（环境工程专业论文）uasbmbbr处理高浓度丙烯酸废水的试验研究.pdf

摘要 丙烯酸又称败脂酸，主要用于生产丙烯酸丁酯、乙酯及高吸水性树脂，在带 给人们巨大收益的同时，其生产过程中有大量废水产生，该废水具有强烈刺激性 气味，p h 仅为1 2 ，c o d 高达2 0 7 5g l ，直接排放对构筑物、水体环境危害极大， 目前普遍采用焚烧法及催化氧化法处理，但成本较高。本课题尝试采用u a s b + m b b r 处理该废水，以寻求高效、经济的处理途径。 由于产生废水的工厂因其产品的种类、工艺条件、所用原料辅料以及工厂管 理状况等多方面的特殊性，因此，在课题开始前首先采用血清瓶液体置换系统， 模拟厌氧消化反应设备条件，进行技术可行性分析。结果表明，所用接种颗粒污 泥产甲烷活性为0 6 3 6 8 8g c o 酬g v s s d ) ，甲烷气体占沼气总量的5 6 ，污泥 活性较好；计算可得丙烯酸废水厌氧生物可降解性为6 0 5 ，属可降解废水。因 此，从小试研究可得，u a s b 处理丙烯酸废水是可行的。 其次，试验在温度、p h 不变条件下，研究了u a s b + m b b r 处理丙烯酸废水 的效果以及所能承受的最大负荷，根据负荷变化的方式及提高负荷的难易可将试 验分为四个阶段：启动阶段、缩短h j 玎阶段、提高c o d 浓度阶段以及破坏性阶段。 从试验角度发现u a s b + m b b r 处理高浓度丙烯酸废水完全可行：u a s b 反应器处 理高浓度丙烯酸有机废水废水按v 出木：v 自来来_ 2 ：l 配置进水( 即回流比为 1 5 0 1 7 0 ) ，m b b r 填料填充率为3 0 ，水力停留时间9 h ，反应器能承受的最大 负荷为1 3 1 - 1 3 5 k g c o d ( m 3 d ) ，在容积负荷1 3 1 k g c o d ( i n 3 d ) 、进水c o d 浓度 1 5 2 3 4 m g l 下反应器可稳定运行，此时厌氧出水v f a _ 3 5 n m o 儿，c o d 为 6 1 4 m g l ，c o d 去除率达8 7 9 ，好氧出水c o d 为5 0 3 0 0 m g l ，总去除率为9 4 2 以上。 最后，运行结束后取出u a s b 反应器底部颗粒污泥进行镜检，观察发现反 应器内以墨黑色椭球形颗粒污泥为主，污泥粒径较大，约为o 5 l 姗2 5 i i 吼，边 缘光滑，表面密致，粗糙不平，成熟颗粒污泥内部微生物丰富，中心有明显孔穴， 并且颗粒污泥剖面显示靠近表面部分细胞密度较大，中心部分密度较小；在反应 器底部，水解菌发酵细菌含量较多，沿高度呈递减趋势，越靠近反应器顶部，产 甲烷菌含量越多；u a s b 在运行过程中，可能会出现一个或多个负荷提升转折点， 运行至该容积负荷时由于污泥内部发生基因交换、基因重组或种群变化可能导致 颗粒污泥内部结构发生突变，形成当时最佳微生物群落，在该容积负荷正常运行 完毕之后，反应器的负荷可较快较为迅速的得到提升：m b b r 中生物膜主要生 长在填料的内表面，膜厚约o 5 1 衄，在填料的表面观察到大量的原生动物， 如漫游虫、累枝虫、线虫、草履虫等，这些原生动物作为废水处理的指示生物说 明m b b r 池运行状况良好。 该工艺经济效益可观，环境效益显著。该厂原采用焚烧法处理高浓度丙烯酸 废水，焚烧费用1 0 9 5 万元年。采用u a s b + m b b r 处理丙烯酸废水的运行费用只 需7 2 5 1 万a ，还不包括沼气总含量的4 0 左右可以以余热的形式回收，并且使用 该套废水处理系统后可有效地改变排水水质，减少污染，其主要指标每年c o d 年削减量( 年运行按3 6 5 天计算) 为3 0 1 5 7 讹。 关键词：丙烯酸废水u a s b 颗粒污泥内循环m b b r 悬浮载体 i l a c 巧l i c i dw k c h i su s e df o rp r o d u c i n gb u t ) ，lc a d ，l a t e 、e t l l y l r y l a t e 锄ds u p e r a b s o r b e n tr e s i nb r i n g s 讹m e n d o u se c o n o i l l i cb e n e f i ti i lo u rl i f e ，w m l ei t s 撇咖 h a d 龇e r i s t i c ss u c h 勰t 舳ts m e l l ，l o wp h ( 1 - 2 ) 觚dl l i g l lc o dc o n t e n te t c d i r e c td r a i n a g eo fm e s l o p sc o u l dc 踟s e r i o 璐e n v i r 0 衄e n t mp o l l u t i o n 1 1 1 c i n e r a t i o n 锄dc 砌”i co x i 缸i o na m o s t l ya d o p t e dt 0 仃e a t “sw a s t e w a t e ra tp 陀s e n t ，b u tt l l e c o s ti s 麟p e i v c an e wk i i l do fu a s b + m b b r 、懈惦e dt o 讹a t 巧l i c i d w a s t e w a t e ri i lm i sd i s r t a t i o i l t l l ea i mi st 0 a r c h 锄l l i g l le 伍c i e n c y 赳l de c o n o 觚c a l t e c h i l i q u e t e c l l i l i c a jf e 弱i b i l n y 、弱f i r s t l y 觚a j y z e di 1 1b 1 0 0 ds e m mb o m e ，b e c a u o ft h e p a r t i c l l l 撕t ) ，o f p r o c e s sc o n d i t i o 璐、s u p e r v i s o rs t a t ee t c i i lt l l ep l a n tw h i c hp r o d l l c c d w 掇e w 砷e r t h er e 叭1 t ss h o w st l l a tt h es l u d g eh 嬲l l i g l l t i v i t ) ，：m es p e c i f i c m e t b 锄o g e i l i ca c t i v 时( s m a ) w 勰0 6 3 6 8 8g c o d c h 讹v s s d ) ，觚d5 6 o ft h e m a 瑙hg 嬲w 弱m e t l l 锄e t h e 锄勰r o b i cb i o d e 卿b i l i t ) ，o ft t l e r ) ，l i c i dw a s t e w a t e r w 勰l l i g l l 晰t 1 1 廿l eb i o d e 伊a d a b i l i t ) rb e i i l g6 5 ，1 1 圮陀s u l t ss h o w e dt l l a ti ti sa 佗嬲i b l e 印p r o a c hf o r 骶a t i i l g d ，l i cw 嬲t e w a ：t e rb y 憾i n gu a s b s e c o n d l y 1 ee x p e r i m e n tm a “ys t u d i e df e 弱i b i l i t ) r o f 廿他仃e a t i n e n to f l l i g i l - c o n c e 舳r a t i o n 巧l i c i dw 勰t e w a t e r 锄di t sm a 】【i i n u ml o a di i lu a s b + m b b r m a i n t a i m n gt l l ep h 、t e m p e m t u r et 0s 汕i l i z ct h e 陀a c t i o n f o u rs t a g e sw e 陀d i v i d e d 锄c c o r d i l l gt 0t l l ep a t t 锄o fm eo r g a n i cl o a d i n gi n c r e 嬲i i l g ：s t a r t u ps t a g e 、s h o n e nh r ! i s t a g e 、豇l l l 锄c em ec o n c e n l r a t i o no fo o ds t a g e 锄dd e s t r i l c t i 、r es t a g e t h e 聆s u n i 1 1 d i c a t e dt 1 1 a ti ti sac o m p l e t ef e 懿i b l e 印p r 0 hf o r 仃l ：a n n e n to f 巧l i cw t e w a t e rb y l l s i n gu a s b + m b b r 、 ，i 廿lt 1 1 er a t i oo fe 们u e n tw 砒e r t a pw 乱e r2 ：l 、t 1 1 e6 1 1 i n g 薯a t i o 3 0 蛐dh i 汀9 h mm 觚i i i l u ml o a d 谢l i c h 圮r e a c t o rc 趿h o l di s1 3 1 1 3 5 k g c o d ( m 3 d ) u n d e rm ec o n d i t i o no f v o l u m e t r i cl o a d1 3 1 k g c o d ( i n 3 d ) a n dm e c o dc o n c e 曲舭i o ni nt l 圮i n n u e n to fl5 2 3 4 m g l ，s t e a d y0 p er ：a t i o ni s k e v e d 诵t l i m o r et h 锄9 4 2 o ft o t a jc o d 他m o v e d ，w h e n 觚r o b i co u t p u tv f a w 弱3 5 m m o l i 。， t 1 1 e 蚰北r o b i cc o dc o n c e 曲i o ni n 也ee 御u e n tw 勰6l4 m g l a n dt l l e r o b i cc o di n 也ee m u e n t 、) l r 鹊5 0 - 3 0 0m g l n i a tl a s t ，h es n m c t u r eo ft l l e 伊锄u l a rs l u d g ei i lt l l eb o t t o mo ft l l er e a c t o rw 觞 o b s e r v e db ye l e c t r o nm i c r o s c o p ea n ds c a m l i n ge l e c t r o nr i l i c r o s c o p e ( s e m ) a tt l l e d o fo p e r a t i o n ns h o w e dt l l a lm o s t 铲a n u l 甜s l u d g ew 弱c o a l - b l a c k 锄de l l i p i i l 也e r e a c t o r m e d i 锄s i 笳o fm 加l r e ：鲫l u l e sw 嬲o 5 m m - 2 5 m m ，晰ms l i c km m 、s 乜。o n g 锄dc o m p a c tm i c r o b i a ls 臼m l r e 、r o u 曲s u r f 缸e 、r i c hl ( i n d so fm i c r o o r g a l l i s mi i l 觚r o b i c 伊锄u l 盯s l u d g ea n do b v i o u sc a v 埘i i lc e 咖陀n es e c t i o np l a l l eo fg 聊“盯 s l u d g ei n d i c a t e dt l l a tc e ud e n s i t ) ，c l o s et 0t l l eo u tl a y e ro ft l l e 铲锄u l ew 觞b i g g e rt l l 觚 m ei i l n e rl a y e ro f t 1 1 e 铲觚u l e i i lu a s b ，t l l e 锄。嘣o fh y d r o g e n - p r o d u c i n ga c e t o g e i l s d e c r e a d 觚dt h em e t l l 肌o g e ni 1 1 c r e a s e d 鲥u 甜l y 疗d mn 伦b o 怕mt 0t l l et o pa l o n g u a s b t u m i n gp o i 鹏w 哪e x i s t e dw h e nm c 瑚s i n gm eo 玛a 1 1 i cl o a d i n g p 刚l a t i o n 仃a i 坞f o 册撕o n 、g e 鹏e x c h a l l g e0 rg e i l i cr e c ；o m b i n a t i o n w h i c h 、7 l r i uc h 锄g et l l e 咖c 眦o f 龇叫盯s l u d g em a ya p p e 盯a tc e r t 血。唱a i l i cl o a d i l l g ，锄df o 衄e d t l l e m o s to p t i r n mi l l i c r 0 0 r g a l l i s mp o p m a t i o na tt l l a tt i i n e 触盯o p e r a t i i l ga tt l l a to r g a i l i c l o a d i n g ，t h eo r g a i l i cl o a d i n gc a nb ei m p r 0 v e dq u i c l 【l y b i o m e m b m eg r q w e di n 廿l e h i t e m 2 l ls u r f a c eo fc a r r i e ri i lm b b rw l l i c ht l l i c k n e s sw 弱0 5 一lm m ，ag r e a td e a lo f p r o t o z o aw 舔o b s e r v e di i lm e 驯r f a c eo fc 甜r i e r s u c h 弱e p i s t ) ，l i s 、w i 托w o m 锄d p 甜锄c i 咖e t t h e p r o t o z o a 嬲i i l d i c 纳d ro fw a s t e w a t c r 骶她e n ti l l u 殉眦e dt l l a t 龇s y s t 锄h 船嘲b l eo p e m t i o n t kt c c l l i l o l o g ) rc 觚 b r i n g仃e m e n d o 邶 e c o n o m i cb 锄e 饥9 0 c i a lb e n e f i t觚d a i r o n m e n ：t a 】b e n e f i tf o r 甑岬r i s e s t h ei i l c o m e 锄de x l 婶n sf r o mm ep r o j e c t c o u l dk e 印恤i rb a l 觚c e ，锄d 圮c h a r 】g co f 撇w a t 盯d i s p 0 s a lw 勰7 25 1 0 y 崛n ab y t l l i st e c h l o 鼢l e s sn m 恤e x p e 敷o ff o m e rt e c l l l l o l o g yi i l p l a n t ( 1 09 5 0 0 0 0 ”翰n a ) 觚di t 、) r i l l 川u c ep o l l u t i o nb yu s i n gt t l i st e c l l i l o l o g ) r ( c o d 砸l l 陀d u 3 0 1 5 7 啪 1 ( e y w o r d s ：a c 叮l i c 扯i dw 鹤t e w a t e r ；u a s b ；a n b i cg r a n u l 盯s l u d g e ；i i l t e m mc i 咒u l a t i o i i ； m b b r ；o l 噜觚i cw 缎t e w a t e r 硕士学位论文 第一章绪论 近年来，环境和发展的关系日益为国人所认识，为实现经济的可持续发展， 环境保护工作必须受到高度重视。我国的水污染情况严重，全国七大水系近一半 的河段污染严重，8 6 的城市河段水质超标。其中某些地区，环境特别是水域的 污染已严重威胁到人民的身体健康和工农业生产，而我国的工业污染在环境污染 重占7 0 【1 1 ，随着工业生产的迅速发展，工业污染的治理工作越来越引起人们的 广泛关注。 1 1 丙烯酸废水 1 1 1 丙烯酸的物理性质、用途及其市场需求 丙烯酸又称败脂酸，分子式c 3 h 4 0 2 ，无色液体，有刺激气味，相对密度 1 0 5 1 l k 咖3 ，溶点1 3 0 c ，沸点1 4 1 6 0 c ，溶于水、乙醇和乙醚，化学性质活跃， 易聚合而成透明白色粉末，还原时生成丙酸1 2 】。丙烯酸主要用于生产丙烯酸丁酯 和乙酯及高吸水性树脂，粗丙烯酸主要用于生产丙烯酸酯( 甲酯、乙酯、丁酯、 丙烯酸2 乙基己基酯) ，以及涂料、造纸、纺织化工、粘结剂和油墨工业用其 他衍生物。精制丙烯酸用于生产高吸水性树脂( 占世界需求量3 2 ) 以及洗涤剂聚 合物。少量用于生产聚丙烯酸酯用作增稠剂、分散剂和流变控制剂。 随着下游产品的丰富与发展，世界丙烯酸需求量也在不断增加。据统计， 2 0 0 0 2 0 0 1 年全球丙烯酸需求量为2 4 0 万t ，2 0 0 2 年全球丙烯酸消费量增加到2 6 0 万t ，2 0 0 3 年后世界需求增长加快，消费量约2 9 0 万t ，2 0 0 5 年消费量约3 2 0 万t ，预 计2 0 0 6 2 0 1 5 年，全球丙烯酸及酯需求增长率将达到4 以上，而亚洲特别是中 国将成为未来丙烯酸及酯需求增长的主要动力，年均增长率将达8 l o 【3 】。 1 1 2 丙烯酸废水的来源和危害 丙烯酸及其酯类的生产方法在经历了氰乙醇法、雷普( r e p p e ) 法、烯酮 法和丙烯( 腈) 水解法后，目前较为流行的工艺流程为：含有丙烯、水蒸汽的反 第一章绪论 应原料在催化条件转化为丙烯醛以及部分丙烯酸、乙醛和c o x ，产物经冷凝分离 丙烯酸后，丙烯醛进一步被氧化成丙烯酸，后者经吸收、蒸馏可得到产品丙烯酸， 丙烯氧化气采用水吸收1 4 】，所以在生产丙烯酸过程中，有大量废水产生。 丙烯酸废水主要含有乙酸、丙烯酸、丙烯酸酯、甲醛、甲醇、乙醇、甲醛 等有机物，水呈强酸性，具有强烈刺激性气味，p h 仅为1 2 ，对水生生物、构筑 物和农作物都有极大的危害；化学耗氧量( c o d ) 高达2 0o o o 7 50 0 0m g l ，一经排 入水体，就会在水体进一步氧化分解，从而消耗水中大量的溶解氧，直接威胁水 生生物的生存，因此，丙烯酸废水如不加以处理直接排放必然会给环境带来严重 污染。 1 1 3 丙烯酸废水的处理工艺及方法 目前工业处理丙烯酸废水主要有直接燃烧法、湿式氧化法和生物法。 直接燃烧法是将废水引入燃烧室，直接与火焰接触，把废水中燃烧成分燃 烧分解成无毒无臭的二氧化碳和水蒸气的一种方法。当有机物难以用其他方法处 理时，常采用焚烧的方法，焚烧法在操作上有很大难度，需要消耗大量的燃料油， 操作费用相当昂贵，同时排水中含盐和排气中的灰分( 如n a 2 c 0 3 n a c l 等) 、碱雾也 不易处理。 湿式氧化( w e ta i ro x i d a t i o n ，简称w o ) 是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种高级 氧化技术。湿式氧化是处理高浓废水的有效方法，特别是对废水中难于生物降解 物质的处理具有独到之处，另外，该方法具有氧化速度快、占地少、没有二次污 染、反应可连续进行等优点。但是，目前市场上的催化剂对废水水质有特殊要求， 否则将引起催化剂永久中毒，不能使用；高温高压对于设备操作要求十分苛刻；缺 少高效稳定广普的催化剂等导致该技术发展前景较为缓慢。 生物处理法是利用微生物的代谢作用，将废水中呈溶解、胶体以及微细悬 浮状态的有机污染物转化为稳定、无害物质的方法。根据作用微生物的不同，生 物处理法又可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧生物处理是目前应用最普 遍的生物技术，该技术反应速度较快，所需反应时间短，对于处理中、低浓度的 有机废水效果较好；厌氧生物处理主要处理高浓度有机废水和污泥，不需另加氧 源，故运行费用低，是目前较为流行的处理方法。 2 硕士学位论文 1 2 厌氧技术 1 2 1 厌氧技术的产生与发展 上世纪末，人们已经认识到沼气的产生是一个微生物学的过程，1 6 3 0 年v a m h e l m e u t 第一次发现物质厌氧消化可产生可燃的甲烷气体，1 8 6 8 年b e c b 锄p 首 次提出甲烷形成过程是一种微生物学的过程。1 9 0 1 年荷兰的n l s o e l l i l g 吼对产 甲烷菌的形态特征及其转化原理提出了一个比较清楚的概念，他观察到低级脂肪 酸可直接转化为甲烷和二氧化碳【5 1 ，至1 9 9 1 年，科学家们经过不断补充，较为 全面的分析了厌氧消化的生物学过程和生化学过程，分离出了6 5 种产甲烷菌， 的并阐明了产甲烷菌的基质、辅酶、培养条件、能量代谢以及与不产甲烷菌之间 的关系，厌氧消化理论得到不断发展。 在厌氧理论日益完善的同时，厌氧技术被不断用于工程应用上。在1 8 9 6 年， 英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池；至1 9 1 4 年美国有4 座城市 建立的厌氧消化池；4 0 年代澳大利亚出现了连续的厌氧搅拌消化，通过搅拌， 废水和污泥得到了较为充分的接触，提高了废水的处理效率，但与此同时，由于 废水和污泥完全混合，污泥停留时间和废水的停留时间相同，导致污泥在反应器 内浓度低，处理效果差；5 0 年代中期出现了厌氧接触反应器，这种反应器在原 来的厌氧搅拌消化池后增设沉淀池，通过把沉淀池中的污泥回流至消化池来提高 反应器中厌氧污泥浓度；基于微生物固定化原理的高速发展，6 0 年代y 0 岫g 和 m c c a 啊发明了厌氧滤器i 印，7 0 年代以来，荷兰农业大学l 删n g a 等发展的上流 式厌氧污泥床u a s b ( u p n o w 加嫩r o b i cs l u d g eb e d ) 【7 1 ，近年来报道的e g s b ( e x p 锄d e dg m m u l 盯s l u d g eb e d ) 反应器和i c ( i n t e m a lc i r c u l a t i o n ) 则被认为是 第三代反应器。第二代、第三代厌氧反应器和传统的厌氧消化装置相比，其特点 突出的表现在：能维持较长的污泥停留时间和较高的生物量，实现了污泥停留时 间和废水停留时间的分离，从而大大提高了容积负荷。厌氧消化技术的发展引起 了人们的广泛关注，尤其是a f 和u a s b 厌氧反应器，近年来在世界范围内各种 高浓度有机废水的处理中均得到了广泛的运用【8 一。 3 第一章绪论 1 2 2 厌氧技术的机理及其优缺点 有机物的厌氧消化过程是一个由许多不同微生物菌群协同作用的结果，目前 较为流行的是j q z e i l 吣( 1 9 7 9 ) 在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理 论，该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程是由四种群厌氧微生物参与，如图 1 1 所示，复杂有机物在4 种群厌氧微生物的作用下经历4 个典型阶段后被降解 为甲烷和二氧化碳。( 1 为水解发酵菌、2 为产氢产乙酸菌、3 为同型产乙酸菌、 4 为产甲烷菌。) 复杂有机物 碳水化合物、蛋白质、脂类 1水解 1r i 简单溶解性有机物 l i 发酵 脂肪酸、醇类、丙酸、 l 丁酸、乙醇、乳酸等 1，名酸产汊，r 美碳i 同熹乙酸 - 乙酸 佣瞧二氧：烷 图l - l 有机物厌氧分解过程 f i g 1 - la n r o b i cd e c o m p o s i t i o np r o 鹞o f o l l 昏a i l i cm a n e r ( 1 ) 水解阶段：水解阶段是复杂的非溶解性的聚合物被细菌胞外酶分解成简单的 溶解性单体和二聚体的过程。高分子有机物因其相对分子量巨大，不能透过细胞 膜，因此不能被细菌直接利用，这些高分子只有在细菌胞外酶的作用下分解成为 小分子才能够溶解于水并通过细胞膜为细菌所利用。水解过程通常较为缓慢，因 此被认为是含有机高分子有机物或悬浮废液厌氧降解的限速阶段。 ( 2 ) 发酵阶段：复杂有机物经过水解后产生的溶解性有机物被转化为以挥发性脂 4 硕士学位论文 肪酸为主的末端产物，这一过程称之为发酵或酸化。发酵的末端产物一般为低分 子的中间产物，主要是一些低分子有机酸，例如乙酸、丙酸、丁酸等，以及一些 醇类，例如乙醇等，并伴有氢气、二氧化碳、硫化氢气体、n h 4 + 的产生。 ( 3 ) 产乙酸阶段：如图1 1 所示，乙酸的产生可以通过两种途径达到，一种途径 是发酵酸化的产物在产乙酸阶段被产乙酸菌直接转化为乙酸，同时产生氢气、二 氧化碳气体；另一种途径是某些产乙酸菌可以利用氢为电子供体将二氧化碳和甲 醇还原为乙酸，即同型产乙酸阶段，该菌群都是能利用c 0 2 为末端电子受体形 成乙酸的厌氧细菌，既能代谢c 0 2 自养生活，又能代谢糖异养生活，但是一般 情况下同型产乙酸阶段转化数量很少。 ( 4 ) 产甲烷阶段：在产甲烷阶段，产甲烷菌将之前产生的中间产物继续分解成甲 烷和二氧化碳。产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成分，可代谢c 0 2 和 少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧的古细菌，产甲烷菌包括嗜氢产甲烷菌 和嗜乙酸产甲烷菌两个生理类群，嗜氢产甲烷菌产生的甲烷量占总甲烷量的 7 0 ，在反应中，乙酸的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转 化为二氧化碳，在中性溶液中，二氧化碳以碳酸氢盐的形式存在。目前已知利用 乙酸的产甲烷菌是巴氏甲烷八叠球菌( m e t l l a i l o s a r c i mb a r k e r i ) 和索氏甲烷丝菌 ( m e m 锄o t h i i xs o e l l l l g e i l i i ) 。产甲烷的另一种途径是嗜氢产甲烷菌能将氢气和二 氧化碳形成甲烷，在反应器正常条件下，他们形成占总量3 0 的甲烷，大约一半 的嗜氢甲烷菌也能利用甲酸。 厌氧生物法这门技术被人们认识的一百多年来，已经在废水处理技术中发 挥了不可替代的作用，它的优点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 厌氧处理的成本很低：厌氧的处理成本远远低于好氧处理，特别对中上 浓度( c o d l5 0 0 m g l ) 的废水更是如此。p i c h o n 等【l o l 比较了处理2 5 0 0 m 3 dc o d ， b o d 浓度分别为2 6 0 0 m g l 和l0 0 0 m g l 的工业废水的费用，好氧处理时每吨水 的成本为0 4 美元，而用厌氧处理时每吨废水的处理成本为0 1 4 美元，仅为好氧 处理的7 2 0 ，其中还未计入所产生的沼气的价值。 ( 2 ) 厌氧处理对营养元素的需求量少：由于厌氧生物处理去除l k g b o d 5 所合 成细胞量远低于好氧生物处理，因此厌氧处理对营养元素的需求量相对较少， 5 第一章绪论 这对于缺乏n 和p 的有机废水采用厌氧处理可大大节省n 和p 的投加量。 ( 3 ) 厌氧法产生的剩余污泥量比好氧法少：厌氧菌世代期长，厌氧产率系数 低，因此在厌氧降解时，只有少量有机物被转化为细胞，大部分转化为甲烷和二 氧化碳，产泥量低，且污泥稳定，脱水性能好，剩余污泥处理起来要比处理好氧 法产生剩余污泥容易得多。 ( 4 ) 厌氧生物处理技术可以产生大量能源：污泥消化和有机废水( 物) 的厌 氧发酵能产生大量沼气，据报道【1 1 1 ，厌氧法在理论上每去除l k g c o d 可以产生 0 3 5 m 3 的纯甲烷气体( 0 0 c ，1 0 1 3 1 0 5 j i n 3 ) ，纯甲烷气的燃烧值为3 9 3 1 0 7j 恤3 ( 2 4 k w h ) ，因此甲烷是很好的能源，含甲烷约6 0 8 0 的沼气也可用于锅炉燃 料或家用燃气，其能源价值十分可观。 ( 5 ) 厌氧废水处理设备负荷高，占地少：厌氧反应器容积负荷比好氧法要高 很多，单位反应器的有机物去除量也因此要高很多，所以反应器体积小，占地少。 ( 6 ) 厌氧方法的菌种可以在中止供给废水与营养的情况下保留其生物活性和 较好的沉淀性至少一年以上。 由于厌氧处理技术较为年轻，在我国用于大规模的工业废水处理只是近2 0 年的事，因此，不能避免的对其经验与知识的积累存在着一定的局限性。作为一 种新的技术，他尚有一些不足之处，具体如下： ( 1 ) 厌氧处理不能去除废水中的氮磷：采用厌氧生物处理，一般不能去除废 水中的氮磷等营养元素，营养元素氮、磷通过厌氧消化转化为氨氮和磷酸盐，只 有很少的氮磷被细胞所利用，绝大部分氮磷以氨氮和磷酸盐的形式在出水排出。 ( 2 ) 厌氧启动过程太慢：由于厌氧微生物世代期长，增长速率低，污泥增长 缓慢，因此厌氧反应器的启动时间较长，一般需达到3 6 个月。 ( 3 ) 运行管理较为复杂：由于厌氧菌的菌种较多，如产酸菌和产甲烷茵性质 各不相同，而相互又密切关系，要保持着两大菌种的平衡，对运行管理较为严格。 ( 4 ) 厌氧处理有机物不彻底：厌氧处理有机物往往不够彻底，一般单独采用 厌氧处理不能达到排放标准，所以通常厌氧处理往往和好氧处理相配合使用。 6 硕士学位论文 1 3 u 蝎b 厌氧反应器 1 3 1u a s b 概述 升流式厌氧污泥层反应器是荷兰学者l e t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代研制成 功的，属于第二代厌氧处理工艺，其中的生物固体颗粒化技术开辟了全新的生物 固定化途径，对厌氧生物处理具有划时代的意义。u a s b 由于其结构简单、不用 填料、没有悬浮物堵塞、处理效能高效等问题，一出现便获得广泛的关注认可， 很快就被应用于工业废水和生活污水的处理中，据统计，目前世界上共有超过 9 0 0 座u a s b 在污水处理中得到应用【1 2 1 ，成为应用最广泛的厌氧反应器。 1 3 2u a s b 反应器的构造、原理及特点 图l - 2u a s b 的反应器构造 f i g 1 2s 眦t 咐o fu p f l o w 觚r o b i cs l u d g eb e d 他t o r u a s b 反应器是基于微生物固定化原理发展起来的第二代废水厌氧处理反 应器。基本结构如图1 2 所示，废水由反应器的底部进入，以一定的流速向上流 动，由于厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥充分混合，有机质被 吸附分解，混合物经气体分离后混合液进入沉淀区进行固液分离。澄清后水由出 水渠排走，沉淀下来的微生物固体自动返回到反应区，反应产生的沼气被收集到 7 分离区 反应区 第一章绪论 集气室由沼气管排出反应器。 u a s b 反应器的构造主要有以下几个部分构成： ( 1 ) 布水系统：布水系统在u a s b 反应器的底部，其功能主要是把废水均匀的 分布到反应器中，使有机物能够在反应器内部均匀分布，有利于废水与微生物的 充分接触，使提高反应器容积利用率的关键。 ( 2 ) 反应区：反应区包括污泥床和污泥悬浮层区，是u a s b 反应器的核心。 ( 3 ) 三相分离器：三相分离器由沉淀区、集气室和气封组成。附着在颗粒污泥 上的气泡和自由气泡撞击到分离区中三相分离器气体反射板的底部，与污泥和废 水发生分离，被收集在反应器顶部三相分离器的集气室内，释放气泡后的颗粒污 泥由于重力作用沉淀到污泥层的表面，返回反应器主体部分，从而保证了反应器 内高的污泥浓度，最后含有少量较轻污泥的废水从反应器上方排出。因此，三相 分离器分离效果的好坏将直接影响反应器的处理效果。 u a s b 反应器可以培养得到一种具有良好沉降性能和高比产甲烷活性的颗粒 污泥，因此，颗粒污泥u a s b 反应器具有一定的优势。 ( 1 ) 反应器内部需要另外投加载体与填料，提高了容积利用率，因此，污泥浓 度比其他反应器大，容积负荷与水利负荷都较大。 ( 2 ) 污泥的颗粒化使整个系统抗冲击能力增强。 ( 3 ) 系统中的三相分离器对沉降性良好的颗粒污泥避免了附设沉淀分离池、辅 助脱气装置和污泥回流设备，简化了工艺，节约了投资和运行费用。 ( 4 ) u a s b 可省去搅拌和回流污泥所需的设备和能耗。 1 3 3 颗粒污泥的特征 反应器的运行稳定性和高效能很大程度上取决于是否能培养出具有优良沉 降性能和很高的产甲烷活性的厌氧颗粒污泥，如果反应器内的污泥以松散的絮状 体存在，则往往容易出现污泥流失，反应器不可能在高的容积负荷率下稳定运行 成熟的厌氧颗粒污泥大多呈相对规则的球形或椭圆形，粒径一般在o 1 4 2 n 髓，大的可达3 5m m ，粒径的大小取决于废水的性质、有机物浓度、反应器负 8 硕士学位论文 荷高低和运行条件，颗粒污泥表面边界清晰，通常是黑色或灰色，颗粒污泥的沉 降速度范围为1 8 1 0 0 i i l l l ，沉降速度的好坏主要取决于颗粒的有效直径和密度。 颗粒污泥的结构是指各种细菌在颗粒污泥中的分布状况，目前对这种厌氧颗 粒污泥内各种细菌的分布状态，看法不同。一些学者认为不同的互营细菌是随机 地在颗粒污泥中生长，并不存在明显的结构层次性，而较多学者则认为细菌在颗 粒污泥中的分布具有较清晰的层次性，并提出了一些结构模型【1 3 4 】，例如刘艳 玲等人在实验中发现u a s b 反应器形成的颗粒污泥外形不规则，比表面大，表 面可见较多孔穴，颗粒内菌群分布不均一，从颗粒污泥形成过程中各种菌群的形 态观察，结合底物的转化规律，建立了如图1 3 所示的颗粒污泥结构模型。颗粒 的外层主要是发酵细菌和氢营养型产甲烷细菌，内层主要是乙酸营养型产甲烷菌 和产氢产乙酸细菌。竺建荣等也提出发现颗粒污泥表面细菌分布的“区位化”，即 不同细菌以成簇的方式集中存在于一定的区域内，相互之间共生依存发生种间氢 转移【1 5 】。 图1 - 3 刘艳玲建立的u a s b 反应器中颗粒污泥的结构模型 f i g 1 - 3f 姗em o d e io f 锄舱b i cg r a 肌l 盯s l u d g ei nu a s b 舱t i o ne s t a b l i s h e db yy 幻l i n gl i u 1 3 4u a s b 运行影响因素 u a s b 的启动通常需要2 8 个月，如何快速培养出活性高、沉降性能好的厌 9 第一章绪论 氧颗粒污泥，使反应器获得较高的去除率，实现成功启动一直是人们研究的重点， 影响u a s b 启动的因素主要有接种污泥、进水c o d 浓度、温度、p h 及碱度、 营养元素和微量元素、操作条件等。 1 3 4 1 接种污泥 接种污泥的性质及接种的数量或浓度，都会影响颗粒污泥形成的时间。f 觚g 【1 61 等分别利用絮状消化污泥，正常运行的u a s b 颗粒污泥及碎裂的颗粒污泥接 种，发现虽然三个反应器经过1 1 0 天后都能形成颗粒污泥，但明显用正常运行的 u a s b 颗粒污泥作为接种污泥的时候启动时间最快而用絮状消化污泥作为接种 污泥的启动时间最慢，因此，处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有 利的，但在没有同性质污泥时，寻找合适的种泥便成了能否启动成功的关键之一。 1 3 4 2 进水c o d 浓度 浓度为1 0 0 0 5 0 0 0m g l 的废水可直接用作进水，不会因浓度低而遇到启动 上的困难。若用高浓度废水直接进水，易造成反应器的酸化，影响反应器的稳定， 这时应采取回流方式以降低局部区域的基质浓度。同时还应注意尽量避免由于进 水的剧烈变化和由此造成的细菌环境的改变。 1 3 4 3 温度 温度对于u a s b 的启动与保持系统的稳定性具有重要的影响。废水的厌氧 处理主要依靠水中微生物的生命活动来达到处理的目的，不同的微生物生长需要 不同的温度范围，根据反应器内微生物的这一特性，通常将反应器划分为低温 ( 1 6 2 5 ) u a s b 反应器、中温( 3 0 4 0 ) u a s b 反应器、及高温( 5 0 6 0 ) u a s b 反应器但绝大多数u a s b 启动过程的研究都是在中温条件下进行的，也 有少数低温启动报道【1 7 1 引。另外，不同种群产甲烷菌对生长的温度范围，均有 严格要求。因此，需要对厌氧反应的介质保持恒温。不论何种原因导致反应温度 的短期突变，对厌氧发酵过程均有明显的影响。 1 3 4 4p h 及碱度 颗粒污泥利用不同底物时的生长适应p h 范围不同，一般认为，反应器内的 p h 值应保持在7 2 7 6 之间。 反应器内乙酸的形成是对p h 值影响最大的一个因素。不同特性的废水进入 反应器后对p h 值的影响也不同，因而，进液时废水可有不同的p h 值，关键是保 1 0 硕士学位论文 证进液后p h 值的稳定，使废水有一定的缓冲能力，防止酸积累对甲烷菌产生毒 性影响。因此，需添加一定的碱度增加废水的缓冲能力，陆正禹等1 1 9 】研究链霉素 废水的启动过程中发现，颗粒污泥成熟以后，对进水的碱度要求并不高，可以 不投或少投纯碱。 1 3 4 5 营养元素和微量元素 微生物的生长需要一定量的营养物和微量元素，一般而言，营养比约为 c o d ：n ：p = 2 0 0 ：5 ：l ，氮源不足时，可添加氮肥、含氮量高的粪便、氨基 酸渣及剩余活性污泥等。磷源不足时，可适当投加磷肥。 除此以外，微量元素对微生物良好生长也有重要的作用。近年来发现二价金 属离子对u a s b 反应器的运行和其中的颗粒污泥有重要作用。它们能挤压污泥( 尤 其是颗粒污泥) 呈扩散状的双层结构，使细胞间的范德华力增强，这些二价金属 离子与污泥有机质中的阴离子之间存在较强的相互作用，影响其代谢过程f 2 0 】。例 如，m 9 2 + 能参与甲烷菌的能量代谢过程，可以促进其生化反应的进程，从而加速 甲烷的产生；c a 2 + 可以增加颗粒污泥的密度，改善污泥的沉降性能。 1 3 4 6 操作条件 操作条件主要是指污泥的负荷率，在启动阶段应防止低负荷和超负荷。污泥 负荷过低会形成大量密实的污泥，较高的有机负荷有利于生物生长和颗粒长大， 但过高的有机负荷将导致反应器内酸的积累，系统运行不稳定。因此，反应器启 动负荷由0 5 1 5k gc o d ( m 3 - d ) 开始【l l l ，当观察到气体产量增加并正常运行 后，再增加负荷。 1 3 5u a s b 的研究现状及其应用 7 0 年代荷兰学者l e t t i n g a 等人在研究用升流式厌氧滤池处理马铃薯加工和甲 醇废水时注意到大部分的净化作用和积累的大部分厌氧微生物均在滤池的下部， 于是便取消了池内的全部填料，并在池子的上部设置三相分离器，于是处理效能 高效的u a s b 反应器便诞生了，8 0 年代以来，u a s b 被迅速推广使用。1 9 9 9 年统 计的1 5 2 2 个厌氧工艺中有超过9 2 0 个采用了u a s b 反应器，占全部项目的6 0 左右 目前。目前，u a s b 己成功用于处理土豆淀粉加工废水、甲醇废水、酒精废水、 屠宰废水、生活污水、垃圾填埋场渗滤液等。表1 1 列出了国外部分u a s b 工程实 第一章绪论 国内研究u a s b 反应器大约始于1 9 8 1 年，1 9 8 2 年7 月报道了北京环境保护科 学研究所和化学工业部设计公司共同协作在石家庄制药厂进行了容积为1 4 0 l 的 u a s b 反应器装置处理丙丁废酉缪的试验，并把试验结果应用于生产中。清华大 学环境工程系1 9 8 3 年比较系统地进行了在u a s b 反应器内培养颗粒污泥规律的 研究，并把结果应用于处理啤酒废水的研究中，建造了总容积为2 0 0 0 m 3 的u a s b 反应器。表1 2 列出了国内部分u a s b 工程实例。 表l - 2 国内部分u a s b 工程实例【2 1 l 1 f i l b 1 - 2s 0 m ep 仡c t i c a le n g i n e e r i n gc a s e so fu a s ba th o m e 1 2 硕士学位论文 1 4m b b r 好氧反应器 1 4 1m b b r 反应器概述 m b b r 工艺是由挪威k a l d l l e sm i j e c p t e l ( i l o 西公司与s 矾t e f 研究机构联合开 发的一种新型生物膜反应器。m b b r 吸收了传统生物流化床和生物接触氧化法 的优点，不仅克服了活性污泥占地大、会发生污泥膨胀以及污泥流失等缺点，还 解决了固