（环境工程专业论文）厌氧附着膜膨胀床（aafeb）反应器处理乳品废水的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为东南大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，与我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。 研究生签名：基! i l 盔基日期：也：型山r 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：立且盟铷签名：趱日期 矾牛f 文 东南大学硕士学位论文 摘要 乳品废水属于较高浓度有机废水，其中含有蛋白质及复合肽等中间体，生物降解速率缓慢， 选用厌氧生物处理 一艺处理乳品废水，有较好的处理效果，可以提高和保证后续好氧上艺的处理 效率，并能回收沼气能源。厌氧处理技术中，厌氧附着膜膨胀床( a n a e r o b i c a t t a c h e dm j c r o b i a lf i l m e x p a n d e db e d ，a a f e b ) 反应器工艺简单，操作条件易控制，生物量大、处理效率高。本文对 a a f e b 反应器处理乳品废水进行试验研究，确定了用活性炭作为反应器载体时污泥颗粒的流 化条件；研究了系统稳定运行时，水力停留时间、容积负荷年反应温度等适宜的工艺参数；分析 了废水中氮化台物的转化规律、总氮的去除率以及酸碱度对废水处理效率的影响：推导了a a f e b 反应器的动力学常数。研究认为： 1 、在采用a a f e b 反应器处理废水的工艺中，硝空床上升流速u 来控制载体膨胀率p 是可行的， 选用粒径为o 2 1 0 m m 的活性炭作载体，反应器空床上升流速u 控制在1 0 5 m ，h 左右，可使载体膨 胀率达到1 2 0 。 2 、用a a f e b 反应器处理乳品废水中温处理能耗小、易于控制，实际应用较适宜。本系统 稳态运行的适宜工艺参数为：水力停留时间为8 h ；容积有机负荷为6 1 5k g c o d ，( m 3 d ) ；温度 在2 8 3 5 之间；酸碱比大于3 0 。 3 、a a f e b 反应器在适宜的运行工艺条件f ，c o d 去除率火于8 0 ：物料产气率为3 6 0l ， k g c o d ；b c 比由进水的o 5 下降到出水的o4 5 左右：有机氮的氢化率大于7 0 ，总氮的去除 率约为8 。 研究结果表明，用a a f e b 反应器处理乳品废水，：c 艺运行稳定，处理效率高，出水可生化 性好，污泥产率低、动力消耗省，是一种有发展前景的厌氧废水处理： 艺。 关键词：厌氧附着膜膨胀床乳品废水颗粒流态化中温厌氧 一一垄耋盔堂堡主兰垡笙奎一 a b s t r a c t d a j r yu l e w a t e w h j c hc o m p o s e d 。fp r o e i na n dp 捃i nj n 把r m e d j a r y ，i st h eh 曲c o n c e n t r a c i o n o 唱a r 】i cw a s t e w a t e li t sb i o l o g i c a ld e g f a d a t i o nv e l o c j t yi ss i o w d a i r yw a s t e w a t e rt r e a t e db ya 1 1 a e r o b i c a l b i o i o 互c a it r e a t m e n p r o v i d e sas a t i s f y i n ge f 绝c ta n dt 1 1 em e t h a n ee n e 唱yc a nb er e u s e d ，a n di te n h a n c e t h ee f n c i e n c yo fs u b s e q u e n ta e r a t i o na n a e r o b j ca n a c h e dm i c r o b i a lf i l me x p a n d e db e d ( a a f e b ) i s o n eo ft h ea n a e r o b i ct r e a t m e n tt e c h n o l o 崮e s ，w i t hs i m p l ep r o c e s s ，e a s i l yc o n t e o l l e dr u n n i n gc o n d i t i o n ， l a 唱ea m o u n to f b i o m a s sa n dh i g he f 矗c j e n c yo ft 陀a t m e n tt h i sp a p e rr e p o r t so nt h et r e a t m e n to fd a i r y w a s t e w a t e fj nt h ea a f e b t h ee x p a n d e dc o n d i t i o ni se s t a b l i s h e db yu s i n ga c t j v a t e dc a r b o na sc a r r i e l d ur i n gs t e a d y s t a t eo p e r a t i o no ft h es y s t e m ，p a r a m e l e r ss u c ha s h y d r or e s i d u a it j m e ( h r t ) v o i u m e l o a d i n 野a n dl e m p e r a t u r et h ec h a n g ed i s c i p i i n eo f n i l r o g e n ，t o t a in i t r o g e n 佗m o v a lr a t ea n dt h ee f r e c to f a c i do ra l k a l id e g r e eo nt 1 1 ee f n c j e n c yo f t f e a t m e n ta r ed i s c l 【s s e d t h ed y n a m i cc o n s t a n to f a a f e bi s a n a l y z e d w ec a nc o n c i u d ea sf o i 【o w s ： 1 i t i sa v a i l a b l et oc o n 仃o le ( c a r r j e re 。p a n d i n gr a t e ) b y u ( v e l o c i t yo fn o w ) i nt h ea a f e b w h e n u s i n g 巾02 1 0 唧1a c t j v a t e dc a r b o na sc a r r i e ra n dc o n t r o l l i n g ” a b o u t1 5 m h ，t h ee x p a n d i n gr a t e c a l l e a c h1 2 0 2d u r i n gs t e a d y s t a t eo p e r a t j n go ft r e a t i n gd a i r yw a s t e w a t e rb ya a f e bp m c e s s ，t h es u i t a b l e p a r a m e t e ri s ：h r to f8 h ，v o l u m eo 唱a n i c1 0 a d i n go f6 15 k g c o d “m 。d ) ，t e m p e r a t u r eo f2 8 3 5 a n dt h er a t i oo fa l k a i it oa c i do v e r3 o 3 w h e na a f e bj si nt h es u i t a b l ec o n d j t i o n ，t h er e m o v a 】r a t eo fc o di so v e r8 0 ，w h i l et h e 臣a s p r o d u c t i o nr a t ei s3 6 0 l k g c o d ，b cd e b a s i n gf r o m05o fi n n u e n tt o0 4 5o fe f n u e n t ，t h ef a t eo f a n i m a t i n gc a nm e e i j n go v e r7 0 a n dt h e 陀m o v a im i eo f t o t a in i t r o g e no f a b o u n8 t h er e s u l ts h o w st h a ca a f e bu s e dt 0n a fd a i r yw a s t e w a t e i s 亡h e p r o s p e c t i v ea n a e m b i c w a s t e w a t e rt r e a t m e n t i tp r o v i d e ss t e a d yn m n j “gc o n d i t o n g ，h i g he 币c j e n c ya n dd e g r a d a t i o n ，l o ws l u d g o p r o d u c i i v i t ya n dd y n a m i cc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：a n a e r o b i ca n a c h e dm i c r o b i a lf i l me x p a n d e db e d ( a a f e b ) ；d a l r yw a s t e w a t e r ；们u i d g r a n u l e ；a n a e r a t i o nj nn o r m a it e m p e r a t u r e 2 东南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 我国的水资源总量为2 8 万亿立方米，人均水量2 2 4 0 立方米，仅相当于世界人均占有量的 1 4 ，是一个相对贫水的国家。据测2 0 0 0 年全国缺水2 8 6 亿立方米，在全国6 7 0 座大中城市中， 有近4 0 0 庵城市出现不同程度的缺水，l l o 座城市严重缺水，一年中因缺水导致限产和停产等， 造成工业产值损失2 3 0 0 亿元。2 0 0 3 年我国主要水系、湖泊利海域污染严重，七大水系和劣v 类 水质达到6 1 9 ，主要湖泊氨氮、总磷和高锰酸钾指数严重超标，富营养化问题突出。随着我国 工农业的迅速发展和人民生活水平的进一步提高，预计2 0 3 0 年全国将缺水达5 亿立方米，人 均水资源量将下降到1 7 6 0 立方米，成为世界用水紧张国家，因此我国未来水资源的形势更加严 峻。 在：l 农业迅速发展的同时，越来越多的污染物被排入水体，使水环境质量大幅下降生态环 境遭到严重破坏，许多动植物已经或濒临灭绝。据2 0 0 3 年中国环境状况公报报道，全国工 业和城镇生活废水排放总量为4 6 0o 亿吨，其中工业废水排放量2 1 24 亿吨；城镇生活污水排放 量2 4 7 6 亿吨。废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 3 3 6 万吨，其中工业废水中c o d 排放量5 1 1 9 万吨；城镇生活污水中c o d 排放量8 2 l 7 万吨。废水中氨氮排放总量1 2 97 万n 屯，其中工业废水 中氨氮排放量4 0 4 万吨：城镇生活污水中氨氮排放量8 9 3 万吨。由于未经处理或处理后没有达 标的废水排放，造成水体污染，严重威胁人民的身心健康，影u 向国民经济的发展。因此，加快水 处理厂( 站) 的建设，提高废水处理率和处理效率，使废水达标排放是当前环境治理一r 作的重要 任务。 在各类工业废水中，乳品废水由于排放量大、有机物浓度高、易产生恶臭等原因，成为工业 废水处理的重要内容。乳品是营养丰富的食品，已成为我国居民食品结构中的重要组成部分， 2 0 0 5 年我国乳品年消耗量将达到1 3 5 万屯“1 。新鲜乳品的主要营养成份为：脂肪3 0 5 0 ，蛋 白质2 7 3 7 ，乳糖4 5 5 o ，无机盐0 6 0 0 7 5 ；在乳品加工过程中，上述物质按不同比 例流失到废水中。乳品废水的直接排放能造成大段河流缺氧，致使水生动物死亡，其中酪蛋白水 解产生难闻的气味并严重影响水的透明度。乳品废水的排放量相当可观，国外每加工1 吨鲜奶 排水1 1 5n 屯，而我国乳品加： 排水量更大，是国外的1 0 2 0 倍，按2 0 0 5 年我国乳品消耗量 来计算，乳品废水将达到1 3 5 4 0 5 万吨。乳品废水c o d 浓度通常在2 0 0 0 m g 几以上，2 0 0 5 年我国 乳品业c o d 排放总量将超过2 7 0 0 吨。无论是从乳品废水的排放量还是从污染程度来看，研究我 国乳品废水的处理丁艺显得尤为迫切和重要。 东南大学硕士学位论文 乳品废永的处理方法很多，可采用物化法、全好氧生化法、水解一好氧生化法和厌氧一好氧 生化组合等工艺：目前，选择厌氧一好氧：i ：艺处理乳品废水己成为一种趋势”。与好氧生物处理 技术相比，厌氧生物处理技术具有应用范嗣广、运行成本与能耗低、负荷高等诸多优点，对于排 放总量大、有机污染物浓度高、存在难降解的蛋白质类物质的乳品废水来说，使用厌氧工艺来处 理将取得较好的处理效率，因此，研究开发经济适用的厌氧：| = _ 艺来处理乳品废水具有十分重要的 理论价值和应用价值。 l 2 乳品废水的特点及处理工艺简介 1 2 1 乳品废水的特点 乳品废水属于较高浓度有机废水，其中含有蛋白质及蛋白质降解中间体，生物降解速率缓慢。 乳品废水包括乳场、乳品接收站和乳品加工厂的废水。乳场废水主要来自_ 丁洗涤水和冲洗水：乳 品接收站废水主要是运送乳品所用设各的洗涤水：乳品加上厂废水包括各种设备的洗涤水、地面 冲洗水、洗涤与搅拌黄油的废水以及生产各种乳制品的废水。乳品废水中，乳品组分以污染物 形态随水流失，废水实际上就是原状牛奶稀释液，因此，乳品废水中的蛋白质、脂肪、乳糖的存 在状态与在原汁牛奶中是相同的。 由于乳品生产设施及规模的不同，乳品加工业排放的废水中，c o d 、b o d 5 及s s 水质有一定 差别。一般，废水中c o d 浓度为8 0 0 2 5 0 0m l ，b o d 5 为6 0 0 m g 几一1 5 0 0m l ，总氨值为 6 0 1 0 0m g ，l ，b o d 5 c o d 比值大于o 5 ，属可生化性较好的废水1 5 1 0 与其他废水相比，乳品废水还有自身的特点。在自然环境条件下，乳品废水由于空气中杂苗 的作用，废水中有机污染物能部分降解。例如，在温度为2 8 时，将c o d 为2 5 8 6 m 矿。的乳品 废水静置5 天，各项指标变化如表1 1 所示。其中，c o d 浓度由最初的2 5 8 6m l ，变化到5 天 表1 1 静置乳品废水各项指标变化表 4 东南大学硕士学位论文 后的2 2 0 5 m l ：五天内，挥发性酸( v f a ) 最高达到6 0 m g ，l ，碱度( a l k ) 最高达到2 0 0 m l ； 在有机物降解过程中，总氮浓度无明显变化，而氨氮浓度逐渐增加。 1 2 2 乳品废水处理： 艺简介 乳品废水的处理工艺，可根据乳品生产具体工艺、生产设备的不同以及处理后废水的用途采 用不同的方法，总的来说，包括物化法和生化法。 物化法主要用于高浓度乳品废水中乳渣的同收。包括混凝沉淀法、溶气气浮法、电气浮法等。 乳品废水中的蛋白质、脂肪、乳糖除乳糖能以真溶液形态溶解 二水外，乳蛋白是胶糖悬浊液，乳 脂则是乳浊液。水是分散介质，脂肪球粒径为2 5u 。蛋白类属孤微和次微胶体状，微粒径5 3 0 0 um 。这些胶体物微粒表面有牢固液膜附着，井附电荷。混凝沉淀法是在高浓度乳品废水中投加 电解质，使脂肪、蛋白质微粒脱稳，达到固液脱稳、分离回收乳渣的目的。气浮处理工艺主要用 于去除废水中含有的较多胶体物质。英国采用溶气气浮法川，可侵高浓度废水中总固体分离出8 0 一9 8 ：分离乳脂9 6 ，b o d 去除率8 2 9 6 。前苏联文献报道，采用电气浮法可将废水中奶 浮选成奶渣回收，作为粗饲料出售。上述处理工艺主要针对废水中的胶体性脂类物质及蛋白质等 的分离回收或作为生物处理的预处理。 生化法主要包括全好氧生化法、水解一好氧生化法( h o ： 艺) 以及厌氧好氧生化( a ，o ： 艺) 组合等技术路线。乳品废水经过沉淀、中和等预处理后，可采用生化法处理，其处理原理 类似于处理生活污水。全好氧生化法对乳品废水的处理有一定效果，运行较稳定，但需鼓风曝气， 动力消耗较多，运行费用高。同时，由于乳品废水中含有蛋白质成分，废水的生物降解速率较缓 慢，若降解时间不足，出水中会残留蛋白质及蛋白质降解中间体，使用全好氧工艺处理乳品废水， 降解时间长，出水较难达标f 。以国内外经典的延时曝气处理流释分析，为使出水排放达到国家 二级标准，水力停留时间必须在3 0 小时以上，若要达到一级标准，则需4 8 小时以上i “。所以全 好氧处理工艺存在时间长、耗能高的缺点。h o ： 艺、a o 工艺的组合生物处理法由于利用厌氧 处理技术分解废水中部分难降解组分，大大提高了后续好氧处理效率。 1 3 厌氧工艺处理乳品废水 厌氧工艺处理乳品废水具有较大的优势。厌氧工艺处理废水不需好氧曝气装置、运行费用低， 污泥生长少，能去除难降解有机物，能承受较高有机负荷和冲击负荷。 厌氧工艺在废水处理系统中的应用已经超过个世纪，厌氧生物处理技术经历了从处理有机 污泥、高浓度有机废水、低浓度废水，以及从常温条件到控温( 中温或高温) 条件f 进行厌氧生 物处理的发展过程；厌氧：l 艺也先后产生了以厌氧接触工艺为代表的第一代厌氧反应器、以提高 东南大学硕士学位论文 厌氧微生物浓度和停留时间( s r t ) ，缩短水力停留时间( h r t ) 为目标的第二代厌氧反应器( 如： 厌氧滤池( a f ) ，升流式厌氧污泥床( u a s b ) ，厌氧流化床( a f b ) ，厌氧附着膜膨胀床( a a f e b ) ) 和以改善了反应器内的混合效果为目标的第三代厌氧反应器( 如：升流式厌氧流化床( u f b ) 、 厌氧颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 、厌氧内循环反应器( 【c ) 工艺及厌氧间歇式污泥床( a s b r ) 工 艺) 。 厌氧一好氧处理工艺对于处理乳品废水来说，工艺投资少、运行费用低、运行稳定、处理效 果好、操作管理简便。厌氧一好氧工艺处理乳品废水已成功地获得一些工程经验o “，例如，徐州 乳品总厂乳品加工废水处理采用厌氧一好氧工艺，箕中厌氧部分采用u a s b ，好氧部分采用微动 力消耗的滴滤床，系统c o d 去除率达到9 0 以上。上海光明乳业集团，己有四座水解一好氧生 化( h o 工艺) 处理乳品工业废水，c o d 和氨氮总去除率分别达到9 5 及8 5 ，运行稳定。 北京三元食品有限公司乳品一厂污水治理改造项目采用厌氧一气浮一好氧工艺，处理后的污水 达到中水同用标准( 主要指标：c o d 6 0 m g 厂l ，b o d c u z n c d n i 的顺序减 少。 氨是厌氧过程中的营养物和缓冲剂，但高浓度时也产生抑制作用，其机理与重金属不同，是 东南大学硕士学位论文 由n h 4 + 浓度增高和p h 值上升两方面所产生的，主要影响产甲烷阶段，抑制作用可逆。当n h 3 n 浓度在15 0 0 3 0 0 0 m g ，l 时，在碱性条件下有抑制作用，当浓度超过3 0 0 0m l 时，则不论p h 值如 何铵离子都有毒。 过量的硫化物存在也会对厌氧过程产生强烈的抑制。首先，可溶性h ：s 对甲烷菌能产生直接 抑制作用，使产甲烷菌的种群减少，但是当可溶性h 2 s 与重金属离子共存时，因将形成硫化物沉 淀而使毒性减轻，一般认为，当可溶性硫含量在1 0 0 m l 以上时，对产甲烷过程有抑制。其次， 由硫酸盐等还原为硫化物的反硫化过程与产甲烷过程争夺有机物氧化脱f 来的氢，当硫酸盐浓度 超过1 5 0 0 m l 时对厌氧消化将产生明显抑制作用。 2 2 厌氧生物处理工艺的发展和研究现状 废水厌氧生物处理技术发展至今，已有1 2 0 多年。甲在18 6 0 年法国人l o u i sm o u r a s 把简易 沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用，美国学者m c c a r t y 建议把1 8 8 1 年作为人工厌氧处理 废水的开始，称m o u r a s 是第一个应用厌氧消化处理的创始人。1 8 9 0 年，s c o t t m o n c r i e f r 第一个 设计了初步的厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ) ，这种装置长期未受到重视，直到现在处理： 业废水时， 才被人们认识。1 8 9 5 年d o n a l d 设计了世界上第一个厌氧化粪池( s e p t i ct a n k ) ，厌氧化粪池的创 建是厌氧处理工艺发展史上的一个重要里程碑。1 9 0 3 年t a v i s 发明了t r a v i s 池，废水从池子一端 流入，从另一端流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中_ f 部分消化，产生的沼气从中间 上部分排出，不会影响两侧的沉淀区。1 9 0 6 年德国人i m h o f f 对t r a v i s 池作了改进，设计了j m h o f r 池，又称隐化池，我国也称双层沉淀池。化粪池和嘏层沉淀池至今在排水工程中仍占有重要地位。 1 9 1 2 年在英国伯明翰市建成了普通消化池，这是最早的二级消化池。其后几十年，厌氧工艺的发 展较为缓慢，有人把2 0 世纪5 0 年代以前开发的厌氧消化工艺成为第一代厌氧反应器。 1 9 5 6 年s c h r o e f e r 等人开发成功了厌氧接触法( a n a e m b i cc o n t a c tp r o c e s s ) ，标志着现代厌氧 废水工艺的诞生。2 0 世纪7 0 年代以来，随着能源问题的突出，各国迫切需要开发高效节能的废 水处理工艺，进行了大量研究和开发： 作，大大推进了厌氧处理技术的迅速发展，各种新的厌氧 处理工艺层出不穷。1 9 6 7 年j c y o u n g 和p l m c c a r 哆开发成了厌氧滤池( a n a e b i cf i l t e r ) ， a f 可保留足够的厌氧微生物，具有较高的处理效能。1 9 7 4 年w a g e n i n g e n 农业大学的g l e t t i n g a 等人开发成功了升流式厌氧污泥床( u 叩o w a n a e r o b j cs l u d g eb l a n k e t ) 反应器，简称u a s b 反应 器，该反应器具有高的处理效能，获得广泛应用，对废水的厌氧生物处理具有划时代的意义。1 9 7 8 年w j j e w e | l 等人和1 9 7 9 年r p b o w k e r 分别开发出了厌氧膨胀床( a n a e r o b i ce x p a n d e db e d ) 和厌氧流化床( a 【1 a e r o 叭cf i u d j z e db e d ) ，该两种反应器充填颗粒很细的载体，具有巨大的表面积， 东南