（环境工程专业论文）uasbmbbr处理高浓度精细化工综合废水的试验研究.pdf

摘要 摘要 洲洲 y 2 0 8 4 18 4 精细化工行业广泛、产品多样，因此其产生的废水具有水质复杂、毒性物质多、高c o d 浓度和可生化性差的特点。针对精细化工废水的这些特性，本研究采用厌氧u a s b + 好氧船b r 串联的处理工艺，去除精细化工综合废水中高浓度、难降解有机污染物，同时去除废水中的 氨氮。 厌氧生物处理试验采用升流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理精细化工综合废水，主要研 究u a s b 的启动过程，以制药工业厌氧颗粒污泥作为接种污泥，接种后反应器污泥浓度为 5 5 7 9 l ，后期污泥浓度增长至6 7g l ，且直径为1 锄左右的颗粒污泥的比例有所上升。当 进水c o d 3 5 0 0 m g l 、容积负荷为7 o k g ( m 3 d ) 时，c o d 去除率达到6 0 7 0 ，污泥对废水 有一定的适应性。在本试验中，影响污泥颗粒化的主要因素为有毒物质和水力负荷的冲击。 前者导致出水水质迅速恶化，挥发性脂肪酸迅速升高；后者导致厌氧污泥流失，处理效率急 剧降低。 后续好氧生物处理试验采用二级串联移动床生物膜反应器( 船b r ) 处理前段u a s b 反应器的 出水，在总水力停留时间为3 0 h ， l b b r 反应器的容积负荷在1 5 k g ( m 3 d ) 之间时，二级 船b r 系统c o d 平均去除率可达8 8 6 ：此外，系统对n h 3 也有很强的去除能力，n h 3 一n 的去除 率达到了9 5 。 本试验研究厌氧生物处理+ 好氧生物处理的工艺流程，分别完成上述两个单元过程对高浓 度精细化工综合废水处理的小试试验，初步了解和掌握了整个工艺的处理能力并摸索出一些 工艺条件，对之后的实际工程有一定的指导意义。 关键词：精细化工综合废水u a s b 启动她b r a b st r a c t a b s t r a c t t h ef - m ec h e m i c a l si l l d u s 仃yi sb o a r da n dh 弱m a i ：i yp r o m l c t s a sar e s u l tt h ew a s t e w a t e r p r o d u c e di sv e 巧c o l p l i c a t e d nc o n t a i l l st o x i c s ，h i 曲c o d 锄d1 0 wb i o d e g r a d a b i i i 够i l lo r d e rt o t a c k l et h i sp r o b l e m ，t l l i sr e s e a r c hp a p e ru t i l i z e st 1 1 ea n o x i cu a s b 锄dt h ea e r o b i cm b b ri l ls e r i e s t or e m o v et h ep o l l u t 锄t sa n dr e d u c e 廿l ea m m o n i ap r e s e n ti i lt h ew a s t e w a t e r a n o x i cb i o l o g i c a l 仃e a t m e n te x p e r i m e n t a t i o nu t i l i z e st h eu a s bt r e 舳e n tf o rt h ew a s t e w a t e r n l es t i l d yo fu a s bu s e sa i l o x i cs l u 电eo fp h a n i l a c e u t i c a li n d u s 仃y ；i ti ss e e d e di nm er e a c t o r i nt h e p r o p 呲i o no f5 5 7 9 l ，i tw i l l 孕0 wt 06 7g l ，n l es l u 起ew i l lc o a g u l a t en op a n i c l e so flm mi n d i 锄e t e r 、m e nt h ei i l l e tc o di s3 5 0 0m g l 肌dv o l u m el o a da s7 0 k g m 3 d a y t h ec o dr e m o v a l e 伍c i e n c yw i l lb e6 0 - 7 0 1 1 1 i ss h o w st l l a tt h es l u ( 培ei ss u i t a b l et 0 仃e a t 也i sk i l l do fw a s t e w a t e r t oac e r t a i l le x t 既d h lt h i sr e s e a r c h ，t 1 1 ef a c t o r st h a ta f i e c tt h es l u d g ep a r t i c l e sa r et o x i c sp r e s e n t 觚d t h es h e a rf o r c eo ft h ew a t e r t h ef 0 n n e rw i l lc a u s et l l ee 饿u e n tt 0w o r s e nr a p i d l y w h i c hl e a d st o v f ar i s i e dq u i c k l y ；t h el a 钍e rw i l lr e s u l ti nl o s so f 趿0 x i cs l u 姑e ，t h i sw i l lc a u s et 1 1 e 仃e a t i i l e n t e f f i c i e n c yt 0d e c r e a s e 1 1 1 en e x t1 1 n i to fa e r o b i cb i o l o g i c a l 仃e a 缸1 1 e n te x p e r i l i l e n t a t i o nu t i l i z e st h e2 n dp h a s em b b r 仃e a 仃n e n tf 0 rt 1 1 ee 筒u e n to ft 1 1 eu a s b ；m er e s i d e n c et i r n eo ft l l ew a t e ri s3 0 h ra i l dv o l 啪el o a da s 1 5 0 k 咖3 d a y t h e2 n dp h a s em b b rc 趾r e m o v e8 8 6 o fc o d 姐dh a sav e 巧h i g hn h 3r e m o v a l e 街c i e n c y t h en h 3 nr e 】叽o v a lr a t ec 趾b eu pt o9 5 t h i sr e p o r ti sr e g a r d i l l gt l l ee x p e r i l n e n t a t i o no fa n o x i c 缸da e r o b i cb i o l o g i c a l 仃e a t i i l e n to f w a s t e w a t e re n g m e e r i n g nc o n t a i l l s廿1 ea b o v e m e n t i o n e d2t y p e so fw a s t e w a t e r 仃e a t i i l e n t e x p e r i i i l e n t a t i o n n i sh a sa 1 1 0 wt h e 鲫t h o r t ou 1 1 d e r s t a l l de v e 巧s i l l g l es t e pi 1 1 v o l v e di nt h ed e s i 驴 觚de n g i l l e e r i n g ，t h i sw i l la l s oa l l o wt h ea u t l l o rt ou 1 1 d e r s t a l l dm er e a lp r o c e s sw h e ni ti sc o m p l e t e d k e y w o r d ：h i 曲c o n c e n 仃a t i o n so ft h ef i l l ec h e m i c a lw a s t e w a t e r u a s bs t 嘲pm b b r i i 硕士学位论文 1 1课题背景 第一章绪论 我国的水环境污染面临的三个严重问题是水体污染、水资源短缺和洪涝灾害，其中，水 体污染是摆在首位的。我国正处于工业化快速发展的时期，污染物排放量急剧增长，水体污 染状况日趋严重。 据统计调查1 ，化学工业每年排放废水量占全国排放废水量的l 5 左右，是水污染的重 点和难点，具有以下特点： ( 1 )排放量大，种类繁多，水质复杂，随原料、工艺、规模的差异，水质水量变化 很大； ( 2 ) 浓度高，有毒有害污染物含量高，往往含有一些包括重金属在内等有毒化合物 和生物难降解的有机化合物； ( 3 ) 分布范围广泛，从大型的石油、化肥等化工厂到遍布城乡的中小型企业，对排 出废水的处理水平不一。 精细化工范围较广，品种繁多，包括了染料、农药、制药、香料、涂料、感光材料和日 用化工等约4 0 个行业，在我国国民经济中占有相当大的比重，在丰富和发展人类的物质文明 过程中，发挥着重要作用。由于精细化工行业的广泛性、产品的多样性决定了精细化工废水 具有水量大、色度高、水质复杂、毒性大、高c o d 和可生化性差的特点。同时，精细化工产 品类型的多样性，以及染料、涂料、农药、制药等行业废水分子结构的复杂性，给此类废水 治理带来一定的难度。 1 2 精细化工废水处理的研究现状与发展趋势 现阶段对精细化工废水的处理主要有物理法、化学法、物理化学法和生物处理法等。 1 2 1 物理处理法 物理处理法是通过物理作用而达到污染物去除效果的处理方法。经过物理法处理后的污 水并没有改变污染物的化学本性，仅使污染物从废水中分离或富集，因此容易造成二次污染。 常用的物理处理法有均化、沉降、气浮、过滤等。 1 2 2 化学处理法 化学处理法是利用化学反应原理及方法来分离、收集废水中的污染物，或改变污染物的 化学性质，使它从有害变为无害、难降解变成可降解或易降解的处理方法。化学方法主要有 1 第一章绪论 中和、混凝、焚烧、氧化还原、湿式氧化法( w r a o ) 等方法。焚烧法处理成本高，而且尾气 还需进行处理；氧化还原法处理费用高，大多具有杀菌作用，所以一般只作为废水的深度处 理或处理生化方法不能处理的废水；湿式氧化法处理的成本也较高，虽然在石油化工、焦化 及化工有毒废物或生物难降解高浓度废水治理中有相关研究报道，但实际工程中应用较少。 1 2 3 物理化学法 通过相转移的变化而达到去除废水中污染物的目的，这种处理方法称为物理化学处理法。 常用的物理化学处理法有物理吸附法、混凝沉淀( 气浮) 法和膜分离法、气提及吹脱法，另 外，处理难降解有机污染物的物理方法还有萃取法、蒸馏法，浮选法、反渗透法等。以上几 种方法的共同特点是将污染物从废水中分离出来以达到净化水质的目的，所以需对分离出的 污染物进行回用或处理以免造成二次污染。 1 2 4 生物处理法 废水的生物处理法，就是利用微生物的代谢作用，使废水中呈溶解和胶体状态的有机污 染物质转化为稳定无害的物质，如c 0 2 和h 2 0 等，生物处理法按作用微生物和处理条件的不 同，可分为厌氧处理和好氧处理两大类。 1 2 4 1 厌氧生物处理 厌氧生物处理是在没有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，兼性细菌和厌氧细菌降解和稳定有 机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单化合 物，同时释放能量。在这个过程中，有机物的转化分为三部分：一部分转化为c h 4 、h 2 ，作为 一种可燃气体可回收利用；另一部分被分解为c 0 2 、h 2 0 、n h 3 、h 2 s 等无机物，并为细胞 合成提供能量：还有少量有机物被转化、合成为新原生质的组成部分。由于厌氧生物处理中 用于合成微生物的有机物很少，故相对于好氧生物处理法，其污泥增长率小得多。 m c c 删将厌氧消化分为三个阶段来完成：水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。如下图 1 1 所示： 2 硕士学位论文 复杂有机物 ( 多靖，脂，篮白质) l 水解、发爵作用 1 l r l 产氯产乙艘作用 1 乙艘| r 氯 。 叫艘总雠用r r 产甲烷作用 巾雉台成氯氧化 r1， 水埘发醇缃筒 - - 一 讯阶段 产氡产乙睡纲越 - 一 弧阶段 i 川型产乙腋细菌 - - 一 横向转化 产1 1 l 烷绷茁 i _ 一 第! 阶段 图l - 1 厌氧消化三阶段示意图 f 蟾1 一la n a e r o b i cd i g e s t i o nt h r e e - p h a s es k e t c hm a p a 、主要为乙酸，其次甲酸、甲醇、甲胺等 b 、a 以外的其它简单有机物( 主要为丙酸、丁酸等) 废水中的碳水化合物、脂肪、蛋白质等复杂有机物通过厌氧消化转化成甲烷，参与有机 物逐级厌氧降解的细菌主要有三大类群，依次为水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细 菌，这些细菌分别在厌氧消化的三个阶段起不同作用。 水解阶段：大分子有机物在被微生物降解前，首先被水解成可通过细胞生物膜的小分子 物质，这一过程是在水解酶的作用下完成的，许多微生物都能够分泌水解酶胞外酶，如脂肪 酶、蛋白酶、淀粉酶等，在水解酶的作用下，纤维素被分解为简单的糖类长链多肤蛋白质被 分解为简单的氨基酸脂肪和油脂类被分解为简单的脂肪酸和甘油，这些都是可被细胞利用的 简单基质。细菌将这些简单基质进一步分解成脂肪酸、醇类等，进行产酸发酵。 产酸阶段：主要是由产酸菌来完成，产酸菌是这一阶段的主要微生物群体，产酸阶段的 最终产物是挥发性有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等，但主要产物是乙酸， 其次是丙酸，由于产甲烷菌只能代谢二碳以下的有机酸，如甲酸、甲醇、乙酸，因此产酸阶 段还存在一种极为重要的菌种产氢产乙酸菌。产氢产乙酸菌在厌氧消化过程中利用已分解 3 第一辛绪论 的有机物，包括丙酮酸、丙酸、丁酸、戊酸、醇类等生成乙酸，同时产生氢，在降解奇数碳 素能源时，还生成c 0 2 ，产氢产乙酸菌也被认为是产酸菌的一种。 产甲烷阶段：复杂的有机物在产酸阶段被降解后，在下一阶段被产甲烷菌利用后生成。 和，产甲烷菌是与其它营养类细菌如产酸菌等完全不同的原核生物，它是严格的厌氧细菌， 对氧和氧化剂非常敏感，氧化还原电位应小于一3 0 0 m v 。 产甲烷菌的一个重要特点是只能利用少数有机物生成。目前所知，只有甲酸、乙酸、甲 醇、甲基胺等简单物质能被产甲烷菌利用。产甲烷菌至少由二类特性不同的细菌参与产甲烷 一类是通过氧化分子氢获得能源，还原或乙酸获得碳源，反应式为： c 0 2 + h 2 一c h 4 + 2 h 2 0 4h 2 + c h 3 c 0 0 h c h 4 + 2 h 2 0 另一类是通过分解乙酸而生成。反应式为： c h 3 c o o h c h 4 + 2 h 2 0 s p e e c e 认为厌氧反应过程中，多数的甲烷来源于乙酸的裂解，其余的甲烷来源于二氧化 碳还原和氢氧化。随着废水性质的不同，这一比值将发生变动。因为氧化氢形成甲烷的细菌 是自养性，生产速率很慢，虽然与分解乙酸的细菌在厌氧反应器中有共生关系，但其数量少， 所以，毫无疑问生成甲烷的主要反应是乙酸的分解。 由于甲烷菌的生长速率比较慢，因而乙酸转化为甲烷的过程即成为厌氧消化的限制因素， 厌氧过程的启动时间相应较长，所产生的新生物量比较少，即产生的剩余污泥量较少，这是 厌氧过程的一个重要特点，厌氧消化产生的能量很少，转化乙酸仅放出能量，只有很少的能 量用于合成新细胞，大部分热值以甲烷的形式贮存起来，当甲烷燃烧时再释放出来。乙酸所 产生的甲烷燃烧时可产生的能量，所以厌氧消化又因其产能而日益受到重视。 由于废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。此外，它还具有剩余污泥少， 可回收能量等优点。其主要缺点是反应速度较慢，反应时间较长，处理构筑物容积大等。对 于有机污泥和高浓度有机废水一般。可采用厌氧生物处理。 1 2 4 2 好氧生物处理 好氧生物处理是在有游离氧( 分子氧) 存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳 定、无害化的处理方法。微生物利用废水中存在的有机污染物主要以溶解状与胶体状的有机 物为主，作为营养源进行好氧代谢。这些高能位的有机物质经过一系列的生化反应，逐级释 放能量，最终以低能位的无机物质稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一 步处置。废水好氧生物处理的最终过程可用下图1 2 表示。 4 硕士学位论文 育机物+ 徽生物 c c 。o ，陬帐s 。 l 哼麓柬捧出 能_ 靛 图1 2 好氧生物处理示意图 f i g 1 2a e r o b i cb i o i o g i c a it r e a t m e n ts k e t c hm a p 好氧生物处理法又可分为活性污泥法、生物膜法、氧化塘等，好氧生物处理法广泛用于 处理有机废水。好氧生物处理的反应速度较快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较 小，且处理过程中散发的臭气较少。所以，目前对中、低浓度的有机废水，特别是浓度小的 有机废水，基本上采用好氧生物处理。 1 2 5 集中式处理精细化工废水 目前，国内针对精细化工废水的研究大多都限于单一的行业废水，如染料废水、农药废 水、制革废水等的治理技术和理论，而对随着工业发展必然形成的工业废水集中处理技术和 实施方法等方面则较少涉及。 集中处理废水的方法就是按区建立联合的废水处理厂，对工业园区内的企业所排出的废 水进行集中处理。它具有投资省、占地面积小、便于管理、治理效率高、处理效果稳定、处 理成本低等优点，已引起了各国政府的高度重视，如德国、日本、美国等发达国家早在工业 上加以应用。 因此，在化工企业比较集中的地方，特别是大型的化工工业园区内，联合建立污水处理 厂，将各化工企业预处理后的废水进行二次、集中处理，已成为我国一条治理环境污染的方 向性措施和主要技术政策，它能最大程度地发挥规模效应，具有良好的经济效益、环境效益 和社会效益。 1 3 升流式厌氧污泥流化床( u a s b ) 工艺研究和应用现状 1 3 1 概述 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 工艺是由l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代开发的。他们在研 5 第一章绪论 究用升流式厌氧滤池处理马铃薯加工和甲醇废水时取消了池内的全部填料，并在池子上部设 置了气、液、固三相分离器，于是一种结构简单、处理效能很高的新型厌氧反应器便诞生了。 u a s b 反应器一出现便获得广泛的关注与认可，并在世界范围内得到广泛的应用。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。 1 3 2 工艺原理及运行流程3 1 1 3 2 1 升流式厌氧污泥床反应器的主体结构 u a s b 反应器主要由下列几部分构成： 1 )进水配水系统。进水配水系统主要是将废水尽可能均匀的分配到整个反应器，并 具有一定的水力搅拌功能。它是反应器高效运行的关键之一。 2 )反应区。其中包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解， 是反应器的主要部位。 3 )三相分离器。由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把沼气、污泥和液体分开。 污泥经沉淀区沉淀后由回流缝回流到反应器，沼气分离后进入气室。三相分离器 的分离效果将直接影响反应器的效果。 4 )出水系统。其作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地加以收集，排出反应器。 5 )气室。其作用是收集朝气。 6 )浮渣清除系统。其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣。 7 )排泥系统。其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥。 u a s b 反应器的断面形状一般为圆形或矩形。反应器常为钢结构或钢筋混凝土结构。在 实验过程中，采用有机玻璃材料，断面为圆形。 1 3 2 2 升流式厌氧污泥床反应器的原理和特点 下图1 3 为u a s b 反应器工作原理示意图。 6 硕士学位论文 分 离 区 反 应 区 图1 3u a s b 反应器工作原理示意图 f i g 1 - 3t h ep r i n c i p i eo ft h eu a s br e a c t o r 如上图1 3 所示，污水从反应器的底部向上通过包含颗粒污泥的污泥床。厌氧反应发生在 废水与污泥颗粒的接触过程。在厌氧状态下产生的沼气( 主要是甲烷和二氧化碳) 引起内部 循环，这对于颗粒污泥的形成和维护有利。在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，附 着和没有附着的气体向反应器顶部上升，上升到表面的污泥碰击三相分离器，引起附着气泡 的污泥絮体脱气，气泡释放后污泥颗粒将沉淀到污泥床的表面，附着和没有附着的气体被收 集到反应器顶部的三相分离器的集气室。包含一些剩余固体和污泥颗粒的液体经过分离器缝 隙进入沉淀区。由于分离器的斜壁沉淀区的过流面积在接近水面时增加，因此上升流速在接 近排放点时降低，由于流速降低污泥絮体在沉淀区可以絮凝和沉淀，累积在相分离器上的污 泥絮体在一定程度将超过其保持在斜壁上的摩擦力，其将滑回到反应区，这部分污泥又可与 进水有机物发生反应。 u a s b 反应器由反应区和沉降区两部分组成。反应区又可根据污泥的情况分为污泥悬浮 区和污泥床区。污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成，s s 浓度可达5 0 1 0 0 m g l 或更 高。污泥悬浮层主要靠反应过程中产生的气体的上升搅拌作用形成，污泥浓度较低，s s 值一 般在5 4 0 m g l 范围内。在反应器上部设有气( 沼气) 、固( 污泥) 、液( 废水) 三相分离器， 分离器首先使生成的沼气气泡上升过程受偏折，然后沼气穿过水层进入气室，由导管排出反 7 第一章绪论 应器。脱气后的混合液在沉降区进一步进行固、液分离，沉降下的污泥返回反应区，使反应 区内积累大量微生物。待处理的废水由底部布水系统进入，厌氧反应器发生在废水与污泥颗 粒的接触过程中，澄清后的处理水从沉淀区溢流排出。在u a s b 反应器中能够培养得到一种 良好沉降性能和高比产甲烷活性的颗粒厌氧污泥，因此相对于其他同类装置，颗粒污泥u a s b 反应器具有一定的优势： 1 ) 有机负荷居第二代反应器之首，水力负荷能满足要求。 2 ) 污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强，而且颗粒污泥直接接种可以快速启动 反应器。 3 ) 在反应器上部设置的气固液三相分离器，对沉降良好的污泥或颗粒污泥避免附设沉 淀分离装置、辅助脱气装置和回流污泥设备，简化了工艺，节约了投资和运行费用。 4 ) 用于将污泥或流出液人工回流的机械搅拌一般维持在最低限度，甚至可以完全取消， 尤其是颗粒污泥u a s b 反应器。由于颗粒污泥的相对密度比人工载体小，在一定的水 力负荷下，可以靠反应器内产生的气体来实现污泥与基质的充分接触。因此，u a s b 可省去搅拌和回流污泥所需的设备和能耗。 5 ) 反应器内不需投加填料和载体，提高了容积利用率，避免了堵塞问题。 正因如此，u a s b 反应器已成为第二代厌氧处理反应器中发展最为迅速、应用最为广 泛的装置。目前，u a s b 反应器不仅用于处理高、中浓度的有机废水，也开始用于处理 像城市污水这样的低浓度的有机废水。 1 3 3u a s b 启动和运行中的关键生物技术3 1 1 3 3 1u a s b 启动 1 ) 接种污泥 在生物处理中，接种污泥的数量和活性是影响反应器成功启动的重要因素。不同的污泥 接种量宏观地表现为反应器中污泥床高度不同。h e e n g e s 的试验表明：在污泥床层高度为o 4 米时，短流率为7 0 8 0 ，污泥床层高度为1 2 米时，仅有1 3 的进水短流，污泥床层高度为 2 2 米时，短流率又再度增加。 2 ) 反应器的升温速率 不同种群产甲烷细菌适宜的生长范围均有严格要求。控制合理的升温有利于反应器在短 时间内成功启动。研究发现，反应器升温速率过快，会导致其内部污泥的产甲烷活性短期下 降，为了确保反应器在短时间内成功启动，较合理的升温速率为在2 3 d 。 3 ) 进p h 值的控制 8 硕士学位论文 在厌氧发酵过程中，环境的p h 值对产甲烷菌的活性影响很大，通常认为最适宜的p h 值 为6 5 7 5 ，在启动初期进水的p h 值通常控制在7 5 8 o 范围内比较适宜。 4 ) 反应器进水温度控制 反应器温度的影响因素主要包括：进水中的热量值、反应器中有机物的降解产能反应和 反应器的散热速率。将进水温度维持在高于反应器工作温度8 1 5 范围，可保证反应器中微 生物在规定的条件下进行正常的厌氧发酵。 5 ) 反应器容积负荷增加方式 反应器的容积负荷直接反映了基质与微生物之间的平衡关系。在确定的反应器中，不同 运行时期微生物对有机物降解能力存在着差异，容积负荷过高将导致反应器酸化，过低则微 生物得不到足够的养分进行新陈代谢。 6 ) 冲击负荷试验 反应器的有机负荷、污泥活性和沉降性能、污泥中微生物种群、气体中甲烷含量等参数 在启动过程中均有不同程度的变化。用冲击负荷试验方法来确定反应器是否启动结束。有机 负荷突然增大使得反应器出水c o d 、产气量和p h 值都迅速变化，当冲击负荷结束后系统很 快能恢复原来状态，说明系统已具有一定的稳定性，此时说明反应器完成启动过程。 1 3 3 2u a s b 运行中的关键生物技术 1 ) 进水c o d 浓度 由于处理的化工园区工业废水成分复杂，在进水浓度上要特别注意，在初期启动时，一 般将进水浓度调配到浓度为1 5 0 0 2 0 0 0 m g ，l ，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；在反应器达到稳定后，可进一步将进水浓度提高，最终达到4 0 0 0 4 5 0 0 m g l 的进水浓度，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。 2 ) 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，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。 3 )p 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 o 第一辛绪论 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。 4 )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 ，对于化工综合废水来讲，要向进水中投加充分的营养元素，才能满足微生物生 长的需要。 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，使细胞问的范德华力增强，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。例如，m 孑+ 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 4u a s b 反应器在废水处理中的应用 周长波、张振家1 8 1 等采用u a s b s b r 处理啤酒废水，在u a s b 反应器c o d 容积负荷为 8 7 k ( m 3 d ) ，水力停留时间为7 o h ，进水c o d 浓度为3 0 0 0 m l 左右时，去除率达到了7 0 左 右。 赵青玲u 9 1 等采用u a s b 处理养猪场废水，u a s b 反应器水力停留时间为9 o h ，在废水浓度 为2 0 0 0m l 时，c o d 去除率稳定在5 5 左右，将废水浓度提到4 0 0 0m l 时，c o d 去除率在7 5 左右。在废水浓度为6 0 0 0 m l 时，c o d 去除率上升到8 0 左右。 黄玉茹、郭强啪1 等采用u a s 眦a s s 处理酒精废水，其中u a s b 为两级串联u a s b 反应 器，废水在两级u a s b 反应器中的水力停留时间为4 天时，c o d 去除率为9 5 ，b o d 5 去除率达 到9 6 ；在c a s s 反应池中的水力停留时间为2 4h 时，c o d 去除率为8 8 ，b o d 5 去除率达到 9 2 。整个污水处理设施对c o d 的总去除率为9 9 5 ，b o d 5 的总去除率为9 9 7 ，s s 的总去除 率为9 6 8 。 郭永福、储金宇眨等采用厌氧u a s 阻一混凝沉淀法处理高浓度屠宰废水，u a s b 反应器 水力停留时间为2 0 h ，进水c o d 浓度为5 5 0 0 m 胡，c o d 容积负荷为6 8k ( m 3 d ) 时，c o d 去 除率在9 3 9 4 。 1 0 硕士学位论文 康琼仙、康建雄眨2 1 等采用u a s b s b r 工艺处理高浓度有机农药废水，u a s b 反应器进水 c o d 为5 0 0 0 6 0 0 0 m l ，水力停留时间为4 8 h ，c o d 去除率达到6 0 左右。 杨正亮、王正林吃3 1 等采用u a s b - 化学混凝技术处理草浆造纸废水，u a s b 反应器水力 停留时间为4 o h ，进水c o d 在2 5 0 0 m l ，c o d 去除率在5 0 6 0 之间。 1 4 载体生物流化床( 船b r ) 工艺研究和应用现状 1 4 1 概述 移动床生物膜反应器( m o v i n g - b e db i o f i l mr e a c t o r ，m b b r ) 是一种革新型的生物膜反应 器4 1 ，它能使微生物附着在载体上，漂浮的载体在反应器内随着混合液的回旋翻转作用而自 由移动，从而达到处理污水的目的。m b b r 不仅克服了活性污泥法占地大、会发生污泥膨胀 以及污泥流失等缺点，还解决了固定床生物膜法需定期反冲洗、清洗滤料和更换曝气器等复 杂操作问题，克服了流化床使载体流化的动力消耗过大的缺点。b r 的脱氮除磷功能也十 分突出。总之，它具有处理能力高、能耗低、不需要反冲洗、水头损失小、不易发生堵塞、 出水水质稳定、耐冲击负荷能力强、结构紧凑、占地少和维护管理简单的工艺特剧3 3 1 。 1 4 2 移动床生物膜反应器技术的特性 1 4 2 1 基本设计思想和结构 移动式生物膜反应器( m b b r ) 是由挪威k a l 血e sm i j e c p t e h o g i 公司与s 烈t e f 研究机 构联合开发的一种污水处理工艺，其吸收了传统流化床和生物接触氧化法两种工艺的优点。 b r 反应器示意图见图1 4 ： 出采 u 糍蕊兰 一，豫 一辫 气( 对于庆氯反 采用机蠢锋 m 捌皈盅矗 图1 4m b b r 反应器示意图 f i g 1 - 4t h es k e t c hm a po ft h em b b rr e a c t o r 污水连续经过m b b r 反应器内的悬浮填料并逐渐在填料内外形成生物膜，通过附着在生 物膜上微生物的作用，使污水得到净化，填料在反应器内混合液回旋翻转的作用下自由移动。 整二主竺垒 m b r 反应器既具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点，又具有活 性污泥法高效性和运转灵活性： 1 )反应器中污泥浓度较高，一般污泥浓度为普通活性污泥法污泥浓度的5 6 倍，曝 气池污泥质量浓度可高达3 0 4 0 9 l 。 2 )水头损失小，不易堵塞，无需反冲洗，一般不需回流。 3 )作为m b b r 工艺核心的悬浮填料具有好氧和厌氧代谢活性，可良好地脱氮除磷。 m b b r 的基本设计思想是能够连续运行，不发生堵塞，无需反冲洗，水头损失较小并且 具有较大的比表面积。这可以通过生物膜生长在较小的载体单元上，载体在反应器中随水流 自由移动来实现。在好氧反应器中，通过曝气推动载体移动；在缺氧厌氧反应器中，通过机械 搅拌使载体移动。为防止反应器中填料的流失，在反应器出口处设一个多孔滤筛。m b b r 一 般为长方体型或圆柱型结构，长方体型的反应器沿池长方向用板均隔为几格或不分格。水进 入池后呈推流态至出水。在每格中由于曝气流化而呈完全混合态，池内填充悬浮填，穿孔曝 气管在一侧曝气，使填料在池内循环流动，圆柱体型结构的反应器底部设有微孔曝气头。另 外，有的反应器不仅在池底安装了曝气装置，还安装了搅拌装置，这些搅拌装置可以使反应 器方便灵活的应用于缺氧状态下。 1 4 2 2 移动床生物膜反应器的填料【7 5 】 填料是m b b r 的核心。填料的性能好坏，直接影响到挂膜的难易程度、反应器中生物量 的多少、反应器处理效果的好坏。而m b b r 所使用的填料多为聚乙烯或聚丙烯塑料填料，形 状似小圆柱体( 直径与高约为1 0 5 0 m m 不等) 。圆柱体中心有十字支撑，外侧沿不同径向伸 展许多尾翅。载体密度略低于水( o 9 2 0 9 7 c m 3 ) ，填料比表面积大( 1 6 0 5 0 0i n 2 m 3 ) 。表 面易于生物膜附着生长，而且巧妙的结构设计使填料在使用时不结团、不堵塞，始终具有理 想的空隙率，并具有良好的通气、过水性能。 反应器中生物膜比表面积由载体投加数量来控制，装填容积可高达空床反应器容积的7 0 ，相应地反应器内生物膜比表面积可高达4 0 0 5 0 0 m 2 m 3 。但由于填料外侧表面比免受强 烈水力冲刷的内表面生物膜量少得多，实际可供微生物生长的最大比表面积约为3 5 0m 2 m 3 。 在实际运行中，移动床生物膜反应器既不需要反冲洗，也不需要污泥回流，通过反应器的水 头损失亦不大。由于填料的密度略小于水，所以悬浮填料在不曝气时浮于水的表面，无须固 定支架支撑，这使反应池的安装和维修变得很方便。当曝气时，生长生物膜的填料密度因与水 相同，在反应池中随水流化，由此产生的气、水、填料三者间的充分接触和碰撞，一方面使氧的 利用率、水中有机污染物的传质效率等大为提高，另一方面使老化的生物膜易于从填料表面 脱落，便于膜的更新，使膜保持活性。另外，由于填料较轻，其流化所需的动力消耗也并不 1 2 硕士学位论文 很高，一般满足供氧的气量，即能起到良好的搅拌作用，这就使得悬浮载体生物膜法成为处理 污水的一种合适方法。 1 4 3m b b r 存在的不足 1 4 3 1m b b r 反应器的流化态 反应器中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，在实际操作中，经常出现由于 整个反应器进气不均匀而导致局部填料堆积的现象。 1 4 3 2m b b r 反应器的填料格栅板 为了防止填料的流失，移动床生物膜反应器的出水口要设置格栅。但在实验室采用的钻孔 塑料板常出现大团悬浮污泥将出水格栅堵死的情况。虽然通过加强对出水区格栅处进行曝气， 可以防止填料对格栅的堵塞，但对于悬浮污泥的附着问题，只能从格栅的材料和间距上解决。 1 4 4m b b r 在废水处理中的应用 季民，杨造燕，薛广宁n 5 1 等利用好氧微生物繁殖快并生成多糖物质的特点在较短时间内 使填料表面形成一层生物膜，改善填料的表面性能，以利于厌氧微生物的附着生长，从而缩 短启动时间。 于龙、赵雅芝n 7 1 等人采用二级移动床生物膜反应器( m b b r ) 处理呋喃铵盐制药废水。在 填充比为4 0 ，总水力停留时间为3 2 h 时，c o d 的去除率为8 8 6 ，t n 的去除率为2 5 7 ，第二 级反应器对n h 3 _ n 的去除率为5 6 2 。 b j o mr u s t e n 2 5 1 等人用m b b r + 纯氧曝气活性污泥系统处理美国l o u i s i a i l a 的b a t o n r o u g e 化工厂废水。即使在有机负荷高达5 3 9 b o d 5 m 2 d 时，m b b r 阶段可以将易生物降解b o d 全 部去除。在经过活性污泥单元后，出水平均浓度仅为3 4 m g b o d 5 l 。 朱文亭2 6 1 等用经过改造的m b r 处理人工配制的葡萄糖废水，结果表明m b b r 处理生 活污水具有良好的效果。当进水c o d 为2 0 0 一7 0 0 m l ，气水比为1 0 ：l ，水力停留时间为4 h 时，c o d 平均去除率可达8 8 8 。 李锋2 7 1 等人用m b b r 工艺处理上海桃浦工业区废水。试验结果显示，m b b r 法对c o d 的平均去除率大于7 5 ，当进水c o d 浓度在8 0 0 m l 时，出水基本达到2 0 0 m l 的出水要求， 而且出水较稳定。 挪威的s j j a h r e n 和h 乒d e g 砚r d 啷1 研究了用厌氧一好氧m b b r 工艺处理高温造纸废水 ( 5 5 ) 。厌氧反应器去除率达到3 4 埏s c o d m 3 d ，好氧反应器去除率为1 5 k g s c o d m 3 d 。厌 氧反应器在负荷为7 l ( g s c o d m 3 d 时，s c o d 去除3 0 ，最终s c o d 去除6 0 1 3 第一章绪论 1 5 课题来源及研究目的和意义 1 5 1 本课题来源 本课题是针对江苏省扬子江国际化学工业园污水处理厂改扩建项目的小试研究，从小试 试验的角度考察精细化工高浓度综合废水处理的可行性，并获得相关工艺的操作参数，为之 后的中试和工程工艺调试运行提供科学依据。 该国际化学工业园，废水中主要含精细化工综合污染物，如醇类、醛类、多醇类、硝基 苯类、甲苯、苯酚、丙烯酸、丙烯酸酯、乙酸乙酯、氯苯、异丁腈等有机物以及h 2 s 0 4 、h c l 、 氯化钠、碳酸钠等无机盐，同时含有甲醛、挥发酚、氰等高毒性有机物，成份异常复杂。废 水经园区污水处理厂处理后，出水应达到江苏省太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业 主要水污染物排放限值d b 3 21 0 0 7 2 0 0 7 规定的排放水质标准。 1 5 2 本课题研究意义及内容 本课题针对u a s b 反应器的特点与m b b r 工艺联合处理高浓度精细化工综合废水，研究 各类高浓度精细化工废水生物处理的可行性，并对工程实践提供必要的设计参数。这一课题， 将为此类废水治理提供指导作用和参考，并进一步推进该新工艺的实践应用进程。 本课题的主要研究内容包括： 目标高浓度废水的可生化研究 u a s b 反应器启动和运行研究 m b b r 反应器挂膜、运行及抗冲击研究 1 4 硕士学位论文 第二章高浓度废水来源、水质和可生化研究分析 2 1 园区简介 江苏扬子江国际化学工业园于2 0 0 1 年5 月经江苏省政府批准成立，位于江苏省张家港保 税区，规划面积为1 3 8 平方公里。园区性质为化工生产基地、江苏省化工企业聚集区，是节 制明的、国内一流的化工工业园区，主要发展精细化工、工程塑料、医药生物工程等。扬子 江国际化学工业园已聚集了美国d o w 化学、道康宁有机硅、杜邦旭化成、雪佛龙一菲利 普斯化工、佐敦涂料、日本触媒、迪爱生化学和苏州精细化工等一批国内外著名化工企业。 2 2 试验用水水质特征 本试验地点在江苏省扬子江国际化工园污水处理厂。试验过程中所采用的废水均为实际 排放废水，废水主要取自该污水处理厂综合废水调节池，是经化工园区各企业预处理后排放 至管网的综合废水，选取几家在园区污染物排放占主导因素的化工企业的高浓度生产废水， 在园区综合废水中按一定比例加入这几种高浓度难降解有机废水配制试验进水。废水水质及 主要污染因子如下表2 1 所示： 表2 1 进水水质及主要污染物 一t a b 2 1t h ei n n u e n t ! y a t e r q u a l i t ya n dm a i nc o n t a m i n a t e d 污揣u 皿。鞴鬻，潴；品，嚣，蔷，素蓄掌 第二章高浓度废水来源、水质和可生化研究 2 3 废水的可生化研究分析 2 3 1 试验装置： 废水的可生化性研究试验装置采用好氧移动床生物膜反应器( m b b r ) 。移动床生物膜反 应器( m b b r ) 为有机玻璃制成，分为一级、二级和沉淀区，有效容积分别为1 4 l 、1 2 l 和 8 l 。曝气方式采用曝气头从反应器底部对其进行充氧的方式进行，底部曝气头通过曝气管与 空气泵相连。反应器曝气区与沉淀区设置格网，防止填料流入沉淀区。试验装置如下图所示： 出水 泥 m b b r m b b r 二沉池 一级二级 图2 1m b b r 试验装置示意图 f