（环境工程专业论文）水解接触氧化工艺处理玉米淀粉废水的研究.pdf

摘要 本文基于近年来玉米淀粉废水处理方法的调查分析，选取甘肃某公司的玉米 淀粉废水处理工艺( 水解+ 接触氧化) 为研究对象，对其中水处理单元工艺特征 进行分析并提出建议。通过对废水处理主要影响因素进行试验分析，总结出几个 主要处理单元的推荐运行条件，为今后玉米淀粉废水处理工程的调试和运行提供 参考数据。研究结果表明： 1 、由于水解池具有沉淀作用，且对有机物的去除率远远高于传统的初沉池， 可适当减少初沉池处理负荷；将接触氧化池改为s b r ，可减少填料的费用，同 时省去了接触氧化池之后的沉淀池。 2 、现场试验结果显示：采用水解好氧工艺能有效地处理高浓度玉米淀粉 废水，在进水c o d e r 浓度为8 0 0 0 - 1 2 0 0 0 m g l 的情况下，对c o d e r 的总去除率 大于9 8 ，出水水质c o d e r 可达4 2 m g l ，处理效果良好，运行稳定。水解池在 p h 值为6 5 7 0 ，温度为2 2 3 04 c 时，c o d e r 的去除率为6 0 左右，对n i l ，和 p 0 4 几乎没有去除作用；曝气池可去除废水中5 0 左右的c o d e r ，同时调节p h 值，增加溶解氧：接触氧化池在p h 值为7 0 - 9 0 ，温度为2 5 - 3 2 ，进水浓度为 1 7 0 0 2 6 0 0 m g l 条件下，c o d e r 去除率为8 0 9 4 。 关键词：玉米淀粉废水水解生物接触氧化工艺s b r 工艺c o d e r 去除率 a b s t r a c t t l l i st h e s i sc o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ep r o c e s so fc 0 1s t a r c h w a s t e w a t e ri nr e c e n ty e a r s a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sp r i n c i p l e s ，t h et h e s i sc o n d u c t e d ar e s e a r c ho nh y d r o l y t i c c o n t a c to x i d a t i o nc o m b i n e dp r o c e s s e si nac o m p a n yi n g a n s up r o v i n c e ，a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so fp r o c e s s e sa n dp u tf o r w a r dt h er e f e r e n c e m e f l s u r e t h ea u t h o ro f t h et h e s i sa n a l y z e ds o m ec r u c i a le l e m e n t so f t h ew a s t ew a t e r t r e a t m e n t 嬲w e l la ss u m m a r i z e ds o m ec o m m e n d e df u n c t i o n i n gc o n d i t i o n si nt h em a i n t r e a t m e n tu n i t s n l et h e s i sh a sp r o v i d e dr e f e r e n c e sd a t at oo p e r a t i o np r o c e s so ft h i s t e c h n o l o g yi nc o r ns t a r c hw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp r o j e c t t h er e s u l t so ft h er e s e a r c h a r ea sf o l l o w ： 弧ea u t h o ro ft h et h e s i ss u g g e s t st h a tt h ef i r s ts e d i m e n t a t i o nt a n ks h o u l db e r e d u c e d a st h eh y d r o l y t i cr e a c t o rh a v es e d i m e n t a t i o nf u n c t i o na n dh a v eh i g h e rl e v e l r e m o v a lo fo r g a n i cm a t t e rt h a nc o n v e n t i o n a ls e d i m e n t a t i o nt a n k b e s i d e s t h es b r r e a c t o rc a ni n s t e a do ft h ec o n t a c to x i d a t i o nr c a e t o r , r e d u c et h ei n v e s to fb i o l o g i c a l s t u ma n dm e a n w h i l et h es e c o n ds e d i m e n t a t i o nt a n kc a nb el e a v e do u t 他ee x p e r i m e n tc o n d u c t e ds h o w st h a tt h eh y d r o l y t i c - a e r o b i cp r o c e s s e sc a n t r e a tt h eh i 【曲c o n c e n t r a t i o ne o ms t a r c hw a s t ew a t e re f f e c t i v e l y t h ea v e r a g ei n l e t c o d e rc o n c e n t r a t i o no fs t a r c hw a s t e w a t e rw a sb e t w e e n8 0 0 0 - 1 2 0 0 0 m g l ，t h eo u t l e t c o d c rc o n c e n t r a t i o nw a sa b o u t4 2 m g l ，t h et e c h n o l o g yt o t a lr e m o v a lo f c o d e rw a s a b o v e9 8 t h et r e a t m e n te f f e c ti sr e m a r k a b l ea n dt h er u n n i n gw a $ s t a b l e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e m o v a lo fc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d e r ) i s a b o u t6 0 0 6o nt h eh y d r o l y t i cc o n d i t i o nt h a tt h ep hf r o m6 5 7 0a n dt h et e m p e r a t u r e f r o m2 2 3 0 1 2 ，a n dt h er e m o v a lo fn i t4 + 和p 0 4 3 。i sl i t t l e t h ea e r o b i cr e a c t o rc a n 喇u s tp h ，o f f e ro x y g e n , t h er e m o v a lo f c o d e r i sa b o u t5 0 低r e s u l t si n d i c a t et h a t t h er e m o v a lo fc o d e ri nc o n t a c to x i d a t i o nr e a c t o ri sa b o u t8 0 - 9 4 t h ec o n t a c t o x i d a t i o nr e a c t o rt h a tt h ep hf r o m7 0 - 9 0 ，t h et e m p e r a t u r ef r o m2 5 - 3 2 ca n di n l e t c o d e rc o n c e n t r a t i o nf r o m l 7 0 0 - 2 6 0 0 m g l k e y w o r d s ：c o r n s t a r c h w a s t e w a t e r h y d r o l y t i c - b i o l o g i c a l c o n t a c t o x i d a t i o n c o m b i n e d p r o c e s s s b rr e a c t o rr e m o v a lo f c o d e r 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑墨兰日期：麴丕至 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：瀣丝导师签名雄日 期：雌7 广 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 玉米淀粉废水处理的必要性 淀粉是一种非常重要的工业原料，它不仅应用在食品工业领域，而且在制酒、 制药、纺织、化工等行业也被广泛应用【l 棚。淀粉生产大约有8 0 是以玉米为原 料的，其余以薯类、小麦、大麦、燕麦及其他富含淀粉的植物块根等为原料，如 图1 1 所示 3 - 5 1 。据相关资料统计，2 0 0 5 年我国玉米淀粉消费玉米量约为1 1 1 0 万吨，占工业玉米消费量的5 3 6 1 。图1 - 2 反映了2 0 0 0 年以来我国玉米淀粉消 耗玉米数量的发展趋势。 2 0 0 3 年全球玉米淀粉产量为3 9 4 0 万吨，占淀粉总产量的8 0 ，2 4 ：2 0 0 5 年 全球玉米淀粉产量为5 4 0 0 万吨，变性淀粉和淀粉糖的大量投产及扩产是玉米淀 粉产量增加的主要原因。其中，我国玉米淀粉产量为9 0 0 万吨，居世界第二位。 有关部门曾预计2 0 0 6 年我国年产玉米淀粉量大约为1 0 5 0 万吨，增幅仍在1 6 以上【娴。 玉米淀粉作为玉米深加工的初级产品，在全球的发展及应用相当广泛【7 棚。 玉米深加工是以玉米为原料，采用物理、化学方法和发酵工程等工艺技术对玉米 进行深度的加工。目前玉米深加工产品主要有玉米淀粉、玉米蛋白粉、变性淀粉、 玉米淀粉糖、玉米油、食用酒精、燃料乙醇、谷氨酸、赖氨酸、聚乳酸、木糖醇、 化工醇、蛋白饲料、纤维饲料等数千个品种，我国能够生产的玉米深加工产品达 数百种。2 0 0 4 年以来，用玉米生产化工醇使玉米深n t 的产品层次加深，发展 前景更加广阔。如今，国内玉米深加工在不断创新，产品广泛应用于纺织、汽车、 食品、医药、材料等行业【6 】。因此，全球对玉米深加工的研究领域广度、深度不 断加深，为未来玉米淀粉市场的发展奠定了基石。 我国淀粉生产企业数量总体呈现下降趋势，但淀粉产量仍稳步上升。根据统 计数据，我国历年淀粉产量一直呈上升趋势，从1 9 7 9 年的2 8 万吨增至2 0 0 2 年 的6 2 9 万吨，平均递增率达1 5 ，如图1 3 【卯。随着市场经济的快速发展，大企 业淀粉产量占全国淀粉总产量的比例将越来越大，原料收率低、资源综合利用率 低、经济效益差、能耗高、水耗高、环境污染严重的中小企业正逐步被淘汰。 淀粉工业每年排放大量的废水，在淀粉、酒精、味精、柠檬酸等几个较大的 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 食品行业中的废水总排放量中占首位。淀粉废水中主要含有淀粉、蛋白质、有机 酸、矿物质及少量的油脂，易腐败发酵，排入江河消耗水中的氧气，促进藻类及 水生植物繁殖，量大时河流严重缺氧，发生厌氧腐败，散发臭味，鱼、虾、贝类 等水生动物可能窒息死亡，给水环境带来不良影响【9 d 0 】。 因此，开展对淀粉废水的治理研究，尤其是玉米淀粉废水处理的研究，对改 善水体质量、减少污染具有一定的实际意义。 图1 - l2 0 0 2 年不同品种淀粉占总产量的比例 图1 - 22 0 0 0 年以来我国玉米淀粉消耗玉米数量 2 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 蒌 甏 荤静 图1 - 3 近年来我国的淀粉产量 1 1 2 玉米淀粉废水的特征 以玉米为原料生产淀粉，淀粉含量在6 0 7 0 ，剩余的3 0 - 4 0 的原料成 为副产品。玉米淀粉废水主要来源于浸泡、胚芽分离、纤维洗涤和脱水等工序。 随着淀粉行业技术的发展，玉米淀粉生产工艺在节水方面也有了长足的进 步。9 0 年代末，吨淀粉用水量还在6 - 1 5 吨，而在最近几年内，由于水环境保护 政策的实施，淀粉生产厂家在清洁生产方面加大了力度，吨淀粉用水可降至3 吨甚至更低。中国淀粉工业协会“十五”规划建议中，对淀粉企业的多项经济指 标进行了规定，建议玉米淀粉企业的水耗平均为6 0 m 3 吨淀粉，平均污水排放量 小于等于5 0m 3 污水吨玉米【1 - 3 胴。 玉米淀粉废水中主要成分为淀粉、糖类、蛋白质、纤维素等有机物质，另外 含有大量含氮、碳的无机化合物，是一种不含有毒物质的高浓度有机废水。玉米 淀粉废水组分一般如下：总糖为0 3 - 0 7 ，粗蛋白为2 1 ，固形物为5 - 1 0 ， 粗纤维为2 - 3 ，脂肪酸为o 1 0 3 1 l - 1 3 ；其废水水质c o d 值通常为 1 0 0 0 - 3 0 0 0 0 m g l ，b o d 值为5 0 0 0 - 2 0 0 0 0 m g l ，s s 值为1 5 0 0 5 0 0 0 m g l t l l 】1 1 4 1 。 薯类淀粉废水中可溶性固形物的一般组分：蛋白质为3 3 - 4 1 ，总糖为3 5 ， 有机酸为4 ，矿物质为2 0 1 3 1 。 1 2 玉米淀粉废水处理方法综述 淀粉属多羟基天然高分子化合物，玉米淀粉废水水质成份较薯类复杂，污染 物浓度也高，因而废水的处理工艺不完全相同。目前，玉米淀粉废水处理工艺多 为预处理厌氧生物处理好氧生物处理工艺【l 习，同时，许多科研人员也正在 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 研究快速、高效、低能耗的淀粉废水处理方法【1 1 】。 目前，国内外常用的玉米淀粉废水处理方法有：化学絮凝法和生物处理法。 1 2 1 化学絮凝法 化学絮凝法是一种物理化学处理法，通过加入絮凝剂或配合投加助凝剂，降 低胶体溶液的稳定性，使之凝聚沉淀，然后分离净化的方法。玉米淀粉废水含有 蛋白质、淀粉、糖类及悬浮物，废水呈高分散系的亲水胶体溶液，这种胶体一般 比较稳定，因此，治理玉米淀粉废水首先要破坏胶体状态。化学絮凝法就是通过 药剂的物理化学作用，使废水的胶体破坏，使分散状态的有机物脱稳、凝聚，形 成聚集状态的粗颗粒物质从水中分离出来，通过混凝可以去除分子量大于1 0 0 0 0 的有机物，而分子量小于1 0 0 0 0 的有机物可以通过活性炭吸附去除，达到治理该 类废水的目的【1 每嘲。 1 2 2 生物处理法 玉米淀粉废水因不含有毒物质，可生化性好，国内外常用生物法处理 4 1 3 - 1 4 1 。 生物法是利用微生物新陈代谢功能，使废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物降 解并转化为无害物质，废水得以净化的方法旧。根据微生物的不同，生物处理 方法又分为厌氧生物处理和好氧生物处理两类。 此外，利用光合细菌净化高浓度有机废水也越来越受到人们的重视。光合细 菌在厌氧环境下，利用废水中的有机物作为光合作用的碳源和供氢体，合成细胞 物质，有机污染物质被降解，废水得到净化。 实际工程应用中，为了提高各单元的处理效率，同时进一步减少投资，通常 是采用组合工艺处理淀粉废水。 综上所述，玉米淀粉废水处理主要有化学絮凝法和生物法两种。化学絮凝法 具有工艺简单、效率高、费用低等特点；厌氧生物法能耗较低，容积负荷高，水 力停留时间短，污泥停留时间长，污泥量少，产生的甲烷气体可回收利用，运行 费用低；好氧生物法动力消耗较大，产生的污泥量较大，适合处理低浓度的有机 废水唧。因此，厌氧好氧的组合工艺目前应用较广。 1 3 本文的主要研究内容 本文对近年来玉米淀粉废水处理方法进行调查分析，对主要的废水处理方法 一生物处理原理进行介绍，对厌氧、好氧处理方法中主要反应器的特点进行了对 4 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 比分析；进而对甘肃某公司玉米淀粉废水处理工艺一水解+ 接触氧化工艺处理单 元的设计特点进行研究，并提出可供参考的改进措施；分析工艺运行中废水处理 的影响因素，总结了主要处理单元的推荐运行条件，为该工艺在今后玉米淀粉废 水处理中的应用提供一定的参考。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 第二章玉米淀粉废水的生物处理 2 1 概述 废水生物处理的作用原理【1 6 】【1 8 1 1 1 9 - 2 0 】是通过微生物酶的作用，将废水中的污 染物氧化分解。在厌氧条件下污染物最终形成c h 4 、c 0 2 、h 2 s 、n 2 、h 2 、h 2 0 以及有机酸和醇；在好氧条件下污染物最终被分解为c 0 2 和h 2 0 等。废水生物 处理过程可归纳为四个连续进行的阶段，即絮凝作用、吸附作用、氧化作用和沉 淀作用。 1 絮凝作用 在废水生物处理中，细菌常以絮凝体形式存在。废水进入生物反应池后，废 水中的产荚膜细菌可分泌出粘液性物质，并相互粘连形成菌胶团。菌胶团又粘连 在一起，絮凝成活性污泥或粘附在载体上形成生物膜。据资料介绍，纤毛类原生 动物亦可分泌出多糖及粘蛋白，可促进絮凝体的形成。所以，活性污泥或生物膜 是生物群体( 包括细菌、真菌、放线菌、原生动物等) 存在的形式，并在废水生 物处理中具有重大的生态学意义。 2 吸附作用 吸附作用是发生在微小粒子表面的一种物理化学的作用过程。微生物个体很 小，并且细菌也具有胶体粒子所具有的许多特性，如细菌表面一般带有负电荷， 而废水中有机物颗粒常带正电荷，所以它们之间有很大的吸引作用。 吸附作用是一种物理化学作用，所以它的总吸附量有一个极限，达到此极限 后，吸附作用就基本结束。吸附的速度在初期最大，随着时间的推移，吸附速度 越来越小。从废水处理的角度看，颗粒的和胶体的有机污染物一旦粘附于活性污 泥，即可通过固液分离的方法，将这些污染物从废水中清除。 3 氧化作用 氧化作用是发生在微生物体内的一种生物化学的代谢过程。被活性污泥和生 物膜吸附的大分子有机物质，在微生物外酶的作用下，水解为可溶性的有机小分 子物质，然后透过细胞膜进入微生物细胞内。这些被吸收到细胞内的物质，作为 微生物的营养物质，经过一系列生化反应途径，被氧化为无机物c 0 2 和n 2 0 等， 并释放出能量；与此同时，微生物利用氧化过程中产生的一些中间产物和呼吸作 用释放的能量，合成细胞物质。在此过程中微生物不断繁殖，有机物也就不断地 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 被氧化分解。 微生物对吸附的有机物氧化分解需要较长的时间，有的需要几小时甚至十几 个小时才能完成。在微生物吸附有机物的同时，尽管氧化分解作用以相当高的速 率进行着，但由于吸附时间较短，氧化分解掉的有机物仅占总吸附量的- d , 部分， 大部分被吸附的有机物需要更长的时间才能全部氧化分解。 4 沉淀作用 废水中有机物在活性污泥或生物膜的氧化分解作用下无机化后，处理后废水 往往排至自然水体中，这就要求排放前必须经过泥水分离。 活性污泥，特别是生物膜，具有良好的沉降性能，使泥水分离，澄清水排走， 污泥沉降至池底，这是废水生化处理必须经过的步骤，也是非常重要的步骤。若 活性污泥或脱落的生物膜不能与水分离，这两种生物处理技术就不可能实现。若 泥水不经分离或分离效果不好，由于活性污泥本身是有机体，进入自然水体后将 造成二次污染。 根据废水生物处理中微生物对氧的要求，可把废水生物处理分为厌氧处理和 好氧处理两大类型。 2 2 厌氧生物处理 2 0 世纪6 0 年代后期，由于环境污染的加剧及能源危机的出现，人们对厌氧 生物处理展开了比较深入的研究，并在2 0 世纪7 0 年代取得了突破性进展，开发 了各种新型工艺和设备，克服了传统工艺的缺点，在处理高浓度有机废水方面取 得了良好的效果和经济效益。 废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物( 包括兼氧微生 物) 的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过 程。与好氧过程的根本区别在于不以分子态的氧作为受氢体，而以化合态的氧、 碳、硫、氢等为受氢体。传统的厌氧生物处理也称厌氧消化，而厌氧消化严格指 密闭的厌氧处理系统，目前厌氧生物处理技术具有更为广泛的意义。 2 2 1 厌氧生物处理反应过程 废水的厌氧生物处理【1 6 1 【1 司【1 9 - 2 0 是一个复杂的微生物化学过程，它是依靠三 大主要类群的细菌：水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用来 完成的。可以粗略地将厌氧消化过程分为三个连续阶段：水解酸化阶段、产氢产 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 乙酸阶段和产甲烷阶段。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 有机物厌氧降解三个阶段 一、厌氧生物处理三个阶段 l 、厌氧消化的第一阶段为分解酸化阶段。复杂的大分子不溶性有机物先在 细胞外酶的作用下水解为小分子溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥 发性有机酸、醇类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。 2 、厌氧消化的第二阶段为产氢产乙酸阶段，在产氢产乙酸细菌的作用下， 第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和h 2 。在降解奇数碳有机酸时除 了产氢产乙酸外还产生c 0 2 。 3 、厌氧消化的第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、c o z 和h 2 等转化为甲烷。此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二 氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的1 ，3 ， 后者约占2 3 。 水解是将厌氧消化过程控制在第一，二两个阶段。 二、厌氧生物处理中菌群 参与厌氧消化的微生物群总体上又可分为非产甲烷菌和产甲烷菌。非产甲烷 菌包括发酵细菌、产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌，常称作产酸菌，它们能将有机 底物通过发酵作用产生挥发性有机酸( 简写为、a ) 和醇，往往使处理构筑物 中混合液的p h 值保持在较低的水平。产甲烷细菌( m e t h a n o g e n ) 是利用有机物 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 或无机物作为底物，在厌氧条件下转化形成甲烷的生物类群。 2 2 2 厌氧生物处理中影响因素 在厌氧反应池中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。若 被温度、p n 值等外加因素所破坏，产甲烷阶段首先受到抑制，导致低级脂肪酸 的积存和厌氧进程的滞缓。 1 、温度。产甲烷细菌对温度有一定的最适范围。在一定温度范围内，温度 越高，消化速度越快。 2 、p h 值。产甲烷作用最适p h 值是6 5 7 5 ，p n 值大于8 2 或小于6 ，都将 影响产气能力。厌氧消化池内的p h 值是自然平衡的，勿需调节。但当进水速率 过大或管理不当时，将出现挥发酸积累，p h 值过低，即“酸化”。这将严重影响 产甲烷细菌的代谢活动，甚至佼产甲烷作用终断。 3 、搅拌。搅拌可增加微生物与废水的接触机会，加快反应过程的进行。 2 3 好氧生物处理 2 3 1 活性污泥法 活性污泥法( a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 【1 争删是由a r d e n 和r o c k e t t 于1 9 1 4 年 在英国的曼彻斯特市首创，至今，关于其净化废水机理、新型工艺、活性污泥膨 胀等现象，科技人员一直进行着广泛深入的研究。 活性污泥是在污水中形成的一种由大量繁殖的微生物群体所构成的呈黄褐 色的絮凝体，有较强的吸附、氧化废水中有机物和毒物的能力，沉降性能良好， 使废水处理能连续进行。活性污泥法，在充分曝气供氧条件下，以废水中有机污 染物作为底物，对活性污泥进行连续或间歇培养，并将有机污染物无机化的过程。 废水好氧生物处理是在不断地供给微生物足够氧的条件下，利用好氧微生 物分解废水中的污染物质。氧一般是通过机械设备往曝气池中连续不断地充入压 缩空气，亦可采用氧气发生设备提供纯氧，并使氧溶解在废水中，这种过程称为 曝气。曝气的过程除供氧外，还起搅拌混合作用，使活性污泥在混合液中保持悬 浮状态，并与废水充分接触混合，完成有机污染物的吸附和氧化分解过程。 2 3 2 生物膜法 生物膜是高度亲水的物质，污水不断在其表面更新的条件下，在其外侧总是 存在着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜的表面和一定深 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 度的内部生长繁殖着大量的微生物，并形成有机污染物细菌原生动物( 后生动 物) 的食物链。 生物膜在其形成与成熟后，由于微生物不断增殖，生物膜的厚度不断增加， 增厚一定程度后，在氧不能透入的内侧深部即转变为厌氧状态，形成厌氧膜。这 样，生物膜便由好氧层和厌氧层组成，好氧层的厚度一般为2 m m 左右，有机物 的降解主要是在好氧层进行的。 图2 - 2 生物滤池滤料上的生物膜构造图 在生物膜内，外，生物膜与水层之间进行着多种物质的传递过程。空气中的 氧溶解于流动水层中，在那里通过附着永层传递给生物膜，供微生物呼吸；污水 中的有机污染物则由流动水层传递给附着水层，然后进入生物膜，并通过细菌的 代谢活动而被降解。这样就使污水在其流动过程中逐步得到净化。微生物的代谢 产物如h 2 0 等则通过附着水层进入流动水层，并随其带走，而c 0 2 及厌氧层分 解产物如h 2 s 、n h 3 以及c h 4 等气态代谢产物则从水层逸出进入空气中。 一、生物接触氧化 1 生物接触氧化法基本原理 生物接触氧化处理技术的实质之一是在池内充填填料，已经充氧的污水浸没 全部填料，并以一定的流速流经填料。在填料上布满生物膜，污水与生物膜充分 接触，在生物膜上微生物新陈代谢功能的作用下，污水中有机污染物得以去除， 污水得到净化，因此，又称为“淹没式生物滤池”。另一项技术实质是采用与曝气 1 0 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 池相同的曝气方法，向微生物提供其所需要的氧，并起到搅拌与混合的作用，相 当于在曝气池内充填供微生物栖息的填料，因此，又称为“接触曝气法”。 生物接触氧化法是一种明显介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处 理技术，兼具两者的优点，处理效率较高，因此，广泛应用于污水处理工程领域。 2 生物接触氧化法主要特征 a 、本工艺使用多种形式的填料，由于曝气，在池内形成液、固、气三相共 存体系，有利于氧的转移，溶解氧充沛，适于微生物存活增殖。在生物膜上生存 着丰富的微生物，除细菌和多种种属原生动物和后生动物外，还能够生长氧化能 力较强的球衣菌属的丝状菌，而无污泥膨胀之虑，并且在生物膜上能够形成稳定 的生态系统与食物链。 b 、填料表面全为生物膜所布满，形成了生物膜的主体结构，由于丝状菌的 大量滋生，有可能形成一个呈立体结构的密集的生物网，污水在其中通过起到类 似“过滤”的作用，能够有效地提高净化效果。 c 、由于进行曝气，生物膜表面不断接受曝气吹脱，这样有利于保持生物膜 的活性，抑制厌氧膜的增殖，也易于提高氧的利用率，能够保持较高浓度的活性 生物量。因此，生物接触氧化处理技术能够承受较高的有机负荷，处理效率也较 高，通常不须回流污泥，占地面积小。 3 生物接触氧化法的工艺流程 生物接触氧化处理技术的工艺流程，一般可分为：一段处理流程、二段处理 流程和多段处理流程，接触氧化池的流态为完全混合型。 4 生物接触氧化池的构造及形式 a 、生物接触氧化池的构造 接触氧化池由池体、填料、支架及曝气装置、进出水装置及排泥管道等组成。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 图2 - 3 生物接触氧化池基本构造图 ( i ) 池体。接触氧化池的池体在平面上多呈圆形、矩形或方形，用钢板焊接 制成或用钢筋混凝土浇灌砌成。各部位的尺寸为：池内填料高度为3 0 3 5 m ，底 部布气层高度为0 6 0 7 m ，顶部稳定水层为0 5 0 6 m ，总高度约为4 5 5 o m 。 ( 2 ) 填料。填料作为生物膜的载体，是接触氧化处理工艺的关键部位，直接 影响废水处理效果。同时，其费用在接触氧化系统的建设费用中占的比重较大， 选定适宜的填料具有一定的经济和技术意义。 生物接触氧化池中填料要求：在水力特性方面，比表面积大、空隙率高、阻 力小、流速均一；应当有一定的生物膜附着性。填料应当形状规则、尺寸均一、 表面粗糙度较大等。微生物多带负电，填料表面电位愈高，附着性也愈强。此外， 微生物为亲水的极性物质，因此，在亲水性填料表面易于附着生物膜；化学与生 物稳定性较强，经久耐用，不溶出有害物质而导致二次污染；在经济方面要考虑 货源、价格，应便于运输与安装等。 填料种类及其特点：填料可按形状、性状及材质等方面进行分类。按形状分 类有蜂窝状、束状、筒状、波纹状、板状、网状、盾状、圆环辐射状、不规则粒 状以及球状等；按性状分类有硬性、半软性、软性等；按材质分类贝有塑料、玻 璃钢、纤维等。其特点将在第三章中进行详细分析对比。 b 、生物接触氧化池的形式 目前，接触氧化池在形式上，按曝气装置的位置有分流式与直流式两种；按 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 水流循环方式，又分为填料内循环与外循环式。国外多采用分流式，国内一般多 采用直流式的接触氧化池。 直流式接触氧化池的特点是直接在填料底部曝气，在填料上产生上向流，生 物膜受到气流的冲击、搅动，加速脱落、更新，这样使生物膜能经常保持较高的 活性，而且能够避免堵塞现象的产生。此外，上升气流不断地与填料撞击，使气 泡反复切割，粒径减小，增a n t 气泡与污水的接触面积，提高了氧的转移率。 5 生物接触氧化法发展现状 生物接触氧化法于1 9 7 1 年起始于日本，由小岛贞男研究成功。小岛贞男从 河流自净现象中得到启发，他观察到河床砾石表面上长满了生物膜，这些生物膜 对河水有明显的净化作用，经多次实验研究，创建了生物接触氧化法。这是一种 比较先进的、处理效果比较好的废水生化处理技术。 近2 0 年来，生物接触氧化处理技术在一些国家，特别是日本，美国得到了 迅速的发展和应用，广泛地用于处理生活污水和食品加工等工业废水，而且还用 于处理地表水源水的微污染。日本曾通告将接触氧化处理技术定为首先推荐采用 的处理工艺，公布了其构造的准则，推动了这种技术的通用化、规范化和系列化。 我国在上个世纪7 0 年代开始引进生物接触氧化处理技术，使其广泛应用于 生活污水、化工、农药、印染、食品加工和发酵酿造等工业废水处理，取得了良 好的处理效果。 二、生物滤塔 生物滤斟1 6 1 1 8 】【1 蛆0 1 也称塔式生物滤池，简称滤塔，是一种新型的高负荷生 物滤池，于5 0 年代初由前民主德国环境工程专家应用气体洗涤塔原理所开创的， 属第三代生物滤池。 1 生物滤塔的构造特征 塔式生物滤池在构造上由塔身、滤料、布水系统以及通风和排水装置所组成。 如图2 - 4 所示。 a 、塔身。主要起围挡滤料的作用，一般砖砌筑，钢框架结构能够使池体重 量大为减轻。塔身一般沿塔高分层建造，在分层处设格栅，格栅承托在塔身上， 而其本身又承托着滤料。塔顶上缘应高出最上层滤料表面o 5 m 左右，以免风吹 影响污水的均匀分布。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 图2 _ 4 塔式生物滤池构造 生物滤塔的高度在一定程度上能够影响滤塔对污水的处理效果。试验与运行 资料表明，在负荷一定的条件下，滤塔的高度增高，处理效果亦增高。提高滤塔 的高度，能够提高进水有机污染物的浓度。 b 、滤料。宜采用轻质滤料，在我国应用较多的是环氧树脂固化的玻璃布蜂 窝滤料。这种滤料的比表面积较大，结构比较均匀，有利于空气流通与污水的均 匀分布，流量调节幅度大，不易堵塞。 c 、布水装置。与一般的生物滤池相同，对大、中型滤塔多采用旋转布水器， 也可以用水流的反作用力驱动。对小型滤塔则多采用固定式喷嘴布水系统，也可 以使用多孔管布水。 d 、通风。生物滤塔一般都采用自然通风，塔底有高度为0 4 0 6 m 的空间， 并且周围留有通风孔，其有效面积通常不小于滤池面积的7 5 - 1 0 。滤塔也可 以考虑采用机械通风，特别是当处理工业废水，吹脱有害气体时，可考虑采用人 工机械通风。当采用机械通风时，在滤池上部和下部装设吸气或鼓风的风机，需 保证空气在滤池表面上的均匀分布，冬季注意池底保温，保证去除效率。 2 生物滤塔的工艺特征 塔式生物滤池内部通风情况良好，污水从上向下滴落，水流紊动强烈，污水、 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 空气、滤料上的生物膜三者接触充分，充氧效果良好，污染物质传递速度快，有 机污染物质降解加快。具有下列主要工艺特征。 a 、高负荷率。较高的有机物负荷率使生物膜生长迅速，较高的水力负荷率 又使生物膜受到强烈的水力冲刷，从而使生物膜不断脱落、更新。这样，塔式生 物滤池内的生物膜能够经常保持较好的活性。但是，生物膜生长过速，易于产生 滤料的堵塞现象。所以，当进水b o d 5 浓度较高时宜采取出水回流稀释的措施。 b 、滤层内部分层。滤塔滤层内部存在着明显的分层现象，有助于微生物的 增殖、代谢，也有助于有机污染物的降解去除，因此，滤塔能承受较高的有机污 染物的冲击负荷，常用于高浓度工业废水的处理，较大幅度地去除有机污染物。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 第三章玉米淀粉废水处理工艺综合分析 3 1 玉米淀粉生产工艺 淀粉因原料不同而使得其生产加工工艺略有不同，我国玉米淀粉生产的典型 工艺流程和污染源如图3 1 所示。甘肃某公司玉米淀粉生产流程如下。 1 玉米净化 原料玉米经斗式提升机送入圆筒清理筛除去杂质，净化后的玉米进入智能动 态计量称计量，然后进入除铁器，除去金属杂质，进入除石槽，通过水力输送将 玉米送入浸泡罐。 2 玉米浸泡 玉米浸泡工艺为亚硫酸氢纳浸泡工艺，驻硫酸氢纳溶液经泵输送至玉米浸泡 罐浸泡玉米，浸泡液由循环泵来回循环输送经过各罐。整个浸泡工艺都采用逆流 循环式浸泡，即浸泡时间最长的玉米用最新鲜的浸泡液浸泡，而最新鲜的玉米用 最老的浸泡液浸泡，从而始终维持最好的传质效果。完成浸泡的浸泡液经稀玉米 浆泵送到真空蒸发浓缩装置制取玉米浆。 亚硫酸氢钠制备流程为含硫量为9 9 8 的硫磺投入燃硫炉燃烧，产生的s 0 2 气体经冷却至1 5 0 左右后进入喷淋吸收塔，来自磨筛工序的工艺水用水泵分别 打入两个吸收塔制得亚硫酸溶液，再加入氢氧化钠溶液，经调整后制得 0 1 2 0 1 4 的亚硫酸氢钠溶液，加入储罐用泵送往浸泡或磨筛工序。 3 湿玉米磨筛 浸泡后玉米经去石槽由湿玉米泵送至捕石器，除石后玉米经湿玉米分水筛送 入湿玉米暂贮罐，输送水进入回水桶重复利用，暂贮罐内玉米经两次破碎后稀浆 物料含淀粉1 0 - 1 5 ，二破罐物料经二破泵送往二级胚芽旋流分离器，达到胚 芽完全分离，淀粉悬浮乳液浓度为1 2 , - 1 5 n ，经分离后底流物料进入三破罐， 由三破泵送至高位压力曲筛筛分，筛上物进入针磨进行精磨，使淀粉与纤维最大 限度地分离，然后和筛下物一同进入纤维分离暂贮槽。 4 胚芽洗涤与脱水干燥 从一级胚芽旋流器溢流分离出的胚芽经三级胚芽洗涤筛逆流洗涤回收淀粉， 用工艺水进行洗涤，洗涤、分水后的湿胚芽进入螺旋胚芽挤干机脱水处理，然后 进入管束干燥机烘干制成成品。 1 6 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 5 纤维洗涤与脱水干燥 纤维洗涤采用逆流洗涤，湿纤维进入纤维挤于机脱水后，进入一级管束干燥 机烘干，再加入玉米浆混合后进入二级管束干燥机烘干，经粉碎机粉碎制成纤维 饲料。 6 淀粉分离与洗涤 纤维分离暂贮槽物料经除沙旋流器排污后进入麸质分离机，溢流进入稀麸质 罐，底流经消泡箱消泡后进入清浆罐，逆流洗涤后淀粉乳浓度达到3 8 ，由最 后一级进入精淀粉乳暂贮罐，经精淀粉乳泵送到高位罐，含臣形物5 0 , - 8 的溢 流液由第一级旋流器溢流口流出，经澄清器泵送至澄清旋流器处理。 7 麸质分离与蛋白粉干燥 稀麸质罐内麸质液，由稀麸质泵送至大气浮稽分离，溢流进入浓麸质罐，底 流经底流泵送往麸质浓缩机浓缩分离，浓缩后麸质液浓度达1 5 0 * - 2 5 ，溢流进 入工艺水贮罐，底流再经小气浮槽处理，流入浓麸质罐，罐内浓麸质水经压滤机 和真空转鼓过滤机脱水后，送往气流干燥机和管束干燥机干燥，制成玉米蛋白粉。 8 淀粉脱水与干燥 高位罐内精淀粉乳白流进入离心脱水机，脱水后的湿淀粉含水3 8 左右。然 后经加料器送往气流干燥器进行干燥，干燥后淀粉含水1 3 1 4 ，经筛分达到 成品要求后计量包装入库。 对该玉米淀粉生产工艺特点进行评析，有如下结论：第一，该公司玉米淀粉 生产工艺采用的是半闭环流程工艺，建议今后可改进为闭环逆流循环的清洁生产 工艺【5 】，即在淀粉洗涤时使用新水，其它过程使用过程的工艺水，最后将工艺水 用作浸泡水成为生产玉米浆的原料，整个生产过程中只排出蒸发冷凝水和各干燥 工序产生的废气。第二，玉米浸泡工艺采用了亚硫酸氢钠浸泡工艺，玉米浸泡周 期小于4 8 小时，与采用亚硫酸浸泡工艺相比，缩短了浸泡时间，减少了浸泡罐 用量，提高了浸泡质量，同时降低了对周围设备的腐蚀程度。第三，对淀粉和蛋 白质进行分离时，将分离机和旋流器配合使用，得到了优质的产品，并且用水较 少。在对麸质液进行浓缩制得玉米蛋白粉时，使用了气浮槽，使得工艺水含千物 质在o 3 以下。蛋白脱水采用国内技术先进、自动化程度高的真空转鼓过滤机， 迸一步提高了产品收率。第四，若今后采用闭环流程工艺，建议将淀粉乳脱水后 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 的滤液作为淀粉洗涤用水，可将滤液进行浓缩处理，使得滤液中含干物质在 o 1 5 p a 下，在减少新水用量的同时，也减少了工艺排放水量和干物质流失量。 3 2 玉米淀粉废水处理工艺 玉米淀粉废水处理工艺中，若单独采用物化法，如气浮、混凝沉淀、吸附i z l l 等，存在去除率不稳定，运行费用高等缺点；而单纯的好氧处理，虽对有机物有 一定的去除效果，而去除率不高，运行费用也较高。通常可采用厌氧与好氧组合 工艺或者絮凝沉淀与生物处理相结合的方法处理玉米淀粉废水。 3 2 1 化学法中絮凝剂的选择 常用的絮凝剂有无机、有机、复合和微生物絮凝剂四类 4 1 1 9 1 。无机高分子絮 凝剂主要是聚铁盐与聚铝盐，相比而言，聚铝盐具有投药量少，沉降速度快，颗 粒密实，除浊色效果好等优点，而聚铁盐兼有价格低，p h 值适用范围宽等特点； 有机高分子絮凝剂主要是季胺盐类、聚胺盐类以及聚丙烯酰胺类等。最近几年， 淀粉类、纤维类、植物胺类、聚多糖类等天然改性高分子絮凝剂，因其无毒、易 生物降解、原料来源广泛、价格低廉而被广泛应用；复合絮凝剂絮凝效果优于单 一絮凝剂，在絮凝同时还有缓蚀、杀菌等作用；微生物絮凝剂不存在二次污染， 对人畜无害，絮凝效果好，沉淀物还可以作蛋白饲料等，研究和应用较广。 近年来，玉米淀粉废水处理常用的絮凝剂主要有微生物絮凝剂、多糖类絮凝 剂和聚铁盐絮凝剂等。 3 2 2 厌氧生物处理设备 玉米淀粉废水处理常用的厌氧生物处理设备主要有厌氧滤池( a f ) ，升流式 厌氧污泥床( u a s b ) ，厌氧流化床( a f b ) ，两相厌氧消化反应器( t p a d ) 等， 下面对其进行具体的介绍和探讨。 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 图3 1 玉米淀粉典型生产工艺流程 1 9 兰州大学2 0 0 7 届硕士研究生毕业论文 1 、厌氧滤池 厌氧生物滤池【1 6 1 8 】【1 蛆0 1 是世界上最早使用的废水生物处理构筑物之一。 1 8 9 1 年在英格兰建成了世界上第一座厌氧生物滤池。经过半个多世纪的研究， 目前，厌氧生物滤池已逐步得以改进，效率有所提高，在世界范围内已广泛使用。 图3 - 2 厌氧生物滤池结构图 如图3 - 2 所示，微生物附着在载体上，形成生物膜。当废水自下而上( 升流 式) 或自上而下( 降流式) 通过载体所构成的生物膜时，微生物将废水中的有机 物吸附、分解，并产生沼气。厌氧滤池内的污泥分布很不均匀，大部分污泥集中 在废水入口处。 2 、升流式厌氧污泥床 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 1 碰1 8 m 9 倒是由荷兰w 蛐g e n 农业大学l “n g a 教授等人在1 9 7 2 年研制，于1 9 7 7 年开发的，用以处理有机废水。近年来，在淀 粉废水处理中发展最快，应用最多，具有能耗低、剩余污泥量少等优点，到2 0 世纪9 0 年代已普及到世界各地。研究表明，u a s b 1 - 艺及其改进工艺对玉米淀 粉废水处理效果良好，c o d 去除率在9 0 以上。 u