（农业生物环境与能源工程专业论文）小型淀粉加工厂水的高效利用与厌氧消化.pdf

摘要 本文采用循环回用的方式处理淀粉废水，通过采用两相厌氧与厌氧滤池相结合的方式对农村 生产淀粉废水进行厌氧处理。在去除污染的同时回收沼气 研究表明，采用淀粉加工洗浆废水回用技术，可以节省水资源，废水循环利用后，用水量只 有原来的3 0 左右。在节水的同时减少有机废水的排放总量废水的循环利用使得淀粉的产率从 1 6 2 5 提高到1 8 o 。在提高淀粉产率的同时，淀粉废水循环利用对淀粉质量并无很大影响，所 产淀粉基本符合国家食用淀粉二级标准。最终确定废水回用的次数以两次为宣。 通过试验得出了拟合的经验公式，可以对处理淀粉废水的两相厌氧装置中，产酸相的p h 值 调节加碱量进行理论计算。 通过实验数据的分析，确定了适合农村生产淀粉废水两相厌氧处理的工艺参数：水力停留时 间h r t 为6 d ，进水c o d 为1 5 0 0 0 m g l ，产甲烷相温度3 5 c ，产酸相温度在2 0 1 2 以上时，c o d 去除率为6 0 9 ， i n 去除率为2 3 9 e , 4 ，t i 去除率为6 1 9 ，t s 去除率为7 7 4 ，每去除单位量 的c o d 的产气量为0 0 4 m 3 d k g c o d 。 关键诃：两相厌氧工艺，厌氧滤池，淀粉废水，循环回用 a b s t r a c t 1 1 ”w h o l em s e a r c hi sm a d eu po ft w op a r t s 1 1 ”f i r s tp a r ti sc i r c l i n gt h es t a r c hw a s t e w a t e r t h e s e c o n dp a r ti st r e a t i n gt h es t a r e hw a s t e w a t e rb yu s i n ga n a e r o b i cs y s t e mc o m b i n e db yat w op h a s e a n a e r o b i cs y s t e ma n dm a n a e r o b i c 励t 日g e t t i n gb i o g a sf r o mt h ep l a n t f r o mt h er e s e a r c h , b yc i r c l i n gt h es t a r c hw a s t e w a t e r , o u rw a t e rr e s o u r e ei ss a v e d o n l y3 0 o f t h e 丘e s hw a t e rw a su s e dc o m p a r e dw i t ht h ep r o c e s sn o tc i r c l i n gt h es t a r c hw a s t e w a t e r s t a r c hp r o d u c t i o n r a t ew a si n c r e a s e df r o m1 6 2 5 t o1 8 o m e a n w h i l e c i r c l i n gt h es t a r c hw a s t e w a t e rh a dn oe f f e c to n t h eq u a l i t yo f s t a r c hd f o d u 嘶。也t h eb e s tt i m et h a tw a s t e w a t e rw a su s e di sc o n s i d e r e da lt w o b ya n a l y 五n gt h ed a t af r o mt h er e s e a r c h , af o r m u l ai sf o u n dt oc a l c u l a t et h eq u a n d t yo f n a o hw a s n e e d e dt oc o n l r o it h ep ho f a c i dl & l g - t o r a n o t h e rr e s u l tc o i r t e so u tf r o mt h el a s tp a r to ft h er e s e a r c h 1 1 1 cb e s tw l h o fe a c hl r a m e t e rw a s d e t e r m i n e da t ：h r tw a s6d a y s ；c o do fi n p u tw a s t e w a t e rw a s1 5 0 0 0 m g l ；t e m p e n t u r eo fm e t h a n e r e a c t o rw a s3 5 ：t e l r o e r a t u r eo fa c i dr e a c t o rw a s2 0 u n d e rt h a tv a l m t h er e s u l tc 咄so u tl i k e ： c o dw a sr e m o v e da t6 0 9 ，t nw a sr e m o v e da t2 3 9 。1 1 pw a sr e m o v e da t6 1 9 ，t sw a sr e m o v e d 砒 7 7 4 e v e r yr e m o v a lo n ek i l o g r a mc o d i tc o u l dp r o d u c e0 0 4 m b i o g a se v e r yd a y k e yw o r d s ：t w op h a s ea n a e r o b i cs y s t e m , a n a e r o b i cf i l t e rs y s t e m , s t a r c hw a s t e w a t e r , c i r c l i n g w a s t e w a t e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 一弥魏彻 帆唧年阳尸日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 携谚哪 时间：锕年易月雩日 翮签秀帅一叼“肌饵 i 中囝农业大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 由于人口的快速增长、社会经济的不断发展，全球性水污染问题己对人类生存和社会经济发 展构成越来越严重的威胁，防治水体的恶化、保护水资源，走可持续发展的道路已成为人类共同 追求的目标。废水生物处理作为水污染防治和水资源防治和走水资源可持续利用道路中的重要工 程技术手段之一。对保护水环境和缓解水资源短缺问题具有重要的作用 中国在实行社会主义新农村建设的今天，农村的环境污染问题已经越来越被人们所重视。尤 其是由于无人控制和管理，致使某些高浓度有机废水向村子附近水域的直接排放对附近农民的生 活环境造成极大的污染。它阻碍了社会主义新农村建设的发展，由此可见解决农村环境污染问题 已经迫在眉睫。 有机废水，尤其是高浓度有机废水的处理方法，主要取决于废水的性质。一般来说，废水的 性质大致可分为三类“1 ： ( 1 ) 易生物降解的废水。该类废水主要来自农牧产品和畜禽粪便等，例如轻工食品发酵废 水和畜禽饲养排放的废液。这类废水的有机物含量高，且可利用的成分多。 ( 2 ) 难生物降解的有机废水。主要来自化学工业、石油化工和炼焦工业等，例如制药厂、 染料厂、人造纤维厂和焦化厂等。 ( 3 ) 有害有机废水主要来自化学工业和发酵工业，例如味精废水、糖蜜酒精废水等。这 类有机物可能是易于生物降解的，但由于废水中含有某些有害物质，如重金属、高氮、高硫等， 对微生物有毒害作用 对于第一类有机废水来说，其有机组分主要是糖类、蛋白质和脂类。由于有可回收的有用物 质，这类高浓度有机废水的治理应优先考虑采用厌氧处理技术，不仅效能高、能耗低，且能回收 大量生物能。由于第二类高浓度有机废水主要含难生物降解的高分子有机物，单独采用好氧生物 处理技术往往达不到满意的处理效果，而采用厌氧技术则可提高其可生化性或可降解性，故处理 上采用厌氧一好氧组合工艺。对于第三类高浓度有机废水，首先应通过合理的化学或物化法进行 预处理，待去除掉有毒有害物质后仍可采用厌氧生物处理技术。 可见，对于高浓度有机废水，应优先考虑采用厌氧生物处理技术作为去除有机物的主要手段 厌氧生物处理技术以高负荷率、低能耗、低运行成本、低污泥产率等突出优越性日渐成为公认的 处理高浓度、难降解废水的有效途径之一。但由于传统的厌氧消化工艺存在着处理效果差：厌氧微 生物的繁殖速率低，导致启动时间较长( 特别是对于含有某些抑制性有机物的上业废水) ：在受到强 烈冲击后恢复正常运行困难等不足。寻找新的既节能又高效的处理上艺、开发各种新型厌氧工艺 和设备成为当务之急。 l 中国农业大学硕仁学位论文 第一章绪论 1 2 厌氧生物处理技术的发展概述 废水厌氧生物处理技术发展至今，有1 2 0 多年的历史。早在1 8 6 0 年法国人l o u i s m o u r a s 把 简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用。美国学者m c c a r t y 建议把1 8 8 1 年作为人工厌氧 处理废水的开始，称m o u r a s 是第一个应用厌氧消化处理的创始人。 1 2 1 厌氧生物处理技术的一般原理与特点 ( 1 ) 厌氧生物处理技术的一般原理 厌氧处理过程中，许多微生物共同作用，将大分子有机物最终转化为甲烷、二氧化碳、水、 硫化氢和氨等。在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统。 到1 9 7 9 年，厌氧消化三阶段和四阶段理论被提出总之，在厌氧消化过程中，有机物首先被水 解为简单的溶解性有机物，如氨基酸、酒精、糖、长链脂肪酸等物质，然后再被酸化为挥发性脂 肪酸以及其他短碳链物质，同时伴随着氢气的产生。随后，这些物质继续降解为乙酸等易于被甲 烷菌利用的物质。最后甲烷菌将这些底物转化为甲烷。图1 - i 显示了厌氧生物消化分解有机物的 一般过程 复杂有机物、碳水化合物、 蛋白质、脂类 l 1 i 水解 简单溶解性有机物 1l发酵 脂肪酸、醇类、丙酸 l 丁酸、乙酸、乳酸等 ，夕 产氢产乙酸 ， 氢气l 3 l 乙酸 二氧化碳l 同型产乙酸 l 4 产甲烷作用 甲烷、二氧化碳 田1 - 1 庚氩消化有机废弃物反应机理 f 培1 lr e a c t i o ns c h e m e f o r a n a e r o b i c d i g e s t i o n o f m a t e r i a l l 一发酵细菌；2 产氢产乙酸菌；3 一同型产乙酸菌； 侧用h 2 和2 的产甲烷茁；埘解乙酸的产甲烷苗 2 中国农业大学硕，t 学位论文第一章绪论 ( 2 ) 厌氧生物处理技术经过一百多年的研究和发展，被证明具有处理能力大、效率高、成 本低等优点，尤其与好氧生物处理技术相比，更具有以下优势： & 节省动力消耗。在厌氧处理过程中，细菌分解有机物是营无分子氧呼吸，故无需向系统 提供氧气，从而可节省大量电能 b 可产生生物能。污泥消化和有机废水的厌氧发酵能产生大量沼气，而沼气的热值很高， 可作为能源利用。 c 污泥产量少有机物在好氧降解时，如碳水化合物，其中约有2 3 被合成为细胞，约有 1 3 被氧化分解提供能量。厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞，而大部分被转化为c i - h 和c 0 2 。所以，好氧处理产污泥量高，而厌氧处理产污泥量低，且污泥已稳定，可降低污泥处理 费用。 d 对氮、磷的需要量较低。氮、磷等营养物质是组成细胞的重要元素。厌氧生物处理去除 b o d s 所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。对于缺乏n 、p 的有 机废水采用厌氧生物处理可大大节省n 、p 的投加量，使运行费用降低。 f 厌氧消化对某些难降解的有机物有较好的降解能力。实践证明，一些难降解的有机工业 废水采用常规的好氧生物处理工艺不能获得满意的处理效果，如炼焦废水、煤气洗涤废水、农业 废水、印染废水等。而采用厌氧生物处理则可获得较好的处理效果近年来，经研究发现厌氧微 生物具有某些脱毒和降解有害有机物的功效，而且还具有某些好氧微生物不具有的功能，如多氯 链烃和芳烃的还原脱氯，芳香环还原成烷烃环结构或环的断裂等。 1 2 2 高效厌氧生物处理技术的工艺类型及技术特点 ( 1 ) 厌氧滤池 1 9 6 7 年j c y o u n g 和p l m c c a r t y 开发成了厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ) ，又称厌氧固 定膜反应器，其工艺如图1 2 所示。滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封厌氧微生 物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填科表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有 机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部捧出。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生 物膜随出水流出池外”1 。 厌氧生物滤池填料的比表面积和空隙率对设备处理能力有较大影响。填料比表面积越大，可 以承受的有机物负荷越高，空隙率越大，滤池的容积利用系数越高，堵塞减小。因此，与好氧生 物滤池类似，对填料的要求为：比表面积大，填充后空隙率高，生物膜易附着，对微生物细胞无 抑制和毒害作用。有一定强度，且质轻、价廉、来源广 进水系统需考虑易于维修而又使布水均匀，且有一定的水力冲刷强度。对直径较小的厌氧滤 池常用短管布水，对直径较大的厌氧滤池多用可拆卸的多孔管布水。 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 迸水 - - m 水 - - 圈1 - 2 厌氯滤池 f i g 1 - 2 a l m c r o b i c b i o l o g y f i l t c i t a n k 在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在 于滤料的孔隙中。厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的，在池进水部位高，相应的有机物 去除速度快。当废水中有机物浓度高时，特别是进水悬浮固体浓度和颗粒较大时，进水部位容易 发生堵塞现象“1 。 厌氧生物滤池的特点是： a 由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，生物膜停留 时间长，平均停留时间长达1 0 0 d 左右，因而可承受的有机容积负荷高，c o d 容积负荷为2 1 6 k g c o d m 3 d ，且耐冲击负荷能力强； b 废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快； c 微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备： d 启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。但该工艺也存在一些问题：处理含 悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的 方法。 ( 2 ) 升流式厌氧污泥层反应器( u a s b ) 进入2 0 世纪7 0 年代，由于世界性能源问题日益突出，开发高效低耗的废水处理新工艺迫在 眉睫，科学工作者进行了大量的研究开发工作，极大地推动了厌氧处理技术的发展，新工艺层出 不穷。继厌氧滤池之后，升流式厌氧污泥层反应器( u p f l o w a n a e r o b i c s l u d g e b l a n k e t ，简称u a s b ) 由荷兰的g l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初研制开发成功u a s b 因其具有高的处理效能而 获得广泛应用，对废水生物处理具有划时代的意义。反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消 化器，气、液、固三相分离器是u a s b 的重要结构特性。它对污泥床的正常运行和获得良好的出 水水质起着十分重要的作用，见图1 - 3 。 4 田1 - 3 升漉式厌氯污泥床反应器 f i f r l - 3u a s bm a c i o r 如图所示：废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，微生物分解废水中的 有机物产生沼气，微小沼气泡在上升过程中，不断合并逐渐形成较大的气泡。由于气泡上升产生 较强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气 气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分 离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清波从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥沿着 斜壁返回到反应区内在一定的水力负荷下，绝大部分污泥颗粒能保留在反应区内，使反应区具 有足够的污泥量”1 反应区中污泥层高度约为反应区总高度的1 3 ，但其污泥量约占全部污泥量的2 3 以上。由于 污泥层中的污泥量比悬浮层大，底物浓度高，酶的活性也高，有机物的代谢速度较快，因此，大 部分有机物在污泥层被去除。研究结果表明，废水通过污泥层已有以上的有机物被转化，余 下的再通过污泥悬浮层处理，有机物总去除率达9 0 以上。虽然悬浮层去除的有机物量不大，但 是其高度对混合程度、产气量和过程稳定性至关重要。因此，应保证适当悬浮层乃至反应区高度。 一般来说，三相分离器应满足以下条件”1 ： ( 1 ) 沉淀区斜壁角度约5 旷，使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内； ( 2 ) 沉淀区的表面负荷应在0 7 m 3 m 2 h 以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道( 缝隙) 的流速不大于2 m h ； ( 3 ) 应防止气泡进入沉淀区影响沉淀； ( 4 ) 应防止气室产生大量泡沫；并控制好气室的高度，防止浮渣堵塞出气管，保证气室出 气管畅通无阻从实践来看。气室水面上总是有一层浮渣，其厚度与水质有关。因此，在设计气 室高度时，应考虑浮渣层的高度。此外还需考虑浮渣的排放。 上流式厌氧污泥床的混合是靠上流的水流和消化过程中产生的沼气泡来完成的。因此，一般 采用多点进水，使进水较均匀地分布在污泥床断面上。常采用穿孔管布水和脉冲进水。 上流式厌氧污泥床反应器的特点是： a 反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为3 0 加g “其中底部污泥床污泥浓度6 0 - 8 0 9 几，污泥悬浮层污泥浓度5 7 9 l ： b 有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，c o d 容积负荷一般为：1 0 2 0 k g c o d h n 3 d ； 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 c 反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动网流到反应区，一般无污泥回流设 备： d 无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；污泥床内不填 载体节省造价及避免堵塞闯题。但反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬浮物应比 普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宣太高，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区 的有效容积，甚至引起堵塞；运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。 ( 3 ) 厌氧膨胀床( a e b ) 和厌氧流化床( a f b ) 1 9 7 8 年w j j e w e u 等人开发出了厌氧膨胀床( a n a e r o b i c e x p a n d e d b e d ) 。1 9 7 9 年r p b o w k e r 开发出了厌氧流化床( a n a e r o b i cf l i u d i z e db e d ) 。由于载体细小，为微生物的附着提供了良好的 条件，使反应器具有很高的生物量，所以处理能力大，受到各国学者的极大关注“”，两种处理工 艺原理见图1 4 围1 - 4 厌氧膨胀床和流化床 f i g 1 - 4 a n a e r o b i c e x p a n d e d b e d a n a e r o b i c f l u i d i z e d b e d 该类工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流 化介质，当废水以升流式通过床体时。与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到 厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部捧出。床内填充细小固体颗粒载体，废水以一定流速从 池底部流入，使填料层处于流态化，每个颗粒可在床层中自由运动，而床层上部保持一个清晰的 泥水界面为使填料层流态化，一般需用循环泵将部分出水回流，以提高床内水流的上升速度。 为降低回流循环的动力能耗，宜取质轻、粒细的载体。常用的填充载体有石英砂、无烟煤、活性 炭、聚氯乙烯颗粒、陶粒和沸石等，粒径一般为0 2 l m m ，大多在3 um 5 0 0 um 之间。 工艺操作的首要满足条件是“”：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度，而小于最大 流态化速度。一般来说，最大流态化速度要比临界流化速度大1 0 倍以上，所以上升流速的选定 具有充分的余地，实际操作中，上升流速只要控制在1 2 - - 1 5 倍临界流化速度即可满足生物流化 床的运行要求。 工艺特点： a 载体颗粒细。比表面积大，可高达2 0 0 0 3 0 0 0 m e m 3 左右，使床内具有很高的微生物浓 度，因此有机物容积负荷大，一般为1 0 4 0 k g c o d m 3 d ，水力停留时间短，具有较强的耐冲击 6 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 负荷能力，运行稳定； b 载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能。 c 载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程， 从而具有较高的有机物净化速度； d 床内生物膜停留时间较长。剩余污泥量少； e 结构紧凑、占地少以及基建投资省等但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求 较高。 为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取：( 1 ) n 歇性流化床工艺，即以固定床与流化床间 歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间间歇后，又启动回流泵，呈流化床运行； ( 2 y g 可能取质轻、粒细的载体，如粒径2 0 3 0 t tm 、密度1 0 5 1 2 9 o n 3 的载体，保持低的回流 量，甚至免除回流就可实现床层流态化。 ( 4 ) 厌氧生物转盘与厌氧折流板反应器 1 9 8 0 年厌氧生物转盘( a n a e r o b i cr o t a t i n gb i o l o g i c a lr e a c t o r ) 新工艺被开发出来，它是在 好氧生物转盘基础上开发的，其工艺示意图见图1 - 5 。 围1 5 厌氧生物转盘 f i g 1 - 5 a n a e r o b i cb i o l o g yr e v o l v i n gb e d p l a t e 厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分( 7 0 以上) 或全部浸没 在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。厌氧生物转盘由 盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成，其构造如图1 - 5 所示。对废水的净化靠盘片表面 的生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧菌完成，产生的沼气从反应槽顶排出。由于盘片的转动，作用 在生物膜上的剪力可将老化的生物膜剥落，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外“ 厌氧生物转盘的特点： 厌氧生物转盘内微生物浓度高，因此有机物容积负荷高，水力停留时间短； b 无堵塞问题，可处理较高浓度的有机废水； c 般不需回流，所以动力消耗低； 正耐冲击能力强，运行稳定，运转管理方便。但盘片造价高。 厌氧转盘有机负荷为2 0 9 r o c m 3 d 左右，处理t o c 为1 1 0 6 0 0 0 m g l 的生活污水、牛奶 废水，t o c 去除率可达6 0 9 0 。 ( 窑) m c c a r t y 等人认为厌氧生物转盘的转动与否对处理效果影响不大，于是在1 9 8 2 年开发出 了厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ) ，简称a b r 。其构造和工艺流程如图1 6 所示 7 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来维持较高的污泥浓度。挡板把反应器分为若干个相 对独立的格，每格有上向流和下向流室，上向流室比下向流室宽，便于污泥的聚集，形成颗粒污 泥。通往上向流的挡板下部边缘处加倾角为5 0 0 的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥 水充分混合。因而无需混合搅拌装置避免了厌氧滤池和厌氧流化床的堵塞问题和能耗较大的缺 点，启动期比上流式厌氧污泥床短。 图卜6 厌氧折漉板反应器 f i g 1 - 6 a n a e r o b i c y d f i c g g e a c t o g 虽然在构造上a b r 可以看作多个u a s b 反应器的简单串联，但在工艺上与单个u a s b 有显 著不同。u a s b 可近似地看作是一种完全混合式反应器，而a b r 则更接近于推流式工艺。研究 表明。a b r 反应器出水水质好，运行稳定，对冲击负荷以及进水中有毒物质具有很强的缓冲适应 能力各格中的微生物相是随流呈逐级递变的，递变的规律与底物降解过程协调一致，从而确保 相应的微生物相拥有最佳的工作活性。一般在第一微生物相以产酸菌为主，酸化过程产生的1 1 2 以产气形式先行排除，有利于后续产甲烷阶段中丙酸和丁酸的代谢过程在较低的h 2 分压下顺利 进行，避免了丙酸、丁酸过度积累所产生的抑制作用。但在a b r 中第一格的局部负荷远大于反 应器平均负荷。 ( 5 ) 升流式厌氧污泥床一滤层反应器( u b f ) 升流式厌氧污泥床一滤层反应器( u p f l o wa n a e r o b i cb e d - f i l t e r ) 简称u b f 反应器，又称厌 氧复合反应器于1 9 8 4 年由加拿大学者s r 6 u i o t 研究开发。u b f 反应器综合了u a s b 反应 器和a f 的优点，使该种反应器具有很高的处理效能“”。u b f 的构造原理见图1 7 。 避 围1 7u 萨反应器的构造原理 f i g 1 - 7u p f l o w a n a e r o b i c b e d f i l t o r 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 u b f 的主要构造特点：下部为厌氧污泥床，与u a s b 反应器下部的污泥床相同，有很高的 生物量浓度，床内的污泥可形成厌氧颗粒污泥，具有很高的产甲烷活性和良好的沉降性能；上部 有与厌氧滤池相似的填料过滤层，填料表面可附着大量厌氧微生物，在反应器启动初期具有较大 的截留厌氧污泥能力，减少污泥的流失可缩短启动期由于反应器上下两部均保持很高的生物量 浓度，提高了整个反应器的处理能力和抗冲击负荷的能力 u b f 反应器适于处理含溶解性有机物的废水，不适于处理含s s 较多的有机废水，否则填料 层易于堵塞。 ( 6 ) 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 膨胀颗粒污泥床( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) 简称e g s b ，是u a s b 反应器的变型，是 厌氧流化床与u a s b 反应器两种技术的成功结合“。e g s b 反应器的基本构造与流化床类似，如 图1 - 8 所示。 为了达到颗粒污泥的膨胀，必须提高液体升流速度。e g s b 反应器通过采用出水循环回流获 得较高的表面液体升流速度。这种反应器的典型特征是具有较高的高径比，较大的高径比同时也 是提高升流速度所需要的。e g s b 反应器内液体的升流速度可达到s 1 0 m h ，这比u a s b 反应器 的升流速度( 一般1 0 m h ) 高的多。 水 田1 - 8e g s b 反应器构造图 f i g 1 - 8e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g cb e d e g s b 反应器的顶部可以是敞开的，也可以封闭起来，封闭的优点是可以防止臭味外逸。反 应器一般做成圆形，废水由底部配水管进入反应器，向上升流通过膨胀的颗粒污泥区，使废水中 的有机物与颗粒污泥均匀接触被转化成甲烷和二氧化碳等。混合液升流至反应器上部，通过设在 反应器上部的三相分离器进行气、固、液的分离。分离出来的沼气通过反应器顶或集气室的导管 排出，沉淀下来的污泥自动返回膨胀床区，上清液通过出水渠排出反应器外。由于上升流速很高， 专门设计的高效三相分离器是e g s b 的关键技术。 e g s b 反应器作为一种改进型的u a s b 反应器，虽然在结构形式、污泥形态等方面与u a s b 非常相似，但其工作运行方式与u a s b 显然不同，液体表面上升流速高使颗粒污泥床层处于膨 胀状态，不仅使进水能与颗粒污泥充分接触，提高了传质效率，而且有利于基质和代谢产物在颗 9 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 粒污泥内外的扩散、传送，保证了反应器在较高的容积负荷条件下正常运行。e g s b 反应器在处 理低温、低浓度有机废水时，有明显优势。在处理高浓度废水时，为了维持足够的液体升流速度， 使污泥床有足够大的膨胀率，必须加大出水的回流量，其回流比大小与进水浓度有关。 e g s b 反应器通过出水回流使其具有抗冲击负荷的能力使进水中的毒物浓度被稀释至对 微生物不再具有毒害作用。所以，e g s b 反应器可处理含有毒物质的高浓度有机废水。出水回流 可充分利用厌氧降解过程通过致碱物质( 如有机氮和硫酸盐等) 产生的碱度提高进水的碱度和口h 值，保持反应器内p h 值的稳定，减少调整p h 值的投碱量，从而降低运行费用 ( 7 ) 内循环( 1 c ) 厌氧反应器 1 9 8 5 年荷兰p a q u e sb v 公司开发了一种被称为内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 的反应器，简称 i c 反应器。i c 反应器在处理中低浓度废水时，进水容积负荷率可达2 0 4 0 k g c o d m 3 d ，对于 处理高浓度有机废水，其进水容积负荷率可提高至3 5 5 0 k g c o d ，r n 3 d 。这是对现代高速反应器 的一种突破，有着重大的理论意义和实用价值“”。 i c 反应器的基本构造与工作原理如图1 - 9 所示。i c 反应器的构造特点是具有很大的高径比， 一般可达4 8 反应器高度可达1 6 2 5 m 。从外形上看，i c 反应器是座厌氧生化反应塔。 圈1 - 9i c 反应器构造原理图 f i g 1 - 9i c ( i n t e m a lc i r c u l a t i o n ) l 避水：2 第一反应室集气罩；3 沼气提升管；4 气泣分离器：5 沼气排出管； 矗回漉管；7 第二反应室集气罩；& 集气管 吼沉淀区；1 0 出水管# 1 1 ，气封 由图可见，l c 反应器实际上是由下部的e g s b 反应器和上部的u a s b 反应器重叠串联组成。 反应器的两级三相分离器使生物量得到有效滞留。进水由反应器底部进入第一厌氧反应室，与厌 氧颗粒污泥均匀混合，产生的沼气被第一厌氧反应室的集气罩收集，大量沼气携带第一厌氧反应 室的泥水混合液沿提升管上升至反应器顶的气液分离器，被分离出的沼气从分离器顶部导管排 走，分离出的泥水混合液沿着回流管返回到第一厌氧反应室的底部。实现混合液的内部循环，i c 厌氧工艺的称号由此得来。经过处理的废水自动进入第二厌氧反应室。第二厌氧反应室产生的沼 气由集气罩收集，通过集气管进入气液分离器。第二反应室的泥水在混合液沉淀区进行固液分离， 上清液由出水管排走，沉淀的污泥可自动返回第二厌氧反应室。 i c 厌氧工艺的主要特点： a 解决了污泥负荷高易导致污泥流失的问题： 1 0 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 b 具有一个无外加动力的内循环系统； a 内循环系统增加了水力负荷，强化了传质过程； d 尤其适合处理浓度较低和温度较低的有机废水： c 抗冲击负荷能力强，运行稳定性好； 高径比大“8 ) ，占地面积少。 ( 8 ) 两相厌氧法的提出及研究进展 两相厌氧生物处理工艺( t w o - p h a s ea n a e r o b i cp r o c s ) 是2 0 世纪7 0 年代初美国戈什( g h o s h ) 和波兰特( p o l l l d ) 开发的厌氧生物处理新工艺并于1 9 7 7 年在比利时首次应用于生产。此后德 国相继建造了数套生产性两相厌氧消化装置，其最大日处理能力为3 2 吨。与前述其他新型厌氧 反应器不同的是，它并不着重于反应器结构的改造，而是着重于工艺的变革。 厌氧消化是一个复杂的生物学过程，复杂有机物的厌氧消化一般经历发酵细菌、产氢产乙酸 细菌，产甲烷细菌三类细菌群的纵向接替转化以及同型乙酸细菌群的横向转化。从生物学的角度 来看，由于产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌是共生互营菌，因而把产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌划 为一相，即产甲烷相；而把发酵细菌划为另一相，即产酸相“” 通过对厌氧消化过程中产酸菌和产甲烷菌的形态特性的研究，人们逐渐发现，产酸菌种类繁 多生长快，对环境条件变化不太敏感而产甲烷菌则恰好相反，专一性很强，对环境条件要求 苛刻，繁殖缓慢，这也正是人们可以把一个厌氧消化过程分为产酸相和产甲烷相两相工艺的理论 依据。 稿纯气 术解馥化反应嚣 沉淀池甲靛发酵反席器 图卜1 0 两相厌氧反应嚣 f i g 1 1 0 t w o - p h a s e a l m l d b i cr e a c t o r 传统的一相厌氧消化是追求厌氧消化的全过程，而酸化和甲烷化阶段的二大类作用细菌，即 产酸菌和产甲烷菌对环境条件有着不同的要求。一般情况下，产甲烷阶段是整个厌氧消化的控制 阶段为了使厌氧消化过程完整的进行就必须首先满足产甲烷相细菌的生长条件，如维持一定的 温度、增加反应时间，特别是对难降解或有毒废水需要长时间的驯化才能适应。传统的厌氧消化 工艺把产酸和产甲烷菌这两大类菌群置于一个反应器内，不利于充分发挥各自的优势。两相厌氧 消化工艺就是把酸化和甲烷化两个阶段分离在两个串联反应器中( 图1 - 1 0 ) ，使产酸菌和产甲烷 菌各自在最佳环境条件下生长，这样不仅有利于充分发挥其各自的活性，而且提高了处理效果， 达到了提高容积负荷率，减少反应容积，增加运行稳定性的目的。 综上所述，厌氧生物处理技术以其高效、低耗得到环境工程界的高度重视。从2 0 世纪7 0 年 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 代起，在传统厌氧消化技术基础上出现了更加高效的第二代厌氧生物处理工艺，主要用于处理各 种工业有机废水，它们的基本特征如下“： ( 1 ) 具有相当高的有机负荷和水力负荷，反应器容积比传统工艺减少9 0 以上； ( 2 ) 在不利条件( 低温、冲击负荷、存在抑制物) 下仍具有高的稳定性； ( 3 ) 反应器投资小，适合各种规模和被结合在整体的处理技术中； ( 4 ) 处理低浓度废水的效率己具备与好氧处理的竞争能力； ( 5 ) 可以作为能源净生产过程。 第二代厌氧生物处理工艺已经在世界各国得到了成功应用。其中，应用最为广泛的当属升流 式厌氧污泥床( u a s b ) 工艺，其应用率达到了工业化厌氡反应器的6 5 。 2 0 世纪8 0 年代的研究和实践发现，以u a s b 为代表的第二代厌氧生物处理工艺存在一些缺 点：在结构上，高径比小，因而占地面积大；u a s b 增加截面积的放大方式难以在大规模反应器 中实现均匀布水；u a s b 三相分离器的稳定操作较为困难；启动时间较长；液体上升流速小、固 液混合较差；负荷高时，污泥易流失等。因此，2 0 世纪9 0 年代国际上出现了第三代厌氧生物处 理工艺，包括厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 、厌氧内循环( i c ) 反应器等，均是在u a s b 基础 上发展起来的，其特点如下- ( 1 ) 微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器中，反应器单位容积的生物量更高l ( 2 ) 能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能； ( 3 ) 具有较大的高径比，一般在5 1 0 以上； ( 4 ) 占地面积小，动力消耗少。 第三代厌氧反应器在低温条件下处理低浓度有机废水比u a s b 有更明显的优势。 1 3 我国薯类生产及淀粉生产废水排放污染现状 1 3 1 我国薯类生产现状 薯类包括马铃薯、甘薯、芋头及木薯。 薯类的特点多为：植株有乳汁。块根白色、红色或淡黄色。茎匍匐，节易生根。肿阔心形， 全缘或有分裂。各地广泛栽培，能适应贫瘠土地。茎和叶药用，生津润燥。消痈解毒；块根食用， 又可酿酒。通常用茎繁殖。 在我国统计年鉴中曾指出： 粮食产量：指稻谷、小麦、玉米、高粱等谷物及薯类和豆类的全社会产量。包括国有经济经 营的、集体统一经营的和农民家庭经营的粮食产量，还包括工矿企业办的农场和其他生产单位的 产量。其产量计算方法，豆类按去豆荚后的干豆计算；薯类( 包括甘薯和马铃薯，不包括芋头和木 薯) 1 9 6 3 年以前按每4 公斤鲜薯折1 公斤粮食计算，从1 9 6 4 年开始改为按5 公斤鲜薯折1 公斤粮 食计算。城市郊区作为蔬菜的薯类( 如马铃薯等) 按鲜品计算，并且不作粮食统计。 我国淀粉年产量由1 9 8 5 年的2 6 0 3 6 万吨逐年增加到1 9 9 8 年的3 6 0 4 2 万吨，并由此开始每 年的产量保持在3 6 0 0 万吨左右( 见图1 - 1 1 ) 。 1 2 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 訾 r 、一 l 图卜l l 我国薯类年产量变化 由此可见，薯类作为我国主要的几种粮食作物之一，在我国农产品生产中，占有十分重要的 位置。 1 3 2 农村淀粉生产废水污染现状 淀粉是绿色植物进行光合作用后的产物，是人类生命活动中必不可缺少的基础物质，淀粉的化 学成分及结构尽管复杂，但用途甚广。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。淀粉在加工过程中会产生大量的高浓度 酸性有机废水 其含量随生产的波动而时有变化，其c o d 值通常在1 0 0 0 0 m g l 左右目前，我国淀 粉生产企业6 0 0 多家，年产量已达4 0 0 万吨，按现在的加工工艺，每生产1 吨淀粉大约产出6 1 0 吨 废水，可见整个淀粉制造业每年产生的废水量甚多。这些废水中主要含有溶解性淀粉、少量蛋白质、 有机酸、尘土、矿物质及少量的油脂，易腐败发酵，使水质发黑发臭，排入江河会消耗水中的溶解氧， 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，散发恶臭，鱼、虾、贝类等水生动物 可能会因此而窒息死亡 河北省秦皇岛市卢龙县是我国著名甘薯生产基地，有“中国甘薯之乡”的称号。由于境内多 为丘陵和平原，属暖温带大陆性季风气候。因此适宜种植甘薯等耐干旱、好管理、产量高的作物 其甘薯栽培已有百余年历史。目前，全县8 万多种植甘薯的农户9 0 以上自备了各种加工机械。 全县拥有甘薯加工设备6 5 万台( 套) ，每年十月份加工季节，全县耗电量2 4 0 0 万度，占全县农 电消耗的近5 0 ，仅用2 0 多天时间可把全县9 5 以上鲜薯全部转化成淀粉，每亩甘薯产值由过 去的五、六百元增加到千元左右，“小规模、大群体”的加工模式已经形成。 农村淀粉废水的捧放特性与其加工生产是分不开的。我国农村淀粉生产主要集中在每年的9 月末到1 1 月上旬。因此，淀粉废水的排放量也十分的集中，其带来的污染也主要集中在每年的9 月末到1 1 月上旬。但是它对水体的污染及所带来的影响，却远远超出了这个期限。 甘薯在粉碎制淀粉浆的过程中，一般要加入十倍于薯种的清水，稀释成悬浊液。而除去沉淀 下来的淀粉外，上部清液都要排出户外，由于卢龙县生产淀粉的农户将生产废水任意直接排放到 附近的水体中，经过各条河流汇入下游的洋河水库，致使对下游洋河水库的水质产生了十分严重 1 3 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 的影响，使得水库每年7 月中旬至9 月中旬都产生严重的。水华”现象。由此对洋河水库造成了 极其严重的污染。近几年已经引起了人们的重视“” 洋河水库位于秦皇岛市抚宁县城北1 0 k i n 处，于1 9 6 2 年建成蓄水，总库容3 5 3 6 ) 1 0 s m 3 ，兴 利库容( 兴利库容就是调节库容即正常蓄水位与死水位之间的库容差，用以调节径流、提高枯 水期的供水量或水电站出力) 1 3 9 1 0 8 一是一座以向秦皇岛市供水为主，兼有防洪、灌溉功能 的大型水库。水库多年平均蓄水7 5 0 0 ) 8 0 时，则应加酸进行调节。 b 出水回流 一般情况下，厌氧反应器的出水碱度会高于进水碱度，所以可采用出水回流的方法来控制反 应器内的p h 值，同时出水回流还可以起到稀释作用。采用该法来控制反应器内p h 值，回流比 一般控制在5 到2 0 之间。 3 0 中国农业大学硕士学位论文第三章淀粉废水的两相厌氧处理 综上所述，本次试验研究的产酸相p h 值控制在5 5 - 6 5 之间，以使得产酸相中底物可以很好 的被酸化。产甲烷相中的p h 值控制在6 5 - 7 5 之间。p h 值的控制方法是采用在反应器中直接投 加n a 0 h 的方法。 3 3 2 系统水力停留时间( h r t ) 的确定 根据产酸相与产甲烷相微生物菌群的繁衍时代时间不同，产甲烷菌的世代时间较长，一般为 0 5 7 d ，而产酸菌的世代时间则较短，一般为o 1 2 5 d 。为了实现动力学分相法，本次试验研究的 h r t