【毕业学位论文】（Word原稿）复合式高效厌氧反应器处理生活污水的试验研究废水生物处理技术硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 复合式高效厌氧反应器处理 生活污水 的 试验研究 y y I 摘 要 目前高效厌氧生物技术已经成为生活污水处理领域的研究热点之一，因其具有投资少、节省能源、运行稳定和操作简单等优点，该技术对于经济欠发达地区和城镇地区分散污水的处理具有一定的指导意义和实用价值。 为开展高效厌氧生物技术处理生活污水的应用研究，本试验 依据颗粒膨胀床反应 器（ 内循环（ 氧反应器、厌氧生物滤床的特点， 设计加工了一套有效容积为 复合式高效厌氧反应器，先后以模拟生活污水和实际生活污水为处理对象，系统地研究了该反应器的启动方法与污泥的颗粒化过程；将同一个反应器中厌氧颗粒污泥按不同的粒径区间划分来探讨了污泥的理化特性和生化特性；采用单因素试验对反应器性能的影响因素进行了研究。主要研究结果如下： （ 1）该套反应器通过提高反应器的高径比，同时增设外循环水系统，使得反应器可以承受更高的表面水力负荷，实现了微生物与基质之间更有效充分的接触；同时反应 器上部填料层的增设，使得反应器截流颗粒污泥的能力明显改善，反应器内维持了较高浓度和生物活性的污泥。 （ 2）在厌氧污泥培养的不同阶段，反应器采用适当的运行模式，可以成功实现厌氧颗粒污泥的培养。反应器接种污泥为絮状污泥， 污泥粒径小于 粒污泥增殖阶段，污泥粒径大于 粒污泥成熟阶段， 污泥粒径大于 应器内已形成数量、理化和生化性质稳定的颗粒污泥。 （ 3）随着厌氧颗粒污泥粒径的增大，厌氧颗粒污泥中活性物质含量呈明显增多的趋势，沉降性 能明显改善，机械强度明显增强，湿密度略有所增加。本试验首次在动态和静态试验条件下对五种不同的粒径区间的厌氧颗粒污泥比产甲烷活性进行了对比研究，试验数据表明：随着污泥粒径的增大，厌氧颗粒污泥比产甲烷活性明显增强；相同粒径区间的厌氧颗粒污泥，动态试验的所测得比产甲烷活性较静态试验提高了 23% 85%。 （ 4）反应器以模拟生活污水作为基质，对反应器性能的影响因素进行了研究，试验结果表明：随着进水温度的升高、水力停留时间（ 延长、外循环水流量的增大，反应器 水温度在 341 下， 3 外循环水流量为 32，反应器的 出水 0 （ 5）在进水温度 341 下、 3h、外循环水流量为 32数下运行反应器，逐步实现以实际生活污水作为进水基质，反应器的 2% 64%之间，逐步提高外循环水流量至 488% 75%之间，出水 稳定在 100 150 间。 关键词 ： 厌氧颗粒污泥 ， 高效厌氧反应器 ， 内循环厌氧反应器 ， 生活污水 on by a It of in To on by a an 0.3 In of of of as as (1)on of of so of in of of of (2)In At of is t of At a of (3)of of of a a of a of in MA in 3%85% in is (4)to of 00 600In RT h 81L41 , In 41 81LRT h, In 41 h,21L0 to it 5) In h 41 21Lto a 2%64%. 81L8% 75% 00 150 -1 录 第一章 绪论 . 1 水的厌氧生物处理技术 . 1 水厌氧处理的微生物学原理 . 1 水厌氧生物处理技术评价 . 3 效厌氧技术的特点 . 3 见的 高效厌氧反应器 . 4 氧污泥颗粒化 . 5 氧颗粒污泥形成的机理 . 5 氧颗粒污泥的特性 . 6 氧污泥颗粒化的影响因素 . 7 效厌氧技术在 生活污水 处理中的应用 . 8 效厌氧技术在生活污水处理中应用的技术分析 . 9 究目的和内容 . 10 究目的 . 10 究内容 . 10 第二章 试验装置和方法 . 11 验装置 . 11 验装置结构 . 11 验装置特点 . 11 艺流程 . 12 验用水 . 12 拟污 水 . 12 活污水 . 13 种污泥 . 13 试指标及方法 . 13 规分析测试项目 . 13 泥量测定 . 13 产甲烷活性测定 . 14 径分布测定 . 14 重测定 . 15 降速度测定 . 15 械强度测定 . 15 态观察 . 15 V 第三章 复合式厌氧反应器启动及污泥颗粒化 . 17 应 器启动方法的研究 . 17 应器启动初期 . 17 应器启动中期 . 17 应器启动后期 . 18 验结果与讨论 . 18 . 18 动过程中 的变化情况 . 20 动过程中 度的变化情况 . 22 动过程中酸败现象的克服 . 23 量元素液对污泥活性定性描述 . 23 结 . 23 第四章 厌氧颗粒污泥的特性 . 25 观与生物相 . 25 物活性 . 27 产甲烷活性 . 28 径分布 . 29 降速度 . 31 重测定 . 32 械强度测定 . 32 结 . 33 第五章 厌氧反应器性能的影响因素试验研究 . 34 度对反应器运行性能的影响 . 34 力停留时间（ 反应器运行性能的影响 . 35 循环水流量对反应器运行性能的影响 . 36 温条件下反应器的运行性能 . 37 应器处理实际生活污水的试验 . 38 结 . 39 第六章 结论和建议 . 41 论 . 41 应器的启动 . 41 粒污泥特性 . 41 应器性能的影响因素试验 . 42 议 . 42 参考文献 . 43 致 谢 . 48 者简 历 . 49中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 水的厌氧生物处理技术 水厌氧处理的微生物学原理 污水的厌氧生物处理是一个在厌氧条件下由多种微生物共同作用，将大分子有机物转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨等的复杂的生化过程。不同的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。 1979 年根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果提出了 三阶段理论 ， 该理论认为产甲烷菌不可以利用除乙酸， 链脂肪酸和醇类须经过产氢产 乙酸菌转化为乙酸、 氢气 和 二氧化碳 ，才可为甲烷菌所利用（ 1979） 。 这三阶段即是：水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段。 1979 年在第一届国际厌氧消化会议上提出了著名的 四种群说 ，该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与，这 四种群即是：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌、产甲烷菌 （ 1979） 。 三阶段理论 的提出和 四种群说 的完善， 使得人们对 有机物厌氧消化这个复杂的生物学化学过程得到深刻而正确的认识。 有机物的厌氧降 解过程 见图 1 1机物厌氧分解过程 of 2 34 5酸的产甲烷菌 （ 1991） （ 1） 水解 发酵 阶段 水解 是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 物复杂有机物、 碳水化合物、蛋白质、脂类 简单溶解性有机物 脂肪酸、醇类、丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等 氢气、二氧化 碳 乙 酸 甲烷、二氧化碳 水解 同型产乙酸 发酵 产氢产乙酸 产氢产乙酸 产甲烷作用 产甲烷作用 1 1 1 1 2 2 3 4 5 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 2 因相对分子质量巨大，不能透 过细胞膜，不可以为细菌直接利用 。 复杂有机物 首先 在厌氧菌胞外酶的水解作用下 转化为小分子物质，如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，脂类被转化为脂肪酸和甘油等，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等 （孔繁翔等， 2000；任南琪等， 2004） 。 小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜，在发酵细菌细胞内转化为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌至细胞外。末端产物有挥发性脂肪酸（ 醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨和硫化氢等。 发酵性细菌是一个复杂的混合菌群， 其 功能性菌群主 要 包括纤维素分解菌、木聚糖分解菌、果胶分解菌、 淀粉分解菌、木质素分解菌、脂类分解菌和蛋白质分解菌等。在中温厌氧消化过程中，有梭状芽胞杆菌属（ 拟杆菌属（ 丁酸弧菌属（ 真细菌属（ 双歧杆菌属（ 螺 旋体等属的细菌。在高温消化中，有梭菌属和无芽孢的革兰氏阴性杆菌 ，其它也存在一些链球菌和肠道菌兼性厌氧细菌 （胡纪萃等，2002） 。 （ 2） 产氢产乙酸阶段 在该阶段，产氢产乙酸菌将除乙酸、甲酸 、甲醇以外的水解发酵产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类转化为乙酸、氢气和二氧化碳等 ； 同型产乙酸菌将部分氢气和二氧化碳转化为乙酸。利用乙醇、丙酸、丁酸等基质的产氢产乙酸过程 需要 乙酸 的 低浓度、液体中氢 的低 分压 环境 ， 产氢产乙酸菌只有和耗氢微生物 （如产甲烷菌）互营联合 ，才能将长链脂肪酸降解为乙酸和氢气，并获得能量生长 。产氢产乙酸菌 为产甲烷菌提供乙酸和氢气，促进甲烷菌的生长， 产甲 烷菌利用分子氢而降低生长环境中的氢分压，利于产氢产乙酸菌的生长， 这种互营联合菌种之间形成的种间氢转移对于使得厌氧生境具有生化活性十分重要，是 推动厌氧生境物质循环尤其是碳素转化的生物力 （胡纪萃等， 2002） 。 近年来，发现的产氢产乙酸菌主要包括互营单胞菌属（ 互营杆菌属（ 、梭菌属（ 暗杆菌属（ 。 同型产乙酸菌代表菌种有伍德氏产乙酸杆菌（ 威林格乙酸杆菌（ 乙酸梭菌（ 基维产乙酸菌（ 嗜热自养梭菌（ （胡纪萃等， 2002） 。 （ 3） 产甲烷阶段 这一阶段，产甲烷细菌对基质的转化存在两条途径：食乙酸产甲烷菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺、氢气等物质转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质；食氢产甲烷菌 将 氢和二氧化碳转化为甲烷。在一般的厌氧反应器中，约 70%的甲烷由乙酸分解而来， 30%的甲烷由氢气还原二氧化碳而来。 产甲烷菌是严格厌氧的古生菌，目前发现的主要代表种有 巴氏甲烷八叠球菌（ 、索氏甲烷丝菌（ 这两类菌种主要利用乙酸生长并产生甲烷；甲酸甲烷杆菌（ 布氏甲烷杆菌（ 、嗜热自养甲烷杆菌（ 瘤胃甲烷短杆菌（ 万氏甲烷球菌（ 亨氏甲烷螺菌（ ,这六类菌种主要利用 甲酸生长并产生甲烷 （ 张国政等， 1990； 赵一章等， 1997； 胡纪萃等， 2002； 单丽伟等， 2003） 。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 3 水厌氧 生物 处理技术 评价 （ 1） 污水 厌氧生物 处理 技术可节省动力能耗 好氧菌降解有机物是营分子氧呼吸，分解有机物的过程必须提供分子氧， 而厌氧菌分解有机物是营无分子氧呼吸，分解有机物的过程中不需提供氧气。 理论上完全氧化 1000要消耗 1000子氧 ,耗电量为 500 10002001;胡 纪萃等， 2003） ，采用厌氧工艺则无需这方面的能耗。 （ 2） 污水 厌氧生物处理技术可产生生物能 污水的厌氧发酵可以实现 污水的资源化利用，其间产生大量热值很高的沼气， 在 厌氧 条件下，每去除 1000生甲烷的能量为 12660000能源价值十分可观。 （ 3） 污水 厌氧生物 处理 技术产生的剩余污泥量少 在 好氧降解 过程中 ， 有机物，如碳水化合物， 约有 2/3 被合成细胞，约有 1/3 被氧化分解提供 微生物生长所需 能量 ，好氧微生物 每去除 1物量 。 在厌氧降解过程中，只有少量有机物被 同化为细胞，大部分被转化为甲烷和二氧化碳， 厌氧微生物 每去除 1生成 物量 。一般而言， 厌氧工艺营养需要量是好氧工艺的 5% 20%，合成生物量是好氧工艺的 5% 20% （ 2001） 。 （ 4）厌氧工艺 可承受 较高的有机负荷 好氧工艺受 到污染水体中 氧气传质限制，其容积负荷一般为 4d 氧工艺则没有这方面的限制， 反应器内可以保持较高的微生物浓度， 其容积负荷一般为 2 10 m -3d 可高可达的 50 m -3d （ 5） 厌氧 工艺 对氮和磷的需要量较低 厌氧 微生物每 去除 1生物 量远低于好氧生物处理，对 N、 P 需要量很少，一般情况下只要满足 N P=（ 200:5:1，对于缺乏 N、 P 的有机废水 ， 采用厌氧生物处理 工艺， 可大大节省 N、 P 的投加量，降低运行费用。 （ 6）厌氧消化对某些难降解的有机物有较好的降解能力 一些难降解的有机工业废水 ，如炼焦废水、煤气洗涤废水、农药废水、印染废水等，直接 采用常规的好氧生物处理工艺不能获得满意 的处理效果， 而 采用厌氧生物 处理工艺作为预处理单元或 核心 处理单元，则 可取得较好的处理效果。近年来的研究发现： 厌氧微生物具有某些脱毒和降解有害有机物的功效，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。应用厌氧处理工艺作为前处理可以使一些好氧难以处理的难 降解的有机物得到部分降解，并使大分子降解成小分子，提高废水的可生化性， 往往 使后续的好氧 生物 处理变得比较容易 （孔繁翔等， 2000） 。 效厌氧技术的特点 （ 1） 反应器内形成 颗粒污泥 ，其 为微生物的生长和生化活性的发挥提供良好的微生态系统 ，各类微生物间平衡生长、协同作用，基质的 利用 效率显著提高。 （ 2） 颗粒污泥内部形成一个相对稳定的微环境，即使废水的性质发生波动，由于传质的限制，中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 4 颗粒污泥内部基质的浓度仍维持在一个稳定的范围内，因而，反应器在很大程度上能够抵抗冲击负荷、对毒性有机物质、重金属有较高的耐性。 （ 3） 微生物以颗粒污泥固定化方式存在于反应器内，反应器内单位容积的生物量更高， 能够承受更高的容积负荷，具有更高的有机污染物 能力 。 （ 4）反应器能够承受更高的水力负荷，增强了反应器内的 水力扩散度 ，微生物与基质之间得到更有效的接触 ，基质颗粒污泥内部的传质效率得到有效提高 。 （ 5）占地面积小，动力能耗低。 见的高效厌氧反应器 （ 1） 升流式厌氧污泥床（ 应器 20 世纪七十年代发展起来的用于处理高、中浓度污水的高效厌氧技术，属于第二代高效厌氧反应器。 艺实现了 力停留 时间）和 泥停留时间）的分离，在 应器内，微生物相互黏接缠绕形成致密的颗粒污泥，改善活性污泥沉降性能，有效减少游离于消化液中的微生物数量；避免微生物的大量流失，维持反应器内较高的微生物浓度，从而提高 反应器 容积 负荷；同时颗粒污 泥的形成，强化了反应器内微生物群落之间的功能协同作用，大大缩短 厌氧生物 降解基质 过程的时间，提高了污水的处理效率。 艺的缺点在于：污泥床内混和强度不可以太高，不能够完全避免短流现象；对于各类污水，存在系统内 传质阻力和浓度梯度 问题，混合程度从流体动力学角度证明了质量 传递在微生物降解有机物中的重要作用；浓度梯度的出现限制了富含蛋白质和长链脂肪酸的污水以及生物可降解的有毒化合物如甲醛的处理，传统的 应用参数表现出严格的限制 （王凯军等，2000；王凯军， 2002； 郭琦， 2002；董欣杨， 2005） 。 （ 2） 颗