（环境科学专业论文）高效厌氧生物反应器处理玉米和糖蜜酒精糟液的试验研究.pdf

a s t u d y o nt h e h i g h r a t e a n a e r o b i cb i o r e a c t o rf o r c o r l la n dm o l a s s e s 嚣谯a n 盛p r o d u c t i o nw a s t e w a t e r a b s t r a c t i nc h i n a e t r a m o lp r o d u c t i o nw a s t e w a t e ri st 沁b i g g e s to r g a n i c p o l l u t i o ns o u r c en o w i ti sav e r yd i f f i c u l tp r o b l e mt ot r e a tt h i sk i n do fw a s t e w a t e rf o re t h a n o lp r o d u c t i o n f a c t o r y i nt h i sp a p e ra c c o r d i n g t ot h ec h a r g o t e ro f w a s t c w a t e r u a h b a n d t w o m p h a s e u a s bt e c l m i c sa 疆u s e dt ot r e a tc o r na n dm o l a s s e se t h a n o lp r o d u c t i o nw a s t e w a t 嚣i n l a b s c a l er e s p e c t i v c l y b a s e do nt h ee x p e r i m e n t t h ec o n c l u s i o nt a i lb ed r a w n 1 a 氇e r m o p h i l i c s s u a h br e a c t o rc a r tb eu s e de f f i c i e n t l yf o rt r e a t m e n to f w a s t e w a t e rf r o mc o r ne t h a n o lp r o d u c t i o n t h et e s tr e s u l ts h o w e st h a tt h ec o d w 酗羲绷瓣 o 舔i a g r a t ec o u l d 糕 聪2 0 k g c o d m 3 w i t hc o dr e m o v a lr a t eo v e r 9 0 t h eh y d r a u l i cr e t e m i e nt i m e r m t i sr e d u c e dt o 1 4 d a y t h et r e a t m e n t c a p a c i t y i s10t i m e st h a to ft r a d k i o n a lr e a c t o li nt h e e x p e r i m e n t t h e h i g h c o n c e n t r a t i o n so f p r o t e i na n ds u s p e n ds o l i d s s d o n ta f f e c tt h e p r o c e s so f t r e a t m e n t a f t e rt w o m o n t ho p e r a t i o n g r a n u l a rs l u d g ef o r m si nt h el 屯a c t o r i nt h ef u l l s c a l e e x p e r i m e n t t h eo p e r a t i o n i st h es a m ea st h a ti nt h el a b s c a l ee x p e r i m e n t 2 i n 矗l a b s c a l ee x p e r i m e n to n t h em o l a s s e sc o r np r o d u c t i o nw a s t e w a t e r w h e nt h e i n f l u e n tc o n c e n t r m i o n so fs 0 4 2 c o dw e r e1 8 0 0 p p m 4 7 0 0 0 p p mr e s p e c t i v e l y a n d t h ec o dv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e si na c i d i f i c a t i o nr e a c t o ra n dm e t h a n o g e n i cr e a c t o r w e r e3 0 k g c o d m da n d1 0k g c o d m 3 dr e s p e c t i v e l y t h es y s t e mc a nr u np e r f e c t l y a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c ye x c e e d s7 0 d u r i n gt h e e x p e r i m e n t t h e r e w a sn o s u l p h i d ei n h i b i t i o n i nb 矗e l t h eh i g h r a t ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rc a r tb eu s e dt os o l v et h ef a c t u a lp r o b l e m f o rt h ee t h a n o lp r o d u c t i o ni n d u s t r ya n di tb r o u g h tn o t a b l es o c i a li m p a c ta n de c o n o m i c r e s u l t k e y w o r d s u a h b t w o p h a s eu a s b m o l a s s e se t h n o lp r o d u c t i o nw 矗s t e w a t e r c o r ne t h a n o lp r o d u c t i o nw a s t e w a t e r h i g h r a t ea n a e r o b i c b i o t r e a t m e n t 南开大学硕士学位论文 水是生命的源泉 但随着经济的发展 特别是近代工业化进程的加速 水资源受到了 严重的污染 以我国淮河为例 全流域1 9 1 条支流中 8 0 的支流水体星黑绿色 一半以 上河段已完全丧失使用价值 不少工厂被迫停产 一些地区农作物绝收 目前我国污承排 放量仍呈逐年增加的趋势 其中主要为工业污水 根据国家环保局颁布的 1 9 9 4 年中国环 境状况公报 1 9 9 4 年全国污水排放总量为3 6 5 3 亿吨 比上年增长了2 7 其中工业污 水排放量2 1 5 5 亿吨 以化学需氧量 c o d 所表示的有机物排放量为6 8 1 万吨 比上年 增加了9 4 以上数据还不包括乡镇企业的排污 一般讲 生物法去除污水中的寄机污染物是最经济最有效的处理方法 但传统的好氧 处理法因需要向污水中补充大量的空气或氧气 动力消耗大且剩余污泥量大 而采用厌氧 生物处理成本低且能回收能源 具有庭好的应用前景 近几十年 特别是8 0 年代初由荷兰 农业大学的l e t t i n g a 教授发明的升流式厌氧污泥床 u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t 以 下简称为u a s b 反应器的出现 厌氧处理工艺更得到了空前的发展 但u a s b 反应器启 动时间长 颗粒污泥的形成困难 一般需要半年以上的时间 因此国内在实际 程中的应 用还比较少 在我国 酒精糟液现已超过造纸污水成为第一大有枫污染源 我国8 0 年代末已年产酒 精7 8 万吨 年排放废液l o h 3 c o d 总量达3 0 万吨 酒精的生产方法可分为发酵法和化 学合成法两大类 发酵法是我国酒精生产的主要方法 因原料的就近取材产地关系 淮河 流域地区以地瓜为主 河南省以北地区包括河北省以及东北三省以玉米为主 南方地区 主要是广西 广东 云南几省多采用糖蜜 本论文针对我国酒精生产行业的特点 采用u a h b 和两相u a s b 工艺 分别研究了以玉米和糖蜜为主要原料酒精生产污水的厌氧生物处理 玉米酒精糟液因蛋白质含量较高 采用传统厌氧工艺进行处理 处理效率低 而传统 理论认为 高蛋白条件下 颗粒污泥难以形成 本试验通过小试 研究了蛋白质在u a h b 反应器中的降解及颗粒污泥的形成 并对运行负荷及污泥在反应器中的分布作了分析 在 小试基础上 对天津市蓟县挂月集团星月酒精有限公司所排放污水进行了生产性试验 试 验的结果表明 采用u a h b 反应器 在生产性试验中我们采用的是u a s b 的改进型一膨胀 颗粒污泥床 e o s b 反应器 处理玉米酒精糟液 在处理效果和运行成本等方面都取得了 令人满意的效果 以制糖过程的副产品糖蜜为原料进行酒精发酵 称为糖质原料发酵 与采用淀粉质原 l 南开大学硕士学位论文 料发酵相比 可以大大降低生产成本 但该种污水有机物含量极高 c o d 浓度通常高达1 0 万m g l 以上 且含有高浓度的硫酸盐 一般在5 0 0 0 m g l 以上 对环境的污染十分严重 目前 国内外对这种污水都没有很好的解决方案 通过对该污水进行了近1 0 0 天的小试试 验 证明采用两相u a s b 厌氧处理 可以最大限度地去除污染物 目前 该项目的可行性 报告已通过了广西壮族自治区糖业公司的评审 将在广西武宣县糖厂进行实际应用 u a s b 反应器作为一种高效厌氧生物处理设备 与传统采用的厌氧发酵罐相比 处理 效率可以提高1 0 倍以上 可大大减少反应器体积和处理成本 特别适用于排放污染物浓度 高 且污水毒性较低的酒精生产行业 具有很高的推广价值 2 南开大学硕士学位论文 第一章污水的厌氧生物处理 1 1 厌氧处理技术的发展 厌氟消化 或称厌氧发酵 是一种普遍存在于自然界的微生物过程 凡是有水和有机 物存在的地方 只要供氧条件不好或有机物含量多 都会发生厌氧消化现象 使有机物经 厌氧菌分解而产生沼气 1 7 7 6 年 v a l t a 发现沼泽中可产生可燃气体 他意识到这种气体的 产生与有机质的分解有关 l o u i sm o u r a s1 8 8 1 年发明了第一个厌氧发酵池 从此 厌氧消 化技术才被用于有机物和污水的处理 厌氧处理技术在1 0 0 多年的应用历史中 曾有过两次发展高潮 第一次高潮是在二次 大战后的5 0 年代初 由于一些发达国家工业发展高度集中 城市人口急剧增加 环境污染 日趋严重 为了摆脱困境 在世界范围内兴起了应用厌氧发酵技术的高潮 如日本 美固 法国 德国 英国都相应建立了一些规模较大的污水处理厂 厌氧发酵广泛地用于处理污 水污泥 这时厌氟处理只限予对有机污染物在1 0 0 0 0 m g l 以上范围的污水和粪尿或者悬浮 物含量在2 7 以下的污泥处理 所采用的工艺主要是传统的厌氧消化装置 而二十世纪七十年代的石油危机及随之而来的能源价格的上涨 使厌氧生物处理因其 节能高效的特点再一次得到了人们的关注 并开发出了很多高效厌氧生物反应器 如厌氧 滤床 a f 2 升流式厌氧污泥床 u a s b p h 厌氧流化床 a f b n 上流式厌氧复合 床 u a h b f 9 膨胀颗粒污泥床 e g s b o o 嗨等 高效厌氧反应器的发展大大提高 了厌氧反应器的负荷和处理效率 使污水在反应器内的停留时间可以缩短到几个小时 反 应器容积得以大大缩小 从而利于厌氧技术用于工业化的污水处理 污泥在反应器内停留 时间的延长与污泥浓度的提高使厌氧系统更具有稳定性 有效增强了对不是因素的适应性 因此 2 0 多年来 厌氧污水处理得以很快推广 成为水污染防治领域里一项有效的新技术 现在 厌氧生物处理技术不仅用于处理剩余污泥 高浓度有机污水 而且还能有效地处理 低浓度污水 1 2 厌氧生物处理的特点 1 2 1 厌氧生物处理的优点 我们所说的厌氧生物处理是利用厌氧微生物的代谢过程 在无氧的条件下把有机物转 化为甲烷 二氧化碳 水和少量的细胞物质 和好氧处理法相比 具有以下优点 厌氧污水处理技术是非常经济的技术 处理成本比好氧处理低很多 而且可以回 南开大学硕士学位论文 收能源 用活性污泥法处理l k g c o d 需要耗电1 3 1 8 k w h 而采用厌氧处理 大大减少了 由于艰气带来的动力消耗和污泥处理的费用 仅用少量的能量就可以将污水中潜在的能量 以沼气的形式释放出来 从理论上讲 每去除l k g c o d 可以产生0 3 5 m 3 的纯甲烷气体 标 况即0 1 0 1 3 1 0 5 p a 下 每立方米甲烷可发电8 6 4 1 0 6 j 因此甲烷是一种很好的能 源 张振家 b 甘薯干酒精污水处理进行的分析表明 每处理1 m 污水可获利2 9 元 所以 可以说厌氧污水处理可以把环境保护 能源回收与生态良性循环结合起来 具有良好的环 境与经济效益 厌氧处理方法产生的剩余污泥量比好氧法少得多 好氧生物法每去除i k g c o d 产 生0 a q 6 k g 的生物量 而厌氧生物法因厌氧微生物的增殖速度幔 去除1 k g c o d 只产生 0 1 s 卸 2 k g 的生物量 1 而且厌氧剩余污泥脱水性能好 浓缩时可不使用脱水剂 因此剩 余污泥的处理要容易得多 污水厌氧处理设备负荷高 占地少 厌氧反应器容积负荷一般在5 1 0 k g c o d m 3 d 采用高效厌氧反应器 容积负荷可以达到5 0k g c o d m 3 d 以上 而一般好氧处理法的容积 负荷仅为1 2k g c o d m 3 d 所以 厌氧反应器单位容积的有机物去除量高 反应器体积小 占地少 厌氧法对营养物的需求量少 一般认为 若以可以生物降解的c o d c o d b d 为 计算依据 好氧法氮和磷的需求量为c o d b d n f 1 0 0 5 1 而厌氧法为 3 5 0 5 0 0 5 1 一般有机污水已含有 定量的氮和磷及多种微量元素 因此厌氧方法可以不添加或 少添加营养盐 厌氧法可处理高浓度的有机污水 当污水浓度较高时 不需要大量稀释水 厌氧法的菌种 如厌氟颗粒污泥 可以在终止供给污水与营养的情况下保留其生 物活性与良好的沉降性能至少一年以上 它的这一特征为其间断的或季节性的运行提供了 有利条件 厌氧污泥可以长期贮存 厌氧处理一般在密闭系统中进行 有机物分解产生的臭味易于控制 可以利用某些污水本身所具有的高温条件进行高温厌氧处理 减少了人工降温费 用 厌氧法可以使一些好氧处理难于降解的物质进行降解 厌氧系统规模灵活 可大可小 设备简单 易于制作 无需昂贵的设备 目前处 理工业污水的升流式厌氧污泥床 u a s b 反应器正以几十立方米到上万立方米的规模运 行 4 南开大学硕士学位论文 综上所述 厌氧处理的优点非常适合我国当前资金缺少 能源不足与污染严重的现状 是一种值得推广的技术 1 2 2 厌氧生物处理的缺点 厌氧法用于大规模的工业污水的处理只是近2 0 年间的事 厌氧技术的发展尚不充分 其经验与知识的积累尚有一定的局限性 作为一种新的技术 它也存在着不足之处 厌氧法虽然负荷与进水浓度高 去除有机物的绝对量大 但其出水c o d 浓度较 高 为使水质达到圈家标准 尚需要进行后续处理 如厌氧与好氧生物处理串联运行 才 可达到要求的水质标准 厌氧微生物对有毒物质较为敏感 因此 对有毒污水性质了解不足或操作不当 严重时可能导致反应器运行条件的恶化 但是随着人们对有毒物质的种类 毒性物质的允 许浓度和可驯化性的了解以及工艺上的改进 这一阀蹶正在得到克服 近年来人们发现 厌氧细菌经驯化后可以极大地舞高其对毒性物质的耐受性 厌氧反应器初次启动时间缓慢 一般需要8 1 2 周时间 这是因为厌氧细菌增殖较 慢所致 但正是由于同一原因 厌氧处理才产生很少的剩余污泥 由于厌氧污泥可以长期 保存 因此新建的厌氧系统在其初次启动时可以使用现有厌氧系统的剩余污泥接种 启动 慢的问题即可解决 1 3 厌氧处理的豢生镌学与生物化学原理 厌氧消化是一种多菌群多层次的厌氧发酵过程 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 对于复杂大分子有机物来说 它在厌氧条件 下的降解 可以分为四个阶段m j 如下图1 1 所示 水解阶段 水解可以定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或 二聚体的过程 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 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肽与氨 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 可能影响水解 速度与水解程度的因素主要是 1 水解温度 2 有机质在反应器内的停留时间 3 有机质的组成 4 有机质颗粒的大小 5 p h 值 6 水解产物的浓度 p a v l o s t h a t i s 和 g o s s e t j 1 6 1 用连续搅拌槽反应器研究了活性污泥的厌氧消化 认为蛋白质的水解在污泥演化 过程中是限速步骤 南开大学硕士学位论文 图1 1 厌氧降解过程示意图 发酵 或酸化 阶段 发酵可以定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的 生物降解过程 在此过程中 溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物 这 一过程也称之为酸化过程 在这一阶段 上述的水解产物在发酵细菌 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 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 因此未酸化污水厌氧处理时产生更多的剩余污泥 酸化的末端产物的组成取决于厌氧降解的条件 底物种类和参与酸化的微生物种群 例如 如果酸化过程在一个专门的酸化反应器 作为两相厌氧处理的第一步 里进行 糖 作为主要的底物 则末端产物将是丁酸 乙酸 丙酸 乙醇 二氧化碳和氢气的混合物 而在一个稳定的一步反应器 即酸化与产甲烷在同一反应器中进行 中 则乙酸 二氧化 碳和氢气是酸化细菌最主要的末端产物 其中氢气又能相当有效地被产甲烷菌利用 故在 反应器中往往只能检测到乙酸和二氧化碳 同时 氢气也可以被能利用氢的硫酸盐还原菌 或脱氮菌所利用 在厌氧降解过程中 酸化细菌对酸的耐受力必须加以考虑 酸化过程在 6 南开大学硕士学位论文 d h 下降到4 时仍可以进行 但是产甲烷过程的最佳p h 值在6 5 7 5 间 因此p h 值的下降 将会减少甲烷生成和氢的消耗 并进一步引起酸化末端产物组成的政变 一些产物例如丙 酸会大量生成 产乙蘸 没有足够的能力克服这种改变 甲烷菌活力的下降又进一步加剧 了酸的积累 使p h 值迸一步下降 厌氧降解过程因此恶化 严重时可使甲烷的形成完全 终止 这就是我们常说的 酸化 现象 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 本阶段微生物主要是产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌 在产氢产乙酸菌的作用 下 一些脂肪酸和醇类等物质转化为乙酸 经过产乙酸阶段后 进水中约7 0 的c o d 被 转化为乙酸 产甲烷阶段 在这一阶段里 乙酸等被转化为甲烷 二氧化碳和新的细胞物质 产 甲烷过程往往是整个厌氧消化过程的限速步骤 甲烷细菌是参与有机物厌氧消化过程的最 后一类也是最重要的一类细菌群 从生物学发展谱系的角度考察 它们属于与真核生物和 普通单细胞生物无关的第兰谱系 人们把它们划归于古细菌 甲烷细菌的形态多种多样 但大致可分为球状 杆状 螺旋状和八叠状四类 它们能利用的能源和碳源物质十分有限 即h 2 c 0 2 甲酸 甲醇 甲胺和乙酸 其中 乙酸是形成甲烷的主要基质 大约7 0 的甲 烷来源于乙酸 一般认为 甲烷细菌生长繁殖得很慢 倍增时间长达几小时至几十小时 而好氧细菌的倍增时间仅需数十分钟 甲烷细菌对环境条件的要求很高 大多数中温甲烷 细菌的最适p h 值范围约在6 8 7 2 之间 另外 对氧化还原电位 温度变化及营养都有较 严格的要求 1 4 影响厌氧处理的环境因素 1 4 1 温度的影响 各种微生物都在一定的温度范围生长 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 2 嗜温微生物 生长温度2 0 4 2 c 嗜热微生物 生长温度为4 2 7 5 c 相应地 污水厌氧处理也分为低温 中温和高温兰类 其温度范围与上述细菌生长温 度范围相对应 也就是说 在这三类不同温度区间运行的厌氧反应器内生长着不同类型的 微生物 例如只有嗜热微生物才能在高温厌氧反应器内运行 如果温度高出细菌生长温度 的上限 将导致细菌死亡 如果温度过高或持续的时间足够长 当温度恢复后 细胞的活 7 南开大学硕士学位论文 性也不能恢复 雨当温度下降并低于温度范围的下限 从整体上讲 细菌不会死亡 而只 是逐渐停止或减弱其代谢活动 菌种处于休眠状态 其生命力可维持相当长时间 当温度 上升至其原来生长温度时 细胞活性能很快恢复 因此温度超过上限会引起严重问题 而 温度下降一般只引起细胞活力下降 如果采取适当措施 可以很快恢复正常 迄今大多数厌氧污水处理系统在中温范围运行 一般以3 0 4 0 c 最为常见 其最适处 理温度在3 5 4 0 c 间 但也有很多高温厌氧处理的成功范例f 9 l 选择厌氧消化温度主要考虑两个方面的因素 即处理效率和能源消耗 高温消化的处 理效率高 自身产能也高 但能耗相对较高 因此 只有在污水温度较高或有大量废热可 以利用的条件下才宜选用 当然 对那些必须进行严格消毒才允许排放的污水或污泥 为 了施行高温消毒 也可采用高温消化 一般情况下 以采用中温消化为宜 至于自然温度 下的厌氯消化 由于效率太低 在工业污水及各种有机污泥的处理中 不宜轻易选取 1 4 2p h 值及酸碱度的影响 p h 值也是影响厌氟消化微生物生命活动过程的重要因素 一般来说 p h 值对微生物 的影响主要表现在以下几方面 各种酶的稳定性均与p h 值有关 p h 值直接影响底物的存在状态 例如 p h 7 时 一部分脂肪酸电离成带负电的酸根离子 就难 以透过细胞膜了 透过细胞膜的游离酸在细胞内重新电离 改变胞内p h 值 影响许多生化反应的进 行及a t p 的合成 微生物对p h 值的波动十分敏感 即使在其生长p h 范围的p h 值的突然改变 也会引 起细菌活力的明显下降 这表明细菌对p h 改变的适应比对温度改变的适应过程要慢得多 一般而言 用于厌氧生物处理的绝大多数有机工业污水和污泥 其中所含酸碱物质主 要是一些弱酸和弱碱 由其形成的p h 值大多在6 0 0 5 之间 而在厌氧过程中产生的各种 酸性和碱性物质 它们对消化液的p h 值往往起支配作用 消化液中产生的酸性物质主要 为挥发性脂肪酸和溶解的碳酸 挥发性脂肪酸是碳水化合物和脂类物质经发酵细菌和产氢 产乙酸细菌的作用而形成的不同层次的代谢产物 绝大多数为乙酸 丙酸 丁酸 消化液 中形成的碱性物质主要是氨氮 它是蛋白质 氨基酸等含氨物质在发酵细菌脱氨基作用下 形成的 它在酸性条件下多以n h 4 形态存在 而在碱性条件下多以n h 的形式存在 在消化的最初阶段 因产酸细菌适应环境快及代谢能力强 将有机物迅速转化为脂肪 8 南开大学硕士学位论文 酸 而甲烷菌增殖很慢 无法将这些脂肪酸吸收利用 致使脂肪酸积累起来 使溶液的p h 值迅速下降 其后 随着甲烷细菌对环境的逐渐适应 利用脂肪酸的速率逐渐增大 另一 方面 滞后分解的含氮有机物 如蛋白质 开始分解 溶液中氨氮含量迅速增加 正是这 两方面的原因 溶液的p h 值开始上升并趋于稳定 1 4 3 氧化还原电位的影响 厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的重要条件 而厌氧环境的主要标志是发酵液 具有低的氧化还原电位 一个体系的氧化还原电位是由该体系中所有能形成氧化还原电对 的化学物质的存在状态决定的 体系中氧化态物质所占的比例越大 其氧化还原电位就越 高 形成的环境越不适于厌氧微生物的生长 反之 体系中还原态物质所占比例较大 其 氧化还原电位就越低 形成的厌氧环境就越适于厌氧微生物的生长 一般情况下 氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电位升高的最主要和最直接的 原因 但除氧以外 其它一些氧化态物质的存在 如某些工业污水中含有的f e s o 2 和 n 0 3 等 同样能使体系中的氧化还原电位升高 当其浓度达到一定程度时 同样会危害厌 氧消化过程的进行 控制低的氧化还原电位主要依靠以下措施 首先必须保持严格的封闭系统 杜绝空气的渗入 通过生化反应消耗进水中带入的溶解氧 使氧化还原电位尽快降低到要求值 一 般情况下 污水进入厌氧反应器后 通过剧烈的生化反应 使氧化还原电位值降到 1 0 0 2 0 0 m v 继而降到 3 4 0 m v 因此在工程上没有必要对进水施加特别的除氧措施 本章小结 本章主要介绍了厌氧生物处理的发展 特点 基本原理以及影响厌氧处理的几个因素 9 塑量杰堂堡主堂堡熊錾 参考文献 e 1 m c c a r t y p l o n eh u n d r e dy e a r s o fa n a e r o b i ct r e a t m e n t a n a e r o b i cd i g e s t i o n1 9 8 1 e l s e v i e r b i o m e d i c a l p r e s s a m s t e r d a m p p 9 1 9 8 1 9 8 1 2 2y o u n g j c a n dm c c a r t y p l t h ea n a e r o b i c f i l t e rf o rw a s t et r e a t m e n t p r o c e e d i n g so f t h e 2 2 p u r d u ei n d u s t r i a lw a s t ec o n f e r e n c e a n na b o rs c i e n c ep u b l i s h e ri n c p p 5 5 9 5 5 7 4 1 9 6 7 3 1l 鲥n 乳g v a nv e l s e n a e h o b m a s w d ez e e u w wa n dk l a p w i j k a u s eo f u p f l o ws l u d g eb l a n k e t u s b r e a c t o r c o n c e p t f o r b i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t b i o t e c h n o l o g ya n db i o e n g i n e e r i n g v 0 1 2 2 p p 6 9 9 7 3 4 1 9 8 0 4 胡纪萃 简谈现代高效厌氧反 瓣 u a s b 反应器 环境保护 p p 4 8 1 9 9 8 2 5 陆正禹 u a s b 反应器常温下处理啤酒污水的生产性启动研究 中国给水排水 p p 7 1 3 1 9 9 5 3 6 陈玉谷 u a s b 反应器处理酒精废液颗粒污泥形成过程的研究 环境科学学报 p p 1 1 3 1 1 8 1 9 9 4 3 7 h i c h e y r ea n do w e n s r f m e t h a n eg e n e r a t i o nf r o mh i g hs t r e n g t hi n d u s t r i a lw a s t e sw i t h t h ea n a e r o b i c f l u i d i z a d b e d b i o t e c h b i o e n g s y m p s e r n o 1 1 p p 3 9 9 1 9 8 1 8 o l e s z k i e w i c 毛j a h a l l e r a n do z i e m b l o j z p e r f o r m a n c eo fl a b o r a t o r ya n a e r o b i c h y b r i dr e a c t o r sw i t hv a r y i n gd e p t h so fm e d i a e n v i r o n m e n t a t e c h n o l o g yl e t t e r v o 7 p p 4 4 5 4 5 2 1 9 8 6 9 张振家 谷成 高温u a h b 反应器处理玉米酒精糟液的试验研究 中日环境问题学术研 讨会 净化技术与水环境管理论文集 p p 9 0 9 4 1 9 9 9 5 1 0 r i n z e m a a v a nv e e n h a n dl e t t i n g a g a n a e r o b i cd i g e s t i o no f t r i g l y c e r i d ee m u l s i o n si n e x p e n d e dg r a n u l a r s l u d g e b e dr e a c o r sw i t hm o d i f i e d s l u d g es e p a r a t o r s e n v i r o n m e n t a l t e c h n o l o g y v 0 1 1 4 p p 4 2 3 4 3 2 1 9 9 3 1 l 周伟丽 膨胀颗粒污泥床 e g s b 处理玉米酒精糟液的应用研究 天津大学硕士研 究生毕业论文 1 9 9 9 1 2 1 2 张振家 酒精污水处理新技术 中国水污染防治技术装备论文集 第五期 p p 1 5 1 9 9 9 1 0 1 3 贺延龄 污水的厌氧生物处理 中国轻工业出版社 1 9 9 8 t 1 4 g u j e r wa n dz e h n d e r a j b c o n v e r s i o np r o c e s si na n a e r o b i cd i g e s t i o n w a t e rs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y v 0 1 1 5 p p 1 2 7 1 6 7 1 9 8 3 1 0 南开大学硕士学位论文 1 5 张希衡等 污水厌氧生物处理工程 中国环境科学出版社 1 9 9 6 9 1 6 p a v l o s t h a t i s s g a n dj m o o s s c t j e n v i r o n e n g i n p p 5 7 5 5 9 9 19 8 8 1 4 1 7 上村繁树 原田秀榭 高温u a s b u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d 法c j 知高速j y 凳酵特性 土木学会第4 8 回年次擘衍耩演会 平成5 年9 月 1 9 9 3 9 f 1 8 2 村繁树 原田秀榭 高温u a s b l 二l 玉7j 儿蒸留魔水 魍理 下水道研究凳表 会请演集 p p 7 5 0 7 5 2 1 9 9 4 1 9 任洪强等 两级厌氧工艺处理酒精废液的一r 业化研究 无锡轻1 业大学学报 p p 6 4 6 7 1 9 9 9 6 南开大学硕士学位论文 第二章升流式厌氧污泥床 u a s b 反应器简介 2 1 u a s b 的应用 升流式厌氧污泥床 u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t 简称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 a i n g a 等人予二十世纪七十年代末研制成功的 并于1 9 8 0 发表 了第一篇有关u a s b 的论文 在u a s b 技术发展初期 它只是用于溶解性中等浓度 5 1 0 9 c o d l 污水的处理 但在9 0 年代以后 u a s b 已被应用于各种复杂污水 包括含有有毒性物质 悬浮物 类脂 与蛋白质 的处理 目前 u a s b e 艺己成为应用最为广泛的高效厌氧反应器 它的出现 是厌氧处理工艺的一场革命 据荷兰几家环境公司的不完全统计 至1 9 9 9 0 年 世界各地 已有2 0 5 个生产规模的u a s b 系统投入运行 2 到了1 9 9 3 年 这个数字增加到4 0 0 多个f 3 1 而1 9 9 8 年 生产性u a s b 总数已达6 0 0 多座 国内目前也有很多应用u a s b 技术处理如 酒精废液l 1 嘲m 啤酒污水h 1 1 9 1 染化污水 含氯酚污水 造纸黑夜 1 及制药污水 的实例 2 2 u a s b 反应器的特点 2 2 1 i j a s b 反应器的构造 图2 1 为u a s b 反应器的构造示意图 图2 1u a s b 构造示意图 2 南开大学硕士学位论文 u a s b 反应器从下到上大致可以划分为三个功能区 即底部的布水区 中部的反应区 和顶部的分离出流区 布水区 布水区位于反应区正下方 其基本功能是将待处理的污水均匀地分布在反 应区的横断面上 布水系统的好坏是u a s b 正常运行的一个重要条件 配水不均会造成反 应器内搅拌不均匀 水流速度高的地方 营养充足 水 气搅拌充分 而水流速低的地方 营养物少 产气量也少 搅拌作用弱 这样会造成反应器中形成生物活性很差的死角或准 死角 致使反应器容积减小 处理能力降低 在布水系统的设计方面有一些专利技术 能 够较好地解决均匀布水的问题f 4 1 反应区 反应区为u a s b 的工作主体 其中充满高浓度和高活性的厌氧污泥混合液 对污水中的可生化性有机污染物进行有效的吸附和降解 u a s b 反应器内 反应区的污泥 沿高程呈两种分布状态 下部约1 3 l 2 的高度范围内 密集堆存着絮状污泥和颗粒污泥 污泥粒子虽呈一定的悬浮状态 但相互之间距离很近 这个区域内的污泥固体浓度高达 6 0 1 2 0 9 v s s 几 通常称为污泥床层 是对污水中的可生化性有机物进行生物处理的主 要场所 被降解的有机物中 大约7 0 9 0 是在这个区域内完成的 污泥床层以上约占反应区总高度2 3 1 2 的区域内 悬浮着粒径较小的絮状污泥和游 离污泥 絮体之间保持着较大的距离 污泥固体的浓度较小 平均约为5 2 5 9 v s s l 此高度范围通常称为污泥悬浮层 这里进行生物降解的作刚并不明显 被降解的有机物仅 有1 0 一3 0 是在此层中完成的 但它是反应器正常运行所必需的 当污混床层中的部分污 泥粒子被上升的气泡冲起时 在气泡的浮力作 e 下 上浮于污泥悬浮层中 而当上升的大 气泡将其上的小气泡冲走 或污泥粒子上浮于液面 在界砸张力突变而使小气泡破裂后 这些污泥粒子又会沉降至原来的污泥床层中去 所以说污泥悬浮层是一个缓冲层 对防止 污泥的流失并保持反应区污泥的高浓度有十分重要的作用 正常j 作的u a s b 反应器内 在污泥床层和污泥悬浮层之间通常存在着一个浓度突变 的分界层 叫做污泥层分界面 污泥层分界面的存在及其高低和污水种类 出水及产气等 条件有关 分离出流区 分离出流区位于反应区的顶部 其主要功能是进行阎液分离 气液 分离和固气分离 即所谓的三相分离 它是u a s b 反应器最具特色的部分 d h j 图2 2 是世界上第一座u a s b 装置 它的三相分离器是依照沉淀原理设计的 体积 很人 在形状上呈头大身子小 分离效果不佳而且也不利于建设 近二十年 在三相分离 器的设计方面取得了许多成果 但因为这项技术属丁专利 成熟的设计方法报道很少 总 l3 南开大学硕士学位论文 的来说 三相分离器要达到的主要目标是 从反应器中分离和排放出产生的沼气 尽可能有效地防止具有生物活性的厌氧污泥流失 使污泥返回反应器的反应区 提高出水的净化效果 防止上浮的颗粒污泥洗出 图2 2 世界上第一座u a s b 装置 2 2 2u a s b 同其它高效厌氧反应器的比较 表2 1 比较了u a s b 和其它几种高效厌氧反应器的特征i 表2 1u a s b 与阎定床和流化床特性的比较 固定床流化床 u a s b l 沼气 厂 沼气 7 柑一l i 处理水 l 处理水 扑础出 示意图 又填二 一 j l 兰相 循 分离器 环 载体 生糖l v 水 悬浮层 0 茹籀 污泥眯 原水f j i j i 峦 胤水 配水部分 靠填料表面生长的厌 载体处于流化状态 菌体自动集结成颗 处理方式靠载体表面生长的生粒 具有良好的生物 氧生物膜降解有机物 物膜降解水中有机物活性和沉降性能 4 南开大学硕士学位论文 砂 沸石 无烟煤 载体 填料砂 碎石 塑料等粒状活性炭等粒径为不需要 装 0 2 1 o m m 的载体 置 处理水回流 圊流比为 产生的沼气起到自动 搅拌方式 o 5 1 0 1搅拌作用 无须动力 污泥浓度 1 0 2 0 k g v s s m 32 0 3 0 k g v s s m 33 0 5 0 k g v s s m 3 有机负荷 5 1 0 k g c o d m a d 1 0 1 5k g c o d m 3 d15 2 5k g c o d m 3 d 动力消耗最低 既不 特菌体固定在生物膜不易堵塞 污水与生需要机械搅拌 也无 优点 征上 流失量少物接触充分须出水同流 污泥浓 度晟高 结构简单 固定床易堵塞 处理动力费用太高 生物非最佳运行条件下菌 缺点 能力较低挂膜困难体可能随出水流失 由表中可以看出 与其他厌氧法相比 u a s b 具有如f 的优点 i u a s b 结构简单 不需要填料或者载体 基建费用低 2 u a s b 内能够形成沉降性能良好的高浓度颗粒污泥 从而在没有载体或填料的条件 下完成生物相的固定化 使厌氧反应器内水力停留时间与生物同体停留时间分离开 达到 较高的处理能力和处理效率 颗粒污泥不仅可以保证良好的处理效果 而且剩余污泥量少 污泥稳定 易于存放 二次启动速度快 u a s b 无需象流化床那样保持污泥的流化状态 依靠产气的搅拌作用使污泥床不断 运动从而与污水混合 因此能耗较小 2 3 厌氧颗粒污泥 2 3 1 颗粒污泥的一般概念 u a s b 之所以可以承受很高的容积负荷 与反应器中保留有大最活性高 沉降性好的 厌氧颗粒污泥是分不开的 但颗粒污泥并非是u a s b 独有的特征 在其他上流式反应器中 也有形成颗粒污泥的报道 2 颗粒污泥可以定义为具有自我平衡的微生态系统 是在上流 式污水处理系统中形成的微生物聚集体 从形态上看 其直径麻大于0 5 r a m 过小的污泥 聚集体可能尚不稳定或不具有颗粒污泥的典型特征 颗粒污泥的物理性质是非常稳定的 颗粒污泥的形成实际上是微生物周定化的一种形式 但与其它类型的同定化不同 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 但当向反应器中投加惰性载体f 2 颗粒活性炭f 吸水聚合物e 2 3 及向污水中 南开人学f i i l 学位论文 加入甲醇 2 4 1 都可以大大缩短颗粒形成的时间 根据h u l s h o 邱o l 2 污泥颗粒化具有以下的优点 细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统 其中不同类型的种群纲成了共生或互 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的细菌对营养的吸收 颗粒使发酵菌中间产物的扩散距离大大缩短 这对复杂有机物的降解是很重要的 在污水性质突然变化时 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 2 3 2 颗粒污泥的特征 2 3 2 1 颗粒污泥的大小 密度 沉降性能和强度 颗粒污泥一般具有相对规则的球形成椭球形外观 直径多在0 5 5 0 m m 未酸化底物 中培养的颗粒污泥比在已酸化底物中培养的大 颗粒污泥大到 定程度会破裂 它所能维 持的最大尺寸取决于它所受到的外力 内部的强度和营养等因素 颗粒污泥的密度约在1 0 2 5 1 0 8 0 k g m 3 一般认为大多数情况下颗粒污泥的密度随直径 增大而降低 这是因为在污水处理过程中 底物转化过程首先在颗粒污泥外层进行 由于 底物向内部的扩散有限 颗粒内部底物浓度很低 发生细胞的自溶现象而导致内部微生物 量减少 所以颗粒污泥中其密度沿径向由外向内呈递减趋势 由于营养不足会导致大而中 空的颗粒污泥的形成 这种污泥密度利机械强度都较低 由于中间的内腔易于容纳产生的 沼气 这种颗粒污泥很容易上浮而被洗出反廊器 表达污泥沉降性能常用污泥体积指数 s v i 和沉降速度 颗粒污泥的s v i 多在1 0 2 0 m l g 之间 沉降速度是颗粒直径二次方的函数 颗粒污泥的强度也是其重要性质之一 颗粒强度的降低会增加颗粒的破裂或剥落 使 污泥流失 颗粒的强度与其直径的关系较大 直径较小的颗粒强度较好 4 2 3 2 2 颗粒的化学组成 以灰分表示的颗粒污泥中无机物含繁受若干因素影响 如某些污水中禽有的或在厌氧 过程中产生的无机沉淀物或污水中的无机悬浮物进入污泥都会影响灰分的含量 一般用v s s 表示颗粒污泥中有机物的量 并以此估计污泥中细胞的量 过高的灰分含 量意味着污泥中细胞量的减少 一般情况下 v s s 占污泥总量的比例在7 0 一9 0 v s s 主要由细胞构成 颗粒污泥中的黑色源于f e n i c o 或其它金属硫化物的沉淀 另外 颗粒中含有c a c o 1 6 南开大学硕士学位论文 其含量随污水中c a 2 浓度的增高而上升 有报道 在含有8 0 0 m g l c a 的污水中 由于大 量c a c o 的存在 颗粒污泥中灰分含量高达3 6 i 少量c a 2 在污水中存在有利于形成颗 粒污泥并提高污泥的沉降性能和增加其机械强度 过高的c a 2 导致颗粒污泥中灰分过高 使颗粒污泥的产甲烷活性降低 m 矿和其它一些金属离子