（环境工程专业论文）进水碱度对厌氧序批式反应器（asbr）反应速率的影响.pdf

a 原理_ l 大学硕士研究生学位论文 进水碱度对厌氧序批式反应器( a s b r ) 反应速率的影响 摘要 废水厌氧生物处理系统的运行对p h 取值范围的要求较为严格， 进水碱度对扶氧反应描一| j 的p h 值_ 自直接影响，且与厌氧t 艺的生化 反应速率有关。a s b r ( 厌氧序批式反应器，a n a e r o b i cs e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ) 的可f 究在国内外部处于起步阶段，本文的研究目的灶 考察进水碱度对a s b r 反应器中牛化反应速率的影响，以及对a s b r 反应器动力学参数的影响。 试验咀高浓度葡萄糖人i ：合成废水为底物，进水o l r ( 有机容移 负荷，o r g a n i cl o a d i n gr a t e ) 为1 0 9 c o d ( l - d ) ，向进水中投加n a h c o , ， 以调节和控制厌氧反府器中的p h 值和碱度环境条件，并迁级降低碱 度水平。根据试验数据，分析和讨论了进水碱度对a s b r 反应器的最 大比降解速率v 。和半速度常数k 。的影响；进水碱度对反应器产酸 阶段和产甲烷阶段反应速率的影响，得出相应的反应速率常数；建立 了a s b r 反应嚣的底物降解动力学模型。取得如下研究结论： 1 进水碱度对半速度常数k ，值有一定影响，枉进水c o d 与进水 碱度比值为2 5 ：l 时，吣值最大i 进水碱度刑最大比降解速率v 。 值无显著影响。 2 将厌氧消化反应分解为葡葡糖酸化过程和，_ 甲烷过程，进水碱 度对半速度常数k s 值和剐最大比降解速率v 。值的影响表现为：在 酸化阶段，当进水c o d 与进水碱度比值为2 _ l 、2 5 ：l 、3 4 ：1 时为最 大：在产甲烷反应阶段，当进水c o d 与进水碱度比值为2 5 ：1 、3 4 ：1 、 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 2 ：1 时为最火。进水碱度对产酸阶段和产甲烷阶段的最大比降解速 率v 。值的影响都不明罹。 3 用m a t l a b 数学工具进行数据处理，得到各种进水碱度条件 下的产酸反应速率常数k 值。研究表明，k l 值随着进水碱度的减少 呈现上升的趋势；但是进水碱度的变化埘产甲烷反应速率常数k 2 值 影响较小，有略微的下降趋势。 4 得出丁以产酸一产甲烷串联反应过程的数学模型，该模型能昭 较好地模拟a s b r 反应器处理葡萄糖人工合成废水的厌氧消化过程。 关键词：厌氧序批式反应嚣，碱度，p h 值，反府速率 a 原理工大学硕士研究生学位论立 e f f e c t s & a l k a l i n i t yi ni n f l u e n to nr e a c t i o nv e l o c i t yo f 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 a b s t r a c t s t r i c tp hc o n t r o li su s u a l l yn e c e s s a r yi na na n a e r o b i cb i o r e a c t o r , a n d i n f l u e n tm k ( a l k a l i n i t y ) c o n c e n t r a t i o nh a v ead i r e c ti n f e c t i o n 0 1 1t h ep h v a l u e ，i ta l s oh a sac l o s er e l a t io n s h i pw i t hr e a c tv e l o c i t yi nt h ea n a e r o b i c d i g e s t i o ns y s t e m s t u d yo r la 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 ) i so ni t s e a r l yt i m eb o t hi nc h i n aa n do t h e rc o u n t r y t h ei n f l u e n c eo f i n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o n0 nt h er e a c tv e l o c i t ya n dt h e d y n a m i c s p a r m n e t e r so fa s b r i ss t u d i e di nt h i sp a p e r t of e d h i g h c o n c e n t r a t i o ng l u c o s ew a t e ra ss u b s t r a t e ，u n d e rt h e c o n d i t i o no f0 1 r ( o r g a n i cl o a d i n gr a t e ) i sto g c o d i ( t d ) ，c o n t r o lp h a n da i k b ya d dn a h c o - ；i ni n f l u e n ta n dl o w e rt h ea l kc o n c e n t r a t i o ns t e p b ys t e p ，t h ee f f e c to fi n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o no nv m ( m a x i m u m o r g a n i cm a t t e rs p e c i f i cd e g r a d a t i o nr a t e ) a n dk s ( h a lf - v e l o c i t yc o n s t a n t ) ， t h ee f f e c to fi n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o no nt h er e a c t i o n v e l o c i t y i n a c i d i f i c a t i o ns t a g ea n dm e t h a n o g e n e s i gs t a g ew e r ed i s c u s s e d i n a d d i t i o n ， t h er e a c t i o nv e l o c i t yc o n s t a n t sw h i c hd e s c r i b et h ei n f l u e n c e o fa l k c o n c e n t r a t i o no n r e a c t i o n v e l o c i t y o fa c i d i f i c a t i o n s t a g e a n d m e t h a n o g e n e s i ss t a g e ，a r eo b t a i n e d ，a n dad y n a m i cm o d e lw a sd e v e l o p e d t od e s c r i b et h ec o u r s eo fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o ni na s b r r e s u l t so ft h es t u d ys h o w e dt h a t ： l i 】 太原理工太学厩士研究生学位论文 1 i n f l u e n ta u cc o n c e n t r a t i o n sh a v es o m ee f f e c to nt h ek s ，t h ek sh a s i t sb i g e s tv a l u ew h e nt h er a t i oo fc o da n da l ki s2 5 ：1 ，t h i sv a l u ew i l l d i m i n i s h e dw h e nt h er a t i oo fc o da n d a l kb o t hi v l c r e a s e do rd i m i n i s h e d ， o nt h ec o n t r a r y ，i n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t ionsh a sl i t t l ei n f l u e n c e0 1 2v m “ 2 d e c o m p o s et h er e a c t i o np r o c e s si n t ot w os t a g e ：a c i d i f i c a t i o ns t a g e a n dm e t h a n o g e n e s iss t a g e t h es a m er u l ei sp r e s e n t e dt ot h ee f f e c to f i n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o no nt h ek sa n dv i na c i d i f i c a t i o ns t a g e ，t h e e f f e c to fi n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o n so nk si sk sh a si t sb i g e s tv a l u e w h e nt h er a t i oo fc o da n da l ka r e ：2 5 ：1 t h i sv a t u ew i l la l s od i m i n i s h e d w h e nt h er a t i oo fc o da n da t kb o t hi n c r e a s e do rd i m i n i s h e d s i m i l a r l y ， t h i sr a t i oi s3 4 ：li nm e t h a n o g e n e s i ss t a g e i n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o n s a l s oh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nv m “b o t hi na c i d i f i c a t i o ns t a g eo r m e l h a n o g e n e s i ss t a g e 3 f i tt h ed a t a 、扪t hm a t l a bw ec a n g a i n t h ev a l u e so fk t ( a c i d i f i c a t i o nr a t ec o e f f ic i e n t ) a n dk 2 ( m e t h a n o g e n e s i sr a t ec o e f f i c i e n t ) u n d e rv a r io u sc o n d i t i o no fc o d a i k ，its h o w e dt h a tk ii sa u g m e n t e d w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ta l ki n c r e a s e d a c c o r d i n g l y a n d i n f l u e n ta l kc o n c e n t r a t i o n sh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nk 2 4 am a t hm o d e lb a s e do hs e r i e s - c o n n e c t i o nr e a c te q u a t i o nd e s c r i b i n g t h ea c i d i f i c a t i o n m e t h a n o g e n e s i sr e a c t i o np r o c e s sw a sd e v e l o p e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm o d e lc o u l d f i n e l y s i m u l a t et h ea n a e r o b i c d e g r a d a t i o no p e r a t i o no na s b r t r e a th i g hs t r e n g t hg l u c o s ew a s t e w a t e r 太厦理l 。学砸+ 研究生学仃瞳文 k e yw o r d sa 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 qa l k a l i n i t y ，p h v a l u e ，r e a c t i o nv e l o c i t y l - 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：! ! ! 鱼堡日期： 2 f 忙。f f 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： ! ：睦! 至日期： 导师签名： 2 0 。( 1 2 。b 喃i 扣苦，r 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1课题的提出及研究目的 随着我国经济的快速发展，环境保护和能源短缺问题日益严重，废水厌氧生 物处理工艺具有高效节能、剩余污泥量少、无尾气污染等很多优点，已经得到广 泛应用。反应器作为厌氧工艺的核心部分，近年来也得到了较快的发展，其中厌 氧序批式反应器( 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 ，a s b r ) 是第三代新型高 效的厌氧生物反应器，能够延长污泥在反应器内的停留时间( s l u d g er e t e n t i o n t i m e ，s r t ) ，增加污泥浓度( 活性生物团量) ，不但缩短了废水在反应器内的水力 停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，h r t ) ，缩小了反应器的容积，很大地提高了 厌氧反应器的有机负荷和处理效率，而且使厌氧系统的稳定性和对不良因素( 例 如有毒物质) 的适应性也大为增强，是水污染防治领域一项有效的新技术。 a s b r 进出料方式为间歇式，与连续进料方式的工艺相比，反应器内底物 生物量( f m ) 、底物的组成与数量、微生物的组成与数量、底物降解速率等均 随时间而变化。进料后a s b r 反应器内底物浓度增加，产酸速率较高，而利用有 机酸的产甲烷速率相对较慢，从而导致挥发酸浓度增大；随着反应的进行，产酸 反应减弱，产甲烷速率相对较快，反应器内挥发酸浓度又逐渐降低。在厌氧系统 中，为适应敏感的产甲烷菌对p h 值的要求，通常把p h 值控制在6 5 7 8 范围 内，进水碱度的变化对系统内的p h 值有直接影响。a s b r 反应器作为厌氧生物 处理领域内极有发展前景的工艺，近几年来成为厌氧反应器领域的研究热点之 一。进行反应器过程设计和优化反应器操作条件时，都需要了解反应器的动力学 特性并建立数学模型，因此有必要研究进水碱度与a s b r 反应器中生化反应速 率、动力学参数之间的关系，建立相应的数学模型。研究结果将有助于清楚理解 a s b r 反应器中碱度对运行参数、控制参数的影响，优化a s b r 反应器运行性能， 具有理论意义和实际工程应用价值。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 研究内容 1 2 1 研究目的 本文在分析和研究a s b r 反应器的动力学过程的基础上，通过模拟实验分阶 段讨论了进水碱度对反应器的最大比降解速率v 。和半速度常数磁的影响，以 及进水碱度对系统产酸阶段和产甲烷阶段反应速率的影响，并求出了相应的反应 速率常数，按串联反应方程建立了a s b r 反应器的底物降鳃动力学模型。 1 2 2 研究内容 1 以a s b r 反应器模拟试验所得试验数据为依据，在分析a s b r 反应器动力 学过程的基础上，考察进水碱度对a s b r 反应器的最大比降解速率v 。和半速 度常数磁的影响。 2 研究了进水碱度对系统产酸阶段和产甲烷阶段反应速率的影响，并求出了 相应的反应速率常数。 3 将厌氧消化过程视为产酸一产甲烷串联反应，从化学动力学研究的角度建 立了a s b r 反应器的底物降解动力学模型。 太原理_ 丁大学硕士研究生学位论文 第二章文献综述 2 1 废水厌氧生物处理技术及厌氧反应器的发展 2 1 1 废水厌氧生物处理技术的特点 厌氧生物处理是在无氧条件下，通过多种微生物的协同作用对有机物进行降 解的一种无害化处理方法，过去多用于城市污水厂的污泥、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，较长时间内限制了它在废水处理中的应用。上世纪七 十年代以来，由于能源短缺问题日益严重，厌氧生物法作为一种既节能又产能的 废水处理工艺受到了极大的重视。 与好氧生物处理技术相比，废水厌氧处理可以把环境保护、能源回收与生态 良性循环结合起来，具有以下优点1 1 l ；( 1 ) 无尾气污染，好氧处理中许多挥发性的 有机物，如丙烯酸和多种氯化溶剂，在生物降解前往往会由于曝气从废水中吹脱 出来而产生大气污染，厌氧系统却不存在这一问题；( 2 ) 剩余污泥的处置费用低和 设施所占空间小，其处置费用仅相当于好氧系统的l o ；( 3 ) 厌氧方法对营养物的 需求量小，补充氮、磷所需要的费用低：( 4 ) 厌氧废水处理设备负荷高，占地少， 运行简单，由于利用生物膜或颗粒污泥使生物固定化以及不需要氧的传递，不会 发生二沉池运行失当；( 5 ) 无好氧过程中表面活性物质的起泡问题和有效处理好氧 生物中生物不可降解物质；( 6 ) 由于氯化有机物可以厌氧生物转化，因此毒性程度 大幅降低；( 7 ) 厌氧方法的菌种在饥饿条件下内源分解速率明显降低，使得生物体 转变为保存其生存能力的冬眠状态，因此多数反应器长期停工之后也很容易重新 启动。它的这一特性为其间断的或季节性的运行提供了有利条件。 2 1 2 厌氧生物技术的发展过程 厌氧生物处理技术经历了1 0 0 多年的发展，大致划分为以下几个发展阶段i 2 l ： 第一阶段( 1 8 6 0 1 8 9 9 年) 为简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶 段，该阶段以简易的沉淀池为基础，把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池 ( s e p t i ct a n k ，俗称化粪池) 中进行，适当扩大其污泥贮存容积，作为挥发性悬浮生 太原理工大学硕士研究生学位论文 物固体液化的场所，处理对象为污水、污泥。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) 为污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段，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 yt a n k ) 。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 - - 2 0 0 1 年) 为独立式营建的高级发展阶段，该阶段的特点是把 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。并且把有机 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日程。处理对象除悬浮固体浓 度( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s ，v s s ) 外，还着眼于生化需氧量( b i o c h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ，b o d ) 和化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，c o d ) 的降低 以及某些有机毒物的降解。在此阶段中开发的主要处理设施有普通厌氧消化池和 上流式厌氧污泥床( 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 ，u a s b ) 、厌氧滤池( a n a e r o b i c f i l t e r ，a f ) 以及本课题研究的a s b r 等。 2 1 3 厌氧反应器的发展过程 1 8 8 1 年法国工程师l o u i sm o u r a s 设计了一种称为自动净化器：( a u t o m a t i c s c a v e n g e 0 的池子来处理粪便污水，这一发明是人工厌氧处理废水的开端。厌氧 生物处理技术在随后的一百多年里取得了很大的发展，开发出的厌氧反应器种类 很多，按时间先后和负荷不同可将厌氧反应器大致分为三代反应器： 第一代厌氧反应器以厌氧消化池为代表，属于低负荷系统。第一代反应器中 微生物( 即厌氧污泥) 与废水或废料是完全混合在一起的，污泥停留时间( s r t ) 与水 力停留时间( h r t ) 是相同的，因此在反应器里污泥浓度较低，处理效率也较低。 废水在反应器内要停留几天到几十天之久，占地面积大，基建与管理费用昂贵。 致使厌氧技术在废水处理领域很长时间未受人们的重视，发展相对缓慢，主要代 表为1 8 9 5 年d o n a l dc a m e r o n 设计的腐化池( s p e t i ct a n k ) 以及1 8 9 6 年英国发明的 厌氧消化池以及1 9 0 4 年德国i m h o f f 设计的霍夫池( i m h o f f t a n k ) 等。 随着经济的快速发展，环境污染和能源紧张问题同益严重，厌氧处理工艺作 为一种低能耗的有机废水生物处理方法，得到人们起来越广泛的重视。同时对厌 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 氧发酵理论研究的日益深入，也使厌氧技术的发展有了理论指导。s c h r o e p f e r 首 先提出把好氧活性污泥法流程引入厌氧处理= 艺，1 9 5 5 年他与合作者丌发了厌 氧接触工艺( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) 。该工艺是在连续搅拌反应器的基础上于 出水沉淀池增设了污泥回流装置，结果提高了消化池内的污泥浓度，缩短了水力 停留时问，并获得了良好的处理效果。厌氧接触工艺使污泥在反应器中的停留时 间大于水力停留时间，是厌氧处理技术的一个重要发展，并被认为是现代高速厌 氧反应器的开端，此后开发的一系列厌氧反应器如厌氧滤池( a f ) 、上流式厌氧污 泥床( u a s b ) 、厌氧流化床( a n a e r o b i cf l o wb e d ，a f b ) 等都属于第二代厌氧反应器。 第二代厌氧反应器的特点是将固体停留时间和水力停留时间相分离，固体停 留时间可以长达上百天之久。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。 高效厌氧处理工艺不仅应该实现污泥停留时间和水力停留时间的分离，而且 应该保证废水和活性污泥之间的充分接触。厌氧反应器中污泥与废水的混和，首 先取决于布水系统的设计，合理的布水系统是保证固液充分接触的基础。同时， 反应器中液体表面上升流速、产生沼气的搅动等因素也对污泥与废水的混和起着 重要的作用。例如，当反应器布水系统等已经确定后，如果在低温条件下运行， 或在启动初期f 只能在低负荷下运行) ，或处理较低浓度有机废水时，由于不可能 产生大量沼气的较强扰动，因此反应器中混和效果较差，从而出现短流。如果提 高反应器的水力负荷来改善混和状况，则会出现污泥流失。这些正是第二代厌氧 生物处理反应器，特别是u a s b 的不足。 为解决这一问题，自2 0 世纪9 0 年代初在国际上第三代反应器相继出现。主 要包括：厌氧颗粒污泥膨胀床反应器( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb l a n k e t ，e g s b ) 、 内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r ，i c l 反应器、升流厌氧污泥床过滤器( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d f i l t e r ，u b f ) 、厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l er e a c t o r ， a b r ) 、厌氧膜生物系统( a n a e r o b i cm e m b r a n eb i o s y s t e m ，a m b s ) 、分级“多相” 厌氧反应器( s t a g em “一p h a s ea n a e r o b i c ，s m p a ) 、厌氧序批式反应器( a s b r ) 等。 第三代厌氧反应器的共同特点是：( 1 ) 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；( 2 ) 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：( 3 ) 具有较大的高径比，一般在5 1 0 以上；( 4 ) 占地面 太原理工大学硕士研究生学位论文 积小；( 5 ) 动力消耗低。 新型高效厌氧反应器普遍具有高效、耐冲击负荷、能处理多种废水等特点， 同时是也存在各自的一些缺点，例如：a f 易引起反应器的堵塞，且需要大量的 填料，使成本大量增加：u a s b 内易出现短流，进水悬浮物浓度高时会引起堵塞， 初次启动耗时长，对水质和负荷的变化变敏感，需要合理的三相分离器等；a f b 内部的流态化需要大量的回流水来保证其高的上升速度，能耗加大、成本增加； e g s b 需要培养颗粒污泥、启动时间较长，需采用出水循环使污泥膨胀、动力消 耗高；i c 反应器启动时间较长，反应器内平均剪切速率较高，颗粒污泥的强度 相对较低；u f b 填料价格昂贵等等。 2 2a s b r 反应器概述 a s b r 是上世纪末由美国r i c h a r dr d a g u e 教授开发的一种新型高效厌氧反 应器，该工艺将s b r 工艺应用于厌氧生物处理，使得污泥在反应器内的停留时 间大为延长，污泥浓度也大为增加，而且具有投资省、操作灵活、有较高的去除 效率和工艺稳定性等优点，已经越来越引起人们的重视1 3 1 。 2 2 1a s b r 反应器的处理流程 a s b r 工艺的运行以间歇操作为主要特征。每个a s b r 池的运行操作在时 间上是按次序排列的一般可按运行次序分为四个阶段，即进水、反应、沉淀和排 水阶段，称为一个运行周期( 见图1 ) 。 进水 进水期反应期沉淀期出水期 图2 - 1a s b r 操作周期和四个阶段 f i g 2 - 1a 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 ra n di t sp h a s e s 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 进水阶段：废水进入a s b r 反应器，同时进行搅拌，底物浓度迅速增加， 根据m o n o d 动力学方程，微，：物代谢速率也 r 应增大，直到进水完毕达到最大 值。进水体积的确定摹于许多因素，包括预先设定的水力停留时间( i - i r t ) 、有 机负荷率( o l r ) 以及污泥的沉淀性能。 反应阶段：该阶段是有机物转化为生物气的关键步骤，反应所需时问取决于 几个因素，包括废水成分和浓度、要求达到的水质、活性污泥浓度、搅拌效果以 及温度。其中搅拌对于均化环境条件( 温度、p h 值、底物浓度等) 是很重要的。 对a s b r 来说，间歇搅拌通常比连续搅拌更加优越。 沉淀阶段；停止搅拌，a s b r 反应器此时的功能和沉淀池相同，以达到充分 的固液分离。所需的沉淀时间取决于污泥的沉降能力，一般在1 0 3 0m i n 范围 内。反应器内的污泥浓度和f ：m ( 食料：生物量) 是影响污泥沉降速度的重要因 素。 排水阶段：经过充分的固液分离后进行排水，排水体积一般与本周期迸水体 积相等，排水时间由排水体积和排水流量确定。一旦排水结束，即可进行下一周 期的操作。 2 2 2a s b r 反应器特点阻7 】 与其它厌氧工艺相比，a s b r 工艺主要特点如下： l ，a s b r 反应器的主体工艺设备只有一个( 或几个) 间歇反应器，集混合、反 应、沉降等功能于体，不需澄清沉淀池，也不需要液体或污泥回流装置。同 u a s b 和a f 相比，a s b r 是序批式进水，无需复杂的布水系统，也不会产生断 流、短流的现象，所以a s b r 反应器具有工艺简单、结构紧凑，占地面积少等优 点。 2 与连续流工艺相比，a s b r 工艺在动力学上具有显著的优越性。f m 值的 高低交替变化和静止沉淀的特点，保证了沉淀阶段的高效率沉降和反应期间的高 效c o d 去除率，由于沉淀效率高，使得反应器内能维持较高的m l s s 浓度。能 降低f m 值，因此具有更强的耐冲击负荷和处理有毒或高浓度有机废水的能力。 3 a s b r 中高效的生物絮凝作用有利于厌氧颗粒污泥的形成，a s b r 工艺排 水时有一定的选择压，能洗出沉淀性能差的絮体和分散态有机物，留下较重的、 沉降迅速的微生物聚集体，这样经过一段时间后，颗粒污泥在反应器中可以逐渐 太原理工大学硕士研究生学位论文 占据主导地位，使得反应器内污泥的沉降性能增强、系统稳定性增高，从而能够 达到较高的处理负荷。 4 a s b r 反应器受温度的影响小。温度不仅影响微生物的生存和筛选竞争， 而且影响反应速率。在实际设备运行中，维持一定的温度与能源消耗和处理成本 有很大关系，大多数赢效厌氧反应器主要为中温消化，而a s b r 能在5 6 5 c 范 围内处理各种高浓度和低浓度有机废水，打破了常规厌氧工艺只能1 8 。c 以上处 理高浓度有机废水( c o d 1 0 0 0 m g l ) 的局限，扩大了厌氧工艺处理废水的适用范 围，为在低温与常温下厌氧工艺处理工业及城市生活污水提供了可能性。 2 3 3a s b r 的研究现状 自2 0 世纪9 0 年代美国d a g u e 教授提出a s b r 以来，对a s b r 反应器的研 究主要集中在以下几方面： l ，a s b r 的设计方法、操作要点及工艺特性 a s b r 反应器的形状f 高径比h ：d ) 可根据不同的需要灵活设计。粗短的反应器 能达到较高的污泥浓度，高细的反应器能保留更快沉降的颗粒，其沉降速度明显 大于粗短的反应器，且高细的反应器形成颗粒较快，颗粒粒径大。a s b r 反应器 最优高径比为5 6 左右引。h r t 是a s b r 反应器运行能力大小的一种标志，也是 工程中最重要的设计参数。h r t 可根据反应器容积、废水种类、出水水质要求 等而灵活变化，它可以从几小! j - ( 6 h ) 9 1 变化到几天( 6 d ) 。a s b r 反应器的搅拌方 式，可选择机械搅拌、液体循环搅拌或气体循环搅拌。其中气循环搅拌可作为首 选方式。就搅拌时间来说，间歇搅拌( 2 m i n h 或3 r a i n h ) 比连续搅拌优越，前者 c h 。气产量比后者大媾1 。搅拌强度要轻柔，不能太剧烈，否则会削弱厌氧生物絮 凝，造成弱分离，。 2 a s b r 快速启动 ( 1 ) 控制运行方式对污泥颗粒化的影响 s u n g 和d a g u e l 8 】以假设的平衡条件控制a s b r 运行，由于低有机负荷率 ( o l r ) 、长水力停留时间( h r t ) 的稳定运行方式不利于颗粒污泥的生成，启动 3 0 0 d 后才观察到污泥颗粒化现象。c o d 负荷是反应器强化程度的函数，保持 a s b r 反应器在低h r t 下运行是为了洗出沉降性差的生物体，保留大而密实的 生物体，从而有效选择颗粒污泥，在高有机负荷率下运行则是为了高效地产生大 太原理工大学硕士研究生学位论文 量的微生物体。 ( 2 ) 投加辅助填料的强化作用 颗粒污泥最初的形成可能是从微牛物对惰性物质、无机沉淀物的，卜物吸附和 粘附作用开始【l i 】。d a g u e 和s u r y a 为达到人工强化颗粒污泥产生的效果，向 a s b r 中投加粉末活性碳( p a c ) 、颗粒活性碳( g a c ) 、硅砂和石榴石添料。由 于活性炭表面具有以c h o 、一o h 、一c o o h 、c = 等官能团，在酸性条件下会成为 带电中心，使活性炭的表面有正电荷区域存在，在静电引力作用下细胞粘连在活 性炭表面或因活性炭正电荷的中和作用而互相粘连，而且活性炭在自身周围形成 一个底物浓缩圈，吸引更多的微生物，增加细菌相互碰撞粘连的机会。与未投加 载体的反应器相比，p a c 和g a c 将a s b r 污泥颗粒化的进程分别缩短了1 个月 和1 5 2 个月。 ( 3 ) 投加絮凝的促进作用 d a g u e 和s u r y a f l 2 1 在a s b r 启动前两个月投加阳离子聚合物、季胺聚合物和 氯化亚铁絮凝剂，其中阳离子聚合物对生物絮凝体颗粒化的强化作用最为突出， 该反应器在启动后3 0 d 了就出现了污泥颗粒，几乎所有生物絮凝体在6 0 d 完成了 污泥颗粒化，并在6 9 ( l d ) 有机负荷下取得了超过了9 5 c o d 去除率，将启动进 程缩短了3 个月。由于阳离子聚合物带有正电荷，能够与带负荷的细菌细胞中起 到静电吸引和吸附架桥的作用，并通过连续絮凝机理创造了大量的生物聚集体， 因此加强了生物絮凝作用、加快了颗粒的形成。 3 温度对a s b r 的影响 温度不仅影响微生物的生存和筛选竞争，而且影响反应速率。在实际设备运 行中，维持定的温度与能源消耗和处理成本有很大关系，大多数高效厌氧反应 器主要为中温消化。但有研究证明a s b r 具有低温下处理有机废水废料的可行 性。d a g u e 和b a n i c 1 3 1 在3 5 c 和2 5 c 时分别用a s b r 处理动物排泄物，由于2 5 下的a s b r 具有更的s r t 值，补偿了较低的代谢速度，因而获得高效的去除 效果，两组a s b r 获得了相同的v s s 去除率和c o d 去除率。不同温度下培养的 颗粒污泥在形状、密实程度及其微生物菌种等方面有所不同。a s b r 中以脱脂奶 粉为底物、5 2 5 下培养出的颗粒污泥中，除了5 c 反应器的颗粒污泥有成层 结构现象外，污泥的微结构无太大的差别，这证实了颗粒结构在很大程度上取决 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 于底物种类的假设。所有温度下的颗粒污泥主要由甲烷丝菌属微生物组成，低温 下颗粒污泥的比产甲烷活性( s m a ) 略低于中温条件下。甲烷产量测定值表明，低 温下的颗粒污泥中存在嗜温菌和能在中温生长的嗜冷菌。生物降解乙酸盐与丙酸 盐混合物的颗粒污泥，其比产甲烷活性远小于降解单独乙酸盐的情况，污泥平均 粒径随温度降低逐渐减小【1 4 1 。 n d o n 和d a g u e l l 5 1 用a s b r 在3 5 1 5 范围内处理c o d 为1 0 0 0 4 0 0 0 m g l 的合成废水，h r t 取值在4 8 1 2 h 。h r t 短导致o l r 提高，产生了更多分散的 微生物体，而过高的水力负荷引起出水中污泥的大量流失，造成反应器内污泥浓 度减小、出水水质变差、中间产物的积累、v f a ( 挥发性有机酸，v o l a t i l ef a t t y a c i d s ) 浓度上升；温度低使液体的粘性增大，生物固体沉降速度减小，同时由于污泥浓 度的下降也会引起v f a 浓度的上升。尽管如此，a s b r 仍然能够在低温和短h r t 条件下处理低浓度废水：在1 5 ( 2 、h r t 为1 2 h 、进水c o d 为4 0 0 m g l 时，c o d 去除率均在8 0 以上，且v f a 浓度也只有3 0 - - 5 0 m g l ：在h r t 为4 8 h 、2 4 h 时， c o d 去除率在9 0 n j = ，v f a 浓度仅为1 0 m g l 。d a g u e 和b a n i c l l 3 】发现a s b r 在2 5 5 0 m g l 处理低浓度废水( c o d = 6 0 0 m g l ) 时仍保持了高效去除有机物的 固有特征。即使在5 、h r t = 6 h 下，b o d 5 的去除率仍达7 5 ：在2 0 - - 2 5 + c 时， 不同h r t 的c o d 和b o d 5 去除率均在9 0 以上：所有运行条件下的s r t 均大 于2 5 d 。随着温度的降低或o l r 的增加，出水中悬浮物浓度趋于增高，但出水 造成的生物固体流失量不足以影响反应器的正常运行。 4 a s b r 处理有机废水废物 ( 1 ) a s b r 处理市政污泥 h a k 和m 0 0 1 1 6 】以试验室规模的中温a s b r 处理市政污泥，h r t 采用l o d ， 相应的有机负荷为o 8 1 5 9 v s ( l d ) 。启动期间a s b r 中生物固体迅速积累， 固体浓度是完全混合反应器中的2 6 倍，有机物去除率恒定在9 0 以上。证明了 a s b r 具有处理含有可沉固体物质市政污泥的潜力。 ( 2 ) a s b r 处理动物排泄物 在3 5 c 、2 5 、2 09 c 下运行的a s b r 处理动物排泄物，结果表明，a s b r 对v s 去除率在5 5 6 0 之间，b o d 5 去除率为8 1 8 6 ，c o d 最高去除率 达9 3 ，甲烷产率在o 4 8 l c h 4 g v s 以上【。当反应器中乙酸浓度高达5 5 0 0 m g l 、 太原理工大学硕十研究生学位论文 氨氮浓度高达3 7 0 0 m g l 和24 7 0 m g l 时，对a s b r 性能无不利影响，产气速率 继续上升。a s b r 中高速的厌氧生物转化过挥使有机物稳定化，有效地减轻了污 物对环境的污染程度，成功消除了臭气 t & t 9 1 。 b e r n e t l 2 0 1 用a s b r ( 3 5 。c 卜s b r ( 2 0 2 2 ) 工艺处理养猪场废水，s b r 进水由 原水和好氧s b r 回流液组成，在进水期、反应期完成反硝化脱氮和产甲烷过程。 a s b r 对进料组分很敏感，当含氮氧化物( n o ：) 浓度较高时，有机物首先作为电 子供体进行反硝化，此时生物气中钡4 出高浓度的氮气，随后n o ；浓度降低，有 机物主要被产甲烷菌降解，伴随产生的生物气中氮气含量下降。 ( 3 ) a s b r 处理垃圾渗滤液 a s b r 在无需预处理和外部p h 调节下能高效地预处理垃圾渗滤液，a s b r 、 u a s b ( 上流式厌氧污泥床) 、厌氧复合床在中、低有机负荷运行时表现出相近的 性能；在高负荷率阶段，u a s b 优于a s b r 、a s b r 优于厌氧复合床【2 1 捌。在进 水c o d 为3 8 0 0 1 5 9 0 0 m g l 、污泥负荷o 2 1 9 9 c o d ( l d ) 、h r t 为1 0 1 5 d 、 3 5 v 下运行的a s b r 中，c o d 去除率为6 4 8 5 ；去除的c o d 中有8 3 转化 成甲烷，产甲烷速率随c o d 负荷的增加而上升；最大产甲烷率1 8 5 l c h 4 ( l d ) 发生在最大负荷投配时；同一负荷时，较高的产甲烷速率对应于较高的污泥浓度。 建议a s b r 进水期有机负荷投加率不应超过3 9 c o d ( g v s s d ) 2 2 1 。 ( 4 ) a s b r 处理屠宰场废水 s u n g 和d a g u e l 2 3 1 通过处理屠宰场废水的尝试证明了a s b r 系统处理屠宰场 废水的可行性和有效性。m a s s e 2 4 1 用4 组4 2 l 的a s b r 处理屠宰场实际废水，分 别讨论了a s b r 在3 0 。c 、2 5 ( 2 和2 0 9 c 下运行性能。进水c o d 浓度从6 9 0 8 m g l 变化到1 1 5 0 0 m g l ，有机负荷在2 0 7 4 9 3 k g c o d ( m 3 d ) 之间，在所有温度下的 c o d 去除率均在9 2 以上，悬浮物平均去除率为8 0 9 6 。由于悬浮物降解 效率随温度而降低的缘故，去除的c o d 甲烷转化率随温度降低而减小，相应于 3 0 、2 5 、2 0 时分别为9 0 8 、8 8