（环境工程专业论文）上流式多级厌氧反应器（umar）处理糖蜜酒精废水的研究.pdf

上流式多级厌氧反应器( u m a r ) 处理糖蜜酒精废水的研究 摘要 上流式多级厌氧反应器( u m a r ) 是一种新型高效的厌氧反应器，具有 投资少、占地面积小、有机负荷高、出水稳定和耐冲击负荷能力强等特点。 本研究采用u m a r 反应器对糖蜜酒精废水进行试验研究，试验结果表明：在 进水c o d 浓度7 4 0 0 m g l ，水力停留时间( h r t ) 为7 1h ，进水温度控制在 3 5 3 7 ，p h 值为7 ，o 7 2 时，u m a r 反应器对c o d 的去除率可达到8 1 。 此外，试验还对u m a r 反应器的启动性能、稳定运行特性、抗冲击负荷 性能和再次启动性能进行了研究。试验表明：u m a r 反应器在处理糖蜜酒精 废水时，具有启动周期较短、负荷提高快、c o d 容积负荷和去除率高等优点。 当容积负荷达到1 1 k g c o d ( m 3 d ) 时，c o d 去除率达到8 0 左右。试验 结果表明：u m a r 反应器运行稳定，对有机物的去除效果好，抗冲击负荷能 力强。反应器水力停留时间缩短至4 2 h 时，c o d 去除率可达到7 3 左右， 容积负荷达4 0 5k g c o d ( m 3 d ) 时，c o d 去除率仍可保持在6 5 以上，反应 器在中断运行一段时间后，能快速恢复处理能力。 反应器的启动结束后，颗粒污泥性质发生显著变化，污泥颜色加深， 颗粒污泥平均直径由o 5 1 3 m m 增加到1 2 - 4 o m m ，颗粒污泥最大沉降速 度达到1 0 4 5 m h ，比产甲烷活性是接种污泥的1 6 倍，v s s t s s 值增加了 6 9 。对反应器内的颗粒污泥进行的扫描电镜观察表明，颗粒污泥表面的 菌种以球状菌、杆状菌和丝状菌为主，大量的丝状菌把球状菌和杆状菌紧 t 紧地缠绕在一起。 关键词：u m a r糖蜜酒精废水厌氧处理 s t u d yo nm o l a s s e sa l c o h o u a s t e w a t e r t r e a t m e n twit hu p f l o wm u l tis t a g ea n a e r o bic r e a c t o r a b s t r a c t t h eu p - f l o wm u l t i s t a g ea n a e r o b i cr e a c t o r ( u m a r ) i san e ws t y l ea n dh i g he f f i c i e n c y a n a e r o b i cr e a c t o r i tc a nb eo p e r a t e da th i g hv o l u m el o a d i n gr a t e sa n dh i g hl i q u i du p - f l o w v e l o c i t yw 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 n t h es t u d yo nt h eu m a rd i s p o s eo f t h em o l a s s e sa l c o h o lw a s t e w a t e ri n d i c a t e st h a tt h eu m a r s y s t e mc a ns h o wi t sc o d r e m o v a l r a t e 州t h8 1 ，w h e nt h ei n f l u e n tt e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e db e t w e e n3 5 3 7 。c ，c o d 7 4 0 0 m g l 。 p h7 0 - 7 2 h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e7 1 h i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h e do nt h ec a p a c i t yo fs t a r t u p ，s t a b l er u n n i n g ，r e s i s t i m p a c ta n dr e s t a r t u po ft h eu m a rs y s t e m t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h eu m a rh a st h e a d v a n t a g e so fs h o r ts t a r t u pp e r i o d ，l o a d i n ge n h a n c ef a s t ，h i g hc o dv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e a n dc o dr e m o v a lr a t e w h e nt h ev o l u m e t r i cl o a d i n gr a t er e a c h e d1l k g c o d ( m 3 d ) ，a n dt h ec o dr e m o v a lw a s a b o u t8 0 a f t e rt h es y s t e mr u n n i n gh a df i n i s h e d ，t h eu m a r d i s p l a y e di t sc h a r a c t e r i s t i c so f r u n n i n gs t a b l y , o r g a n i cm a t t e rr e m o v a le f f e c tb e t t e ra n dr e s i s ti m p a c tc a p a c i t ys t r o n g l y i nt h e a d d i t i o no f h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e4 2 h ，t h ec o dr e m o v a lw a s7 3 ，w h e nt h ev o l u m e t r i c l o a d i n gr a t er e a c h e d11k g c o d ( m 3 d ) t h ec o d r e m o v a lw a sa b o u t8 0 t h ed i s p o s ee f f e c t o f t h eu m a rc o u l dr e c o v e rq u i c k l ya f t e ral o n gp e r i o d so f t i m e a t e rt h es t a r t u p ，t h ec h a r a c t e r so f t h eg r a n u l a rs l u d g ec h a n g e dw m a n a b l y t h eg r a n u l a r s l u d g ew a sd a r k e r , t h ep a r t i c l es i z eo b v i o u s l yi n c r e a s e df r o m0 5 1 3 m mt o1 2 4 0 m m ，t h e s e d i m e n t a t i o nc a p a b i l i t yw a s1 0 4 5 m h ，c o n t r a s t e dt ot h ev a c c i n a t i o ns l u d g e ，t h es p e c i f i c l it m e t h a n o g e n i ca c t i v i t yi n c r e a s e dt o1 6t i m e s ，v s s t s sv a l u ei n c r e a s e dt o6 9 t h r o u g h s e m ，g r a n u l a rs l u d g ew a sc o v e r e db ym a s s i v eb a l lb a c t e r i u m 、b a c i l l u sa n df i l a m e n t o u s b a c t e r i am a i n l y ，f i l a m e n t o u sb a c t e r i am u t u a l l yt w i n e dt h eb a l lb a c t e r i u ma n db a c i l l u s b a c t e r i a k e yw o r d s ：u m a r ；m o l a s s e sa l c o h o lw 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 v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知 识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内 容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其 它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明 确说明并致谢。 论文作者签名：兰重 砷年6 月i o b 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：兰曼 导师签年6 月何日 广西大学硕士掌位论文 上流式多级厌氧反应器( u m a r ) 处理糖蜜酒精废水的研究 第一章绪论 1 1 我国酒精工业废水的污染现状 酒精是重要的基础化工原料，广泛应用于化学工业、食品工业、日用化工、医药卫 生等领域。改革开放以来，我国的酒精工业有了很大的发展。 酒精的生产方法可以分为发酵法和化学合成法两大类，发酵法是我国酒精生产的主 要方法。发酵法采用含糖量很高的甘蔗、甜菜或制糖过程的副产物糖蜜为原料。在我国 南方，如广东、广西、贵州、云南等盛产甘蔗地区主要以甘蔗制糖过程中的副产物糖蜜 作为酒精发酵的原料生产酒精。 据报道，我国酒精工业排放的高浓度废水每年达5 ，0 0 0 万吨t 1 1 ，排放的c o d 约3 6 0 万 吨，排放的b o d 约1 8 0 万吨，约占全国工业废水c o d 和排放总量的1 8 ，是造成我国水环 境污染严重的第二大轻工业行业【2 1 。一个每天生产2 0 吨的酒精厂排出的酒精废液相当于 一个5 0 万人口城市的污水排放程度 3 1 。这一大污染源不仅使环境遭受到了极大的破坏， 而且随着国家掀起治理的警钟越来越近，还威胁到了这些企业的自身发展和生存，己经 到了非治理不可的地步。 广西有着丰富的甘蔗资源，全区甘蔗种植面积为5 5 5 1 0 4 公顷，制糖业是广西重要 支柱产业之一。全区现有糖厂1 0 8 家，年产糖量4 5 6 万吨，占全国糖业产量的5 3 ，其中 有9 6 家糖厂利用制糖产生的废糖蜜制造酒精 4 5 】。而且以糖蜜生产酒精已在广西形成规 模并成为当地的经济支柱，成为提高综合经济效益的一项重要措施。 典型的糖蜜酒精厂每生产1 o t 酒精要排放l o 1 5 t 的酒精废液。仅就广西而言，全 区有9 6 家以废糖蜜作原料生产酒精的糖厂，每年向江河排放的酒精废水2 0 0 2 2 0 万吨 1 5 1 ，所排污水量虽然只占全区工业污水总量的5 3 t 5 1 ，但是有机污染物的量却占全区排 放总量的7 2 7 8 1 5 j ，c o d c r 、b o d 5 、悬浮物等严重超标。若任其自由排放，将导致不 堪设想的后果，所以有效的治理糖蜜酒精废水，实现废水的达标排放，对减少污染、保 护环境、维持生态平衡及对广西经济发展有着重要的意义。 1 2 糖蜜酒精废水的来源、特点及危害 糖蜜酒精废水是以糖蜜为原料经发酵后，发酵醪液在酒精初馏塔蒸馏出酒精后排放 的废水。其工艺流程如图1 1 。 上流式多级厌氧反应器( u u a r ) 楚理糖謇酒精废水的研究 图1 - 1 糖蜜酒精生产滚程 f i g 1 - 1t h ep r o d u c t i o np r o c e d u r eo f m o l a s s e sa l c o h o l 糖蜜酒精废水排放量大，每生产1 吨酒精排出的废水为1 0 1 5 吨，是制糖工业最严 重的污染源。表1 - 1 列出了糖蜜酒精废水的水质特点 6 - 1j l 。 表i 一1 糖蜜酒精废水的水质特点 1 a b l e l 1c h a r a c t e r i s t i c so f m o l a s s e s a l e o h o lw a s t e r w a t e r 指标 数值 c o d c ，( r a g l ) b o d 5 ( m g ，l ) 总嘲形物( m e l ) 总溶解物( m e l ) s s ( m e l ) t n ( r a g l ) t p ( m g l ) s 0 4 2 - ( r a g l ) 钾( r a g l ) 色度( 倍) p h 6 0 。0 0 1 4 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 - - 7 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 肛1 0 0 ，0 0 0 8 0 ，0 0 0 1 1 6 3 l ，0 0 0 - - 2 ，0 0 0 8 0 0 1 2 0 0 2 ，0 0 0 - - 6 ，0 0 0 8 0 0 0 1 2 , 0 0 0 2 0 0 0 5 ，0 0 0 3 5 4 由表1 1 可以看出，糖蜜酒精废水c o d c r 、b o d 5 浓度较高，属于高浓度有机废水。 废水色度高，大多呈棕黑色，其中所含色素为类黑色素、棕色素，其主要成分为焦糖色 素、酚类色素、多糖分解产物和与氨基酸的浓聚产物等色素，难以被微生物所降解，耐 温、耐光照，放置时间延长其色值不减。由于废水颜色较深，直接排入水体会妨碍日光 在水中的透射，不利于水生植物及藻类的光合作用，其结果是减少了水生动物的食饵并 降低了水中的溶解氧浓度，从而影响了水生动物的生长i t 2 1 。 糖蜜酒精废水呈酸性，含有硫酸盐及有机酸，腐蚀性强。这些有机酸和无机酸直接 排灌农田不仅烧死庄稼，而且使土壤板结【l 们。 此外，糖蜜酒精废水含有大量低分子化合物，如乳酸、丙三醇、乙醇和醋酸等【l ”， 以及大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物，氮、磷含量高，如果直接排 2 上流式多级厌氧反应器( u 姒r ) 楚理糖蜜酒精废水的研究 放，会造成水体富营养化。 1 3 国内外治理糖蜜酒精废水的研究现状 目前国内外主要采用的处理方法是：农灌法、废液浓缩法、锅炉烟气处理法和生化 处理法。 1 3 1 农灌法 将糖蜜酒精废水直接施放蔗地，是一种极为普遍的方法【1 4 l ，澳大利亚、巴西等国在 这方面已有一套科学的管理方法，根据不同的土壤成分，制订不同农作物生长期的单位 面积施放量。农灌法可使糖蜜酒精废水中含有丰富的氮化合物，和n 、p 、k 等元素再被 农作物吸收利用，形成自然循环过程，且投资少，操作简单。 农灌法的缺点是：需大量的废水贮存池，一般规模的糖厂需2 个7 0 0 0 m 3 的贮存池： 其施用要视土壤的类型而定，如不加区别的长期使用，由于养分单一，易破坏土壤的结 构，引起土壤板结和营养元素失衡而引起肥力降低【”1 。另外，对酒精产量高、附近农田 少的厂家，农灌法不适宜。 1 3 2 废液浓缩法 浓缩法分为浓缩焚烧法和浓缩后综合利用法1 1 6 1 。 焚烧法是国外广泛采用的酒精废液治理方法。其原理是将废液浓缩至一定浓度，使 热值达到一定水平后，用专用的焚烧炉进行焚烧。广西贵糖集团最早实施此法，由国家 轻工业部组织了项目鉴定。但是糖蜜酒精废液浓缩后喷入蔗渣炉燃烧，易引起炉膛结焦， 致使锅炉热效率明显降低，因此经常要停机清理炉焦，最终使此法的试验和运行难以维 持。 糖蜜酒精废液浓缩后再综合利用的方法被认为是当前较彻底的治理方案【1 7 j 。将糖蜜 酒精废水用石灰中和至p h 7 7 5 ，然后采用外加热循环管外沸腾蒸发器进行蒸发浓缩。 此设备对这类粘度大，易结垢溶液的蒸发有较好的效果。蒸发冷凝下来的水可回用于酒 精生产。浓缩浆液掺入干蔗渣粉，经干燥后可回收作肥料、饲料、水泥等。 浓缩处理可实现废液的零排放，治理较为彻底。是目前国内外比较推崇的治理方法。 但该法设备投资大，浓缩的能耗高，且还存在蒸发过程中设备腐蚀和积垢严重等问题。 经再处理工艺制成的产品质量常常不稳定，档次不高，缺乏竞争力，易使生产陷入困境 而影响废液的治理。对焚烧工艺，焚烧排出的废气还需要再进行处理，焚烧技术目前也 未完全过关。 广。西大掌硕士掌位论文 上流式多级厌牵属应器( t l a r 笼理糖蜜酒精废水的研究 1 3 3 锅炉烟气处理法 糖蜜酒精废液的锅炉烟气浓缩方案，就是利用烟气的余热使酒精废液的水分蒸发而 浓缩，同时，利用烟灰吸附废水中的有机物而净化除尘。废液经反复循环使用，最后呈 浓浆而排放。此方案由广西环保科技开发公司提出1 8 】，已有十几家糖厂采用。是一种简 易的酒精废液处理方法，但还不能达标排放，并会造成二次污染。 1 3 4 生化处理法 生化法处理废水一经问世，便引起了人们的普遍兴趣。该技术主要是利用微生物自 身的新陈代谢过程达到净化水体的目的。生化法分为好氧法和厌氧法。废水的厌氧生物 处理是指在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无 害化处理方法。而废水的好氧生物处理是一种在提供游离氧的前提下，以好氧微生物为 主，使有机物降解、稳定的一种无害化处理方法。 由于糖蜜酒精废水中的主要成分多为微生物可利用的营养物质，废水的可生化性 好，因此国内外对此废水较常采用生化法进行处理。根据这类废水有机物浓度高的特点， 采用的方法主要有厌氧处理法和好氧处理法。 1 3 4 1 厌氧处理法 糖蜜酒精废水是一种高浓度有机废水，c o d 浓度高达6 0 ，0 0 0 1 4 0 。0 0 0m g l ，适宜 首先采用厌氧法进行处理。目前常用于处理糖蜜酒精废水的厌氧技术主要有上流式厌氧 污泥床( u a s b ) 、上流式厌氧过滤器( u a f ) 、流动床反应器。 ( 1 ) 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 在高效厌氧处理系统中，u a s b 反应器被广泛地应用于各种工业废水的厌氧处理。 u a s b 反应器有其他厌氧工艺不可比拟的优点，可实现污泥颗粒化，固体停留时间长达 1 0 0 天，气、固、液分离实现一体化，因而具有很高的处理能力和处理效率，适合于糖 蜜酒精废水这种高浓度有机废水的处理【1 9 l 。 h a r a d a 等研究表明i 2 0 j ，u a s b 处理糖蜜酒精废水的有机负荷达2 8 k g c o d ( m 3 d ) ， c o d 去除率3 9 - 6 0 ，b o d 去除率达8 0 以上。中科院与广西必佳公司合作，进行了用 u a s b 技术处理糖蜜酒精废液的中试【2 ”，1 5 天即完成启动阶段，运行负荷稳定在 4 0 k g c o d ( m 3 d ) ，去除率5 0 左右，产气率为o 4 5 7 m 3 k g c o d 。但是糖蜜酒精废水 调节p h 值后进入u a s b 反应器，必须要先进行稀释 2 2 】，因为调节p h 值后会产生一些抑制 性物质，如硫化合物、钾离子和钙离子等。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国在用u a s b 反应器处理糖蜜酒精废液的理论研究和产业化 应用上进行了积极的探索和尝试，在多个糖厂建成了u a s b 处理设施，虽然也取得了一 定的效果，但与国外先进水平相比，仍有很大的差距，主要表现为处理效率还不够高【2 。 4 上流式多圾厌氧厦应器( u m a r ) 楚理糖蜜酒精废水的研究 ( 2 ) 上流式厌氧过滤器( u a f ) 2 3 1 u a f 通过填料能固定生长更多的微生物，微生物量越多，可以承受的容积负荷也 越高，对有机负荷变化的适应性也越强。由于微生物主要以生物膜的形式附着生长，水 力冲击负荷也不会造成污泥大量流失，冲击负荷过后能很快地自动恢复正常运行，因此 u a f 的抗水力和有机负荷能力强，运行稳定性好。 u a f 为推流流态，有机物种类和浓度在u a f 内从下而上呈梯度变化，故不会造成 有机物在降解过程中的相互抑制，能够保证各类厌氧微生物的生长和活性，有机物去除 效率高。t o k u s a 0 2 1 应用u a f 处理酒精废水，c o d 去除率达至u 7 6 。 ( 3 ) 流化床反应器冽 流化床反应器采用砂石、塑料等物质作为微生物附着生长的载体，该反应器的流化 态能最大程度使厌氧污泥与被处理的废水接触。由于颗粒与流体相对运动速度高，液膜 扩散阻力较小，且由于形成的生物膜较薄，传质作用强，因此生物化学过程进行较快， 允许废水在反应器内有较短的水力停留时间，并且克服了厌氧滤器的堵塞和沟流。g a r c i a 等的研究表明【1 2 j ，采用流化床反应器处理糖蜜酒精废水，能达至1 j 7 5 9 5 的去除率。 1 3 4 2 好氧处理法 好氧法由于受供氧限制，一般只适用于中、低浓度有机废水的处理。经过厌氧处理 的糖蜜酒精废水，其有机浓度还较高，不能够直接排放，一般要采取好氧法进行二次处 理。目前常用的好氧处理法有氧化塘法和活性污泥法。 ( 1 ) 氧化塘法睇4 1 目前我国部分糖厂采用的氧化塘处理法是指将糖蜜酒精废液排放至附近一个容积 较大的池塘，贮存几个月，进行自然发酵与沉降分解，停榨后排入江河。普通氧化塘的 生化效率很低，易发臭，分解时间长达半个月以上，废水停留时间长，且占用氧化塘库 容大。实际上，目前糖厂的氧化塘容积往往不够大，且本身还存在渗漏问题，c o d 、b o d 的去除也远未能达到排放标准。 在国外，氧化塘工艺已发展到高级氧化塘。经过专门设计和制造的高氧化塘可提高 生化效率3 5 倍，且可消除臭气。氧化塘法的特点是运行成本不高，操作简单，但一次 性投资大，需要场地宽。高级氧化塘技术在我国还处于试用阶段。 ( 2 ) 活性污泥法 活性污泥法的基本工艺流程：经初次沉淀的污水与回流污泥注入生化反应池内，同 时向池中鼓风曝气提供降解有机物所需的氧气，混合液在池中呈推流形式流至池的末 端，进入二次沉淀池，在此进行泥水分离，二沉池中浓缩的污泥部分回流至曝气池，部 分作为剩余污泥排到污泥浓缩池。 s b r 一序批式间歇活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是常用于处理糖蜜酒精废水 的一种活性污泥法。t o r r i j o s 【1 2 】等用s b r 法处理酿酒厂的废水，反应器启动7 天后，出水 广西大学硕士掌位论文 上流式多级厌氧反应器( u l t a r ) 笼理糟蜜酒精废水的研究 c o d 和b o d 去除率分别达至f j 9 3 、9 7 5 。s b r 在空间上属于完全混合型反应器，但在 运行时间上又符合理想推流式反应器，因此具有两者的特点。曝气池的运行操作由进水 期、反应期、沉淀期、排水排泥期和闲置期五个工序组成1 2 ”。该工艺具有的特点是：沉 淀性能好，有机物去除效率高，提高难降解废水的处理效率，抑制丝状菌膨胀，可以除 磷脱氮，不需要新增反应器不需二沉池和污泥回流，工艺较简单。 生化法是目前糖蜜酒精废水处理采用的最广泛的方法，并取得了一定的去除效果。 但是仍然存在着不足之处l l “，厌氧法处理时间较长，反应器初次启动过程缓慢，由于废 水有机浓度高，废水进入厌氧反应前还需要稀释；好氧法运行费用和曝气能耗较高，占 地面积大，投资大。厌氧法与好氧法对糖蜜酒精废水的色度去除效果并不明显，主要是 因为引起糖蜜酒精废水色度较高的物质还没有完全研究清楚，以致于不能研究出解决色 度问题的根本方法。因此，开发一种高效、投资少、能耗低的生化反应器是处理糖蜜酒 精废水的关键。 1 4 废水厌氧生化处理技术 我国是一个发展中国家，经济技术相对落后，而目前所面临的水环境污染问题又十 分严峻。因此，必须找到一种适合中国国情的治理方法，既能改善环境污染问题，又能 投入最少的资金。与传统的好氧处理工艺相比，厌氧处理工艺具有以下优点1 2 6 1 ： ( 1 ) 厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的可利用的能源。 ( 2 ) 厌氧工艺的剩余污泥量远少于好氧工艺。污泥经过厌氧处理后，性质稳定，宜于脱 水，污泥处置费用低。 ( 3 ) 厌氧过程对营养元素要求低。 ( 4 ) 适于处理高浓度废水，处理效率高。 ( 5 ) 投资成本一般较低，运行管理费用也大大低于好氧工艺。 ( 6 ) 由于厌氧工艺中细菌的组成及代谢途径具有多样性，许多在好氧工艺中难以降解的 复杂有机物在厌氧工艺中可以被顺利降解。 综上所述，厌氧废水处理是一种把环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的 综合系统核心技术，具有较好的环境与经济效益，是一种变废为宝的可持续发展环保技 术。因此，厌氧处理工艺应该是一种优先采纳的废水处理技术。 1 4 1 厌氧消化原理 厌氧消化是一个复杂的微生物作用过程，需要厌氧或兼性微生物种群进行综合而协 调的代谢活动，最终使复杂的有机物完全降解为c 8 4 ，c o ：，h 2 s 和h n 3 。 各国学者对厌氧消化基本原理进行不断研究和探索。1 9 3 0 年b u s w e l l 和n e a v e t 2 7 1 经 过研究认为有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段，在产酸阶段( y - 称 6 广西大掌硕士掌位论文 上流式多级厌牵反应器( t m l a r ) 笼理j 膏蜜酒精废水的研究 酸性发酵阶段) ，由发酵性细菌把复杂的有机物水解和发酵，形成脂肪酸、醇类等发酵 产物；在碱性发酵阶段( 又称甲烷发酵阶段) ，由产甲烷菌将第一阶段的发酵产物转化为 甲烷。 随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程认识 不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。1 9 7 9 年，m - - - 。a n t 2 8 】根据对产甲烷菌和产氢 产乙酸菌的研究结果，认为两阶段理论不够完善，提出了三阶段理论如图l - 2 所示，即： 水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段，并突出了产氢产乙酸菌的地位和作用。 该理论认为，复杂有机物的厌氧分解，第一阶段也是水解和发酵；第二阶段，在产氢产 乙酸菌的作用下，将第一阶段的发酵产物丙酸、丁酸、乙醇等转化为乙酸、h 2 和c 0 2 ： 第三阶段，在产甲烷菌的作用下，乙酸、h 2 和c 0 2 进一步转化为c h 4 。 1 4 2 厌氧工艺发展历程 图1 - 2 三阶段厌氧消化过程示意图 f i g 1 - 2m u l t i p h a s en a t u r eo f a n a e r o b i cd i g e s t i o n 厌氧生物处理技术的发展起源于城市污水废污泥的处理。从1 8 8 1 年法国的莫拉斯 ( m o u r n s ) 发明“污泥自动净化器”开始 2 9 1 ，到目i j i 己经有一百多年的历史，其问发展非 常缓慢。1 8 9 6 年在英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，并将收集的气体 用于厌氧消化池运行的加热和街道照明【3 0 】。直到2 0 世纪六七十年代，随着经济的快速发 展以及城市的迅速扩展，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的处理方法，才得到人们越来越广泛的重视。在此期间，厌氧 消化技术主要可以划分为三个发展阶段： 第一阶段( 1 8 6 0 1 8 9 9 ) ：简单的沉淀与厌氧发酵池并行的初期发展阶段。这个阶段的 特点是：把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池中进行，即以简易的沉淀池为基础， 适当扩大其污泥储存容积，作为挥发性悬浮生物固体液化的场所。其处理对象为污水、 污泥。 第二阶段( 1 8 9 9 1 9 0 6 ) ；污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。这个阶段的特点 是：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进 行，由此形成了所谓的双层沉淀池；当时的污染指标仍以悬浮固体为主，但生物气的 7 广西大掌硕士掌位论文 上流式多级厌氧反应器( u m a r ) 建理糖蜜酒精废水的研究 能源功能已为人所认识，并开始开发利用。1 9 0 4 年德国z m h o 剜每其发展成为z m h o f ：f 双层 沉淀池( 即腐化池) ，这一工艺仍然在有效地利用【3 1 1 。 第三阶段( 1 9 0 6 ) ：独立式营建的高级发展阶段。这个发展阶段的特点是：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；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 也被看作重要任务提到了议事日程；处理对象除s s 外，还着眼于b o d 5 和c o d 的降低 以及某些有机毒物的降解。 1 4 3 厌氧反应器的发展 在厌氧消化工艺发展过程中，厌氧反应器是发展最快的领域之一。高效厌氧反应器 系统必须满足的原则是：能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄；保证所 处理的废水和污泥之间的充分接触。基于这两个原则，厌氧反应器经历了以下三个发展 时期。 1 4 3 1 第一代厌氧反应器 以厌氧消化池为代表，其h r t = s r t 。厌氧微生物生长缓慢，世代周期长，足够长 的停留时间是厌氧工艺成功的关键条件。很显然，厌氧消化池中微生物( 9 0 厌氧污泥) 与 废水或废料完全混合在一起，无法将污泥在反应器中的停留时间( s r t ) 与废水的停留时 间( h r t ) 进行分离，因此污泥在反应器中浓度较低，处理效率不高。此时的厌氧处理技 术多用于农村粪肥发酵或城市废水处理装置的污泥消化，它尚不能经济地应用于工业废 水的处理。 1 4 3 2 第二代厌氧反应器 实现了“污泥停留时间与水力停留时间相分离”，实现了s r t h r t ，提高了反应 器内的污泥浓度。第二代厌氧反应器具有一些突出的优点：具有高的有机负荷和水力 负荷，因而反应器的容积比传统装置减少9 0 以上；在不利条件下( 低温、冲击负荷、 存在抑制物质等) 仍具有较高的稳定性；反应器建造简单，结构紧凑，从而投资小， 占地面积少；操作和管理简便，同时产生沼气。以厌氧滤池( a f ) ，升流式厌氧污泥床 ( u a s b ) 为代表。 荷兰农业大学环境系l e t t i n g a 等 3 2 - 3 5 1 于1 9 7 9 年发明的上流式厌氧污泥床反应器， u a s b ( 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 ) ，依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用， 使污泥停留在反应器中，从而提高了反应器内的污泥浓度，也提高了反应器的有机负荷。 u a s b 工艺使得厌氧处理高浓度废水的停留时间从几天或几十天缩短到几个小时或几 天，大大降低了有机废水厌氧处理工程的造价，因而很快被广泛应用于工业废水和生活 污水的处理中，成为第二代厌氧反应器的典型代表。自从生产规模的u a s b 反应器投入 8 广。日大学硕士掌位论文 上流式多级厌摹厦应嚣( u l a r ) 赴理糖蜜酒精废水的研究 运行后，其处理废水几乎包括了所有以有机污染物为主的废水，如各类发酵工业、淀粉 加工、制糖、食品加工、乳制品加工、造纸、皮革、制药及石油化工等各种来源的有机 废水。 1 4 3 3 第三代厌氧反应器 在s r t h r t 的基础上，提高进水速度，使固液两相充分接触，强化了传质效果。 第三代厌氧反应器的共同特点是：微生物以颗粒污泥固定化方式存在于反应器中，反应 器单位容积的生物量更高，能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能； 具有较大的高径比；占地面积少。并以厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 1 3 6 1 ，内循环厌氧反 应器( i c ) ，厌氧上流污泥床一过滤器( u b f ) ，厌氧序批式间歇反应器( a s b r ) 为代表。 i c ( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 工艺是荷兰p a q u e s 公司基于u a s b 反应器污泥颗粒化和三 相分离器的概念改进而成的新型反应器工艺【3 4 1 。该工艺是为克服u a s b 反应器所存在 的在处理中低浓度废水时，为利于污泥颗粒化而控制较高的上升流速以及在处理高浓度 废水时因较高的负荷及大量产气所造成的污泥流失的问题而研究开发的。因而，i c 反应 器不仅更适宜于中、低浓度废水的处理，同时在处理高浓度废水时，其运行负荷及处理 能力将比u a s b 更高。 i c 反应器由两个u a s b 反应器的单元重叠而成，共包括4 个功能单元：混合区、污泥 膨胀床区、精处理区和内循环系统。其中内循环系统是i c 反应器的核心部分，由三相分 离器、沼气上升管、气液分离器和泥水下降管组成。结构示意图如图1 3 。 i c 反应器的工作原理是：废水由反应器底部进入混合区，与泥水下降管的内循环泥 水充分混合后，进入污泥膨胀床区。废水中的大部分有机物在反应器颗粒污泥膨胀床区 被降解转化为沼气，然后进入上部精处理区进一步降解，最后从出水口排出，颗粒污泥 膨胀床区污泥量大，为高负荷区。在高负荷区产生的大量沼气由低部位的集气罩收集， 并携带泥水经沼气提升管至反应器顶部的气液分离器进行分离，沼气由此被分离出来， 泥水混合液则经下降管回流至反应器底部的混合区，并与进水充分混合后进入污泥膨胀 床区，从而完成了内循环的过程，i c 的命名也由此而来。 9 广西大掌硕士掌位论文 上流式多圾厌氧反应嚣( u 凇r ) 建理糖蜜酒精废水的研究 图1 - 3 内循环厌氧反应器结构示意图 f i g 1 - 3t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo f i cr e a c t o r i c 反应器上下两个动力学过程不同的反应室的设置实现了高负荷与污泥流失相分 离，既保持了高浓度生物量，又强化了传质过程，故有机负荷很高。但是i c 反应器也 存在着不足：结构复杂难维护；没有合理的水力模型，升流管和下降管直径的难以确定。 1 5 上流式多级厌氧反应器( u m a r ) 上流式多级厌氧反应器( u m a r ，u p f l o wm u l t i s t a g ea n a e r o b i cr e a c t o r ) 是本实验 室借鉴了i c 反应器的内循环和分级处理的概念，对于内循环厌氧反应器的结构缺点， 有针对性的对其结构进行优化，而提出的一种改进型内循环厌氧反应器，目前正在申请 实用新型专利。 针对内循环反应器的不足，我们从下述四个方面对内循环反应器进行改进，形成上 流式多级处理厌氧反应器( i m a r ) ： ( 1 ) 对三相分离器的结构进行改造，可以增强集气效率，提高出水水质。 ( 2 ) 改进气液分离器，提高气液分离和循环利用率。 ( 3 ) 在距反应器底部三分之一处增加污泥投加口，以方便进泥。 ( 4 ) 进水分布器采用自制的大口径特殊布水管。 u m a r 反应器既保留了内循环反应器的优点，也使其结构得到优化，从而降低了反 应器的造价及运行成本。 1 0 上流式多级厌氧厦应器( u i a r ) 建理糖蜜酒精废水的研究 1 5 1u m a r 反应器的基本结构 u m a r 反应器的基本结构如图2 1 ，分为进水混合区、第一反应区、第二反应区、 内循环系统。 反应器由两个反应区垂直串联组成，第一反应区为高负荷反应区，其底部为进水混 合区，上部为低负荷的第二反应区。内循环系统由在两个反应区之间的一级三相分离器 和沼气集气室，第二反应区上部的二级三相分离器，反应器顶部的气液分离器，以及联 接两个反应区和气液分离器的沼气提升管和回流管构成。 1 5 2u m a r 反应器的工作原理 废水从反应器的底部进入混合区，与颗粒污泥及回流液充分混合。进水的有机物在 第一反应区被部分降解后转化成沼气，所产生的沼气被集气室收集，沼气沿一级上升管 上升，并把第一反应区的混合液提升至反应器顶部的气液分离器，被分离出的沼气从气 液分离器顶部的出口排走，分离出的泥水混合液从下降管返回进水混合区，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。 由于气提作用，经过第一反应区处理过的废水会被沼气提升进入第二反应区继续降 解。废水中的剩余有机物在第二反应区内的颗粒污泥进一步降解，使废水得到净化，提 高出水水质。产生的沼气被第二反应内的集气罩收集，通过二级上升管进入气液分离器， 第二反应区的泥水在出水沉淀区进行固液分离，处理过的上清液从出水口排出，沉淀的 颗粒污泥返回第二反应区。从而完成了废水处理的全过程。 1 5 3u m a r 反应器的优点 ( 1 ) 基建投资省，占地面积少。 反应器为立式结构，高度很高，占地很小，这也为沼气的收集提供了方便。在处理 相同废水时，u m a r 的容积负荷是普通u a s b 的4 倍左右，故其所需的容积仅为u a s b 的1 4 1 3 ，节省了基建投资，占地面积小，尤其适合用地紧张的企业。 ( 2 ) 有机负荷高，水力停留时间短。 厌氧反应器要有较高的有机负荷，应该同时具备两个条件：较高的污泥浓度和良好 的传质过程。u m a r 既能滞留污泥，又能强化传质过程。内循环提高了第一反应区的液 相上升流速，强化了废水中有机物和颗粒污泥问的传质，使上流式多级处理厌氧反应器 的有机负荷远远高于其它的反应器。 ( 3 ) 节约能耗。 依靠沼气的提升作用而产生内循环，不需用外部动力进行搅拌混合与使污泥回流， 节约能耗。 ( 4 ) 具有缓冲p h 的能力。 上流式多级厌氧反应器( u m a r ) 笼理糖蜜酒精废水的研究 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。 ( 5 ) 抗冲击负荷能力强，运行稳定。 由于u m a r 反应器实现了内循环，处理低浓度废水时，循环流量可达进水流量的 2 3 倍。处理高浓度废水时，循环流量可达进水流量的1 0 2 0 倍。由于循环流量与进 水在第一反应室充分混和，使原废水中的有害物质得到充分稀释，大大降低有害程度， 从而提高了反应器的耐冲击负荷的能力。 1 6 厌氧反应器启动及其影响因素概述 1 6 1 初次启动 厌氧反应器的初次启动( f i r s ts t a r t - u p ) 通常是指对一个新建厌氧处理系统以未经 驯化的非颗粒污泥接种，使反应器达到设计负荷和有机物的去除效率的过程，通常这一 过程伴随着颗粒化的完成，因此也称之为污泥的颗粒化【4 5 1 。对于厌氧微生物，由于其生 物代谢速度慢，对环境敏感的特性和专性厌氧微生物的酶系统对氧的极端不稳定性，使 反应器的菌群对极小的变化比好氧系统表现出更加敏感，增殖过程相当缓慢，因此厌氧 系统的初次启动时间比较长，短则二三个月，长的达半年至一年之久，这被认为是高效 厌氧反应器的一个不足之处。 影响初次启动的因素很多，荷兰农业大学环境系教授h u l s h o f fp o l 和l e t t i n g a l 4 5 】对 厌氧反应器启动及污泥颗粒化进行了大量的研究，并总结了若干启动要点，见表1 2 。 1 6 2 二次启动 当越来越多的厌氧反应器投入生产运行以后，人们有可能得到足够的颗粒污泥来启 动厌氧反应器。使用颗粒污泥作为种泥对厌氧反应器的启动称为二次启动( s e c o n d a r y s t a r t - u p ) 。颗粒污泥是厌氧反应器启动的理想种泥，使用颗粒污泥的二次启动可大大缩 短厌氧反应器的启动时间。即使对于性质相当不同的废水，颗粒污泥也能很快适应。 使用颗粒污泥接种允许有较大的接种量，较大的接种量可缩短启动时间。启动时间 的长短很大程度上取决于颗粒污泥的来源，即颗粒污泥在原反应器中的培养条件( 温度、 p h 等) 以及原来处理的废水种类。在选择污泥时应尽量使其原处理废水种类与拟处理 的废水种类一致，废水种类与性质越接近，则驯化所需的时问越少，从而可以大大缩短 启动时间。不同温度范围的种泥会延长启动时间，因此应尽量使用同一温度的种泥。 二次启动的初始负荷可以较高。这是因为二次启动采用较大的接种量，同时颗粒污泥的 活性比其它厌氧污泥要高得多。进液浓度在开始时一般与初次启动相当，但可以相对迅 速地增大进液浓度。启动负荷和浓度增加的模式与初次启动相当，但相对容易。产气、 出水v f a 等仍是重要的控制参数，c o d 去除率、p h 等也是重要的监测指标。 广西大掌硕士掌位论文上流式多级厌章l 嚏应器( m r ) 笼理糖署 酒糟废水的研究 二次启动在原则上应如上所述，但启动中可能会遇到某些意外的问题或现象，这些 问题如果处理得当，会有利于新的颗粒污泥的形成和加快启动过程。根据h u l s h o f f 和 a l p h e n a a r 4 5 1 ，这些问题产生的原因与相应的解决方法见表1 3 。 表1 _ 2 厌氧反应器的初次启动要点h 5 1 t a b l e l 一2t h em a i np o i n t so f a n a e r o b i cr e