（环境工程专业论文）上流式厌氧污泥床反应器（uasb）处理硝基酚废水研究.pdf

上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 摘要 本研究利用两个上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器，分别处理含3 一硝基酚和2 ，6 - 二硝基酚的人工配制废水，探讨了硝基酚在u a s b 中的降解、转化性能，重点研究了 硝基酚负荷、进水葡萄糖浓度和水力停留时间( m 玎) 对硝基酚、c o d 降解的影响及 对u a s b 运行的影响；研究了硝基酚、氨基酚、c o d 、v f a 和碱度沿u a s b 反应器 高度的分布：对实验前后颗粒污泥的特征进行了比较分析。通过对连续实验结果进行 分析，得到以下主要结论。 ( 1 ) 保持进水葡萄糖含量和水力停留时间( h r t ) 不变，分别为2 5 0 0m g l 和 2 6h ，进水3 - n p 浓度由2 0m g l 逐渐提高到2 5 0m g l ，整个实验过程3 - n p 去除效果 都很好，去除率保持在9 9 以上。3 一氨基酚( 3 。a p ) 是3 。硝基酚( 3 - n p ) 降解过程中 的主要中问产物，3 - n p 转化为3 - a p 的转化率( 分子产率) 较高，由6 0 升高到1 1 1 9 ； 由于大部分3 - n p 转化为3 - a p ，使得废水的毒性大大降低。随进水3 - n p 浓度的提高， c o d 去除率有所降低，但葡萄糖的去除效果没有受到影响。从3 硝基酚的去除效果 和反应器运行性能来看，利用u a s b 处理3 - n p 废水是可行的。 ( 2 ) 通过逐渐降低进水中葡萄糖浓度的实验发现，迸水葡萄糖浓度对3 - n p 的降 解和3 - a p 的转化率有明显的影响，要保证3 - n p 有较好的去除和转化效果，迸水中必 须保证足够的葡萄糖含量。本实验结果表明，当进水c o d 浓度在1 0 0 0m g l 以上时， 可使3 - n p 去除率保持在9 9 以上，3 - a p 的转化率在8 0 以上。随进水中葡萄糖浓 度的降低，出水c o d 浓度变化不大，但c o d 去除率逐渐降低，这是由于出水c o d 中很大一部分是由3 - a p 贡献的。 ( 3 ) 保持进水中葡萄糖和3 - n p 浓度不变，h r t 由2 6 h 逐渐降低到1 2 h ，3 - n p 具有较好的去除效果，去除率保持在9 7 以上；3 - a p 转化率在7 1 9 8 7 a 2 之间； 出水c o d 浓度变化不大，保持稳定的去除率；h r t 降低到1 2 h 时，出水v f a 升高， 但在正常范围内，出水其它指标正常，反应器运行良好。 ( 4 ) 通过分析实验前后反应器内颗粒污泥的粒径分布发现，在3 - n p 厌氧降解性 实验中，随着有机负荷的不断增大，颗粒污泥受到硝基酚毒性的影响，大颗粒的污泥 被破坏，不断破碎成小颗粒，致使粒径大于2 m m 的颗粒污泥减少，粒径小于0 5 m m 的颗粒污泥增多；0 5m m 2t u r n 的颗粒污泥含量变化不大。 ( 5 ) 保持进水中葡萄糖含量和水力停留时间( h r t ) 不变，分别为2 5 0 0m g l 和 3 5h ，进水2 , 6 二硝基酚( 2 ，6 - d n p ) 浓度由8 2 4m g l 逐渐提高到1 9 6 6 4m g l ，反应 器达到稳定运行时，2 ，6 - d n p 具有很好的去除效果，去除率保持在9 7 以上；2 , 6 d n p 浓度低于1 7 0 0 4m g l 时，c o d 去除率较高，在9 0 以上；2 , 6 - d n p 浓度提高到1 9 6 6 4 m g l 时，c o d 去除率急剧下降到7 3 6 3 ，实验末期降低到5 0 ，出水v f a 升高到 3 4 8m g h a c l ，u a s b 反应器有酸化的趋势。利用u a s b 去除2 , 6 。d n p 是可行的，但 要控制一定的进水2 ，6 一d n p 浓度，浓度较高时，对颗粒污泥的毒性较大，产甲烷阶段 受到抑止，较多的有机酸积累在反应器中，会导致反应器运行的不稳定。 ( 6 ) 在u a s b 反应器中，3 - n p 的降解非常迅速，沿反应器高度从下端到顶端， 3 - n p 浓度逐渐降低。在2 0 5c m 高度以下，8 0 以上的3 - n p 被转化，但只有3 0 的 3 - n p 转化为3 - a p ：在2 0 5c m 以上，随着水流的向上流动，3 - n p 浓度不再进一步降 低，而是逐渐转化为中间产物3 - a p ，因此出水3 - a p 浓度逐渐升高，在顶端3 - a p 浓 度达到最大；在4 0 5c n l 高度以下，颗粒污泥对c o d 的去除占到整个u a s b 反应器 去除c o d 总量的7 0 0 8 9 4 1 5 ，在4 0 5 锄以上c o d 浓度变化不大，基本保持 稳定；在u a s b 反应器4 t i n 高度以下，v f a 较大，碱度较小，沿u a s b 反应器从下 向上，v f a 逐渐减小，碱度逐渐增大。 u a s b 反应器中，2 ，6 - d n p 的降解也非常迅速，沿反应器高度从下端到顶端， 2 , 6 一d n p 浓度逐渐降低。在2 0 5c m 高度以下，5 7 9 8 以上的2 , 6 一d n p 得到去除，2 0 5 咖以上，2 , 6 一d n p 浓度迅速降低，沿高度的升高，2 , 6 - d n p 不再进一步去除，2 , 6 一d n p 浓度保持稳定；在2 0 5 锄以下，颗粒污泥对c o d 的去除占到整个u a s b 反应器去 除c o d 总量的6 2 2 7 9 5 8 1 ，在2 0 5c m 高度以上的污泥层起到稳定水质的作用。 关键词：u a s b ；颗粒污泥；硝基酚；降解；转化 t h e s t u d yo fn i t r o p h e n o lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tu s i n gu p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) a b s t r a c t i nt h i st h e s i s3 - n pa n d2 , 6 - d n pw a s t e w a t e r sa r et r e a t e dr e s p e c t i v e l yb yt w ou p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ( u a s b ) d e g r a d a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fn i t r o p h e n o l sa r e s t u d i e dc o n s e q u e n t l y t h ee f f e c to fn i t r o p h e n o lr a t e , i n p u tg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n sa n d h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) t ot h ed e g r a d a t i o no fn i t r o p h e n o la n dc o d a sw e l la st h e o p e r a t i o no fu a s ba r ei n v e s t i g a t e d a tt h em e a nt i m e , t h ed i s t r i b u t i o no fn i t r o p h e n o l ， a m i n o p h e n o l ，c o d ，v f aa n da l k a l i n i t ya l o n gt h ed i f f e r e n td e p t ho fu a s b a r ei n v e s t i g a t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n a e r o b i cg r a n u l e sb e f o r ea n da f t e re x p e r i m e n ta r ea l s oc o m p a r e d t h em a j o rc o n c l u s i o n sf o l l o wb e l o w ( 1 ) t h r o u g h o u tt h es t u d yo f3 - n pw a s t e w a t e ra n a e r o b i cd e g r a d a t i o n ，i n p u tc o d c o n c e n t r a t i o na n d h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a r ek e p tc o n s t a n ta s2 5 0 0m 扎a n d 2 6h ， r e s p e c t i v e l ya n dt h ei n p u t3 - n pc o n c e n t r a t i o n sa r ei n c r e a s e df r o m2 0m g r lt o2 5 0m g r l i n t h ew h o l ec o u r s eo fe x p e r i m e n t3 - n pr e m o v a le f f i c i e n c i e sa r ea l w a y sm o r et h a n9 9 3 - a p i sf o u n dt ob et h em a j o ri n t e r m e d i a t ed u r i n gt h ed e g r a d a t i o no f3 - n ri nt h ee x p e r i m e n to f 3 - n pd e g r a d a t i o nw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s 。o nm o l a rb a s i s ，a b o u t6 0 111 9 o f 3 - n pi sr e c o v e r e di nt h ef o r mo f3 - a p , w h i c hd e t o x i f y3 - n pw a s t e w a t e rg r e a t l y d u et o i n p u t3 - n pc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s i n g ，c o dr e m o v a ld e c r e a s e sal i t t l e , b u tg l u c o s er e m o v a l i sn o ta f f e c t e da n da l w a y sh i g h t h eg a sp r o d u c t i o ni n c r e a s e sf r o m7 9 5i dt 0 11 0 4l i d t h eo p e r a t i o no fu a s bi ss t a b l ea n dt r e a t m e n to f3 n pw a s t e w a t e ru s i n gu a s bi sf e a s i b l e ( 2 ) i n p u tg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n sh a v eo b v i o u se f f e c tt ot h ed e g r a d a t i o no f3 - n pa n d t r a n s f o r m a t i o no f3 - a p , w h e ni n p u tg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s eg r a d u a l l y t oh a v e h i g h3 - n pr e m o v a la n dt r a n s f o r m a t i o ne f f i c i e n c i e s e n o u g hg l u c o s em u s tb ek e p ti nt h e i n p u t i nt h i sp a p e r3 - n pr e m o v a la n dr a t eo f3 - a pc o n v e r s i o na r ea l w a y sa b o v e9 9 a n d 8 0 ，r e s p e c t i v e l yw h e ni n p u tc o d c o n c e n t r a t i o ni sk e p ta b o v e1 0 0 0m e c uw i t ht h e d e c r e a s i n go fi n p u tg l u c o s ec o n c e n t r a t l o n s ，t h eo u t p u tc o dc o n c e n t r a t i o n i ss t a b l e b a s i c a l l y , b u tc o d r e m o v a l sd e c r e a s eg r a d u a l l yb e c a u s e3 - a pa e c o a n t $ f o rg r e a ti no u t p u t c o d t h eg a sp r o d u c t i o nr e d u c e sg r a d u a l l y ( 3 ) w h e ni n p u tg l u c o s ea n d3 - n pc o n c e n t r a t i o na l ek e p tc o n s t a n ta n dh r ti s d e c r e a s e df r o m2 6 ht o1 2 hg r a d u a l l y , 3 - n pr e m o v a le f f i c i e n c i e sa l eh i g ha n da l w a y sa b o v e 9 7 t h er a t eo fc o n v e r s i o nf r o m3 一n pt o3 - a pi sb e t w e e n7 1 9 8 7 4 2 o u t p u tc o d c o n c e n t r a t i o n sa l es t a b l eb a s i c a l l ya n dc o dr e m o v a li sk e p th i g h w h e nh r ti ss h o r t e dt o 1 2h ，o u t p u tv f ai sh i g hb u tw i t h i nt h en o r m a lr a n g e ( 4 ) i nt h ee x p e r i m e n to f3 - n pw a s t e w a t e ra n a e r o b i cd e g r a d a t i o n ，w i t ht h ei n c r e a s i n g o fo r g a n i cl o a d ，t h eg r a n u l e sa l ea f f e c t e db yt o x i c i t ya n db i gg r a n u l e sa l ed e s t r o y e dg r e a t l y s os o m eb i gg r a n u l e sa l eb r o k e nt ot h es m a l lo n e s t h eg r a n u l e sw h i c h p a r t i c l es i z e i sm o r e t h a n2n l mr e d u c eg r e a t l ya n dg r a n u l e sw h i c hp a r t i c l es i z el e s st h a n0 5l 衄i n c r e a s el a r g e l y t h eg r a n u l e sw h i c hp a r t i c l es i z ei sb e t w e e n0 5n l mt o2m m k e e ps t a b l eb a s i c a l l y ( 5 ) t h r o u g h o u tt h es t u d yo f2 , 6 一d n pw a s t e w a t e ra n a e r o b i cd e g r a d a t i o n ，i n p u tc o d c o n c e n 仃a t i o na n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) a r ek e p tc o n s t a n ta s2 5 0 0m g la n d3 5h ， r e s p e c t i v e l y a st h ei n p u t2 , 6 一d n pc o n c e n t r a t i o n sa l ei n c r e a s e df r o m8 2 4m g lt o1 9 6 6 4 m g l ，2 , 6 一d n pr e m o v a le f f i c i e n c i e sa r ea l w a y sm o r et h a n9 7 w h e nt h eo p e r a t i o no f u a s bi ss t a b l e w h e nt h e2 ，6 一d n pc o n c e n t r a t i o ni sb e l o w17 0 0 4m l c o dr e m o v a li s a b o v e9 0 w h e n2 ，6 一d n pc o n c e n t r a t i o ni si n c r e a s e dt 0 1 9 6 6 4m 以c o dr e m o v a l d e c r e a s et o7 3 6 3 s h a r p l ya n d5 0 a tl a s t o u t p u tv f ai n c r e a s e st o3 4 8m g h a c lg r e a t l y t h e r ei sad a n g e ro fa c i d i f i c a t i o ni nu a s b r e m o v i n g2 , 6 一d n pu s i n gu a s bi sf e a s i b l eb u t c e r t a i n2 , 6 一d n pc o n c e n t r a t i o nm u s tb ek e p t h i 曲2 , 6 - d n pc o n c e n t r a t i o nh a st o x i ce f f e c t t og r a n u l e sa n dm o l ev f aa c c u m u l a t ei nu a s bw h i c hm a k e so p e r a t i o no fu a s bu n s t a b l e ( 6 ) t h ed e g r a d a t i o no f3 - n pi nu a s bi sr a p i d t h e3 - n pc o n c e n t r a d o n sd e c r e a s ef r o m t h eb o t t o mt ot h et o pa l o n gu a s ba n db e c o m em i n i m a li nt h et o po fu a s b 8 0 o f3 - n p a r et r a n s f o r m e db e l o w2 0 5c n li nu a s bb u t o n l y3 0 o f 3 - n pi st r a n s f o r m e dt o3 - a p w h e nt h ew a s t e w a t e rf l o w st ot h et o p ，3 - n pc o n c e n t r a t i o ni sn o td e c r e a s e df u r t h e rb u tt h e r e s i d u a l3 - n pi st r a n s f o r m e dt o3 - a pg r a d u a l l y s o3 - a pc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s eg r a d u a l l y a n da r eb i g g e s ta tt h et o p t h ec o dc o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s eg r a d u a l l y c o dr e m o v a l b e l o w4 0 5c ma c c o u n t sf o r7 0 0 8 9 4 1 5 o ft h et o t a lr e l n o v a li nu a s b c o d c o n c e n t r a t i o ni ss t a b l eb a s i c a l l ya b o v e4 0 5c n li nt h eb o t t o mo fu a s b ，v f ai sh i g ha n d a l k a l i n i t yi ss m a l l v f ai n c r e a s e sa n da l k a l i n i t yd e c r e a s e sg r a d u a l l yw h e nt h ew a s t e w a w r f l o w st ot h et o p t h ed e g r a d a t i o no f2 , 6 - d n pi nu a s bi sa l s or a p i d t h e2 , 6 - d n pc o n c e n m a f i o n s d e c r e a s ef r o mt h eb o t t o mt ot h et o pg o n gu a s b 5 7 8 o f2 , 6 - d n pa r er e m o v e db e l o w 2 0 5c mi nu a s b t h e2 , 6 - d n pc o n c e n t r a t i o n sd e c r e a s e r a p i d l ya b o v e2 0 5c ma n d 2 , 6 - d n pr e m o v a li ss t a b i e c o dr e m o v a lb e l o w2 0 5c l l ta c c o u n t sf o r6 2 7 2 9 5 8 1 o f t h et o t a lr e m o v a li nu a s ba n dt h eg r a n u l e sa b o v e2 0 5c n ls t a b l et h ew a t e rq u a l i t y k e yw o r d s su a s b wg r a n u l e j n i t r o p h e n o l id e g r a d a t i o n it r a n s f o r m a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包含未获得 l 逵；塑遗直基焦盂要缱型童堕 煎：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者繇冲黼，签字嗍) 略6 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名蠡) 堆尚 签字日期：二即僻臼lo l l 导师箨兮宪移 签字日期：弘惦j 月p 日 学位论文作者毕业后去向：爿匕羝 一 工作单位：雨辜丛钧槛萄厉l 窃刁电话：o l t f 弓占7 o 捌一3 通讯地址：彬糸铿璃搠镫暮粟狲b 编：j 邝7 石 。 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 0 前言 随着近代工业，尤其是有机化工、石油化工，农药等工业的迅速发展，有机化 合物的产量和种类与日俱增，其污染程度严重和范围广令人惊叹，特别是在发达国 家和地区，有毒有机污染物对环境的污染和危害已成为当今世界上“三大环境问 厩”之一。 含氮芳香化合物，如硝基芳香化合物、偶氮染料和芳香胺类，是重要的环境优 先控制污染物，主要通过与工业生产有关的人类活动进入环境中。硝基酚是最重要 的和多用途的工业有机化合物之一，作为原料和中间物被广泛应用于火药、药物、 杀虫剂、色素、染料、木材、防腐剂、橡胶等化学工业中。硝基酚也产生于生物圈 中微生物的活动和自然过程。它们也由几种含磷杀虫剂的微生物分解而产生，如对 硫磷或者由含有部分硝基酚的杀虫剂的光分解产生。在硝基酚、硝基苯、硝基氯苯 生产过程的洗涤工段产生的废水及硝化废水中常含有3 - n p 。环境中这类物质可引起 严重的公众健康和环境问题，其中一些物质具有致畸或致癌作用，并可在食物链中 生物聚积。美国环境保护总局( e p a ) 已将2 硝基酚、4 硝基酚、2 ，4 一二硝基酚列为 “优先污染物”，并且限制自然水体中它们的浓度不大于1 0 9 9 l 。e p a 还针对排放 硝基酚和生产硝基酚化合物的工厂设定了预处理标准( 美e p a ，1 9 8 8 ) 。在国际优 先污染物名单的1 1 7 7 种危险污染物中查到硝基酚排名大于1 4 位。因而如何减少这 类他合物对环境的污染，引起人们广泛的关注。 根据有机物生物降解的难易程度，一般可将其分为以下三类： ( 1 ) 易于被微生物利用，可立即作为能量营养物来源的物质，称为易生物 降解物质。 ( 2 ) 逐步被微生物利用的物质，称为可生物降解的物质。 ( 3 ) 降解很慢或根本不降解的物质，称为难生物降解物质。 第一类化合物包括一些简单的糖类、氨基酸、脂肪酸以及涉及典型代谢途径的 化合物。 第二类化合物降解需要一段驯化时间，在此期间很少或根本不发生降解作用。 第三类化合物包括一部分天然物质以及合成物质，这些物质很难或根本不降解， 其原因除了化学结构因素外，还有物理因素及环境因素等。由于这类化合物含有某 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 些有害物质，如重金属、高氮、高硫等，对微生物有毒害作用。 有机物难降解的原因大致可分为两种：1 、对微生物有毒害作用；2 、化学结构 稳定。针对这两种原因，常采用有针对性的处理手段是：l 、采用絮凝沉淀、萃取、 膜分离、催化氧化、电化学氧化、湿式氧化、光化学催化等物理化学处理方法，把 难降解有机物分离出来，或转化为易生物降解的有机物；2 、在生化处理技术中用培 养、改性、调节变异和接种等手段培养出能分解难降解有机物的微生物细菌，对难 降解有机物进行降解和转化。 对于含难生物降解的高分子有机物或有毒物质的有机废水，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，因此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采用 厌氧生物处理技术，处理上采用厌氧一好氧组合工艺。可见，对于难降解性有机废 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；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工艺成为当务之急。 硝基酚废水污染面广，毒性较大，难以生物降解，严重影响常规生物法的处理 效果，如何减少这类化合物对环境的污染，已经引起人们广泛的关注。为有效地解 决硝基酚废水造成的环境污染问题，国内外都在致力于新技术的研究与开发。当前 厌氧生物技术被认为是处理该类污染物应用前景最好的方法，它比化学和物化处理技 术效果好而且处理费用低。与其它厌氧生物处理装置相比，上流式厌氧污泥床反应 器( u a s b ) 以其处理能力大、处理效果好、操作简单等特点，正越来越受到人们的 青睐，u a s b 作为一种高效厌氧处理技术，近年来得到了广泛的应用。 本研究在综合考虑上述现实情况和国内外研究现状下，着重对有毒难降解有机 物一硝基酚在厌氧条件下的生物降解性，上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理含 硝基酚废水的处理性能及效果进行了研究，以对于实际硝基酚废水的处理提供一定 的参考和工程指导。 2 上流式厌氧污泥床反应器椰a s b ) 处理硝基酚废水研究 1 文献综述 1 1 废水厌氧生物处理技术的发展 现代厌氧生物技术在污水处理领域的应用是以1 8 8 1 年法国学者m o u r a s 发明 “m o u r a s 自动净化器”为起点的，至今已有一百多年的历史。厌氧生物处理发展早 期主要应用在污泥和废水中固体废物的减量处理中，故一般也称为厌氧消化过程。 厌氧生物处理的发展大致可以分为三个阶段：1 8 6 0 1 8 9 7 年，简单的沉淀与厌氧发 酵池合并运行的初期发展阶段；1 8 9 9 1 9 0 6 年，污水沉淀与污泥发酵分层进行的发 展阶段；1 9 1 2 年至今，独立式建造的高效反应器发展阶段。 1 2 厌氧处理技术的原理 废水的厌氧生物处理是指在无氧的条件下，利用厌氧微生物的代谢作用，把废 水中的有机物转化为小分子的有机物和无机物( 主要是c h 4 、c 0 2 、h 2 s ) 以及细胞 物质。厌氧生物处理过程十分复杂，涉及到众多的微生物种群，各种生物种群都有 相应的营养底物，并且产生各自的代谢产物；这些微生物种群通过直接和间接的共 营关系，互相影响、互相制约，组成一个复杂的共生系统，称为微生态系统。 b r y a n t ( 1 9 7 9 ) 等人根据微生物的菌群关系提出了当前较为公认的厌氧消化三阶 段理论模式，该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、h 2 ，c 0 2 和甲醇以外的有机酸和 醇类，长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、h 2 、c 0 2 等后，才能 被甲烷菌利用。如图1 - 1 所示，j g z e i k u s ( 1 9 7 9 ) 在第一届国际厌氧消化会议上提 出了四种群说，将水解与发酵分开并将同型产乙酸作用分离出来，进一步完善了厌 氧消化的理论模式“1 。 该理论将厌氧消化过程分为三个阶段、四个过程：水解发酵阶段( 包括水解过 程和发酵过程) ；产氢产乙酸阶段( 产乙酸过程) ；产甲烷阶段( 产甲烷过程) 。 ( 1 ) 水解过程 高分子有机物因为相对分子量巨大，不能通过细胞膜，必须经过水解酶转变成 小分子有机物溶解在水里才能够被微生物利用。 ( 2 ) 发酵过程 水解过程产生的小分子有机物在发酵细菌的细胞内转化为更简单的化合物，主 3 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 要是乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸( v f a ) 、醇类、乳酸、二氧化碳、氢、氨、硫 化氢等。 图卜l 厌氧消化三阶段模式图 ( 3 ) 产乙酸过程 产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的水解发酵的中间产物，如丙酸、丁 酸等脂肪酸，醇类和乳酸等进一步转化成乙酸、氢、碳酸、二氧化碳等。 ( 4 ) 甲烷过程 前面几个过程产生的乙酸、氢、二氧化碳、甲酸、甲醇等被产甲烷菌转化为甲 烷和二氧化碳。 水解和发酵过程是由同一类细菌来完成的，发酵过程和产乙酸过程是由不同细 菌完成的两个产酸过程，主要产物都是有机酸 2 , 3 1 。 1 3 厌氧反应器的发展过程 采用厌氧方式处理污水的历史要比好氧方式处理污水长，从1 9 世纪中叶以后人 们己经开始有目的地将厌氧生物处理技术用于处理有机废水和污泥，至今已将近1 5 0 年。近3 0 年来，随着人们对厌氧技术原理认识的深入和生物科学技术的发展，厌氧 生物反应器技术得以飞速发展，厌氧反应器的发展经历了三个阶段4 6 1 ： 第一代厌氧反应器( 1 8 6 0 1 9 5 5 ) ：以厌氧消化池( c 虹) t ) 和厌氧接触工艺 ( a c p ) 为代表，属于低负荷系统。反应器中废水水力停留时间( h r t ) 和污泥停留时 间( s r t ) 相等，反应器中污泥浓度低，废水在反应器中的停留时间很长。厌氧接触工 4 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 虽然使得水力停留时问和污泥停留时间分离，但是它是通过污泥回流来实现的，而 不是通过反应器本身截留污泥来实现的。 第二代厌氧反应器( 1 9 6 7 1 9 8 1 ) ；以厌氧滤池( a f ) 和升流式厌氧污泥床反应 器( u a s b ) 为代表，属于高负荷系统。通过微生物固定化技术( 厌氧生物膜和厌氧 颗粒污泥) ，使第二代厌氧反应器实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离，反 应器内能够保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，并注重培养颗粒污泥。 第三代厌氧反应器：以颗粒污泥膨胀床( e g s b ) 和厌氧内循环反应器( i c ) 为 代表。它的特点是在将污泥停留时间和水力停留时间相分离的前提下，通过高的水 力负荷和强的产气搅动作用，使固液两相充分接触以提高传质效率，从而既能保持 大量污泥又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触，以达到真正高效的目的”1 。 1 4 厌氧处理技术的优点 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”。”： ( 1 ) 节省动力消耗：在厌氧处理过程中，细菌分解有机物是无分子氧呼吸， 故无需向系统提供氧气，从而可节省大量电能。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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，且污泥稳定，可降低污泥处理费用。 ( 4 ) 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 5 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。 ( 5 ) 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、农药废水、印染废水等。而采用厌氧生物处理则可获得较 5 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 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 5 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 的发展及其特点 u a s b 作为一种高效厌氧处理技术，近年来得到了广泛的应用。u a s b 反应器是 荷兰w a g e n i n g e n 农业大学的l e t t i n g a 等人于1 9 8 0 年初研制成功的，到1 9 9 0 年，国 外建立的各种废水u a s b 处理厂达2 0 5 座，总容积2 8 7 7 2 2 m 3 t m 】。国内在这方面也有 很多应用u a s b 的实践。 1 5 1u a s b 反应器基本构造 图l 一2 悬u a s b 反应器的构造示意图。反应区为u a s b 反应器的工作主体，其 中装满高活性厌氧生物污泥，用以降解废水中的有机污染物。布水区位于反应区的 底部，其主要功能是通过布水设备将待处理的废水均匀布入反应区，完成废水与厌 氧活性污泥的充分接触。分离出流区位于反应器顶部，其主要功能是通过三相分离 器完成气液分离和固液分离i l ”。u a s b 反应器各部分分述如下： 图1 2u a s b 构造示意图 ( 1 ) 污泥床 污泥床位于整个u a s b 反应器的底部，污泥床内具有很高的污泥生物量，其 6 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 污泥浓度( m l s s ) - - 般为4 0 0 0 0 8 0 0 0 0 m g l 。污泥床中的污泥由活性生物量( 或细菌) 占7 0 8 0 以上的高度发展的颗粒污泥组成。正常运行的u a s b 中的颗粒污泥的 粒径一般在0 5 5 0 m r n 之间，具有优良的沉降性能，其沉降速度一般为1 2 1 4 c m $ ，其典型的污泥容积指数( s v d 为1 0 2 0 m l j g 。颗粒污泥中的生物相组成比较 复杂，主要是杆菌、球菌和丝状菌等。污泥床的容积一般占整个u a s b 反应器容积 的3 0 左右，但它对u a s b 反应器的整体处理效率起着极为重要的作用，对反应器 中有机物的降解量占到整个反应器全部降解量的7 0 9 0 。 ( 2 ) 污泥悬浮层 污泥悬浮层位于污泥床的上部，它占整个u a s b 反应器容积的7 0 左右，其 中的污泥浓度要低于污泥床，通常为1 5 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l ，由高度絮凝的污泥组 成，一般为非颗粒状污泥，其沉降速度要明显小于颗粒污泥的沉降速度，污泥容 积指数一般在3 0 4 ( h n l j g 之间，靠来自污泥床中上升的气泡使此层污泥得到良好 的混合。污泥悬浮层中絮凝污泥的浓度呈自下而上逐渐减小的分布状态，这一层 污泥担负着整个u a s b 反应器有机物降解量的1 0 3 0 。 ( 3 ) 沉淀区 沉淀区位于u a s b 反应器的项部，其作用是使由于水流的夹带作用而随上升 水流进入出水区的固体颗粒( 主要是污泥悬浮层中的絮凝性污泥) 在沉淀区沉淀 下来，并沿沉淀区底部的斜壁滑下而重新回到反应区内( 包括污泥床和污泥悬浮 层) ，以保证反应器中污泥不致流失而同时保证污泥床中污泥的浓度。沉淀区的 另一个作用是可以通过合理调整沉淀区的水位高度来保证整个反应器集气室的有 效空间高度而防止集气空间的破坏。 ( 4 ) 三相分离器 为保证u a s b 正常工作，除需培养高沉降性、高活性的颗粒污泥外，三相分 离器分离效果的好坏也是决定u a s b 成功的关键。三相分离器一般设在沉淀区的 下部，但有时也可将其设在反应器的顶部。三相分离器的主要作用是将气体( 反 应过程中产生的沼气) 、固体( 反应器中的污泥) 和液体( 被处理的废水) 等三 相加以分离。将沼气引入集气室，将处理出水引入出水区，将固体颗粒导入反应 区。由于厌氧工艺生物体的增殖速度慢，加上厌氧反应产生大量气体，如果三相 分离器分离效果不佳，将导致大量污泥随出水带走，使反应器内污泥浓度降低， 7 上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 处理硝基酚废水研究 最终导致整个u a s b 反应器崩溃。三相分离器由气体收集器和折流挡板组成，具 有三相分离器是u a s b 反应器污水厌氧处理工艺的主要特点之一。它相当于传统 污水处理工艺中的二次沉淀池，并同时具有污泥回流的功能。因而三相分离器的 合理设计是保证其正常运行的一个重要内容。国内外有许多这方面的研究1 1 2 1 5 1 ， 但一般都是专利。 1 5 2u a s b 的工作原理 如图l 一2 ，废水由反应器的底部进入后，由于废水以一定的流速自下而上流动以 及厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥充分混合，有机质被吸附分 解，所产沼气经由反应器上部三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥的废水进入 三相分离器的沉降区，由于沼气已从废水中分离，沉降区不再受沼气搅拌作用的影 响，废水在平稳上升过程中，其中沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部 分，从而保证了反应器内高的污泥浓度，含有少量较轻污泥的废水从反应器上方排 出。u a s b 反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，能够允许较大的上流速 度和很高的容积负荷f j 6 】。u a s b 反应器运行的3 个重要的前提是：反应器内形成 沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥；产气和进水的均匀分布所形成良好的自然