（环境工程专业论文）常温下egsb反应器的运行特性研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 常温下e g s b 反应器的运行特性研究 ab s t r a c t ，n lee g s bre a c t o r isa n e whi gh. r a te妙 ro hi c re 朗 to r 初l hs o m e o ut-s 吻d i n g c h axac t e ri st l c s fe at ur e s . ftisa p p l l 目to恤ato r g aj m c w 已 蛇 e w a t e r ind i 月 免 r e n t c o n d i t i o ns. in the e x ped 口 er 氏wc stud l edthe start . upo f the re 朗 t o r w l tha ” 目 e 丁 o hi c s l u d g e in加rma l 把 m per at ur e and we re se ar c b e d o n the 叩e ra t l o n c h ar a c t e ri sticso f w as t e w a t e r innormal 抚mp e r ature . t 五 e r e s ultsa 丁 es h o 叭 叮b elo w. 1 . 刀 l e e g s bre a c t o r c o u l d bes ta rt e d 叩雨thanae ro b ics l u d g e a ft e r 1 0 o d ays in non 刀 alt e m per a tuxe . 口几e con c e n tl a t i o n o f i n 月 u e n t c o ds h ould bem o ret h an8 0 0 m g /lto 引 边 件 u pthe re a c t o r.t b e c h 肚 即 t e r isticso f the s l u d g e werev 州ed atthe e n do f the e x p e 丘 m e llt 2 . s o r d e o p e iating ru1esinthe e g s b re a c t o r w e r e v ar i e d witht e m pe r a tuxe . 3 . 1 b e r e a c t o r 劝 爪 ed up inn o n 卫 a 1 t e m per a t ur e h a ds tr o n gabil ity tore si stthe c b 垃 g e o f the t e m pe r at ur e . 4 . t 五 e abili tyo f 二 si s t i ll g the c h ang e o f 奴 “ 9 别 叮 c fo a d in g ra t e o f the re 起 to r in the s 枉 lb il l 乙 对 i o n s t a g e was s tr o ngerth ant i1 a t inthe s ta rt . upstag e . 5 . it、 v a sv e 理 q u l ck ando 川 yto ok 1 5day s att h en o nl因 加 田 p 沈 川 u r efor the seco n d 呵 引 刀 找 . upo f the e g s br e a c t o r a ft e r it was d epos i t edatthe 1 ow t e m p e r at ur e o f 5 1 1 ，crora fo 雌伴 o d o f t 如e . o r g a m c l o adwas 址 ghto2 7 .s z k g c o d 叹 m d) ， c o d 。 明 日e 伍。 e 刀 c y was 81% 巧gh s t art， u pl o a d 明d 且 e 以 l y i o c re 助 in g l o 司 s h o ul d be 叩p l i edfor the se con d 田 下砌找 u p o f the e g s b 众 滋 c t o r. k e y w o r d s : e g s b ; non 刀 a l 邵 助u l ars 】 u d g e ; ope ra t l onc b arac t e ri stics 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知， 在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 泳云一一2 0 0 7 年 0 7 月 0 4日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 典巨卜一 一- 2 0 0 7 年 0 7 月 0 4日 南京理工大学硕士学位论文常温下e g sb 反应器的运行特性研究 1 绪论 l l 前言 随 着经济的发展， 人口 的增加和 人民 生活水平的 不断提高， 世界范围内的淡 水 资源的 需求不断增大， 城市污水和工业废水排放量也不断增多， 处理难度加大。 这 些问 题己 经成为全球， 尤其成为发展中国 家的经济发展的重要制约因素111 。废水生 物处理技术作为水污染防治重要的工程技术手段之一， 对保护水环境和缓解水资 源 短 缺问 题 有 重 要的 作 用 2 。 废水的生物处理技术包括好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。 传统废水好 氧生物处理技术目 前仍在废水处理中发挥着积极作用， 随着工业发展， 废水尤其是 工业废水中 难降 解的有机物大量增加， 废水的 有机物浓度提高， 传统好氧生物处理 工艺已经不能满足废水处理要求。同时好氧生物技术处理废水时要消耗大量的电 能，资料显示发达国 家用于废水处理的能力消耗已占 全国 总电 耗的 1 % 左右， 它实 质是利用能量的大量消耗改善废水的水质。 所以， 废水好氧生物处理是耗能型的 废 水处理技术.近 30 年，由于能源短缺问题又日 趋突出，所以 各国的环境工程专家 潜心研究寻找新的节能高效的 有机废水处理工艺。 于是废水厌氧生气处理技术又成 为 解决问 题的 研究方向 之一 问。 过去厌氧生物处理主要用于污泥消化稳定和高浓度废水的预处理。近 20 年， 厌氧处理工艺发展很快，开发了一批新的废水厌氧生物处理工艺， 新型厌氧生物处 理反应装置更加紧凑、高效，具有广阔的应用前景。 厌氧处理工艺的副产物生物气 沼气可以 利用， 使得厌氧处理技术由 耗能型转变为 能耗平衡以 至产能型， 成为 一种既节能又产能的 低成本废水生物处理工艺， 更加能适应废水处理的需要。 各国 学者的 研究证实， 厌氧处理工艺不仅可处理高浓度有机废水， 而且可以 处理中等浓 度废水， 还成功地证实了处理低浓度废水的可行性: 大量的 研究和实际生产应用显 示出 厌氧处理工艺 在高 温和 低温条 件 可成 功 运行， 并可 在常 温低温下 运转良 好14，6. 引 5 . 包括中国 在内 的 大多 数发展中 国 家需要既 有效、 简单又费 用 低廉的 技术， 因 而废水厌氧生物处理技术是适合我国国 情的一种技术。 厌氧生物处理是利用活性污泥中厌氧微生物自 身的代谢特性， 将废水中的有机 物进行还原， 在还原的同时 产生甲 烷气体的一种经济而有效的处理技术。 厌氧生物 处 理 过 程可 分为 三阶 段， 即 水 解 发 酵 阶 段、 产氢 产乙 酸 阶 段 和 产甲 烷阶 段 【 161 。 第 一 阶段为水解发酵阶段， 复杂有机物在微生物的 作用下进行水解、 发酵， 转化为 长链 脂肪酸和醇类物质; 第二阶段是产氢产乙 酸阶段，由 一类专门的 细菌 一产氢产乙 酸 菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇转化为乙酸、 氢气和二氧化碳; 最后一个阶段产 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反应器的运行特性研究 甲 烷阶段，产甲烷细菌利用乙酸、 氢气和二氧化碳产生甲 烷气体。与好氧生物处理 相比 ， 厌氧 废 水 处 理 技 术有 如 下明 显的 优点 【1飞 ( 1)厌氧方法可处理高浓度的有机废水。 传统的好氧方法只能处理c o d浓 度10 0 0m叭 左 右的 废 水， 而 厌 氧 工 艺 则 可以 处 理 极高 浓度的 有 机 废水. ( 2 ) 厌氧方法对营养物的需求很小。好氧方法对营养源的需求一般是 c 0 d 习 。 : n : p = 1 00: 5 :1 ， 而厌氧方法为 ( 3 505 0 0): 5 :1 . 有机废水中 含有一 定量的 氮和磷以 及多种微量元素，因 此厌氧方法可以 不添加或添加少量营养盐。 (3) 厌氧废水处理设备负荷高、 占 地少。 厌氧反应器的 容积负荷要比 好氧工 艺高很多，所以 单位反应器容积的有机物去除量也大很多，这对于人口 密集、 地价 昂贵的地区很有吸引力。 (4) 厌氧废水处理技术不但能源需求少， 而且可以 产生大量的能源， 是一项 非常经济有效的技术。 (5) 厌氧系统规模灵活， 设备简单， 制造简单， 无需昂贵的设备。 (6) 厌氧处理工艺的菌种可以在终止供给营养源的情况下保留活性与良 好 的沉淀性能至少一年以上。它的这一特性为间断的或季节性的运行提供了有利条 件，这也是好氧工艺的活性污泥所不及的。 l z 厌氧反应器技术的发展 厌氧生物处理技术至今已 有1 00多年的发展历史， 其中反应器是厌氧生物处理 技术中发展最快的。 实践证明， 保持足够的 生物量以 及废水与厌氧污泥充分混合是 厌氧反应器高效稳定运行的关键，由此产生了不同结构类型的厌氧反应器。 1860 年法国工程师 mo uras就采用厌氧方法处理废水中经沉淀的固体物质。 1 896 年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池， 所产生的沼气用于照明 118. 在19 10年德国 的玩 止 。 ff 将 其 发 展 成为1 找 山 o ff 双 层沉 淀 池 ( 即 腐化 池) ， 这 一 工艺 至今 仍然在有效 地利用i9l. 在1 9 10年至1 9 50年， 高 效的 、 可加 温和搅 拌的 消 化池 得到了 发展， 其比 腐化池有明 显的 优 势。 s c hr o 叩 fer在20世 纪50年代 开发了 厌氧接触反应器。 这种反应器是在出 水沉淀池中 增设了污泥回 流装置， 增大了 厌氧 反应器中的污泥浓度， 处理负荷和效率显著提高。 上述反应器被称为第一代厌氧反 应器。由 于厌氧微生物生长缓慢， 世代时间长， 而厌氧消化池无法将水力停留时间 和污泥停留时间 分离，由 此造成水力停留时间必须较长， 一般来讲第一代厌氧反应 器处理废水的停留时间至少需要2030天。 高效厌氧处理系统必须满足以下两个条件: ( 1) 系统内能够保持大量的活性厌 氧污泥。 (2) 反应器进水应与污泥保持良 好的 接触. 依据这一原则， 加世纪60年 代末， m c c ar ty和young 推出了 第一个基于微生 物固定化的高速厌氧反 应署 豁 一 一 厌 2 南京理工大学硕士学位论文 常温下e g s b 反应器的运行特性研究 氧滤池。 它的成功之处在于在反应器中 加入固 体填料的表面， 免于水力冲刷而得到 保留， 巧 妙地将 平均水力停留 时间 与生 物固 体停留 时间 相 分离， 其固 体 停留 时间 可 以 长达上百天， 这就使得厌氧处理高 浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩 短到几小时或几天。 在相同温度下，厌氧滤池的负荷高出厌氧接触工艺 2 3倍， 同时有很高的c o d去除率， 而且反应器易于培养出适应有毒物质的厌氧污泥。 1 9 72 年， 厌 氧 滤 池 首次 较 大 规模 地 应 用 于 小麦 淀 粉 废 水 处 理。 1 9 74年， 荷兰釉g ni ng en 农 业 大学的l 毛 tt i n g a 教 授领导的 研究 小组 研究 和 开 发了u a s b反 应 器技术， 其最大 特点是反应内 颗粒污泥保证了高浓度的 厌氧污泥， 标志着厌氧反应器的 研究进入了 新的时 代。 1 9 50年， s w l t ze n b a um 和j e w e l l 推出 厌氧固定膜膨胀床反应器， 此外还 有厌氧生物转盘和厌氧垂直折流式反应器的处理效果，1 9 84年由 加拿大学者g 山 。 等人提出了 上流式厌氧污泥床和上流式厌氧滤池结合型的新工艺， 即上流式厌氧污 泥床过滤器工艺。后人将上述几种反应器统称为第二代厌氧反应器。 在己 开发的高效厌氧反应器中， u a s b反 应器是一种研究 最为深入、 应用最为 广泛的厌氧反应器，已 大量成功地应用于各种废水的处理。 u a s b反应器内 有机负 荷高， 水力停留时间 短，处理周期大为 缩短; 反应器无填料，无污泥回流装置， 无 搅拌装置， 成本和运行费用大大降低;初次启动后可直接以 污泥颗粒接种，目 前己 成为最广泛的厌氧处理方法。 但反应器内 可能出 现短流现象， 影响处理能力;当进 水中的悬浮物浓度过高时会引起堵塞。 对于这些情况， 无疑传统高效u a s b系统的 设计需要很大的改进， 正是对于这些困 难问 题的 研究， 导致产生了 第三代高效厌氧 反应器的开发和利用。 egs b 是 在以s b 反 应 器 的 基 础 上 于20世 纪80年 代 后 期 在 荷 兰袖g e n i n g en 农业大学环境系开始研究的新型厌氧反应器。 e g s b与u a s b反应器的不同之处仅 仅在于运行方式。上流速度高达 2. 5 6. o m /b ， 远远大于 u a sb 反应器中 采用的约 0. 5 2. 5 m 八 1 的 上流速度。 因 此， 在e g s b 反 应器内 颗粒污泥床处于“ 膨胀状态” ， 而 且在高的上流速度和产气的搅拌作用下， 废水与颗粒污泥间的 接触更充分， 水力停 留时间更短，从而可大大提高反应器的有机负荷和处理效率. 总的 来说， 与u a s b 反应 器相比 ， e g s b 反 应 器有如下 特点 12 0: ( l)e g s b反应器内 维持很高的 液体表面上升流速， 能在高负荷下取得高处理 效率。 (2) 反 应 器 采 用较 大的 高 径比 ( 巧 4 0) ， 细 高 型的 反 应 器 构 造可 有 效 地减 少占 地面积。 (3) e g s b 的 颗粒污泥 床呈膨 胀状态， 颗 粒污 泥性能良 好。 在高 水力负 荷条 件 下， 颗粒污泥的粒径较大， 凝聚和沉降 性能 好， 机械强 度也较高。 (4) e g s b 对布水系统要求较为宽松， 但对三相分离器要求更为严格. 高水力 3 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反 应器的 运行特性 研究 负荷使得反应器内的搅拌强度加大， 这保证了颗粒污泥与废水的充分接触， 强化了 传质过程， 可以 有效地解决u asb常见的短流、 死角和堵塞问题。 但是在高水力负 荷和产气浮力搅拌的共同作用下， e g s b反应器容易发生污泥流失现象。因此， 三 相分离器的设计成为e c s b高效稳定运行的关键。 (5) e g s b采用处理水回流技术。 对于低温和低负荷有机废水， 回流可以 增加 反应器的水力负荷， 保证处理效果; 对于超高浓度或含有毒物质的有机废水，回流 可以 稀释进入反应器内的基质浓度和有毒物质浓度，降 低其对微生物的抑制和毒 害， 这是e g s b区别于u a s b工艺最为突出的特点之一。 l 3国内外 e g s b反应器的研究和应用 在世 界 范 围内 ( 不 包 括中 国 ) 对 厌 氧 工 艺 进 行 统 计 ， 1 9 97 年 统 计 9 73 座 厌 氧反 应 器 中， u a s b 反应器占 全部项目 6 7%， e g s b 反应器仅占 6 % 市场份额。 而到19 99年共统计 了1 3 0 3 座厌氧反应器， 其中u a s b 反应器近8 00座，占 全部项目的59%，e g s b 反应器目 前占 厌氧工艺应用总数的n %。可见e g s b 反应器占 据市场的速度非常快，而且在新 建厌氧处理装置中占有很大的比例。同时，由于u a s b 及e g s b 技术含量高， 反应器、 三 相分 离 器 和 颗 粒 污 泥 等都 是 专 利 技 术， 国 际 上 荷 兰的 p a q ues 、 美国 的 bi o t h a n e 和比 利时的 bio t i m公司是世界上三个u a s b 及e g s b 技术的 厂家， 这三家公司占 市场 份额的7 4 肠。 在我国， 根据原轻工总会环保所在1999年对这类厌氧工艺的应用情况统 计， 全国 共 2 19 个项目 采用不同 类型的 厌氧反 应器， u a s b 反 应器有1 加座以 上 ( 其中 大 部分由国 外厌氧公司引 进或承建) ，占 全部总数的58 % ， 而无e gsb 反 应器的 实际 应用 实例报道。目 前，中小型u a s b 已大量用于工业废水的处理，而e g s b 的应用很少， 这表明我国厌氧处理技术尤其是e g s b 的研究和应用仍然落后于国外。 e g s b反应器内 污泥颗粒化及较高的液体升流速度， 使得e g s b 反应器具有高的 有机容积负荷及良 好的传质作用，因而e g s b 反应器可适合各种温度和浓度的有机废 水的处理。 n un e z， a us t e rmannn ，zou t比 r g 等 人 120 调通 过 对 不 同 中 高 浓 度 污 水 ( 分 别 为 混 合 短 链脂 肪酸配水、 屠宰 废水、 土 豆加工 废水、 长 链脂 肪酸 配水 和葡萄 糖自 配水 ) 研究， 结果充分说明了 用e g s b 反应器处理中高浓度的有机废水是可行和高效的。 在 中 高 温 下 ， 。 m i l 等 ( 19 % ) 以 丙 酸 和 丁 酸 为 基 质 126，为 ld y 2;.周等 ( 1 99 9) 以 乙 酸 和 甘 醇 为 基 质 ， j anw e ij lna四 等 (2 00 0) 以 甲 醇 和 d rie s 3 01 等 ( 19 97 ;l 99 8) 以 乙 酸 为 基 质 ， r e b 韶 131 等 人 ( 19 % ) 以 丙 酸 和丁 酸为 基质 分 别 进 行 硫 酸盐 处 理 研 究， 研究 结 果 充 分 说明 ， 利用e g s b 反应器处理含硫酸盐废水有极大的发展潜力。 e g s b 反应器处理含硫酸盐工 业废水的 研究将是进一步发展的重点。 助u t be r g l3 21 等 人 ( 1 99 乃 采 用 egs b 反 应 器 处 理 高 浓 度 的 甲 醛 和 甲 醇 有 毒 废 水 ， 获 得 4 南京 理工大学硕士学位论文常温下e o s b 反应器的 运行特性研究 高 处 理 效 能 . p ereia t33 等 人 (2 。 02 ) 以 油 酸 为 基 质， 几 似 e ma34等 ( 19 9 3) 处 理 高 浓 度 咖啡 废水，处理效果尚 可。以上研究显示， e g s b 反应器对有毒类的 废水通过稀释可 以有效提高处理效率。 综上所述，对e g s b 反应器的研究绝大多数集中 在中高温低浓度废水、高浓度废 水 及 有 毒 难降 解废 水的 研 究， 对 低 温水的 研 究尚 少. 所以 有 必 要 深 入 分 析 低 温 水， 尤 其是低温低浓度废水的高效处理问 题。 l 4 厌氧颗粒污泥 e g s b 反应器能否稳定、高效地运行， 在很大程度上决定于反应器内 的污泥性 能. 好的污泥应该具有良 好的沉淀性和高产甲 烷活性， 并且应呈颖粒状。 为此e g s b 反应器的启动越来越受到研究者和工程者的重视，但对其深入研究却很少。 e g s b反应器启动面临的首要问题是种泥的选择。 颗粒污泥、厌氧消化污泥、 牛粪和下水道污液均可作为e g s b反应器的种泥。处理相似废水的颗粒污泥是 e g s b反应器最好的种泥，因为在经过短的启动期后e g s b反应器既能获得理想的 运行效果。 但现在， 在许多国 家获取能用于启动大型e g s b反应器的处理相似废水 的厌氧颗粒污泥是非常困难的，甚至是不可能的，而且购买和运输的费用也较高。 而且种泥处理不同废水的颗粒污泥需很长一段时间的适应期。因此，需要考虑选择 其它种泥来启动e g s b反应器。 一般， 市政消化污泥不仅是最易获取的， 而且也是 较适宜的接种污泥。 因其不仅具有较高的产甲烷活性， 而具有复杂的微生物生态系 统， 适于处理多种废水。 但 接 种 市 政消 化 污泥时 ， 启 动 期 很 长， 一 般 需 要2 8 个月 才能 正 常 运 行 13 510 因 此，由于厌氧菌生长缓慢 ( 尤其是产甲 烷菌) ，形成高活性、稳定的颗粒污泥所 需的长启动期仍是e g s b反应器所面临的一个主要问 题， 而且这也正是限制其实际 应用的关键因素。因而对于污水厌氧生物处理工业来说， 迫切需要寻求厌氧颖粒污 泥的 大量、快速培养技术。 在厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程称之为颗粒污泥化， 颗粒污泥化是大多数 u a s b反应器启动的目 标和启动成功的 标志。 颗粒污泥的形成使反应器内 可以 保留 高 浓度的 厌氧污泥。 这首先是因为颗粒污泥具有极好的 沉降性能。 絮状污泥沉降 性 能较差，当 产气量较高、 废水上流速度略高时， 絮状污泥则容易冲洗出反应器。 产 气和水流的 剪切力也易于使絮状污泥进一步分散， 这加剧了 絮状污泥的洗出。 颗粒 污泥有极好的沉降性能，它能在很高的产气量和高上流速度下保留在厌氧反应器 内。 因 此， 污泥的颗粒化可以 使厌氧反应器允许有更高的 有机容积负 荷和水力负荷。 根 据h ul shoff p ul l36的 研究， 颗 粒 污 泥 化 还 具 有以 下的 优 点: 细 菌 形成 颗 粒 状的 南京理工大学硕士学位论文常温下e g sb 反应器的 运行特性研究 聚集体是一个微生态系统， 其中不同 类型的 种群组成了 共生活互生体系， 有利于形 成细菌生 长的 生理生 化条 件并 利于 有机物的降 解; 颗粒的 形成有利于其中 细菌 对 营养的吸收; 颗粒使发酵菌的中间产物的 扩散距离大大缩短，这对复杂有机物的 降 解 是重 要的; 在 废水 性质 突然 变 化时 ( 例如ph、 毒 性 物的 浓度等) ， 颗 粒 污 泥 能维持一个相对稳定的微环境， 使代谢过程继续进行。 ai 户 即 朋 r 口 刀 认为 颗 粒 污 泥 可以 定 义 为 具 有自 我 平 衡的 微 生 态 系 统 的 ， 其 特 性 特 别适宜于上流式废水处理系统的微生物聚集体。 这一聚集体从形态上是相对较大的 ( 直径大于 0. s mln ) 。与絮状污泥可能短时间形成的聚集体不同，颗粒污泥物理性 状是相对稳定的。颖粒污泥最重要的特征是它具有较高的沉降速度和高的比甲 烷活 性。颗粒污泥的形成实际上是微生物固定化的一种形式。但与其它类型的固定化不 同，它的形成与存在不依赖于任何惰性物质载体， 惰性载体对颗粒污泥的形成和它 的稳定性都不是必须的。 与颗粒污泥功能有关的最重要的性质集中于以下几个方面:生物活性:由 于 有机废水处理中有机物的转化是最重要的，因 此颖粒污泥必须有良 好的 生物活性。 沉降速度:在上流式反应器中，高的沉降速度对于保持高的污泥浓度是必须的。 机械强度:为避免污泥的过多流失，颗粒污泥应有一定的机械强度使其能足够稳 定，不易因水流的剪力、内部产气的压力而破碎。颗粒污泥的生长特性:污泥形 成颗粒化的过程是细菌自 发地固定化的连续过程，这一过程与颗粒污泥的其它特性 紧密相关。 颗粒污泥品质的优劣很难有明 确定义，因为在不同的条件下处理不同的废水可 能需要不同性质的颖粒污泥。 例如含未酸化碳水化合物的废水处理中需要更多的产 酸菌; 含5 0 月 2 . 的 废水处理中， 颗粒 污泥应有较高的 硫酸盐还原能 力; 含有毒 物质 废 水的处理则需要对毒物有一定适应能力的颗粒污泥。 颗粒污泥特性和某种特定条件下对颗粒污泥特性的要求这两者都取决于工艺 操作条件和废水的组成。图 1 . 1 表示出污泥颗粒化过程中所涉及的各种复杂因素的 关系。 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反应器的 运行特性研究 图1 ， 1废水特征、工艺条件和颗粒污泥特性之间的关系 1 万本课题的研究方向和意义 对于高浓度废水，由 于能够产生大量生物气， 这些生物气可以 用来将废水加热 到中温进行处理。 但对于低浓度废水，由 于其能够产生的生物气是有限的，远远不 能满足加热大量低浓度废水的需求. 而利用其它能源将废水加热到中 温处理是极为 不经济的。因此， 对于废水，尤其是低浓度废水应尽可能考虑在低温条件下处理。 低温厌氧生物催化的成功应用将具有极大的经济效益，因为一般将废水温度提 升到理想的中温范围需很多能量，这造成废水处理系统严重的经济负担.实际上， 至今所有的现场的厌氧处理系统在处理温度超过17的废水时就受到了限制。 同时启动初期反应器中投加无机絮凝剂或高聚物是加快污泥颗粒化的有效措 施 3s 川】 。 有研究 表明 ， 在反 应 器启 动时 ， 向 反 应器内 加 入亲 水性高 聚 物能 够 加 速 颗 粒污泥的形成， 从而缩短启动时间. 人为地向反 应器中投加适量的细微颗粒物如粘， 土、陶粒、颗粒活性碳等，有利于缩短颗粒污泥的出现时间。 但是，国际上只有少数国 家 ( 主要集中在欧美发达国 家) 对e g s b反应器进行 研究， 而且对e g s b反应器在常温条件下启动的 研究和报道相对比较少。 反应器常 温启动与运行可以节省运行能耗，降低运行成本，因而研究常温下的e g s b运行特 点对实际生产运行有一定指导意义。 而我国 对于e g s b反应器的研究与应用则刚刚 起步，目 前的研究方向包括e g s b反应器的工作特性、影响因素、颗粒污泥的生物 学 特性以 及实 验室 规模 应 用等 等 1中 卜 ， 01 ， 在实际 工 程中 的 应用还 不多 见。 因 而， 进 行 e g s b反应器在常温下启动和水处理特性研究有理论和实际 应用意义。 本文以实验室规模的厌氧膨胀颗粒污泥床 ( e g s b )反应器为研究对象，探讨 7 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反应器的运行特性研究 厌氧膨胀颗粒污泥床 ( e g s b )反应器在常温条件下稳定运行和其中的活性污泥快 速颗粒化问 题。 通过对e g s b反应器运行过程的 研究， 解析新型高效厌氧反应器工 作特性以 及厌氧活性污泥的微生物学特性等工作参数，以期获得一个经济实用的 组 合工艺。本文的主要研究内容有: ( 1) 以易降解废水为对象，考察常温下反应器的工作参数 ( 如进水浓度、有 机负荷率、回 流比 、 液体上升流速及p h值等) 及颗粒污 泥特性。 (2) 通过向 反应器内引入适当载体， 维持相同的进水条件，考察载体对活性 污泥颗粒化的影响。 ( 3) 重点考察反应器的启动运行期及稳定运行期温度变化对反应器运行的影 响。 ( 4 )探讨 e g s b反应器内动力学规律，建立相应的动力学模型，并利用模型 对e g s b反应器的高效稳定运行进行分析。 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反应器的 运行特性研究 2 反应器启动和运行特性研究 e gsb反应器能否稳定、高效地运行，在很大程度上决定于反应器内的污泥性 能。 好的 污泥应该具有良 好的 沉淀性和高 产甲 烷活性， 并且应呈颗粒状。 为 此e g s b 反应器的启动越来越受到研究者和工程者的重视， 但对其报道的却很少。 高温厌氧消化所能达到的处理负荷高，处理效果好， 但为维持较高的反应器温 度所需消耗的能 量也相对较高， 因 此， 只 有在原废水温 度较高或者是有大量的 废热 可以利用的条件下才可以选用。目 前，大多数的厌氧反应器的运行温度都是采用中 温运行，这样既可以获得较稳定、高效的处理效果，同时为维持反应器运行温度所 需消耗的能量还可以 接受，甚至可以 从产生的沼气中 获得。反应器常温运行虽然会 使厌氧反应的 速率降低，反应器的运行负荷降低， 但是可以 节省运行能耗，降 低运 行成本。因而在实际运用中，尤其是在我国现有的经济条件下常温运行有其特殊的 实际意义。 2. 1 材料和方法 2. l i 反应器 实验用 e g s b反应器用有机玻璃制成，圆柱形。总容积为 500 m l ，高度为 5 7 0 n u 刀 ，有效容积为2 2l m l ，高度为4 50m m ， 沿高度方向设置3 个取样口，其间 距为1 50inm 。有效容积区内径25inm ，反应器上部内 径60nnn 。反应器底部连接蠕 动泵，由 底部连续进水，顶部装有气、液、固 三相分离器，见图2 1 。 1 。 z 3 4。 ， 6 ; 一 城粗污泥脚帐未 三矛 口 分路易 处理水排放 处理水阅流 原有机减水 水枪 进水蔽 气体流童汁 图2. i egs b反 应器工艺流程示意图 2. l 2 接种污泥 取自 南京锁金村污水处理厂消化池中的絮状污泥， 污泥呈灰黑色，没有明 显的 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反应器的运行 特性研究 污泥小颗粒， 污泥松散不密实。 将污泥进行淘洗过筛 ( 14 目 筛网) 处理后装入反应 器中， 2 . 1 . 3 高度为柱高的1 1 3 ， 污泥浓度6 . 8 7 m 叭 ， 其v s s ff s s 为0 . 6 9 。 实验方法 同时运行两个反应器 对比实验。控制进水流速 其中反应器1 污泥中添加陶粒;反应器n 为空白 污泥作 ph、回流比。 反应器启动后采取连续运行方式。 2. l 4 配水水质 实验用水为自 配有机废水，在蒸馏水或去离子水中加入葡萄糖作为有机基质， 并按c o d : n : p 为2 0 0 : 5 :1 加入钱盐 和磷酸二氢钾，同时 还加入适量的 微量元 素。 在运行过程中还根据运行情况加入碳酸氢钠以 维持反应器内 部的p h值在6 .8 7. 2 之间。实验采用的配水水质如表2 . 1 所示。 表2. 1人工配制葡萄糖废水 组分 葡萄搪 用量 1 5 9 0.5 09 03 2 9 n践c l k hz p o4 c 副 c 贬 na 卜 i c 0 3 蒸馏水 用量 0 . 1 69 5 9 9 1 2 l c 副 c 120 .4 0 9 2. l 5 分析项目 及测定方法 p h :采 用b 2 01 一 c 型ph 计 c o d : 采用标准重铬酸钾法151 v fa: 采用滴定分析法161 灰分:将瓷柑锅洗涤后在6 00马弗炉灼烧 l h ，待炉温降至 1 00后，取出瓷 钳 竭 并 于 干 燥 器中 冷 却 ， 称 重 。 重 复 以 上 操 作 至 恒 重， 记 作ag。 取v ml水 样( 约 25 刘或1 2 9 污 泥) ， 置于 塔 祸， 如 果 样品 为 污 泥 可 将 其与 柑竭 一 起 称重记bg。 然 后 将含样品 的 增锅放入千燥箱， 在 ( 10 5 土 2) 下干燥至 恒重， 质量记作。 9 . 将含 干燥后样品的增祸在通风橱内 燃烧至不再冒 烟， 然后放入马弗炉， 在 6 00 下灼烧 zh， 待炉 温降 至1 00时， 取出 增祸 在 干燥 器内 冷 却 后 称重， 质量 记 作d go 计算:t s 丫x l 0 0 0 ( 9 几) 南京理工大学硕士学位论文 常温下e g sb 反应器的运行特性研究 v s = ts一 灰分 灰分= 竺 竺 、 1 0 0 0 ( 留 l ) ( 创 l ) 污泥中的灰分常以百分率表示，可计算如下: 灰分=竺 望 b一口 x1 0d % 悬 浮固 体 (s 5) 和挥发 性悬 浮固 体 仅5 5) : 标 准质 量 法15i j 产气量: 倒置内 装氢氧化钠碱液的盐水瓶( 如图 2. 2所示) ，瓶塞连有两根针 管: 一根与三相分离器的出 气管连接， 另一根靠在收集碱液的量筒壁上。 反应器内 厌氧发酵产生的甲 烷气、氢气、硫化氢、 二氧化碳等气体由 三相分离器的出 气管导 出，进入盐水瓶，其中的二氧化碳、硫化氢等酸性气体被碱液吸收，不能被吸收的 甲 烷气、氢气则将碱液压出。根据收集到的碱液体积即可估算甲 烷菌的产气量。 筒三瓶 图2. 2气体收集器示意图 污 泥 膨胀率:对于e g s b 反 应器 床层的 膨 胀 率 ( 动， 可按 下式 计 算: n = ( h一ho)/ h o x 1 0 0 % 其中: h 一膨胀后颗粒污泥床层的高度， m 场一静止状态下的颗粒污泥床层的高度， m 污泥颗粒沉降速度: 取量程为il的量筒， 侧定其高度，并注满清水。 将用自 来水淘洗过的颗粒污泥逐个加入量筒内， 底所需时间t ，然后利用公式v = hjt ( v 算得出该颗粒污泥的沉速。测试过程中 用秒表计量单个颗粒污泥从筒口 沉降到筒 为沉速， h为量筒高度， t 为测定时间) 计 在某个粒径范围内 一般测定其中20一 30 l l 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反应器的运行特性研究 个任意选取的颗粒污泥的沉速。 污泥粒径分布:取一定量 ( 1 5 1 1 l l j )的污泥，释其顺序通过 10 目， 20 目 ， 30 目， 5 0目 ，8 0目，1 0 0目的筛网。 将各筛网所截留的污泥收集， 烘干并称重，即可 计算 不同 颗 粒 污 泥 的 粒 径 分 布 1521 。 胞 外聚 合 物的 测定: 苯酚一 硫酸 法 53 】 2. 2 e c s b反应器的启动和运行状况 废水厌氧生物处理反应器成功启动的标志是，在反应器中短期内培养出活性 高、沉降性能优良 并适于待处理废水水质的厌氧污泥。在实际工程中，生产性厌氧 反应器建造完成后，快速顺利地启动反应器成为整个废水处理工程中的关键性因 素。 初次启动通常指对一个新的厌氧系统以 未驯化的非颗粒污泥接种， 使反应器达 到设计负荷和有机物去除效率的 过程， 通常这一过程伴随着颗粒化的完成，因此也 称之为污泥的颗粒化。 由于厌氧微生物， 特别是甲 烷菌增殖很慢， 厌氧反应器的启动需要较长的时间， 这被认为是高速厌氧反应器的一个不足之处。当 使用现有废水处理系统的厌氧颗粒 污泥 启动时， 它要比 其它 任何高 速厌氧反 应器的 启动都 要快得多 冈。 在荷兰农业大学环境系， 对厌氧污泥的 颗粒化和u a s b的 初次启动进行了多年 的 深 入 研 究 哪 ， 网 。 e g s b反应器是在 u a s b反应器基础上研制的 第三代高效厌氧反应器.除了 e g s b采用较高的液体表面上升流速和回 流之外， e g s b反应器在结构形式、 污泥 形态等方面与u a s b反应器非常相似。 u a s b反应器是目 前运用最广泛的 厌氧反应 器， 其工艺条件及技术参数相对e g s b反应器来说更趋成熟， 因此， 本实验中e g s b 反应器的启动运行可以参考u a s b反应器的启动及运行。 厌氧废水处理过程是由微生物完成的，细胞的生长和维持需要一定数量的养 分， 但有些养分过量会抑制厌氧系统的启动. 一般而言， 营养比约为c:n:p =75:5:1 ， 如以c为c o d的化学计量关系推算， 则c o d:n:p = 加0: 5 : 1 。 在厌氧生物处理中， 除了c 、 n 、 p 等营养物是微生物细胞合成所必需的外， 某些无机盐类虽然在微生物 细胞体内 存在甚微， 但对维持微生物的生长、繁殖及反应器中微生物培养阶段的稳 定运行都极为重要。本实验配制废水中含有部分金属离子。在整个实验过程中， e g s b反应器由5 月8 日启动至12月30 日， 共实际运行229 天。 人工配水进水c o d 在8 00 1 80 0m叭 之间 ， 维 持 进 水vup 在0. 32 一 3. 82 111 月 1 左 右。 实 验 结 果 见 表2. 2 . 最初阶段采取较低的水力负荷， 进水温度约20 ， c o d去除率较低， 一般在15% 左 右。 c o d去除率较低的原因， 一方面是由 于污泥活性较低: 另一方面则是由于絮状 l 2 南京理工大学硕士学位论文常温下e g s b 反 应器的运行特性研究 污泥内夹带的溶解性杂质随出水流出，导致出水 c o d偏高。产气量不明显，可以 认为低温影响了 微生物的生理活动，同时也与污泥中的 种群和生物量有关，品质较 差接种污泥的适应期相对较长.随着上升流速的变化，污泥有上浮现象.反应器运 行初期进水c 0 d维持在8 00一1 20o m g/ l . 运行过程中定期取出污泥颗粒进行观察。 结果发现，在初期的 30 天后， 反应器内的 絮状污泥底部均开始逐渐形成细小的 污 泥颗粒，呈黑色或灰白色，周围附着着乳白 色的粘性物质。随着时间的延长， c o d 去除率有明显提高;产气明显。反应器一直在常温下运行，温度随着天气的变化逐 渐改变， 运行后期温度降至5 ， c o d去除率也随着温度的降 低而下降， 在温度变 化范围 不大时， 去除率能够稳定维持， 当 温度有较大幅度的变化时， c o d去除率有 很大的波动.在反应器稳定运行阶段反应器器壁出现白色粘性物质。 表2. 2反应器运行情况 运行时间 ( d ) c o d去除 率 ( %) 运行温度 ( ) 过程特点 1 3 0 进水浓度 ( m g/i. ) 8 0 0 l 2 0() 1 2 (x) 1 5 0 0 1 5 0 0 1 9 0 0 6 2 41 9 2 7无气体产生 31 7 52 5 6 32 7 3 5反应器酸化:白色絮状物产生 7 6 2 2 93 7 9 03 5 5出现白色粘性物质 2. 2. 1 反应器的启动和运行初期 本实验采用污水处理厂消化池中的絮状污泥作为种泥进行初次启动。对于 e g s b反应器而言，由于其采用了较高的高径比，反应器内 液体上升流速可大幅提 高，使得颗粒污泥床能够充分膨胀，污泥与污水间传质更加迅速。通过查阅文献分 析认为接种市政消化污泥e g s b反应器的初次启动宜采用低进水浓度、高有机负荷 的 方式57一 601。 具体按以 下三个阶段进行:1低进水浓度、 高进水流量和高回流量; n 首先低进水流量和回流量，然后逐步提高进水浓度和回流量;in 快速提高进水 浓度和进水流量。 接 种市 政消 化污 泥e g s b 反 应 器首 先 在 低 进 水 浓度: s oo m 叭 左 右、 高 进水 流 量:l 31l /h、高回流量:6 l / h、高液体上升流速:2. 67n 讥 1 、进水负荷为 10 .98kgc o d 加3 .d左 右的 情 况下 运 行一 周。 进 水流 量 和液 体上升 流 速变 化 如图2. 3 所示。 污泥的颜色逐步由 黑变灰， 分析主要是由 于低浓度、高负荷造成产酸菌的快 速生长。由 于一方面接种的消化污泥难以 承受如此高的 有机负荷;另一方面反应器 h r t很低 ( 仅为0. 3 8 h ) ， 液体上升流速较高， 使大量污泥和溶解性污染物冲出反应 器，造成出水c o d偏高，从而使c o d去除率低，如图2. 4 所示。 从第 14 天起为提高污泥的 产甲 烷活性，以 尽快形成产酸菌和产甲 烷菌等各种 l 3 南京理工大学硕士学位论文常温下e g sb 反应器的 运行特性研究 微生物共存的稳定微生物群落， 进水流量降 至0. 3 8 l 小 ， 回流量降 至0 ， 进水c o d浓 度 提 高 至l oo om叭 左 右， 进 水c o d负 荷维 持 在18 .24 kg c 0 d /ms.d 左 右， c o d 去 除率开始提高。 月、司喇编长侧 刀万 zj 二、日)姻编嗽叫攀堪 05o0 qs1 01 52 02 5日 1 ， 运行时间( d) 图2. 3进水流量和液体上升流速 呈， 。 丫 / / “ 一 厂 / 赞菠报000 0s 图 2 .4c o d 1 01 52 025加 运行时间 ( d) 去除率随时间变化曲线图 2. 2 .2反应器稳定运行及负荷提高阶段 颗粒污泥经过一个阶段的驯化和启动以后，反应器的容积负荷也已提高至 1 9. 99 kgc o d /ms.d ， 反 应器内 的 絮 状污泥 底部 均开 始逐 渐形 成细 小的 污泥 颗粒， 呈 黑色或灰白 色。由于