（市政工程专业论文）常温条件下UASB反应器处理淀粉废水运行特性研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 常温条件下u a s b 反应器处理 淀粉废水运行特性研究 专业：市政工程 硕士生：王瑞 指导教师：高湘副教授 摘要 本文全而论述了厌氧生物法的机理，在常温条件下对上流式厌氧污泥床 ( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，简称u a s b ) 反应器处理淀粉废水的运行特 性进行了研究。实验结果表明，常温下利用u a s b 处理淀粉废水，在2 0 以 上反应器的启动和稳定运行都很正常。 本实验采用自培养启动方式，接种污泥是由邓家村污水处理厂污泥消化 池的厌氧污泥与汉斯啤酒厂u a s b 反应器厌氧污泥按照5 ：1 的比例接种。污 泥接种量为l5 k g v s s m 3 。厌氧反应器污泥接种后，开始启动运行，厌氧反应 器内的污泥由最初的松散状态形成絮体，最后完全成为颗粒污泥，共运行了 1 2 8 天。培养的颗粒污泥直径在1 2 5 m m 之间，绝大部分呈球形，其湿密度 为1 0 4 9 c m 3 ，沉降性能良好，v s s s s 大于o 7 ，颗粒污泥最大比产甲烷速率 1 2 8 m l c h j ( gv s s d ) 。 污泥的颗粒化使厌氧反应器运行效能得到改善，反应器稳定运行负荷达 到6 5 k g c o d ( m 3 0 d ) ，c o d 去除率保持在9 0 以上。4 天的冲击负荷试验， 进水负荷由6 5 k g c o d ( m 3 , d ) 提高到11 9 k g c o d ( m 3 , d ) ，c o d 去除率下 降到8 2 3 ，反应器仍能保持正常运行。 关键词：u a s b 反应器：颗粒污泥：厌氧消化 西安建筑科技大学硕士学位论文 o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fu a s b r e a c t o r i nt r e a t i n gs t a r c hw a s t e w a t e r a ta m b i e n tt e m p e r a t u r e s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g n a m e ： w a n gr u i i n s t r u c t o r ：a p r o fg a ox i a n g a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h em e c h a n i s mo fa n a e r o b i cm i c r o b ep u r i f y i n gw a s t e w a t e r , a n da tt h es a m et i m e ，p i l o tp l a n tr e s e a r c hw a sm a d et oi n v e s t i g a t et h eo p e r a t i n g c h a r a c t e r so f u a s b ( u p - f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ) d e a l i n g w i t hs t a r c h w a s t e w a t e ra ta m b i e n tt e m p e r a t u r e r e s u l ts h o w e dt h a tt h eu a s br e a c t o ri si no r d e r w h e nu a s b s t a r t u pa n ds t e a d yr u n n i n gw h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e2 0 * c s e t u pm o d eo fu a s bw a sb r e ds l u d g eb ys e l f t h es e e ds l u d g ew a sm a d eu p o fd i g e s t i o ns l u d g ef r o mam u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta n da n a e r o b i c s l u d g ef r o mt h eu a s br e a c t o ro fb r e w h o u s e ，a n dt h ep r o p o r t i o nw a s5 ：1 t h es e e d s l u d g ec o n c e n t r a - t i o nw a s 15 k g v s s m 。a f t e rs e e d i n g ，t h eu a s br e a c t o rw a s o p e r a t i n g t h es l u d g eh a ds p e n t 12 8d a y sf r o mf o r e m o s tr e l a xf l o c c u l a t et o g r a n u l a rs l u d g e t h ed i a m e t e r so fg r a n u l a rs l u d g eg e n e r a l l yr a n g ef r o m 1t o 2 5 m m m o s to ft h eg r a n u l a rs l u d g ew a ss p h e r i c i t y t h ew e ts p e c i f i cg r a v i t yo ft h e g r a n u l a rs l u d g ew a sf o u n dt o b e1 0 4 9 c m 3 t h ev s s s so fg r a n u l a rs l u d g ew a s a b o v e0 7 t h em a x i m u ms p e c i f i cm e t h a n o g e n i ca c t i v i t yw a s1 2 8m lc h 4 ( g v s s d 、t h eg r a n u l a rs l u d g eh a dh i g hm e t h a n o g e n i ca c t i v i t ya n dg o o ds e t t l e a b i l i t y a f t e rg r a n u l a t i o n ，t h ee f f e c t i v e n e s so fu a s br e a c t o rh a db e e ni m p r o v e m e n t t h ev o l u m e t r i cc o dl o a d i n gr a t er e a c h e dt o6 5 k g c o d m 3 d c o dr e m o v a l e f f i c i e n c yw a sa b o v e9 0 i nf o u rd a y si m p a c tl o a de x p e r i m e n t ，t h ev o l u m e t r i c c o d l o a d i n gr a t eh a db e e ni n c r e a s e df r o m6 5k g c o d ( m 3 d ) t o119k g c o d ( m 3 d ) w i t ha l o w e r i n go fc o dr e m o v a le f f i c i e n c yt o 8 2 3 u n d e rt h i s c o n d i t i o nt h eu a s br e a c t o rc o u l ds i f t 】b en o r m a 】o p e r a t i o n k e yw o r d s ：u a s br e a c t o r ，g r a n u l a rs l u d g e ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n i 】 声明 本人郑童声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进： 亍的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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巢，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切稳关责任。 论文作者签名：王移 关于论文使雳授权瓣说明 固期：砌d 乒向 本人完全了解珏安建筑科技大学有关保留、使用学位沧文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查润和借阚；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采削影印、缩印或者其它复制手段保存沧文。 f 保密的沦文在论文解密后应遵守此援定) 论文作者签名：王绱导薅签名：j b 妇 | l 期：彦一多碰二口 l 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 环境保护是我国的基本国策。世界经济发展的实践证明，为实现经济的 持续稳定发展，必须解决好发展与环境保护的矛盾。事实上，近代工业的飞 速发展所产生的严重环境问题，已经直接或潜在地威胁着人类的生存和发展。 我国废水排放量逐年增加，其中主要是工业废水。废水中的有机物是造 成水污染最重要的污染物，它是水域变质、发黑发臭的罪魁祸首。废水的有 机物中也不乏有毒的化合物。因此在环境保护、控制污染的工作中，废水有 机物的处理是非常重要的。 有机物在废水中可以以悬浮物、胶体物或溶解性有机物的方式存在。一 般来说，生物方法是去除废水中有机物最经济有效的方法，特别是对于b o d 含量高的有机废水更为适宜。利用微生物生命过程中的代谢活动，将有机物 分解为简单的无机物从而去除有机污染物的过程称为废水的生物处理。根据 代谢过程中对氧的需求情况，微生物可以分为好氧微生物、厌氧微生物和介 于两者之问的兼性微生物。因此相应的废水生物处理工艺也可分为三大类。 好氧生物处理利用好氧微生物的代谢活动来处理废水，它需要不断地向废水 中补充空气或氧气，以维持其中好氧微生物所需要的足够的溶解氧浓度。厌 氧生物处理利用厌氧微生物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下把有机物 转化为无机物和少量的细胞物质，这些无机物主要包括大量的生物气( 即沼气) 和水。沼气的主要成分是约2 3 的甲烷和1 3 的二氧化碳，是一种可回收的能源。 以u a s b 反应器为代表的厌氧处理工艺与好氧微生物处理法相比具有独 特的优势，在治理废水的同时可将有机污染物转化为生物能源沼气，不需要 供氧装置和剩余污泥处理设施，适用于处理多种不同浓度和成分的废水，处 理效率较高。该系统基建投资省、操作费用低，是大有前途的产能、节能、 经济实惠的处理方法。 1 1 厌氧生物处理技术概述 1 1 1厌氧生物处理技术的发展概况与进程1 6 1 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 西安建筑科技大学硕士学位论文 化，是处理有机废水的有效手段，但该技术在过去的1 0 0 年里发展缓慢，其 原因主要有：( j ) 厌氧生物处理是一种多菌落、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 的难度大；( 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已被打破，该 技术的优越性更加突现出来，其发展过程大致经历了三个阶段。 第一阶段( 1 8 6 0 18 9 9 年) ：简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展 阶段。这个阶段具有以下特点：( 1 ) 污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池 ( 俗称化粪池) 中进行，亦即以简易的沉淀池为基础，适当扩大其污泥储存 容积，作为挥发性悬浮固体液化的场所：( 2 ) 处理对象为污水、污泥：( 3 ) 精确设计平| 1 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 建筑的排水管网中使用。 第二阶段( 18 9 9 1 9 0 6 年) ：污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。 这个阶段具有以下特点：( 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，由此形成了所谓的双层沉淀池； ( 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已为人所认识， 并开始开发利用。 第三阶段( 1 9 0 6 2 0 0 1 年) ：独立式营建的高级发展阶段。这个阶段具有 以下特点：( 1 ) 把沉淀池中的厌氧发酵室分离出来，建立独立工作的厌氧消 化反应器，在此阶段开发的主要处理设施有普通厌氧消化池和上流式厌氧污 泥床( u a s b ) 、厌氧接触工艺、两相厌氧消化工艺、厌氧滤池( a f ) 、厌氧 流化床( 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，沼渣的综合利用也提到了议事日程；( 3 ) 处理对象除v s s 外，还包括b o d 和c o d 的降低以及某些有机毒物的降解。 1 1 2 污水厌氧处理技术的优缺点 a 厌氧处理的优点 ( 1 ) 能明显地降低有机污染。用厌氧处理高浓度有机废水有较高地去除 率，b o d 去除率可达9 0 以上，c o d 去除率可达7 0 9 0 ，并将大部分有 机物转化为甲烷。 ( 2 ) ：l ：艺稳定。在多种环境条件下有机污染物都可以被有效地去除。 ( 3 ) 剩余污泥量少。好氧生物处理每去除1 k g c o d 可产生o 4 o 6 k g 的 生物量，而厌氧生物处理法每去除i k g c o d 只产生0 1 5 o 2 k g 的生物量，且 西安建筑科技大学硕士学位论文 剩余污泥脱水性能好，浓缩时可不使用脱水剂。 ( 4 ) 对营养物的需求量少。对好氧处理，一般c o d b d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而 厌氧方法为( 3 5 0 5 0 0 ) ：5 ：1 。有机废水一般已含有一定量的氮和磷及多种微量 元素，因此厌氧法可以不添加或少添加营养盐。 ( 5 ) 能耗少，产生的沼气可以利用。与好氧处理相比，厌氧处理过程中 动力消耗一般为好氧法的1 1 0 。对有一定规模的城市污水和高浓度有机工业 废水，可利用产生的大量沼气发电。 ( 6 ) 容积负荷高，占地少。好氧生物处理的有机负荷一般为2 4 k g b o d m 3 d ，而厌氧生物处理法的容积负荷般为5 1 0 k g b o d m 3 d ，高的 可达5 0 k g b o d m j d 。 ( 7 ) 可处理高浓度有机废水。当废水浓度较高时，不需要大量稀释水。 ( 8 ) 厌氧方法的菌种保存时间长。厌氧方法的菌种可以在中止供给废水 和营养的情况下保留其生物活性与良好的沉降性能至少一年以上。 ( 9 ) 厌氧系统规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作，无需昂贵设 备。 b 厌氧处理的不足 厌氧技术的发展尚不充分，其经验与知识的积累尚有一定局限性。作为 一种新的技术，它尚有不足之处： ( 1 ) 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c o d 浓度高于好氧处理，仍需要后续处理才能达到较高的排水标准。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要8 1 2 周时间。这是由于 厌氧细菌增殖较慢所致。 1 2u a s b 反应器在厌氧生物处理中的应用 1 2 1u a s b 反应器简介 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器( 下简称u a s b 反应器) 是荷兰学者 l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初开发的。当时他们在研究用升流式厌氧滤池 处理土豆加工和甲醇废水时注意到大部分的净化作用和积累的大部分厌氧微 生物均在滤池的下部。于是便在滤池底部设置了一个不装填料的空问来积累 两安建筑科技大学硕士学位论文 更多的厌氧微生物量，后来干脆取消了池内的全部填料，并在池子的上部设 置了一个气、液、固三相分离器，一个结构简单，处理效能很高的新型厌氧 反应器就诞生了 2 1 。 图1 1 u a s b 反应器示意图 图1 1 为u a s b 反应器：i ：作原理示意图。 u a s b 反应器主体部分由反应区和气、液、固三相分离区两部分组成。 在反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥( 颗粒污泥或絮状污泥) 形成的厌 氧污泥床。u a s b 在运行过程中，废水从反应器的底部进入反应器后，由于 水的向上流动和产生的大量气体上升形成了良好的自然搅拌作用，并使一部 分污泥在反应区的污泥床上方形成相对稀薄的污泥悬浮层。悬浮液进入分离 区后，气体首先进入积气室被分离，含有悬浮液的废水进入分离区的沉降室， 由于气体已被分离，在沉降室扰动很小，污泥在此沉降，由斜面返回反应区1 3 】。 1 2 2u a s i i 技术在厌氧工艺中的应用1 4 j a 世界范围的应用统计 ( 1 ) u a s b 处理工艺的应用 据不完全统计，到1 9 9 9 年，世界范围( 不含中国) 对厌氧处理： 艺应用 共有13 0 3 个厌氧工艺，见表1 l 。其中有近8 0 0 座采用u a s b 反应器，占全 部项目的5 9 。在各种反应器中u a s b 工艺被最为广泛地应用在生产性装置 西安建筑科技大学硕士学位论文 上，并且一般非常成功。此外，流化床( 包括膨胀床) 和厌氧滤床加起来占 1 0 ，e g s b 目前仅占厌氧：i ：艺应用总数的1 1 左右。 表1 1世界范嗣内采用厌氧工艺统计( 到1 9 9 9 年3 月) 1 4 序号 ： 艺名称 项目数个 比例 1u a s b ( 上流式厌氧污泥床)7 6 95 9 2e g s b ( 颗粒污泥膨胀床)1 4 41 1 3c s t r ( 连续搅拌槽反应器)1 3 0l o 4 a f ( 厌氧滤器) 1 0 48 5 l a g ( 氧化塘) 7 86 6h y b r ( 复合生物反应器) 5 24 7 a f b ( 厌氧流化床) 2 62 合计 1 3 0 3 1 0 0 ( 2 ) u a s b 技术的应用领域 通过对国际市场占有率达6 3 的两大公司p a q u e s ( 荷兰) 和b i o t h a n e ( 美、荷) ，在厌氧技术应用领域的统计数据说明，成功应用厌氧技术的行业， 见表1 2 。特别是u a s b 技术刚开始主要应用于农副产品加工业，如酒精、制 糖、啤酒等行业。在其逐步成熟后刁+ 逐渐扩大到其他的领域，如含有难降解 有机物的化工废水、低浓度的屠宰和城市废水等。 表1 2 p a q u e s 和b i o t h a n e 厌氧装置按废水 类型统计( 共3 7 2 家) 1 4 1 序号行业项目数个比例 1 啤酒业 1 0 02 7 2 酿酒业 6 31 7 3 造纸业 5 6】5 4食t 协加：叫k5 2 1 4 5淀粉) j i j _ q 2 业 4 11 1 6 乳品加：l 业 1 95 7化学：i ：业 72 8 其他行业 3 49 合计3 7 21 0 0 西安建筑科技大学硕二t 学位论文 b 国内的应用统计 ( 1 ) u a s b 处理工艺的应用 据原轻工环保研究所和北京市环科院对国内厌氧处理工艺的应用情况进 行不完全统计，到1 9 9 9 年共有2 19 个项目采用不同类型的厌氧反应器( 不含 畜禽粪便和反应器体积在1 0 0 m 3 以下的项目) 。其中采用u a s b 反应器的有 1 2 0 座以上，占全部项目的5 8 ，说明我国厌氧处理工艺起点较高。具体情况 见表1 3 。 表1 3厌氧处理工艺在国内应用情况 工艺名称比例 u a s b 5 8 0 全混 2 8 8 u b f】4 a f14 a f + u a s bo 9 其他 95 台计l o o ( 2 ) u a s b 技术的应用领域 从国内厌氧技术的应用领域看，酒精、屠宰、啤酒和淀粉废水处理占现 有应用领域的9 0 以上，见表1 4 。我国酒精、啤酒等高浓度废水是应用厌氧 处理技术最为广泛和成功的领域之一。 表1 4 厌氧处理工艺在有关行业应用率 工艺名称应t 【_ j 比n 酒耥 5 3 0 淀粉 1 6 0 啤酒+ 软饮料 1 46 发酵 9 6 屠宰 6 4 其他 o 5 合计 1 0 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 淀粉废水的来源与处理技术综述 1 3 1 概述 淀粉是一种非常重要的_ - e _ , l k 原料，它不仅应用在食品工业领域而且在制 酒、制药、纺织、化工等行业也被广泛的应用【5 _ _ l 。淀粉属多羟基天然高分子 化合物，广泛地存在于植物的根、茎和果实中。淀粉生产的主要原料作物有 甘薯类和玉米。 1 3 2 淀粉生产废水水质特征 a 以甘薯类为原料的淀粉废水的水质特征1 7 i 以甘薯类( 包括马铃薯和其它薯类) 为原料的淀粉废水的水质特征： ( 1 ) 输送和洗净废水( 由输送工段和洗净工段流出的废水，含有砂土、马 铃薯破皮片以及由原料溶出的有机物，这种废水悬浮物含量高，c o d 和b o d 值都不高1 ； ( 2 ) 生产废水( 即分离废水，分离废水中含有大量的水溶性物质，例如：糖、 蛋白质、树脂等，此外还含有少量的微细纤维和淀粉。c o d 、b o d 值很高， 并且水量大，因此，本工段废水是马铃薯原料淀粉厂主要污染的废水) ： ( 3 ) 生产设备洗刷废水； ( 4 ) 淀粉渣贮槽废水( 在淀粉生产过程中，作为副产品产生大量的渣滓，长 期积存在贮槽内，会产生一定量的废水。这种废水虽然不产生恶臭，但酸度 高) 。 甘薯淀粉生产废水的水质特征和主要污染因子见表1 5 。 表1 5 甘薯淀粉生产废水的水质特征和主要污染因子( 单位m g l ) 原料种类指标 输送废水 分离废水淀粉贮槽废水 s s3 9 0 2 0 0 06 0 0 2 5 0 08 0 17 0 马铃薯c o d6 0 2 1 01 5 5 0 4 8 0 07 3 0 2 0 0 0 b o d 5 4 0 1 2 09 0 0 4 1 0 05 5 0 1 0 0 0 s s2 7 3 7 8 02 0 0 0 3 0 0 07 5 甘薯 c o d 8 2 2 8 0 7 4 0 0 9 5 0 04 0 0 0 b o d 。5 05 0 0 0 8 0 0 02 5 0 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 由表1 5 可知，甘薯类淀粉生产废水属高浓度有机废水。 b 以玉米为原料的淀粉废水的水质特征”1 玉米淀粉废水主要来源于浸泡、胚芽分离、纤维洗涤和脱水等工序。玉 米淀粉生产不受季节影响，可全年生产。工艺用水量较大，一般为5 1 3 m 3 吨玉米，玉米淀粉废水中主要成分为淀粉、糖类、蛋白质、纤维素有机物质， c o d 值为8 0 0 0 3 0 0 0 0 m g l ，b o d 值为5 0 0 0 2 0 0 0 0 m g l ，s s 值为3 0 0 0 5 0 0 0 m g l 。 ( 1 ) 用玉米为原料生产淀粉，有6 0 的玉米成为商品淀粉，并有3 0 的玉 米成为副产品。 ( 2 1 淀粉废水中的固形物含量较高，有机物的主要成份是蛋白质、糖( 碳 水组合物) 、脂肪等，另外含有大量含氮、碳的无机化合物。淀粉废水的一般 组成为：总糖0 3 07 ，粗蛋白2 1 ，固形物5 - 1 0 ，粗纤维2 3 ，脂肪 酸0 1 0 3 。 ( 3 ) 淀粉生产废水属可生化性较好的高浓度有机废水。 ( 4 ) 淀粉生产废水显酸性，在处理过程中会使后序厌氧处理过程受到抑制， l f l 烷菌不能承受低p h 值的环境，因此生化处理前需调整p h 在6 8 - 7 2 之间 为宜。 ( 5 1 在玉米浸泡过程c t l ，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，同时为抑制微生物滋生繁衍，在浸泡中加入一 定量的亚硫酸溶液，经工程实践说明，当s 0 3 2 一和s 0 4 2 的浓度分别超过3 0 0 m g l 时就会对产甲烷菌有抑制作用。 1 3 3 淀粉废水处理技术综述 关于淀粉废水的处理已有 ：多人进行了研究并获得了成功，应用的方法 也各自不同。 a 絮凝沉淀处理o ”1 絮凝沉淀法( 使用沉淀池或沉淀塘) 是一种物理化学处理法，是通过加 入絮凝剂( 有时还需要加入助凝剂) ，降低胶体溶液的稳定性，使之凝聚沉 淀，然后分离净化的方法。当池中产生厌氧反应时，生成的有机酸废水的p h 值下降，处于胶体状态的蛋白质，将形成絮凝体而沉淀，能够提高分离效果。 沉淀池f 塘1 的净化效果，s s 去除率一般在7 0 左右，效果好的可达9 0 ；b o d 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 去除率可达2 0 3 0 。 b 单纯曝气法”3 1 用空气或含臭氧的空气对废水进行短时问的曝气，通过空气氧化、臭氧 氧化以及对挥发物质的吹脱以取得净化效果。 c 好氧生物法 活性污泥法是常用的一种好氧生物法。c t l i ( 1 9 8 6 ) ，p rb r o w n ( 1 9 7 9 ) ， p f a t i n s ( 1 9 6 4 ) ，k l s i m i n e ( 1 9 7 8 ) 等都曾用活性污泥法处理淀粉废水 1 4 1 。l i c t 将玉米淀粉废水稀释后用完全混合活性污泥法进行降解处理，在水力停留 时问h r t = i o h 和固体停留时间s r t = 4 1 5 d 的情况下，c o d 、b o d 的去除率均 大于9 0 。 活性污泥法虽然具有投资省、见效快的优点，但此法存在着明显的不足， 表现在易产生大量泡沫和污泥膨胀；曝气池中生物浓度低；抗冲击负荷能力 差等。l 基l 此应对活性污泥法进行改造，开发新的工艺流程，这样才能满足高 浓度淀粉废水处理的要求。近年来，也有人研制出了高效的好氧生物处理工 艺，如：深井曝气法、氧化沟等。邓汉均等用深井曝气法( 1 9 9 2 ) 处理淀粉废 水1 15 1 。 生物膜法就是将微生物固定于支撑物上来处理废水的方法。与活性污泥 法相比，生物膜法具有了如下三个明显的特点： f 1 ) s r t h r t ，因此产生的污泥量少； ( 2 ) 吐】于膜在固着物上，其厚度和代谢受到控制，所以污泥膨胀受到控制； ( 3 ) 具有强的抗负荷冲击的能力。 目前处理淀粉废水的好氧生物膜法有：纯氧生物转盘法，复合生物流化床 1 6 l ，接触氧化法”】等。这些方法中，接触氧化法由于构造简单，控制方便， 产生污泥量少，出水浓度低，所以多用于中中低浓度有机废水的处理。但对 于高浓度的淀粉废水的处理，仍需进行稀释处理后再进人接触氧化处理系 统。 d 氧化塘法 氧化塘法处理废水主要是藻菌共生的作用来去除废水中的有机污染物。 陈勇等用接触氧化一氧化塘法处理淀粉废水f 】，c o d 、b o d e 除率分别达到 9 1 8 和9 4 9 以上。杨凤江【1 8 1 等用氧化塘水葫芦池一细绿萍池处理淀粉废水， 当废水c o d 为3 6 8 9 m g l ，n h 4 + - n 为5 7 m g l 时，出水c o d 、n h 4 + - n 分别为4 2 m g l 和04 9 m g l 。氧化塘法具有运行费用低、投资少和可综合利用等特点，但氧 化塘法占地面积大、处理效果受气候的影响大，并且此法不能用于高浓度淀 粉废水的处理。 西安建筑科技大学硕士学位论文 e 光合细菌降解有机物 淀粉废水的处理方法中另类运用较多的方法就是应用光合细菌，光合细 菌简称p s b 是能在厌氧条件下进行不放氧光合作用的细菌总称，用于净化有机 废水的光合细菌主要是红假单胞菌属，它能利用有机物作为光合作用的碳源 和供氢体，并能耐受高浓度的有机物，分解并将它们除去。本世纪七十年代， 日本的小林正泰等经实验研究揭示了光合细菌的重要作用，以后人们开始大 量运用光合细菌处理高浓度有机废水。利用p s b 处理有机废水，不仅去除率高 而且节省能耗、投资省、占地少、菌体污泥还对人畜无害，是富含营养的蛋 白饲料。 西安市环境保护研究所的王虹等 19 1 ，采用光合细菌处理西安淀粉厂排出 的玉米浆废水，在实验条件下处理7 2 h ，去除率达9 9 5 。王宇新等【2o j 利用光 合细菌处理淀粉废水，c o d c ，的去除率达9 5 7 ，废水达标排放。另外，他们 利用柱式生物膜法处理济南淀粉厂废水，结果满意【2 ”。 f 厌氧处理方法 厌氧法对比好氧法的主要优点是：不需要充氧，能耗低，微生物所需n 、 p 等营养元素少，污泥量少，由于产生甲烷气体，所以可回收能量，运行费 用低，而且容积负荷高，水力停留时间( h r t ) 短，污泥停留时间( s r t ) 长。 目前用于淀粉废水处理所用的厌氧发酵法主要有厌氧滤池( a f ) 2 2 , 2 3 1 、 升流式厌氧污泥床( u a s b ) 1 2 4 - 2 9 1 、厌氧流化床( a f b ) 3 0 - 3 3 1 、厌氧折流板 反应器( a b r ) 1 3 4 , 3 5 1 、厌氧接触( a c p ) 3 6 1 、两相厌氧消化法( t p a d ) 3 7 1 和其它方法【排40 1 。其中u a s b 技术应用最多。 淀粉废水的厌氧处理并不只局限于上述几种方法，例如，m o n a d j e m i 等” 对厌氧塘处理小麦淀粉废水的工艺流程进行了研究，发现此方法不仅大大降 低了废水的c o d ，使废水达标排放，而且处理过程中产生的不良气味可以通 过加入石灰而消除。 从以上所列举的淀粉废水的处理方法中可以看到，厌氧方法占多数，其 原因除了厌氧方法较好氧方法有许多优点外，还因为淀粉废水的c o d 、b o d 等均较大，且温度也较高，适宜厌氧处理。如果待处理的c o d 、b o d 或s s 等 的浓度较小，可以考虑应用好氧处理法，因为好氧方法设备简单，处理时间 较厌氧法短，而且无不良气味的气体产生。 此外，国内外应用超滤技术去除马铃薯淀粉废水中的c o d ，并浓缩回收 可溶性蛋白质【4 “。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 淀粉废水的厌氧降解途径 虽然淀粉生产废水的可生化性较好，但对于好氧生物法来说还是较难降 解的，特别是高浓度的淀粉废水，采用好氧生物法处理能耗大，处理费用高， 处理效率也很低【”i 。所以多采用厌氧生物法处理。 淀粉属于多糖类，通式以( c 6 h l o o5 ) 、表示，其厌氧消化过程如下”4 1 ： ( 1 ) 水解阶段( c 6 h ，。o5 ) 。+ ( x 1 ) h ：o 斗x c 。h 。：o 。 ( 1 2 ) ( 2 ) 酸化阶段c 6 h 2 0 。斗有机酸+ 醇类 ( 1 - 3 ) ( 3 ) 产乙酸阶段有机酸+ 醇类寸2 c h ，c o o h + 4 h ：个+ 2 c 0 2 下 ( 1 4 ) ( 4 ) 产i p 烷阶段2 c h 、c o o h - - - 2 c h4 1 、+ 2 c o2t ( 1 5 ) 4 1 - i2 + c 0 2j c h 4 个+ 2 h2 0 ( 1 6 ) 由于水解乘i 产酸进行得很快，难以将它们分开，因此统称为水解，此阶 段起主要作用的是水解产酸菌。经过水解和酸化阶段，淀粉最终降解为脂肪 酸，主要是醋酸、丙酸和丁酸。 1 5 本论文研究的内容及意义 淀粉是t t j 然界最丰富的原料之一，属可再生、可生物降解资源。它容易从 粮食中获得，价格较低，也容易用化学、物理和生物方法进行加工，以取代 某些由石油获得的化工产品。淀粉是食物的重要成分，在食品与发酵领域有 广泛的用途。它不具有甜味，但却是重要的糖源，因为淀粉是由葡萄糖组成 的有机高分子化合物，经水解可得低聚糖，这也是淀粉制糖的基础。由淀粉 或其水解产物葡萄糖出发，经发酵可生产味精、有机酸、柠檬酸、醇等有机 化工产品，而且还可通过变性的方法生产多种淀粉衍生物，可用作填充剂、 包埋剂、粘合剂、表面活性剂等。 我国淀粉行_ k 有6 0 0 多家企业，其中万吨以上的企业仅6 0 多家，该行业 在1 9 7 9 1 9 9 2 年的1 3 年中，年产量从2 8 万吨增加到1 4 9 万吨，平均年递增率 1 4 。1 9 9 8 年淀粉产量为3 0 0 多万吨。目前我国淀粉年产量已达4 0 0 万吨。 尽管如此，中国年人均消耗淀粉2 k g 左右，大大低于世界平均水平，因此随 着经济的发展和人民生活水平的提高，淀粉i , j k 必有一个较大的发展。 淀粉在加工过程中产生大量的高浓度酸性有机废水，其含量随生产的波动 而时有变化。有人估计每生产1 体积的淀粉就会产生l o 2 0 倍的废水，可见 整个淀粉制造业每年产生的废水量之多。因此搞好淀粉行业的综合利用和废 西安建筑科技大学硕士学位论文 水治理十分重要。由于该类废水c o d 很高，采用常规好氧处理工艺需消耗大 量稀释水出水刁能达标排放。如何选择和采用高效、低成本的处理工艺是治 理此类废水的技术关键。 从以上所列举的淀粉废水的处理方法中可以看到，厌氧方法占多数，其原 因除了厌氧方法较好氧方法有许多优点外，还因为淀粉废水的c o d 、b o d 等 均较大，适宜厌氧处理。但是，常温下用u a s b 反应器处理淀粉废水的研究 相对较少，本实验主要研究在常温条件下u a s b 反应器处理淀粉废水的运行 规律。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! !。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 2 厌氧处理的基本原理 2 1厌氧处理生化机理0 3 在废水的厌氧氧化过程m t 包含着四个基本阶段：( 1 ) 水解；( 2 ) 发酵；( 3 ) 产 乙酸；( 4 ) 产甲烷。厌氧氧化过程的四个阶段可用图2 1 表示。对于某种特殊用 途，厌氧处理工艺的起始点一般根据处理废水的性质来决定。 医困 硫酸 2 1 1 水解阶段 图2 1 厌氧降解过程示意图 盐还原菌 水解是复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过 程。高分子有机物因相对分子质量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能为细 菌直接利用。它们首先在细菌胞外酶的水解作用下分解为小分子物质。例如 纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和 葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能 够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 2 发酵阶段 发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解 过程。在此过程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌( 即酸化菌) 的细胞内转化为更为简单的以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞 外。因此，这一过程也称为酸化阶段。这一阶段的末端产物主要有挥发性脂 肪酸( 简写作v f a ) 、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同 时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水厌氧处理时 产生更多的剩余污泥。 2 1 3 产乙酸阶段 发酵阶段的末端产物( 挥发性脂肪酸、醇类、乳酸等) 在产乙酸阶段进 一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。较高级的脂肪酸遵循氧化 机理进行生物降解。在其降解过程发酵酸化阶段的末端产物在产乙酸阶段被 产氢产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 2 1 4 产甲烷阶段 产甲烷阶段是由被总称为甲烷菌的有机群体参与完成的。在甲烷生产过 程中包含着两个甲烷菌群体，个群体称为乙酸分裂甲烷菌，可将乙酸盐分 裂成为甲烷和二氧化碳；第二个群体称为氢利用甲烷菌，可用氢作为电子供 体及c 0 2 作为电子受体生产甲烷。在厌氧过程中被称为乙酸菌的细菌也可利 用c 0 2 氧化氨产生乙酸。但是乙酸会被转化为甲烷，所以这种反应的影响是 极小的。如图2 2 所示，在厌氧消化过程中产生的甲烷，其中有约7 2 是由乙 酸盐转化形成的。 图2 2 在厌氧消化过程中碳和氢的流动” 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 厌氧处理的影响因素 对厌氧过程来说，产甲烷阶段是厌氧降解的控制阶段。因此，在讨论厌 氧处理的影响因素时，主要讨论影响产甲烷菌的各项因素，包括温度、p h 值、 碱度、营养、氧化还原电位以及有毒物质等。 2 2 1 温度 温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一，对厌氧微生物及厌氧 消化的影响尤为显著。温度主要是通过对酶活性的影响而影响微生物的生长 速率与对基质的代谢速率，因而与有机物的处理效率和污泥产生量有关。温 度还影响有机物在生化反应器中的流向，因而与沼气产量和成分有关，并影 响污泥的成分与性能等。 人们通常根据微生物的最宜生存条件将它们分成低温菌、中温菌和高温 菌3 种，各种菌的温度范围分别为低温菌l o 3 0 ( 最适温度2 0 ) 、中温 菌3 0 一4 0 ( 最适温度3 5 ) 、高温菌5 0 6 0 c ( 最适温度5 5 ) 。利用适 合在这三个温度区生长的厌氧菌进行厌氧消化处理的系统分别称为低温消 化、中温消化和高温消化。当处于低温和中温、中温和高温之间的过渡区时， 反应速率低于二者的相应值，可见厌氧消化反应与温度之问的关系是不连续 的f 45 1 。 温度的波动对于厌氧生物处理过程也有重要影响。对于一个反应器来说， 其操作温度以稳定为宜，波动范围一般一天中不宜超过士2 。水温对微生物 的影响很大，对微生物和群体的组成、微生物细胞的增殖，内源代谢过程， 对污泥的沉降性能等都有影响。温度突然变动士3 就会抑制消化速率，有士5 的急剧变化时，就会突然停止产气，有机酸就会大量积累而破坏整个厌氧消 化过程1 4 6 】。 但是，温度对微生物的影响是缓慢的，在操作运行中，反应器温度突然 下降，然后又恢复到原来水平，并不妨碍反应器恢复正常处理效率。在反应 器温度偏低时，可根据运行情况及时调整负荷与停留时间，反应器运行仍可 稳定，但这时则不能充分发挥反应器的处理能力，而且需要较高的管理水平， 否则，可能导致反应器不能正常运行。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 2 p i - i 值及消化液缓冲能力 p h 值是污水厌氧处理最重要的影响因素之一。厌氧处理中，水解菌与产 酸菌对p h 有较大的适应性，大多数这类菌在p h 为5 o 8 5 范围生长良好， 一些产酸菌在p h 小于5 0 时仍可生长。但通常对p h 敏感的甲烷菌适宜生长 的p h 为6 5 78 ，这也是通常情况下厌氧处理所控制的p h 范围。产酸细菌对 酸碱度不及甲烷菌敏感，其适宜的p h 值在45 8 之间，其p h 值范围较广。 所以在用厌氧法处理污泥或废水的应用中，由于有机物的酸性发酵和碱性发 酵在同一构筑物内进行，故为了维持产生的酸和形成的甲烷之间的平衡，避 免产生过多的酸，应维持处理构筑物内的p h 值在6 5 7 5 ( 最好在6 8 7 2 ) 的范围内。在实际运行中，挥发酸( v f a ) 的控制在高p h 值更为重要，因为 当挥发酸量积至足以降低p h 值时，厌氧处理的效果已显著下降。在正常运行 的消化池中挥发酸( 以醋酸计) 般在2 0 0 8 0 0 m g l 之间，如超出2 0 0 0 m g l ， 产气率将迅速下降，甚至停止产气。挥发酸本身不毒害甲烷菌，但p h 值的下 降会抑制甲烷菌的生长。如p h 值低，可加碳酸氢钠调节1 4 ”。 厌氧反应器的有机酸缓冲能力是其稳定运行的重要指标，r e s p e e c e l 4 和许保玖等”9 i 认为，单以碳酸氢盐碱度作为衡量厌氧反应器对p h 值缓冲能力 的指标是不合适的，而应以挥发性脂肪酸( v f a ) 和碳酸氢盐碱度( b a ) 之 比作为更准确的指标，当v f a b a 0 8 时，缓冲能力极小。 2 2 3 污泥停留时间与水力停留时间 污泥停留时间( s l u d g er e t e n t i o nt i m e ，简写作s r t ) 也称为泥龄，在厌 氧生物处理过程中是控制厌氧微生物积累的重要参数。高效厌氧反应器采用 各种微生物固定技术提高s r t ，从而保证反应器内的污泥浓度，以便为厌氧 反应提供足够的生物活性，s r t 常常达到3 0 4 0 d 以上，有些甚至达到1 0 0 d p 。 s r t 大小一般通过反应器定期排泥来控制。 水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，简写作h r t ) 对于厌氧工艺的 影响是通过上升流速来表现的。一方面，高的液体流速增加污水系统内进水 区的扰动，因此增加了生物污泥与进水有机物之间的接触，对于去除率的提 高起到正效应。在采用传统的u a s b 系统的情况下，上升流速的平均值一般 不超过o 5 m h ，这也是保证颗粒污泥形成的重要条件之一。另一方面，为了 西安建筑科技大学硕士学位论文 保持系统中足够的污泥，上y t 流速不能超过一定的限制，反应器的高度也就 会受到限制。特别是对于低浓度污水，水力停留时间是比有机负荷更为主要 的工艺控制条件。 2 2 4 搅拌和混合 厌氧处理过程是由细菌体的内酶、外酶与底物进行的接触反应，只有实 现在反应器中基质与微生物之间充分而有效的接触，刁能发挥其最大的效能。 充分的接触混合除了完成基质与微生物的接触之外，还起到使反应器内的温 度及污泥浓度均一