（环境工程专业论文）厌氧折流板反应器处理制药废水的应用研究.pdf

摘要 随着我国医药工业的快速发展，制药废水的污染与治理己引起人们的高度重 视和关注。制药废水的水量和水质变化大，成分复杂，有机污染物浓度高，含有 较多的难生物降解有机物，而且色度高、p h 值低，是一种较难处理的工业废水。 厌氧折流板反应器( a b r ) 是以生物转盘为基础开发研制出来的一种高效的 厌氧生物处理工艺，具有两相厌氧发酵的特点。同传统的厌氧处理工艺相比， a b r 反应器具有如下优点：生物固体停留时间长，污泥沉降性好且不易发生 流失；结构简单；抗水力与有机负荷冲击的能力强，运行稳定；水头 损失小，不易发生堵塞等。 本文对a b r 反应器在头孢类制药废水处理中的应用进行了研究。该废水曾采 用深层曝气十接触氧化工艺进行处理，但生物量较低，处理效果较差。本文主要 考察了厌氧折流板反应器处理该制药废水的情况，试验结果表明：常温条件 ( 2 0 ( 2 3 0 ) 下，当反应器停留时间为4 d ，容积负荷为3 8 k g c o d c r ( m 3 d ) 时， 色度和c o d c r 去除率均在7 0 左右，而氨氮浓度则由于有机氮的无机化反而升 高。 此外，本文还对制药废水的预处理工艺进行了探索研究。试验结果表明化学 方法处理制药废水的去除效果不太理想，c o d c r 去除率仅为3 0 左右，很难进 一步去除。 所以，在此种制药废水的处理中，生物处理工艺比化学处理方法更为有效可 行，但可以考虑化学处理作为生物处理工艺的预处理工艺。 关键词：厌氧折流板反应器制药废水化学方法预处理工艺 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep h a r m a c e u t i c a l i n d u s t r yi n o u rc o u n t r y , m u c h a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ep o l l u t i o no ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dt h er e l e v a n t s o l u t i o n s p h a r m a c e u t i c a lw a s t e r w a t e ri sc h a r a c t e r i z e dw i t hg r e a tc h a n g e si nq u a n t i t y a n dq u a l i t y , c o m p l i c a t e dc o m p o s i t i o na n dh i g hl e v e li no r g a n i cp o l l u t a n t sm a n yo f w h i c ha r eh a r dt ob ed e g r a d e db ym i c o o r g a n i s m ，a d d i n gt ot h eh i i g hc o l o r i t ya n dl o w p hv a l u e i ti sak i n do fi n d u s t yw a s t e w a t e rw h i c hi sd i f f i c u l tt ot r e a t b a s e do nt h et e c h n i q u eo fb i o - r o t a t i n gc o n t a c t o r , a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) h a sb e e nd e v e l o p e da sa h i g he f f e c t i v ea n a e r o b i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e c e n t l y , i th a s t h ea b i l i t yt o s e p a r a t ea c i d o g e n e s i sa n dm e t h a n o g e n e s i s c o m p a r e dw i t ho t h e r t r a d i t i o n a la n a e r o b i cp r o c e s s e s ，a b rh a si t su n i q u ec h a r a c t e r s ，w h i c hi n c l u d el e s s m i c r o b i a ll o s s e sa n db e t t e rs l u d g es e d i m e n t ，b e t t e rr e s i l i e n c et oh y d r a u l i ca n do r g a n i c s h o c kl o a d i n g s ，l o n g e rb i o m a s sr e t e n t i o nt i m e ，r e d u c e dc l o g g i n g ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n a n de a s yo p e r a t i o n t h i sp a p e rp r o v i d e dap r i m a r ys t u d yo nt h ea b r ss t a r t u pc h a r a c t e r sw h e ni ti s u s e di nt h e c e p h a l o s p o r i np h a r m a c e u t i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t 。b e c a u s et h e c e p h a l o s p o r i np h a r m a c e u t i c a lw a s t e w a t e ri sah i g hc o n c e n t r a t i o no fo r g a n i c w a s t e w a t e rr e f r a c t o r y ，ad e e pa e r a t i o na n dc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s sh a sb e e n d e s e r t e db e c a u s eo fi t sl o s ss l u d g e t h i sp a p e rm a i n l yt a l k e da b o u tt h ee f f e c to ft h e a b r d e a l i n gw i t ht h ep h a r m a c e u t i c a lw a s t e w a t e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e d t h a t ：a tt h ec o n d i t i o n so fa b o u t2 5 c 4d a y s h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n d3 8 6 k g c o d ( m 3 - d ) v o l u m e t r i co r g a n i cl o a d i n gr a t e ，t h er e m o v a lr a t i oo fc o l o r i t ya n d c o d e rk e p ta b o u t7 0 ，w h i l et h ee o n c e n t r a t i o no fn h a - nr i s e df o rt h eo r g a n i c n i t r o g e nc h a n g e dt oa m m o n i a i na d d i t i o n ，p r e t r e a t m e n tp r o c e s sw a ss t u d i e di nt h ep a p e r t h er e s u l t so f t h e c h e m i c a lt r e a t m e n t sw e r eh o w e v e r u n a p p r e c i a b l e t h ec o d e rr e m o v a le f f i c i e n c yw a s o n l ya b o u t3 0 a n dw a sh a r dt oi m p r o v e s oc o m p a r e dw i t ht h ec h e m i c a lt r e a t m e n t ，t h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n tp r o c e s si sa m o r ee f f e c t i v ea n df e a s i b l ew a yt ob ea p p l i e di nt h ep r a c t i c eo fp h a r m a c e u t i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t h o w e v e r , t h ec h e m i c a lt r e a t m e n tc a nb ec o n s i d e r e da s p r e - t r e a t m e n tt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ，p h a r m a c e u t i c a lw a s t e w a t e r , c h e m i c a lt r e a t m e n t ，p r e - t r e a t m e n tt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：剖宏蛹 签字日期：冽，年月 多e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：歹j 亥诵 导师签名： 签字日期：溯0 年6 月 日 私寺 签字日期：汐年月多一日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着我国医药工业的快速发展，制药废水的污染与治理已引起人们的高度重 视和关注。制药废水中往往含有种类繁多的有机污染物，其中不少难于降解或对 微生物有抑制作用，可以在相当长的时间内存留于环境中，尤其是对人类健康危 害极大的“三致 有机污染物，即使在水中浓度低于1o 。9 级，仍对人类健康危害 极大【l 】。2 0 0 2 年2 月，经国家环保总局批准，“国家环境保护制药废水污染控制 工程技术中心 在河北石家庄成立，这一中心的成立，旨在致力于打造“全国制 药行业污染控制的科技平台 ，同时将大大提升我国制药行业的污染控制技术及 装备水平1 2 j 。目前，对于制药废水的处理，国内外尚无可普遍推广的经济有较的 方法。发达国家多采用稳妥但费用较高的混合稀释好氧处理工艺【3 ，4 j ，而我国对 于制药废水的处理研究由于起步较晚，还没有找到经济有效又切实可行的处理措 施。因此，加强制药废水处理的工艺研究势在必行。 1 1 制药废水及其处理研究现状 随着制药工业的发展，制药废水己成为重要的污染源之一。医药产品按其特 点可分为抗生素、有机药物、无机药物和中草药四大类。目前我国生产的常用药 物达2 0 0 0 种左右，不同种类的药物所采用的原料种类和数量各不相同。此外， 不同药物的生产工艺及合成路线差别又比较大，尤其在制药的后一阶段，即提纯 和精制的过程中，采用的工艺方法也不同。为了提高药物的药性及对疾病的针对 性，在医药的生产过程中往往需要将生物、化学和物理等诸多工艺进行综合，如 生物发酵法生产的药物( 抗生素等) ，需经后期的化学合成而提高其有效性，因此， 造成制药生产工艺及废水的组成十分复杂。 制药生产工艺主要分为生物制药、化学制药和中草药生产。生物制药废水中 主要含菌丝体、残余营养物质、代谢产物和有机溶剂等。废水主要来自发酵滤液、 提取的萃余液、蒸馏釜残液、吸附废液、导管废液等1 5 1 。 1 1 1 制药废水的特点 制药废水主要表现为以下特点： ( 1 ) 污染物种类多，成分复杂，且废水浓度高。由于生产工序多，原料用量 天津大学硕士学位论文第一章绪论 大，原料利用率较低，生产过程中哪些残留的原料有几十倍到几百倍于药物产量 的物质以废水形式污染环境。一些大型医药企业每天废水中的c o d c r 排放量高 达数十吨，甚至上百吨，相当于数百万人口的污染当量。 ( 2 ) 冲击负荷大，单罐分批生产的非连续性排放，使废水的成分和水量变化 很大； ( 3 ) 含抗生素，抑制微生物的生长； ( 4 ) 色度高； ( 5 ) 可生化性差。 1 1 2 制药废水处理研究现状 制药废水中往往含有种类繁多的有机污染物质，其中不少难于生化降解，可 在相当长的时间内存留于环境中，尤其是对人类健康危害极大的“三致”( 致癌、 致畸、致突变) 有机污染物，即使在水体中浓度低于1 0 。9 级仍对人类健康危害极 大。制药废水因为其高浓度、有毒、有害、生化难降解的特点，在生化处理前必 须进行必要的预处理，将废水中对活性污泥微生物有毒成分去除，并采取必要的 方法提高废水的可降解性，使废水得到有效的处理。 1 1 2 1 物化处理技术 物化处理不仅可作为生物处理工序的预处理，有时还可作为制药废水的单独 处理工序或后处理工序。在制药废水处理中采用的物化法有很多，因不同的制药 废水而不同。 ( 1 ) 气浮法 气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的污染物，使其密 度小于水而上浮到水面实现固液或液液分离的过程。通常包括充气气浮、溶气气 浮、化学气浮和电解气浮等多种形式。庆大霉素废水经化学气浮处理后，c o d c r 去除率可达5 0 以上，固体悬浮物去除率可达7 0 以上。如新昌制药厂采用c a f 涡凹气浮装置对制药废水进行预处理，在适当的药剂配合下，c o d c r 的平均去除 率可在2 5 左右【6 i 。 ( 2 ) 吸附法 在制药废水处理中，常用煤灰或活性炭吸附预处理生产中成药m 、米菲司酮、 双氯灭痛i 引、洁霉素、扑热息痛等产生的废水。如青海制药集团公司针对排放废 水污染浓度大、水量小的特点采用炉渣一活性炭吸附来处理制药废水，不但实用 有效，而且投资小，工艺简单，操作简便。处理后废水c o d c r 得到大幅度下降， 效果显著【9 】o 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 混凝法 通过混凝法可去除污水中的细分散固体颗粒、乳状油及胶体物质等。聚合氯 化硫酸铝和聚合氯化硫酸铝铁混凝剂处理c o d c r 为1 0 0 0 4 0 0 0 m g l 的制药废水， c o d c r 去除率在8 0 以上，若分二次投药处理效果更佳【1 0 1 。硫酸铝和聚合硫酸铁 等用于中药废水 i i a 2 、聚合氯化铝用于洁酶素生产废水、三氯化铁用于抗菌素废 水等，许多混凝剂都在制药工业中应用。 ( 4 ) 反渗透法 反渗透法是利用半透膜将浓、稀溶液隔开，以压力差作为推动力，施加超过 溶液渗透压的压力，使其改变自然渗透方向，将浓溶液中的水压渗到稀溶液一侧， 可实现废水浓缩和净化目的。如采用反渗透法处理新诺明生产废水【13 1 。 ( 5 ) 吹脱法 当氨氮浓度大大超过微生物允许的浓度时，在采用生物处理过程中，微生物 受到氨氮的抑制作用，难以取得良好的处理效果。赶氨脱氮往往是废水处理效果 好坏的关键。在制药工业废水处理中，常用吹脱法来降低氨氮含量，如乙胺碘峡 酮废水的赶氨脱氮【1 4 】。 1 1 2 2 化学处理技术 ( 1 ) f e c 处理法 工业中以f e c 作为制药废水的预处理步骤，运行表明，经预处理后废水的 可生化性大大提高、效果明显。抗生素药类生产废水难以生物处理，近年来，国 内外对包括抗生素在内的难降解有机污染物废水采用了光催化降解和其它方法， 但存在成本高、流程复杂，而采用廉价的铁屑加催化剂处理此类废水，可使c o d c r 去除率达到第二类污染物部分行业最高允许排放浓度，并且此法较其它方法经 济、稳定。 ( 2 ) f e n t o n 试剂处理法 f e n t o n 试剂是由h 2 0 2 和f e 2 + 混合得到的一种强氧化剂。由于能产生氧化能力 很强的- o h 自由基，具有极强的氧化能力，特别适用于生物难降解或一般化学氧 化难以奏效的有机废水的氧化处理，而且具有反应迅速、温度和压力等反应条件 缓和且无二次污染等优点。 ( 3 ) 电渗析法 葛体掌等人f 1 5 1 用电渗析法对灭菊酯农药废液进行了生产试验。原废液为 p h - - 1 0 的碱性废水，含盐量l1 5 9 l 。经电渗析处理后p h 值降到7 5 ，含n a c l l g l ， n a 2 c 0 3 2 4 5 9 l 和n a h c 0 3 0 0 7 9 l 。每处理一吨废液耗电1 0 - 1 2 k w h ，水回用率达 8 0 以上，并可回收约5 0 的n a 2 c 0 3 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 深度氧化技术 制药废水由于c o d c r 浓度高、色度深以及含有大量的毒害物质，除采用传 统的生化及物化处理方法外，废水深度氧化技术有其独特特色。 湿式空气氧化技术是在较高温度( 1 5 0 3 5 0 ) 和压力( 0 5 2 0 m p a ) 下，以空 气或纯氧为氧化剂将有机污染物氧化分解为无机物或小分子有机物的化学过程。 张记市等【l6 j 采用高温催化氧化预处理含酚制药废水，c o d c r 、s s 去除率可达6 0 。 1 1 2 3 生物处理技术 生物处理技术是目前制药废水广泛应用的处理技术，其中活性污泥法是比较 成熟的技术之一。普通活性污泥法的缺点是废水需要大量稀释，运行中泡沫多， 易发生污泥膨胀，剩余污泥量大，去除效率不高，必须采用二级或多级处理。因 此近年来，改进曝气方法和采用微生物固定技术以提高废水的处理效果已成为活 性污泥法研究和发展的重要内容。 ( 1 ) 深井曝气法 深井曝气也称“超深水曝气 、“超深层曝气”，是英国在7 0 年代所开发 的一项新技术。它是以地下深竖井构筑物作为曝气装置的高效活性污泥工艺。深 井纵向被分隔为两部分一上升管和下降管。废水进入深井后，随原污水和回流污 泥的混合液在下降管内反复循环流动，并在此过程中得到净化。它的氧利用效率 高，充氧能力相当于普通曝气的十倍；污泥负荷速率比普通活性污泥法高2 5 “ 倍；占地面积小、投资少、运转费用低、效率高，c o d c r 的平均去除率可达7 0 以上。东北某制药厂采用深井曝气法处理万吨维生素工程中的高浓度有机废水， 出水浓度为7 15 。9 m g l ，去除率为9 2 。7 。 ( 2 ) 生物流化床法 将固体流化态技术移植到废水生物处理工程领域，并开发出新的工程技术， 叫生物流化床工艺。好氧生物流化床反应器是将普通活性污泥法和生物膜法的优 点有机地结合，并引入流化技术的处理有机废水的反应装置，因而具有容积负荷 高、生物降解速度快、占地面积小、基建投资和运行费用低等优点，引起国内外 环境工作者的极大兴趣和广泛的研究 】7 ，培】。 ( 3 ) 序批式活性污泥法( s b r 法) 序批式活性污泥法，简称s b r ，是近年来在国内外引起广泛重视和研究日趋 增多的种废水处理工艺，且目前已有一些生产装置在运行中。它具有均化水质、 无需污泥回流、耐冲击、污泥活性高、结构简单、操作灵活、占地少、投资省、 运行稳定、基质去除率高于普通活性污泥法等优点，比较适合于处理间歇排放和 水量水质波动大的废水。但s b r 法具有污泥沉降、泥水分离时间较长的缺点。在 天津大学硕士学位论文第一章绪论 处理高浓度废水时，要求维持较高的污泥浓度，同时还易于发生高粘性膨胀。因 此，常考虑对工艺进行适当的改进【1 9 1 。王才等【2 0 1 采用s b r 废水处理工艺对吉林市 制药厂废水进行实验研究。结果表明，s b r 处理工艺可有效的处理制药废水，使 c o d c r 、p h 值及挥发酚均达到排放标准。生物膜法和s b r 法相结合的废水处理工 艺具有较强的耐冲击负荷能力，污泥性能很好，特别适宜于水质、水量波动较大 的废水的处理。还可有效地处理含有抗生素类等生物难降解污染物的制药废水， 当进水c o d c r 在1 5 7 7 6 - - 1 2 3 6 7 7 m g l 之间变化时，出水c o d c r 均小于9 5 m g l 1 2 1 1 。 ( 4 ) 厌氧生物处理法 厌氧生物处理也称甲烷发酵或沼气发酵，与好氧生物处理相比，厌氧生物处 理有机废水具有下列优点1 2 2 j ： 污水处理的有机负荷高，是好氧工艺的5 l o 倍； 剩余污泥量少，在厌氧工艺中合成生物量仅为好氧工艺的5 - 2 0 ； 营养需要量少，仅为好氧工艺的5 - 2 0 ； 厌氧生物体的活性可保持数月甚至数年而无严重衰减； 无曝气能耗，且厌氧每去除10 0 0 k g c o d c r 产生甲烷的能量为1 2 6 6 0 0 0 0 k j 。 但是，厌氧工艺也有其相应的局限性，如启动时间长，处理过后仍有相当的 有机物。因此，要使水质达标，厌氧工艺常要进行补充处理1 2 3 j 。采用厌氧复合床 反应器可以在抗生素制药废水处理中实现快速启动，在运行6 0 d 后，去除率达到 7 5 ，容积负荷达到7 2 k g c o d c r ( m 3 d ) 【2 制。 ( 5 ) 缺氧生化预处理法 缺氧生物处理技术是一项借助于好氧、兼氧、厌氧生物共同作用，从而扩大 生物系统对水中有机成分的生化降解范围，进一步提高生化处理污染物去除率的 有效处理方法。所谓缺氧，实际上是一种在微量供氧下接近于厌氧( d o = o ) 的生 化运行状态。该法作为预处理手段具有提高总c o d c r 去除率的作用，用于c o d c r 浓度较高，单纯好氧生化处理难以达标的有机工业废水是非常经济的。俞宗莲等 采用厌氧( 水解酸化) 一好氧序列间隙式反应器对生物制药废水进行研究。经处理 后，污水b o d 5 c o d c r 升高至0 6 0 6 2 ，整个系统运行稳定有效，c o d c r 总去除 率达7 8 9 9 2 8 ，出水c o d c r 低于2 5 0 3 0 0 m g l 。通化东宝实业公司采用水解吸 附一接触氧化一过滤组合工艺处理含人工胰岛素等的综合制药废水。处理后出水 c o d c r d x 于2 0 m g l ，b o d 5 为5 8 m g l ，优于污水排放的一级标准1 2 孓2 7 j 。 ( 6 ) 固定化微生物法 固定化微生物法是将微生物固定在载体上或定位于限定的空间区域内，并保 持其生物功能，反复利用。杨益东等人针对制药行业的高浓度有机废水，定性定 量地测定了高浓度有机物底物；筛选出降解以阿苯哒唑、扑尔敏和布洛芬为主要 天津大学硕士学位论文第一章绪论 底物的三种优势菌种；应用了三种结合固定化材料和两种胞埋固定化材料对优势 菌群进行了固定化试验：通过降解试验，在高负荷的情况下有机污染物最高去除 率可达9 0 以上，比一般活性污泥法提高功效1 3 ；提出了利用现有设施对高浓 度有机废水进行处理的工艺设想1 2 8 1 。 上述文献报道表明，生化法仍然是国内大多数高浓度难降解有机工业废水处 理工程实践中的必选方法，也只有生化法才能在组合工艺的末端，较经济地满足 我国目前“分散治理，达标排放所要求的较低排放浓度【2 9 】。 1 1 3 我国制药废水治理现状 制药废水的共性是有机物浓度高，大都采用生化法为主的处理技术，这些技 术主要有普通活性污泥法、加压生化法、沉井曝气法、s b r 法( 序批式间歇活性 污泥法) 、厌氧生物活性炭硫化床工艺( a f b g a c ) 、水解一好氧生物处理技术、 生物接触氧化法、优势菌株生物膜法、光合细菌处理法( p s b ) 、固体化微生物法、 生物活性炭法等。目前这些生化处理方法都比较成熟，在制药废水处理中都有不 同程度的应用，对实际制药工业废水的处理可按产品及工艺的不同，适应查阅相 关书籍，并依照选取，这里不作详述【3 。 但是，在具体制药废水处理的工程实践中，也存在一些问题：主要是由于制 药废水的复杂性，废水中含有大量难降解的有机污染物质，大部分制药废水都不 能或仅仅采用生化方法处理达标。因此，对于不易生化处理或单经生化处理不能 达标的废水，须采用其他方法先对其进行预处理，以提高废水的可生化性或改善 废水的生化特性，使废水二级生化处理更为有效【3 。 1 2 厌氧生物处理工艺 1 2 1 厌氧生物处理工艺的发展 所谓厌氧生物处理工艺就是利用厌氧微生物的新陈代谢作用，在无须提供氧 的条件下，将有机物还原降解，同时产生有能源价值的甲烷气体。 厌氧生物处理工艺在城市污水处理方面的应用已有1 0 0 多年的历史，但是 在工业污水处理方面的应用只有七、八十年的历史。总体而言，厌氧工艺在其 10 0 多年的发展过程中大致可分为三个阶段【3 2 j ： ( 1 ) 十九世纪下半叶，是厌氧消化工艺的第一个发展阶段，即简单的沉淀与 厌氧发酵并行的初级发展阶段，主要处理对象是污水中的悬浮固体，主要的处理 构筑物是化粪池。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 十九世纪末到二十世纪初，厌氧消化工艺经历了它的第二个发展阶段， 即污水沉淀与发酵分层进行的发展阶段。主要处理对象依1 日是污水中的悬浮固 体，主要处理构筑物为双层沉淀池，同时沼气可作为能源的功能为人们所认识。 ( 3 ) 自1 9 1 2 年至今的九十多年，厌氧消化工艺经历了它的第三个发展阶段， 即独自营建的高级发展阶段。其特点是把沉淀池中的厌氧发酵室分离出来，建成 独立的厌氧消化反应器，并形成了功能齐全和构型各异的厌氧消化装置。 随着人们把有机污水厌氧生物处理工艺作为环境工程和能源工程中的一项 重要技术来对待，近些年来厌氧生物处理工艺得到了迅速发展，各种新型反应器 如厌氧接触氧化池，由y o u n g 和m c c a r t y 提出的“厌氧滤池a f ”，由s w i t r e n b a u m 和j e w e l l 提出的“厌氧附着膜膨胀床a a e b ”，以及由l e t t i n g a 提出的“上流式 厌氧污泥床反应器u a s b 和“厌氧生物转盘反应器a b c r ”以及a b r 反应器 相继出现。 最初有机污水厌氧处理主要借助于厌氧活性污泥法。近年来除了在活性污 泥法上有了极大进展外，还充分借鉴了好氧生物处理工艺的研究经验，使厌氧生 物膜法也同样地得到了空前的发展，从而为含固体浓度较低的有机污水采用厌氧 生物处理创造了条件。 在厌氧生物膜法中，就厌氧过滤工艺来说，除了固定床外，还出现了厌氧 膨胀床和流化床之类的工艺，这些工艺的高效性以及不存在短流和滤床堵塞等特 点使其得到了快速的发展，目前工程实践中已有许多成功的例子。厌氧滤池所用 载体近年来也有较大发展，除了粒状或块状载体外，国内外已对包括软性填料在 内的多种生物载体进行了试验研究。 在厌氧悬浮生长工艺体系中，普通消化池工艺已被突破，上流式厌氧污泥 床反应器已作为一种重要的有机污水厌氧生物反应器被肯定。这种工艺具有厌氧 过滤和厌氧活性污泥法的双重特点，运转费用及构筑物造价均有所下降，对于不 同含固体量的污水适应性强，在工程实践中已越来越广泛的应用。 通常厌氧发酵过程需要两大类在生理上完全不同的微生物( 即水解酸化细 菌和甲烷细菌) 参与，将它们置于同一反应器中，往往不能使其在各自所需的最 佳生态环境下活动，总的反应效率可能降低。近些年来，将酸性发酵阶段和甲烷 发酵阶段分别置于两个反应器内或是一个反应器的两个部分的两相厌氧生物处 理法，也取得了突破性进展。 由于厌氧发酵本身的局限性，通过厌氧生物处理后，反应器出水水质一般 还不能满足排放要求。为了满足日益严格的环境保护要求，厌氧好氧两段法处 理工艺己被开发研制出来，并在工程实际中投入使用。 经过一段时间的发展，厌氧生物处理工艺获得了巨大进步，成为一种高效 天津大学硕士学位论文第一章绪论 节能的新工艺，已被应用于高、中、低浓度的有机废水处理，在常温、中温以及 高温下均取得了满意的处理效果。不仅可以处理人们生活中废弃的有机物，而且 可以处理工业中的有机物。厌氧生物处理技术向纵深和广阔的领域发展，应用范 围越来越广，理论研究也在逐步深入，变得更加系统和完善。 1 2 2 厌氧消化工艺处理有机废水的优缺点 与好氧处理工艺相比，厌氧处理工艺具有如下优点和缺点： ( 1 ) 厌氧处理的优点 用厌氧工艺处理高浓度有机废水有较高的去除效果，b o d 去除率可以达 到9 0 以上，c o d c r 去除率在7 0 - - 9 0 ，并生成甲烷。 厌氧处理设备简单，不需要价格较贵的曝气设备，与好氧处理相比，厌 氧处理过程中动力消耗少，一般只有好氧处理的1 10 左右。 厌氧处理所生成的剩余污泥少，仅为好氧处理的1 l o l 6 ，并已高度矿化， 易于机械脱水，剩余污泥所需要的处理装置小，费用低。 厌氧处理所生成的剩余污泥，可加工后作肥料或饵料，而沼气则可以作 为燃料使用。 厌氧处理所需营养盐少，在密闭的系统中运行，有机分解出来的臭味易 于控制。 可以采用厌氧处理工艺直接处理高浓度有机废水，而不需要大量的稀释 水，同时还可以处理一些好氧处理难以降解或只能部分降解的有机物。 厌氧处理可以季节性或间歇运行，厌氧污泥可以长期储存。 ( 2 ) 厌氧处理的缺点 厌氧污泥增殖缓慢，因此装置启动的周期较长。 厌氧出水水质较差，一般不能达到排放标准，常需要好氧处理工艺作为 其后期处理工艺，与好氧处理工艺串联使用。 厌氧处理工艺操作控制因素较为复杂，特别是初次启动，对操作人员的 专业技能要求较高。 总之，在大部分研究及工程实例中，厌氧生物处理工艺的优点明显超过其不 足之处，具有很好的发展前景。但在具体的某些环节认识和研究还不够，还需深 入的研究和探讨。 1 3 厌氧折流板反应器 厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，a b r ) 是m c c a r t y 和b a c h m a n n 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 等人于1 9 8 2 年，在总结了各种第二代厌氧反应器工艺性能的基础上开发和研制 的一种新型高效厌氧污水生物处理技术。a b r 法集上流式厌氧污泥床( u a s b ) 和 分阶段多相厌氧反应器( s m p a ) 技术于一体，不但大大提高了厌氧反应器的负荷 和处理效率，而且使其稳定性和对不良因素( 如有毒物质) 的适应性大为增强，是 水污染防治领域一项有效的新技术。a b r 工艺的一个突出特点是设置了上下折流 板，而在水流方向形成依次串联的隔室，从而使其中的微生物种群沿水流方向的 不同隔室，实现产酸和产甲烷相的分离，在单个反应器中达到两相或多相运行。 研究表明，两相工艺中产酸菌和产甲烷菌的活性要比单相运行时高出4 倍，并可 使不同的微生物种群在各自适宜的条件下生存，从而便于有效管理，提高处理效 果，利于能源的利用1 3 引。 1 3 1 厌氧折流板反应器工作原理 从构造上看，a b r 是通过内置的竖向导板，将反应器分隔成串联的几个反应 室，每个反应室都是一个相对独立的u a s b 运行系统。污水在折流板作用下逐个 通过反应室的污泥床层，并通过水流和气的搅拌作用，使进水中的底物与微生物 充分接触而得以降解去除。从工艺上，a b r 与单个u a s b 系统有显著不同。首先， u a s b 可近似看作是一种完全混合式反应器，而a b r 是一种复杂混合型水力流 态，且更接近于推流式反应器；其次，u a s b 中酸化和产甲烷两类不同的微生物 相交织在一起，不能很好地适应相应的底物组分及环境因子( p h 值、h 2 分压值 等) ，而在a b r 中各个反应室中的微生物相随流程逐级递变的规律与底物降解过 程协调一致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性。 1 3 2 厌氧折流板反应器的特点 a b r 具有以下七个显著的特点： ( 1 ) 运行稳定，操作灵活 由于a b r 特有的挡板构造，大大减小了堵塞和污泥床膨胀等现象发生的可 能性，可长期稳定运行。并且a b r 可根据水质、水量的不同，通过改变挡板间 距，调节h r t ，甚至还可以进行间歇操作，来满足出水水质的要求。a b r 还可 在适当的隔室进行好氧操作，以达到在同一反应器内除氮的目的。 ( 2 ) 工艺简单，投资少，运行费用较低 a b r 设计简单，没有活动部件，同传统的厌氧消化池相比，无需机械搅拌 装置，也不需要额外的澄清沉淀池。同u a s b 和a f 相比，a b r 不需要昂贵的 进水系统，也不需要设计复杂的三相分离器。因此，a b r 的投资少，运行费用 较低。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 固液分离效果好，出水水质好 厌氧生物团絮凝同好氧活性污泥法的模式类似，是由细菌对基质的有限浓度 引起，f m 值对其有重要影响。低f m 值有利于微生物絮凝，沉降加快，出水 悬浮固体浓度低。a b r 的分格构造和水流的推流状态，使f m 随水流逐渐降低， 在最后一隔室内f m 值最低，且产气量最小，最有利于固液分离，所以能够保 证有良好的出水水质。 “) 对有毒物质适应性强 由于隔板将反应器分隔开，所以有毒物质对反应器的影响主要集中在a b r 反应器的前部，对后部的危害较小。这使得只有少数微生物暴露在有毒物质的影 响下，有利于整个反应器系统的驯化并能在较短的时间恢复到正常的水平。 ( 5 ) 良好的生物分布 挡板构造在反应器内形成几个独立的隔室，所以能在每个隔室内驯化培养与 该隔室环境条件相适应的微生物群落，形成良好的种群配合和良好的沿程分布， 避免了不同种群间生态幅的过多重复，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作 活性。必要时还可以通过合理设置各隔室的废水水质，来稳定运行工况，提高处 理效果，实现在一个反应器内完成一体化的两相或多相处理。 ( 6 ) 耐冲击负荷，适应性强 由于折流板良好的滞留微生物的能力和污泥良好的沉降性能，再有a b r 中的 微生物环境具有良好的生物级配，a b r 对冲击负荷的适应性很强。g r o b i c k ia 的 研究表明，不论是对水力冲击负荷还是对有机冲击负荷，a b r 均有良好的适应性 【3 3 】。因此，a b r 对于处理流量和浓度变化较大的工业废水有很好的应用前景。 ( 7 ) 良好的生物固体截留能力 由于折流板的阻挡作用及通过对折流板间距的合理设置( 水流在上向流室中 的上升流速相对较小) 为污泥的沉降和截留创造了一个良好的条件，因而a b r 反 应器内能截留大量的微生物，其微生物质量浓度可达到7 2 0 8 9 l 。 1 3 3 厌氧折流板反应器的工艺性能 ( 1 ) 良好的水力条件 反应器的水力条件是影响处理效果的主要因素。a b r 中的死区容积分数要比 其他类型的厌氧反应器低得多，亦即a b r 的容积利用率是很高的。d c s t u c k e y 等的研究表明，a b r 的v d v ( v 为反应器容积，v d 为死区容积) 值仅为7 屯o ， 平均值为9 8 ，厌氧滤池和传统消化池的v d 分别为5 0 5 0 0 - 9 3 和8 2 ，均远 高于a b r 的v d 值【3 4 1 。原因在于a b r 相当于把一个反应器内的污泥分配到了多 个隔室的反应小区内，倘若反应器的分隔数为n ，则每个隔室内的污泥量为反应 天津大学硕士学位论文第一章绪论 器内污泥总量的1 n ，因此，强化了污泥与被处理污水的接触和混合程度，从而 提高了反应器的容积利用率。 ( 2 ) 稳定的生物固体截留能力 a b r 能在高负荷条件下有效的截留活性微生物固体，这主要表现在它对水 中高浓度的s s 具有很强的适应性和处理效能。反应器内折流板的阻挡作用及折 流板间距的合理设置，有利于活性污泥与被处理废水问的良好混合接触，也为污 泥的截留和沉降创造了一个良好的条件。郭静等人对人工合成葡萄糖废水的处理 研究结果表明，由于反应器内折流板良好的阻滞作用，污泥浓度可达7 9 9 l 以上。 ( 3 ) 易于形成颗粒污泥 颗粒污泥的形成与废水水质、运行条件及a b r 的构造等因素有关。 b o o p a t h y l 3 5 j 的研究发现，在初始负荷为0 9 7 k g ( m 3 d ) ，上升流速小于0 4 6 m h 的 条件下启动a b r ，一个月后，每一反应器都出现了粒径为0 5 m m 的颗粒污泥，三 个月后，颗粒污泥长大至3 5 m m 左右。a b r 处理豆制品废水试验，采用低负荷高 去除率启动方式，驯化和培养颗粒化活性污泥，c o d c r 负荷范围在 0 7 2 - 1 9 k g ( m 3 d ) ，经过5 0 多天，反应器内形成大量密实、亮黑色的颗粒污泥， c o d c r 去除率和废水产气率都很高【3 6 1 。 ( 4 ) 微生物种群的分布 在位于反应器前端的隔室中，主要以水解和产酸菌为主，而在较后的隔室中 以产甲烷菌为主。随隔室的推移，由甲烷八叠球菌为优势种群逐渐向甲烷丝状菌 属、异养甲烷菌属和脱硫弧菌属等转变。这种微生物的逐室递变，使优势种群得 以良好的生长，这与有机底物在各司其职的微生物种群作用下的逐步降解和转化 过程相一致。 1 3 4 厌氧折流板反应器在工业废水处理中的应用研究 目前，有关a b r 工艺的研究正在不断深入之中，主要方向为a b r 工艺的优化 及其在有机( 尤其是高浓度) 废水处理中的效果p 7 1 。 ( 1 ) 高浓度废水的处理 a b r 处理高浓度废水时，其启动所需控制的h r t 则可视具体情况或处理要 求确定，一般以较长的h r t 为佳。这主要是因为高底物浓度有利于其与微生物 之间传质作用并可增强和促进产气及其混合程度，因此而产生良性循环，降低乃 至消除反应器隔室内的沟流现象，利于稳定运行。 b o o p a t h y f f l t i l c h e l 3 8 j 利用h a b r 处理不同进水浓度和负荷的糖蜜酒精釜馏液 的研究表明，当进水c o d c r 由1 1 5 0 0 m g l 提高至9 9 0 0 0 0 m g l ( 其体积负荷由 12 2 5 k g ( m 3 d ) 提高为2 8 k g ( m 3 d ) 时) 三周内总产气量增加了6 5 ，v s s 约上升 天津大学硕士学位论文第一章绪论 了5 0 ，一周内c o d e r 去除率和沼气中甲烷的含量均下降了2 0 ，但很快得到恢 复。丘波等人将a b r 反应器用于处理高浓度的金霉素制药废水，经过三个多月的 调试，当温度在3 0 - - - 4 0 ，容积负荷为5 6 2 5 k g ( m 3 d ) 时，对c o d e r 的去除率可 达到7 5 以上【3 9 】。采用厌氧折流板反应器处理经预处理后的农药中间体甲基氯 化物生产废水，当进水c o d e r 为6 4 2 1 5 m g l ，h r t 为9 4 h 时，c o d e r 的去除率可 达6 8 ，与废水7 5 的生化极限接近【4 0 1 。 ( 2 ) 低温废水 目前对a b r 的研究大多是在中温条件下进行，但为数不多的低温或常温研究 表明，a b r 作为一种s m p a 工艺，具有在低温和常温下获得有效处理的优势。 l g o r b o d n ( 1 4 1 】等人的研究表明，当反应器内温度随季节在4 5 2 3 间变化时，采 用a b r 和好氧后处理对污水进行处理，所有监测参数都有相当高的去除率 ( c o d c r = 7 8 6 8 3 0 ，b o d 5 = 9 2 5 9 4 。0 以及s s = 8 0 9 - 9 2 7 ) 。而且在反应器内 观察到了脱氮过程( 即使在平均温度为5 9 c 的一月份) ，在一年中，n h 3 - n 的平 均去除率在4 6 4 8 7 3 之间变化。n a c h a i y a s i t t 4 2 】的研究则表明，当a b r 反应器温 度从3 5 。c 降至2 5 时，c o d c r 的去除率仅在头两周内有所下降，但此后即很快 恢复，并达到了原有处理效果且运行稳定。 ( 3 ) 高s s 浓度废水 高s s 浓度废水是指物体形态上介于固体废弃物和液体之间的流动或半流动 的废水( 如养猪场废水) 。处理这类废水的传统工艺是c s t r 反应器，目前也有将 u a s b 用于此类废水的研究，但当废水的c o d c r s s 低于0 5 时，不仅影响颗粒 污泥的形成从而影响处理效果，还将造成反应器的堵塞。与此相比，由于废水中 的s s 主要截留在前端隔室，并不影响后面隔室的处理，因而a b r 比u a s b 具 有对进水冲击更强