（环境工程专业论文）uasb和abr在常温下处理生活污水的研究.pdf

摘 要 摘 要 对上流式厌氧污泥床反应器（uasb）和厌氧折流板反应器（abr）在温度 为 929.2，hrt 为 6h24h，进水 cod 浓度为 2551772mg/l，进水 ss 浓 度为 48.41381mg/l， 有机负荷为 0.16284.192kgcod/(m3 d)条件下处理生活 污水的特性及厌氧好氧组合工艺处理生活污水的效果进行了初步研究， 试验结 果表明常温下 uasb 和 abr 处理生活污水是可行的。其研究结果如下： 1、uasb 反应器处理生活污水有较好的去除效果，cod 去除率为 61.2%96.6%，ss 去除率为 47.5%96.2%。uasb+跌水曝气和 uasb+曝气生物 滤池后处理工艺后，cod 的去除率分别提高了 28.4%和 44.1%。说明后处理采用 曝气生物滤池的处理效果优于跌水高度为 0.5m 的跌水曝气工艺。 2、abr 反应器处理生活污水有较好的去除效果，cod 去除率为 44.8% 94.6%，ss 去除率为 67.1%92.9%。abr 反应器对污染物的去除主要集中在第 一、第二隔室，其中第二隔室的出水水质最好，三、四隔室去除率较小。abr+ 跌水曝气后处理工艺和 abr+曝气生物滤池后处理工艺后，cod 去除率分别提 高了 9.5%和 24.9%，说明 abr 后处理采用曝气生物滤池的处理效果优于 0.5m 高度的跌水曝气工艺。 3、hrt、温度、进水负荷和进水浓度是影响 uasb 和 abr 反应器处理生 活污水 cod、ss 去除效果的因素。缩短 hrt 和温度的降低会引起 cod 去除率 的下降。uasb 反应器在进水负荷小于 2.2kgcod/(m3d)时，cod 平均去除率 随着进水有机负荷的增加而增加；当进水有机负荷高于 2.2kgcod/(m3d)时， cod 平均去除率随着进水有机负荷的增加而呈现下降趋势； 而 abr 反应器增加 进水负荷会引起 cod 去除率的下降。相同 hrt 下，提高进水 cod 浓度，cod 去除率增加。进水负荷和温度的变化对反应器的去除效果影响较小，hrt 是影 响 cod 去除效果的主要因素。 4、通过对 uasb 和 abr 反应器处理生活污水性能的比较可知，在 hrt 大 于 12h 时， uasb 和 abr 对 cod 的去除率基本相同； 当 hrt 小于 8h 时， uasb 对 cod 的去除效果好于 abr 反应器。说明在低 hrt 下，负荷的增加对 uasb 的冲击较小。 关键词：关键词：生活污水；厌氧处理；uasb；abr；影响因素 abstract abstract this paper studied the characteristics of domestic-sewage treatment and the effect of anaerobic-aerobic process with up-flow anaerobic sludge blanket reactor and anaerobic baffled reactor in ambient temperature. the two reactors were operated at 6h24h hydraulic retention time(hrt),with influent cod concentration in the range of 255 1772mg/l,influent ss concentration in the range of 48.41381mg/l, organic loading rate in the range of 0.16284.192kgcod/(m3d), and temperature in the range of 929.2 as a base-line condition. the results showed that the effect of treatment of domestic-sewage by uasb and abr was technically feasible. through these experiments, some conclusions are shown as following: 1. the effect of treatment of domestic-sewage by uasb was eminent and removal efficiencies of cod was 61.2%96.6%, removal efficiencies of ss was 47.5%96.2%. the removal efficiencies of cod enhanced 28.4% and 44.1% when uasb respectively combined with hydralic drop aeration and aeration biological filtration. it showed that the effect of aeration biological filtration was superior to hydralic drop aeration of the height of 0.5m. 2. the effect of treatment of domestic-sewage by abr was eminent and removal efficiencies of cod was 44.8%94.6%, removal efficiencies of ss was 67.1% 92.9%. the most of cod had been removed at the first and the second compartment and other compartment had little removal efficiencies. the removal efficiencies of cod enhanced 9.5% and 24.9% when abr respectively combined with hydralic drop aeration and aeration biological filtration. it showed that the effect of aeration biological filtration was superior to hydralic drop aeration of the height of 0.5m. 3. hrt, temperature, organic loading rate and influent cod concentration were main influence factors on removal efficiencies of cod treatment of domestic-sewage by uasb and abr. removal efficiencies of cod was reduced when hrt was shortened and temperature was lowered. for uasb, removal efficiencies of cod increased with increasing organic loading rate under 2.2kgcod/(m3d). removal efficiencies of cod decreased with increasing organic loading rate above 2.2kgcod/(m3d). removal efficiencies of cod increased with increasing organic abstract iii loading rate with abr. removal efficiencies of cod increased with increasing influent concentration at same hydraulic retention time. organic load and temperature had little influence little and hrt is a main influence factor on treatment of domestic-sewage by uasb and abr reactor. 4. comparatively, it had shown that removal efficiencies of cod were near when hrt is above 12h. the removal efficiencies of cod of uasb were better than abr when hrt is below 8h. increasing shock load had little impact on uasb at low hrt. keywords: domestic-sewage; anaerobic treatment; up-flow anaerobic sludge blanket (uasb); anaerobic baffled reactor (abr); influence factors 前 言 vii 前 言 随着人们生活水平的不断提高， 生活污水的排放量已经超过了生产废水的排 放量，成为水污染的一个突出问题。生活污水的排放量占到我国污水排放量的 70%， 其中只有 10%得到了有效处理1。 我国 国家环境保护 “九五” 计划和 2010 年远景目标中提出，到 2000 年，城市环境保护需新增污水集中处理能力 1000 万 t/d，50 万人口城市都要建设污水处理厂2，国家建设部、国家环保总局，科 技部 2000 年 5 月联合发布的城市污水处理及污染防治技术中规定，到 2010 年， 全国设城市和建制镇的污水平均处理率不低于 50%， 设市城市的污水处理率 不低于 60%，重点城市污水处理率不低于 70%3。但目前我国建成并运行的城市 污水处理厂仅 266 座， 城市污水处理共有 2.9 亿 t， 仅占当年生活废水排放量 194.8 亿 t 的 1.5%4。 我国是一个发展中国家，经济实力薄弱，地区差异较大，发展也极不平衡。 对于一次性投资大、运行费用高的城市二级污水处理厂，存在即使建得起也养不 起的问题。以我国目前的经济条件，要普及传统的二级处理工艺是比较困难的。 因此，在当前情形下，探索高效低能耗的生活污水处理方法已经是一个急需解决 的问题，发展可持续污水处理工艺变得势在必行。随着对厌氧消化机理研究的不 断深入和各种高效厌氧反应器的不断出现， 废水的厌氧生物处理技术已经成为资 源和环境保护的核心技术之一5，厌氧处理工艺以其低能耗、污泥产量低、占地 面积小、建设和运行费用省、还能产生甲烷气体为能源回收提供可能,更为重要 的是其后处理工艺可以较灵活地设置并可根据经济状况分期建设等特点而成为 一种可持续的污水处理技术。 厌氧处理技术受到国内外的普遍重视，在 1997 年第 8 届国际厌氧会议上有 研究者将生活污水的厌氧处理列为厌氧技术发展的一个新领域。 厌氧生物处理专 家 g lettinga 教授断言，厌氧生物处理技术如果有适合的后处理方法相配合，可 以成为分散型生活污水处理模式的核心手段， 这一模式较传统的集中处理方法更 具有可持续性和生命力6，尤其适合发展中国家的情况。因此采用厌氧工艺处理 生活污水具有非常广阔的发展前景， 尤其是在我国气候温和地区具有十分重要的 现实意义。 本文采用 uasb 和 abr 反应器，在常温条件下，对厌氧处理生活污水以及 后处理进行了试验研究,探讨了常温条件下反应器的启动、运行特性等方面的问 题。这些研究将有助于了解 uasb 反应器和 abr 反应器在常温条件下处理生活 污水的性能，更好的进行反应器的控制和运行，为厌氧反应器在常温下处理生活 污水提供理论和生产性指导。 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 随着工业的飞速发展和人口的不断增加， 能源、 资源和环境等问题日趋严重， 能源的短缺变得更加突出。 采用传统的好氧生物处理方法的实质是利用电能的消 耗来达到改善废水品质，使其符合水域环境质量要求的一种技术措施。目前发达 国家用于废水处理的能耗已占到全国总电耗的 1%左右，所以，废水好氧生物处 理是耗能型的废水处理技术。世界各国尤其是发展中国家，需要不断研究和探索 高效率、低能耗的新型废水处理技术。 厌氧生物处理工艺是一种既节能又产能的废水生物处理工艺， 为废水处理提 供了一条既高效，又低能耗，且符合可持续发展原则的治理途径。因此采用厌氧 工艺处理生活污水具有非常广阔的发展前景。 1.1 厌氧生物处理的理论基础 厌氧处理过程中， 废水中的有机物经由微生物的作用被最终转化 ch4、 co2、 h2o、h2s 和 nh3等产物，这一过程是包括多种不同类型的微生物所完成的代谢 过程，是一个相互影响、相互制约、同时进行的及其复杂的生物化学过程，此过 程可用阶段化理论描述。早期人们用两阶段理论，即酸化发酵阶段和甲烷发酵阶 段来描述厌氧降解过程。 1979 年，伯力特（bryant）等人根据微生物的生理种群，提出了厌氧消化三 阶段理论，是当前较为公认的理论模式。几乎与三阶段理论提出的同时，j. g. zeikus 在第一届国际厌氧消化会议上提出了四菌群学说即四类群理论。 1.1.1 三阶段理论 根据伯力特（bryant）等人提出的厌氧过程的三阶段理论，有机物的厌氧消 化过程可以描述为“三阶段四菌群”生物化学过程7，见图 1-1。 第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的大分子有机物，如糖类、蛋白 质和脂肪等， 在厌氧菌胞外酶的作用下被分解为小分子的溶解性有机物， 如单糖、 二糖、短肽、氨基酸、脂肪酸和甘油等，继而这些简单的有机物在产酸菌的作用 下转化成简单的化合物，如短链脂肪酸、醇和醛等。参与该阶段的水解发酵菌主 要是专性或绝对厌氧菌和兼性厌氧菌。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌将除乙酸、甲酸、甲 河北工程大学硕士学位论文 2 醇以外的第一阶段的中间产物， 如丙酸、 丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢， 和 co2产生。例如： 丙酸的转化：ch3ch2cooh+2h2och3cooh+3h2+co2 乙醇的转化：ch3ch2oh+h2och3cooh+2h2 第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生 的乙酸、氢和 co2转化为甲烷。一种是把氢和 co2转化为 ch4，即：4h2+co2 ch4+2h2o；另一种是对乙酸脱羧产生 ch4，即：ch3coohch4+co2 图 1-1 有机物厌氧代谢示意图 fig.1-1 sketch map of organic anaerobic metabolize 1.1.2 四菌群理论 j.g.zeikus 把厌氧消化过程中参与发酵的细菌根据其代谢的差异划分为 4 类菌群，水解发酵菌群、产氢产乙酸细菌群、同型乙酸细菌群和产甲烷细菌群。 （1）水解发酵细菌群 水解发酵细菌群是复杂的混合菌群，主要包括纤维素分解菌、半纤维素分解 菌、淀粉分解菌、碳水化合物分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等。发酵细菌 的世代期短，数分钟到数十分钟即可繁殖一代。另外，发酵细菌大多数为异养型 细菌群，对环境条件适应性特别强。 第 1 章 绪论 3 在厌氧消化系统中，水解发酵细菌的主要功能有：一是在水解酶的催化作用 下， 将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物。 水解酶是一种胞外酶， 因此水解过程是在细菌细胞的表面或周围介质中完成的。 发酵细菌群中仅有一部 分细菌种属具有分泌水解酶的功能， 而水解产物一般可被其它发酵细菌群吸收利 用； 二是发酵细菌将水解产物吸收进细胞内， 经细胞内复杂的酶系统的催化转化， 将一部分有机物转化为代谢产物，渗入细胞外的水溶液里，成为参与下一阶段生 化反应的细菌群吸收利用的基质（主要是有机酸、醇、酮等） 。另一部分有机物 作为碳源合成细胞质。 （2）产氢产乙酸细菌群 产氢产乙酸细菌群将第一阶段的发酵产物脂肪酸等转化为乙酸、h2、co2 等产物的一类细菌。如：s 细菌、沃林互营细菌（syntrophobacter wolinii） 、沃尔 夫互营单胞菌（syntrophpomoras wolfei）等。 产氢产乙酸细菌的代谢产物有分子态氢，因此，体系中氢分压的高低对代谢 反应的进行起着重要的调控作用。如当氢分压小于 0.15atm 时，乙醇即能自动进 行产氢产乙酸反应， 丁酸则必须在氢分压小于 210-3atm 下进行， 丙酸则要求更 低的氢分压 910-5atm。因此，通过甲烷细菌利用分子态氢以降低氢分压对产氢 产乙酸细菌的生化反应起着重要的作用。 一旦甲烷细菌因受环境条件的影响而放 慢对分子态氢的利用速率，其结果必然是降低产氢产乙酸细菌对丙酸、丁酸和乙 醇的利用，这也说明了厌氧发酵系统一旦出项问题时，经常出现丙酸、丁酸积累 的原因。 （3）同型产乙酸细菌群 在厌氧消化系统中能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利 用有机质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，即能利用有机质产生乙酸， 也能利用 h2和 co2产生乙酸，反应如下： 4h2+2co2ch3cooh+2h2o 前者归属于发酵细菌，后者则称之为同型乙酸细菌。如伍德乙酸细菌 （acetobacterium woodi） 、威林格乙酸杆菌（acetobacterium wieringae） 、乙酸梭 菌（clostridium acetium）等。 由于同型乙酸菌能利用氢产生乙酸， 降低了氢分压， 对产氢的发酵细菌有利， 同时对利用乙酸的甲烷菌也有利。 （4）产甲烷细菌群 产甲烷菌（methanogens）属于绝对的厌氧菌。产甲烷菌的形态多种多样， 但大致可分为四类：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌、甲烷螺旋菌。 甲烷菌利用从基质 h2/co2、ch3oh、hcooh 及 ch3cooh 转化为 ch4的 河北工程大学硕士学位论文 4 过程释放的能量维持生命活动。 厌氧生物处理所释放的反应能比好氧生物处理少 得多，这可用乙酸纳为例加以说明。 好氧处理：ch3coona+2o2nahco3+h2o+870.0kj/mol 厌氧处理：ch3coona+h2onahco3+ch4+31.0kj/mol 在好氧处理中完全氧化 1mol 的乙酸放出 870.0kj/mol 能量， 此能量一部分经 由 atp 形成新的细胞。但是底物相同的条件下，厌氧消化产生的能量仅是好氧 消化的 1/201/30，而且此能量绝大部分用于维持细菌生命活动，只有很少能量 用于合成新细胞，因而甲烷菌生长很慢。在厌氧消化中，热值以甲烷的形式储存 起来，当甲烷燃烧时再释放出来，1mol 的乙酸所产甲烷燃烧时约放出 839kj 的 能量。 甲烷菌采用二分裂殖法进行繁殖，甲烷菌生长繁殖的很慢，倍增时间长达几 小时至几十小时，有的长达 100 多小时，而好氧细菌的倍增时间仅需数十分钟。 由于甲烷菌繁殖速度很慢，故废水厌氧生物处理设备往往要求较长的投产期，为 了快速启动，常需要从外部投加大量的接种物。 1.1.3 甲烷菌生长要求适宜的环境条件 （1）氧化还原电位 甲烷菌细胞内具有许多低氧化还原电位的酶系，当体 系中氧化态物质的标准电位高和浓度大时， 这些酶系统将被高电位不可逆转的氧 化破坏，使甲烷菌的生长受到抑制甚至死亡。例如甲烷菌代谢中重要辅酶 f420 受到氧化时，即与蛋白质分离而失去活性。一般认为参与中温消化的甲烷菌要求 环境中维持的氧化还原电位低于350mv， 对参与高温消化的甲烷菌则应低于 500600mv。 （2）温度 根据甲烷菌对温度的适应范围，可将甲烷菌分为 3 类：低温菌、 中温菌和高温菌。低温菌的适应范围为 2025，中温菌为 3045，高温菌 为 4575。经鉴定，产甲烷菌中，低温菌较少，大多数为中温菌，而高温菌 种类也较多。温度对甲烷菌的影响要比对产酸细菌的影响大得多，这种影响十分 明显的表现在生长繁殖速度和甲烷产量两个方面。 应当说明的是甲烷菌要求的最适温度范围和厌氧消化系统要求维持的最佳 温度范围是不一致的。例如嗜热自养甲烷杆菌的最适温度范围为 6570，而 高温消化系统维持的最佳温度范围则为 5055。之所以存在这样差异，原因 在于厌氧消化系统是一个混合菌共生的微生物生态系统， 必须满足各菌种的协调 适应性，以保持最佳的生化代谢之间的平衡。 （3）ph 值 ph 值的影响表现在如下几个方面：影响菌体及酶系统的生理 功能和活性；影响环境的氧化还原电位；影响基质的可利用性。大多数中温甲烷 第 1 章 绪论 5 细菌的最适 ph 值约在 6.87.2 之间，但各种甲烷菌的最适合 ph 值也有差别， 从 6.08.5 各不相同。 1.1.4 产甲烷菌与不产甲烷菌的相互作用 在厌氧条件下，由于缺乏外源电子受体，各种微生物只能以内源电子受体进 行有机物的降解。因此，如果一种微生物的发酵产物或脱下的 h2，不能被另一 种微生物所利用，其代谢作用无法持续进行。无论在自然界还是在消化器内，产 甲烷菌都是有机物厌氧降解食物链的最后一个成员， 其所能利用的基质只有少数 几种 c1、c2化合物，所以必须要求不产甲烷菌将复杂有机物分解为简单化合物。 在厌氧处理系统中，产甲烷菌与不产甲烷菌相互依赖，互为对方创造良好的环境 和条件，构成互生关系；同时，双方互为制约，在厌氧生物处理系统中处于平衡 状态。它们之间的相互关系主要表现在以下几方面。 （1）不产甲烷菌为甲烷菌提供生长繁殖所必需的基质。不产甲烷菌可以通 过其生命活动为产甲烷菌提供合成细胞物质和产甲烷所需的碳前体、电子供体、 氢供体和氮源。发酵细菌可以把各种复杂的有机物进行发酵，生成游离氢、co2、 氨、乙酸、丙酸、乙醇等产物。这些产物可被产氢产乙酸细菌利用，将其转化为 h2、co2和乙酸，产生的 h2、co2和乙酸又为产甲烷菌提供了生长繁殖的底物。 （2）不产甲烷菌为产甲烷菌创造了适宜的氧化还原电位条件。产甲烷菌是 绝对厌氧菌，在有氧的情况下产甲烷菌生长繁殖会受到抑制。如在加料过程中， 难免带入一定量的空气，影响厌氧反应器氧化还原电位。系统内不产甲烷菌中的 兼性厌氧和兼性好氧微生物可以将氧消除掉，降低氧化还原电位，为产甲烷菌创 造了适宜的氧化还原电位条件。 （3）不产甲烷菌为产甲烷菌消除了有毒物质。产甲烷菌对一些毒性物质特 别敏感，尤其是一些工业废水或废物中常含有苯酚、氰化物、长链脂肪酸和重金 属等能使产甲烷菌中毒。不产甲烷菌中有很多种类能够裂解苯环，并从中获得能 量和碳源，有些能以氰化物为碳源，这不仅解除了对产甲烷菌的毒害，并且给产 甲烷菌提供了底物。 此外不产甲烷菌的代谢产物 h2s 可和一些重金属离子发生作 用，生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除了一些重金属的毒害作用。 （4）产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除了反馈抑制。不产甲烷菌在产 酸过程中产生大量的 h2、co2及有机酸等，这些代谢产物的积累对不产甲烷菌 的代谢产生抑制作用。但是在运行正常的消化反应器中，产甲烷菌能连续利用由 不产甲烷菌产生的 h2、co2等生成 ch4，不会由于代谢产物的积累而产生反馈 抑制作用，使不产甲烷菌的代谢能够正常进行。 （5）产甲烷菌和不产甲烷菌共同维持环境中适宜的 ph 值。在厌氧发酵初 河北工程大学硕士学位论文 6 期，不产甲烷菌首先降解废水中的有机物质，产生大量的有机酸和碳酸盐，使发 酵液的 ph 值明显下降。同时，不产甲烷菌中的氨化细菌迅速进行氨化作用，能 迅速分解蛋白质产生氨，氨中和部分酸；另一方面，产甲烷菌可以利用乙酸、 h2和 co2形成 ch4，消耗酸和 co2，从而避免了酸的积累。两个类群的共同作 用使 ph 值稳定在一个适宜的范围内。 1.1.5 厌氧生物处理技术的特点 一、厌氧处理技术的优点 1、能明显降低有机污染：用厌氧处理高浓度有机废水有较高的去除效果， bod 去除率可达 90%以上，cod 去除率可达 70%90%，厌氧处理不但能源消 耗很少，而且能将大部分有机物转化为再生能源甲烷。厌氧废水处理技术可将 环境保护、能源回收和生态良性循环有机结合起来的综合系统的核心技术，具有 良好的社会与经济效益。 2、运行成本低：在废水处理成本上比好氧处理要低得多，特别是对中等以 上浓度（cod 大于 1500mg/l）的废水更是如此。厌氧处理过程中动力消耗一般 为好氧法的 1/10，且营养物添加费用和污泥脱水费用也减少。即使不计沼气作为 能源收益，厌氧法处理成本也仅为好氧法的 1/3。如沼气能被利用，费用还会大 大降低，甚至产生相当的利润。 3、产生的剩余污泥量少，且剩余污泥脱水性能好：厌氧菌世代时间长，如 产甲烷菌的倍增时间约 46 天。有机物进行好氧降解时，如碳水化合物，约有 2/3 被合成细胞；厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞，大部分被转化为 ch4和 co2。因此，厌氧处理的剩余污泥产量低，仅为好氧处理的 1/101/6，且 剩余污泥的脱水性能好，浓缩时可不使用脱水剂，剩余污泥处理简单，因此可降 低污泥处理费用。 4、有机容积负荷高，占地少：厌氧反应器容积负荷比好氧法高得多，好氧 生物处理的有机负荷一般为 0.54kgbod/(m3d)，而厌氧生物处理法的容积负 荷一般为 510kgbod/(m3d)，甚至高达 50kgbod/(m3d)。因此，单位反应 器容积的有机物去除量也高，反应器体积小，占地少。 5、厌氧方法对营养物的需求量少：在去除相同有机物的情况下，厌氧生物 处理合成的细胞量远低于好氧生物处理，因此可减少 n 和 p 的需要量。一般情 况下好氧法对氮和磷的需求量为 bod：n：p100：5：1，而厌氧法为（200 300） ：5：1。 6、直接处理高浓度有机废水，不需要大量稀释水，并可降解在好氧条件下 难于降解有机物质。 第 1 章 绪论 7 7、厌氧污泥可以在中止供给废水与营养的情况下保留其生物活性与良好的 沉淀性能至少一年以上。这为间断的或季节性的运行提供了有利的条件。 8、厌氧法常在密闭系统中进行，有机物分解后的臭味易于控制。 9、厌氧系统规模灵活，可大可少，设备简单，易于制作，无需昂贵的设备。 二、厌氧处理技术的缺点 1、厌氧法虽然负荷高、去除有机物的绝对量与进液浓度高，但其出水 cod 浓度高，仍需要后续处理才能达到较高的排水标准。 2、厌氧微生物对环境变化较为敏感，因此，对于有毒废水性质了解的不足 或操作不当可能导致反应器运行条件的恶化。但是随着人们对有毒物质的种类、 毒性物质的允许浓度和可驯化性的了解以及工艺上的改进， 这一问题正在得到克 服。近年来人们发现厌氧细菌经驯化后可以极大地提高其对毒性物质的耐受力。 3、厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要 812 周时间。 4、厌氧处理系统是在无氧条件系下进行的，且产生沼气易燃，操作控制因 素比较复杂，需对操作人员进行专门技术培训，并须采取相应的安全措施。 1.2 废水厌氧生物处理技术的发展 废水厌氧生物处理技术发展至今，已有 120 年的历史了。文献8中介绍 1860 年法国人 louis mouras 将简易沉淀池加以改进而得到的“自动净化器” ，可以说 是最早用于污水处理的厌氧工艺，它标志着厌氧生物处理废水的开端。 1890 年，wdscotto-moncrieff 在英格兰建立了一个具有上流式厌氧污泥 床反应器及厌氧滤池特征的组合消化池。这种池子的底部是空的，上部放一层石 子。石子的作用是拦截废液中固体，这种装置有利于去除大量的悬浮物。 1895 年，英国人 donald cameron 设计了世界上第一个厌氧化粪池（septic tank） 。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。因为 化粪池可以让部分悬浮物沉到池底进行厌氧分解， 废水中的有机物去除率得到较 大的提高。该反应器的主要结构比 louis hmouras 的自动净化器还要简单。 1956 年，gjschropfer 等人开发成功了厌氧接触工艺(anaerobic contact process)，标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生。该工艺是在连续搅拌反应 器的基础上，增设了污泥回流装置，提高了反应器内污泥浓度，使污泥停留时间 大于水力停留时间，在一定程度上提高了系统的有机负荷和处理效率。 河北工程大学硕士学位论文 8 图 1-2 厌氧接触工艺流程图 fig.1-2 schematic diagram of anaerobic contact process 自 20 世纪 70 年代以来，随着能源问题的日益突出，各国迫切需要开发高效 节能的废水处理新工艺， 人们的注意力重新转到既能节能又能产生再生能源的厌 氧工艺上。开发了一系列高效的厌氧处理工艺。 1967 年，美国 j. c. young 和 p. l. mccarty 开发了厌氧滤池工艺(anaerobic biological filtration process)，简称 af9。这种装置的特点是在装置内部填充有供微 生物附着的填料，厌氧菌在填料上附着生长，形成生物膜，污水与生物膜接触， 污水中的有机物质作为营养物质，为生物膜上的微生物所摄取，从而使污水得到 净化。af 具有高效反应性能的生物学基础是反应器内高浓度厌氧污泥的积累， 其浓度可达到 1020gvss/l10。af 采用生物固定化技术延长 srt，实现了 srt 和 hrt 分离，是厌氧反应器发展史上的一个里程碑。该工艺主要适用于处理含 悬浮物较少的可溶性有机废水，如化工废水、小麦淀粉废水、生活污水等，在处 理高悬浮物废水时易引起反应器的堵塞。目前，这种工艺常见于家用、小型厌氧 生活污水净化装置中。 (a)上流式厌氧滤池 (b)下流式厌氧滤池 图 1-3 af 反应器工作原理示意图 fig.1-3 schematic diagram of anaerobic biological filtration process 第 1 章 绪论 9 1974 年，荷兰 wageningen 农业大学的 g. lettinga 等人在生物滤池基础上成 功的研制了升流式厌氧污泥床， 简称 uasb 反应器。 uasb 反应器主体部分由反 应区和气、液、固三相分离区组成，如图 1-4 所示。 uasb 反应区下部是大量具有良好沉降性能与生物活性的厌氧颗粒污泥所 形成的污泥床，在污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层。当反应器运行时，待处 理的废水以一定流速从污泥床底部进入后与污泥接触， 污泥中包含的大量活性厌 氧菌起着生物代谢的主要作用，经过酸化与甲烷化两个过程，分解污水中的有机 物，并且产生沼气，以气泡的形式由污泥床区上升，并带动周围混合液，产生一 定的搅拌作用。经过气体的搅拌，污泥床区的松散污泥被带入污泥悬浮层区，与 悬浮污泥碰撞接触，一部分污泥比重大，沉入污泥床区。悬浮层混合液的污泥松 散，颗粒比重小，以较低的污泥浓度而存在。气、水、泥的混合液上升至三相分 离器内， 气体首先进入集气室被分离， 污泥和水进入沉降室， 由于气体已被分离， 沉降室的扰动很小，液体的运动趋于层流形态，在重力作用下泥、水分离，污泥 沿斜壁返回反应区，上清液从沉淀区上部排走。 它的出现开辟了全新的生物固定化途径， 从而大大提高了厌氧生物反应器的 有机负荷， 极大地推动了厌氧生物处理技术在环境工程中的应用以及相关厌氧技 术的发展。uasb 是目前应用最广泛的高效厌氧反应器，其应用的领域涵盖各类 工业废水及生活污水。其成功的关键在于：1、培养出具有良好沉淀性能且高活 性颗粒污泥或絮状污泥； 2、 由产气和进水的均匀分布所形成的良好搅拌作用； 3、 设计合理的三相分离器，能有效截留污泥。正式由于 uasb 内能保持高浓度的 厌氧污泥，反应器的容积负荷可高达 30kgcod/(m3d)，hrt 可缩短到十几个小 时至几个小时11。 图 1-4 uasb 反应器工作原理示意图 fig.1-4 schematic diagram of up-flow anaerobic sludge blanket 1.沼气管2.出水堰3.气室 4.气体反射板5.三相分离器 6.污泥悬浮层 7.颗粒污泥床 8.进水管 河北工程大学硕士学位论文 10 1978 年 w. j. jewell 等人和 1979 年 r. p. bowker 分别开发出了厌氧膨胀床 （anaerobic expanded bed）和厌氧流化床（anaerobic fluidized bed） ，这两种处 理工艺的特点是反应器内均充填着细颗粒载体，载体具有巨大的表面积，为微生 物的附着提供了良好的条件，反应器内污泥浓度高，污泥活性强，有机负荷高。 但是为了使载体膨胀或流化，需要出水回流，增加动力消耗。 1982 年，p. l. mccarty 开发研制了厌氧折流板反应器。该反应器的特点是： 内置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个隔室，每个隔室都是一个相对独立 的上流式污泥床。 水流由导流板上下折流前进， 逐个通过每个隔室内的污泥床层， 进水中的底物与微生物充分接触而得到降解去除。 20 世纪 80 年代里，在这些废水处理新工艺的基础上，不断派生出一批新的 高效厌氧处理工艺，如上流式污泥床过滤器（ubf） 、usr(upflow solid reator)、 egsb （expanded granular sludge bed reactor） 和 ic （internal circulation reactor） 反应器等。 这些新颖厌氧处理工艺的不断被开发出来，厌氧处理应用的范围越来越广 泛，包括高浓度的有机废水、难生物降解有机废水及生活污水等。并且具有负荷 高，处理效率高等优点，打破了过去认为厌氧处理工艺处理效能低，需要较高温 度、较高废水浓度和较长停留时间的传统观念。 1.3 生活污水厌氧处理工艺的研究进展 目前，城市生活污水处理主要采用自然生物处理系统和好氧处理工艺两大 类。其中自然生物处理系统包括稳定塘和土地处理系统。好氧处理工艺可分为活 性污泥法和生物膜法， 其中活性污泥法是城市污水处理中运用最为广泛的处理工 艺，ab 法，sbr 法，氧化沟法等可看作是活性污泥法的延伸工艺。生物膜法如 传统的生物滤池，生物转盘、生物接触氧化等工艺均己成功地运用于城市生活污 水的处理。 由于好氧生物处理工艺以电能来消耗大量的有机碳源（cod） ，同时产生大 量的剩余污泥需要处理，运行费用昂贵，造成许多城市污水处理厂建得起、用不 起的尴尬局面，这不是经济、可持续的处理模式。 厌氧处理工艺以其低能耗、污泥产量低、占地面积小、建设和运行费用省、 还能产生甲烷气体为能源回收提供可能,更为重要的是其后处理工艺可以较灵活 地设置并可根据经济状况分期建设等特点而成为一种可持续的污水处理技术。 在 1997 年第 8 届国际厌氧会议上有研究者将生活污水（典型的低浓度有机废水） 的厌氧处理列为厌氧技术发展的一个新领域。 厌氧生物处理专家 g. lettinga 教授 断言，厌氧生物处理技术如果有适合的后处理方法相配合，可以成为分散型生活 第 1 章 绪论 11 污水处理模式的核心手段， 这一模式较传统的集中处理方法更具有可持续性和生 命力，尤其适合发展中国家的情况。因此采用厌氧工艺处理生活污水具有非常广 阔的发展前景，尤其是在我国气候温和的南方地区等都具有十分重要的现实意 义。 1.3.1 生活污水的厌氧处理技术的发展 厌氧生物处理高浓度有机工业废水，具有能耗低、剩余污泥量少的特点，优 势明显。不少国家如荷兰、巴西、印度等的一些研究机构对厌氧处理技术的研究 已逐渐集中到处理城市污水，并已取得了可喜的成果。 荷兰农业大学的 lettinga 等人12于 1979 年就开始了用上流式厌氧污泥床 （uasb）反应器处理生活污水的研究。他们用 120l 的 uasb 反应器，接种颗 粒污泥，在温度为 820，hrt 为 12h 下运行，cod 去除率达 6585%，即使 在雨季也有 5070%。1981 年到 1983 年又进行了 6m3的反应器的运行试验（用 消化污泥接种启动），证明了在 15以上均可获得较好的处理效果。 grin 等人13研究了自接种法，既利用未沉淀的生活污水中原有的大量有机 悬浮物，在反应器中沉淀后作为接种污泥进行启动，研究结果表明，当温度在 25以上时，用此法启动是可行的。barbosa 等人14在温度为 1828，hrt 为 4h 的条件下用自接种法启动，cod 的去除率达到 74%。 velsen等人15在哥伦比亚cali市建造了容积为64m3的uasb反应器进行中 试研究，当 hrt 为 48h 时，进水温度全年均匀为 25 士 1，试验结果表明， bod5 去除率可达 65%86%，cod 去除率则为 55%66%。 巴西也积极开展了这方面的研究，并建立了 uasb 系统处理生活污水的示 范处理厂。此外，美国的 jewell 和西班牙的 i. sang 也开展了厌氧流化床处理生 活污水的试验研究，不过还未见到厌氧流化床处理生活污水的生产应用报道。 国内以水解酸化作为好氧的预处理研究较早， 通过水解酸化将不溶性有机物 转化为溶解性有机物，并有可能改变难降解物质的化学结构，从而有利于后续的 好氧处理。 王凯军等人1报道在常温下用此系统处理城市废水， 当总 hrt 为 8.5h （水解 2.5h、好氧 4h、沉淀 2h）时，处理出水的 cod 平均可低于 100mg/l， bod5和 ss 平均低于 20mg/l。目前该系统已被用于北京市密云县等地处理城市 废水。1985 年，北京环保所在密云、大兴两县就开始了生产规模的厌氧处理生 活污水的实验性研究，处理规模为 1500m3，取得了大量的实验研究数据和经验 16。我国以厌氧生物处理技术为主处理城市污水的研究比较晚。只有周琪、郭晓 磊、陈学民、贺延龄、郭琦等人对此做了一些研究。 河北工程大学硕士学位论文 12 1.3.2 uasb 处理生活污水的研究进展 lettinga 教授在展望未来厌氧反应器发展动向时指出，现有的各类高效厌氧 反应器中，升流式污泥床(usb)系统是最受欢迎的，也是最有发展前途的，升流 式厌氧污泥床(uasb)系统在全球范围的风行可以作为例证5。 在生产性装置方面，荷兰已有用小型 uasb 反应器代替化粪池处理小区居 民生活污水的装置。哥伦比亚在 cali 市建造了世界第一座以 uasb 反应器处理 城镇污水的中试系统后，不久于 1990 年在 bucaramanga 市建立了世界第一座大 规模的处理城镇污水的 uasb 系统，该工艺采用 uasb 反应器与兼性氧化塘串 联处理生活污水。运行结果证明，在平均 hrt 为 4.9h 时，uasb 反应器出水的 bod 去除率为 70%76%。 在印度的 kanpur 市己建立了一座总容积为 1200m3的 uasb 系统，日处理 生活污水 5000m3，在进水温度 2030，水力停留时间为 6h 时，cod 的去除率 可达 68%74%，bod 的去除率为 69%75%，ss 的去除率为 68%75%17。不 久，印度 mirzapur 市已建造了与 kanpur 市类似的处理城镇污水的厌氧系统。巴 西的巴拉那地区也建设了几十个小型的 uasb 系统，运行结果证明 uasb 系统 处理气候较炎热地区的城镇污水是成功的。最近有些国家已把 uasb 反应器成 功应用于处理城市污水18，例如埃及、突尼斯、葡萄牙和意大利等国。下表 1 列出了国外一些 uasb 反应器处理生活污水的实例。 在我国，自上个世纪 80 年代以来开始了 uasb 反应器处理城市生活污水的 试验研究。 周琪等人24研究了 6.5l 的 uasb 反应器在常温下处理低浓度有机废水的启 动、运行和基质降解动力学。uasb 处理生活污水实验中利用未沉淀的生活污水 进行自接种，研究表明：当污水温度大于 15时，cod 浓度在 432mg/l 左右， 运行 20 天后出现颗粒污泥，46 天基本上完成反应器的启动；温度在 20下，水 力停留时间 6h，cod 平均去除率可达 81.2%，cod 低于 100mg/l25。周琪等人 在 1529，水力停留时间 3h8.7h，采用消化污泥接种，处理 cod 在 350mg/l 左右的低浓度人工合成污水小试研究中，获得了 71.9%88.5%的去除率，并通过 对 uasb 降解低浓度基质的动力学，讨论了温度对减速增长速度常数的影响26， 在平均水温为 17.2，22.3和 26.4下减速增长速度常数 kz分别为 1.8910-3、 2.2410-3和 2.7710-3ld-1。 第 1 章 绪论 13 表 1 国外 uasb 反应器处理低浓度城市生活污水试验研究性实例19-21,22,23 table1-1 exmaples of treatment of domestic wastewater using up-flow anaerobic sludge blanket 名 称 温 度 （） hrt (h) 进水 cod/bod （mg/l） 进水 ss (mg/l) 出水 cod/bod (mg/l) ss 去 除率 (%) 气体产率 gasnikg-1 cod added 20 18 550 5575(未滤) 150-200lettinga et al (1981) 20 24 500-550 70（滤后） 160 20 8 500