环境课件流化床生物处理技术

1、第四章 流化床生物处理技术4.1 概述 废水的流化床生物处理是继流化床技术在化工领域广泛应用之后而发展起来的。与固定填充床相比，流化床具有比表面积大、接触均匀、传质速度快、压损低等许多突出优点。自70年代初在美国首次将该技术应用于废水生物处理以来，得到水处理界的普遍重视，现已发展出多种床型和操作运转方式。生物流化床技术是使废水通过流态化并附着生长有生物膜的颗粒床，废水中的基质在床内同均匀分散的生物膜相接触而获得降解去除。 在流化床中，支撑生物膜的流化介质应具有高比表面积和较小的颗粒直径，以便获得足够的生物量和良好的接触条件。通常所用的惰性载体材料包括砂粒、焦炭、活性炭、陶粒、无烟煤、玻璃珠等，

2、粒径一般为0.22.0 mm，密度1.33.0 g/mL，选用低密度材料较好。由于载体粒径较小，因而具有比其它生物膜法大得多的比表面积，表4-1列出几种方法的比较结果。表4-1 几种生物膜法的比表面积处理方法比表面积(m2/m3)生物流化床3000-5000生物滤池40-120生物转盘120-180生物接触氧化130-1000 生物流化床内载有生物膜的流化介质能够均匀分布在床体，同上升水流接触条件良好，兼具完全混合式活性污泥法均匀接触所形成的高效率和生物膜法能承受负荷变化冲击的双重优点。与常规的生物处理技术相比，可以获得高得多的生物量，达到1440 g/L。因此，废水基质的降解速度快，停留时间

3、短，运转负荷比一般活性污泥法高1020倍。表4-2为几种典型BOD运转负荷的比较。表4-2 BOD运转负荷典型值的比较处理方法运转负荷(BODkg/m3×d)Hy-Flo流化床16.6活性污泥法0.85纯氧活性污泥法3.32生物滤池0.42生物转盘0.85 在流态化运行过程中，附着生长在载体上的生物相能够充分混合，强化了微生物、废水、氧气间的三相传质过程，加上气、液之间的剪切作用，加速了生物膜的更新代谢，提高了微生物的活性，因此具有良好的处理效果。 流化介质的比表面积大，对废水中基质的吸附能力强，尤其是采用粒状活性炭为载体时，吸附作用更为显著。一些难降解或降解速度慢的有机物，因吸附作

4、用能够在介质表面长期停留，对表面吸附着的生物膜进行长时间的驯化和诱导，因而对该类物质的去除能力提高。 目前，生物流化床技术已发展出多种形式。从流态化的性质上，可分为流化床和膨胀床；依据流化动力不同，分为液力流化床和气力流化床；根据微生物的性质，又可分为好氧流化床和厌氧流化床。另外，上流式污泥床虽然往往不加入惰性载体，但其在反应器形式和运转方式上与流化床有许多相似之处，因而也在本章中加以讨论。总之，生物流化床技术综合了介质流态化、吸附和生物化学过程，在操作运行机理上十分复杂。它具有容积负荷高、占地面积小、运行稳定、管理方便等许多优点，特别是将物理化学法与生物法相结合，同时兼顾活性污泥法和生物膜的

5、长处，因此已越来越受到水处理界的重视，目前已在生活污水和多种工业废水的处理上得到应用。4.2 好氧流化床反应器4.2.1 工艺流程 好氧生物流化床是开发运用最早的流化床废水处理技术，利用附着在惰性流化介质上的好氧微生物，在供氧的条件下对废水中的基质进行氧化降解。经常采用的为三相生物流化床反应器，其试验装置系统见图4-1。床内装填粒径较小（0.22.0 mm）的砂、活性炭、玻璃珠等惰性载体，废水自下而上（或自上而下）流过载体并使之流态化，空气或纯氧从反应器下部供入，构成气、液、固三相体系。运行过程中，通过载体表面不断生长的生物膜，吸附和氧化分解废水中的有机物。反应器上部设有三相分离器，出水经二沉

6、池分离脱落膜后排放，污泥保持回流。 挂膜驯化为生物流化床正常运转的首要步骤，通常取生化曝气池的活性污泥作为接种污泥，直接装入反应器并投入惰性载体。由底部连续鼓入空气，借空气的提升作用，使载体保持一定的膨胀比，废水进行闭路循环运行。每天定时添加营养物，更换1/51/3上清液。一般培养约一星期后，镜检可见到载体表面粗糙及凹陷处有小撮丝状菌及菌胶团生物膜。这时生物膜极薄，镜检有少量肾形虫、钟虫等原生动物。当载体表面生物膜的覆盖面积增大到1/101/5时，改变闭路循环为下部进原废水上部出水，以保持连续的营养供给，并适当提高供氧量。在此条件下运行几天后，生物膜将快速发展，以致整个载体表面全部被均匀致密的

7、生物膜所包裹，且结构紧密、色泽浅白。挂膜驯化完成后，流化床内耗氧速度明显增高，溶解氧浓度下降，对有机物已有一定的去除率。根据进水水质和出水要求试验确定最佳操作条件，包括进水流量、水力停留时间、COD负荷、气水比等。 高位槽 搅拌装置 三相分离器 二沉池 出水 + + 进 + 流 回 水 + 化 流 + 床 + 取样口 分布板 空压机 水泵图4 -1 好氧生物流化床系统4.2.2 运行机理构成生物膜的微生物种类及生物膜的结构性能，与进水水质和操作运转条件有关。图4-2为三种条件下生物膜的扫描电镜图片，从图片中可以看出膜的微生物组成和表面结构的差异。图（a）为进水COD浓度300 mg/L时的生物

8、膜，主要由菌胶团组成，存在少量丝状菌，以钟虫为代表的原生动物附着生长在载体表面，线虫、轮虫等大量出现。当进水COD提高到1300 mg/L时，图（b）显示出表面丝状菌远较（a）时为多，菌胶团包裹在载体表面，并有部分枝状菌胶团向外发展。与低浓度时相比，原生动物及后生动物的种类和个数均较少。在进水浓度2600 mg/L下，表现为丝状菌异常发达，生物膜膨松，平均生物浓度增高，而菌胶团生物膜变薄，如图（c）所示。显微镜观察表明，菌胶团膜变薄与丝状菌发达、生物膜膨松、生物载体总体直径增大同时存在。即丝状菌膜厚随进水浓度的升高而增大，这种情况下，丝状菌异常发达成为控制生物浓度变化的主体。与此同时，由于丝状

9、菌膜厚增大而造成结构膨松，因此生物膜整体结构疏松，干燥密度下降。 (a) (b) (c) 图4 -2 生物膜扫描电镜摄影 表4-3为三种不同浓度下载体的平均沉降速度，说明当丝状菌发达时，生物载体平均密度下降，结果导致沉降速度减小。另外，当由低浓度突变到某一高浓度时，载体生物膜受到负荷的突然冲击，会造成包括丝状菌在内的表面生物膜成片脱落，使不少载体出现局部裸露。在此过程中，对COD的去除率会显著下降，重新恢复正常运转，需要一定的时间。因此，在实际操作中应充分考虑负荷突变对生物膜所造成的冲击问题。试验研究表明，好氧生物流化床具有在高进水负荷下出水稳定的优点，污染物去除量及去除率均随进水浓度的提高而

10、增加，即在一定浓度范围内去除率随COD容积负荷的增大而升高，表现出生物流化床适应处理高浓度废水的能力。表4-4给出几种生物处理工艺容积负荷和污泥负荷的比较。生物流化床的容积负荷为普通活性污泥法的13倍，阶段曝气法的10倍，生物滤池的38倍。因此可以推论，在相同进水浓度下，采用生物流化床处理技术可使装置容积大大减小，从而降低工程造价及土地占用面积。另外，去除率也随污泥负荷的增高而上升。随着进水浓度的增高，除引起生物浓度、生物膜厚在一定范围内增大外，同时引起生物的代谢速度加快，从而活性提高，这是去除率随污泥负荷增高的主要原因。表4-4所列各种处理方法与生物流化床法污泥的比较表明，生物流化床的污泥负

11、荷略高于其它方法，但差别不象容积负荷那么显著。生物流化床作为一种动态处理方法，污泥更新速度快，污泥的平均活性优于其它方法，这是污泥负荷高的原因，但生物流化床的高负荷率主要在于其所维持的远高于一般处理方法的污泥浓度。表4-3 不同条件下生物膜厚及沉降速度进水浓度(mg/L)停留时间(min)水 温(oC)气 水 比(体积)菌胶团膜厚(mm)沉降速度(mm/s)300251510:12307.7911300252615:11936.0692600252215:11636.086注：无膜时的载体沉降速度为14.212 mm/s。表4-4 几种生物处理工艺的负荷处 理 工 艺容积负荷(kgBOD/m3

12、×d)污泥负荷(kgBOD/kgVSS×d)普通活性污泥法阶段曝气法生物滤池生物流化床 通过测定污染物浓度、生物浓度和生物膜厚度沿轴向的分布规律，可对生物流化床的流态特征加以分析。图4-3为COD浓度沿反应器高度的分布。在各种试验条件下，尽管进水浓度差别较大，但距进水口15 cm高度处，污染物已达52%90%的去除率。可以说，污染物浓度的大部分在此范围内被去除，在以后各高度上浓度变化比较平缓。生物浓度沿反应器高度的分布见图4-4，图中除1号曲线外，其余各曲线均呈下降趋势，表明生物浓度沿反应器高度而递减。图4-5显示，生物膜厚度沿高度无明显变化。图4 -3 COD浓度沿反应器

13、高度的分布图4 -4 生物浓度沿反应器高度的分布图4 -5 膜厚度沿反应器高度的分布 从以上结果综合分析可知，污染物浓度和生物浓度沿程递减的规律显示，生物流化床从整体上表现为推流型流态特征。但由观察及试验结果分析，流化床中心的气泡提升与外壁处的载体回流是流化床内物质宏观迁移的主要形式。在流化床断面上客观存在着内外两个流向相反的流区，中心为上升区，水、气及载体在此范围内上升；外部为下降区，生物载体及部分处理水在此范围内下降，加之气泡的搅动，各相物质横向混掺，因此，在局部范围内又表现为完全混合的流态特征。由于这种局部完全混合流态，加速了污染物、氧气及生物载体的轴向、径向混合与均化，从而提高传质速率

14、。污染物浓度在进水口附近高度内出现大幅度下降，说明在该范围内存在一个很小的混掺区。污染物一进到流化床内，迅速与周围介质混合，并被该范围内的生物粒子迅速吸附，使污染物浓度与床内原有液体浓度相一致。吸附着污染物的载体在气、液的提升与推动下，一边与周围具有较低浓度污染物的载体混合，一边随中心液体上升，达到进一步的转移与稀释，并在微生物作用下完成氧化分解过程。上部恢复吸附功能的生物载体回流下行，重新进入下部混掺区。正是由于生物流化床这种局部完全混合流态，使一定浓度的污染物在很小范围内得到去除和转移，从而提高了对高浓度污染物的适应能力，获得高的处理速度与去除率。4.2.3 应用举例 炼油厂含硫污水经汽提

15、装置除去大部分硫化物和氨后，一般直接排入污水处理厂。由于该废水中含有酚等高COD物质，而且排放量和水质变化较大，对污水处理厂生化装置的冲击问题十分突出。小试研究结果表明，用生物流化床法处理含硫污水净化水，可使COD和硫化物的去除率达到80%以上，酚去除率可达95%，而且原水不需要稀释，出水不需回流，流程简单，处理负荷高，操作弹性大。其小试研究的工艺流程如4-6所示，为双床串联工艺。 回流 排放 废水储槽 1# 2# 出水 流 流 化 化 沉 床 床 淀 池 压缩空气 图4 -6 生物流化床法工艺流程 首先在流化床内装入载体，数量约为床体积的20%，再加入活性污泥和含硫污水净化水，数量分别占床体

16、积的50%和30%，通入空气闷曝，大约3d后载体表面开始有生物膜生长。然后进入驯化阶段，流化床开始连续进水。对于有效床体积约70L的小试装置，流量从2.0 L/h逐渐提高到5.0 L/h，大约每天提高0.5 L/h，同时用显微镜观察生物膜的生长情况。到驯化后期发现生物膜中不仅有菌胶团围绕在载体四周，还发现草履虫、盖纤虫和钟虫等，说明生物膜生长较好，食物链初步形成。分析出水水质，当波动不大时表示驯化工作基本完成，可以按预定的流量运行。维持生物浓度10g/L左右条件下，考察流化床的运行效果。 分别用加氢裂化废催化剂HC-16、粗粒和细粒活性炭三种载体，比较研究生物流化床法对含硫污水净化水的处理效果

17、，其结果见表4-5。 从表中的数据可以看出，好氧生物流化床对COD、酚和硫化物均具有较高的去除率，但氨氮的去除率低。比较三种载体，使用活性炭比使用废催化剂可获得较高的去除率，其中细粒活性效果最好，这与它们的比表面积和吸附能力有关。载体的表面积愈大，生长的微生物愈多，同时基质在表面的吸附量也越大。吸附态的基质在载体表面被微生物氧化降解，并因此而得到再生，这是生物炭法的主要特点之一。另外，细粒活性炭的流化性能和机械性能也比其它两种载体好，因此对处理该废水而言，3040目的活性炭是生物流化床比较合适的载体。但废催化剂的成本远比活性炭为低，因而也是作为载体加以综合利用的途径。表4-6给出停留时间对流化

18、床处理效果的影响。结果表明，停留时间越长则氨氮去除率越高，而其它污染物的去除率变化规律不太明显。表4-5 流化床对含硫污水净化水的处理效果 载 体粗粒活性炭废催化剂细粒活性炭粒 径(mm)2.01.00.5比表面积(m2/g)6001501500流 量(L/h)5-105-7.513.8-35COD进水浓度(mg/L)1164-1920460-1519952-1671(1659)(729)(1396)出水浓度(mg/L)30-58252-71869-253(271)(311)(143)去除率(%)69-9778-95.4(84.4)(57.3)(89.7)酚进水浓度(mg/L)16-20181

19、.8-186(131.2)(39.7)(121.8)出水浓度(mg/L)0-9.30-5.80-0.28(3.4)(1.43)(0.083)去除率(%)93.5-10087.8-10099.7-100(97.7)(96.4)(99.93)氨氮进水浓度(mg/L)(67.8)(99.9)出水浓度(mg/L)17-123.1(55.4)(67.2)去除率(%)0-23.90-82.5(18.0)(32.7)硫化物进水浓度(mg/L)(4.72)(9.45)(9.17)出水浓度(mg/L)0-1.960-2.95(0.50)(1.36)(1.16)去除率(%)53.9-10050-100(87.9)

20、(85.6)(87.4)表4-6 停留时间对去除率的影响 载体停留时间(h)污染物去除率 (%)COD酚氨氮硫化物粗粒活性炭6.979.697.884.63.585.994.885.6废催化剂13.853.195.821.591.29.257.095.7078.1细粒活性炭10.084.699.943.991.26.092.699.943.079.74.083.099.94.383.34.3 厌氧流化床反应器4.3.1 工艺流程用厌氧法处理高浓度有机废水是近年来研究运用较多并且行之有效的工艺。目前，已有多种高浓度有机废水可采用厌氧法加以处理，为后续的处理装置降低有机负荷。厌氧反应器的种类很多，

21、应用于不同场合，并各有其优缺点。最早的厌氧反应器用于污泥的消化处理，现已发展出多种形式的反应器和工艺流程。仅流化床反应器就有厌氧流化床、厌氧流化生物床、厌氧附着膜膨胀床等，与好氧床组合运行的多级处理系统，不仅在降解高浓度有机物方面显现出独特优点，而且具有良好的脱氮效果。图4-7为厌氧流化床系统示意图。 集气 回流 填料 气柜 泵 泵 进水 出水 图4 -7 厌氧生物流化床系 厌氧流化床使用与好氧床同样的高比表面积惰性载体，在厌氧条件下，对接种活性污泥进行培养驯化，使厌氧微生物在载体表面顺利生长。挂膜的载体在流化状态下，对废水中的基质进行吸附和厌氧发酵，从而达到去除有机物的目的。与好氧流化床不同

22、的是，厌氧流化床需要较大的回流比。回流量占进水量的比例大，将一部分出水加以回流并与进水混合，既可使整个床内的颗粒分布均匀，又可保持恒定的流化速度。根据载体在不同流化速度下的膨胀比，厌氧流化床可分为膨胀床反应器和流化床反应器两类，其主要技术数据见表4-7。另外，表4-8给出流化床的主要设计参数和性能。表4-9为国外新建的两座厌氧流化床反应器的设计数据，由此可以看出厌氧流化床反应器的概况。当进水流量为150200m3/h时，反应器的有效容积达到225m3，筒体直径4.7m，总高度为21m。如此庞大的流化床反应器都能实现很好运转，最大产气量达到280m3/h，可见厌氧流化床技术在工业化运用方面已经比

23、较成熟。表4-7 膨胀床和流化床主要技术数据反应器高 度(m)直 径(m)空床上升流速(m/h)回流比生物量浓度(g/L)出水SS(mg/L)膨胀床2-42-32-102-10010-3020-100流化床4-122-46-205-50010-2020-100表4-8 主要设计参数和性能参 数说 明系统稳定性极好有机负荷作为预处理：16-24 kg BOD / m3×d作为二级出水：1.6-4.8 kg BOD / m3×d有机负荷变化耐冲击负荷，适应性强，负荷可增加到18倍，水力停留时间可低到5 min。间歇运行性能极好pH5.4 - 9.3温度10 - 35 oC载体粒

24、径0.5 - 10 mm，密度1.3 - 3.0 g/mL，宜选用低密度材料。回流回流量可以改变，以保持恒定的床膨胀率。表4-9 两种厌氧流化床反应器设计实例项 目DelftCappa-Prouvy反应器容积 (m3)280125有效容积 (m3)22580筒体直径 (m)4.73.0总高度 (m)2117筒体高度 (m)1312进水流量 (m3/h)150-20040-60COD负荷 (kg COD/d)200007000COD转化 (kgCOD/m3×d)3030最大产气量 (m3/h)280100水泵耗能 (kw)7030流化时流量 (m3/h)200-30080-150水力停

25、留时间 (h)4.3.2 运行机理 厌氧反应过程一般分成水解酸化、产酸和产甲烷三个阶段，需要三类细菌分别来完成反应。为探讨基质的厌氧反应机制，用醋酸钠、苯酚和营养盐类人工配制废水，在以活性炭为载体的小型厌氧反应器中进行观察实验。将进水醋酸钠与苯酚浓度分别控制在1000mg/L和500mg/L，反应器内混合液的溶解氧浓度为0.20.5mg/L，pH值6.37.2，水温30oC，运行并测定甲烷气产率。图4-8和表4-10为两种进水浓度下（在两个反应器同时进行）甲烷气产率随运行时间的变化。 结果表明，两种进水浓度下的产气速度变化情况十分相似。在开始运行40d左右的时间内，接种的生物刚进入一个新环境，

26、不能马上正常发挥降解有机物的能力，因此看不到有气体产生。40d以后，开始观察到有气体产生，说明生物已逐渐适应环境，首先降解的应该是容易被生物利用的醋酸钠。到第90d时，两种浓度条件的产气率都达到一定值，分别为0.54L/d和0.21L/d，该值与理论上分解醋酸钠基质所生成的甲烷气量基本一致。自此之后，生物在进一步得到驯化的情况下，活性被激发，在利用醋酸钠的同时，开始降解苯酚，因而两种浓度下的产气率都急剧上升，并且分别在210d和180d达到最大产气率5.46L/d和2.39L/d。值得注意的是，其峰值均已超过理论上根据负荷基质（醋酸钠和苯酚）计算分解的产气率2.21L/d和1.11L/d。随后

27、，产气速度迅速下降，逐渐接近理论量并达到平衡。产生这一现象的原因是开始阶段被活性炭大量吸附的酚，在其后阶段与新进入的基质一起同时被微生物所降解，产生大量甲烷。随着生物对醋酸钠和酚的同时降解，进入反应器的基质与被降解的和流出未被利用的基质之间达到平衡，此时反应器处于稳定运行阶段，产气率保持在某一水平。BA图4 -8 产气率随运行时间的变化 改变有机负荷时，反应器的产气率相应发生变化。例如，对于进水浓度为500mg/L的情况，在运行到274d时进水流量加大一倍，则有机负荷增加约一倍。负荷改变后12d内，产气速度立即上升，经过10d左右接近理论产率，并达到平衡。与进水浓度1000mg/L情况相比，此

28、时的基质浓度和水力停留时间HRT (2.5h)都为其值的二分之一，但由于两种情况的有机负荷相等，因此产气率也大致相同。当进水负荷增加时，原来的平衡被打破，生物活性进一步激发，其降解能力得以充分发挥，产气速度迅速上升，经过一段时间的发展达到新的平衡，产气率又稳定在一个更高的水平上。表4-10 甲烷气生成速度随时间的变化 1000mg/L时间(d)0-3637-9091-209210211-247产气(L/d)00.54­5.46¯500mg/L时间(d)0-4243-9091-179180181-214产气(L/d)00.21­2.39¯1000mg/L时

29、间(d)211-247248-351352-361365-384产气(L/d)2.17­4.30500mg/L时间(d)181-214215-274275-286287-351352-363364-384产气(L/d)0.83­1.95­5.44 巴斯韦尔通式适用于计算不含氮有机物完全降解产生的沼气量，该通式为： CnHaOb( na/4b/2 )H2O = ( n/2 a/8b/4 )CH4 + ( n/2a/8b/4 )CO2 根据巴斯韦尔通式，理论上计算醋酸钠和酚完全厌氧分解产气量的反应式为： CH3COONaH2O = CH4CO2NaOH 2C6H5OH

30、8H2O = 7CH45CO2两种进水浓度分别连续运行到90d和270d时产气量处于稳定状态，利用以上反应式分别计算90d时单纯完全降解醋酸钠和270d时同时完全降解醋酸钠和酚的甲烷气产率，并与当日的实际产气率进行比较，结果实际值与理论值非常接近。表4-11给出两者的对照数据。表4-11 实际与理论甲烷气产率的比较 (L/d)运行时间 (d)进水1000 mg/L进水500 mg/L实际值理论值实际值理论值900.5450.5460.2080.2732702.1722.2140.8291.107 酚是一种对生物有抑制性、比较难以被生物降解的有机物，特别是在高浓度情况下时。从上述实验的运行全过程

31、看，开始阶段由于新鲜活性炭吸附高浓度进水中的大部分酚，使刚接种的生物处于低含酚环境中，再加上流化床中处于完全混合状态的介质对高浓度进水的稀释混合作用，使接种的生物在不太长的时间内较快完成驯化过程，逐渐培养和锻炼对酚的降解能力，最终达到比较稳定彻底地降解酚和醋酸钠的水平，获得较高的厌氧发酵效率和产气率。醋酸钠作为一种容易消化吸收的食料，一开始就较好地被利用，产生甲烷，从而维持和促进接种生物在不利的新环境中的代谢活动，使其顺利完成驯化过程。 运行到中期和后期，经过驯化的生物已经完全成熟，迅速地生长繁殖，即使肉眼观察也可见到活性炭颗粒上附着有灰白色絮状生物体。由于活性炭提供了巨大的附着表面，因而使反

32、应器内的生物量达到相当高的浓度。在流化状态下，颗粒之间的不断碰撞摩擦，致使老化的生物膜及时脱落，新生膜不断生长，结果造成活性炭表面始终附着有薄但活性极强的生物膜。这些生物对负荷变化有较强的承受能力，当进水有机负荷加大时，由于流化床的完全混合特性及活性炭的吸附性能两者对负荷冲击所起到的缓冲作用，再加上大量成熟生物对负荷变化的抗击，因此可维持反应器的稳定运行，使其始终保持高水平的发酵效能，产气量随着负荷的增加而迅速上升，并且在较短的时间内达到新的平衡。在运行过程中，活性炭不断从液相吸附酚供生物降解利用，同时生物对炭也起到再生作用。实验表明，连续运行一年后，活性炭仍然保持着较强的活性而可以继续使用。

33、 把有机基质厌氧发酵所产生的甲烷折算成COD，再加上出水中的COD作为反应器流出的总COD量。整个运行期间流入反应器的累积COD量与流出反应器的累积COD量随运行时间的变化情况见图4-9。A B 图4-9 累积COD量随时间的变化 两种进水浓度下，其累积COD量随时间的变化情况类似，流入的累积COD量都随时间呈直线平稳上升。运行初期，流出曲线与流入直线之间存在较大差值，原因是在该阶段大量酚被活性炭吸附而滞留在反应器内，没有被降解为甲烷，使流出的COD总量很少。当生物逐渐被驯化，开始降解酚以后，产气量逐渐增加，90d以后，流出的COD总量逐渐上升，流出曲线慢慢靠近流入直线。分别在250d和200

34、d以后，当活性炭上所吸附的酚基本上被降解而生成甲烷时，流入与流出的COD物料基本上达到平衡，这种平衡状态在正常运行条件下一直保持。 总之，进入反应器的COD物质经过厌氧发酵作用后，绝大部分转化成新的细胞物质，而留在反应器内的COD量很少，出水COD基本小于100 mg/L，COD去除率达到95%，说明进水COD总量中绝大部分是以甲烷气的形式放出。这一点与上述甲烷实际产率和理论产率非常接近的结果相一致，都预示出该工艺对有机质降解的彻底性和厌氧发酵的高效率。4.3.3 应用实例 厌氧发酵工艺是目前处理高浓度有机废水最行之有效的方法之一，因此在处理农药、食品、制药、皮革、造纸等工业废水方面得到应用。

35、日本某啤酒酵母加工厂所产生的废水水质见表4-12，其工艺流程见图4-10。其中酵母洗涤水的COD值高达42600 mg/L。采用厌氧膨胀床反应器大幅度降低有机负荷后，再进入常规曝气池做进一步处理，酵母洗涤废水和冲洗水经蒸汽加热后进入储存-预酸化池，然后由泵打入两个并联的厌氧膨胀床反应器，在一定的回流比下做厌氧发酵处理，所产甲烷气作为锅炉燃料而被利用，其出水进入常规活性污泥法装置。厌氧反应器中填充直径为75100mm的微小颗粒物质，作为生成颗粒污泥的载体。酵母洗涤水 蒸汽 除H2S 至锅炉 活性炭除臭 缓冲池稀释水 贮存/预酸化池500m3 厌氧膨胀床 488m3´2 回流泵 出水 曝

36、气池 污泥 带式压滤机 图4 -10 啤酒酵母加工废水的处理流程 该设施运行三个月后，对其性能进行测试，结果厌氧反应器的实际有机负荷为9.8kgCOD / m3×d ，COD的平均去除率为93.5%，产气量达到3.82 Nm3/ m3×d ，运行效果良好，其详细数据见表4-13。 该废水处理设施是根据试验结果而设计，即在负荷为13-24kgCOD/m3×d时，COD去除率达97%99%的基础上，建造的厌氧膨胀床反应器的总容积为976m3，表4-14为其设计标准。设计流量为酵母洗涤废水150m3/d，设备和地面冲洗水600m3/d，合计750m3/d。表4-12 啤

37、酒酵母加工废水水质项 目酵母洗涤水冲洗设备和地面水总量溶解性总量溶解性pH7.47.8SS (mg/L)400576COD (mg/L)42600289001140BOD (mg/L)3300023300715糖 (mg/L)6520蛋白质 (mg/L)2380乙醇 (mg/L)12900克耶达氮 (mg/L)285总氮 (mg/L)150硫酸盐 (mg/L)38.6表4-13 厌氧反应器性能测试结果 产气量3.82 Nm3/ m3×dCH4含量78.6%COD负荷9.8 kgCOD/ m3×d项 目进 水出 水去除率 (%)COD (mg/L)5611(2400-7400

38、)449(215-948)93.5BOD (mg/L)5175(4730-6370)99.6(94-110)98.1SS (mg/L)238(132-442)111(53-116)53.4 与原有的常规曝气装置比较，加入厌氧膨胀床反应器后，出水水质显著提高。同样在两个月内，COD的去除总量由207.8 t增加到341.8 t，而且动力消耗和产泥量都减少为原来的约1/4。以上结果充分显示出厌氧工艺在处理高浓度有机废水方面的优越性。表4-14 厌氧反应器的设计参数项 目数 值反应器容积2 ´ 488 m3反应器高度6.5 m设计流量：酵母洗涤水设备和地面冲洗水150 m3600 m3进水

39、COD：酵母洗涤水设备和地面冲洗水回流/进水57200 mg/L1300 mg/L6温度30-40 oC有机负荷9.5 kgCOD/m3×dCOD去除率90%产气量5 m3/ m3×d表4-15 好氧与厌氧工艺的比较项 目1988年7-8月好氧1989年7-8月好氧+厌氧去除的COD总量 (t)207.8341.8污泥总量 (干固体, t)55.828.1总动力消耗 (´ES kwh)3.821.61产泥量 (kgDS/kgCOD)0.27(100)0.08(29.6)动力消耗 (kwh/kgCOD)1.84(100)0.47(25.3)4.4 上流式厌氧污泥床（

40、UASB）4.4.1 工艺流程 上流式厌氧污泥床（UASB）是现代高效厌氧处理工艺中应用最广泛的反应器型式之一，由Lettinga等人在1980年提出。它具有结构简单、负荷率高、水力停留时间短、能耗低和无需另设污泥回流装置等特点，因此一出现就引起人们的很大兴趣。目前，该工艺在欧洲已达到生产性规模。据不完全统计，截止到1990年9月，仅用于处理啤酒废水的装置就有30座，反应器总容积达到60600 m3。国内近几年在这方面的研究和应用开发也比较活跃，例如在1991年10月，将UASB反应器用于处理啤酒废水的生产性装置启动运行。UASB反应器的结构如图4-11所示，主要由反应区和沉淀区两部分组成。

41、沼气 沉淀区 出水 d 反应区 c 取样口 b a 进水图4 -11 UASB反应器的结构 废水由反应器底部进入，靠水力推动，污泥在反应器内呈膨胀状态，混合液充分反应后进入截面积扩展的沉淀区，经常使用的为三角形三相分离器。所产生的沼气从上部进入集气系统，污泥靠重力返回反应区。为增加生物量，有时需往反应器中投加软性填料，从而为生物提供附着生长表面。 UASB反应器既可为钢制筒体型又可为钢筋混凝土圆型或方型结构，当处理水量过大时，为操作运行灵活，常分隔成若干个单元反应器，每个反应器容积以不超过250 m3为宜。一般底部设布水系统，上部设三相分离器，沿高度设有取样口。另外，整个处理系统还应包括温度调

42、节装置、沼气收集装置、污泥处理设施等。4.4.2 运行机理 UASB反应器顺利启动的关键是接种污泥的性质和数量、污泥流失、营养物质等。一般来说，用处理同样性质废水的厌氧反应器中的污泥进行接种最为有利，在没有同类型污泥时，接种和驯化期所需时间增加，达到正常运转往往需要34个月。研究表明，选取接种污泥时，厌氧消化污泥应作为优先考虑的对象。当厌氧消化污泥来源困难时，选用好氧污泥进行接种也是可行的，只是污泥负荷提高到正常水平所需时间较长。接种污泥量对启动时间有很大影响，如图4-12所示，随着启动时间的增加，拥有不同接种量的反应器中的污泥量逐步地趋向相同。过低的接种污泥量，会造成运行初期的污泥负荷过高，

43、污泥量增长过快，使反应器内各种菌群数量不平衡，降低运行的稳定性，一旦控制失当便会造成反应器的酸化。而过多的接种污泥量也是无益的，因为负荷提高后产气量增加，会冲出很多污泥，使污泥的生长量和流失量基本持平，对出水水质十分不利。合适的接种污泥量一般在5.08.0 kg VSS/m3范围。 图4 -12 不同接种量反应器中污泥浓度的变化 反应器的接种污泥量过大或启动后由于水力冲刷和沼气搅拌等原因，使污泥床很快膨胀到沉淀区，造成污泥流失，这种流失形式称为“膨胀流失”。虽然接种量适中，启动后有时也会出现污泥流失，但这是由于接种污泥中那些沉降性能较差的絮状污泥被冲出反应器，而污泥层还在反应区内，这种流失形式

44、称为“冲刷流失”。膨胀流失对污泥的沉降性能并没有选择性，流失持续时间较短，流失污泥量大，流失的污泥与反应器内的污泥在理化性能、微生物组成等方面没有明显差异。冲刷流失的污泥结构松散，有机成分高，产甲烷活性差，与反应器内的污泥明显差异，因此没有必要截流在反应器内。冲刷流失是一种有选择性的污泥流失，将可以承受高负荷冲击的沉淀性能好的污泥保留下来，是反应器的一个选优汰劣的主动过程，这种污泥流失通常持续较长时间。膨胀流失和冲刷流失在提高负荷时表现尤为突出，所以在启动初期提高负荷应慎重，以免造成过多厌氧菌的流失。在启动中后期，则应有意采用高水力负荷与产气负荷运转，以便除去絮状污泥和保证颗粒污泥营养供给，从

45、而有利于颗粒污泥的生长。 保持良好的COD : N的比率（4070 : 1）对启动是很重要的，磷的重要性也不容忽视。磷是产甲烷合成细胞膜的重要成份，C : P = 100150 : 1才能保证正常生长和繁殖。在启动期投加尿素和磷酸二铵，使废水中COD : N : P = 200 : 5 : 1以促进甲烷菌的生长。而在正常运行期，为减少剩余污泥量，故而可以少投或不投磷。 在正常运行期，COD去除率沿反应器高度的变化关系见图4-13。对于反应区高度为110 cm的小型试验装置，距反应器底部40 cm的污泥层内，COD去除率变化较大，而在其上的污泥层内变化甚微。这一点与其它流化床反应器一样，由它的完

46、全混合式流态类型所决定。 图4 -13 COD去除率沿反应器高度的变化 研究表明，在污泥驯化阶段，良好的颗粒状成熟污泥尚未形成，适应能力差，因此一旦微生物受到pH值下降的冲击，出现严重的污泥流失现象，处理性能变坏，而恢复正常的过程也较长。但在正常运行期，pH值较大下降时，反应器仍能保持稳定运行，污泥性能良好。因此，在污泥驯化阶段应对进水pH值特别注意，防止反应器运行发生不正常现象。 用UASB法处理造纸厂麦草浆黑液的试验研究表明，水力停留时间和容积负荷对装置运行的各种参数都存在着显著影响。图4-14和4-15分别为HRT及容积负荷对COD去除效率的影响关系。在三种进水浓度下，COD去除率随HR

47、T的变化规律相同。随着HRT的增加，去除率上升并逐渐趋于平缓。另外，在相同HRT下，进水浓度越高则去除率越低。随着负荷的提高，COD去除率呈下降趋势，但高进水浓度的去除率下降幅度比低浓度缓慢。当负荷较大时，高进水浓度所对应的COD去除率较高，而低浓度时的去除率较小。一般情况下，当负荷偏小时，HRT可以不作为主要影响因素存在，因为此时HRT足够大，进水浓度成为起显著影响的因子，所以浓度低的相对来讲去除率较高。 图4-16和4-17分别表示出水力停留时间HRT及容积负荷对产气量的影响。从图中看出，随着HRT增加，处理每立方米污水的产气量则增大，但直线斜率较小。同样，随着容积负荷提高，产气率逐渐增大，在相同负荷下，产气率随进水浓度提高而增大。总之，由于造纸草浆废水中所含难降解COD物质较多，因此每克COD所能转化的气体量偏小。图4 -14 HRT与COD去除率的关系 图4 -15 容积负荷与COD去除率的关系 图4 -16 HRT与产气量的关