（环境科学与工程专业论文）abr与msbr联合处理豆制品废水的工程应用.pdf

硕十学何论文 a b s t r a c t s o y b e a np r o c e s s i n gw a s t e w a t e rp o s s e s sg r e a tp r o p o r t i o ni nt h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e r i ti sd i f f i c u l tt ob et r e a tb e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e dc o m p o n e n t ，h i g hc o n c e n t r a t i o na n dh i g hi n v e s t m e n t s i th a si m p o r t a n tm e a n i n ga n dw i d e rp r o s p e c t st ot h e d e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n ds o y b e a np r o c e s s i n gi n d u s t r ya n dt h e c o r r e l a t ei n d u s t r yt os t u d yt h em e t h o do fs o y b e a np r o c e s s i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t a n dp u tf o r w a r da n de f f e c t i v ep r o j e c t t h em a i nc n o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sa b o u tt h ei n d u s t r yp r o c e s s i n gf o rw a s t e w a t e r w h i c hd i s c h a r g ef r o mas o y b e a np r o c e s s i n gm i l li nl o u d ic i t y b yt h ec a r e f u l i n v e s t i g a t i o no fc o r r e l a t e dd a t a g r a m ，t h ep a r t i c a u l a ra n a l y s i sa b o u tt h eo r i g i n a t e so f t h ew a s t ew a t e r ，t h eq u a l i t ya n dc h a r a c t e r i s t i co fi t ，a sw e l la st h es y n t h e t i cc o n t r a s t o fc o r r e l a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e t w e e nt h ed o m e s t i cs o y b e a np r o c e s s i n gw a s t e w a t e r sp r o c e s s i n gp r o j e c ta n do v e r s e a s w eu s et w os e c t i o n st oc a r r yo ni t t h ef i r s t s e c t i o n ：w eu s et h ea n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) f o ra n a e r o b i ct r e a t m e n t t h e s e c o n ds e c t i o n ：t h em o d i f i e d s e q u e n c i n g b a t i c hr e a c t o r ( m s b r ) f o ra e r o b i c t r e a t m e n t t h e r ea r em a n yb e n e f i t sa b o u tt h ea n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ：t h ep e r f e c p r o c e s s i n ge f f e c t ，t h es t a b l em o v e m e n t s ，t a k i n gf e wp l a c e s ，f e ws l u d g ew h i c h r e m a i n si nt h ep r o c e s s i n ga n ds oo n t h e r ea r em a n yb e n e f i t si nt h em o d i f i e d s e q u e n c i n gb a t i c hr e a c t o r ( m s b r ) c r a f t ，t o o s u c ha s ：t h es m a l li n v e s t m e n t s ，t h e l o wc o s ti no p e r a t i n g ，t h en i m b l em o v e m e n tw a y ，t h eh i g he f f i c i e n c yf o rp r o c e s s i n g ， t h eg o o de f f e c ti nd e n i t r o g e n n a t i o na n dt h ee l i m i n a t i o no fp h o s t p h o r u s a f t e r3 m o n t h s p r o j e c ta d j u s t m e n t s ，w ec a nk n o wf r o mt h ea p p r o v a lm o n i t o rd a t at h a tt h e a v e r a g ee l i m i n a t i o nr a t ea b o u tt h ec o d c r b o d 5 ，n h 4 + na c h i e v et o9 7 ，9 8 a n d 8 0 t h ef a c i l i t yp r o c e s s i n ge f f e c ti ss t a b l e t h ew a t e r s q u a l i t y h a sm e tt h e d i s c h a r g e o f i n t e g r a t e d w a s t e w a t e r d i s c h a r g es t a n d a r d ( o b 8 9 7 8 19 9 6 ) p a r tir e q u i r e m e n t s t h ep r a c t i c ep r o v e s t h a tt h em e t h o dw h i c hw eu s et h i s c o m b i n a t i o nc r a f lt o s o y b e a np r o c e s s i n gw a s t e rw a t e rh a se x t r e m e l ye c o n o m i c e f f i c i e n c ya n dt h ee n v i r o n m e n tb e n e f i t k e y w o r d s ：s o y b e a np r o d u c t s ；w a s t e w a t e r ；a b r ；m s b r i 硕 ：学位论文 插图索引 1 1 豆制品废水产污环节示意图1 2 1 活性污泥工艺基本流程图5 2 2 厌氧发酵过程示意图8 2 3 生物脱氮过稃机理8 3 1 活性污泥发展历程1 0 3 2i c e a s 反应器1 l 3 4c a s s 反应器1 2 3 5i d e a 工艺流程图1 3 3 6d a b i a t 工艺流程图1 3 3 7u n i t a n k 工艺流程图1 4 3 8m s b r 工艺流程图1 5 3 9 厌氧内循环反应器构造图2 0 3 1 0 厌氧升流式流化床构造图2 1 3 1 1a b r 结构简图2 3 3 1 2a b r 流态模型2 4 4 1 工艺流程图2 7 4 2 污水处理站进水的c o d c r 值4 2 4 3 调节池出水的c o d c r 值4 3 4 4a b r 厌氧折流板反应器出水4 3 4 5m s b r 池出水的c o d c r 值4 3 v i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕一f 他论文 附表索引 表1 1 混合豆制品废水的类型2 表3 1 不同反应器死区容积分数2 4 表4 1 原水综合水质及排放标准2 7 表4 2 微孔曝气器技术参数表3 3 表4 3 用电负荷清单表3 3 表4 4 废水处理系统各工段处理效果4 4 v i l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文足本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：在伽 日期：m 彭年i 参月a 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，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 黧锄 导师签名：彦舰卅厢 日期：川年，明文日 日期：洲年f 胡u 硕卜学能沦芝 1 1 问题的提出 第l 章绪论 豆制品是以大豆为原料经过加工制作得剑的产品。豆制品分为传统 豆制品和新兴豆制品，传统豆制品包括豆腐、豆腐干等非发酵制品和酱 油、腐乳等发酵制品；新兴豆制品，包括豆奶粉、豆奶以及分离蛋白、 浓缩蛋白、组织蛋白、蛋白饮料等蛋白制品。豆制品营养丰富，受到人 们的广泛喜爱。目前传统豆制品全国具有大、中型加工企业l0 0 0 多个， 能够生产出豆浆、豆腐、豆腐干、百叶、腐竹、豆豉、豆酱、腐乳和酱 油等9 个系列10 0 多个品种；新兴豆制品是最近l0 多年来我国大豆加工 利用的新方向。 豆制品加工过程中会产生大量有机废水，一般每加工1 吨大豆可产 生了7 10 m 3 豆腐废水，豆制品废水的c o d ( 化学耗氧量) 、b o o ( 生化耗 氧量) 值较高，t n ( 总氮) 和n h 3 一n ( 氨氮) 也较高，属于高浓度有机废水。 据报道生产7 5 吨大豆蛋白所排放的废水，其b o d 值相当于2 5 3 万人 口的城市一天的生活污水。我国豆制品加工量较大，如果废水不处理 直接排放，会对环境产生严重的污染。但豆制品厂的企业规模以中小型 居多、资金力量薄弱、企业布点分散，分布在城郊接合部的许多企业所 排放的废水不易纳入城市管网。因此，废水的有效处理是豆制品厂所必 须面对的尖锐问题。 1 2 豆制品废水的处理现状 1 2 1 豆制品废水的排放 我国现有的豆制品生产方式主要有机械化的大中型加工企业与小型 作坊式两种。以最为典型的产品豆腐为例，其工艺及产污环节示意如下 【2 】： 童产穗沱夏瘩 广一一一一r 一一1 一r 一一一一一一t 一一一1 舡i 一由一凼一由一豳一凼一囱一由一孑谚 弗乏瘩甓兹式 图i 1 豆制品废水产污环节示意图 豆腐生产过程中，高浓度水来源于泡豆水和压滤成型时排放的废水 硕1 节f 寺论艾 ( 俗称黄浆水) ，低浓度废水来源于生产清洁水。泡豆残余水一般为豆重 的1 1 5 倍，黄浆水一般为豆重的4 5 5 5 倍。生产清洁用水，视场地， 工器具、加工量等的影响，这部分废水变动较大，大约为豆重的l0 2 0 倍。泡豆水的主要污染物质有：水溶性非蛋白氮、水苏糖、棉子糖等寡 糖，柠檬酸等有机酸以及水溶性维生素、矿物质等，此外，还含有异黄 酮等色素物质。黄浆水所含污染成分比泡豆水还复杂，除含有泡豆水所 有的成分外，还含大豆乳清蛋白、大豆凝血素、胰蛋白酶抑制因子、氨 基酸、脂类等，可溶性固形物含量较高。清洁水基本污染成分为乳清蛋 白、糖类、豆渣、清洁剂等【3 1 。豆腐排放水的c o d c r 部比较高，黄浆水 c o d c r 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l ，泡豆水c o d c r 4 0 0 0 8 0 0 0 m g l ，清洁用水 c o d c r 50 0 1 5 0 0 m g l 【4j 。各股废水的水量和浓度会随着生产工艺、产品 类别、生产习惯等的不同而不同。 1 2 2 豆制品废水的污染特性 豆制品废水有毒有害物质少，有机物含量相当丰富，如表1 11 5 】，本 身对人体并没有多大的危害，但其中的蛋白质、碳水化合物、维生素、 矿物质等非常有利于各种微生物的生长和繁殖。如果随便排放，将会使 水体变酸变臭，颜色发黑，如排入池塘、湖泊等封闭水体，还会造成富 营养化；另外，污水流经的地方往往还会蚊蝇成群，直接影响周围居民 生活环境和身体健康。因此，豆制品废水是一种对环境污染严晕、影响 面较广的典型高浓度食品废水之一。豆制品废水中的有机物多是好氧性 物质，其b o d c o d 之比较高，达到0 6 0 7 ，c ：n ：p 较符合生物生长的 需要，因此应用最多的是生物法处理工艺。 表1 1 混合豆制品废水的类型 项n数量 c o d c r ( m g l ) b o d 5 ( m g l ) n h 4 + - n ( m g l ) t k n ( m g l ) s s ( m g l ) t p ( m g l ) 蛋白质 p h 值 1 2 3 豆制品废水的处理现状 从2 0 世纪6 0 年代起，国外就对高浓度食品废水的处理进行了研究 【6 1 。7 0 年代，国内也开始研究采用新型消化器处理豆制品废水，经过多 年的发展，现在已形成了以生物处理为主的一系列豆制品废水处理技术。 2 o 0 ) 0 m 圳如训郇删仙 一加枷”姗汕 硕l 学f ? r 沦乏 1 2 3 1 好氧生物处理 陈亮等【7 1 用a b 活性污泥法对豆制品废水进行处理，结果表明：当a 、 b 段的溶解氧分别控制在0 8 1 2 、2 0 3 0 m g l ，污泥负荷分别控制在 o 2 、0 3 k g c o d c r k g ml s s 左右，曝气时间分别控制到2 0 0 m g l 以下，总 去除率达9 7 以上。这主要是凶为a 段活性污泥中微生物以较低级的原 核生物细菌、霉菌等为主，污泥泥龄短，微生物代谢能力和增长繁殖速 度快，污泥活性高，净化能力强。b 段活性污泥中微生物主要是较高级 的真核生物鞭毛虫、纤毛虫等，具有吞噬游离细菌的作用，进一步改善 了出水水质。 新加坡开发出由活性污泥好氧池和沉淀池组成的活性污泥反应器来 处理大豆加工废水【8 1 。废水在两池分别停留8 h 和2 h 后，9 5 的c o d c r 、 6 7 的氨以及5 7 的磷可被去除。 1 2 3 2 厌氧生物处理 厌氧生物处理具有能耗少、有机容积负荷率高、污泥产量低、沉降 性能好等优点，用其来处理豆制品废水的研究报道也最多。 梁家原等 9 1 采用总容积为5 l 的多级厌氧消化器处理豆腐废水，发现 在发酵温度3 0 ，进水c o d c r 为l4 0 0 0 2 8 0 0 0 m g l 时，c o d c r 去除率 可达9 8 左右，沼气产率为0 4 2 0 6 5l g c o d c r ，其中甲烷含量达5 3 以 上。 刘双江等【1 0 1 用升流式厌氧污泥床( u as b ) 处理豆制品废水，容积负 荷为1 1 3 12 2 k g c o d c r m 3 - d 时，对废水浓度和水力滞留时间( h r t ) 的变化，具有较强的适应能力。当进水c o d c r 浓度在4 2 3 0 8 4 5 0 m g l 、 h r t 在8 l6 h 范围变化，反应器c o d c r 去除率能维持在7 6 81 的水 平。但容积负荷变化对反应器运行有一定的影响，当负荷从 1 1 4 k g c o d c r m3 d 提高到1 7 1k g c o d c r m 3 d 时，c o d c r 去除率则81 下 降到71 。 1 2 3 3 厌氧好氧生物处理 施玉书等1 1 采用“水解酸化厌氧消化兼氧消化好氧消化一生物净化 排放”的工艺处理豆制品废水，该流程不消耗能源，并且既能利用沼气形 成的压力，也能利用自然空气为好氧池提供氧气，系统c o d c r 总去除率 达9 9 6 ，净化后排放水符合国家排放标准。 卞文国 12 1 用t c 厌氧好氧”二段处理工艺对豆制品废水进行了处理，取 得了良好的效果，达到了国家排放标准，并投入了生产性运转。 帧- 学伊论文 1 3 研究的主要内容 ( 1 ) 总结前人的研究成果，对现有豆制品废水处理方法进行整理、 综合分析，确定本研究的主要方法。 ( 2 ) 通过分析现有豆制品废水的水质、水量、排放特征等找出合适 的处理方法。 ( 3 ) 设计豆制品废水的处理工艺，并通过试验观察其运行情况。 ( 4 ) 根据实验数据对豆制晶废水处理的方法、工艺进行分析。 结合本论文的实验成果，为豆制品加工废水的治理提供可借鉴的参 数和一定的理论依据。 4 硕 学伊论文 第2 章基本理论 自然界中存大着巨大数量的微生物，它们以有机物为生，通过自身 机体新陈代谢而氧化分解有机物最终将其还原成为稳定化、无害化的无 机物，人类就是利用微生物的这种生理现象，通过人为控制的方法形成 适合生物生长繁殖的条件，加强生物的增殖和代谢过程，从而使污染物 从水中快速去除。活性污泥( a c t i v a t e d s l u d g e ) 在工程实践中用m l s s ( 混合 液悬浮固体) 和m l v s s ( 混合液挥发性：悬浮固体有机部分) 表示。而微生物 赖以生存的有机物称作底物( s u b s t r a t e ) ，它与生物量间的比值称f m 值， 是影响底物降解速率、氧利用速率、活性污泥絮凝和吸附的重要因素。 污水生物处理分为两类： 生 搿篓镞茹篇嬲嚣纂萋 厌氧法主要用于高浓度有机( 工业) 废水或污泥的处理，产物是c 0 2 和c h 4 。好氧法主要用于城市污水和有机工业废水的处理，产物是c 0 2 和h 2 0 。废水能否被降解可以通过可生化性判断，通常用b o d 5 c o d 值 来表示，当： 广b o d 5 c o d 0 4 5 时，可以被生物降解 _ b o d 5 c o d o 2 时，难于被生物降解 l b o d 5 c o d 0 时，不能被生物降解 2 1 污水好氧生物处理 2 1 1 基本流程 空气 进水 围出水 1 一 生上剩余污泥 图2 1 活性污泥工艺基本流程图 2 1 2 反应过程 ( 1 ) 初期吸附去除：泥水接触5 l0 分钟内，有机底物即大量去除， 这种初期高速去除是物理吸附和生物吸附交织在一起的吸附作用导致 硕f 学 l l 论文 的。 ( 2 ) 生物代谢：被吸附在活性污泥微生物表面的有机底物，在透膜 酶的作用下，通过细胞壁进入细胞内。小分子的有机底物能够直接透过 细胞擘而进入微生物体内，而如淀粉、蛋白质等大分子有机物则必须在 细胞外水解酶的作用下，被水解为小分子后才可进入细胞体内。进入细 胞后在各种胞内酶( 如脱氢酶、氧化酶) 的催化作用下，被分解与合成代谢。 发生如下反应： 对一部分有机底物进行氧化分解，最终形成c 0 2 和h 2 0 等稳定物 质，并从中获取合成新细胞物质所需要的能量： ，、整 c h s o , + 卜专一参 x c o , + i y h 2 0 - 捕 ( 式2 1 ) 对另一部分有机底物进行合成代谢，形成新的细胞物质，所需能 量取自分解代谢： ，、 酶 n c h , o , + 删，+ 巾“。p 山( 式2 2 )、 1- 工二二 农五h t n o ：) + 旅一5 ) c o , + 要一4 归2 0 a h 微生物对自身细胞物质进行氧化分解，并提供能量，称为内源呼 吸或自身氧化。当有机底物消耗殆尽时，内源呼吸就成为提供能量的主 要方式： 酶 ( c s ，n o d , + 5 0 2 5 c 么+ 刹2 0 + n h 3 + a l l ( 式2 3 ) 2 2 污水厌氧生物处理 废水厌氧处理来源于污泥消化处理。因为污泥中含非常大量的有机 物，采用好氧处理能耗太大，所以采用厌氧处理，并逐渐用于高浓度有 机废水的处理，即：在无氧条件下，由兼性菌及专性厌氧细菌降解有机 物，最终产物是c 0 2 和c h 4 。 2 2 1 基本流程 ( 1 ) 应用范围广：最新资料显示，一体化厌氧工艺可以处理各种类型、 各种温度、各种浓度的废水。 ( 2 ) 有机容积负荷率高：好氧为2 4 k g c o d c r m3 d ，厌氧至少为5 10 k g c o d c r m 3 d 。 ( 3 ) 动力消耗低：仅为好氧处理的l l0 ，所产沼气还可用于系统加 热。 6 硕f 学f 一沦之 ( 4 ) 污泥产量低，沉降性能好：仅为好氧处理产泥量的l 6 l l0 且s b i 值为5 0 m l g 。 ( 5 ) 营养盐需要量少：用b o d 5 ：n ：p 表示，好氧为l0 0 ：5 ：l ，厌 氧为30 0 3 5 0 ：5 ：l 。 ( 6 ) 被降解的有机物种类多。 2 2 2 厌氧消化模式 曾经认为厌氧消化分为酸性发酵和甲烷发酵两阶段，后来比较公认 的是三阶段模式，现在又将第一阶段的水解阶段独立出来使厌氧消化分 成四个阶段。参与甲烷发酵的细菌根据其代谢类型的差异可分为四种营 养类型：即发酵细菌、产氢产乙酸菌、同型乙酸菌、产甲烷菌，这些营 养型菌作为一个整体的协调作用，保证了甲烷发酵过程的稳定性。根据 参与甲烷发酵的不同营养类群微生物对基质的代谢，厌氧降解过程可以 描述为4 个阶段，即水解阶段、发酵阶段、产氢产乙酸阶段以及产甲烷 阶段。过程示意图参见图2 2 。 ( 1 ) 在水解阶段：高分子有机物因相对分子质量巨大，不能透过细 胞膜，因此不可能为细菌直接利用。因此它们在第一阶段被细菌胞外酶 分解为小分子。例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀粉 被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肚与氨基酸 等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用 ( 2 ) 在发酵( 或酸化阶段) ：在这一阶段，上述小分子的化合物在发 酵细菌( 即酸化菌) 的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外。这 一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸( 简写v f a ) 、醇类、乳酸、二氧化碳、 氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞 物质，因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。 例如丙氨酸和甘氨酸的降解： c w ，c 勇嗍2 c o o t t + 2 h z d c 曰3 c o o h + c 0 2 + a 卿3 + 4 h ( 式2 4 ) + ) 2 c h 3 n h 2 c o o h + 2 4 日一2 c 日，c o o h + 2 n h 3 ( 3 ) 在产乙酸阶段：在此阶段，上一阶段的产物被进一步转化为乙 酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。 如：乙醇在s 菌株的作用下，转化为乙酸和氢气： 2 c h 3 c h 2 0 h + 2 也0 骂2 c 阢渊+ 4 ( 4 ) 在产甲烷阶段：这一阶段里，乙酸、氢气、碳酸、甲醇和甲酸等 7 硕士学位论文 被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。 发酵纽茁 复杂有橇物t 壤水他会掏鬻自震，黪炎j 水庸| i 发辫细菌 小分子宥帆耪等f 麦芽糖，赫萄糖氯蓉酸等， 发酵l 发酵细蓄 撵发牲鹰肪酸 ( g b 8 9 7 8 9 6 ) 一级标准印：p h 值6 9 ，c d d c r i o o m g l ，b i d s ( 2 0 e 9 1 l ，s s , ( g b 5 0 p 7 5 9 8 施工与验收： 5 管道，阀门按建筑给水排水及采疆工程茏工质量验牧规范 ( 6 8 5 0 2 4 2 2 0 0 2 ) 燕工与验收： 6 u p v c 管道参照室外硬聚氯乙烯给水管道工程施工及验收规程： ( c e c s i o ：9 0 ) 施工 与验收： 7 其它按施工图及技术要求施工与验收 螽 皇口8 一 - 一 飚蹦扭区中垃 弹嗣)唯l一 逦珥魁儆 皇 警 l e甓 譬 萎 重 塞 f i； 墨 毫l 著 羔 墨 墨 gi 号 i 墓 一 口 t i 二妄 一 军 ： 下 占 t i 8 宅 螽 ； r l藿ll璧 萋薹 萎喜i量t 毫 宝 群赛雕文雄魁 k 鹣 i k r、鬈譬 -刊 和啦f 薯目 因 麓 絮 基 抄一 自 差尉卜门峙i i i