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国内图书分类号 密级 国际图书分类号 学号 609688 学位论文 ASBR SBR 工艺处理高浓度有机废水的 实验研究 导 师 姓名 教授 申请学位级别 工学硕士专业名称 生物质转化与利用技 术 论文提交日期 2007 年 4 月 10 日答辩日期 2007 年 6 月 18 日 所 在 单 位 东北农业大学工程学院 学位授予单位 东北农业大学学位授予日期 答辩委员会主席 教授 2007 年 6 月 20 日 Classified Index U D C Dissertation for the Master Degree STUDY ON THE EFFICIENCY OF ASBR SBR PROCESS FOR THE CONCENTRATED WASTEWATER TREATMENT Candidate Supervisor Academic Degree Applied for Speciality Date of Oral Examination University Prof Master of Engineering Transformation and Utilization of Biobass Engineering June 2007 Northeast Agricultural University 目 录 i 目 录 中文摘要 I 英文摘要 i 1 引言 1 1 1 研究的目的和意义 1 1 2 本研究的主要内容 4 2 ASBR 和 SBR 工艺的研究现状 5 2 1 ASBR 工艺 5 2 1 1 ASBR 的特点 5 2 1 2 ASBR 工艺的发展及应用现状 6 2 2 SBR 工艺的特点 7 2 3 ASBR SBR 工艺的研究现状 8 3 实验装置 材料 仪器与方法 10 3 1 ASBR SBR 系统实验装置 10 3 2 实验材料 11 3 3 试验仪器 11 3 4 各指标的测定方法 11 3 5 实验数据处理方法 11 4 35 时 ASBR 处理高浓度有机废水的研究 13 4 1 实验的目的和意义 13 4 2 试验设计 14 4 3 试验结果与分析 14 4 3 1 ASBR 反应器处理牛粪启动的研究 14 4 3 2 有机负荷对处理效果的影响 16 4 3 3 进料浓度对处理效果的影响 24 4 3 4 搅拌对处理效果的影响 29 5 不同温度时 ASBR 处理高浓度有机废水的实验研究 31 5 1 实验的目的和意义 31 5 2 试验设计 31 5 3 试验结果与分析 32 5 3 1 日产气量的变化 32 5 3 2 单位 VS 产气量的变化 33 5 3 3 容积产气率的变化 34 5 3 4 气体成分的变化 34 东北农业大学工学硕士学位论文 ii 5 3 5 pH 值的变化 35 5 3 6 COD SCOD 去除率和 TS VS 去除率的变化 36 5 4 小结 36 6 室温时 ASBR 处理高浓度有机废水的探索研究 37 6 1 实验的目的和意义 47 6 2 试验设计 37 6 3 试验结果与分析 38 6 3 1 搅拌对处理效果的影响 38 6 3 2 有机负荷对处理效果的影响 38 7 35 时 ASBR SBR 系统处理高浓度有机废水的实验研究 44 7 1 实验的目的和意义 44 7 2 实验设计 44 7 3 实验结果与分析 45 8 结论 46 致谢 47 参考文献 48 附录 52 攻读硕士学位期间发表的学术论文 53 Contents iii CONTENTS Chinese Abstract I English Abstract i 1 Introduction 1 1 1 Purpose and Significancy 1 1 2 Contents of Research 4 2 Current Situation of Study on ASBR and SBR 5 2 1 ASBR 5 2 1 1 Characteristic of ASBR 5 2 1 2 The Developing and Application Situation of ASBR 6 2 2 Characteristic of SBR 7 2 3 Current Situation of Study on ASBR SBR 8 3 Apparatuses Materials and Methods for Experiments 10 3 1 Aparatus for ASBR SBR 10 3 2 Experimental Materrial 11 3 3 Experimental Aparatuses and Reagent 11 3 4 Measuring Methods of Indexes 11 3 5 Methods of Manage Experimental Data 11 4 Study on the Treatment of Concentrated Cattle Wasterwater with ASBR at 35 13 4 1 The Purpose and Significancy of The Experiment 13 4 2 The Design of The Experiment 14 4 3 The Result of The Experiment and The Analyses 14 4 3 1 Study on Start up of ASBR 14 4 3 2 Effect of Different OLR on Disposing 16 4 3 3 Effect of Different Feeding Conentration on Disposing 24 4 3 4 Effect of Different Modes Churnning up on Disposing 29 5 Study on the Treatment of Concentrated Cattle Wasterwater with ASBR at Different Temperature 31 5 1 The Purpose and Significancy of The Experiment 31 5 2 The Design of The Experiment 31 5 3 The Result of The Experiment and The Analyses 32 5 3 1 Variation of Gas Production Per Day 32 5 3 2 Variation of VS Gas Production 33 5 3 3 Variation of Volume Gas Productivity 34 东北农业大学工学硕士学位论文 iv 5 3 4 Variation of Content of Biogas 34 5 3 5 Variation of PH 35 5 3 6 Variation of Removal Rates of COD SCOD TS VS 36 5 4 Summary 36 6 Study on the Treatment of Concentrated Cattle Wasterwater with ASBR at Room Temperature 37 6 1 The Purpose and Significancy of The Experiment 37 6 2 The Design of The Experiment 37 6 3 The Result of The Experiment and The Analyses 38 6 3 1 Effect of Different Modes Churnning up on Disposing 38 6 3 2 Effect of Different OLR on Disposing 38 7 Study on the Treatment of Concentrated Cattle Wasterwater with ASBR SBR at 35 44 7 1 The Purpose and Significancy of The Experiment 44 7 2 The Design of The Experiment 44 7 3 The Result of The Experiment and The Analyses 45 8 Conclusion 46 Acknowledgement 47 Reference 48 Apendix 52 Academic Paper Published During The Master Degree 53 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独 创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 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 也不包含未获得 注 如没有其他需要特别声明的 本栏可空 或其他教育机构的学位或 证书使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 日期 年 月 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 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人授权学校可以将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 汇编学位论文 保密的学位论文 在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 日期 年 月 日 导 师 签 名 日期 年 月 东北农业大学工学硕士学位论文 ii 日 摘 要 I 摘 要 随着养殖业的迅速发展 畜禽粪大量堆积造成的环境污染问题已日益严重 通过厌氧 发酵技术解决这一环境问题显示了良好的应用前景 厌氧序批式反应器 ASBR 能在控制 较短的水力停留时间 HRT 同时保持较长的固体停留时间 SRT 较短 HRT 就意味着更 小的反应器和更好的经济性 但由于 ASBR 和其它的厌氧处理方法一样不能去除氮 所以 结合序批式反应器 SBR 去除污染物和氮 本论文进行了四个方面的研究分别是 1 35 时 ASBR 处理高浓度有机废水的实验 研究 2 不同温度时 ASBR 处理高浓度有机废水的实验研究 3 室温时 ASBR 处理 高浓度有机废水的探索 4 对 ASBR SBR 工艺在 35 时处理高浓度有机废水进行了实 验研究 分析各因素在实验过程中对各指标的影响 研究内容及成果主要包括以下几个方 面 1 在 35 时对 ASBR 反应器进行不同有机负荷的测试 实验结果表明有机负荷为 6g VS L d 时 综合效果最好 此时 容积产气率为 2 09 L L d 单位 VS 产气量为 0 35 L g VS COD 去除率和 SCOD 去除率 33 74 和 70 43 TS 去除率和 VS 去除率分别为 31 16 和 34 46 CH4的含量 82 10 2 在 35 时对 ASBR 反应器测试了三种不同的进料浓度 实验结果表明在进料浓度 46gVS L 和 61 2gVS L 时 甲烷产量几乎相同 前者 COD 去除率和 SCOD 去除率稍高于后 者 后者 TS 去除率和 VS 去除率较高 而且高浓度进料所需配水较少 所以综合效果进料 浓度为 61 2gVS L 较好 3 在 35 有机负荷为 6gVS L d 时对 ASBR 反应器测试了三种不同的搅拌方式 实验 结果表明以 3min h 的搅拌方式运行时 VS 去除率略低 三种搅拌方式对其它指标的去除效 果影响不大 考虑到频繁启动气泵会影响使用寿命 所以采用 1 5min 30min 的搅拌方式 4 在本实验条件下探讨了 ASBR 反应器在 35 30 25 21 变化时处理牛粪的 不同效果和产沼气情况 从处理效果看 30 时各指标的去除率接近 35 时的 21 时各 指标的去除率除 SCOD 外均略优于 25 时的 所以 各个温度的适用性应根据具体情况来 选择 如果想降低能量消耗的同时保证处理效果 30 时 ASBR 反应器的运行效果最好 如果是以降低能量消耗为主 处理效果为辅的话 21 时 ASBR 反应器的运行效果要比 25 时的要好 5 在 21 时对 ASBR 反应器测试了 3 种有机负荷 从 4 6gVS L d 实验结果表明在 有机负荷为 5gVS L d 时日产气量最高而且处理效果较好 在有机负荷为 5gVS L d 时 日 产气量 单位 VS 产气量 容积产气率最大分别为 28 12L d 0 18L gVS 1 08L L d pH 稳定在 7 02 左右基本不变 CH4的含量最高 6 在 21 有机负荷为 6gVS L d 时对 ASBR 反应器测试了三种不同的搅拌方式 实验 结果表明以搅拌方式 3min h 运行对产气量的增加有一定的帮助 但是 TS VS 去除率偏低 考虑处理效果及频繁启动气泵会影响使用寿命 所以采用 1 5min 30min 的搅拌方式 东北农业大学工学硕士学位论文 II 7 ASBR 有机负荷为 6gVS L d SBR 采用分段进料 对 ASBR SBR 工艺处理高浓度 牛粪废水进行了实验研究 实验结果表明 ASBR 可以很好的去除有机物 SBR 生物脱氮 效果明显 两种工艺结合可以很好的互相弥补各自工艺的缺点 ASBR SBR 工艺获得了较 高的污染物去除率 COD 去除率和 SCOD 去除率分别为 58 72 和 73 22 NH3 N 的去除 率较高 达到了 94 37 SBR 出料中 NO2 N NO3 N 含量比较理想 关键词 关键词 厌氧发酵 ASBR SBR 高浓度有机废水 有机负荷 去除率 Abstract i Study on the Efficiency of ASBR SBR Process for the Concentrated Wastewater Treatment Abstract With the development of stockbreeding industry production of dung has become a social and environmental issue Anaerobic fermentation of animal waste as a reliable energy resource is a promising technology to deal with these problems Anaerobic sequencing batch reactors ASBR can get shorter hydraulic retention time HRT which means smaller reactor needed and better economic effect and keep longer solid retention time SRT As other anaerobic treatment technology ASBR can not remove nitrogen so sequencing batch reactor SBR is added In this thesis four aspects are studied The first one is the study on the treatment of high strength organic wastewater with ASBR at 35 The second one is the study on the treatment of high concentration organic wastewater by ASBR at different temperature The third one is the study on the treatment of high concentration organic wastewater with ASBR at room temperature The last one is the study on the treatment of high concentration organic wastewater with ASBR SBR at 35 The effect of factors on the index is analysed The following conclusions are achieved 1 Study on the different organic loading rate OLR with ASBR at 35 The results indicate that optimal effects are achieved when the OLR is 6gVS L d the volume gas productivity is 2 09 L L d VS gas productivity is 0 35L gVS the removal of COD and SCOD are 33 74 and 70 43 the removal of TS and VS are 31 16 and 34 46 the content of CH4 in biogas is 82 10 2 Study on the three different influent concentrations with ASBR at 35 The results indicate that when the influent concentration is 46gVS L and 61 2gVS L the biogas yield is almost the same Compare the removal of COD and SCOD the formal is better but the latter one achieves the better removal of TS and VS 3 Study on the three different churn up fashion with ASBR at the OLR of 6gVS L d at 35 The results indicate that the removal of VS is lower when churn up fashion is 3min h These three fashions have little effect on the other items Because of the longevity of the gas pump the fashion of 1 5min 30min is choosed 4 the effect of treatment of dairy wastewater with ASBR at 35 30 25 and 21 is studied The removals of all items at 30 are adjacent to those at 35 The removals of all items at 21 are better than those at 25 except the SCOD In view of low energy and better treatment effect the optimal temperature is 30 And if just considering the lower energy cost 21 is the optimal temperature 东北农业大学工学硕士学位论文 ii 5 Study on three different OLR with ASBR at 21 from 4 to 6gVS L d The results indicate that when the OLR is 5gVS L d the gas yield is best and the treatment effect is better the gas productivity VS gas productivity and volume gas productivity are all the best they are28 12L d 0 18gVS L d and 1 08L L d the PH is maintained at 7 02 the content of CH4 in biogas is the highest 6 Study on the three different churn up fashion with ASBR at the OLR of 6gVS L d at 21 The results indicate that the removal of TS and VS is lower when churn up fashion is 3min h but it is beneficial to the gas yield All these three fashions have little effect on the other items Because of the longevity of the gas pump the fashion of 1 5min 30min is choosed 7 The OLR of ASBR is 6gVS L d and the SBR is supplied discontinuously The treatment of high concentration dairy wastewater with ASBR SBR technics has been studied The results show that ASBR is quite suit to the removal of organic and SBR can achieve obvious effect of biological denitrification ASBR SBR technics can get high removal of contamination the removal of COD and SCOD are 58 72 and 73 22 respectively The removal of NH3 N achieves 94 37 the content of NO2 N and NO3 N in the effluent are perfect Key words anaerobic fermentation ASBR SBR high concentration organic wastewater organic loading rate removal rate Candidate Speciality Transformation and Utilization of Biobass Engineering Supervisor Prof 引 言 1 1 引言 1 1 研究的目的和意义 能源是人类生存和发展的重要物质基础 生产力的发展和能源有着极为密切的关系 因此能源问题是现实社会中一个具有战略意义的重要问题 自从进入 20 世纪 世界能源消费增长很快 1900 年全世界能源的总消费量相当于 7 75 亿吨标准煤 到 1980 年就达到了大约 100 亿吨标准煤 从能源结构来看 20 世纪 60 年代 以前大量应用的能源是煤 石油 天然气 由于石油的开发和利用 60 年代石油用量急剧 增加 在 20 世纪 70 年代末 石油和天然气的消耗量接近全世界能源消耗总量的 70 左右 世界已探明的石油储量约为 3000 亿吨 按现在每年开采 40 亿吨的水平计算 现有储量只 够开采 70 年 煤的可开采储量为 6800 亿吨 以目前每年消耗煤炭 35 亿吨计算 可供全世 界使用 200 年 煤 石油 天然气等常规能源日趋枯竭 开发 研究新能源已是世界各国 亟待解决的问题 我国是能源资源严重短缺的国家 石油 天然气人均剩余可采储量仅有世界平均水平 的 7 7 和 7 1 储量比较丰富的煤炭也只有世界平均水平的 58 6 按目前探明储量和 开采能力测算 我国煤炭 石油 天然气的可采年限分别只有 80 年 15 年和 30 年 而世 界平均水平分别是 230 年 45 年和 61 年 一个国家的国民生产总值和能源消耗量大致成线 性关系 按 21 世纪前 50 年内国民经济总产值翻两番的构想和专家的预测 到 2050 年我国 能源的总需求量大约是 50 亿吨标准煤 而我国的能源资源和生产能力大致只能提供总需求 量的 80 左右 近年来能源消费急剧增长 供需矛盾日益突出 已经成为我国经济持续发 展的最大制约 直接威胁国家经济安全 发展新能源和新能源转化技术对我国经济建设是 一个非常重要的课题 人类能够长久依赖的未来能源 必须是储量丰富 可再生利用 无环境污染 生物质 能一直是人类赖以生存的重要能源 它是仅次于煤炭 石油和天然气而居于世界能源消费 总量第四位的能源 在整个能源系统中占有重要地位 有关专家估计 生物质能极有可能 成为未来可持续能源系统的组成部分 到本世纪中叶 采用新技术生产的各种生物质替代 燃料将占全球总能耗的 40 以上 大力开发生物质资源 对于改善我国以石化燃料为主的 能源结构 延长石化燃料使用时间 改变能源的生产方式和消费方式 建立持续发展的能 源系统 促进社会经济的发展和生态环境的改善具有重大意义 生物质能开发和利用得到了人们广泛的关注和世界各国政府的重视 但生物质能源的 种类很多 目前正在应用或研究中的生物质能源主要有沼气 生物质燃气 秸秆气化 生 物发酵制取氢气等气体燃料 燃料乙醇 生物柴油 生物质裂解液化等液体燃料 炭棒 木炭砖 颗粒燃料等固体燃料 可见生物质能源的种类很多 但目前技术比较成熟 马上 东北农业大学工学硕士学位论文 2 可以实现产业化的并不多 大多停留在研究阶段 液体燃料中的燃料乙醇目前已经在使用 但仅以淀粉 糖类为生产原料的话 其产量不会有大的突破 以纤维生产燃料乙醇 以动 植物油或其废弃油生产生物柴油虽然还存在许多技术以及成本等问题 但在国外有产业化 实例 随着技术的进步和研究的深入 相信相关问题会得到解决进而实现产业化 生物质 裂解由于耗能巨大 目前在全球范围内还未见产业化实例 气体燃料中的沼气生产过程不 但没有环境污染 而且可降解如农业秸秆 牲畜粪便 厨房垃圾等有机废弃物 并且生产 过程不消耗其它能源 因此 是目前最有希望实现产业化的生物质能源之一 推动沼气的 产业化和商品化进程 对发展生物质能源具有重大的现实意义 目前 生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一 受到世界各国政府 与科学家的关注 许多国家都制定了相应的开发研究计划 如日本的阳光计划 印度的绿 色能源工程 美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等 其中生物质能源的开发利用占有 相当的比重 目前 国外的生物质能技术和装置多已达到商业化应用程度 实现了规模化 产业经营 以美国 瑞典和奥地利三国为例 生物质转化为高品位能源利用已具有相当可 观的规模 分别占该国一次能源消耗量的 4 16 和 l0 在美国 生物质能发电的总 装机容量已超过 10000 兆瓦 单机容量达 10 25 兆瓦 美国纽约的斯塔藤垃圾处理站投资 2000 万美元 采用湿法处理垃圾 回收沼气 用于发电 同时生产肥料 巴西是乙醇燃料 开发应用最有特色的国家 实施了世界上规模最大的乙醇开发计划 目前乙醇燃料已占该 国汽车燃料消费量的 50 以上 美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术 建立了 l 兆 瓦稻壳发电示范工程 年产酒精 2500 吨 大力发展畜牧业 调整畜牧业产业结构 完善农牧产品市场 改良土壤结构是实现建 设社会主义新农村的重要途径 对我国实现由农业大国向农业强国转变具有重要意义 改 革开放 20 年来 畜牧业得到了持续快速发展 已经成为农村经济的支柱产业 对整个国民 经济的发展发挥越来越重要的作用 随着农业产业结构的不断调整 集约化 规模化养殖 已成为我国畜牧业生产稳定发展的主力军 且朝着标准化生产 规模化管理 产业化经营 的方向迈进 这种集约化的饲养方式虽然有利于提高畜禽场的饲养技术 防疫水平 饲料 利用率和管理水平 大大提高经济效益 其在为我们提供丰富的肉 禽 蛋 奶的同时 也带来了严重的环境污染 徐卫佳 2004 有资料表明 全国畜禽粪便年产生量约 21 7 亿 t 是工业废弃物 2 7 倍 其中氮每年产量约 1579 万 t 磷年产约为 363 万 t COD Chemical oxygen demand 年产生量约为 6400 万 t BOD Biochemical oxygen demand 年产量约为 5400 万 t 畜禽粪便进入水体流失率高达 25 30 COD 排放量接近 工业废水 N P 流失量大于化肥流失量 据统计 我国大城市中畜禽养殖业粪尿排污的人 口当量均超过 3000 4000 万 而且污染物集中 可以说它是城市中占第一位的超级排污产 业 季明和吴长征 1999 据环保部门按照我国畜禽养殖业污染物排放标准对大型养殖场 粪尿检测的结果表明 COD 超标 50 60 倍 BOD 超标 70 80 倍 固体悬浮物超标 12 20 倍 这些畜禽粪便中固液混杂 有机质浓度高 含有大量的有机物 氮 磷 悬浮 物 致病的有害病菌及 NH3 H2S CO2等有害气体 如果得不到及时处理或处理不彻底 将对城市环境 水源和农业生态造成严重危害 传统处理畜禽粪便的方法主要是将其作为 农用肥料加以利用 但是 随着畜牧业的发展 大量的牲畜被规模化养殖 粪便急剧增多 引 言 3 仅仅用作肥料对粪便进行处理已不适应畜牧业发展的需要 在未来的一段时期内 我国养殖业仍会保持持续增长的态势 据统计 菜篮子 工程发 展全国集约化畜禽养殖场达 1 万家以上 全国畜禽粪便总量 2000 年达 1 73 109t 2002 年 达 1 884 109t 然而 粪便处理利用不到 10 黑龙江省是我国重要的畜牧业发展基地 并且已成为畜牧业大省 1999 年全省畜禽粪便总量达 5 6 107t 边炳鑫和赵有才 2005 如果对这些粪便管理不善 流失到水体中 就会造成地表水和地下水的严重污染 同时 也是资源的巨大浪费 Vartak et al 1997 现在处理畜禽粪便的方法很多 主要包括干燥处理 除臭处理及综合处理 包括发酵法 利用低等动物处理和热喷技术等 由于发酵法中的厌 氧发酵技术具有多功能性 即治理环境污染 又开发新能源 沼气 同时还为农户提供 优质的有机肥料 所以越来越受到人们的关注 张克强和高怀友 2004 Pavlostathis 1988 全国农业和农村经济发展第十一个五年规划 中也强调积极推进规模化养殖场沼气工程 建设 加快畜禽养殖场粪便污染治 我国适合厌氧消化的高浓度有机废水排放量年 2 52 109m3以上 年排放废渣 7 4 107m3 可转化为沼气 1 08 1010m3 其中畜禽粪便资源总 量 干物质 每年约 1 8 108t 实际可利用量约 4 107t 可产沼气近 1 1010m3 按热值 相当于标准煤 8 106t 用于发电可装机 5 106KW 年发电量 1 5 1010KWh 顾树华 2004 例如 每千头奶牛场 按平均每头体重 400kg 计 年排粪量约 1 18 104t 可生产 沼气 4 72 105m3 年发电量约 71 万度 按每度电 0 5 元计 创经济效益 35 5 万元 同时 可增产 2000t 有机肥 可创经济效益 60 万元 按每吨 300 元计 张克强 高怀友 2004 由于厌氧发酵大多以中温发酵为主 所以中温厌氧发酵技术在我国南方地区得到较广 泛的应用 北方黑龙江省年平均气温 1 3 年温差高达 38 48 而且冬季漫长严寒 最 冷月份气温可达 15 30 全年地下两米的地温不超过 10 鄂佐星等 2001 极大的 限制了中温厌氧发酵技术的应用 常规的厌氧发酵模式在黑龙江省就会出现发酵周期长 产气率低 原料降解慢 甚至结冻等问题 沼气池利用率只有 50 原料分解不到 30 刘树民等 2002 同时也产生粪便积压 处理不完的现象 如果没有加热保温措施 沼气池就难以实现全年连续运转 因此 根据我省的气候特点和畜牧业发展模式 研究适 合北方的厌氧发酵技术 走生态农业的处理模式 具有重大的现实意义和战略意义 在黑 龙江省 要想使规模化养殖场的粪便和污水得到及时处理 就必须首先提高发酵率及解决 发酵池越冬问题 目前 用加热的办法来维持中温发酵 虽然产气率高 处理量大 但能 耗高 相对收益小 大大提高运行成本 由于优选低温菌种要求的试验条件非常高 现有 的试验条件很难达到 而用水解酶作为添加剂来提高产气速度 成本也很高 但是 如果 不采取一些有效的措施 直接进行常温厌氧发酵的周期往往特别长 且低温厌氧菌的活性 较中温厌氧菌的活性大大降低 这样有机物的处理效率就会大大降低 不利于实现工业化 生产 所以如何在中温发酵的条件下 提高产气率 甲烷菌活性 甲烷菌高浓度保持以及 减少甲烷菌的流失越来越受到人们关注 如果解决了这些问题可大幅度提高产气量 发酵 速度及有机物的去除率 降低发酵过程中的能量消耗量是北方地区沼气发展的有效途径 因此 本试验的主要目的是在实验室的条件下 设计并制作一套厌氧 好氧牛粪处理系统 对温度进行恒定控制 使其上下波动不超过 1 这样有利于发酵系统稳定产气 防止试验 失败 因为温度的突然变化会大大降低厌氧菌的活性 Marchaim 1992 东北农业大学工学硕士学位论文 4 1 2 本研究的主要内容 本试验研究将分四个部分 1 35 时 ASBR 处理高浓度有机废水的实验研究 在这里主要研究在 35 时 ASBR 反 应器的启动 有机负荷对处理效果的影响 进料浓度对处理结果的影响 2 不同温度时 ASBR 处理高浓度有机废水的实验研究 这里主要研究在有机负荷为 6gVS L d 运行时 四个温度对 ASBR 处理高浓度有机废水效果的影响 这四个温度分别为 35 30 25 21 即室温 3 室温时 ASBR 处理高浓度有机废水的探索反应器 这里主要测试不同有机负荷对处理 效果的影响 拟找出此条件下的最佳有机负荷 4 35 ASBR SBR 系统处理高浓度有机废水的实验研究 在先前实验得出的最佳负荷和 进料浓度的基础上 进行对 ASBR SBR 系统处理高浓度有机废水在 35 处理的实验研究 在实验验过程中 测量指标分别为 TS VS pH COD SCOD 日产气量 根据实验要 求监测 TN NH3 N NO2 N NO3 N 通过实验结果分析不同条件的变化对厌氧发酵效率的影响 探讨其机理和特性 找出 ASBR 和 ASBR SBR 工艺处理高浓度有机废水的最佳运行条件 ASBR 和 SBR 工艺的研究现状 5 2 ASBR 和 SBR 工艺的研究现状 2 1 ASBR 工艺 2 1 1 ASBR 的特点 ASBR 工艺与其它高效厌氧反应器一样 能够延长污泥在反应器中的停留时间 缩短废 水在反应器内的停留时间 减小反应器的容积 对有毒物质的适应性增强 与高效的连续 流厌氧反应器相比 由于 ASBR 工艺具有间歇操作的特征 有以下优势 1 工艺设备方面 ASBR 反应器源于好氧 SBR 其主体工艺设备只有一个 或几个 间歇 反应器 同传统的厌氧工艺相比 此反应器集混合 反应 沉降等功能于一体 不需额外 的澄清沉淀池 不需要液体或污泥回流装置 原水分批间歇进入反应器 反应器底部也不 必像 UASB 和 AF 那样需要复杂昂贵的的配水装置 并可直接利用好氧 SBR 工艺的搅拌 滗水器等成型设备 因此 ASBR 具有工艺简单 结构紧凑 占地面积少 建设费用低等优 点 2 运行操作方面 ASBR 反应器在运行操作过程中 可根据废水水量 水质的变化 通过调整一个运行周期中各个工序的运行时间 HRT 及 SRT 来满足出水水质的要求 具有 很强的运行操作灵活性和处理效果稳定性 3 处理过程方面 ASBR 法的间歇操作模式在动力学上比其它厌氧工艺的连续操作模 式优越 ASBR 能获得高效的生物絮凝和固液分离 F M 是影响厌氧生物絮凝的重要因素 S Sung Richard R Dague 1992 在 F M 比值较低时 厌氧反应器中生物絮凝效果好且 沉降迅速 出水悬浮物较低 李亚新 田扬捷 2000 序批间歇的进水方式提供了关键的 动力学特性 对任何给定的进水浓度来讲 ASBR 在进水结束时 F M 处于最高值 这为微 生物的代谢活动和基质转化速率提供了强大的驱动力 而在反应末期 底物浓度及 F M 降 到最下限 又为生物絮凝和生物分离提供了理想的条件 在连续流完全混合式反应器中 微生物周围的底物浓度 F 是常量 F M 是定值 基质的降解处于稳态 与之相反 ASBR 在一个运行周期内食料条件 F M 高低交替变化 能够在沉淀期获得最低的 F M 值和最小的 产气量 保证了 ASBR 反应器既具有较高的反应推动力 使反应阶段保持较高的基质降解 速率 同时排水利于生物絮凝 固液分离效果好 这使得 ASBR 具有高效率的生物絮凝和 固液分离和良好的出水水质 S Sung Richard R Dague 1995 由于 ASBR 液面上空保 持有稳定的生物气体压力 使生物固体漂浮的倾向降至最低 这也是促使生物沉降速度加 快的因素之一 在反应期内本身的混和状态属于典型的完全混合式 使其同推流式反应器 相比具有更强的耐冲击负荷和处理有毒或高浓度有机废水的能力 操作运行更加可靠稳定 4 污泥性能方面 形成颗粒污泥是 ASBR 的基本特征 这使得 ASBR 能保持较高的 东北农业大学工学硕士学位论文 6 污泥浓度 抵抗温度 有机负荷的波动和毒害物质的影响 从而能在低温 低浓度 Richard R Dague Gouranga C Banik et al 1998 Gouranga C Banik Timothy G Bllis et al 1997 Udeme J Ndon Richard R Dague 1997 的条件下工作 并适合特种有机废水的 处理 如市政污泥 Hur Joon Moo Chung Tai Hak 1994 动物排泄物 R H Zhang Y Yin et al 1997 D I Masse N K Patni et al 1996 垃圾渗滤液 H Timur I Ozturk l997 屠宰场废水 Morris Damon S Sung 1997 D I Masse L Masse 2000 以及焦化废水 的预处理 李玉瑛 2002 等 在 ASBR 反应器中 能够培养出具有很好沉降性和较高的 比甲烷活性的颗粒污泥 因此反应器具有较高的负荷率和耐冲击负荷能力 反应器有很高 的有机容积负荷 VLR 和污泥负荷 SLR 另外 ASBR 反应器易于实现污泥颗粒化 也为人工 培养颗粒污泥提供了一条新途径 5 温度适应性方面 ASBR 工艺受温度的影响小 适应范围广 能在 5 65 范围内处 理各种高浓度和低浓度有机废水 从而打破了常规厌氧工艺只能在 18 以上处理高浓度有 机废水 COD 1000mg L 的局限 扩充了厌氧工艺处理废水的适用范围 为在低温与常温下 廉价处理工业及城市生活污水提供了可能性 6 ASBR 不需要污泥回流 出水循环 也不需外设澄清设备 由于反应器间歇进水 因此不会出现短流 反应器底部不需要复杂的配水系统 运行灵活 能适应废水间歇无规 律排放 内部澄清减免了出流中脱气的工序 也无需三相分离器 ASBR 还具有厌氧反应器 共有的能产生能源 动力消耗低等优点 综上所述 ASBR 反应器具有工艺简单 操作灵活 反应推动力大 耐冲击负荷 适应 性强等优点 有研究证明 采用 ASBR 工艺对间歇排放且流量与水质波动较大的废水 连 续排放的高 低浓度废水 一些有毒废水 如苯酚废水 煤转化废水 等通过单 并或串联的 方式进行处理 均能取得很好的处理效果 ASBR 工艺顺应了当代污水处理所要求的简易 高效 节能 灵活的发展趋势 是一种非常适合我国国情的污水处理工艺 尤其适于谷物 加工厂 蛋奶食品加工厂 家畜饲养场 屠宰场 制药厂 啤酒类中小型企业高浓度废水 的处理 但是 ASBR 也存在一些缺点 如 启动受接种污泥的种类及浓度影响很大 需要搅拌 装置 高浓度的 NH3 N 和 NO3 N 会影响反应器的正常运行等 2 1 2 ASBR 工艺的发展及应用现状 2 1 2 1 ASBR 工艺的发展 20 世纪 60 年代美国 Dague 教授等人以寻求增加厌氧活性污泥法中生物量为目的 采用 序批进料 反应器内部固体分离 上清液序批排放的操作方式 借助生物絮凝作用和反应 器内部高效的固体分离 获得了较长的固体停留时间 SRT 和相对较短的水力停留时间 HRT 这种生物絮凝现象就是生物颗粒化的前身 S Sung Richard R Dague 1992 Richard R Dague Surya R Pidaparti 1992 1970 年 Dague 教授等继续探索保持 增加悬浮生长型厌氧生物反应器中生物量的方法 包括 自然沉淀 化学凝聚 间歇搅拌等 20 世纪 70 80 年代对厌氧活性污泥法处理动物排泄 ASBR 和 SBR 工艺的研究现状 7 物废液的可处理性 反应器运行参数及性能等问题进行了试验研究 以此为基础 Dague 教 授及其合作者于 20 世纪 90 年代初正式开发了厌氧序批式活性污泥法 Anaerobic Sequencing Batch Reactor 即 ASBR 目前 ASBR 工艺尚处于萌芽阶段 各国均无工程实例应用报道 由于 ASBR 内的处理过程属于高度非稳态 基质浓度变化幅度大 与浓度恒定的连续过程 相比 其工艺更复杂 负荷和反应速度变化更大 为 ASBR 工艺的基础研究提供了广阔的 领域 2 1 2 2 ASBR 的应用现状 Hak 以实验室规模的中温 ASBR 处理市政污泥 Hur Joon Moo Chung Tai Hak 1994 HRT 采用 l0d 相应的有机负荷为 0 8 1 5gVS L d 启动期间 ASBR 中生物固体迅速积 累 固体浓度是完全混合反应器中的 2 6 倍 有机物去除率恒定在 90 以上 证明了 ASBR 具有处理含有可沉固体物质市政污泥