ABR处理高浓度有机废水及特性及应用.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目录1绪论31.1厌氧发酵的基本理论31.2厌氧技术的发展沿革41.3ABR的理论及研究基础51.3.1微生态系统理论51.3.2复合流态的反应器(系统)理论51.4ABR的开发与研究现状61.4.1ABR的水力特性71.4.2ABR的启动81.4.3ABR中污泥的颗粒化81.4.4ABR处理各种浓度废水的研究现状91.5ABR的应用前景及研究意义102试验研究的目的、内容及方法102.1课题的提出102.2试验内容及方案的确定112.2.1试验基质112.2.2试验的主要研究内容142.3试验装置142.4化学分析项目143ABR的启动过程研究153.1接种污泥的选取153.2启动操作方案163.2.1启动方式163.3运行结果及分析173.4问题讨论及建议193.4.1关于启动期水力负荷的分析193.4.2关于启动期产酸菌优势增长的讨论193.4.3对启动期操作控制的建议203.5本章小结214ABR的降解特性研究214.1COD降解规律214.1.1COD去除率与COD容积负荷的关系214.1.2COD去除率与HRT的关系224.1.3沿程COD去除规律234.2产气特性244.3ABR系统的VFA, pH274.4问题讨论及建议284.4.1关于ABR出水挥发酸较高的分析284.4.2系统的稳定性分析304.5本章小结305A BR对浓度冲击的适应及恢复315.1试验安排315.2第一次冲击试验结果及分析325.3第二次冲击试验结果及分析335.4本章356ABR的污泥特性356.1系统启动驯化阶段污泥特征366.1.1污泥性状描述366.1.2VSS/SS的演变366.1.3污泥沉降性能376.2系统稳定运行阶段污泥特征386.3系统不同阶段的污泥活性406.4VSS/SS、产甲烷活性及420之间的对比关系426.5本章小结427ABR的运行及控制427.1水力及产气的联合搅拌作用437.2出水回流的影晌447.3关于污泥回流及排泥的分析447.3.1污泥回流447.3.2排泥457.4监控指标457.5程应用中的一个问题468结论与建议478.1主要结论478.2建议48致谢.49参考文献.501 绪论1.1 厌氧发酵的基本理论 有机物厌氧消化产甲烷过程是一个非常复杂的由多种微生物共同作用的生化过程。1930年Buswell和Neave肯定了Thumm和Reichie(1914)与Imhof(1916)的看法，将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段。 在第一阶段，复杂的有机物，如糖类、脂类和蛋白质等，在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸，如乙酸、丙酸、丁酸等，以及醇类，如乙醇等，并有氢、二氧化碳、NH4十和H2S等产生。因为该阶段中，有大量的脂肪酸产生，使发酵液的pH不断升高。所以，此阶段被称为酸性发酵阶段，或称产酸阶段。 在第二阶段，产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成甲烷和二氧化碳等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为甲烷和二氧化碳，同时系统中有NH4十的存在，是发酵液的pH不断升高。所以，此阶段被称为碱性发酵阶段，或称产甲烷阶段。 随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程认识不断深化，厌氧消化理论不断得到发展。1979年，M.P.Bryant等提出了厌氧消化的三阶段理论，如图1.1所示。这是目前最为认可的理论模式。三阶段理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸，H2/CO:和甲醇等以外的有机酸和醇类，长链脂房酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H:和C02后，才能被产甲烷菌利用。三阶段包括: 第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类;蛋白质转化成较简单的氨基酸脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸，和醇类等转化成乙酸和氢，并有C02产生。 第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO:的转化为甲烷。 几乎与Bryant提出三阶段理论的同时，Zeikus等提出了厌氧消化的四阶段理论，如图1.2所示，该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四个种群 厌氧微生物参与:水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌(又称耗氢产乙酸菌)以及产甲烷菌。 从两阶段说发展到三阶段说和四种群说过程，是人们对有机物厌氧消化不断深化认识的过程。这也从侧面反映出，有机物厌氧消化过程是有许多不同微生物菌群协同作用的结果，是一个极为复杂的生物化学过程。1.2 厌氧技术的发展沿革 厌氧生物处理技术是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化，是处理有机污染和废水的有效手段，但由于人们对参与这一过程的微生物的研究和认识不足，致使该技术在过去的100年里发展缓慢，其主要原因有:(1)厌氧生物处理技术是一种多菌群、多层次的厌氧发酵过程，种群多、关系复杂、难于弄清楚;(2)有些种群之间呈互营共生性，分离鉴定难度大:(3)厌氧条件下培养分离和鉴定细菌的技术复杂。随着科学技术发展和分离鉴定技术水平的提高，原来限制该技术发展的瓶颈己被打破，该技术的优越性更加突现出来。厌氧生物处理技术的发展过程大致分为三个阶段。第一阶段(1860-1899):简单的在同一个池子里进行沉淀与厌氧发酵的初期发展阶段。这个发展阶段具有以下特点。 (1)把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池中进行，亦即以简易的沉淀池为基础，适当扩大其污泥贮存容积，作为挥发性悬浮生物固体液化的场所。 (2)处理对象为污水、污泥。 (3)精确设计和建造的化粪池至今仍在无排水管网地区以及某些大型居住或公用建筑的排水管网上使用着。 第二阶段(1899-1906):污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段，主要代表是经化粪池改造后的双层沉淀池。 (1)在处理构筑物中，用横向隔板把污水沉淀和污泥发酵两种作用分隔在上下两室分别进行，即所谓的双层沉淀池。 (2)当时的污染指标仍以悬浮固体为主，但生物气的能源功能己为人所共识，并开始开发利用。 第三阶段(1906-至今):独立式营建的高级发展阶段。这个发展阶段具有以下特点: (1)把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。开发的主要污水处理工艺有:普通厌氧消化池、UASB、厌氧接触工艺、两相厌氧消化工艺、AF, AFB等。 (2)把有机废水和有机污泥的处理和生物气的利用结合起来，即把环保和能源利用结合起来。 (3)处理对象除VSS外，还着眼于BUD和UUD的降低以及某些有机毒物的降解。 厌氧生物处理技术的反应器主体也经历了三个时代。 第一代反应器:以厌氧消化池为代表，属于低负荷系统。 第二代反应器:可以将固体停留时间与水力停留时间分离，能够保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，属于高负荷系统。典型工艺有:厌氧生物滤池、UASB(上流式厌氧污泥床)、厌氧流化床、厌氧折流板反应器、厌氧生物转盘等。 第三代反应器:在将固体停留时间和水力停留时间分离的前提下，使固液两相充分接触，从而既能保持大量你又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触，以达到真正高效的目的。已开发的工艺有:EGSB(Expanded Granular Sludge Bed，简称EGSB), IC反应器等。 厌氧生物处理技术的巨大发展出现在上个世纪50年代一80年代。50年代中期出现了厌氧接触工艺，开始着眼于通过人为措施增加反应器中的污泥浓度;60年代末，Young和McCarty发明了厌氧滤器;70年代以来厌氧处理的最大突破是UASB的发明。AF和UASB的开发，推动了以微生物固定化和提高污泥和废水混合效率为基础的一系列新的高速厌氧反应器的开发，EGSB, AFB等厌氧工艺应运而生。1.3 ABR的理论及研究基础1.3.1 微生态系统理论 厌氧处理实际上是借助于不同微生物种群间的协同作用并通过水解一酸化(产酸及产乙酸卜产甲烷等一系列生物反应将有机无底物转化为无机物的过程(图1.11.2)。在此过程中，不仅各类型的微生物对环境条件的要求不同(表1.1),而且它们通过对不同底物的利用而形成类似于生态系统中的食物链的营养关系，即微生态系统。因而，为使厌氧处理系统持续稳定的运行，需创造适合于不同微生物种群生长的环境条件，使反应过程中物质的转化及能量的流动顺利地进行。因而，两相及多相厌氧反应器(SMPAR，可由一个反应器或多个反应器串联实现，因而它并非特指某个反应器)技术的研究已成为开发新型厌氧反应器技术的生态学基础。1.3.2 复合流态的反应器(系统)理论 无论是在化学反应工程还是在生物处理工程中，反应器或反应器系统中液体介质的流态对产物的转化率或生物处理的效果均有重要的影响。反应器中良好的水力流态应满足以下要求:(1)确保反应介质间均匀的混合接触，提高反应器有效容积的利用率及设备的运行稳定性;(2)创造高的浓度梯度，促进介质间的传质，以获得高的产物转化率(处理效果)。实际应用中，多以完全混合或推流式作为反应器的两大主要流态。完全混合式虽可满足要求(1)，但难以满足要求(2);推流式则反之。因而，如何通过工艺运行方式的改进，使反应器(系统)既具有完全混合的优点又具有推流的优点，以充分满足上述两个要求，则是开发新型厌氧反应器工艺的水动力学基础。1.4 ABR的开发与研究现状 厌氧折流板反应器(Anaerobic BaffLed Reactor)是Bachman和McCarty等人于1982年前后提出的一种新型高效厌氧反应器，其构造如图1.1。反应器特点是:内置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床(USB)系统，其中的污泥可以是以颗粒化形式或以絮状形式存在。水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。借助于废水流动和沼气上升的作用，反应室中的污泥上下运动，但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能，污泥在水平方向的流速极其缓慢，从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中。 ABR的两个突出特点:一是由于上下折流板的阻挡和分隔作用，使水流在不同隔室中的流态呈完全混合态(水流的上升和产气的搅拌作用)，而在反应器的整个流程方向则表现为推流态。这种局部为完全混合整体为推流的流态系统，确保了基质与微生物的完全混合，同时保证了较大的传质推动力，是一种极佳的流态。另一特点是，水流方向形成依次串联隔室，微生物种群沿长度方向，不同隔室实现产酸和产甲烷相的分离，这种分离为各隔室的优势种群营造了各自适宜的环境，如PH.氢分压等，实现了处理功能的协调配合，从而利于整个体系的高效、稳定运行。 清华大学的黄永恒比较分析了Lettinga教授提出的分阶段多相厌氧工艺(SMPA)工艺和ABR的性能特点，认为ABR完美的实现了SMPA工艺的思想要点，是一种很有发展前途的高效厌氧反应器。1.4.1 ABR的水力特性 不同的研究成果均说明了ABR具有良好的水利条件及较低的死区百分率。 Grobicki和Stuchey利用示踪响应方法研究了不同水力停留时间、不同污泥浓度、不同分格数的ABR的水力特性和死区百分率。结果表明，在清水条件下ABR的死区百分率(水力死区)非常低，通常在1%-18%范围内;实际运行条件下，ABR死区百分率(水力死区+生物死区)的范围在5%20%之间。实际运行时，反应器的死区空间可以分为水力死区和生物死区。水力死区随着水力停留时间(HRT)及反应器结构的不同而变化，HRT减少则水力死区增加。生物死区与污泥浓度、气体产率及HRT有关。fl-RI减少则生物死区也随之减少。水力死区和生物死区随HRT相反的变化关系表明:死区百分率与HRT无明显的相关关系。Grobicki等人认为AB R可以看作一系列串联的完全混合反应器(CS TRs)的组合，并且各级之间基本不存在返混现象。 天津大学的郭静等人在污泥浓度为定值时测定了ABR在不同水力停留时间下的水力特性。结果表明，随着水力停留时间的减少，ABR内的死区百分率也随之减少。郭静等认为这主要是生物死区减少的结果。通过对离散数D/ 11 L的计算，得出下列结论:ABR介于理想推流式和完全混合式之间，且随着HRT的增大，离散数减小，ABR向理想推流式过渡。 黄永恒和王建龙对AB R的水力特性进行了较为系统的研究。黄永恒认为LevenspieL方法不适于定量计算ABR的死区百分率，但LevenspieL方法可作为一种定性的方法来反映ABR死区百分率的相对大小。黄永恒还用数值方法完成了CSTRs模型、近似推流模型G和模型D以及Levenspiel模型的液龄分布分析，指出近似推流模型G可以较好的模拟 ABR在实际运行状态下的流态。 目前关于ABR水力特性的研究还远远不够，一些很重要的因素还没有被考虑进去，如产气速率的影响、污泥颗粒大小的影响以及由于细胞外部聚合物的生成而带来的粘度的影响等。1.4.2 ABR的启动 Nachaiyasit和Stuckey于1995年初步研究了ABR的启动情况。启动方式是固定进水COD浓度，HRT由80h逐步减小到60h, 40h，最后稳定在20h。但是，最后反应器发生了过度酸化，启动失败了。Nachaiyasit和Stuckey认为这是接种污泥活性低和初始COD污泥负荷(0.75kgCOD/kg(VSS).d)高的缘故。随后Nachaiyasit降低了COD污泥负荷(0.07kgCOD/kg(VSS).d)，启动获得了成功。 Boopathy和Tiche研究了复合式ABR(Hybrianaerobic BafLed Reactory，简称HABR)处理糖浆废水中试的启动情况。在30d内，HABR的COD容积负荷就达到了4.33kgCOD/m3.d(COD=115.771g/L, HRT=27d)，并且在第30天，每个反应室内都出现了颗粒污泥，COD的去除率达到89%. Stuckey认为这是在COD容积负荷比较高的情况下成功启动的一个好例子。 Barber和Stuckey系统地研究了ABR的启动特性。Barber等人采取了两种启动方式:1.固定HRT(20h)，逐步提高进水基质浓度(COD(1-2-4g/L);2.固定进水基质浓度(COD=4g/L),逐步缩短HRT(80-40-20h)。结果表明，采用方式2启动的反应器不论是从COD去除率、运行的稳定性，还是从污泥的流失量方面衡量均优于采用方式1启动的反应器1.4.3 ABR中污泥的颗粒化 Stuckey认为在ABR中即使不形成颗粒污泥也能获得良好的处理效果，但是许多研究结果还是说明在A BR中只要条件合适是可以培养出来颗粒污泥的。 Boopathy和Tiche研究了HABR处理高浓度糖浆废水时污泥的颗粒化现象。研究中发现在启动COD容积负荷从0.97kgCOD/(m3.d)逐步上升到4.33kgCOD/(m3.d)的过程中，仅过了30d左右，HABR的三格反应室中均出现了灰色的球形颗粒污泥，它们的平均粒径约为0.55mm，并且随着实验的进行，这些颗粒污泥也不断长大，在第90天粒径最大可达3-3.5mmo进一步的研究还发现，在前两格反应室中，主要有两种不同形态的颗粒污泥，一种表面带有白色，主要由长丝状菌构成，结构相对松散一些，另一种表面呈深绿色，也主要由丝状菌构成，但密实程度比前一种好。在第三格反应室中只发现了第二种形态的颗粒污泥。大多数颗粒污泥的粒径在0.5-1之间，并且颗粒污泥的表面粗糙不平，有很多气孔。电镜观察发现各格颗粒污泥中占优势的菌种并不一样。第一格反应室中占优势的是甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)，第三格反应室及后面的沉淀室中占优势的是甲烷丝菌属(Methanothrix)，中间一格反应室中没有明显占优势的菌属，由甲烷球菌属(Methanococcus)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、还原硫细菌(SuLphate Reducing Bacteria)等多种菌属组成。 Boopathy等人认为，在高选择压的作用下，甲烷丝菌属容易附着沉积在一些微小颗粒物质的表面从而形成结构松散的颗粒污泥，而自身就容易聚集成团形成颗粒污泥，与选择压无关。这种由甲烷八叠球菌自身凝聚成的颗粒污泥密度小，容易流失，只有甲烷八叠球菌属被甲烷丝菌属形成的颗粒污泥捕捉、缠绕，才会形成沉降性能良好的颗粒污泥。 王建龙等人对ABR中污泥的颗粒化问题进行了深入的研究。启动完成后各格室均形成了颗粒污泥，前端(1-2格室)颗粒污泥从形态及数量上都优于后端(3-5格室);污泥成熟后污泥形态发生了较大变化，1格污泥己接近完全酸化，污泥呈淡黄色絮体，2格污泥除部分来自1格的污泥外以颗粒污泥为主，3格颗粒污泥粒度最大，4格室颗粒污泥粒度接近于3格室，5格室颗粒污泥粒度较小。王建龙对各格室污泥生物相也做了一定的研究，结果类同于Stuckey, HoLt等人的研究结果。 总的来说，对ABR中污泥的颗粒化问题研究远不如UASB颗粒污泥那样广泛和深入。并且受基质的影响很大，也许借鉴UASB颗粒污泥的研究会对这一问题的研究有帮助1.4.4 ABR处理各种浓度废水的研究现状 国外学者开展了用ABR处理低浓度废水的研究，并获得了较好的效果。Stuckey认为，处理低浓度废水时，由于传质速率和微生物活性都不会很高，生物相的沿程变化就不会很明显，尤其产酸菌的数量沿程基本不便。并且处理低浓度废水时，低水力停留时间所带来的污泥流失问题可以被低的产气速率抵消，并且缩短HRT还可以增加水力搅拌作用，从而提高处理效率。 应用ABR处理高浓度有机废水是A BR应用前景最为广阔的一个方面。 Boopathy和TILche研究了用ABR处理高浓度糖浆废水的情况。当COD为115叭，COD容积负荷达到12.25kgCOD/(m3.d)时，溶解性COD去除率可达到82%，产气量为3 72L/d。增加进水COD浓度至990g/L，相应的COD容积负荷达到28kgCOD/m3.d时，溶解性COD去除率降低到50%,但产气量却增加了一倍多，达到741 L/d，相当于每单位体积反应器每天产气5单位体积。与此同时，反应器内污泥浓度也从40g/L增加到68g/L. Boopathy等人认为，高产气速率虽然可能会导致污泥膨胀，但污泥沉降性能的提高会抵消高产气速率带来的不利影响。己有的研究表明，采取适当的工艺措施(出水回流、增加填料)，AB R可以处理各种浓度的废水，包括悬浮固体浓度很高的养猪场废水(SS=39.1 g/L)、酒糟废水(S S=21 g/L)等。 Nachaiyasit和Stuckey研究了ABR在浓度冲击负荷和水力冲击负荷条件下的运行特性。ABR稳定运行时(35-C, COD=4g/L, HRT=20h, COD容积负荷p t =4.8kgCOD/(m3.d), COD的去除率在98%左右。保持HRT不变，逐步提高进水COD至8叭，COD容积负荷=9.6kgCOD/(m3A), COD的去除率无明显改变;但当进水COD提高至15g/L, COD容积负荷=18kgCOD/(m3.d), COD的去除率下降至90%。若保持进水COD不变(4g/L)，缩短HRT至l Oh并保持14d, COD容积负荷一9.6kgCOD/(m3.d), COD去除率降至90%;继续缩短HRT至5h并保持24d, COD容积负荷一19.2kgCOD/(m3.d), COD去除率仅有52%。当缩短HRT至1h并保持3h, COD容积负荷一96kgCOD/(m3A)时，出水COD浓度迅速上升，并接近于进水COD浓度。但是，当3h后HRT又恢复至原来的数值时，ABR显示了其运行稳定、耐短期冲击负荷能力强的特点，仅过了6h, COD的去除率就恢复到了原来的值(98%). Nachaiyasit等人通过研究认为ABR独特的结构设计使得实际运行中的ABR在功能上可以沿程分为三个区域:酸化区、缓冲区、产甲烷区。这种功能上的分区避免了AB R在冲击负荷条件下大部分活性微生物暴露于很低的PH值下，从而提高了ABR耐冲击负荷的能力。根据VantHoff规则，温度每升高100C，反应速率增加一倍。但Nachaiyasit通过研究发现，对ABR当温度从35降低到25时，系统仅经过两周就重新达到了稳定状态，并且COD去除率没有明显的下降。若进一步降低温度到15 0C，一个月后，COD去除率下降了20% oNachaiyasit认为温度下降使得产酸阶段向反应器后部移动，使得反应器后部产甲烷菌的活性得到了激发，从而部分抵消了温度降低的不利影响。据此，Nachaiyasit认为ABR对温度下降的抵抗能力很强。研究中还发现，当25时，出水中VFA(以COD计)占出水总COD的2/3;而在15时，出水中VFA(以COD计)仅占出水总COD的1/3，这表明低温时反应器中生成了更多的难以被产甲烷菌利用的中间产物SMPs(SoLuabLe microbiaL products)。 ABR在实际工程中的应用还比较少见。美国哥伦比亚(CoLumbia)城的Tenj。地方有一套常温下处理生活污水的ABR装置。该装置由两个ABR并联组成，每个ABR体积是197m3 0实际运行时的工作情况如下:BOD=314mg/L, COD容积负荷一0.85kgCOD/(m3.d), HRT=10.3h,COD去除率70%, SS去除率80%。实际运行时发现当COD容积负荷在0.4-2kgCOD/(m3.d)范围内变动时，COD去除率基本上保持不变。但是在雨季，水力冲击负荷加剧了污泥的流失，导致处理效率下降。这套ABR装置的投资比UASB节省了20%，仅相当于一座同等规模城市二级污水处理厂投资的1/601.5 ABR的应用前景及研究意义 从以上的介绍、分析可以看出，ABR是一种新型高效厌氧反应器，适于处理各种浓度的废水，并且在COD容积负荷=0.4-28kgCOD/(m3.d)的条件下都有令人满意的处理效果。 ABR的优点在于: (1)工艺结构简单;不需要气固液分离所需的三相分离器;工程造价低。 (2)反应器内水流的多次上下折流作用，提高了污泥微生物体与废水的混合接触。水流大多呈推流与完全混合流相结合的复合型流态，因而具有高的反应器容积利用率，可获得较强的处理能力。 (3)反应器内的微生物相有明显的种群配合和良好的沿程分布，厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到分离，使ABR在整体性能上相当于一个两相厌氧处理系统。 (4)具有良好的生物固体的截留能力，能在高负荷条件下截留污泥微生物体，抗冲击负荷能力强、对SS有很高的耐受能力、处理效率高。 (5)能耗低、运行管理方便; (6)可长期运行而不需要排泥。 从分相的理论来说，ABR不仅可以提高普通厌氧发酵的效率，同时对于有毒有害废水有独特的适应性:微生物种群沿长度方向的不同隔室实现产酸和产甲烷相的分离，这种分离为各隔室的优势种群营造了各自适宜的环境，实现了处理功能的协调配合，从而利于整个体系的高效、稳定运行。分段式的结构具有良好的抗冲击能力。 以S042一为例:当废水中存在过多S042一时，对产甲烷菌是不利的，一方面硫酸盐还原菌会与产甲烷菌争夺基质，另一方面产生的H2S对产甲烷菌是不利的，工程中通常需做预处理以去除过量的S041-。而在ABR中，酸化区会有效的降低S042侬度，同时分格集气也大大降低了后部格室的H2S分压，从而为后部格室的产甲烷菌提供了更好的环境条件。这是单相系统所无法做到的。2 试验研究的目的、内容及方法2.1 课题的提出 从以上的介绍可以看出，ABR做为一种新型高效厌氧反应器，具有结构简单、投资少、抗冲击负荷强等一系列优点，但实际应用还相当少。ABR作为一种新型反应器，理论研究和实际应用的积累均显不足，大大限制了其应用推广的步伐: (1)ABR结构设计的原则要兼顾水力条件和各格室的功能优化，而目前对ABR的内在处理规律研究尚不充分，各格室的降解规律、功能定位不能准确界定。因此，应对各格室的降解规律进行深入和系统的研究，如各格室产气量、气体组成与基质、负荷的关系及规律，各格室生物相的组成及分布，各格室的去除贡献等。 (2)尽管理论上ABR具有较强的污泥截留能力，但一方面，颗粒污泥的培养受水质、操作条件的影响较大，而研究及工程证实很多工业废水难于培育出功能良好的颗粒污泥，因此对絮体污泥床的污泥保留问题应加以重视;另一方面，ABR中的污泥截留不仅受结构设计的影响，同时与产气负荷、污泥沉降性能也有较大关系，因此应对污泥保留问题进行系统研究，这也是AB R走向实际应用的瓶颈之一。 (3)ABR工艺相对于其他高效厌氧反应器的最大优势在于:结构简单，造价相对较省;ABR中微生物种群分布沿长度方向的不同对难降解废水有潜在优势。通过结构设计、操作控制等手段有效的发挥其优势尤显重要，因此，应对ABR处理难降解废水的机理进行深入的研究，以便为强化其处理功能提供理论依据。 (4)目前我国关于ABR的研究还较少，尤缺乏对实际废水处理的研究，实际工程运用也较少见，并且一些工程将其功能定位为水解酸化，大大限制了其应用推广的步伐。因此，以实际废水研究AB R具有较大的现实意义，不仅可以凸现出ABR的潜在优势，也可以为实际工程的设计参数提供直接和理论上的依据。 (5)ABR运行控制的研究较少，诸如污泥回流、排泥、温度等实际问题尚未见详细报道。这也限制了ABR的实际应用。 综合以上分析，本研究着眼于AB R的特性及工程应用进行研究，拟对ABR的降解特性及机理、ABR中生物相的分布及演变特性、ABR中污泥保留以及操作控制条件等进行探索及研究。2.2 试验内容及方案的确定2.2.1 试验基质 本课题着眼于ABR的特性及工程应用进行研究，为使研究结果更具应用价值，采用具有 代表性的两类工业废水(制药废水和淀粉废水)为基质，分别代表难降解有机废水及易降解 有机废水。制药废水取自某制药厂红霉素生产废水，淀粉废水取自某淀粉厂玉米浸泡水。2.2.2.1红霉素生产废水的水质特征 (1)据有关资料废水中主要组分有:醋酸丁脂、丙酮、乙醇以及残留的微量红霉素等。化学分析废水各项指标如下。 COD=10000-11000mg几; PH=8.0-8.5; 碱度=540-560mg/L ; SS=90-120mg几; Zn=27mg几; 硫酸盐=12001300mg/L o 红霉素生产废水主要来源于生产过程中的离心母液及冲罐废水，其中含有大量未知的发酵中间产物，分析认为，这些未知的发酵中间产物及残留的红霉素对厌氧微生物有抑制作用。排放的废水主要分三类:COD = 2026(叭)的废水， COD=1015(叭)的废水，COD=(叭)的废水。实验中工艺系统试验主要以COD=1015(叭)的废水为研究对象，采用COD=2026(叭)的废水进行抗冲击性能研究。 (2)红霉素生产废水的厌氧抑制性。 实验过程中发现，COD为2026(叭)的废水，厌氧抑制性高于低浓度的废水，分析认为，初期冲洗废水及离心母液中抑制物的含量相对较高。采用装瓶试验对红霉素生产废水的厌氧抑制性进行评价，即在500mL注射瓶内以相同种类及数量污泥进行接种，分别对不同浓度的试样在30天内的产气情况进行记录，对各试样在3天及30天内的产气量与对照试样进行对比分析，从而得出废水在不同浓度下的厌氧抑致性。静态试验的结果如图2.1-2.2及表2:1 -2.2所示。 通过对三组静态实验的结果分析，认为COD为2026(叭)的原水，COD浓度在5000mg/L时，短期接触为轻度抑制，长期接触为中度抑制;而COD为1015(叭)的废水，COD浓度在7000 mg/L时，短期接触为中度抑制，长期接触基本无抑制。 由上面的分析可以看出，红霉素废水中存在生物抑制性物质，当毒性物质浓度适合时厌氧菌表现出了较好的适应能力，经过一定时间的驯化即可对毒性产生抗性:但当毒性物质浓度过大时，产生了较强的抑制甚至是杀菌作用。高浓度废水厌氧抑制性试验中COD浓度在800010000 mg/L的试样基本未产气。2.2.1.2淀粉生产中浸泡废水水质特点 玉米淀粉生产过程中排放的废水包括工艺水及玉米浸泡水。工艺水包括中间产品的洗涤水和各种设备的冲洗水，其中含有大量的不溶蛋白、可溶蛋白、无机盐及糖类等有机物。 试验中取用的是玉米浸泡水。生产过程中为了破坏玉米的机械强度，削弱淀粉与其它部分的亲和力，分离可溶性蛋白，并抑制微生物的滋生繁衍，在浸泡工艺中要加入一定量的亚硫酸溶液，因此水中含有一定的S032-, 5042。玉米的浸泡液中含有可被分离的可溶性蛋白和植酸等，淀粉生产中常用石灰中和浸泡水，析出钙镁复合磷酸盐(C6H8024P6Mg4Ca6H2 )，即为具有药用价值的非汀。因此试验取用的废水中含有一定量的可溶性蛋白(约20叭)和钙镁复合磷酸盐。2.2.2 试验的主要研究内容通过以上分析，本研究着拟定作如下内容的研究(1) ABR的启动:接种污泥;启动过程;启动方式(2) ABR的降解特性:COD降解规律;产气特性;系统VI-A, pH(3) ABR的污泥特性:不同阶段的污泥特性(4) A BR的运行控制:排泥控制:污泥回流;监控指标2.3 试验装置试验系统如图2.1所示。 实验系统包括: (1)主反应器:分为五格室，有效容积50L，上流格室底面积:下流格室底面积=4: l,高度850mm;各格室分开集气。 (2)集气系统:分格室集气，5个集气瓶。 (3功口热系统:热水夹套，低进高出循环加热。 (4)进、出水系统:补液泵进水，出水U型管保护。 进水从进水箱由风箱泵打入反应器中;夹套中以热水循环加热，保证反应器中水温在控制温度。2.4 化学分析项目(1) COD(2) pH(3)碱度(4) MLSS, MLUSS(5)硫酸盐及硫化物(6)挥发性脂肪酸的测定(7)辅酶420(8)产甲烷活性采用标准重铬酸钾法tsa采用数字酸度计测定“采用中和滴定法测定tsi采用重量法测定t51采用重量法测定t51采用蒸馏法测定t采用比色法测定川采用集气法测定川t;3 ABR的启动过程研究 厌氧反应器的启动就是指在反应器中培养出一定量的能适应所处理废水特性的微生物群体的过程，这些微生物群体能与反应器所提供的环境组成一个稳定的生态系统。 厌氧反应器的启动通常包括两个方面。(1)培养:微生物富集的过程。(2)驯化:微生物适应所处理废水特性而进行变异的过程。由于厌氧微生物，特别是甲烷菌的增殖速度很慢，通常认为厌氧反应器的启动需要较长的时间，一般需要8-12周甚至更长的时间。影响厌氧反应器启动的因素很多，包括废水的组成及浓度，接种污泥的数量及活性，环境条件，微量元素的补充，操作条件以及反应器本身的特性等诸多因素。已有的研究及工程经验表明，厌氧反应器启动时应注意以下几个方面。 (1)接种污泥以同类废水污泥为佳，条件许可时，多种污泥配合接种有利于丰富产甲烷菌的种类;接种浓度不宜低于1015叭。 (2)环境条件:温度应在32370C(中温消化)或50550C(高温消化)范围内，每天的温度波动不宜超过1-2C; pH应在7.27.6范围内，并维持一定的碱度，以保证产甲烷菌的最大活性;营养元素不足时添加N, P以保证COD: N: P=350500: 5: 1;投加Fe, Co, Ni,Zn等补充微生物生长所需的微量元素，在某些情况下是非常关键的。 (3)操作控制:启动初期COD浓度不宜高于1500-3000m叭，具体还要综合考虑接种污泥及所处理废水的水质;出水VFA不宜高于350-450mg/L;启动初期水力负荷不宜过高，以免引起污泥大量流失。3.1 接种污泥的选取 厌氧构筑物启动时的接种污泥来源主要有。 (1)城市污水厂普通厌氧消化池中的消化污泥; (2)同类工业废水的厌氧构筑物中的消化污泥; (3)沟、渠、塘中的底泥; (4)好氧系统中排出的剩余活性污泥。 很多AB R的研究者特别建议多种污泥配合接种。各研究者针对不同的废水采取了不同的接种污泥，如表3.1所示。 然而，工程中这几乎是不可能实现的，通常情况下大量的厌氧污泥也是非常不容易取得的，通常以好氧剩余污泥或牲畜粪便替代。因此，为了对ABR的启动过程进行更具体的研究，并使研究结果更具操作性，本研究以北石桥污水厂板框后干化污泥进行接种。表3.2为接种污泥的情况。3.2 启动操作方案 综合分析废水特性及反应器特性，红霉素生产废水因其含有生物抑制性物质，启动负荷定为0.2 kgCOD/(m3.d );玉米浸泡水的生物可降解性较好，启动负荷定为1.0 kgCOD/(m3.d )o启动中添加工业尿素及磷酸盐补充厌氧细菌生长所需的氮和磷，控制COD: N: P=350: 5:1，投加碳酸氢钠及氢氧化钠调节系统的碱度及pH值，投加Fe, Co, Ni, Zn等补充微生物生长所需的微量元素。3.2.1 启动方式 Barber和Stuckey1281的研究认为固定进水基质浓度，逐步缩短HRZ不论是从COD去除率、运行的稳定性，还是从污泥的流失量方面衡量均优于采用固定HRT，逐步提高进水基质浓度方式启动的反应器。 通常的厌氧启动方式大致可分为两种:1.快起动2.慢启动。如表3.3所示。 本次试验以好氧干化污泥进行接种，启动过程必然包括培养、驯化两个过程，因此进水浓度不宜太低，否则对污泥培养不利，但也不能太高，否则废水中的抑制性物质对细菌的生长不利(第一次启动以2000mg/L的浓度进水，启动经12天后即告失败)。 综合考虑各影响因素后启动方案定为。(1)水力负荷与进水浓度均递增启动，主要增加进水浓度，对系统影响不大时增加水力负荷。(2)系统COD去除率达50-60%后，递增1.2-1.5的负荷。3.3 运行结果及分析 启动历时较长，红霉素生产废水经四个月后负荷升至4.5-5.3kgCOD/(m3.d), COD去除率达60-66%;玉米浸泡水经三个月后负荷升至5.03kgCOD/(m3.d), COD去除率达75%. 启动过程如图3.1所示。综合分析监测数据，启动过程大致可分为四个阶段，分述如下。 (1)适应期:启动初期控制进水COD=1000-1600mg/L，容积负荷维持在0.2- 1 kgCOD/m3A,COD去除率在3050%之间，历经约一个月。 适应期COD去除率呈下降趋势，VFA则不断上升，且居高不下，系统的产甲烷能力相对较弱。分析认为:实验中以好氧污泥接种启动，产甲烷菌数量及种类均较少，需要一定的培养过程;红霉素生产废水中存在抑制性物质，而产酸菌对环境的敏感程度小于产甲烷菌，生长速度也远远高于产甲烷菌(产酸菌的最大产率常数为0.15-0.20kgVSS/kgCOD(s),而产甲烷菌最大产率常数只有0.03-0.04kgV SS/kgCOD(s) )，使得产酸菌呈优势生长状态;AB R的分级结构导致反应器内局部负荷前高后低的分布状况，当ABR正常运行时，这种负荷分布有利于反应器的处理效率，但对于未完成培养及驯化的ABR来说则是不利的，前面格室产生的VFA不能被产甲烷菌有效的转化，导致VFA的积累，而这种积累通常又不利于产甲烷菌的生长。因此，在后期采取了减小负荷、增加系统碱度等措施，保证系统的稳定。 (2)培养期:尽管系统COD去除率较低(30-50%)，但低负荷运行不利于细菌的生长，因此，本阶段在保证系统稳定的情况下稳步增加系统的容积负荷。尽管V FA有较大的上下波动，但均属于提高负荷的正常反应。培养期历经约一个月，容积负荷提高到了2 kgCOD/m3 .d，同时，系统出水VFA也得到了控制，基本呈下降趋势，系统的稳定性进一步得到加强，微生物群体基本已适应红霉素废水的特性。 (3)负荷提高期:运行约一个月，该阶段将容积负荷提高至5.3kgCOD/m3.d, COD去除率呈上升趋势，出水VFA不断下降，系统的处理能力得到了较快的发展，但稳定性不高，出水VFA依然在400 mg/L左右。 (4)稳定期:采取将系统负荷重新降低，再逐渐升高的方式稳定系统。最终将系统容积负荷升至5.3 kgCOD/m3.d, COD去除率达到66%，出水VFA=120-250 mg/L，系统稳定，启动结束。3.4 问题讨论及建议3.4.1 关于启动期水力负荷的分析 水力负荷过低不利于A BR的泥水混合，并且在启动期产气能力较弱，水力搅拌的作用较大，但过大的水力负荷也会导致污泥的大量流失，因为启动期污泥的沉降性能不够完善，正常运行情况下的水力负荷也会导致跑泥，进而影响系统的稳定性。试验中对水力负荷进行了研究，结果如图3.2所示。结合系统运行工况进行分析，结果认为。 (1)ABR启动初期污泥沉降性能较差，污泥床系统不够稳定，试验中当上升流速二0.25m/h时，出水SS=400500 mg/L(甚至更高)，跑泥严重，COD去除率也呈下降趋势，因此启动初期上升流速应0.25m/h，但不宜低于0.15m/h，否则对泥水混合不利，并且不利于细小污泥的洗出; (2)ABR启动中期，由于产气作用的加强，出水SS呈上升趋势，系统有待进一步稳定。此时，对于上升流速不宜做太大的变化。 (3)启动后期，污泥沉降性能大大改善。上升流速提至0.20.25 m/h，产气作用较强，系统处理效能大大提高，出水SS=100200 mg/L。因此，启动后期可将上升流速逐渐提高至0.20-0.25m/h，但需保证出水SS250-300 mg/Lo3.4.2 关于启动期产酸菌优势增长的讨论 稳定厌氧发酵的微生物状态是产甲烷菌和产酸菌的平衡生长，一旦这种平衡被打破，系统就会变的不稳定或者引起系统处理效能的下降。本课题组平行启动的另一个以玉米浸泡水为研究对象的ABR系统，在启动期VFA居高不下，一段时期出水VFA=10002000mg/L;某研究者以A BR处理有机磷农药废水，出水VFA=9002050mg/L;雷中方等以A BR处理制浆黑液，出水VFA=700800mg/L;郭静等以A BR处理人工配制葡萄糖污水，出水VFA=2401853mg/La大量试验结果均证实，ABR系统在启动及运行期均存在产酸菌优势增长的情况。 如3.3节所述。(1)非厌氧污泥中产甲烷菌数量及种类均较少，以厌氧污泥接种启动时需要一定的污泥培养过程;(2)工业废水中通常存在一些难降解及具有生物抑制性的物质，而产酸菌对环境的敏感程度小于产甲烷菌，生长速度也远远高于产甲烷菌，这也是产酸菌优势增长的原因之一;(3)ABR的分级结构必然导致反应器内局部负荷前高后低的分布状况，对于未完成培养及驯化的A BR来说这是非常不利的，前面格室负荷过载必然增加后面格室的压力，导致VFA的积累，不利于产甲烷菌的生长;(4)试验中发现，前两格有较大的浓度差，后三格则小的多，易降解成份大部分消耗在了前面的格室，这对于中后部细菌的培养来说是很不利的。 A BR由于其分级的结构特征不可避免会引起产酸菌的优势增长，随着废水复杂性的不同，更为其启动增加了难度，这是导致AB R启动较慢的主要原因。 笔者认为，可以从以下几个方面加快ABR的启动过程:(1)可在启动期加入其它易降解废水增加污泥培养的速度;(2)有条件时采取多种污泥混合接种，丰富厌氧细菌的种类和数量;(3)多点进水:启动期以培养、驯化污泥为目的，通常的