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摘要 摘要 随着我国经济发展和城镇建设步伐的加快 寻求简单有效 投资省 运行费 用低的污水处理技术 解决水资源紧张和水环境质量日益恶化的现状问题成为面 临的一个迫切课题 而传统的厌氧生物处理工艺都存在着一定的局限性 如低负 荷运行时的短流效应 颗粒污泥的形成时间长 操作要求严格等 本文针对以上 问题 在回顾厌氧技术以及厌氧反应器的发展基础上 从现代厌氧反应器的发展 理念角度分析了新型厌氧反应器一降流式厌氧悬浮填料床 d a s b 的工艺特性 本文首先评述了国内外厌氧技术的研究和应用现状及迸展 综述了厌氧反应 器的研究进展 其次 分别利用化粪池出水和淀粉配制模拟的高浓度可生化性有 机废水作为污水源进行了试验研究 主要研究结论有 i 在处理低浓度有机废水时 d a s b 反应器在快速启动和容积负荷以及有 机物去除率方面都要优于u a s b 反应器 而处理高浓度废水时 d a s b 反应器的 处理效果要劣于u a s b 反应器 试验建议d a s b 反应器处理生活污水时最佳h r t 在6 h 左右 处理高浓度有机废水时最佳h r t 在1 0 h 左右 2 d a s b 反应器对有机物的去除效果较好 是系统内水流形式 生物膜填 料的物理化学作用和生物降解等多方面协同作用的结果 关键词 厌氧反应器 厌氧悬浮填料床 生活污水 生物膜 a b s l r d e l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ef a s ts t e po ft h et o w n c o n s t r u c t i o n t h es h o r t a g eo fw a t e rs o u r c e sa n dt h ed e t e r i o r a t i o na l et h es e v e r e p r o b l e m s s e e k i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw i t ht h ea d v a n t a g eo fh i g h p e r f o r m a n c ea n ds t r a c t u r e 1 0 wi n v e s t m e n ta n dr m m i n gc o s th a sb e c o m eau r g e n t s u b j e c t b u tt h et r a d i t i o n a la n a e r o b i cb i o l o g i c a lt e c h n o l o g yh a ss o e i l el i m i t a t i o n s u c h 够t h ee f f e c to fs h o r tf l o wi nl o wl o a dc o n d i t i o n al o n gt i m eo ft h ef o r m a t i o no f g r a n u l a rs l u d g e a n d t h es t r i c t o p e r t a t i o nr e q u i r e m e n t s e t c f o c u s i n g o nt h o s e p r o b l e m s t h ed e v e l o p m e n to fa n a e r o b i ct e c h n o l o g ya n da n a e r o b i cr e a c t o rw a s i n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o w n f l o wa n a e r o b i cs u s i 煳d i n gm e d i a b e d d a s b w e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yf r o mt h ep o i n to f v i e wo f f u t u r ea n a e r o b i c r e a c t o rd e v e l o p m e n t f i r s t l y t h i st h e s i so u t l i n e dt h eo a r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t so fa n a e r o b i c t e c h n o l o g ys t r u d i e sa n da p p l i c a t i o n sw o r l dw i d e i tr e v i e w e d t h es t u d i e sa n d d e v e l o p m e n t so f t h ea n a e r o b i cr e a c t o r s e c o n d l y b yu s i n gt h es e p t i ct a n ko u t f l o wa n d t h eh i g hc o n c e n t r a t i o nb i o c h e m i c a ld e g r a d a b l eo r g a n i cs e w a g ef r o ms t a r c hp r o d u c t i o n a sw a s t e w a t e rs o u r c e t h es t u d yr u nt h ee x p e r i m e n t s t h em a i nr e s u l t sa l e 1 w h e n t r e a t i n gl o w s t r e n g t hw a s t e w a t e r d a s b w a ss u p e r i o rt ou a s bi nq u i c k s t a i r u p v o l u m el o a d i n ga n dt h ep o l l u t i o n sr e m o v a le f f i c i e n c y b u tw h e nt r e a t i n g h i g h s t r e n g t hw a s t e w a t e r t h eo r g a n i cp o l l u t i o n so fr e m o v a le f f i c i e n c yo fd a s bw a s i n f e r i o rt ou a s b t h ee x p e r i m e n ta d v i s e dt h a tt h eo p t i m a lh y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m e h r t o fd a s bi sa b o u t6 h w h e nt r e a t i n gd o m e s t i cs e w a g e a n dt h eo p t i m a l h y d r a u l i cr e t e n t i o n h r t i sa b o u t1 0 h w h e nt r e a t i n gh i g l l s t r e n g t hw a s t e w a t e r 2 t h eh i g he f f i c i e n c yo f o r g a n i cp o l l u t i o n so f d a s br e s u l t sf r o mc u r r e n tt y p ei n t h es y s t e mo fd a s b p h y s i e a l c h e m i s t r ya n db i o d e g r a d a t i o ne f f e c to fb i o f i l mc a r r i e r a n d o n k e y w o r d s a n a e r o b i cr e a c t o r d o w n f l o wa n a e r o b i c s u s p e n d i n g m e d i ab e d d o m e s t i c s e w a g e b i o f i l m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位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 与我一同工 作的同事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 如不实 本人负全部责任 论文作者 签名 乒址2 8 年多月2 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期 刊 光盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允 许论文被查阅和借阅 论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权河 海大学研究生院办理 论文作者 签名 扯2 8 年乡月2 7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出与意义 第一章绪论 随着我国经济发展和城镇建设步伐的加快 寻求简单有效 投资省 运行费 用低的污水处理技术 解决能源紧张 资金短缺和水环境质量日益恶化的现状问 题成为面临的一个迫切课题 传统的厌氧生物处理工艺都存在着一定的局限性 如低负荷运行时的短流效应 颗粒污泥的形成时间长 操作要求严格等问题 而 d a s b 反应器采用生物膜保持系统生物量 较理想的流态 微生物的自然多级多 相等较好地符合了新型 第三代厌氧反应器 生物量高 相分离和推流流态的发 展要求 同时具有能耗低 结构简单和管理方便的优势 有很大的研究和应用空 间 因此 对厌氧悬浮填料床 d a s b 反应器处理污水的效果及机理进行研 究具有重要的现实意义 1 2 文献综述 1 2 1 厌氧处理技术的发展 早在几千年前 沤肥和堆肥技术作为有机肥料的加工工艺就在我国农业生产 中应用了 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 其为厌氧消化过程 厌氧生物处理的发展过程大致可以分为三个阶段 第一阶段 1 8 6 0 1 8 9 9 年 简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶 段 这个发展阶段中 污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池 俗称化粪池 中 进行 泥水没有进行分离 第二阶段 1 8 9 9 1 9 0 6 年 污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段 第三阶段 1 9 0 6 2 0 0 1 年 独立式营建的高级发展阶段 在这个发展阶段 中 沉淀池中的厌氧发酵室分离出来 建成独立工作的厌氧消化反应器 河海天学硕上学位论文 1 2 2 厌氧生物处理过程机理 纵观厌氧生物处理技术发展历程 从最原始的发酵到沉淀与发酵的分离 再 到如今的高效厌氧反应器都是对厌氧微生物自然代谢过程的人为强化和优化 随 着对厌氧微生物代谢过程机理的不断深入认识 厌氧处理技术也不断地进步和发 展 微生物学对于厌氧消化的研究始于1 7 世纪 1 7 7 6 年 v a l t a 就已经在沼泽中 发现了可燃性气体 并认为这种气体的产生与有机质的分解有关 1 8 0 6 年h e t t y 证实了这种气体是甲烷 1 8 6 8 年b e e h a m p 首次从微生物学角度阐述了甲烷的过 程 1 8 7 5 年p o p o f f 较系统的研究了由各种底物发酵产甲烷的过程 1 9 0 6 年 s o h n g e n 培养出一种八叠球菌和杆状细菌的共生培养物 1 9 0 6 年 s e h n e l l e n 分 离出了甲烷八叠球菌和甲烷杆菌属两个纯种 1 9 6 7 年b r y a n t 发现了乙醇转化为 甲烷的过程并非如先前人们所认为的由一种微生物完成 而是由两个共生菌一起 完成的 其中一种微生物把乙醇转化为乙酸和氢气 而另一种利用氢气把二氧化 碳转化为甲烷 厌氧消化过程中发酵菌 产氢产酸菌 产甲烷菌的数量和种类是 相当庞大和复杂的 据报道 发酵细菌大约有5 1 种 产甲烷菌也有5 0 多种 i j 以上研究成果为人们对厌氧消化理论的深入研究奠定了充分的基础 复杂有机物 水解发酵阶段l 简单溶性有机物 产酸脱氢阶段 挥发性脂肪酸 v f a 胞外酶作心 酸化细菌作用 用 细菌细胞ji乙酸ijc l h 1 1 2jj 其他产物 产甲烷阶段 产甲烷细菌作用 细菌细胞ll c i 1 4 c c h 图1 1 厌氧消化三阶段模式图 第一章绪论 1 9 3 0 年 b u s w d l 和n t 强v e 肯定了t h u m m 和r e i c h i e 1 9 1 4 与i m h o 麒1 9 1 6 的看法 提出了有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵的两阶段学说 酸 性发酵阶段 有机物在产酸细菌的作用下分解成脂肪酸和其它产物 碱性发酵阶 段 脂肪酸在产甲烷菌作用下转化为c h 4 和c t h 但由于第一阶段的最终产物不 仅仅是酸 发酵所产生的气也并不都是从第二阶段产生的 因此 比较恰当的提 法是第一阶段为不产甲烷阶段 第二阶段为产甲烷阶段 b r y a n t 1 9 7 9 等人根 据微生物的种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 t h 等后 才能被产甲烷菌利用 如图1 1 所示 j gz a i l m 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 2 3 厌氧生物处理的影响因素 1 温度 温度是影响厌氧生物处理的重要因素 是影响微生物生存及生物化学反应的 最主要因素之一 各类微生物适应的温度范围是不同的 根据微生物生长的温度 范围 习惯上将微生物分为三类 嗜冷微生物 生长温度5 2 0 嗜温微生 物 生长温度2 0 4 2 嗜热微生物 生长温度4 2 7 5 相应地 废水的 厌氧处理工艺也分为低温 中温 高温三类 根据甲烷菌对于温度的适应性可以 将甲烷菌大体分为中温甲烷菌 适应温度区3 0 c 3 6 c 和高温甲烷菌 适应温度 区为5 0 5 3 两类 利用适合在两个温度区生长的厌氧菌进行厌氧消化处理 系统的分别称为中温消化和高温消化 当处于中温及高温之间的过渡区时 反应 速率反而减小 可见厌氧消化反应与温度之间的关系是不连续的 温度的波动对于厌氧生物处理过程也有重要影响 中温和高温厌氧消化允 许的温度变化范围为士1 5 c 2 3 2 一般推荐温度变化应该小于士l d 温度 突然变动士2 3 就可能比较严重地影响处理性能 超过士5 1 2 时 有机酸就 会大量积累而破坏整个厌氧消化过程 2 j 4 厌氧活性在l o 左右仍能够维持 c el e s l i e 认为2 0 2 5 1 2 似乎 是 河海人学颂上学位论文 厌氧消化的低温实用极刚3 1 而有许多研究表明在更低的温度下仍能稳定的运行 5 0 1 究竟厌氧处理工艺的低温极限是多少的问题目前还未有定论 分析其原因 这可能与处理对象特性 处理工艺 试验条件等因素有关 厌氧消化反应中 产甲烷菌比水解酸化菌对温度的变化更为敏感 所以一 般以对产甲烷菌的影响为准 当然根据不同的基质种类和处理目的 考虑侧重点 也会有所差异 例如 对于含有大量有机质和易生物降解有机废水 温度对于甲 烷菌的影响是首要考虑的问题 对于含有大量复杂有机物和颗粒态有机物的废 水 温度对于水解和产酸反应的影响则更为重要 2 有机负荷 o r g a n i cl o a d i n gr a t e o l r 反应器的有机负荷包括容积负荷和污泥负荷 在厌氧法中 有机负荷通常指 容积有机负荷 简称容积负荷 即消化器单位容积每天接受的有机物量 k g c o d m 3 d 它是影响厌氧消化效率的一个重要因素 直接影响产气量和 处理效率 在一定时间内 随着有机负荷的提高 产气量增加 但处理程度下降 反之亦然 过高的负荷还容易造成反应器内挥发性脂肪酸 v o l a t i l i t yf a t a o d v f a 的积累 导致反应器运行失败 过低的负荷不能满足厌氧微生物新陈代谢的需要 会由于厌氧菌的衰减而导致反应器运行失败 因此适当的负荷对于反应器运行极 为重要 不同的厌氧工艺可承担的负荷差别很大 厌氧接触工艺的负荷一般为o 5 1 0 k g c o d m 3 d 厌氧滤床 a n a e r o b i c f i l t e r a f 为5 1 5k g c o d m 卜d u a s b 为2 2 5k g c o d m 3 d 4 由于膨胀颗粒污泥床 e x p 锄dc a a a u l a rs l u d g eb e d e g s b 和内循环反应器 i n t e r r e e y c l er e a c t o r i c 采用了独特的结构设计强化了 传质作用 承受负荷可达1 5 3 0k g c o d m 3 d 甚至超过4 0 k g c o d m 3 d 4 1 另一方面也适合处理较低浓度的污水 3 1 0 1 3 反应器内经过驯化形成颗粒污泥以 后 可承受的最大负荷也会相应提高 例如形成颗粒污泥的u a s b 反应器负荷 可以达到2 5k g c o d m 3 d 以上d i 3 污泥停留时间 s l u d g er e t e n t i o nt i m e s r t 与水力停留时间 h y d r a u l i c r e t e n t i o nt u n e h r t s r t 在厌氧生物处理过程中是控制厌氧微生物累积量的重要参数 高效厌氧 反应器采用各种微生物固定技术提高s r t 从而保证反应器内的污泥浓度 以便 4 第一章绪论 为厌氧反应提供足够的生物活性 s r t 常常达到3 0 d 4 0 d 以上 有些甚至达到 1 0 0 d 3 1 s r t 大小一般通过反应器定期排泥来控制 h r t 是控制厌氧反应程度的重要参数 传统工艺未将h r t 与s r t 分离 所 以未达到较好的处理效果 一般在几天左右 由于h r t 是与反应器容积成正比 的 它的确定直接影响工程建设投资 高效厌氧反应器可在较短h r t 达到较高 的处理效率 阿玎可缩短至几小时 所以有着更好的经济效益比 另外 h r t 直接决定着反应器内的水力条件 搅拌与混合强度 短的h i l t 使反应器更接近 推流型 而较长的则更接近于完全混合型 4 接触与混合 厌氧处理过程是由细菌体的内酶 外酶与底物进行的接触反应 只有实现在 反应器中基质与微生物之间充分而有效的接触 才能发挥其最大的效能 充分的 接触混合除了完成基质与微生物的接触之外 还起到使反应器内的温度及污泥浓 度均一 使气泡及时与污泥颗粒脱附 强化传质过程 防止污泥浮升 防止浮渣 层的形成等作用 接触混合方式有机械混合接触 水力混合接触 气动混合接触 就许多厌氧工艺实践来看 气动混合和间歇搅拌的方式较好 并且搅拌强度不应 太大f 1 5 1 脉冲进水方式被证明在强化接触效能方面也是有效的 1 6 i 7 1 人工和机械 搅拌混合需要额外的动力消耗 所以确定合适的搅拌混合动力投入是工程中非常 重要的课题 5 营养物质 厌氧工艺与好氧生物处理一样 也需要营养物质以维持微生物正常的新陈代 谢 一般来说 厌氧比好氧工艺对营养物质的需求较少 好氧工艺对氮磷的需求 为c o d n p 1 0 0 5 1 而厌氧仅为 3 5 0 5 0 0 5 1 1 7 1 必要的金属元 素补充也非常重要 其主要作用是增强各种群单位质量微生物活细胞浓度和其酶 活性 1 7 1 在处理各种废水时应当了解其水质成分 如缺少某些微量元素时应当适 量补充 以保证微生物的正常生长 特别是铁 钴 镍和锰离子能够有效促进污 泥比活性的增加 在厌氧反应器启动期间显得尤为重型埔一2 0 l 6 抑制及毒性物质 在厌氧生物处理中 所谓 抑制 和 毒性 都是相对的 一种物质于厌氧 消化过程 主要指甲烷消化 都有两方面的作用 关键看这种物质的浓度阈值 当 河海人学顿上学位论文 其浓度较低时可以促进甲烷细菌的生长 当浓度超过一定范围后便对甲烷细菌产 生抑制甚至是毒害作用 较为典型的抑制和毒性物质有氨 无机硫化物 盐类 重金属以及各种有机化合物 它们主要通过对相应的甲烷菌内酶的影响而降低甚 至是抑制甲烷菌的代谢作用 一般分为三类 影响代谢的毒性物质 影响细菌生 理的毒性物质和杀菌性的毒性物质 1 7 为防止由于抑制和毒性物质导致整个厌氧 工艺的失败 应根据各类废水性质进行适当预处理 7 p h 值及消化液缓冲能力 水解发酵及产氢产乙酸菌的p h 值适应范围大致为5 8 5 甲烷菌对p h 值 较为敏感 虽各文献的报道略有不同 但一般在6 5 7 8 之间 i 2 3 7 2 这也是 通常情况下厌氧处理所需的p h 值范围 如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速 率超过产甲烷阶段 反应器内的p h 值就会由于挥发性脂肪酸的过度积累而降低 影响甲烷菌的正常代谢作用 可采用投加适量的缓冲剂和稀释进水及吹脱c 0 2 回流等方法来降低p h 值降低的影响 4 2 2 1 厌氧反应器的有机酸缓冲能力是其运行稳定的重要指标 r e s p e e c e t 哺 和许 保玖等 2 3 1 认为 单以碳酸氢盐碱度作为衡量厌氧反应器对p h 值缓冲能力的指标 是不合适的 而应以挥发性有机酸 a 和碳酸氢盐碱度 b a 之比作为更准确的 指标 当v f a b a 0 8 时 缓冲能力极小 8 氧化还原电位 o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l o r p 厌氧环境是厌氧处理过程赖以正常进行的最重要的条件 所谓厌氧环境一般 理解为隔断系统与空气中氧的接触 尽可能使反应器内无溶解氧的存在 以保持 厌氧反应器的正常运行 严格来说 厌氧环境的主要标志是反应器内具有低的氧 化还原电位 其值应为负值 反应器内的氧化态物质越多时 氧化还原电位就越 高 研究成果表吲 高温厌氧处理系统适宜的氧化还原电位为一5 0 0 i n v 一 6 0 0 i n v 中温应低于一3 0 0 m v 一3 8 0 m v 产酸菌适宜的氧化还原电位范围较大 可在 1 0 0 m v 一1 0 0 恤v 的兼性条件下繁殖 而甲烷菌较为严格 须在一3 3 0 m v 3 5 0 m y 以下才可正常繁殖 l 捌 厌氧反应器经过适当的封闭措旆一般可以达到 厌氧环境的要求 即使在反应器进出水口 沉淀槽等部位难免有溶解氧的进入 反应器中也能始终保持着极低的氧化还原电位 这是各类微生物生长而对环境的 6 第一章绪论 氧化还原电位产生影响的结果 反应器内好氧 兼氧 厌氧微生物的依次活动可 将消化污泥以及进水中带入的少量氧气及时消耗掉 使氧化还原电位很快地降到 适宜甲烷菌生长的范围 9 污染物类型 实际工程中应根据废水特征选择相应的厌氧处理工艺 一些厌氧工艺比较适 合于处理含颗粒态有机物的废水 而另一些则适合于处理溶解性基质 例如厌氧 消化池 发酵池就是用来处理颗粒态有机物的 而低速厌氧工艺和一些高速厌氧 工艺例如a c a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s a f a n a e r o b i cf i l t e r 等能够处理 颗粒有机物浓度比较高的废水 f b f l u i d i z e db e d u a s b 和u a s b a f 等一些 高效厌氧反应器不能有效截留颗粒态物质 所以更适合于处理溶解性有机物 但 它们由于能够有效积累高浓度的微生物 因而对于处理缓慢生物降解的溶解性有 机物比低速厌氧工艺更有效 3 1 1 2 4 厌氧生物处理工艺发展 根据处理对象的性质和自身结构特征厌氧工艺可以分为四个主要类型 厌氧 消化池 低速厌氧工艺 高速厌氧工艺以及污泥发酵工艺 而每个厌氧反应器一 般由封闭的反应器主体 混合系统 加热系统 气一液一固分离系统四部分组成 厌氧消化反应器一般用于处理高强度的废水 尤其是悬浮物浓度高的废水 事实上 它已经广泛用于废水处理厂产生的有机污泥的处理 如完全混合式厌氧 反应器 厌氧接触工艺以及改良式的厌氧接触工艺 低速厌氧工艺被用于处理各种强度的废水 包括悬浮物浓度高的废水 但是 这种工艺的主要限制因素是占地面积大 高速厌氧工艺可用于处理中等强度以上的溶解性有机废水 目前应用较多 的有 厌氧接触工艺 厌氧滤池 厌氧流化床 厌氧膨胀床 上流式厌氧污泥床 高速厌氧反应器的特点是通过合理的结构设计使水力停留时间和污泥停留 时间分离 从而在反应器内保持相对较高的微生物浓度 而这一点在处理较低浓 度有机废水的情况下是尤为重要的 发酵工艺的目的是将可生物降解有机物转化为v f a 和用于生物法去除营养 物的处理系统 如水解酸化工艺 河海人学硕上学位论文 以下是几种典型的厌氧生物处理工艺的介绍 1 化粪池 s e p t i c t a a k s 最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池 流行于本世纪初 我国的一些城市至 今仍在沿用 化粪池主要用于居住房屋及公用建筑的生活污水的预处理 化粪池分为两室 污水于第一室中进行固液分离 悬浮物沉于池底或浮于池 面 污水可以得到初步的澄清和厌氧处理 污水于第二室中进一步进行澄清和厌 氧处理 处理后的水经出水管导出 污水在池内的停留时间一般为1 2 2 4 h 污 泥在池底进行厌氧消化 一般在半年左右清除一次 由于污水在池内的停留时间较短 温度较低 不加温 与气温接近 污水 与厌氧微生物的接触也较差 因而化粪池的主要功能是预处理作用 即仅对生活 污水中的悬浮固体加以截留并消化 而对溶解性和胶态的有机物的去除率则很 低 远不能达到国家规定的有关城市污水的排放标准 2 厌氧生物滤池 a n a e r o b i cf i l t e r 2 0 世纪6 0 年代末 y o u n g 和m c c a r t y 发明了基于微生物固定化原理的高效 厌氧反应器 厌氧生物滤池 a f 它是采用填料作为微生物载体的一种高速 厌氧反应器 构造与一般的生物滤池相似 池内设置填料 但池项密封 滤池填 料可采用碎石 卵石或塑料等 平均粒径在4 0 n u n 左右 填料改善了微生物的生 存环境 提高了微生物的浓度 因此反应器的效率比较高 根据水的流向分 厌 氧滤池有上流式和下流式两种 上流式滤膜形成较快 容积负荷比较高 但是容 易堵塞 需要定期的反冲洗 而下流式则膜的形成比较慢 容积负荷也比较低 厌氧生物滤池主要适用于含悬浮物量很少的溶解性有机废水 3 厌氧接触工艺 厌氧接触工艺称厌氧活性污泥法 是在消化池后设置沉淀分离装置 经消化 池厌氧消化后的混合液排至沉淀池分离装置进行泥水分离 澄清水由上部排出 污泥回流至厌氧消化池 这样做既避免了污泥流失又可提高消化池容积负荷 从 而大大缩短了水力停留时间 厌氧接触工艺的一般负荷 中温为2 1 0 k g c o d m 3 d 污泥负荷为0 2 5k g c o d k g v s s d 池内的m l v s s 为l o 1 5 9 l 4 厌氧流化床 a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d 为了解决厌氧滤池的堵塞和提高负荷等问题 美国的j s j e r i s 等人于7 0 第一章绪论 年代初期提出了厌氧流化床工艺 用于处理有机废水 厌氧流化床 a f b 是依靠 在惰性填料表面形成的生物膜来保留厌氧污泥 其填料在较高的上流速度下 传 质作用比较强 可以在较短的水力停留时间情况下运行 此外 这种反应器可以 高效去除悬浮物固体 因为绝大部分的固体在酸化之前都会被填料截留 但是 为了维持较高的上流速度 需要大量的回流水 这些将导致能耗加大 成本上升 5 厌氧折流板反应器 a n a e r o b i cb 棚e dr e a c t o r 厌氧折流板反应器 a b r 是p l m c c a r t y 教授于1 9 8 1 年提出的一种新型高 效厌氧反应器 a b r 反应器分为若干隔室 在处理高浓度污水时 前面的隔室 以水解菌为主 后面的隔室以甲烷菌为主 各个隔室的条件不同 为不同种的微 生物创造了不同的适宜的生存环境 因此处理效果比较好 但是在进水浓度较低 时 c o d 为5 0 0 m e j l 发酵菌 产酸菌和产甲烷菌在不同隔室中的选择性积累 不会发生 处理效果就会受到影响 而城市生活污水c o d 般在3 0 0 5 0 0 m g m 浓度比较低 因此a b r 并不非常适合城市生活污水的处理 在中温中浓度 1 1 0 9 c o d l 或者高浓度 1 0 9 c o d l 的废水处理方面 a b r 的处理效果比较 好 c o d 去除率可以达到9 5 以上 6 上流式厌氧污泥床 u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d u a s b 反应器污泥床区主要有沉降性能良好的厌氧污泥组成 浓度可达到 5 0 1 0 0 9 l 或更高 沉淀悬浮区主要靠反应过程中产生的气体的上升搅拌作用 形成 污泥浓度较低 一般在5 4 0 9 l 范围内 在反应器的上部设有气 沼气 固 污泥 液 废水 三相分离器 分离器首先使生成的沼气气泡上升过程偏折 穿过水层进入气室 由导管排出 脱气后混合液在沉降区进一步固 液分离 沉 降下的污泥返回反应区 使反应区内积累大量的微生物 待处理的废水由底部布 水系统进入 澄清后的处理水从沉淀区溢流排除 在u a s b 反应器中能得到一种具有良好沉降性能和高比产甲烷活性的颗粒 厌氧污泥 因而相对其他的反应器有一定优势 颗粒污泥的相对密度比人工载体 小 靠产生的气体来实现污泥与基质的充分接触 省却搅拌和回流污泥设备和能 耗 三相分离器的应用省却了辅助脱气装置 颗粒污泥沉降性能良好 避免附设 沉淀分离装置和回流污泥设备 反应器内不需投加填料和载体 提高容积利用率 7 厌氧颗粒污泥膨胀床 e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d 9 河海大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代初 荷兰w a g e n i n g e n 农业大学开始了厌氧膨胀颗粒污泥床 简称e g s b 反应器的研究 l e t t i n g a 教授等人在利用u a s b 反应器处理生活 污水时 为了增加污水与污泥的接触 更有效地利用反应器的容积 改变了u a s b 反应器的结构设计和操作参数 使反应器中颗粒污泥床在高的液体表面上升流速 下充分膨胀 由此产生了早期的e g s b 反应器 e g s b 反应器实际上是改进的 u a s b 反应器 区别在于前者具有更高的液体上升流速 使整个颗粒污泥床处于 膨胀状态 这种独有的特征使其可以具有较高的高径比 e g s b 反应器主要由主 体部分 进水分配系统 气液固三相分离器和出水循环等部分组成 其中 进水 分配系统是将进水均匀分配到整个反应器的底部 产生一个均匀的上升流速 三 相分离器是e g s b 反应器最关键的构造 能将出水 沼气和污泥三相有效分离 使污泥在反应器内有效持留 出水循环部分是为了提高反应器内的液体表面上升 流速 使颗粒污泥与污水充分接触 避免反应器内死角和短流的产生 8 i c 内循环厌氧反应器 l c 内循环厌氧反应器为荷兰帕克公司的专利产品 目前帕克公司在全球有 3 0 0 多台i c 反应器得以应用 相对于u a s b 只在顶部有一级三相分离器 i c 内 循环反应器具有两级三相分离器 i c 反应器实际上由两级u a s b 构成 底部 u a s b 负荷高 顶部负荷低 因为在一级分离时收集了大量沼气 其对废水的扰 动减少 使得在二级三相分离中得到更好的气 水 泥分离效果 二级分离的i c 反应器确保了最佳的污泥停留时间 这样对于处理一些化工废水是很有利的 因 为这些废水厌氧污泥产量很小 i c 反应器具有一个自调节的气提内循环结构 循环废水与原水混合将稀释进水浓度 内循环作用所带来的能量使得泥水在底部 混合更加充分 从而污泥活性也得到增加 i c 内循环所形成的废水内部稀释可 以减少生产所带来的负荷波动 i c 反应器的容积负荷 1 5 3 0 k g c o d m 3 d 为u a s b 7 1 5 k g c o d m 3 d 的两倍 1 2 5 厌氧反应器的研究进展 厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物的代谢特性分解有机污染物 在不需要 提供外源能量的条件下 以被还原有机物作为受氢体 同时产生有能源价值的甲 烷气体的一种处理技术 厌氧生物处理过程的实质是一系列复杂的生物化学反 第一章绪论 应 其过程包括水解酸化阶段 产乙酸阶段和产甲烷阶段 各阶段都由特定的生 物菌群完成 其中的底物 各类中间产物以及各种群微生物间的相互作用 形成 一个复杂的微生物生态系统 各类微生物的平稳生长 物质和能量流动的高效顺 畅是维持厌氧过程稳定的必要条件 如何培养和协调相关各类微生物的平衡生 长 最大程度地发挥其中的微生物代谢活性 并拓宽适用范围 是厌氧反应器开 发和发展的基本思想和工作目标 该技术用于城市污泥处理至今已有一百多年的历史 到1 9 5 1 年有人提出了 厌氧接触消化工艺 厌氧处理技术较大规模地用于有机废水处理开始于6 0 年代 末 期间人们对厌氧消化的微生物学和生物化学认识得到了逐步深入和完善 1 8 9 1 年法国工程师首先利用厌氧方法处理有机腐败固体 2 4 j 其后 出现了i m h o f f 腐化池嘲 初期厌氧技术主要用于污泥等有机固体的处理 由于厌氧微生物生长 缓慢 世代时间长 过长的停留时间影响了厌氧技术的广泛应用 捌 在厌氧消化 工艺方面 新型高效厌氧反应器的开发应用 使厌氧消化技术在废水处理方面取 得了很大进展 人们将5 0 年代发展的厌氧消化池称为第一代厌氧反应器 它第 一次实现了厌氧固体停留时问 s r t 和水力停留时间 h r t 的分离 厌氧技 术进入高速发展应用阶段 第二代厌氧反应器则以上流式厌氧污泥床 u a s b 厌氧滤池 a f 和厌氧接触膨胀床 从f e b 等为代表 这些高速厌氧反应器 的成功开发应用及其优越性能 2 0 使厌氧技术成为高浓度有机废水处理的主流 技术 近年来 随着微生物技术的发展和对厌氧反应机理的深入研究 厌氧技术有 了较大发展 厌氧技术的处理对象从高浓度向中 低浓度延伸 环境温度下的短 时厌氧处理技术 未来新型第三代厌氧反应器的开发构建等成为研究的热点 第 三代厌氧反应器是在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下 使固液两 相充分接触 从而既能保持大量污泥又能使废水和活性污泥之 白j 充分混合 接触 以达到真正高效的目的 1 第一代厌氧反应器 第一代的厌氧生物处理 重点是解决污水废污泥的处理问题 1 8 6 0 年法国 人l o u i sm o u r a s 将简易沉淀池改进为污水处理构筑物 1 8 9 5 年 英国的c a m e r o n 创造了一种类似m o u r a s 自动净化器的构筑物 被命名为化粪池 此后不久 t r a d s i l f 海人学顾 j 学位论文 提出了一种将污水沉淀消化分别在上下2 层的双层构筑物 1 9 0 4 年德国的i m h o f f 又加以改进成为双层沉淀池 隐化池 到1 9 2 7 年 r u h r v d b a n d 在专用的消化 池中采用污泥加热装置之后 使得这种消化池得以推广 这一工艺至今在排水工 程中处理小流量污水时还占有一定的地位 进入3 0 年代 人们对厌氧处理系统 的接种物和p h 值控制等方面有了更深入的了解 因此大规模专用的 带加热装 置的城市污水污泥消化系统迅速发展起来 并得到了广泛的推广和应用 到1 9 5 0 年 m o r g a n 和t o r p e y 的研究成果导致了厌氧消化池中搅拌装置的广泛应用f 删 上述这些反应器后来被统称为第一代反应器 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 一般来说 第一代厌氧 反应器处理废水的停留时间至少需要2 0 3 0 天 典型第一代厌氧反应器的主要 技术指标见表1 1 表1 1 第一代厌氧反应器的主要技术性能 6 0 l 2 第二代厌氧反应器 随着生物发酵工程中固定化技术的发展 人们认识到高效厌氧系统必须满足 的条件之一是反应器内能保持大量的活性厌氧污泥 于是出现了基于微生物固定 化原理的高效厌氧反应器 第一个突破性发展出现于2 0 世纪6 0 年代末 y o u n g 和m c c a r t y 发明了厌氧滤池 a n a e r o b i c f i l t e r 简称a f 2 0 世纪7 0 年代以来 厌氧处理的最大突破是荷兰农业大学环境系l e t t i n g a 等发明的上流式厌氧污泥床 u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d 简称u a s b 这些反应器称为第二代反应器 它们的一个共同特点是可将s r t 与h r t 相分离 其s r t 可长达上百天 而h r t 缩短到几小时 很大程度地提高了厌氧反应器的负荷和处理效率 反应器容积大 为缩小 从而有利于厌氧技术用于工业化的废水处理 由于s r t 的延长与污泥 浓度的提高 使厌氧系统稳定性更好 有效地增强了对不良因素 例如有毒物质 的适应性 因此 厌氧废水处理技术得以很快推广 成为水污染防治领域里一项 有效的新技术 2 第一章绪论 但是 第二代厌氧反应器也有不足 以u a s b 为例 当进水无法采用高的 水力负荷和有机负荷的情况下 就会造成进水和产气的搅拌作用减少 污泥床内 的混合强度降低 可能出现短流效应 这种情况使该类反应器的应用受到限制 针对这一类问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发与应用 第二代厌氧反应器的一个共同特点是分离了固体 污泥 停留时间与水力 废 水 停留时间 固体停留时间可以达到上百天 从而使反应器处理高浓度有机废 水所需要的时间由过去的以天计缩短到以小时计 第二代厌氧反应器的主要技术 性能如表1 2 所示 表1 2 第二代厌氧反应器的主要技术指标 3 第三代厌氧反应器 第三代反应器与第二代反应器并无明显划分标准 一般是在第二代反应器 如u a s b 和a f 等 的基础上改进而成 主要是通过增加反应器的高径比 对 反应器进行分段和在反应器内部增加三相分离器等改进手段 使进水和污泥之问 能始终保持良好地接触 这一代反应器的主要类型有 厌氧流化床 a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d 简称 a f 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 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 厌氧内循环反应器 i n t e r n a l c i r c u l a t i o n a n a e r o b i cr e a c t o r 简称i c 等等 高效厌氧反应器中不仅要分离污泥停留时间和平均水力停留时间 还应该使 进水和污泥之间保持充分的接触 厌氧反应器中污泥与废水的混合 首先取决于 布水系统的设计 合理的布水系统是保证固液充分接触的基础 与此同时 反应 器中液体表面上升流速 产生沼气的搅动等因素也对污泥与废水的混合起着极其 重要的作用 例如 当反应器布水系统等己经确定后 如果在低温条件下运行 或在启动初期 只能在低负荷下运行 或处理较低浓度有机废水时 由于不可 河海大学硕士学位论文 能产生大量沼气的较强扰动 因此反应器中混合效果较差 从而出现短流 如果 提高反应器的水力负荷来改善混合状况 则会出现污泥流失 这些正是第二代生 物厌氧反应器的不足 l e t t i n g a 3 1 1 在对厌氧降解机理的最新理解的基础上 提出新型厌氧反应器 s m p a 的理念 其主要思路 1 保持足够生物量的同时 实现微生物多级 多相 每一级是个相对独立的微生态 以适应不同的底物及环境因子 2 各级 污泥不相混合 产气互相隔开 3 在流态上接近于推流式 达到更高的污染物 去除效率 4 宽温条件下 具有较好的处理效果 十几年来 开发应用的主要 新型厌氧反应器有颗粒污泥厌氧膨胀床反应器 e g s b 厌氧内循环反应器 i c 和m c c a r t y 等提出的厌氧折板流反应器 a b r 等 3 2 1 这些厌氧反应器在设计 构建思路上 较好地吻合了新型第三代厌氧反应器的构建理念 与第二代反应器 相比其特点体现在以下几个方面 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 量高 具有较大的高径比 一般在5 1 0 以上 占地面积小 液体表面上升流速较大 能承受更高的水力负荷 并具备较高的有机污染 物净化效能 在温度 基质浓度较低的条件下 可取得较好的处理效率 动力消耗小 第三代厌氧反应器的主要技术性能如表1 3 所示 表1 3 第三代厌氧反应器的主要技术性能 6 目前 厌氧生物技术的应用相对集中于较高浓度的工业废水处理 资料表明 3 3 l 全世界一千余座厌氧处理装置在运行之中 其中8 9 7 应用于工业废水的处 理 仅有7 3 应用于城市污水的处理 其主要原因是随着厌氧反应器效率的追 1 4 第一章绪论 求 反应器的构造日趋复杂 投资高 运行管理难等因素在一定程度上限制了厌 氧技术更广泛的应用1 3 4 因此 结构简单 运行简便亦成为未来高速厌氧反应器 发展的聚焦所在 采用降流配水结合固定膜的厌氧反应器重新得到了研究者的进 一步关注 近年来 国内外研究者采用不同的生物载体

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