（环境工程专业论文）uasb—sbr工艺处理淀粉废水.pdf

摘要 玉米淀粉生产过程中将产生大量的废水，而且这类废水都是含有大量淀粉、蛋白质、 糖类、脂肪等有机物的高浓度有机废水，如不加以处理直接排入水体中，将造成环境水 体缺氧，使水生生物窒息死亡，给环境带来极大危害。由于我国淀粉生产工艺相对落后， 资源的利用率较低，淀粉生产过程中大量的植物蛋白未加利用而随生产废水排放，不仅 影响了环境卫生，而且造成了巨大的浪费。在淀粉废水处理过程中，如果能够同时回收植 物蛋白，做到废水的资源化利用，将具有广阔的应用前景。 本论文对眉县淀粉厂进行u a s b + s b r 工艺处理淀粉废水的运行工况进行研究，得出 以下结论： ( 1 ) 针对玉米淀粉废水有机物浓度高的特点，采用u a s b + s b r 工艺，经工程运行 实践证明是可行的。 ( 2 ) 沉淀法能有效的去除淀粉废水中的悬浮物、降低废水c o d c r ，减轻生物处理 的有机负荷，同时能回收蛋白质，创造经济效益。 ( 3 ) 整个工艺c o d 去除效率较高，从u a s b 进水至s b r 出水，平均总c o d 去除率 为9 9 以上，出水可以达标排放。 ( 4 ) 系统的氨氮去除效率较为稳定，从u a s b 出水至s b r 出水，平均去除率可达 9 3 左右，出水达到排放标准。 运行结果证明该工艺投资省，运行费用较低，同时采用沉淀分离技术能够回收植物 蛋白饲料，厌氧工艺可以回收利用沼气，处理后的废水达标排放，获得了较好的环境效 益和经济效益。 关键词：淀粉废水沉淀u a s bs b r a b s tr a c t l a r g eq u a n t i t yo fw a s t e w a t e ra r ee m e r g e di nt h ep r o c e s so fc o r ns t a r c hp r o d u c t i o n ，a n d t h ew a s t e w a t e ra r eh i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i cw a s t ec o m p o s e do fm a n ys t a r c h ，p r o t e i n , s u g a ra n df a t se t c i ft h e ya r ep u to f fi n t ot h ew a t e rd i r e c t l yw i t h o u ta n ys t e p ，t h ew a t e rl i f e w i l lb ed e a db e c a u s eo fs h o r to fo x y g e n ，a n dt h ee n v i r o n m e n tw i l lb ei n j u r e d o u rc o u n t r y s r e l a t i v e l yb a c k w a r dp r o d u c t i o nt e c h n i q u ea n dm u c hl o w e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t i om a d ea g r e a td e a lo fu s e ep l a n tp r o t e i nd i s c h a r g e df o l l o w e dw i mt h ew a t e r i tn o to n l ya f f e c t st h e e n v i r o n m e n tc l e a n i n g ，b u ta l s oe x t r a v a g a n t su s e f u lr e s o u r c e s i nt h ep r o c e s so fd e a l i n gw i t h s t a r c hw a s t e w a t e r ，i ft h ew a s t e w a t e ra r eu t i l i z e dn a t u r a l l y , t h e r ew i l lb eaw i d ep r o s p e c t f r o mt h er u n n i n gs i t u a t i o nr e s e a r c ho ft h es e d i m e n t a t i o n - u a s b - - s b rt e c h n i q u et ot r e a tt h e w a s t e w a t e ra tm e i x i a ns t a r c hi n d u s t r yc o m p a n y , f o l l o w e dc o n c l u s i o n sa r ep u tu p ： ( 1 ) i nt h el i g h to fh i g h e ro r g a n i cm a t t e rc o n c e n t r a t i o n ，i ti s f e a s i b l et h a ta d o p t i n g u a s b s b rt e c h n i q u ed e a l sw i t hc o r ns t a r c hw a s t e w a t e r i ti sp r o v e db yt h ep r o j e c tr u n n i n gf a c t ( 2 ) s e d i m e n t a t i o nt e c h n i q u ec o u l de f f e c t i v e l ym o v eo u t t h es u s p e n d e ds u b s t a n c eo f s t a r c hw a s t e w a t e r , l i g h t e nc o da n do r g a n i cw e i g h to fw a s t e w a t e r ，a n dr e c y c l et h ep r o t e i n a n dp r o d u c ee c o n o m i cb e n e f i t ( 3 ) c o dr e m o v i n gr a t ei sh i g h f r o mt h eu a s be n t r a n c et ot h es b re x p o r t ，t h ea v e r a g e c o d r e m o v i n gr a t ei su n d e r9 9 e x p o r tw a t e ri sp a s s e d ( 4 ) t h er e m o v i n gr a t eo fa m m o n i an it r o g e niss t e a d y f r o mt h eu a s be x p o r tt o t h es b r e x p o r t ，t h ea v e r a g er e m o v i n gr a t ei s9 3 o rs o e x p o r tw a t e ri sp a s s e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h i st e c h n i q u ec a nr e d u c ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t ；i nt h e m e a n t i m e ，i tc o u l dr e c o v e rt h ef e e d s t u f fa n dm e t h a n e ；t h ee f f l u e n tc a nm e e tt h es t a n d a r d s o g o o de n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f i t sh a v eb e e no b t a i n e d k e yw o r d s ：s t a r c hi n d u s t r yw a s t e w a t e r ；s e d i m e n t a t i o n ；u a s b ；s b r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 私印 唧年朋矽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： j 撕 名1 竣 唧年夕月矽日 啪7 年月厂日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 我国是世界上淀粉生产大国，年产淀粉6 0 0 万吨以上。全国淀粉生产企业遍布全国 2 8 个省、市、自治区，除西藏外都有规模以上企业。目前我国淀粉产量仅次于美国居世 界第二位，其中玉米淀粉所占比例最大为8 6 5 。 玉米淀粉是玉米加工的初级产品，是淀粉中最主要的品种。玉米原料丰富、价格便 宜，而且1 0 0 公斤玉米除可制得淀粉6 6 公斤外，还可得到副产品：含6 0 蛋白质的玉 米蛋白粉6 3 公斤、玉米油2 7 公斤、含2 1 蛋白质的纤维饲料2 3 公斤。 淀粉的用途十分广泛。除可直接使用外，还可加工成各种变性淀粉、水解产品等。 淀粉制成的食品如粉丝、粉条等可以直接食用。淀粉作为原料可应用于方便面、火腿肠、 冰淇淋等食品和可降解塑料制品中；作为发酵原料用于淀粉糖、氨基酸、酒精、抗菌素、 味精等产品的生产；淀粉也可以加工成变性淀粉，广泛应用于造纸、纺织、食品、铸造、 医药、建筑、石油钻井、选矿等领域。 随着淀粉行业技术的发展，处理淀粉废水的工艺在节水方面也有了长足的进步。9 0 年代末，1 吨淀粉用水量还在6 8 吨，而在最近一两年内，由于水资源的日益匮乏，淀 粉生产厂家在清洁生产方面加大了力度，每吨淀粉用水降至3 吨甚至更低n 3 。 玉米淀粉生产过程中将产生大量的废水，而且这类废水都是含有大量淀粉、蛋白质、 糖类、脂肪等有机物的高浓度有机废水，如不加以处理直接排入水体中，将造成环境水 体缺氧，使水生生物窒息死亡，给环境带来极大危害乜1 。由于我国淀粉生产工艺相对落 后，资源的利用率较低，淀粉生产过程中大量的植物蛋白未加利用而随生产废水排放，不 仅影响了环境卫生，而且造成了巨大的浪费。在淀粉废水处理过程中，如果能够同时回收 植物蛋白，做到废水的资源化利用，将具有广阔的应用前景。 眉县淀粉厂为一个以玉米为原料生产淀粉的股份制企业，厂区位于眉县城东约3 公 里处的槐芽镇，厂区东接农田，北距西宝公路( 南线) 约3 0 0 米，南临农田，西接西沙 河，距西( 西安) 一宝( 宝鸡) 高速公路约2 k m ，交通条件十分便利。眉县淀粉厂始建 于1 9 8 9 年，现状年产玉米淀粉2 万吨，本期增加4 万吨年的规模，建成后规模6 万 吨年。 公司自投产后，已生产出品质优良的玉米淀粉，产品适销对路，效益较好。目前生 产的废水排入临时修建的沉淀池，经简单沉淀后进行排放，对受纳水体造成污染。为达 l 第1 章绪论 到消除污染保护环境之目的，针对玉米淀粉废水的特点进行研究，处理工艺采用目前较 为成熟先进的“厌氧+ 好氧 生物处理工艺，对各处理构筑物运行情况及处理效率等方 面进行研究，使出水达到排放标准。 1 2 课题研究目的及意义 随着我国经济建设的发展，城市污水与工业废水的排放量逐年增加。为了贯彻经济 建设和环境保护必须同步发展的方针，污水处理工程必定会有相应的发展，在这种情况 下，有效、经济地解决污水处理问题，已是当今环境工程领域中最迫切需要研究的课题。 实现这一目标的途径除了靠正确决策外，尚需依赖技术更新，新工艺的开发，资源、能 源的合理利用等科学技术措施。 我国淀粉企业在生产过程中产生大量高浓度的有机废水，含有蛋白质、脂肪、纤维 素、可溶性碳水化合物等物质，如果对这些物质不进行回收利用，将会增加废水的污染 负荷与治理难度，对上述资源进行综合利用不仅可为企业带来经济效益，还将大大降低 排放污水中的污染负荷，经过沉淀预处理，可以达到回收有用物质、降低污染负荷的目 的。其他污染物主要通过生物方法去除，生物处理采用u a s b + s b r 工艺。 本课题通过在玉米淀粉废水处理工艺及调试运行等方面的研究，调查工艺运行工 况，确定负荷、温度、营养及水力停留时间等相关参数，达到高效回收蛋白、净化水质、 回收能源、节约能耗的目的，并对本工艺系统进行技术经济评价，分析其环境效益、经 济效益和社会效益。 1 3 课题研究思路 研究分为以下几个阶段进行： ( 1 ) u a s b 启动，s b r 污泥驯化并投入运行 通过控制进水的浓度和有机负荷，使u a s b 反应器完成启动，进入稳定运行阶段； 同时对s b r 系统的污泥进行驯化，形成适应处理水的活性较强的微生物菌群后，即投入 运行。 ( 2 ) u a s b + s b r 工艺稳定运行阶段 通过调整系统各运行参数，并检测其对应的运行状态，确定各运行参数的最 佳值，为工程稳定运行提供参考。 ( 3 ) 系统稳定性检测 2 长安大学硕士学位论文 在系统最佳运行参数下，增大反应器有机负荷，检测该工艺抗负荷的适应能力。 在以上各运行阶段期间内，连续分析u a s b 和s b r 的进、出水c o d 浓度、n h 。一n 浓度、 u a s b 出水p h 值及挥发酸( v f a ) 浓度及其它相关水质指标，通过这些检测指标反映系统 在不同运行阶段的状况。总结规律，优化运行工艺，降低运行成本，确保处理后废水达 标排放。 3 第2 章废水处理工艺及原理 2 1 工艺路线的选择 第2 章废水处理工艺及原理 对玉米淀粉废水的处理，最初通常采用物化法，通过如气浮、混凝沉淀、吸附等物 理化学作用，去除废水中比重较大的蛋白质等固体物质，但其存在去除效率不稳定、运 行费用高、管理操作不便等缺点。后来将好氧法作为处理技术对玉米淀粉废水进行处理， 该法虽然对有机物的去除效果较好，但其运行费用较高。根据同行业废水治理现状、技 术水平，采用厌氧一好氧相结合的处理工艺虽然基建投资高，技术难度大，操作管理复 杂，但技术成熟，效果较好，可靠，且运行费用低。 通过现场和资料调研，目前玉米淀粉生产废水采用污水处理技术主要有以下几种口3 ： ( 1 ) e g s b + 生物接触氧化法 该工艺对淀粉废水的处理效果如下表2 - 1 所示。 表2 - 1 废水处理效果表 利用该工艺处理淀粉废水，日处理量1 2 0 0 吨，总投资为3 3 0 万元，直接运行费用 为0 7 4 元吨废水。 此工艺处理玉米淀粉废水，由于采用了生物接触氧化法，它是一种介于活性污泥法 与生物膜中间的工艺，有较高的容积负荷和适应能力，可以更好的使污水达到标准排放。 ( 2 ) e g s b + s b r 法 该工艺对淀粉废水的处理效果如下表2 - 2 所示。 4 长安大学硕士学位论文 表2 - 2 废水处理效果表 利用该工艺处理淀粉废水，日处理量4 0 0 吨，总投资为1 4 0 2 万元，直接运行费用 为1 1 4 元吨废水。 此工艺处理玉米淀粉废水可生化性较好，经厌氧处理后，c o d c r 去除率可到9 3 ， 厌氧出水经好氧曝气后c o d c r 去除率只需达到7 0 以上即可达标排放。 ( 3 ) u a s b + 接触氧化法 该工艺对淀粉废水的处理效果如下表2 3 所示。 表2 - 3 废水处理效果表 利用该工艺处理淀粉废水，日处理量1 0 0 0 吨，总投资为2 2 3 万元，直接运行费用 为0 6 3 元吨废水。 此工艺处理玉米淀粉废水，由于该公司污水回用作为循环水进行节水，导致不可生 化物质大量积累，有机物得不到较好的处理，再者，接触氧化也不能进一步处理这种难 于降解的有机物质及氨氮。因此处理后出水部分指标不达标。 ( 4 ) u a s b + s b r 法 该工艺对淀粉废水的处理效果如下表2 4 所示。 5 第2 章废水处理工艺及原理 表2 4 废水处理效果表 利用该工艺处理淀粉废水，日处理量1 0 0 0 吨，总投资为2 4 3 万元，直接运行费用 为0 4 0 元吨废水。 此工艺处理玉米淀粉废水，反应器容积负荷较高，处理能力较大，且废水有机物生 化性好，总氮、氨氮易于达标排放。 由于该厂淀粉生产废水有机物浓度较高，无毒，其可生化性b o d 。c o d 大于0 5 ，属 高浓度易生化有机废水，不易直接被好氧生物降解，应采用先以厌氧生物处理的废水处 理工艺，故该淀粉厂废水主要采用“厌氧+ 好氧”的组合工艺进行处理。因厌氧处理节 省能耗，并且可以回收能源，经厌氧处理后再进行好氧处理，将大大降低好氧处理的投 资和运行费用，同时可将废水中的大分子有机物分解，有利于后续好氧生物处理；好氧 处理效果显著，出水浓度低。根据目前玉米淀粉生产废水采用污水处理工艺的技术经济 比较( 见表2 1 至表2 4 ) ，厌氧系统采用目前处理中高浓度有机废水应用较为广泛的 u a s b 工艺，该工艺具有有机负荷率高、结构简单、污泥稳定性好、有机物去除效率高等 优点；好氧系统采用s b r 工艺，因为它具有规模灵活、操作方便( 易于实现全自动运行) 、 运行稳定、去除有机物和脱氮效果好等特点，适合于u a s b 出水的后处理。 因此，最终选定为u a s b + s b r 两级串联的组合生物处理工艺。 另外考虑到由于淀粉生产工艺原因使蛋白质等有用物质大量流失，应增加混凝沉淀 工艺进行蛋白粉的回收，并减轻生物处理的有机负荷；分析该淀粉厂废水排放水具有水 质水量波动大、变化快、极不稳定等特点，应在生物处理之前设置调节池。 2 2u a s b 工艺概述 2 2 1 厌氧生物处理原理及特点 厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机 物的生物处理方法，其主要降解产物是甲烷和二氧化碳等，一般需要保证温度、无氧或 低溶解氧浓度。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单的化合 6 长安大学硕士学位论文 物，同时释放能量。 早在2 0 世纪3 0 年代，人们就已经认识到厌氧生物处理中有机物的分解过程分为酸 化阶段和甲烷化阶段。1 9 6 7 年，b r y a n t 的研究表明，厌氧的两段模式论过于简单，提 出了厌氧发酵的四个阶段( 或三个阶段) 理论： 第一阶段为水解阶段：废水中的大分子和难以生物降解的有机物被胞外酶水解为小 分子的溶解性有机物。水解性细菌或发酵性细菌使纤维素、淀粉等碳水化合物水解为糖 类，使蛋白质水解为氨基酸等。废水中的蛋白质在厌氧菌的作用下可生成各种氨基酸， 其反应式为： 2 c h 3 c h ( o h ) c h ( n h 2 ) c o o h 一2 c x h ，c o o h + 4 c 2 h 5 c o o h + 4 c 0 2 + 6 n h 3 氨基酸丁酸丙酸 脂肪类在第一阶段通过解脂菌进行分解，生成丁酸和甘油，第二阶段通过丁酸菌进 行分解，生成乙醇和蚁酸，其反应式为： 4 c 3 h 5 ( c 3 h 7 c o o ) 3 + 1 2 h 2 0 专1 2 c 3 h 7 c o o h - i - 4 c 3 h 5 ( o h ) 脂肪( 三丁精)丁酸甘油 4 g h 5 ( o h ) 3 4 c 2 h 5 0 h + 4 h c o o h 乙醇蚁酸 糖类在厌氧菌的作用下，分解成丁醇类，其反应式为： c 。日。：d ；专c 。h ，o h + 2 c 02 + h ：o 第二阶段为酸化阶段：溶解性有机物由兼性或专性厌氧菌转化为有机酸、醇、醛和 c o 。、h ：。有时，人们也将水解阶段和酸化阶段合称为第一阶段。 第三阶段为产乙酸阶段：产乙酸产氢细菌利用前阶段产生的各种有机酸分解成乙酸 和氢气，有时还有c o ：生成。 第四阶段为产甲烷阶段：由产甲烷细菌利用乙酸、c 0 。和h 。或其它一碳化合物产生 甲烷。 厌氧生物处理与好氧生物处理相比有以下优点h - 7 3 ： ( 1 ) 应用范围广。好氧处理一般只能处理中低浓度的有机废水，而厌氧处理能处 理高中低浓度的各类废水，而且有些有机物对好氧处理来说是难降解的，而对于厌氧处 理来说却是可降解的。 ( 2 ) 能源需求少且能产生大量能源。好氧处理需要消耗大量的能量供氧，曝气费 7 第2 章废水处理工艺及原理 用随着有机物浓度的增加而增大：而厌氧处理不需要充氧，且产生的沼气量巨大、可以 作为能源。一般厌氧处理的动力消耗约为好氧处理的1 1 0 。 ( 3 ) 有机负荷高。好氧处理有机负荷一般为：0 2 - 3 2 9 c o d l d ；而厌氧处理有 机负荷一般为3 2 3 2g c o d l d ，甚至可高达5 0g c o d l d 。 ( 4 ) 剩余污泥量少，易处理。由于厌氧微生物增殖缓慢，产生的剩余污泥量比好 氧处理少得多，处理同样数量的废水仅产生相当于好氧处理l 6 1 1 0 的剩余污泥，且 污泥脱水性能好，浓缩时可不使用脱水剂，处理较容易。 ( 5 ) 对营养物的需求量小。一般认为，好氧处理氮和磷的需求量为b o d ：n ：p = 1 0 0 ： 5 ：l ，而厌氧处理为( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：1 。有机废水一般已含有一定量的氮和磷及多种 微量元素，因此厌氧处理可以不添加或少添加营养盐。 ( 6 ) 厌氧菌种便于二次启动。厌氧处理的菌种，例如厌氧颗粒污泥，可以在终止 供给废水与营养的情况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上，它的这一特 性为其间断性或季节性的运行提供了有利条件。 ( 7 ) 耐冲击负荷能力强。厌氧处理污泥浓度高，能承受较大的浓度变化和水质变 化。 ( 8 ) 规模灵活。厌氧处理系统规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作，且无 需昂贵的设备。 厌氧生物处理法也存在以下不足： ( 1 ) 由于厌氧微生物增长缓慢，启动时经接种、培养、驯化达到设计污泥浓度所 需的时间比好氧处理长。 ( 2 ) 厌氧处理虽然负荷高、进水浓度高，去除有机物的绝对量高，但其出水c o d 浓度高于好氧处理，原则上仍需要后处理才能达到较高的排水标准。 ( 3 ) 厌氧微生物对有毒物质较为敏感。随着人们对有毒物质的种类、毒性物质的 允许浓度和可驯化性的了解以及工艺上的改进，这一问题已经得到部分解决。近年来人 们发现，厌氧细菌经驯化后可以极大地提高其对毒性物质的耐受力。 ( 4 ) 低浓度或碳水化合物废水的厌氧处理易造成碱度不足。 ( 5 ) 卫生条件较差。一般废水中均含有硫酸盐，厌氧条件下会产生硫酸盐还原作 用而放出硫化氢等气体，如果反应器不能做到完全密闭，就会散发出臭气，引起二次污 染。因此厌氧处理系统的各处理构筑物应尽可能密封，以防臭气散发。 长安大学硕上学位论文 2 2 2u a s b 工艺原理及特点 有关u a s b 的工艺原理图请见图2 1 。 图2 1u a s b 反应器原理图 u a s b 即升流式厌氧污泥床反应器( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ) ，由污泥反应 区、气液固三相分离器( 包括沉淀区) 和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌 氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌 氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机 物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合 并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污 泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周， 然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相 分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀 至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离 后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出升流式厌氧污泥床反应器。 u a s b 反应器运行的三个重要前提是h 耵： 反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥； 由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用； 设计合理的三相分离器，使沉淀性能良好的污泥能够保留在反应器内。 9 第2 章废水处理工艺及原理 与其他类型的厌氧反应器相较，升流式厌氧污泥床具有一系列的优点四3 ，其中包括： ( 1 ) 污泥床内生物量多，折合浓度计算可达2 0 - 一3 0 9 l ； ( 2 ) 容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般可达l o k g c o o ( m 3 d ) 左右，甚至能 够高达1 5 - - - 4 0k g c o d ( m 3 d ) ，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此池容大大缩 小。 ( 3 ) 设备简单，运行方便，无需设沉淀池和污泥回流装置，不需充填填料，也不 需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。 2 2 3 厌氧颗粒污泥形成机理 g l e t t i n g a 阳3 在研究中发现，随着污泥床运行时间的增长，在床底部的污泥逐渐形 成颗粒状，成为颗粒污泥。所谓污泥颗粒化是指床中的污泥形态发生了变化，由絮状污 泥变为密实、边缘圆滑的颗粒。颗粒污泥的粒径一般为0 5 4 m m 。这样污泥床内可维持 很高的污泥浓度。 关于颗粒污泥形成的机理目前还处于研究阶段。提出了种种假说，大多数是根据观 察颗粒污泥在培养过程中所出现的现象提出的，以下列举有代表性的几种假说。 ( 1 ) l e t t i n g a 等提出了晶核假说。他们认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程，在 晶核的基础上，颗粒不断发育，直到最后形成成熟的颗粒污泥。晶核来源于接种污泥或 在运行过程中产生的无机盐，如c a c o 。等颗粒物质。此假说为一些试验所证实。例如测 得一些成熟颗粒污泥中确有c a c o 。颗粒存在，以及在颗粒污泥的培养过程中投加颗粒物 质能促进颗粒污泥形成等。 ( 2 ) 不少研究结果表明，在多数成熟的颗粒污泥中难找到晶核。颗粒污泥的形成 可不以晶核为基础而成长，而是完全靠微生物本身形成的，又有以下的观点： a 电中和作用，在研究酵母细胞的凝聚过程中发现，c a 2 + 能中和细菌细胞表面的负 电荷，能减弱细胞间的电荷斥力作用，并通过盐桥作用而促进细胞的凝聚反应。m a h o n e y 等人研究表明，在厌氧污泥颗粒化过程中，c a 2 + 也有类似的作用，因此提出了电荷中和 作用来解释污泥的颗粒化过程。 b 胞外多聚物架桥作用，这是目前比较流行的假说。在胞外多聚物中主要是胞外多 糖。这一假说认为，颗粒污泥是由于微生物( 细菌) 分泌的胞外多糖把细胞粘结起来而 形成的。s a m s o n 等人提出，有的产甲烷菌能分泌胞外多糖，而胞外多糖是形成颗粒污泥 的关键。但有关胞外多聚物在颗粒污泥形成过程中的变化及其在颗粒污泥中的分布的研 l o 长安大学硕士学位论文 究还很少。 g u i o t 根据颗粒污泥的粒径大小，把颗粒污泥分为四级：一级粒径小于0 8 m m ，二 级为0 8 - - 2 o n - d n ，三级为2 3 m ，四级粒径大于3 m m 。 颗粒污泥的培养和形成的过程，许多因素对其都有影响。其中主要有： 温度，以中温或高温为宜； 接种污泥的质量与数量，可以以絮状的消化污泥或活性污泥作为种泥，如有条 件采用已培养成的颗粒污泥作为种污泥，可大大地缩短培养时间； 碱度，进水碱度应保持在7 5 0 一- 1 0 0 0 m g l 之间； 废水性质，易于形成颗粒污泥是含碳水化合物较多的废水和碳氮比比较高的废 水； 水力负荷和有机负荷，启动时有机负荷不宜过高，一般以0 1 0 3 k g c o d ( k g v s s d ) 为宜。随着颗粒污泥的逐渐形成，有机负荷可以逐步提高。 在反应区下部的污泥床中，颗粒污泥浓度可达4 0 - - 一8 0 9 v s s l ，反应区上部的悬浮层 中，污泥浓度约为1 0 - - - 3 0g v s s l ，整个反应区污泥的平均浓度约为2 0 - - 一4 0 9 v s s l 。 2 2 4u a s b 工艺反应动力学 在连续运行的稳态生物处理系统中，同时进行着三个过程：有机基质的不断氧化 分解( 降解) ；微生物新细胞物质的不断合成；微生物老细胞由于内源呼吸作用而 不断氧化衰亡。 生物处理动力学的基本内容包括两个方面：( 1 ) 微生物增长动力学，涉及微生物增 长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系；( 2 ) 基质降解动力学，涉及基质降解 与基质浓度、生物量等因素间的关系。废水的厌氧处理还涉及产气动力学，研究甲烷产 量与基质浓度和生物量的关系。 2 2 4 1 微生物增长动力学 在废水生物处理中，微生物增长和底物降解之间存在着一定量的关系。1 9 5 1 年霍克 莱金( h e u k e l e k i a n ) 等人通过大量实验研究，得出如下方程式h 5 1 ： ( 瓤叫参喝x ( 4 - 1 ) 式中：_ ，拟微生物的净增长速率；y 一理论产率；, - d s 、基质利用速率；k d o 百j g 、石j “ 第2 章废水处理工艺及原理 一衰减常数，即微生物自身衰减率( d 一1 ) ；x 一微生物浓度( m g l ) 。 法国学者m o n o d 用纯种的微生物在单一底物的培养基上进行了微生物增殖速率与底 物浓度之间的关系的研究，获得了与米一门公式形式相似的可以用来描述底物浓度与微 生物增殖速率之间的关系，即m o n o d 方程 以：且也 ( 4 2 ) 二中篡峭臌爿d x x “2 _ - 式中：u 一微生物比增殖速率，有。 出 ； um a x 一微生物的最大比增殖速率； k s 一饱和常数，其值为u = pm a x 2 时的基质浓度； s 一基质浓度。 由于微生物的比增殖速率与基质比降解速率存在如下关系： 。k v ( 4 3 ) 所以比降解速率也可以写成m o n o d 方程的形式： v m a x s v2 一 k ，+ s ( 4 4 ) d s 式中：v 一基质比去除速率，有1 7 = ( 百) “x ，工程中此值即为污泥有机负荷n s ， t ； vm a x 一基质的最大比去除速率； v m k s - - 饱和常数，其值为2 时的基质浓度； y 。一表观产率。 m o m o d 方程作为描述微生物增长的基本方程，已经被广泛应用在污水处理反应动力 学模式中，由于没有被证明，直被认为是半经验公式。m e r c h u k 等人把化学工程中的 传质阻力理论引入到微生物增长的反应动力学中证明了m o m o d 方程。给出了如下的方程 6yh,(4-5) 一赢s 。矿 一十赢) s 式中：h s - - 限制性底物的总传质系数； 1 2 长安大学硕士学位论文 当有： pc 一细胞密度，即单位细胞体积所拥有的细胞质量； d c 一细胞表观直径； 其余符号意义同前。 墨2 棼 ( 号) ( 4 6 ) i t = 。s 式( 4 5 ) 即可化为m o n 。d 方程2 两的形式，式( 4 6 ) 还可化为： 耻等丢 dcp。(4-7) 式( 4 - - 7 ) 清晰地阐明了m o n o d 方程中饱和常数k s 的物理意义，式中： m “ 一最大比底物去除率vm a x ，表明k s 与微生物活性有关： l h ，一反应了传质对k s 的影响，可见h s 越大，k s 越小； l 6 d c p c 一反应了细胞比表面积对k s 的影响。 通过以上分析可知，k s 是一个生物过程中的综合参数，它与生物反应活性、传质特 性以及微生物自身的几何性质有关。 对于厌氧处理来说，是由水解酸化细菌、产酸菌、产甲烷菌分阶段作用的结果，各 种厌氧微生物对外界条件变化的敏感程度是不同的，外界条件变化时，不同的k s 变化 量往往造成三类微生物代谢速率的失衡而破坏整个厌氧过程。 2 2 4 2 基质降解动力学 本研究废水有机物的降解主要发生在厌氧系统中，故对u a s b 反应器的基质降解做 动力学分析。 ( 1 ) u a s b 工作状态模型 第2 章废水处理r t 艺及原理 在u a s b 反应器中，由于微生物集中分布在底部污泥 床中，约占反应器总容积的1 3 ，故生化反应主要发生在 污泥床中。据研究m 】，污泥床反应器的流态为完全混合型。 、 很多学者提出了u a s b 反应器基质降解动力学模型乜5 3 别， 研究中对u a s b 反应器完全混合模型作如下假设： 进入反应器的基质在反应区( 污泥床) 中是完全混 、 合的。 进入反应器的基质不含有微生物。 生化反应只发生在污泥床中，污泥层和沉淀区中没 有微生物代谢活动。 啡 ，与 嘶隧) + 警 ! 啤! 1 够$ 乏 ( 污泥戳啊弗 ffi j r f 吒if 、i ( 污溜柏 lqs 。 图2 - 2u a s b 反应器工作状态模型 进水中所有可生物降解的基质均为溶解性的。 沉淀区固液分离良好，反应区所产沼气都立即释放，整个处理系统是在稳态下运 行。 由以上假设，可建立u a s b 反应器的工作原理模型，如图2 - - 2 所示。 图中符号说明：y r 、v b 、v a 分别为污泥床、污泥悬浮层、沉淀区容积；q r 为进、 出水流量，g b 为沼气产量，s s 为悬浮固体；) 【0 、x e 分别为污泥床、污泥悬浮层的污泥 浓度；s 。、s e 分别为进入和流出反应器的基质浓度。 根据反应器的物料平衡有 s 。q + 瓦d s = s 。q ( 4 8 ) 由模式的推论嘲，有一警=kzxsmonod。，式中k 。为减速增长速度常数；另有 一2a 1 由模式的推论嘲，有 出 2 。，式中。为减速增长速度常数；另有 形= q t ，代入上式，整理得： s o r s e = k ：s 。 ( 4 9 ) 取u a s b 系统的研究数据，代入上式，得u a s b 系统的k 。= 0 0 0 1 3 。 u a s b 系统的动力学参数k 。与温度、水力停留时间、进水基质浓度等外部条件有关。 1 4 长安大学硕士学位论文 c h , , o b n d + n _ 搿a b i _ d 舻c 羚鲁+ 铷：+ 一 ( 4 州) + 【兰+ 詈一三+ 等叫+ 能量 h - 1 4 c h 3 一n h 2 + 2 厶乙0 专3 c h 4 + c 0 2 + 4 m 3 + 能量 和社会效益。这种新工艺的研究和发展具有广阔的应用前景口1 。 器，占全部项目的6 0 左右n 们。我国从1 9 8 1 年开始进行了u a s b 反应器处理有机废水方 中u a s b 反应器有1 2 0 个以上，占全部项目的5 8 n 训。目前u a s b 是最为广泛研究和应用 的厌氧生物处理技术啼1 ，从主要在中温下处理高浓度有机废水发展到在常温下处理中、 低浓度工业有机废水和生活污水n 。 1 5 第2 章废水处理工艺及原理 如各类发酵工业、淀粉加工、皮革、制糖、罐头、饮料、牛奶与乳制品、蔬菜n i 、豆 制品、肉类加工、造纸、制药、石油精练及石油化工等各种来源的有机废水n 引。表2 5 列出了国内部分u a s b 技术应用实例。由表可以看出，u a s b 具有很高的容积负荷率和污 泥负荷率，应用u a s b 处理高浓度有机废水有着十分广阔的前景。 表2 5国内部分u a s b 治理高浓度有机废水技术 试验温度装置容积进水c o d 浓度c o d 去除率 容积负荷 产气率 废水种类 研究单位 ( )( m a ) ( m g l ) ( ) ( k g m 3 d ) ( m 3 m 2 d ) 味精废水 3 04 61 2 0 0 08 85 52 3 北京环保所 酒厂废水3 22 02 5 0 0 09 0 6 7 2 5 西南师范 淀粉废水 3 51 2 51 7 0 0 09 21 0 28 1 武汉能源所 丙丁废醪 4 01 4 0 1 5 0 0 0 9 0 9 5 4 5 华北制药厂 脱酸废水 3 62 51 8 0 0 06 06 01 8 湖南冶金所 制药废水 3 06 34 0 0 08 07 01 6 徐州环保所 2 3s b r 工艺概述 2 3 1好氧生物处理原理及特点 自然界存在着丰富的微生物种群，这些微生物虽然个体微小，但在环境污染净化中 却扮演着不容忽视的重要角色。微生物由于自身的生理特性，可以通过自发的或人为的 遗传、变异等生物过程适应环境的变化，使之能以各种污染物，尤其是有机污染物为营 养源，通过吸收、代谢等一系列反应，将环境中的污染物转化为稳定无害的无机物。 科学家们利用并强化微生物的这一功能，处理环境污染尤其是废水和固体废弃物污 染，发展了污染物的生物处理方法。利用微生物进行环境净化必须营造适宜微生物生长 的环境，使之充分发挥其降解功能。废水的生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处 理。好氧生物处理利用好氧在有氧条件下的代谢作用，将废水中复杂的有机物分解成二 氧化碳和水。这一过程需要在一定的处理构筑物内完成，其重要条件是保证充足的氧气 供应、稳定的温度及水质。 好氧生物处理是在有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其 稳定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物( 以溶解状与胶体状的 为主) ，作为营养源进行好氧代谢。 1 6 长安大学硕士学位论文 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；约有三分之二被转化，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，通常称其剩 余活性污泥或生物膜，又称生物污泥。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。 优点：好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较 小。且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，或者说b o d 浓度小于5 0 0 m g l 的有机废水，基本上采用好氧生物处理法。 2 3 2s b r 的工艺流程与特点 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) ，即序批式活性污泥法，原本是最早的一种活性 污泥法运行方式，由于管理操作复杂，未被广泛应用。近些年来，自控技术的迅速发展 重新为其注入了生机，使其发展成为简单可靠、经济有效和多功能的技术。它的反应机 理以及污染物质的去除机制和传统活性污泥法基本相同，仅运行操作不一样。活性污泥 法利用微生物去除有机物，首先需要微生物将有机物转化成c 0 2 、h z o 以及微生物菌体， 反应后需要将微生物保存下来，在适当时间通过排除剩余污泥从系统中除去新增的微生 物。连续流工艺是从空间上进行这一过程的，污水首先进入反应池( 曝气池) ，然后进 入沉淀池对混合液进行沉淀，与微生物分离后的上清液外排。而s b r 则是通过在时间上 的交替实现这一过程，它在流程上只设一个反应池，将曝气池和二沉池的功能集中在该 反应池上，兼行水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能口1 。 s b r 法具有以下几个特点n 3 1 ： ( 1 ) 对水质水量变化的适应性强，运行稳定，适于水质水量变化较大的中小城镇 污水处理，也适应高浓度污水处理。 ( 2 ) 为非稳态反应，反应时间短；静沉时间也短，可不设初沉池和二沉池；体积 小，基建费比常规活性污泥法约省2 2 ，占地少3 8 左右。 ( 3 ) 处理效果好，b o d 。去除率达9 5 ，且产泥量少。 ( 4 ) 好氧、缺氧、厌氧交替出现，能同时具有脱氮( 8 0 , - - 9 0 ) 和除磷( 8 0 ) 的功能。 ( 5 ) 反应池占溶解氧浓度在o - - - 2 m g l 之间变化，可减少能耗，在同时完成脱氮除 磷的情况下，其能耗仅相当传统活性污泥法。 1 7 第2 章废水处理工艺及原理 s b r 工艺在时间和空间上的特点，造就了s b r 工艺在运行操作上的灵活性，使得s b r 工艺的发展呈现了多样性，目前已经开发出了i c e a s 、c a s s 、c a s t 、u n i t a n k 等新型s b r 工艺，可以适应不同的处理水质及处理要求。 s b r 工艺采用连续进水、间歇排水的处理方式，其反应池具有一定的调节功能，可 以在一定程度上起到均衡水质、水量的作用。通过供气系统、搅拌系统、自动控制方式 等的设计及闲置期时间的选择，可以将s b r 工艺与调节、厌氧处理工艺结合起来，使三 者合建在一起，从而节约投资与运行管理费用。 2 3 3s b r 的工作原理与运行操作 间歇式活性污泥法曝气池的运行周期由进水、曝气、反应、沉淀、排水、闲置待机 五个工序组成，而且这五个工序都是在曝气池内进行，其工作原理见图2 3 n 引： 进水反应沉淀 图2 - 3s b r 曝气池运行工序示意图 待机( 闲置) ( 1 ) 进水工序 进水工序是指从开始进水至到达反应器最大容积期间的所有操作。进水工序的主要 任务是向反应器中注水，但通过改变进水期间的曝气方式，也能够实现其他功能。进水 阶段的曝气方式分为非限制曝气、半限制曝气和限制曝气。 非限量曝气就是边进水，边曝气，进水曝气同步进行。这种方式即可取得预曝气的 效果，又可取得使污泥再生恢复其活性的作用。限量曝气就是在进水阶