（环境工程专业论文）一体式厌氧好氧反应器处理茶多酚废水工程化实验研究.pdf

堕型查兰堡主兰竺笙兰 、。 一体式厌氧好氧反应器处理茶多酚废水 工程化实验研究 环境工程专业 研究生彭明江指导教师杨平 为解决我国水污染治理中资金不充裕，土地、能源以及其它资源紧缺等问题， 以及高浓度难降解有机废水的治理难题，推动新型一体式厌氧一好氧反应器 ( t a o r ) 走向实用化，开展了该反应器处理茶多酚废水工程化实验研究。 针对茶多酚废水有机物浓度高、色度大、含生物毒性物质的特点，工程化实 验采用絮凝沉淀u a s b 一一体式反应器组合工艺处理茶多酚废水，并对工程化实 验中废水的多项指标和各种影响因素进行分析研究。实验结果如下：温度为 1 6 2 4 时，一体式反应器经3 7 天启动成功，一体式反应器对c 0 d 茶多酚 的去除率分别达到8 5 和8 3 ，表现出启动时间短，载体挂膜迅速、良好的特 点；在2 4 3 2 。c 下，经过8 5 d 的运行，有机容积负荷从1 2 k g c o d c j ( m 3 d ) 逐步 提高到1 0 k g c o d c j ( m 3 d ) 左右，在迸水c o d c ，和茶多酚浓度达到8 0 0 0 m 观和 接近1 0 0 0 m e d l 时，一体式反应器对c o d c r 和茶多酚( t p ) 的去除率分别稳定在 9 0 和8 5 左右。冲击负荷实验中，当承受高达1 6 k g c o d c i ( m 3 d ) 有机负荷时， 体式反应器对c o d o 去除率保持在9 0 左右，当同时承受高有机负荷和高达 2 8 4 0 m g l 的茶多酚时，c o d c r 去除率短暂下降后，快速恢复到9 0 的良好水平， 该反应器对冲击负荷具有很强的承受能力和恢复能力。预处理与后处理选择聚 合氯化铝( p a c ) 作为絮凝药剂，选用n b o h 来调节p h ，聚丙烯酰胺( p a m ) 作为 助凝剂，预处理中2 0 0m l 水样的p a c 最佳用药量为1 2 m l ，后处理中2 0 0m l 水 样的p a c 最佳用药量为0 3 2m l ，预处理实验中，对c o d e 和茶多酚的去除率 一体式厌氧一好氧反应器处理茶多酚废水工程化实验研究 分别可达到5 5 和7 5 ，后处理实验中对c o d c ，的去除率可达到7 0 以上。s e m 观察发现，生物颗粒球形度和孔隙率较高，载体覆盖的生物膜完整、致密，a 区生物颗粒表面主要为产甲烷八叠球菌( m e t h a n o s a r c i n a ) ，类似索氏产甲烷丝菌 ( m e t h a n i t h r i xs p ) ，0 区生物颗粒主要为杆菌( b a c i l l u s ) 和弧菌( 6 r 如) 。 最后，根据c s t r 反应器底物平衡关系和m o n o d 方程推导一体式反应器动 力学模型，表达为载体与生物膜特性参数的函数，对反应器内生物量精确估算 的基础上，建立一体式反应器处理茶多酚废水动力学模型： ，。、f q ( s ，一s e ) = ! 詈半w 。艿， 根据参数估算与选择得出：a 区 q(s,-s)一0486xst x 1 9 9 4 9 ：o 区 v 0 6 2 9 + s 。 望堡二型：! ! ：型! 兰兰兰! ：! ! ! v 3 1 9 8 9 + s 。 。并得 出本动力学模型适宜使用的条件：茶多酚浓度为1 0 0 0 m g l 以内。当茶多酚浓度 超过1 2 0 0 m g l ，该动力学模型不再适用。 可以得出i a o r 反应器处理效率高，启动快，抗冲击负荷能力强，出水水质 良好，操作管理方便，占地面积小，投资少，适合于处理高浓度、难降解有机 废水，具有良好的工业应用前景。 关键词：一体式厌氧一好氧反应器；颗粒生物膜反应器；生物流化床；生物 颗粒；茶多酚废水；反应动力学；废水处理。 四川大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ef u l ls c a l ei n t e g r a t e da n a e r o b i c a e r o b i c r e a c t o ru s e df o rt h et r e a t m e n to ft e a p o l y p h e n o l s p r o d u c t i o nw a s t e w a t e r n a j o r ：e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：p e n gm i n gj i a n g a d v is e r ：y a n gp m g t os o l v et h ep r o b l e m so fw a l j e rp o l l u t i o nc o n t r o li no u r c o u n t r y ：l a c ko ff u n d ， l a n d ，e n e r g ya sw e l l 鹊o t h e rr c s o t l r e e s ，a n dt h ed i f f i e u l tp r o b l e mi nt h et r e a t m e n to f h i 曲c o n c e n t r a t i o na n dd i f f i c u l tt od e g r e x l a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e r ，a n dt ob e t t e r a p p l yt h ef l e wi n t e g r a t i o nr e a c t o r o a r o ) i np r a c t i c a l ，t h i sp a p e rs t u i d e dt h et r e a t m e n t o ft e ap l o y p h e n o i sp r o d u c t i o nw a s t e w a t e rb yt h ef u l ls c a l e i n t e g r a t i o nr e a c t o rw h i c h w a sd e s i g n e db yo u rl a b o r a t o r y i nv i e wo ft h eh i 【g hc o d e r ，h i g hc h r o m a ，b i o - t o x i e i t yo ft e ap o l y p h e n o l s p r o d u c t i o n w a s t ew a t e r ，w ea d o p t e dt h e c o m p o s i t ep r o c 鼯so ff l o c c u l a t i n g p r e t r e a t m e n t u a s br e a c t o r - i n t e g r a t i o n r e a c t o rt o t r e a tt h et e a p o l y p h e n o l s p r o d u c t i o nw a s t c w a t c r t h ei n d e x e so fw a s t e w a t e ra n dk i n d so fi m p a c tf a c t o r sw e r e a n a i y 2 e da n ds t u d i e d t h ep r i m a r yc o n c l u s i o n sw e 薪a t1 6 - 2 4 t h es t a r t - u pi s c o m p l e t e dw i t h i n3 7d a y s t h ec o d e ra n dt e ap o l y p h e n o l sf r p ) r e m o v a lr a t eb y i a r oa c h i e v e d8 5 a n d8 3 o p e r a t i n ga t2 4 - 3 2 c ，a f t e r8 5 d a y s ，t h ev o l u m e t r i c o r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r ) r a i s e df r o m1 2 k gc o d c r ( m 3 d 1t o1 0 k gc o d o ( m 3 d ) ， w h e nt 圮c o d c , a n dt e ap o l y p h e n o l sc o n c e n t r a t i o na r r i v e d8 0 0 0m g la n d 1 0 0 0 m g t l ，i tw a sf o u n dt h a tt h e s ei n d e x e s r e m o v a lr a t eo fi a r o 蛳9 0 a n d 一体式厌氧好氧反应嚣处理茶事酚废水t 程化实验研究 9 5 i nt h es h o c kl o a d i n ge x p e r i m e n t ，w h e nt h ev o l u m e t r i co r g a n i cl o a d i n g r a t e ( o l r ) w a s1 6k gc o d c r ( m 3 m 。t h ec o d e , r e m o v a lr a t ew a sr u n n i n ga t9 0 w h e nr e s i s t i n gt h eh i g hv o l u m e t r i co r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r ) a n d2 8 4 0 m g lt e a p o l y p h e n o l sc o n c e n t r a t i o na tt h es a m et i m e ，t h ec o d o r e m o v a lr a t ec a n l eb a c kt o 9 0 a f t e rd e c l i n i n gi nas h o r tt i m e t h ei a r oh a ds t r o n ga n t i s h o c kl o a d i n ga n d c o m e b a c kc a p a b i l i t y p r e t r e a t m e n ta n dp o s tt r e a t m e n te x p e t i m e n t sc h o s ep a ca s f l o c e u l a n t ，n a o ht o a d j u s tp h ，a n dp a ma sc o a g u l a n ta i d i np r e t r e a t m e n t e x p e r i m e n t ，t h eb e s tp a cd o s ei n2 0 0m lw a s t e w a t e rs a m p l ew a s1 2 m l ，a n di nt h e p o s tl r e a t m e n te x p e r i m e n t ，t h eb e s tp a cd o s ei n2 0 0m iw a s t e w a t e rs a m p l ew a s0 3 2 “i nt h ep r e t r e a t m e n te x p e r i m e n t t h ec o d e r a n dt p r e m o v i n gr a t ea c h i e v e d5 5 a n d7 5 s e p a r a t e l y ，a n di nt h ep o s tt r e a t m e n te x p e r i m e n t ，t h ec o d c t r e m o v a lr i i l c a c h i e v e d7 0 f r o mt h es e m p i c t u r e so fb i o - p a r t i c l e s ，w ef o u n dt h a tt h ep a r t i e l e a w e r ev e r yc l o s et os p h e r e ，a n df a c t o ro fp o r o s i t yw a sh i g h t h eb i o f d mc o v e r i n gt h e c a r r i e rw a sc o m p l e t ea n dc o m p a c t t h em a j o rm i c r o b e so fb i o - p a r t i c l e si na s e c t i o n w e r em e t h a n i t h r i x s p a n dm e t h a n o s a r c i n a t h em a j o rm i c r o b e so fb i o - p a r t i c l e si no s e c t i o nw e r eh b r oa n db a c i l l u s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ec s t r r e a c t o rs u b s t r a t eb a l a n c er e l a t i o n sa n dt h e m o n o d e q u a t i o n ，b a s e do nt h ep r e c i s ee s t i m a t i n gt h eb i o m a s si nt h er e a c t o r ，w e e s t a b l i s h e di a r o t r e a t i n gt e ap o l y p h e a o l sp r o d u c t i o nw a s t e w a t e rd y n a m i c sm o d e l ， e x p r e s s i n gf b ft l l ec a l t i e ra n dt h eb i o f d mc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf u n c t i o n ： 嬲吲2 警 。十j a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i n ga n ds e l e c t i o no f p a r a m e t e r s ，w eg o t ： 里堡二型：0 4 8 6 x $ e x 1 9 9 4 9 v 0 6 2 9 + s , os e c t i o n ，堡堡二型= 1 0 7 4 1 x s , x 9 9 7 5 1 ， 3 1 。9 8 9 + 5 。 w eo b t a i n e dt h eu s ec o n d i d o no ft h i sd y n a m i c sm o d e l ：t h et e ap o l y p h e n o l s c o n c e n t r a t i o nw a sw i t h i n 1 0 c o m e l w h e ut h et e a p o l y p h e n o l sc o n c e n u a t i o n s u r p a s s e d1 2 0 0 m g l ，t h i sd y n a m i c sm o d e lw a sn ol o n g e rs u i t a b l e 四川走擘硕士学位论文 t h e s er e s u l t sp r o v e dt h a tt h ei a o rs y s t e mh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g i i c o d c t ，t e ap o l y p h e n o l sa n dc h r o m ar e m o v a lr a t e ，as h o r ts t a r t - u pt i m e ，s t r o n g a n t i s h o c kl o a d i n gc a p a b i l i t y ，f i n eo u t l e t w a t e rq u a l i t y ，e a s i l yt om a n a g e ，o c c u p y i n g s m a l l e ra r e aa n dh - t v e s t m e n t i ta d a p 把at ot r e a tt h eo r g a n i cw a s t e w a t e ft h a th a dt t i 班 c o d e rc o n c e n t r a l i o na n dw a sd i f f i c u l t t d d e g r a d a t i o n t h ci a o rs y s t e mh a d t r e m e n d o u si n d u s t r i a lf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：i n t e g r a t e da n a e r o b i c a e r o b i cr e a c t o r ；, p a n i c a lb i o f i l mr e ：a c l o f b i o l o g i c a l f l u i d i z e d b e d ；b i o - p a r t i c l e s ；t e ap o l y p h e n o l sp r o d u c t i o nw a s t e w a t e r ；, r e a c t i o nk i n e t i c s ；w a s t e w a t e rt r e a t t n e n l 四川大学颂士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 1 1 1 概述 我国目前正处在高速工业化阶段，水污染状况日趋严重，七大水系( 长江、 黄河、珠江、淮河、海滦河、松花江，辽河) 7 4 1 个重点监铡断面中：2 9 i 的 断面满足i 类水质要求；3 0 0 的断面属、v 类水质；4 0 9 的断面属于 劣v 类水质，此外各类重特大水污染事故屡屡发生，给流域内居民的生活、工 作产生很大的影响，引发的疾病大大的增加了医疗支出，对渔业和农业等造成 巨大的经济损失。我国正在重复许多发达的工业化国家已走过的先污染后治理 的老路，同时还存在资金不充裕土地、能源以及其它资源紧缺等制约性的问 题，水污染治理的客观条件远不如这些发达国家。这种困难和矛盾的状况需要 通过技术创新和技术进步来加以克服和解决 生物反应器技术是水污染治理的核心技术之一，我国生物反应器的性能与 环保领域的先进国家如荷兰、法国等相比还有巨大的差距。而在水污染治理方 面，提高处理效率，降低投资和运行费用，开发高效低耗的新型污水处理工艺 是其主要研究方向，对高负荷、难降解、有毒有害的工业废水的治理是其中的 难点和重点，这就要求生物反应器高效、低耗并具有抵抗高负荷和毒害的能力。 生物处理过程根据微生物是否固定可分为活性污泥法和生物膜法，根据是否需 氧可分为好氧处理与厌氧处理。与活性污泥法相比，生物膜法具备高处理效率 的一个前提条件：能维持高的微生物浓度，同时固定微生物具有良好的生物活 性。但是传统的静置生物膜存在传质限制的瓶颈问题，而流动载体生物膜，特 别是悬浮颗粒生物膜能够非常好的解决传质问题，是提高处理效率的理想选择。 另一方面，能耗也是生物反应器的重要指标。厌氧生物处理的能耗比好氧生物 处理低很多，其运行成本约为好氧生物处理的l 3 ，此外厌氧生物处理中还会产 生沼气，提供部分能源，当今厌氧生物处理技术发展迅猛，引入厌氧生物技术 是生物反应器降耗的必由之路此外，厌氧生物处理对难降解污染物具有良好 的降解作用，而生物膜法对毒害和高负荷具有较高的耐受能力，这些都是生物 反应器研制和应用中必须考虑的藿要因素。将这些关键要素引入生物反应器中， 交献综述 全面提高反应器的性能，实现反应器的集成化、模块化和实用化，对我国在水 污染治理领域掌握关键技术，具有自主知识产权，提高核心竞争力有重要意义。 本课题。高效厌氧与好氧一体式反应器的研制与应用”得到了国家高新技 术研究发展计划。8 6 3 计划”( 2 0 0 2 从6 0 1 2 1 0 ) 的资助。高效厌氧与好氧一体式 反应器在技术上取得了很大的突破，反应器使用的商分子生物载体处于领先水 平，其性能远远超过了其它生物载体，结构优化的高效生物流化床技术具有很 高的处理性能，该反应器体现了废水处理技术的新特点和发展趋势，其代表的 技术将逐步成为工业废水处理领域的主流。 1 1 2 工程化实验的目的和意义 高效厌氧与好氧一体式反应器的研制与应用是十五重大科技专项课题，在 小试中已取得了良好的效果。通过工程化实验可以进一步考察这种新型反应器 的实际效果，并根据存在的问题和不足做出进一步的改进，以达到良好的使用 效果，尽快将其应用到废水治理中因此，工程实验是该课题的关键性的环节， 起着承前启后的作用，具有重要的意义。 茶多酚废水多环大分子酚类化合物含量高，浓度高，色度大，具有抑制性、 难以降解，是一类重要的含酚废水，国内外还没有成熟的处理工艺茶多酚厂 在国内为数众多，茶多酚废水的治理已经成为当前面临的一个治污难题。处理 茶多酚废水的工程化实验不仅具有重要的科研意义，还具有重大的实用价值。 工程化实验前，根据茶多酚废水水质，水量特点和现场特点，在小试的研究 成果和经验的基础上，选择合理的工艺方案。优化反应器系统的设计，制定了 反应器和整个污水处理系统的启动和运行方案。工程化实验中，成功启动和运 行反应器，并开展了相关的辅助实验以获得了详实的数据资料对反应器特性 和处理效果进行研究、分析与探讨。通过工程化实验为高效厌氧与好氧反应器 的实用化和茶多酚废水的规模化治理打下了坚实的基础。 1 2 生物膜反应器的发展沿革 生物膜法与活性污泥法并列为污水生物处理的两种主要技术生物膜法具有 许多优点，例如：单位体积反应器中能够维持的生物璧较大，不存在污泥膨胀 口j 题，不存在运行中的污泥沉降性能限制，剩余污泥量少，对废水水质水量有 较好的适应。 2 四川大学硕士学位论文 生物膜法是一种既古老又处在迅速发展中的技术。在1 9 世纪末期的1 8 8 3 年，英国将污水在粗滤料上喷洒进行净化取得了良好的净化效果，作为生物膜 反应器的生物滤池开始问世。在2 0 世纪2 0 一3 0 年代，开始建造了许多生物膜 反应器，主要形式就是生物滤池，但早期的生物滤池具有水量负荷和b o d 。负荷 均较低、环境卫生条件差、处理构筑物占地面积大而且可能被脱落的生物膜堵 塞等缺点，到4 0 一5 0 年代逐步被活性污泥法所取代这期间，生物滤池的填料 主要是碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状的无机性天然滤料，比表面积小、 空隙率低从2 0 世纪6 0 年代开始，随着塑料工业的发展，广泛采用由聚乙烯、 聚苯乙烯和聚酰胺等制成的波纹板状、列管状和蜂窝状等有机合成塑料填料， 其比表面积和空隙率大大增加，并发展出一批生物膜反应器，如塑料填料超速 滴滤池，塑料盘片生物转盘和蜂窝状填料接触氧化池等。2 0 世纪7 0 年代末至今， 生物膜反应器又有了巨大的发展，载体的性状、存在状态，反应器的结构形式， 系统的运行方式等方面都与传统生物膜反应器有了很大的不同，出现了许多新 型生物膜反应器。 首先，随着载体材质、性状的改进，产生了微孔膜生物反应器，曝气生物滤 池( b a f ) 等新型生物膜反应器。微孔膜生物反应器采用逆向扩散的方式。即含 有挥发性有机物的污水与曝气营养物基质分开，有机物从微孔膜内侧向生物膜 方向扩散，而氧气从微孔膜外侧向生物膜扩散，两者在生物膜内相聚并在微生 物的作用下使有机物氧化分解。微孔膜一般是透过性超滤膜，主要有中空纤维 膜、活性炭膜和硅橡胶膜等。此法主要用来处理有机工业废水中毒性或挥发性 有机物，如酚、二氯乙烷和芳香族卤代物等可以看出，新材料的应用使载体 的功能发生了质的转变，极大的提升了去除效果。另一方面，载体形态、大小 上的改进也会提升生物膜反应器的整体性能，如曝气生物滤池( b a f ) 是2 0 世 纪8 0 年代末开发的新型粒状填料之后兴起的污水处理新工艺，其最大特点是集 生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续的二沉池，有去除s s 、c o 睢、b o d 5 、 硝化及脱氮除磷的作用它是以小粒径颗粒填料作为过滤主体的池形反应器， 可以同步发挥生物氧化和物理截留及吸附作用，具有处理效率高，出水水质好 和负荷高等优点。 生物膜反应器逐步从固定床发展到流动床。流动床中，生物膜附着生长的载 体不固定，在反应器内处于连续流动状态，固相与液相发生混合和相对运动， 文献综述 因此流化床在传质上拥有巨大的优势，具有高得多的传质效率，因而也有更高 的处理效率，典型流动床生物膜反应器有生物流化床、移动床生物膜反应器 ( m b b r ) 。生物流化床是引入化学工程的流化床系统而开发的一种性能优越的 生物膜反应器，7 0 年代初期由美国率先研发应用。移动床生物膜反应器( 她b r ) 旺1 足1 9 8 8 年挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公司与s i n t e f 研究机构联合开发的 新工艺( 简称l ( a l d n e s _ 船b r ) 它模拟了大自然生态系统中水体的自净功能，具 有耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少、高效性和运转灵活性等优点。 反应器结构、功能由单一到复合，发展出序批式生物膜反应器( s b b r ) ，升 流式厌氧污泥床一厌氧生物滤池( u a s b - a f ) 等多种新型生物膜反应器复合式 生物膜反应器中，生物膜不再是一种单独的污水处理工艺，而是复合到其它工 艺中，以发挥各自工艺的优势，克服各自的不足，使生物反应器在去除污染物 方面更有效能。以序批式生物膜反应器( s b b r ) 为例，s b b r 【3 】是将序批式的运 作模式与生物膜法相结合的一种新型复合生物膜反应器，它既保持了生物膜法 的优点，又能使系统操作简单方便。s b b r 可用于脱氮除磷或抗击冲击负荷等， 当废水水质较差时，如可生化性较差或基质浓度低时，该法特别有效。u a s b a 一4 j 底部是漫育三榴分离器的升流式厌氧污泥床，其内颗粒污泥生物量浓度平均商 达2 0 一3 0 9 1 ，而上部是厌氧生物滤池，用以进一步去除有机污染物，并可以防 止处理水中携带有大量悬浮物。该工艺充分发挥了污泥床内颗粒污泥大与去除 有机物效率高，滤池能有效截留生物污泥与悬浮固体的双重功效。其运行的关 键足培养生成颗粒污泥和高活性的生物膜。 生物膜反应器历经了一个世纪的发展，由于其固有的特点和优势，在污水治 理中得到了越来越广泛的应用，逐步形成一套比较完整的污水生物处理工艺系 列。生物膜反应器也得到了科研机构、企业极大的关注，成为当前研究开发的 热点，不断有新的亮点出现，可以预见，在不久的将来，会产生更多性能更优 越的新型生物膜反应器。 1 3 悬浮态颗粒生物膜反应器 1 3 1 颗粒生物膜的概念和特点 颗粒生物膜般通过两种方式形成，其一是以球形凝聚体形态生长的生物膜 能自然形成大的、密实的颗粒，即颗粒污泥吲嘲；第二种方式是附着在悬浮的载 4 四川大学颂士学位论文 体上，形成颗粒支撑的生物膜污泥颗粒与颗粒支撑的生物膜物理和结构特性 以及水动力学、物质传递、反应特性等方面非常相似因此可以把颗粒支撑的 生物膜和污泥颗粒看作单一的类别，即颗粒生物膜。 传统生物膜反应器在应用中存在不易溶解的底物( 如氧气) 传递到生物膜表 面的传质限制问题，静置生物膜系统( 例如滴滤池) 的生物膜比表面积小( 代 表性的值小于3 0 0 a z 生物膜m 咕反应器) ，反应器传质能力低( 就滴滤池来说，氧 传递率通常小于3 k g m 3 d 1 ) 。传统静置生物膜反应器适合处理大水量、低浓度的 废水，而对于浓度更高的废水，增加生物膜的比表面积可以减小反应器的体积 和所需流程的面积。生物膜以小颗粒的方式生长或附着生长在小颗粒载体上可 以显著的增加生物膜的表面积，同时加之颗粒的流动性悬浮态的颗粒生物膜 具有高得多的传质效率。 悬浮态颗粒生物膜特征归纳如下： 1 ) 微生物种群丰富，各种细菌互营互生，菌丝交错，相互结合，形成复杂的菌 群结构和长而稳定的食物链，增加了整个微生物群落的活性和耐受能力。 2 ) 在反应器中能够形成较高的微生物浓度，提高反应器的容积负荷和抗冲击的 能力。 3 ) 比表面积大，生化反应中与污染物质能够充分接触，去除效率高。 4 ) 在流动床中呈现出流态化的特征。 5 ) 气一液，液一固传质效率高。 6 ) 具有良好的沉降性能。 1 3 2 悬浮态颗粒生物膜反应器 悬浮态颗粒生物膜与传统生物膜相比具有明显的优势，将其引入生物膜反应 器中就形成性能优越的悬浮态颗粒生物膜反应器。重要的悬浮态颗粒生物膜反 应器类型有上流式污泥床( u s b ) ，生物膜流化床( b f b ) ，膨胀颗粒污泥床( e g s b ) ， 气升式悬浮生物膜反应器( b a s ) ，内循环反应器( i c ) 。在u s b ，b f b 和e g s b 反 应器中，上升的液流保持颗粒流动。在b a s 反应器中，泵入系统的空气保持了 悬浮状态，在i c 反应器中，类似于气升式反应器，系统中产生的气体驱动了循 环流动以及液体与固体的混合。 u s b 是上世纪7 0 年代后期为厌氧处理低浓度废水，而发展起来的形成颗粒污 泥的上流式流化床反应器。u s b 的一个主要问题是进水中的悬浮固体在反应器中 5 文献综述 积累导致反应器性能的降低。为了克服这一弱点，b f b 的概念被发展起来川。b f b 能以比u s b 更高的流态化速度来运行，同时惰性物质的积累被很大程度的减少 了由于颗粒彼此分离以及生物膜上液体与颗粒的剪切作用比较小，在b f b 反 应器中控制生物膜厚度与结构变得困难，因此在这个系统中，生物膜的过度生 长导致颗粒需要淘洗就成为一个主要问题。在b a s 反应器中就能更好的控制生 物膜厚度和结构，可以比较容易的维持薄而密实的生物膜。e g s b 和i c 反应器是 u s b 概念的最新进展。b i o t h a n eb i o b e de g s b m l 和p a q u e si c 系统例可以在比传 统的u s b 商的多的液体升流速度下运行，这样就消除了由于惰性物质积累引发 的问题。以下介绍最先迸悬浮态颗粒生物膜反应器的基本设计特点和工业应用 实例。主要的悬浮态颗粒生物膜反应器结构简图见图卜1 1 ) 气升式悬浮生物膜反应器 b a s 反应器由气升塔和三相分离器组成。气体导入气升塔的升流部分，推动 气、液、固( 生物膜) 相在整个反应器内循环b a s 反应器最初是为好氧净化厌 氧处理之后的工业废水而被发展起来的n o l f l l j 。在厌氧工艺中，b a s 反应器的循 环是由生化反应产生气体的回流驱动的厌氧气升式反应器已被用于生物降解 硫酸盐。在8 0 年代晚期对b a s 的基础和应用研究产生了c i r c o x 气升式反应器 1 0 1 1 1 1 i c i r c o x 厌氧系统能确保较高的生物负荷( 4 - 1 0 k g b o d s m 。3 d - 1 ) ，实现较短的 停留时间( o 5 - 4 o h ) 。并达到高的微生物沉降速度( 5 0 m h l ) ，以及高的微生物 浓度( 1 5 - 3 0 k g m 4 ) c i r c o x 气升式反应器技术已被用于荷兰污水处理厂处理城 市污秘1 2 1 1 3 1 ，获得了很高的b o d , 和氮去除率，出水本质优良。目前大约有1 5 套队s 系统已投入运行。 2 ) 膨胀污泥床反应器 e g s b 反应器是在u s b 反应器的基础上于8 0 年代后期在荷兰w a g e n i n g e n 农业 大学环境系开发的厌氧反应器【1 4 1 1 1 5 1 。e g s b 反应器是上流式反应器，废水从底部 进入反应器，通过厌氧颗粒污泥床层，在这里有钒物被转化沼气。颗粒污泥表 现出良好的沉降性能( 沉降速度6 0 - 8 0 m h1 ) 。同时，液体升流速度( 1 0 m b l ) 与 气体升流速度( 7 r o b l ) 形成了膨胀床层。在反应器顶部的三相分离器中，颗粒、 沼气和出流放分离。净化的出水通过出流槽离开反应器，沼气通过气体管道被 排出，颗粒沉降回到反应器膨胀床的活跃区域。三相分离器的特别设计允许有 比u s b 反应器高锝多的水力负荷。 6 四j t i 大学硕十学位论文 e 6 s b 反应器作为超高负荷厌氧反应器 高达3 0 k g c o d c 瑚，d 1 来运行。用于处 理化学、生物化学和生物技术工业废水，同时，e g s b 系统适用f 低温( 1 0 ) 和低浓度( 1 9 c o d c , l ) 以及难降解毒性底物的处理。目前，世界各地已有几十 个e g s b 装置被建成，投入运行，用f 处理不同类型的废水( 例如食品、化学和 医药工业废水) 。 3 ) 内循环反应器 i c 反应器是由荷兰p a q u e s 公司网于2 0 世纪8 0 年代中期在u s b 反应器的基 础上开发成功的高效反应器。i c 反应器实际上是由两个上下莺叠的u a s b 反应器 串联组成，底部的一个处于极端的商负衙，上部的一个处于低负荷，反应器一 般高1 6 2 5 m ，容积负荷可达u a s b 反应器的4 倍左右，高径比为4 - 8 1 1 6 l 。反应器 由5 个部分组成：混合区、第l 反应室、第2 反应室，内循环系统和出水区。 其中内循环系统是i c 反应器的核心部分，由一级三相分离器、沼气提升管、气 液分离器和 “1 流管组成。i c 反应器的主要特点就是反应器内部能够形成液体内 循环，使有机物与颗粒污泥的传质过程加强，反应器的处理能力得到提高。它 的另一个特点是在高的反应器内将沼气的分离分为两个阶段。 污水直接进入反应器的底部，通过布水系统与颗粒污泥混合。在底部的高负 荷区内有一个污泥膨胀床，在这哩c o d e , 大部分放转化为沼气，沼气被第l 级三 相分离器所收集。由于c o d 。负荷高，沼气产量很大，在上升过程中会产生很强 的提升能力，使污水和部分污泥通过沼气提升管上升到顶部的气液分离器中， 在这个分离器中产生的沼气被收集排出，污泥和水的混合液通过p l 流管回到反 应器底部，从而完成内循环过程。从底部第1 个反应室的出水进入上部第2 个 反应室进行后处理，在此产生的沼气被第2 级三相分离器收集。因为第2 反应 室里的c o d 。，浓度已经很小，所产生的沼气量也很少，水力负衙和产气负荷都很 低，有利f 污泥的沉降滞留。 目前几个大规模的i c 系统正在欧洲运行，并取得了良好的效果【1 7 】。例如， 采用i c 厌氧反应器- c i r c o x 气升式好氧反应器组合工艺处理衙兰大型酿造厂的 废水，经一年的运行后，这个创新组合据报道己能分别去除8 0 和9 3 5 的总 c o 阢和呵溶性c o d 。在i c 反应器和c i r c o x 气升系统中的平均容积负荷分别达 到1 4 k g c o o , ：，m ”d1 和l o k g c o d , ：a n ”d1 。 悬浮态颗粒生物膜反应器由于其微生物浓度和比表面积部很大，流动性好， 史献综述 可以获得很岛的传质效率和去除效率，耐受力稳定性部很突出，具肓巨大的发 展潜力，在很大程度上代表了生物膜反应器未柬的发展方向。 上流式污泥床( u s b ) 水 水 气升式悬浮生物膜 后廊器( r a s ) 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 内循环反应器( i o 生物膜流化床( b f b ) 图1 1 几种主要的悬浮态颗粒生物胰反应器 1 3 3 生物流化床技术 生物流化床是一类 乍常重要的颗粒生物膜反应器。生物流化床( b f b s ) 将化 8 四川大学硕十学位论文 工流态化技术引入生物膜处理之中，强化生物膜传质，提高了去除效率。生物 流化床通常将小颗粒载体填充在床内，载体表面附着生物膜，水流向上流动穿 过生物膜颗粒的床层，升流速度大到足以使床层膨胀和增高的程度，使载体处 于流化状态。通过载体表面不断生长的生物膜的吸附和生化降解来去除废水中 的污染物。生物流化床具有如下特点：带出反应器的微生物较少；微生物的浓 度与活性极高；生物膜颗粒具有巨大的比表面积，处于流化状态，气、液、固 三相充分接触，传质效率和去除效率极高；基质容积负荷高，停留时间短；具 有较大的商径比，占地面积小、投资省；运行比较稳定，管理方便。 生物流化床技术在废水治理中的应用与研究已有三十几年的历史，发展至 今已开发出多种生物流化床反应器，根据是否需氧，可以分为好氧生物流化床 与厌氧生物流化床。 好氧生物流化床处理废水的研究最早是由美国环保局在1 9 7 0 1 9 7 3 年进行 的。好氧生物流化床根据供氧方式及床体结构、脱膜方式等的差别可分为两相 生物流化床和三相生物流化床。两相生物流化床的特点是充氧过程与流化过程 分开并完全依靠水流使载体流化。在流化床外设充氧设备和脱膜设备，在流化 床内只有液、固两相。三相生物流化床中气，液、固三相共存，污水充氧和载 体流化同时进行，废水有机物在载体生物膜的作用下进行生物降解，空气的搅 动使生物膜及时脱落，故不需脱膜装置但有小部分载体可能从床中带出，需 回流载体。张林生等1 1 研对化工、制药等高浓度废水采用好氧生物流化床作为生 物处理工艺主体设备，它的污泥负荷及容积负荷分别达到0 5 5 一 l0 k g c o o 。( d n i g h t s ) 及4 5 - - 8 0 k g c o d j ( d 曲，大大高于常规的生物处理 法周平【1 w 采用三相生物流化床进行生适废水处理。结果表明，该工艺具有很 强的抗冲击能力，当进水c 0 瞻为5 0 0 - - 8 0 0 m g 几时，流化床h r t 为1 5 h 。c o 睢 的去除率可达7 5 铲_ 8 0 ，同时还能有效的去除酚、磷、油和一定的氨氮。由上 可见，好氧流化床具有很强的处理能力和耐受能力 厌氧生物流化床工艺足由美国的j e r i s 于1 9 7 4 年在水污染控制协会上率先 提出的 2 0 1 厌氧生物流化床与好氧生物流化床相比，该法不仅在降解高浓度有 机物方面显出独特优点，而且具有良好的脱氮效果。厌氧生物流化床的结构组 成厌氧生物流化床可视为特殊的气体进口速度为零的三相流化床。这是因为厌 氧反应过程分为水解酸化、产酸和产甲烷3 个阶段，床内虽无需通氧或空气， 文献综述 但产甲烷菌产生的气体与床内液、固两相混合即成三相流化状态。厌氧生物流 化床为维持较高的上流速度，需采用较大的回流比。厌氧生物流化床内微生物 种群的分布趋于均一化，在床中央区域生物膜的产酸活性和产甲烷活性都很高， 从而使其育效负荷大大提高。 本实验室在厌氧流化床技术上开展了多项的研究，积累了经验，为新型流 化床反应器的研制与应用奠定了坚实的理论基础。提供了可靠的技术支持本 实验室以厌氧、缺氧流化床作为生物反应器，聚合物多孔高分子颗粒作为微生 物固定化载体，采用厌氧缺氧一好氧工艺进行焦化废水中试研究1 2 1 。结果表 明：当系统稳定运行时进水n 也一n 、c o d ( , 、酚平均浓度为5 3 9 5 m g l 、1 4 8 8 m g l 、 2 4 7 7 m g l 时，出水n h 3 - n 、c o 瞻、酚平均浓度分别为l4 3 m g l ，2 5 2 ，4 m g l ， 0 2 m g l ；厌氧流化床、缺氧流化床反应器中存在厌氧氨氧化反应，在这两个阶 段n h 3 _ n 的去除率分别为9 8 和3 3 。本实验室采用厌氧流化床处理垃圾渗滤 液进行实验研究睇“，进水c o d 。浓度为2 6 7 5 1 4 - - 4 2 8 9 1l m g l 时，平均去除率为 4 8 ，进水平均n h 3 n 浓度为3 5 7 1 8 a g l 时，平均去除率为3 9 2 。可见厌氧流 化床在处理难降解有机废水，以及脱酚、脱硝方面都有良好的表现。 生物流化床反应器作为一种悬浮态颗粒生物膜反应器，其中的颗粒载体对 生物流化床的性能有重要的影响。优良的载体应具有比表面积大、表面粗糙， 亲生物性好、孔径分布合理、化学稳定性好、密度小、易于流态化、价廉等特 点多孔高分子载体就是一种优良的新型流化床载体。本实验室比较了多孔聚 合物载体o t p ) - 与颗粒活性炭载体( g a c ) 厌氧流化床处理造纸废水时的性能嘲， 研究表明，h p 载体反应器处理造纸废水。进料容积负荷为 1 4 5 - 3 6 1 5 k g c o d o ( m 3 d ) 时，c o d d 去除率为6 4 7 5 4 5 ，沼气容积产气率为 1 8 9 2 7 m 3 ( m 3 d ) ；g a c 载体反应器进料负荷为9 1 6 1 9 0 6 k g c o d c , ( m 3 d ) 时， c o d c r 去除率为6 1 - 5 2 1 ，沼气容积产气率为o 7 3 2 o l m 3 ( m