启 动后i c 运行效果。 22 试验时间与地点 本试验在中国农业科学院东门试验站进行。 i c 处理猪场废水试验从2 0 0 3 年7 月1 8 日开始启动至2 0 0 3 年1 2 月2 2 日运行结束，试验共 进行了1 4 5 天。其中2 0 0 3 年7 月1 8 日至2 0 0 3 年l o 月1 1 日为常温试验阶段，试验进行了8 5 天： 2 0 0 3 年1 0 月2 3 日开始启动至2 0 0 3 年1 2 月2 2 日为恒温试验阶段，试验进行了6 0 天。 i c 与u a s b 对比试验从2 0 0 3 年7 月2 8 日开始启动至2 0 0 3 年1 0 月1 1 日结束，对比试验共 进行了7 5 天。 23 试验设备 日前国内还没有开发出用于小试的i c 反应器，本试验用i c 反应器由中国农科院农业环境与 可持续发展研究所根据i c 反应器原理自行研制。 i c 反应器由主体部分及集气罩组成，为圆柱形结构，均由有机玻璃制成。主体高1 7 0 c m ，圆 柱截面直径3 0 c m ，有效窖积约为1 0 0 l 。i c 反应器主体分为下反应区、上反应区及出水医三部分， 其中下反应区高8 0 c m ，容积为5 6 l ，上反应区高4 0 c m ，容积为2 8 l ，出水区高2 0 c m ，容积为 1 4 l 。集气罩高2 0 c m ，截面直径2 0 c m ，距主体1 0 c m 。三相分离器为圆锥形，锥角4 5 0 ，高8 0 c m ， 有效集气区容积为2 1 l 。管件和阀门为a b s 管和a b s 球形阀，其中，升流管管径外径为2 0 m