（模式识别与智能系统专业论文）串联厌氧生物滤池处理生活污水的试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着我国工农业的迅速发展和城市入口的逐年增加，水资源的严重不足和水体污染 已经引起了人们的高度关注。随着对出水水质和处理效率要求的提高以及处理费用和能 耗的限制，根据传统经验和规范来设计和管理污水处理厂豹l 曩模式已经无法适应我国快 速发展的污水处理事业。采用厌氧生物滤池处理生活污水，具有流程简单，污泥产量少， 能耗低且在较低温度下仍能维持较高的有机物去除率，翁且没有噪音等特点。因此，近 年来受到了各国水处理专家的重视。 本论文以分散式夺型生活污水处理装置为研究对象，采用三级串联厌氧生物滤池工 艺，整套装置采用无动力运行方式，降低了运行成本，出水可以用于农业灌溉和生活杂 用，出水的主要指标满足城镶污水处理厂污染物摊敖标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) - - 级标准。 实验分三部分进行。在第一部分试验中，采用两级内设弹性立体填料的厌氧生物滤 池处理城市污水处理厂钟式沉砂池出承。对第三级厌氧生物滤混用污水厂剩余污泥进行 接种培养，经过一段时间，前两级厌氧生物滤池进入稳定运行阶段。当水力停留时间为 2 0 h 左右时，c o d c r 、b o d s 、s s 的平均去除率分别为钧、3 5 、6 5 。 在第二部分试验中，在原有两级厌氧生物滤池的基础上，增加第三级厌氧生物滤池。 第三级厌氧生物滤池内设砾石填料，并在砾石层内填加活性炭，以增强对有机物和悬浮 物的去除。并在砾石填料上层覆盖细砂，种植芦苇。实验结果说明，当总水力停留时间 h r t 为2 0 h 时，c o d c f 、b o d 5 、s s 的平均去除率分别力5 0 、4 3 、8 8 。芦苇也可以 成活并生长。 在第三部分试验中，提高系统进水量，减少水力薄留时闻。巍总水力停餐时闻( h r t ) 为l o b 时，c o d o 、b o d 5 和s s 的平均去除率分别为6 0 、5 0 、9 0 ，没有明显的波 动。芦苇的生长状况也比较好。 通过一系列实验表明，用剩余污泥对厌氧生物滤池进行接种，厌氧生物滤池可以在 低温下启动。稳定运行后，对c o d o 、b o d 5 、s s 和色度有较高的去除率，当增加系统 的有机负荷后，出水水质没有明显的变化。此外，由于厌氧过程有机氮的转化和磷的释 放，出水豹氨氮、磷酸盐都较进水有一定程度的升高，整个系统对氮和磷的去除作用不 明显。 关键词：串联厌氧生物滤池，生活污水，弹性立体填料，砾石填料 山东建筑大学硕士学位论文 a n a e r o b i c b i o l o g i c a lf i l t e ri ns e r i e sd e a l i n gw i t hu r b a ns e w a g e e x p e r i m e n t a ls t u d y l iy u h a i ( m u n i c i p a l & e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h a n gk e f e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea n dt h ei n c r e a s i n go fp o p u l a t i o ni n e t i e s ，t h e s e r i o u ss c a r c i t yo fw a t e ra n dw a t e rp o l l u t i o nw e r en o t i c e d 。w i t ht h eg r o w i n g r e q u i r e m e n t so ne f f l u e n c eq u a l i t ya n dt r e a t m e n te f f i c i e n c y , a n dt h el i m i t a t i o no nt r e a t m e n tc o s t a n dc o n s u m e de n e r g y , t h et r a d i t i o n a lw a yt od e s i g na n dm a n a g et h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t b ye x p e r i e n c e sa n ds t a n d a r d sc a r ln o tm e e tt h ed e m a n do fr a p i d l yd e v e l o p i n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n tc a u s e t h em a i na d v a n t a g e so fu s i n ga n a e r o b i cb i o f i l t e ra r e 畦l e i fc o m p a c t n e s s ，l o w s l u d g ep r o d u c t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n s oi tw o nm o r ea n dm o r et h ee x p e r t sa t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , d i s t r i b u t e di ns m a l l s c a l es e w a g et r e a t m e n tp i a n tw a ss t u d i e du s i n gt h r e e s e r i e so fa n a e r o b i cb i o l o g i c a lf i l t e rt e c h n o l o g y , t h ee n t i r ed e v i c eu s i n gn o n - p o w e ro p e r a t i n g m o d e , r e d u c i n go p e r a t i n gc o s t s ，t h ee f f l u e n t c a l lb eu s e df o ra g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n d m i s c e l l a n e o u sl i v i n g , t h em a i ni n d i c a t o r so fw a t e rt om e e tu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t p o l l u t a n te m i s s i o n ss t a n d a r d s ( g b 18 918 2 0 0 2 ) s e c o n d a r ys t a n d a r d s e x p e r i m e n ti nt h r e ep a r t s a tt h ef i r s tp a r to ft h ee x p e r i m e n t ，u s i n gt w of l e x i b l e t h r e e - d i m e n s i o n a lp a c k i n gi n s i d e t h ea n a e r o b i cb i o f i l t e rt r e a t m e n tb e l l - t y p eg r i tc h a m b e r e f f l u e n t o nt h es e c o n dl e v e lb i o f i l t e rw i t ha n a e r o b i cs e w a g es l u d g ei n o c u l a t i o nl o n gt r a i n i n g , a f t e rap e r i o do ft i m e ，t h ef o r m e rt w o s t a g ea n a e r o b i cb i o l o g i c a lf i l t e ri n t ot h es t a b l eo p e r a t i o n p h a s e 。w h e nt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo f2 0 ha r o u n d , c o d c r , b o d 5 ，s s ，r e s p e c t i v e l y , t h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo f 4 0 ，3 5 ，6 5 a tt h es e c o n dp a r to ft h ee x p e r i m e n t , a tt h eo r i g i n a ll e v e l so fa n a e r o b i cb i o f i l t e ro nt h e b a s i so ft h ei n c r e a s ei nt h i r d - c l a s sa n a e r o b i cb i o f i l t e r i i ia n a e r o b i cb i o f i l t e rs e tu pg r a v e lf i l l ， a n df i l li nt h eg r a v e ll a y e ro fa c t i v a t e dc a r b o na d d e dt oi n c r e a s et h eo r g a n i cm a t t e ra n d h i 山东建筑大学硕士学位论文 s u s p e n d e ds o l i d sr e m o v a l a n da t t h eu p p e rg r a v e lp a c k i n gs a n dc o v e r , r e e dp l a n t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h et o t a lh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eh r tf o r2 0 hh o u r s ， c o d c r , b o d s ，s s ，r e s p e c t i v e l y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f5 0 ，4 3 ，8 8 r e e dc a l la l s o s u r v i v ea n dg r o w i nt h et h i r dp a r to ft h ee x p e r i m e n t , i m p r o v ei n t ot h ew a t e rt or e d u c et h eh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e w h e nt h et o t a lh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eh r tf o rlo hh o u r s ，c o d c r , b o d sa n d s s ，r e s p e c t i v e l y , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f6 0 ，5 0 ，9 0 ，n oo b v i o u sf l u c t u a t i o n s r e e d g r o w t hc o n d i t i o n sa r ea l s ob e t t e r t h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h er e s i d u a ls l u d g eo ft h ea n a e r o b i cb i o f i l t e r i n o c u l a t i o n , a n a e r o b i cb i o l o g i c a lf i l t e rc a nb ea c t i v a t e da tl o wt e m p e r a t u r e s s t a b l eo p e r a t i o n a f t e rc o d c r , b o d s ，s sa n dc h r o m ah a v eah i g h e rr e m o v a lr a t e , w h e nt h ei n c r e a s ei no r g a n i c l o a d i n gs y s t e m ，t h ee f f l u e n tq u a l i t yd i dn o ts i g n i f i c a n t l yc h a n g e i na d d i t i o n , b e c a m et h e p r o c e s so fa n a e r o b i cc o n v e r s i o no fo r g a n i cn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e l e a s e ，t h ee f f l u e n to ft h e a m m o n i an i t r o g e n , p h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o n st h a nt h ei n f l u e n th a sac e r t a i nd e g r e eo fr i s e , s o t h ew h o l es y s t e mo f n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sd i dn o tr e m o v et h er o l eo f n o n g r e a t k e yw o r d s ：a n a e r o b i cb i o l o g i c a lf i l t e r ；s e w a g e ；f l e x i b l et h r e e d i m e n s i o n a lp a c k i n g ； g r a v e lp a c k i n g i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除史中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：蕉盛 霹期垫辱：，釜p 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据霹进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 耋邀 毽期 日期：逊呈= 堡y 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题是2 0 0 7 年度由东省省级环保专项，项目名称为：农村生活污水分散处理技术 与评估方法研究。 1 2 研究背景 1 2 1 农村污水现状 我国是个人口众多的农业大国，水资源严重短缺，人均水资源占有量仅2 4 0 0 m 3 ， 约为世界人均占有量的四分之一，我囡总计有乡镇4 5 4 1 2 个，乡村户数2 3 6 9 2 7 万户， 乡村入口达9 1 9 6 0 万入。 近年来我国水环境防治工作取得长足进步，水污染大户己由正业废水让位于生活污 水，城市污水处理系统工程正方兴未艾，在全霞遍地开花。在有效控制点源污染的同时， 还应采取适宜措施防治量大面广的面源污染，主要是农村的生活污水( 简称农村污水) 【1 1 。 由于我国的城市化、工业化和农业产业化的快速发展，再加上农村生活、生产方式 的转变，农村的排放总量己大大超过了环境承载能力，造成“有水皆黑，有水皆臭 的 现象普遍存在【2 】。不仅如此，由于目前农村大多仍然比较落后，农村基础设施建设远远 落后于城镇建设，缺乏必要的污水收集系统和污水处理设施，污水绝大多数是不经过任 何处理，直接排入水体中去，生活污永的无序排放对农村的地下水及饮用水源都造成了 不同程度的污染，造成大部分农村的水源中重金属、氨氮、总磷、化学耗氧量、大肠杆 菌、阳离予表面活性剂等指标均存在不同程度的超标，农村饮用水安全得不到保障，严 重影响了农民群众的身体健康，造成水生动植物萎缩甚至消失，使农村的生态平衡遭到 破坏。实际上，农村河流已经普遍遭到污染，农村污水已成为区域性水环境的重要污染 源。为此，对农村生活污水进行有效地综合治理，改善农村生活环境，已经成为生态建 设、新农村建设及水环境工作当务之急和重中之重的任务。 1 2 。2 农村污水排放水质水量特点 ( 1 ) 农树村镇入1 ：3 较少，分布广泛且分教。农树生活污水一般璺粗放型摊放。很多农 山东建筑大学硕士学位论文 村尚无完善的污水排放系统。厕所排放的污水水质较差，污水沿道路边沟或路面排放至 就近的水体，只有少部分地区具有完善的污水排放系统。 ( 2 ) 不同时段的水质不同，农村生活污水浓度低，变化大。从污水水质上看，旧居住 区c o d 浓度较高，约是新居住区1 7 倍，而t n 、t p 浓度却低于新居住区1 4 和1 7 倍， 与新居住区相比，1 日居住区具有污水排放量小、有机物浓度高、t n 、t p 浓度低的特点，两 者差距较大。产生这类差异的主要原因在于旧居住区居民经济条件相对较差，用水时反复 使用后排放，造成有机物浓度较高，同时由于旧居住区农户基本没有使用卫生洁具，造 成生活污水中粪便成分较少，t n 、t p 浓度偏低。 ( 3 ) 大部分农村生活污水的性质相差不大，水中基本上不含有重金属和有毒有害物质 ( 但随着人们生活水平的提高，部分生活污水中可能含有重金属和有毒有害物质) ，含一 定量的氮、磷，水质波动大，可生化性强。 ( 4 ) 一般农村的生活污水量都比较小，除小城镇外，农村人口居住分散，水量相对较 少，相应地产生的生活污水量也较小；农户污水排放现状，新、旧两类居住区存在较大 的差异，新居住区人均排水量为7 8 0 l ( c a p d ) ，约是旧居住区的2 6 1 倍。 ( 5 ) 变化系数大，居民生活规律相近，导致农村生活污水排放量早晚比白天大，夜间 排水量小，甚至可能断流，水量变化明显，即无水排放呈不连续状态，具有变化幅度大 的特剧3 1 。 1 2 3 农村污水处理出路 污水处理方式可以分为集中式污水处理和分散式污水处理。集中式污水处理系统一 直是市政工程中的标准处理系统，也是绝大多数城市污水处理的选择方式，用于收集和 处理大流量污废水，而“分散 的概念在上个世纪末才开始受到人们的注意和研究。集 中式的城市污水处理系统是通过庞大的排水管网系统，将污水输送到城市污水处理厂进 行处理，t 这在农村是难以实施的。分散的农村村落，不可能把污水收集后输往污水厂去 处理。一些乡村别墅，公共市政工程设施也不可能专为此铺设排水管网来收集他们的污 水。因此我国农村村落的污水处理，只能走小型化、就地化、分散式处理的道路。 在农村大部分集镇均可见到周边河流被污染的现象，这不仅对粮食造成减产，而且 使我国广大农村地区的3 亿多农村人口的基本饮用水安全得不到保障。农村水环境的恶 化，不但直接影响到工农业生产的经济效益，同时也不利于社会的经济发展和稳定。因 2 山东建筑大学硕士学位论文 此，如何对农村污水实施低成本有效处理，是十分必要和重要的一步两。 国志羚污水分教处理研究现状 分散式污水处理技术( d e c e n t r a l i z es a n i t a t i o na n dr e u s e ，d e s a r ) 是一秘新型、经济环 保的污水处理技术。对于居住比较分散的广大农村及偏远地区，由于受到地理条件和经 济因素制约，不宣进行生活污水的集中处理，此时应因地制宣地选择和发展生活污水分 散式和就地处理技术，污水的分散处理技术已经成为国内外生活污水处理的一种新理念。 分散式生活污水污染源由于排水量不大，可生化性好，目前一般采用小型污水处理装置 进行处理，也有采用构筑物式的，其工艺主要为接触氧化法、改进型活性污泥法等，这 类技术和装置豹应用约占市场的9 0 以上，其次为近年发展起来的闻歇式活性污泥法和 膜生物反应器等方法。 在经济上小规模分散系统在投资运行费用上比较灵活，人们根据资金的多少来选择 不同标准的处理设施。有研究者在德图g e i s e l h o r i n g 镇进行实验，该镇在郊区建造的集 中式污永处理厂，戮为长距离连接管道所需费用相当高，故总的运行成本仍然过离，所 以他们实验用后续生物处理的微型处理厂来做替代品。实验结果发现，在投资成本方面， 因为免去下水道系统，且微型污水处理设备的市场竞争增强减少了投资成本，故使用分 散式污水处理系统更为经济。 在我圜，壶于经济发展相对落后，很多村镇的经济水平不可能建设大型的集中式污 水处理厂和相应的下水设施，只能选择逐步建立各种分散处理设施。我国采用分散装置 楚理生活污水始于8 0 年代末，在集成化小型污水处理装置的开发、研制和应用方面也开 始了一些有益的实践，如朱根华等开发的生活污水厌氧处理装置，将厌氧滤池和兼性滤 池相结合用于生活小区混合生活污水的处理，处理出水可数达到一级排放标准。在我国 有大量建设项目上马的一些地区，由于基础设施薄弱和资金缺乏，难以在短期内建设完 整麴城市污水管露及集中污水处理厂，分散型污水处理装置豹使用缓解了由此产生的与 国家环保措施“三同时”要求的矛盾，对促进这些地区的经济发展，水环境污染控制起 到了积极偿雳。我匿许多环保公司开发了许多形式各异的无动力、少动力或低麓耗型集 成化污水处理装置，主要利用水解酸化或厌氧生物膜等技术，并用生物滤池控制出水， 可达标排放焉无畿耗，僵这些装置的实际运行效果齑缺乏系统的信息。 总之，分散型污水处理技术在我国仍处于发展阶段，相关部门还未制定出科学有效 山东建筑大学硕士学位论文 的管理方法，也缺乏权威统一的检测、评价手段，致使分散型污水处理装置的使用缺乏 监督，处理装置制作随意性较大，忽视技术参数的科学性和合理性，导致不少装置出水 不能达到相应标准，影响了分散型污水处理装置的发展。应尽快研制如真正高效、低耗、 造价及运营费用低廉的污水处理设备，才能适应我囡中小城镇和农村建设的需要。 4 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 厌氧生物处理理论 第2 章厌氧生物处理技术概述 厌氧处理是废水生物处理技术的静方法。厌氧生物处理( 厌氧消化) 是在无氧的环 境中，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物转化成甲烷、二氧化碳等的过程。在 厌氧处理过程中，复杂的有机亿合物被降解，转化力简单、稳定的纯合物，同时释放能 量。厌氧生物处理包括多种不同类型的微生物所完成的代谢过程，是一个相互影响、相 互制约、弱时进行的极其复杂的生物化学过程。 有机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。 1 9 3 0 年b u s w e l l 和n e a v e 肯定7t h u m m 和r e i c h i e ( 1 9 1 4 ) 与n r t l a o f f ( 1 9 1 6 ) 的看法，厌氧 消化过程被认为是由不产甲烷的发酵性细菌和产甲烷的细菌共同进行的两阶段过程【5 】， 如图2 1 所示。 内 源 代 谢 产 物 不溶性有机物l 水解i 胞外酶 i 可溶性有机物| 胞内酶l 发酵性细菌( 产酸细荫) 缨菌细胞 il 脂肪酸、醇类ii 其他产物 一| c 0 2 、珏2 | 一 胞内酶l 产甲烷细菌 细麓细胞 c h 4 、c 0 2 毽2 1 厌氧消化叠除段过程 第一阶段由发酵性细菌把复杂有机物进行水解和发酵，形成脂肪酸、醇类、c 0 2 ， 珏2 等；第二阶段是氐产警烷细菌将第一阶段的一些发酵产物转化为c i - h 和c 0 2 的过程。 第阶段常称作酸性发酵阶段，第二阶段则被称作碱性或甲烷发酵阶段。这个两阶段理 论篱要地攒述了厌氧消化过程，在相巍长时闻内指导着生产实践，被用于厌氧生物处理 5 山东建筑大学硕士学位论文 过程的动力学描述。但是，两阶段理论实际上没有全面地反应厌氧消化的本质。研究表 明，产甲烷菌能利用甲烷、乙酸、甲醇、甲基胺类、h 2 c 0 2 。但不能利用两碳以上的脂 肪酸和除甲醇以外的醇类产生甲烷，因此，两阶段理论难以确切的揭示艏肪酸或醇类是 如何转化为c h 4 和c 0 2 的。 1 9 6 7 年m e b r y a n t 等人根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了厌氧消 化的三阶段理论，与此同时j g z e i k u s 提出了厌氧消化过程的四菌群理论，于是便形成 了“三阶段四菌群m 理论翻，见图2 2 。 图2 。2 厌氧消化基除段和撵蓠群理论 三阶段消化的第一阶段是在水解发酵细菌的作用下，把碳水化合物、蛋白质与脂肪 等复杂有机物通过水解与发酵转化成脂肪酸，h 2 ，c 0 2 等产物；第二阶段是在产氢产乙 酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成h 2 ，c 0 2 和乙酸；例如： 丙酸的转化 c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 _ c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 0 2 乙醇的转化 c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 _ c h 3 c o o h + 2 h 2 第三阶段是透过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，把第二阶段的产物转化隽e 戡 和c 0 2 等产物。一组把h 2 和c 0 2 转化成甲烷，即： 镪矿c 0 2 叫i - 1 4 + 2 h 2 0 6 山东建筑大学硕士学位论文 另一组是乙酸脱羧转化为甲烷，即： c h 3 c o o h - - c i - h + c 0 2 厌氧发酵过程中还存在一个横向转化过程，郎在产氢产乙酸荫的作用下把h 2 ，c 0 2 和有机基质转化为乙酸。 在厌氧消化过程中将参与发酵的细菌根据箕代谢的差异划分为4 类菌群，即水解发 酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、同型产乙酸细菌群和产甲烷细菌群。 ( 1 ) 水解发酵细菌群包括细菌、真菌和原生动物，统称水解发酵细菌。在厌氧消化系 统中，水解发酵细菌的功能主要有两个方面：( 1 ) 将大分予不溶性有机物水解成小分子的 水溶性有机物，水解作用是在水解酶的催化作用下完成的。( 2 ) 发酵细菌将水解产物吸收 进细胞内，经细胞内酶系统的催化作用将一部分有机物转化为代谢产物，排入细胞外的 水溶液里，成为参与下一阶段生化反应的细菌群吸收利用的基质。 ( 2 ) 产氢产乙酸菌是能把第一阶段的发酵产物如脂肪酸等转化为乙酸、h 2 、c 0 2 等产 物的一类细菌。产氢产乙酸细菌的代谢产物中有分子态氢，所以体系中氢分压的高低对 代谢反应的进行起着重要的调控作用。一旦甲烷细菌因受环境条件的影响而放慢对分子 态氢的利用速率，其结果必然是降低产氢产乙酸细菌对丙酸、丁酸和乙醇的利用。这也 说骧了厌氧发酵系统一旦产生闻题，经常会出现有机酸积累的原因。 ( 3 ) 在厌氧消化系统中能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利用有 机基质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产乙羧，也能利用 h 2 和c 0 2 产生乙酸。由于同型产乙酸菌能利用氢以降低氢分压，对产氢的发酵细菌有利， 同时对利用乙酸的警烷菌也有利。 ( 4 ) 产甲烷细菌是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于绝对的厌氧菌。甲烷菌的能源和碳 源物质主要有h 2 、c 。2 、甲酸、甲醇和乙酸，主要代谢产物是甲烷。甲烷菌常见的有四 类，分别是甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌和甲烷丝状菌。 在底物相同的条件下，厌氧消化产生的能量为好氧消化的1 3 0 - - 1 2 0 ，而且此能量绝 大部分用于维持细菌生活，只有很少能量用于合成新细菌，因此甲烷菌长很慢。在厌氧 消纯中，熟傻以甲烷的形式储存起来，当甲烷燃烧时再释放出来，l m o l 乙酸所产甲烷燃 烧时约放出8 3 9 u 的能量。 7 2 2 厌氧生物处理技术的发震 厌氧生物处理技术是对普遍存在予自然界的微生物过程的人为按制与强化，是处理 有机污染物和废水的有效手段、在过去，它多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料以 及高浓度有机废水的处理，在构筑物形式上主要采用普通消化池。由于存在水力停留时 间长、有机负荷低等缺点，较长时期内限制了它在废水处理中的应用。到2 0 世纪六七十 年代，随着经济的快速发展以及城市的迅猛增容，环境污染和能源紧张闻题变得越来越 严重时，厌氧处理工艺作为一种低能耗的有机废水生物处理方法，才得到人们越来越广 泛懿重视，研究与实践也由此不断深入，从两促进了厌氧处理技术的快速发展。 厌氧处理技术从1 8 8 1 年法国的莫拉斯( m o u r a s ) 发明“污泥自动净化器 开始，到因 前已经有一百多年的发展历程。在此期闻，这项技术主要经历了三个发展阶段【6 】： 第一阶段( 1 8 6 0 1 8 9 9 年) ：简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段。这个发 展除段具有以下特点： ( 1 ) 把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池( s e p t i c t a n k ，俗称化粪池) 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( 1 8 9 9 1 9 0 6 年) ：污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发震阶段。这个发展阶段 具有以下特点： ( 王) 在处理构筑物中，用横闻隔板把污永沉淀和污泥发酵两种作用分隔在上下两室分别 进行，由此形成了所谓的双层沉淀池( ( t w os t o r y t a n k ) 。 ( 2 ) 当时的污染指标仍以悬浮固体为主，僵生物气的能源功能已为入所认识，并开始开 发利用。 第三阶段( 1 9 0 6 一) ：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。在此阶段中 开发的主要处理设施有普通厌氧消化池和u a s b 、厌氧接触工艺、两相厌氧消化工艺、 a f 、a f b 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。即把环保和能源开发结合 起来。沼渣的综合利用也被当作重要仟务提到了议事日程。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) 处理对象除v s s 外，还着眼于b o d 和c o d 的降低以及某些有机毒物的降解。 相应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。代表反应器有厌氧滤池( a f ) 、升流式厌氧污泥 床( u a s b ) 反应器、厌氧附着膜膨胀床( a f f e b ) 及厌氧流化床( a f b ) 等。 第三代反应器：在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下，使固液两相充 分接触，从而既能保持大量污泥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。代表反应器有厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 、内循环式厌氧反应器( i c ) ， 厌氧复合床反应器a u b f ) 和厌氧序批式间歇反应器( a s b r ) 。 2 3 厌氧处理技术的特点 厌氧生物处理技术在近年来发展如此迅速，是因为它具有好氧生物处理不可比拟的 优点1 7 - 4 ： ( 1 ) 应用范围广。好氧生物处理法因供氧限制一般只用于低浓度有机废水的处理，对 高浓度有机废水需用大量稀释水稀释后才能进行处理，而厌氧生物处理法可直接处理高 浓度有机废水，也可用于低浓度有机废水的处理。 ( 2 ) 厌氧处理设备负荷高、占地少。厌氧反应器容积负荷比好氧法要高的多，特别是 使用新一代的高效厌氧反应器更是如此，因此反应器体积小，占地少。例如，好氧生物 法的有机负荷一般为2 4 k g c o d ( m 3 d ) ，而厌氧生物处理法有机负荷一般为5 - 1 5 k g c o d ( m 3 d ) 高的可达5 0k g c o d ( m 3 d ) 。 ( 3 ) 厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源。好氧法需要大量能量供氧， 曝气费用随着有机物浓度的增加而增加，而厌氧法不需充氧，并能产生沼气可作为能源。 据报道，每处理i tc o d 的废水，厌氧法只需耗电2 7 x 1 0 8j ( 7 5 k w m ，而好氧法需耗电 3 6x 1 0 8j ( 1 0 0 0 k w h ) 。 ( 4 ) 污泥产量低，沉降性能好。由于厌氧微生物增殖缓慢，因此处理同样数量的废水 仅产生相当于好氧法1 6 1 1 0 的剩余污泥。而且所产生污泥脱水性能好，浓缩时可不使 用脱水剂，比好氧剩余污泥容易处理。厌氧法所产污泥高度无机化，可用作农田肥料或 作为新运行的废水处理厂的种泥出售。 9 山东建筑大学硕士学位论文 ( 5 ) 厌氧法对营养物的需求量小。好氧生物处理营养盐需求量一般为b o d 5 ：n ：p 为 10 0 ：5 ：1 。而厌氧生物处理的b o d 5 ：n ：p 为( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：1 。 ( 6 ) 被降解的有机物种类多。有些有机物对好氧微生物是难降解的，但厌氧微生物却 是可降解的。例如着色剂葸醌和某些偶氮燃料不易被好氧微生物分解，但能被厌氧微生 物还原为无色物质。 ( 7 ) 对水温的适宜范围较广。好氧生物处理一般认为水温在2 0 3 0 是效果最好，3 5 以上和l o 。c 以下净化效果降低，因此对高温工业废水需采取降温措施。厌氧生物处理 根据产甲烷菌的最适宜生存条件可分为3 类：低温范围1 0 - 3 0 ，最宜2 0 左右；中温 3 0 - 4 0 ，最宜3 5 - - , 3 8 ；高温5 0 - 4 5 0 ，最宜5 1 5 3 c o ( 8 ) 耐冲击负荷能力强。厌氧生物处理污泥浓度高，能承受较大的负荷变化和水质变 化。 厌氧处理技术虽然有很多的优点，是一种值得推广的技术，但它的发展尚不充分其 经验与知识的积累尚有一定局限性。作为一种新的技术，它还有认多不足之处： ( 1 ) 厌氧处理设备启动时间较长。因为厌氧微生物增殖缓慢，启动时经接种、培养、 驯化达到设计污泥浓度的时间比好氧生物处理长。 ( 2 ) 处理后出水水质差。厌氧方法虽然负荷高、去除有机物的绝对量与进液浓度高， 但其出水往往达不到排放要求，需要进一步处理才能排放，一般在厌氧处理后串联好氧 生物处理。 ( 3 ) 厌氧微生物对有毒物质较为敏感，因此，对于有毒废水性质了解的不足或操作不 当在严重时可能导致反应器运行条件的恶化。 2 4 厌氧滤池( a f ) 反应器 早在1 8 9 1 年s c o t t - m o n c r e f f 在英格兰建成了第一座厌氧滤池，这被认为是使用最早 的污水生物处理构筑物之一。该池下部为一空容积区，上部是滤层，污水自下而上通过 滤层。这座装置实际上可以称作a f 的首次应用实例。其后由于双层沉淀池的开发，a f 在应用上一直没有得到应有的重视。 在6 0 年代未由美国m c c a r t y 等在研究基础上发展并确立它在现代高速厌氧反应器 中的地位。m c c a r r y 发现在保持同样处理效果时，s r t 的提高可以大大缩短废水水力停 留时i f i ( h r t ) ，从而减少反应器容积、或在相同反应器容积时增加处理水量。这种采用 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 生物固定化把s r t 和h r t 分开的思想推动了新一代高速厌氧反应器的发展。 传统的好氧生物系统一般容积负荷率在2 k g c o d ( m 3 - d ) 以下，而在m e - - - c a t t y 研究 发展厌氧滤池之前的厌氧反应器，一般容积负荷率也在4 - 5 k g c o d ( m 3 d ) 以下。但采用 厌氧滤池在处理溶解性废水时进水容积负荷率可高达1 0 1 5 k g c o o ( m 3 d ) 。因此厌氧滤 池的发展大大提高了厌氧反应器的处理速率，使反应器容积大大减少。 2 4 1 厌氧滤池( a f ) 反应器的构造和工作原理 a f 反应器的构造示意图如图2 3 所示。厌氧生物滤池是一种采用填充材料作为微生 物载体的高效厌氧反应器，厌氧菌在填料上附着生长形成生物膜1 9 1 。 图2 3 上流式厌氧生物滤池示意图 生物膜与填充材料一起形成滤床，经过预处理的废水进入反应器内，逐渐被细菌酸 化，最终被产甲烷菌转化为甲烷。厌氧滤池内厌氧污泥保留由两种方式完成：其一是细 菌在厌氧滤池内固定的填料表面( 也包括反应器内壁) 形成生物膜；其二是在填料之间细 菌形成聚集成絮体。 2 4 2 厌氧滤池的特点 ( 1 ) 由于填料是固定的，废水进人厌氧滤池内，逐渐被细菌水解酸化、转化为乙酸和 甲烷，废水组成沿不同反应器高度逐渐变化。因此微生物种群的分布也呈现规律性。在 山东建筑大学硕士学位论文 底部( 进水处) ，发酵菌和产酸菌占有最大比重，隧反应器高度上井，产乙酸菌和产甲烷 菌逐渐增多并占主导地位，细菌的种类与废水成分有关，在已酸化的废水中、发酵与产 酸菌不会有太大的浓度。 ( 2 ) 厌氧污泥在厌氧滤池内有规律分布还使得反应器对有毒物质的适应能力较强，可 以生物降解的毒性物质在反应器内的浓度也呈现出规律性交化，加之厌氧生物膜形成各 种菌群的良好共生体系，在厌氧滤池内易于培养出适应有毒物质的厌氧污泥。厌氧滤池 同时也具有较大的抗冲击负荷能力。一般认为在相同温度条件下，厌氧滤池负荷可高出 厌氧接触工艺2 3 倍，同时会有较高的c o d 去除率。 ( 3 ) 厌氧滤池内形成的厌氧污泥较之厌氧接触工芑的污泥密度大、沉淀性能好，因而 其出水中的剩余污泥不存在分离困难问题。 ( 4 ) 厌氧生物滤池具有生物浓度高，在厌氧滤池内污泥的浓度可以达到1 0 - 2 0 9 v s s l ，e l l 于厌氧滤池内可囱行保留有高浓度的污泥，也不需要污泥的回流。 ( 5 ) 微生物停留时间长、耐冲击负荷强；停止运行后，再启动容易；无需污泥回流， 运行管理简便的特点。 2 4 3 厌氧滤池工艺在国内外研究应用进展 数十年来，经众多研究者努力，厌氧滤池在今天成为厌氧生物处理的一种重要工艺， 并得到了较广泛使用。报道过的厌氧滤池系统可处理食品加王、制药、酿酒、屠宰及溶 剂生产等工业废水，还有处理生活污水的报道。 美匿c e l a n e s e 化学公司的厌氧滤池系统处理浓度为1 6 9 c o d l 的高浓度化王废水， 其反应器容积1 3 0 0 m 3 ，每小时处理含甲醛的化工废水5 4 3 m 3 ，采用完全混合升流式厌氧 滤混工艺。该系统对有毒物有很好适应性，例如对重金属不敏感，对毒性甲醛和酚豹进 液浓度可分别达到5 9 l 和2 9 l ，并使其降解至1 0 m g l 以下。 在美国华盛顿建造的厌氧滤淹反应器处理c o d 浓度5 。9 1 3 。l g l 鲍小麦淀粉疲承。 该系统采用完全混合工艺，其滤池填料部分高6 m ，直径9 m ，填料用石块，上部粒径2 5 5 0 m m ，下部粒径5 0 - - - , 7 5 m m ，孔隙率4 0 。淀粉中悬浮物高达8 3 6 9 l ，僵由予是易生 物降解淀粉，它的高浓度并未引起运行上的问题。在容积负荷率3 8 k g c o o ( m 3 d ) 、水 力停留时闻2 2 h 时，c o d 去除率隽6 5 。 采用下向流式厌氧滤池处理高蛋白含量的鱼类加工废水，c o d 去除可达9 0 ，容积 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 负荷率最高可达1 0 k g c o d ( m 3 d ) 。有人研究了下向流厌氧滤池在中温下处理豆类加工废 水、化工废水及经高温处理的污泥液体时的超负荷运行问题，发现连续2 4 h 的9 4 k g c o d ( m 3 d ) 的超负荷运行后，系统在2 4 _ _ 4 8 h 后可恢复正常运行。在设计时当3 5 c 条件下， 水力停留时间可少于l d ，在l o 时可少于3 d t s l 。 g e n u n g 于1 9 8 1 1 9 8 3 年又在田纳西州k n o x u i l l e 建立了一座1 9 0 m 3 d 的a f 中试试 验装置。两年多的运行结果表明：在有机负荷为o 1 o 4 k gb o d ( m 3 m 或0 3 5 - 1 2k g c o d ( m 3 d ) ，h r t 9 - - 1 0 h ，t s s 、b o d 、c o d 的去除率依次可达8 0 、7 0 、6 0 。 当环境温度降至1 2 时，效果依旧。能耗与活性污泥相比，可节约5 5 ，污泥生成量仅 占活性污泥法的2 0 - 2 5 r i o 。南非、印度、日本等国家也先后进行了利用a f 处理生 活污水的试验，取得了良好的效果。日本j o h k a s o 1 1 】污水净化器中的厌氧