环境科学与工程毕业设计英文译文.doc

厌氧塘处理含有淀粉的污水：泰国的研究实例B.K.Rajbhandari，A.P.Annachhatre亚洲环境工程和管理技术研究所，4#信箱，Klong Luang，Pathumthani 12120，泰国2004.1.20修改稿 2004.1.26 审定稿 2004.3.12可在线阅览摘要 因为厌氧塘可达到沉降固体颗粒和去除有机物的双重目的，所以它能够特别有效地处理含有高浓度可生物降解固体颗粒的污水。人们在热带气候条件下评定一个用于处理含有高浓度有机碳、可生物降解淀粉颗粒和氰化物的污水处理系统的处理效果。每天大约有5000立方米来自淀粉厂的污水被一系列厌氧塘处理，其中包括7.39公顷的厌氧塘和29.11公顷的临时处理塘，可以达到90%以上的COD、TSS去除率和51%的CN去除率。厌氧塘沉降物和散装液中活性微生物群的产甲烷率为：每克VSS可产生20.7ml和11.3ml的甲烷。污泥的氰化物降解能力为：每克VSS可将10mg/l和20mg/l的氰化物分别降解为0.43mg/l和0.84mg/l。淀粉污水沉降实验表明，120分钟的沉降时间足以去除90-95%的TSS。关键词：厌氧塘；氰化物降解能力；有机碳；沉降特性；专门的产甲烷细菌活动；淀粉厂污水1.介绍厌氧塘被广泛用于处理食品厂、纸浆厂、制糖厂、和蒸馏厂所产生的的有机污水。厌氧塘能够特别有效地处理含有高浓度可生物降解悬浮固体的污水。在这样的情况下，厌氧塘的流层起到沉淀池的作用，同时，厌氧塘的生物降解主要发生在厌氧塘的沉降物中。沉降物中的厌氧反应包括：可生物降解颗粒物质的溶解、酸化反应、乙酰化反应和产甲烷反应。散装液中所发生的反应与厌氧塘中所发生的反应相比可以忽略。因此，厌氧塘达到了沉降颗粒物质和进行有机物厌氧转化的双重目的。然而，厌氧塘的运行也存在很多内在的问题，如大量的土地需求，硫化氢、二氧化碳、甲烷等令人厌恶的温室气体的排放。尽管存在这些问题，厌氧塘在土地充足的地方还是特别受到欢迎的。淀粉厂所排放的污水就是一种广泛被厌氧塘处理的污水。世界很多盛产木薯的地方都生产淀粉。木薯根含有20-25%的淀粉。淀粉的提取过程必不可少地包括木薯根的预处理，淀粉的提取、分离和干燥。这一过程产生的污水量为：生产每吨淀粉可产生20-60立方米。pH值为3.8-5.2。污水本身含有很高的有机物，其化学需氧量可达到25000mg/l。污水本身含有高浓度的TSS，其浓度为3000-15000mg/l，在自然条件下可高度生物降解。含有木薯淀粉的污水也含有高浓度的氰化物，其浓度可达到10-15mg/l。氰化物浓度为0.3mg/l时就会对水生生物产生剧毒作用。根据报道，现在的水污染问题很严重。污水的酸性特征可以伤害水生有机体，并减少纳污河流的自净化能力。污水存在的悬浮性固体颗粒能够沉降在河床上，伤害水中的鱼类。因为这些固体颗粒主要是有机物质，它们可以很容易地被降解掉，从而减少水中的溶解氧。类似的，污水中的高浓度的COD会使纳污水体中的溶解氧很快减少并促进令人厌恶有机体的生长。据报道，在亚洲很多国家，特别是印度和泰国，由生产木薯淀粉所引起的水污染已经是一个很严重的问题。木薯含有合成氰化物，并将其作为自然防御物。在淀粉的制作过程中，木薯根部以里那苦苷酸形式存在的合成氰化物被水解成里那苦苷酶，然后分解为氰化氢流入污水中。淀粉污水中的氰化物在厌氧处理过程中可以有效地被去除。厌氧污泥上流系统能够有效地处理淀粉污水，特别是去除其中的氰化物。有资料记载，产甲烷菌对氰化物的适应浓度为5-30mg/l。因此，用厌氧塘处理木薯淀粉污水可以达到三个目标：颗粒物质的沉降、有机物质的厌氧转化和氰化物的去毒。据此，现在的工作就是评定厌氧塘处理木薯淀粉厂污水的能力，特别是关于去除 COD、TSS和氰化物的的能力。既然厌氧塘是作为淀粉颗粒沉降池来使用的，那么其沉降特性也应该由实验来评定。此外厌氧塘沉降物和散装液中的厌氧微生物的产甲烷活动（SMA）应当由专门的产甲烷实验来测定。氰化物的降解率也需要评定。2、方法 坐落在泰国中央省份的木薯淀粉厂和葡萄厂每天可生产250吨的淀粉，人们对那里的厌氧塘处理系统作了调查。这些工厂使用地下水作为工艺用水水源，每天产生大约5000立方米污水。调查期间的环境温度为30-35摄氏度。2.1 处理塘图1为淀粉厂稳定塘处理系统的示意图。这一处理系统由21个厌氧塘和临时处理塘组成，它们连接在一起，共占地36.5公顷。它们当中，6号塘是占地7.39公顷的厌氧塘，15号塘是占地29.11公顷的临时处理塘。现在重点研究的是厌氧塘处理系统。在研究期间，仅有4个厌氧塘在运行。厌氧塘的常用尺寸大约是长250m 、宽100m、深4-5 m 。 厌氧塘的运行参数列在表1中。该厌氧塘处理淀粉厂和葡萄糖厂产生的污水。淀粉厂污水首先流入2号塘，然后流入4号塘；而葡萄厂的污水首先流入3号塘，然后流入5号塘。淀粉厂污水和葡萄糖厂污水最后汇在5号塘。汇合后的污水流入一系列临时性处理塘，处理后，最终排入地表水体。2.2 污泥活性实验SMA实验的示意图如图2。为了测定SMA，把来自4号塘一定量的污泥清洗3次以去除存在的COD，装入115ml的溶浆瓶。同时在4号塘中取100ml散装液装入溶浆瓶中以测定散装液沉降污泥的SMA。将一定量的淀粉厂污水作为底物加入溶浆瓶中，使其中的COD达到2000-2500mg/l的水平。加入营养物质以保证碳：氮：磷为300：5：1。将pH值调整为7-7.8，将2g/ml的碳酸氢钠溶液作为缓冲溶液随底物一起加入溶浆瓶中，以确保实验中的pH值为中型。接下来，用氮气将瓶中的氧气清除掉并安上移液系统，之后，用橡胶隔膜和铝质瓶帽将溶浆密封起来。移液瓶装有3%的氢氧化钠溶液。在48小时的不同时间间隔内测量甲烷的产生情况，每次测定气体之后，进行人工旋流将溶浆瓶中的浆体混合。该实验在30摄氏度恒温室内进行。同样，厌氧塘沉降物中的氰化物分解活动也在溶浆瓶中进行。将4号塘沉降层中一定量的污泥保存在溶浆瓶中，并灌满70ml含有类似SMA实验所使用营养物质的污水。将储存好的氰化物溶液加入每个溶浆瓶中，使其中的氰化物浓度分别达到10mg/l和20mg/l。然后用氮气对溶浆瓶进行冲洗并立刻用橡胶隔膜和铝质瓶塞将其密封。将瓶子保存在30摄氏度的恒温室中。在48小时内，每8个小时用汉密尔顿管取出样品并分析其氰化物含量。2.3 悬浮固体沉降实验在静态条件下，用直径为10cm和高度为2.0m的沉降柱来测定淀粉厂污水总悬浮固体（TSS）的沉降特性。沉降柱可适应不同浓度的TSS。可用自来水稀释高浓度污水来配置所需TSS浓度的污水。污水经完全搅拌后流入沉降柱内，在2-60分钟内的不同时间间隔内收集沉降柱顶部的样品液并分析其TSS浓度。2.4 分析程序根据标准方法来分析COD、BOD、VSS、DS等参数。根据VSS来测定污泥活性实验中使用的污泥量。所有的样品都要用0.45um的玻璃纤维过滤器进行过滤以测定其中的溶解性COD和BOD。用分光光度计来测定其中的氰化物。2.5 数据分析厌氧塘的处理效果用九个算术平均值加上或减去标准偏差来表示。SMA可用两个平行实验来测定。可用线性回归曲线来描述两次平行实验的结果以及甲烷产量与所用时间之间的关系。根据回归曲线的斜率和所用的污泥量来计算SMA。同样，可以在氰化物累积分解量和所用时间之间建立线性关系。沉降实验中的数据可以用来在半去除时间和流入的总悬浮性固体浓度之间建立线性关系。可以用微软公司的Excel2000来进行所有的数据分析。3 结果和讨论3.1 现有污水处理过程的分析原污水的特性：厌氧塘系统大约每天可以处理4500立方米的淀粉污水和500立方米的葡萄糖污水。厌氧塘的工艺流程和取样点见图3。原污水、流入处理系统的污水和排出处理系统的污水的特性参数见表2。表2中的a列和d列分别对应淀粉厂污水和葡萄糖厂污水。淀粉厂污水酸性很高，而葡萄糖厂污水酸性较低，接近中性。从表2中可以看出，淀粉厂污水的BOD含量为12776+499mg/l，而葡萄糖厂的BOD含量为1046+153 mg/l。淀粉厂污水TSS含量为9130+3067mg/l，主要是极易生物降解的淀粉颗粒。淀粉厂污水氰化物浓度为17.5+1.5 mg/l，而葡萄糖厂污水中检测不出氰化物。厌氧塘的处理效果：厌氧塘面积的详细情况和污水滞留时间已列在表中。总滞留时间为：淀粉厂污水是33+5天；葡萄糖厂污水是1813+3天。每天总量为4999+785立方米的污水平均污染负荷是每天63258+10198kg的COD，其中淀粉厂污水的COD为62732+10152kg，葡萄糖厂污水的COD为658+138kg。厌氧塘总的平均容积负荷是每天每立方米有497+82 kgBOD（即每天每立方米有514+82kgCOD）。在六个厌氧塘中，1号塘和6号塘在研究期间并没有运行。1号塘被淀粉厂污水的淀粉颗粒填满，以便于淀粉厂污水流入2号塘。2号塘的COD、BOD和TSS的平均去除率很低，大约分别为10.5+6.8%。8.6+6.2%和18.0+10.9%。2号塘也部分被淀粉颗粒填满，其中的污水经一个修建好的渠道流入4号塘。这表明1号塘、2号塘主要是作为悬浮颗粒的沉降池来运行的，因此，它们必须定期排泥。由于淀粉颗粒的沉积，污水在厌氧塘的滞留时间也减少了。2号塘的pH值是酸性的，在4.1-4.3之间。这样的条件对产甲烷菌的生长是很不利的，故在这样的条件下是不会产生甲烷的。2号塘BOD的去除率小于10%进一步验证了这一事实。然而4号塘和5号塘是处于厌氧条件的，其pH值在6-8之间。事实上，这两个厌氧塘存在活跃的生物活动，因为这两个塘中有大量气泡形成而且在塘水表面存在悬浮污泥。根据资料记载，适于产甲烷菌的最佳pH值在6.0-8.0之间，但对整个生物群体来说最佳pH值接近7.0。基于表3的数据，4号塘和5号塘的处理效果是令人满意的，而4号塘的处理效果是最好的，COD、BOD和TSS去除率分别达到了88.6+0.6%，90.5+0.6%，87.6+2.8%。2号塘有很高的平均容积负荷，达到了每天每立方米有1031+165kgBOD，而3号塘的平均容积负荷非常低，仅为每天每立方米有6+2 kgBOD。4号塘和5号塘的平均容积负荷分别为每天每立方米有716+128和300+47 kgBOD，均在大多数资料所规定的范围内。淀粉污水中含有17.5+1.5mg/l的氰化物。因为这些厌氧塘已经运行了20多年，所以这些厌氧塘中的污泥已经很好适应了污水中存在的氰化物。2号塘、4号塘和5号塘的氰化物去除率分别为2.8+2.5%、38.4+2.6%和9.2+5.0%。COD、BOD和TSS总的去除率分别为96.2+0.6%、98.2+0.4%和94.7+1.3%。而DS和CN的去除率分别为71.4+1.0%、51.2+1.1%。然而，经过厌氧塘处理后的污水仍然达不到排放标准，因此对厌氧塘处理后的污水进行进一步的处理是必要的。COD的去除要达到上向流污泥流化床（UASB）的处理效果。Pena研究了在相同环境条件下厌氧塘和UASB处理相同生活污水的效果，得出了这两个系统具有类似处理效果的结论。3.2 污泥活性厌氧塘沉降层活性污泥的SMA实验结果表明：在开始的13个小时内，甲烷的产量很低，13个小时之后，产量开始增加。这表明了淀粉厂污水中的有机质转化为产甲烷菌所需的有机酸大约需要13个小时。而厌氧塘散装液中存在剩余有机酸，所以可以立即观察到散装液中的污泥存在产甲烷活动。表4列出了SMA实验结果，其它数值已有资料记载。从表4可以看出，厌氧塘沉降物和散装液的甲烷产率分别是每天每克VSS可产生20.7和11.3ml甲烷，这要低于资料记载的数据。这可以解释与UASB相比，厌氧塘为什么需要相对较长的污水滞留时间。厌氧塘的处理效率比较低，它们需要1.2天的污水滞留时间，25摄氏度左右的环境温度，以确保可以达到70-80%的BOD去除率，而这一处理效果的取得要根据污水浓度。UASB可以达到相同的处理效果，但其污水滞留时间较短大约为6-8小时。对4号塘沉降层中的厌氧污泥进行氰化物降解实验所需要的氰化物浓度分别为10mg/l和20mg/l。浓度为10mg/l的氰化物，其直线斜率表明了其氰化物平均降解率为每天4.02 mg/LCN, 即每天每克VSS可降解0.43mgCN。同样，浓度为20mg/l的氰化物，其氰化物平均降解率为每天7.83 mg/LCN，即每天每克VSS可降解0.84mgCN。3.3 厌氧塘悬浮性固体的沉降 厌氧塘有机物的去除是通过沉降和厌氧分解来达到的。厌氧污水稳定塘被认为是最重要的处理步骤，因为它们可以分离原污水中可沉降物质。考虑到沉降悬浮性颗粒的重要性，要进行沉降实验来研究淀粉厂污水悬浮性颗粒的沉降特性。不同悬浮性颗粒浓度下的沉降时间和颗粒去除率之间的关系见图6。实验数据表明，浓度在1600mg/l以上的TSS，由于沉降作用，在120分钟内可达到90-95%的去除率。而浓度在630mg/l和490mg/l的TSS在120分钟内的去除率分别只有70%和60%。和厌氧塘的污水滞留时间相比，120分钟的沉降时间是非常短的，这表明悬浮性固体的沉降主要发生在厌氧塘的进口区。然而，厌氧塘实际悬浮性固体颗粒去除率小于沉降实验所测得的数值，这一方面由于2号塘淀粉颗粒沉降所形成的短暂环流，另一方面由于厌氧塘实际容积的减少。就3号塘、4号塘和5号塘来说，由于微生物代谢所形成的气泡和厌氧塘出口附近的出流对沉降物的冲刷，沉降颗粒会重新悬浮起来。厌氧塘出流所携带的重新悬浮的颗粒是厌氧塘固体颗粒去除率降低的原因。Tay提议使用方程1给出的沉降模型，而这一沉降模型建立在沉降池悬浮物的沉降特性和水力特性之上。该模型分别将污水滞留时间和年沉降时间作为水力特性和沉降特性。将流入污水50%的悬浮固体所用沉降时间作为半去除时间。半反应时间与沉降实验中的悬浮性固体浓度之间的关系见图7。TSS值为1600mg/l时的半反应时间有些特殊，忽略这一数据，则曲线为直线，遵循方程2所给出的典型关系：TSS值为500mg/l和12500mg/l时的半反应时间分别为9分钟和40分钟。以上结果如图6所示。沉降实验中，大多数TSS值超过630mg/l的半反应时间在9分钟和40分钟之间。这也暗示