（环境工程专业论文）两相厌氧处理高浓度有机废水技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文提出了采用两相厌氧处理高浓度有机废水的工艺，即产酸反应器一中间 转换器一产甲烷反应器( 简称t p a d 系统) ；在实验室条件下研究了该系统在处理 高浓度有机废水时的处理能力、去除效率、处理过程特性。 采用了控制容积负荷与化学方法相结合的实验工艺进行厌氧分相，即采用控 制有机负荷参数和化学法投加c c h ，将产酸反应器控制在酸化阶段，可使产甲烷 相具有明显的产甲烷菌高活性优势。 研究了两相厌氧反应器快速启动的基本条件。实验结果表明：在p h 值4 5 6 0 ，温度在2 7 士2 ：有机负荷从1 k g m z - d 1 0 k g m 3 - d 缓慢增加的条件下，两相 厌氧反应器的启动比较容易。 t p a d 系统易处理高浓度有机废水，系统在实验室条件下负荷从7 1 9 k g c o d m 3 d ( 进水c o d 浓度为：1 6 0 0 5 8 0 0 m g 1 ) 进行运行，实验结果表明： 两相厌氧系统对c o d 的去除效率可达9 0 ，出水c o d 浓度一般在6 0 0 m 9 0 以下。 与传统的厌氧工艺相比，具有明显的高去除效率和运行稳定性。 两相厌氧产酸相的最佳工作条件为：温度：1 5 3 5 。c 、p h ：4 5 6 5 、有机负 荷：4 2 0 k g c o d ( m 3 d ) 。产酸反应器c o d 去除效率一般在2 5 3 5 。 研究结果表明：产酸反应器对有机物的降解在定程度上只是一个预处理过 程，产酸反应过程中没有彻底完成有机物的降解任务，而是改变有机物的形态。 即将大分子物质降解为小分子物质，将难生化降解物质降解为易生化降解的物质。 这样使得以c o d 形式存在而b o d 5 不易检出的有机物，在酸化反应过程中分解形 成一些可以被b o d s 测出的有机物，从而使b o d 5 c o d 比例有明显增加。 将两相厌氧工艺应用到屠宰废水处理工程中，取得较好的效果。 关键词：两相厌氧，生物处理，高浓度有机废水，工程应用 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t an e wt e c h n i q u eo ft r e a t i n gw a s t e w a t e rf r o ms l a n 曲t e r i n gi n d u s t r yb a s e d0 1 1 t w o p h a b ea n a e r o b i c a e r o b i ct h e o r yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi sa b b r e v i a t e dt o t p a d 一0s y s t e m t h es y s t e m sc a p a b i l i t yo f t r e a t i n gw a s t e w a t e r 惭t hh i 曲c o n c e n t r a t i o n a n dt i n t i n g s t r e n g t h ，t r e a t m e n te f f i c i e n c y , c h a n g ei nm i c r o o r g a n i s ms p e c i e s a n d t r e a t m e n tc h a r a c t e r i s t i e sh a v eb e e ns t u d i c d t h ee x p e r i m e n ta r ti s p h a s e dt h r o u g hc o n t r o l l i n g v o l u m e t r i c l o a d i n g i n c o m b i n a t i o nw i t hc h e m i c a lm e t h o d ；i e a c c o r d i n gt ot h ed e t e r m i n e dv o l u m e t r i cl o a d i n g p a r a m e t e r sa n dc h e m i c a lm e t h o d ，ac e r t a i na m o u n to fc c hi sa d d e dt ol i m i tt h e a c i d p r o d u c i n gr e a c t i o nt oa c i d - p r o d u c i n gp h a s es ot h a tm e t h a n e p r o d u c i n gb a c t e r i ac a l l k e e ph i g h l ya c t i v e t h ef u n d a m e n t a lc o n d i t i o n so f r a p i d l ys t a r t i n gt h et w o - p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o ra r e s t u d i e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ev a l u eo fp hi sw i t h i n4 5 6 0 t e m p e r a t u r e2 t c 士2 ca n do r g a n i cl o a d i n g1 k g m 3 d 1 0 k g m 3 d s t a r t i n gr e a c t o r i s r e l a t i v e l ye a s y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so f t p a d oa p p l i e dt ot r e a t m e n to fs l a u g h t e r i n gw a s t e w a t e r o f1 1 i g ho r g a n i cc o n c e n t r a t i o nw i t hi t sl o a d i n ga t7 19 k g c o d m 3 - ds h o wt h a tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft p a d 一0i sg e n e r a l l ys t a y i n ga t9 0 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f c o dc o n t a i n e di nt r e a t e dw a s t e w a t e ri sb e l o w6 0 0 m 矿；s ot p a d - 0b o a s t sa l l c o n s p i c u o u sh i g hr e m o v a le f f i c i e n c ya n ds t a b l ep e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l a n a e r o b i ct e c h n i q u e s t h eo p t i m u mw o r k i n gc o n d i t i o n so fa c i d p r o d u c i n gp h a s ew i t ht w o 。p h a s e a n a e r o b i c a e r o b i ct e c h n i q u ei sa ss u c h ：t e m p e r a t u r e ，15 3 5 c ；p h ，4 5 6 5 ；o r g a n i c l o a d i n g ，4 2 0 k g c o d ( m 3 - d ) g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h ee f f i c i e n c yo fr e m o v i n gc o d o f a c i d p r o d u c i n gr e a c t o ri sk e p tw i t h i n2 5 3 5 s t u d yr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a t t e r si na c i d p r o d u c i n g r e a c t o ri sj u s tap r e t r e a t m e n tt os o m ed e g r e e ，o r g a n i cm a t t e r sa r en o tc o m p l e t e l y d e g r a d e di nt h ec o u r s eo fa c i dp r o d u c t i o n ，b u tt h e i rm o r p h o l o g i c a lp r o p e r t i e sa r ea l t e r e d ， m a t t e r sm a d eo f b i gm o l e c u l e sa r eb r o k e nd o w ni n t oo n e sc o m p o s e do f s m a l lm o l e c u l e s ， w h i c h , p r e v i o u s l yd e f y i n gb i o c h e m i c a lt r e a t m e n t ，c a nb eb i o c h e m i c a l l yd e g r a d e da sa r e s u l t ，s o m eo r g a n i cm a t e r i a l s ，n o te a s i l yd e t e c t e dw i t hb o d 5b e c a u s eo ft h e i re x i s t i n g f o r mo fc o d ，c a nb ed e c o m p o s e di n t os o m em a t t e r ss u b j e c tt oe a s i e rd e t e c t i o nw i t h i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 b o d si nt h ep r o c e s so fa c i d i f i c a t i o n ，w h i c hw i l ln o t a b l yi n c r e a s et h er a t i oo fb o d st o c o d t 1 i st e c h n i q u ew a su s e dt oh a v et r e a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g e df r o mas l a u g h t e r i n g p r o c e s s i n gf a c t o r y w i t hag o o de f f e c t k e y w o r d s ：t v o p h a s ea n a e r o b i cb i o l c l g i c a lt r e a t m e n t w a s t e w a t e ro fm g ho r g a n i c c o n c e n t r a t i o n s l a u g h t e r i n gw a s t e w a t e r , e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i i j 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 高浓度有机废水的处理是一项难度较大的工作。为有效地解决有机废水造成 的环境污染问题，国内外都在致力于新技术的研究与开发。当前，生物技术被认 为是处理有机污染物应用前景最好的方法，它比化学和物化处理技术效果好而且处 理费用低。 有机废水，尤其是高浓度有机废水的处理方法，主要取决于废水的性质。一 般来说，废水的性质大致可分为三类：易生物降解的废水。该类废水主要来自 农牧产品和禽畜粪便等，例如轻工食品发酵废水和禽畜饲养排放的废液。这类废 水的有机物含量离，且可利用的成分多。难生物降解的有机废水。主要来自化 学工业、石油化工和炼焦工业等，例如制药厂、染料厂、人造纤维厂和焦化厂等。 有害有机泼水。主要来自化学工业和发酵工业，例如味精废水、糖蜜酒精废水 等。这类有机物可能是易于生物降解的，但由于废水中含有某些有害物质，如重 金属、高氮、高硫等，对微生物有毒害作用。 对于第一类有机废水来说，其有机组分主要是糖类、蛋白质和脂类。由于有 可回收的有用物质，这类高浓度有机废水的治理应优先考虑采用厌氧处理技术， 不仅效能高、能耗低，且能回收大量生物能。由于第二类高浓度有机废水主要含 难生物降解的高分子有机物，单独采用好氧生物处理技术往往达不到满意的处理 效果，而采用厌氧技术则可提高其可生化性或可降解性，故处理上采用厌氧一好 氧组合工艺。对于第三类高浓度有机废水，首先应通过合理的化学或物化法进行 预处理，待去除掉有毒有害物质后仍可采用厌氧生物处理技术。 可见，对于高浓度有机废水，应优先考虑采用厌氧生物处理技术作为去除有 机物的主要手段。厌氧生物处理技术以高负荷率、低能耗、低运行成本、低污泥 产率等突出优越性日渐成为公认的处理高浓度、难降解废水的有效途径之一。但 由于传统的厌氧消化工艺存在着处理效果差；厌氧微生物的繁殖速率低，导致启 动时间较长( 特别是对于含有某些抑制性有机物的工业废水) ：在受到强烈冲击后 恢复正常运行困难等不足。寻找新的既节能又高效的处理工艺、开发各种新型厌 氧工艺和设备成为当务之急。为此，作者提出采用两相厌氧工艺处理高浓度有机 废水的构想。 1 1 厌氧生物处理技术现状1 】 2 】 废水厌氧生物处理技术发展至今，有1 2 0 多年的历史。早在1 8 6 0 年法国人l o u i s m o u r a s 把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用。美国学者m c c a r t y 建议 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 把1 8 8 1 年作为人工厌氧处理废水的开始，称m o u r a s 是第一个应用厌氧消化处理 的创始人。 厌氧生物处理技术经过一百多年的研究和发展，被证明具有处理能力大、效 率高、成本低等优点，尤其与好氧生物处理技术相比，更具有以下优势： 节省动力消耗。在厌氧处理过程中，细菌分解有机物是营无分子氧呼吸， 故无需向系统提供氧气，从而可节省大量电能。 可产生生物能。污泥消化和有机废水的厌氧发酵能产生大量沼气，而沼气 的热值很高，可作为能源利用。 污泥产量少。有机物在好氧降解时，如碳水化合物，其中约有2 3 被合成为 细胞，约有1 3 被氧化分解提供能量。厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞， 而大部分被转化为c i - h 和c 0 2 。所以，好氧处理产污泥量高，而厌氧处理产污泥 量低，且污泥已稳定，可降低污泥处理费用。 对氮、磷的需要量较低。氮、磷等营养物质是组成细胞的重要元素。厌氧 生物处理去除b o d 5 所合成的细胞量远低于好氧生物处理，因此可减少n 和p 的 需要量。对于缺乏n 、p 的有机废水采用厌氧生物处理可大大节省n 、p 的投加量， 使运行费用降低。 厌氧消化对某些难降解的有机物有较好的降解能力。实践证明，一些难降 解的有机工业废水采用常规的好氧生物处理工艺不能获得满意的处理效果，如炼 焦废水、煤气洗涤废水、农业废水、印染废水等。而采片j 厌氧生物处理则可获得 较好的处理效果。近年来，经研究发现厌氧微生物具有某些脱毒和降解有害有机 物的功效，而且还具有某些好氧微生物不具有的功能，如多氯链烃和芳烃的还原 脱氯，芳香环还原成烷烃环结构或环的断裂等。 厌氧生物处理工艺如下： ( 1 ) 化粪池 1 8 9 5 年d o n a l d 设计了世界上第一个厌氧化粪池( s e p t i ct a n k ) ，见图1 1 。厌 氧化粪池的建造，是厌氧处理工艺发展史上的一个重要里程碑。从此，家庭用生 活污水可通过化粪池得到较好的处理，减轻了粪便对河流的污染。 进水 图1 1 化粪池 f i 9 1 1 c e s s p o o l 出水 重庆大学硕士学位论文 1绪论 1 9 0 3 年t r a v i s 发明了t r a v i s 池，如图1 2 所示。废水从一端流入，从另一端 流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中下部分消化，产生的沼气从中间 上部分排出，不影响两侧沉淀效果。 图】2t r a v i s 池 f i 9 1 2 t r a v i sp o o 1 9 0 6 年德国人i m h o f f 对t m v i s 池作了改进，设计了隐化池，我国称双层沉淀 池，其构造如图1 - 3 所示。这种池型结构把污水的沉淀与污泥的消化完全分开，彼 此不发生干扰。该装置于2 0 世纪早期被广泛应用于欧美各国。化粪池与双层沉淀 池至今在排水工程中仍占有重要地位。 l 、罚到l 迎捐y ! 消化 图1 3l m h o f f 池 f i 9 1 3 i m h o f f p o o ( 2 ) 传统消化池p ”j 1 9 1 2 年英国伯明翰市建成一个用土堤围起来的露天敞开式厌氧消化池，由于 不加盖，污泥消化效果不好且向周围环境散发臭气。德国人k r e m e r 提出了加盖的 密闭式消化池，如图1 4 所示。该池型被称为传统消化池，又称普通消化池，也是 最早采用的二级消化池。 1 9 2 0 年英国的w a t s o n 将k r e m e r 的二级消化池加以改进，采用沼气作动力用 泵对消化池的污泥进行机械搅拌并应用于科尔一霍尔污水处理厂。 为提高传统消化池的产气率和减小装置体积，人们不断对传统消化池进行改 进，改进措施主要是加热和搅拌，为厌氧菌提供适宜的温度和与有机物的良好接 触，从而出现了效能较高的高速消化池，见图1 5 。 重庆大学硕士学位论文 沼 图1 4 传统消化池 f i 9 1 4 t r a d i t i o nd i g e s t i o nt a n k 图1 5 高速消化池 f i 9 1 5h i 曲s p e e dd i g e s t i o nt a n k 常用搅拌方式有三种：( 1 ) 池内机械搅拌；( 2 ) 沼气搅拌，即用压缩机将沼气从 池顶抽出，再从池底充入，循环沼气进行搅拌；( 3 ) 循环消化液搅拌，即池内设有 射流器，由池外水泵压送的循环消化液经射流器喷射，在喉管处造成真空，吸进 一部分池中的消化液，形成较强烈的搅拌。一般情况下每隔2 4 h 搅拌1 次。在 排放消化液时，通常停止搅拌，经沉淀分离后排出上清液。 常用加热方式有三种：( 1 ) 废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消 化池；( 2 ) 热蒸汽直接在消化器内加热：( 3 ) 在消化池内部安装热交换管。( 1 ) t h ( 3 ) 两种方式可利用热水、蒸汽或热烟气等废热源加热。 ( 3 ) 接触厌氧州【。j 【” 为了克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池后设沉 淀池，将沉淀污泥回流至消化池，1 9 5 6 年s c h r o e f e r 等人开发成功了厌氧接触法 ( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) 。标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生。由于污 泥回流可在消化池中保持足够数量的厌氧菌，使反应器的容积负荷率提高，从而 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 提高了反应器的处理效能。厌氧接触法的工艺流程见图1 6 。 图1 6 厌氧接触法 f i g1 6 p r o c e s so f a e r o b i cc o n t a c tm e t h o d 厌氧接触法的特点：( 1 ) 通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为 1 0 1 5 9 甩，耐冲击能力强；( 2 ) 消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时， 一般为2 1 0 k g c o d ( m 3 d ) ，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普 通消化池为1 5 3 0 天，而接触法小于l o 天：( 3 ) 可以直接处理悬浮固体含量较高 或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；( 4 ) 混合液经沉淀后，出水水质好，但需增 加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。厌氧接触法还存在混合液难于在沉淀池中进 行固液分离的缺点。 ( 4 ) 厌氧滤池【8 9 】 1 9 6 7 年j c y o u n g 和p l m c c a r t y 开发成了厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ) ， 又称厌氧固定膜反应器，其工艺如图1 7 所示。滤池呈圆柱形，池内装放填料，池 底和池顶密封。厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填 料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶 部排出出。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生物膜随出水流出池外。 厌氧生物滤池填料的比表面积和空隙率对设备处理能力有较大影响。填料比 表面积越大，可以承受的有机物负荷越高，空隙率越大，沉池的容积利用系数越 高，堵塞减小。因此，与好氧生物滤池类似，对填料的要求为：比表面积大，填 充后空隙率高，生物膜易附着，对微生物细胞无抑制和毒害作用，有一定强度， 且质轻、价廉、来源广。 进水系统需考虑易于维修而又使布水均匀，且有一定的水力冲刷强度。对直 径较小的厌氧滤池常用短管布水，对直径较大的厌氧滤池多用可拆卸的多孔管布 才( 。 重庆大学硕士学位论文 进水 沼 出水 图1 ，7 厌氧滤池 f i 9 1 7 a n a e r o b i cb i o l o g yf i l t e rt a n k 在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性 污泥的形式存在于滤料的孔隙中。厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的， 在池进水部位高，相应的有机物去除速度快。当废水中有机物浓度高时，特别是 进水悬浮固体浓度和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。 厌氧生物滤池的特点是： a 由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高， 生物膜停留时间长，平均停留时间长达1 0 0 天左右，因而可承受的有机容积负荷高， c o d 容积负荷为2 1 6 k g c o d ( m 3 d ) ，且耐冲击负荷能力强； b 废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快； c 微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备； d 启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时问短。但该工艺也存在一些 问题：处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤 池的清洗也还没有简单有效的方法。 ( 5 ) 升流式厌氧污泥层反应器( u a s b ) d o i l l l i l l 2 i 进入2 0 世纪7 0 年代，由于世界性能源问题日益突出，开发高效低耗的废水 处理新工艺迫在眉睫，科学工作者进行了大量的研究开发工作，极大地推动了厌 氧处理技术的发展，新工艺层出不穷。继厌氧滤池之后，升流式厌氧污泥层反应 器( u p f l o w a 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 ) 由荷兰的g - l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代初研制开发成功。u a s b 因其具有高的处理效能而获得广泛应用，对 废水生物处理具有划时代的意义。反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化 器，气、液、固三相分离器是u a s b 的重要结构特性，它对污泥床的正常运行和 获得良好的出水水质起着十分重要的作用，见图1 8 。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 8 升流式厌氧污泥床反应器 f i g1 8 u a s br e a c t o r 如图所示：废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，微生 物分解废水中的有机物产生沼气，微小沼气泡在上升过程中，不断合并逐渐形成 较大的气泡。由于气泡上升产生较强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。 气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时， 折向气室而被有效地分离排出：污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在 重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥沿着斜 壁返回到反应区内。在一定的水力负荷下，绝大部分污泥颗粒能保留在反应区内， 使反应区具有足够的污泥量。 反应区中污泥层高度约为反应区总高度的l 3 ，但其污泥量约占全部污泥量的 2 3 以上。由于污泥层中的污泥量比悬浮层大，底物浓度高，酶的活性也高，有机 物的代谢速度较快，因此，大部分有机物在污泥层被去除。研究结果表明，废水 通过污泥层已有8 0 以上的有机物被转化，余下的再通过污泥悬浮层处理，有机 物总去除率达9 0 以上。虽然悬浮层去除的有机物量不大，但是其高度对混合程 度、产气量和过程稳定性至关重要。因此，应保证适当悬浮层乃至反应区高度。 一般来说，三相分离器应满足以下条件：( 1 ) 沉淀区斜壁角度约5 0 0 ，使沉淀在 斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内：( 2 ) 沉淀区的表面负荷应在o 7 m 3 ( m 2 h ) 以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道( 缝隙) 的流速不大于2 m h ；应防止气 泡进入沉淀区影响沉淀：( 4 ) 应防止气室产生大量泡沫；并控制好气室的高度，防 止浮渣堵塞出气管，保证气室出气管畅通无阻。从实践来看，气室水面上总是有 一层浮渣，其厚度与水质有关。因此，在设计气室高度时，应考虑浮渣层的高度。 此外还需考虑浮渣的排放。 上流式厌氧污泥床的混合是靠上流的水流和消化过程中产生的沼气泡来完成 的。因此，一般采用多点进水，使进水较均匀地分布在污泥床断面上。常采用穿 7 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 孔管布水和脉冲进水。 上流式厌氧污泥床反应器的特点是【1 5 1 1 6 l ： a 反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为3 0 4 0 9 l ，其中底部污泥床 污泥浓度6 0 8 0 9 l ，污泥悬浮层污泥浓度5 7 l ； b 有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，c o d 容积负荷一般为：1 0 b 2 0 k g c o d ( m 3 d 1 ： c 反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，般 无污泥回流设备； d 无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动： 污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。但反应器内有短流现象，影响处 理能力；进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不 宜太高，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞：运行 启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。 ( 6 ) 厌氧膨胀床( a e b ) 和厌氧流化床( a f b ) 1 3 1 1 4 j 1 9 7 8 年w j j e w e l l 等人开发出了厌氧膨胀床( a n a e r o b i ce x p a n d e db e d ) 。 1 9 7 9 年r p b o w k e r 开发出了厌氧流化床( a n a e r o b i cf l i u d i z e db e d ) 。由于载体 细小，为微生物的附着提供了良好的条件，使反应器具有很高的生物量，所以处 理能力大，受到各国学者的极大关注，两种处理工艺原理见圈1 9 。 j 墨 坐f 。二= = 二二罢：二 回1 i 流誓譬一 姥盟 图1 9 厌氧膨胀床和流化床 f i 9 1 9 a n a e r o b i ce x p a n d e db e d & a n a e r o b i cf l i u d i z e db e d 该类工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒 料，废水作为流化介质，当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌 氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部排出。 床内填充细小固体颗粒载体，废水以一定流速从池底部流入，使填料层处于流态 化，每个颗粒可在床层中自由运动，而床层上部保持个清晰的泥水界面。为使 8 重庆大学硕士学位论文 填料层流态化，一般需用循环泵将部分出水回流，以提高床内水流的上升速度。 为降低回流循环的动力能耗，宜取质轻、粒细的载体。常用的填充载体有石英砂、 无烟煤、活性炭、聚氯乙烯颗粒、陶粒和沸石等，粒径一般为o 2 l m m ，大多在 3 岬5 0 0 岫之间。 工艺操作的首要满足条件是：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度， 而小于最大流态化速度。一般来说，最大流态化速度要比临界流化速度大1 0 倍以 上，所以，上升流速的选定具有充分的余地，实际操作中，上升流速只要控制在 1 2 1 5 倍临界流化速度即可满足生物流化床的运行要求。 工艺特点： a 载体颗粒细，比表面积大，可高达2 0 0 0 3 0 0 0 m 2 m 3 左右，使床内具有很 高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为1 0 4 0 k g c o d ( m 3 ，水力停 留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定； b 载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较 好的效能。 c 载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强 化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度； d 床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少； e 结构紧凑、占地少以及基建投资省等。但载体流化耗能较大，且对系统的 管理技术要求较高。 为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取：( 1 ) 间歇性流化床工艺，即以固 定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间问歇后， 又启动回流泵，呈流化床运行：( 2 ) 尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径2 0 3 0 岫、 密度1 0 5 1 2 9 c m 3 的载体，保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流态 化。 ( 7 ) 厌氧生物转盘与厌氧折流板反应器( a b r ) ”叫 1 9 8 0 年厌氧生物转盘( a n a e r o b i cr o t a t i n gb i o l o g i c a lr e a c t o r ) 新工艺被开发 除来，它是在好氧生物转盘基础上开发的。其工艺示意图见图1 1 0 。 进水 图1 1 0 厌氧生物转盘 f i 9 1 1 0 a n a e r o b i cb i o l o g yr e v o l v i n gb e d p l a t e 重庆大学硕士学位论文1 绪论 厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分f 7 0 以 上) 或全部浸没在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密 闭的容器内。厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装嚣等组成，其 构造如图1 1 2 所示。对废水的净化靠盘片表面的生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧 菌完成，产生的沼气从反应槽顶排出。由于盘片的转动，作用在生物膜上的剪力 可将老化的生物膜剥落，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。 厌氧生物转盘的特点：( 1 ) 厌氧生物转盘内微生物浓度高，因此有机物容积负 荷高，水力停留时间短：( 2 ) 无堵塞问题，可处理较高浓度的有机废水；( 3 卜一般不 需回流，所以动力消耗低；( 4 ) 耐冲击能力强，运行稳定，运转管理方便。但盘 片造价高。 厌氧转盘有机负荷为2 0 9 t o c ( m 3 d ) 左右，处理t o c 为11 0 6 0 0 0 m g l 的生 活污水、牛奶废水，t o c 去除率可达6 0 9 0 。 m c c a r t y 等人认为厌氧生物转盘的转动与否对处理效果影响不大，于是在 1 9 8 2 年开发出了厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ) ，简称a b r 。其构 造和工艺流程如图1 1 1 所示。在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来维持较高 的污泥浓度。挡板把反应器分为若干个相对独立的格，每格有上向流和下向流室， 上向流室比下向流室宽，便于污泥的聚集，形成颗粒污泥。通往上向流的挡板下 部边缘处加5 0 0 的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合。因而 无需混合搅拌装置，避免了厌氧滤池和厌氧流化床的堵塞问题和能耗较大的缺点， 启动期比上流式厌氧污泥床短。 进水 出水 图1 1 1 厌氧折流板反应器 f i 9 1 11 a n a e r o b i cf l u eb a f f l e rr e a c t o r 虽然在构造上a b r 可以看作多个u a s b 反应器的简单串联，但在工艺上与单 个u a s b 有显著不同。u a s b 可近似地看作是一种完全混合式反应器，而a b r 则 更接近于推流式工艺。研究表明，a b r 反应器出水水质好，运行稳定，对冲击负 荷以及进水中有毒物质具有很强的缓冲适应能力。各格中的微生物相是随流程逐 级递变的，递变的规律与底物降解过程协调一致，从而确保相应的微生物相拥有 1 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 最佳的工作活性。一般在第一微生物相以产酸菌为主，酸化过程产生的h z 以产气 形式先行排除，有利于后续产甲烷阶段中丙酸和丁酸的代谢过程在较低的h 2 分压 下顺利进行，避免了丙酸、丁酸过度积累所产生的抑制作用。但在a b r 中第一格 的局部负荷远大于反应器平均负荷。 ( 8 ) 升流式厌氧污泥床一滤层反应器( u b f ) 叫 升流式厌氧污泥床一滤层反应器( u p f l o wa n a e r o b i cb e d f i l t e r ) 简称u b f 反 应器，又称厌氧复合反应器。于1 9 8 4 年由加拿大学者s r g u i o t 研究开发。u b f 反应器综合了u a s b 反应器和a f 的优点，使该种反应器具有很高的处理效能。 u b f 的构造原理见图1 1 2 。 进水 图1 1 2u b f 反应器的构造原理 f i 9 1 1 2u p f i o w a n a e r o b i cb e d f i l t e r u b f 的主要构造特点：下部为厌氧污泥床，与u a s b 反应器下部的污泥床相 同，有很高的生物量浓度，床内的污泥可形成厌氧颗粒污泥，具有很高的产甲烷 活性和良好的沉降性能；上部有与厌氧滤池相似的填料过滤层，填料表面可附着 大量厌氧微生物，在反应器启动初期具有较大的截留厌氧污泥能力，减少污泥的 流失可缩短启动期。由于反应器上下两部均保持很高的生物量浓度，提高了整个 反应器的处理能力和抗冲击负荷的能力。 u b f 反应器适于处理含溶解性有机物的废水，不适于处理含s s 较多的有机废 水，否则填料层易于堵塞。 ( 9 ) 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) ” 膨胀颗粒污泥床( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) 简称e g s b ，是u a s b 反应 器的变型，是厌氧流化床与u a s b 反应器两种技术的成功结合。e g s b 反应器的 基本构造与流化床类似，如图1 1 3 所示。 为了达到颗粒污泥的膨胀，必须提高液体升流速度。e g s b 反应器通过采用出 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 水循环回流获得较高的表面液体升流速度。这种反应器的典型特征是具有较高的 高径比，较大的高径比同时也是提高升流速度所需要的。e g s b 反应器内液体的升 流速度可达到5 1 0 m h ，这比u a s b 反应器的升流速度( 一般1 0 m h ) 高的多。 水 图1 1 3e g s b 反应器构造图 f i 9 1 1 3e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d e g s b 反应器的顶部可以是敞开的，也可以封闭起来，封闭的优点是可以防止 臭味外逸。反应器一般做成圆形，废水由底部配水管进入反应器，向上升流通过 膨胀的颗粒污泥区，使废水中的有机物与颗粒污泥均匀接触被转化成甲烷和二二氧 化碳等。混合液升流至反应器上部，通过设在反应器上部的三相分离器进行气、 固、液的分离。分离出来的沼气通过反应器顶或集气室的导管排出，沉淀下来的 污泥自动返回膨胀床区，上清液通过出水渠排出反应器外。由于上升流速很高， 专门设计的高效三相分离器是e g s b 的关键技术。 e g s b 反应器作为一种改进型的u a s b 反应器，虽然在结构形式、污泥形态 等方面与u a s b 非常相似，但其工作运行方式与u a s b 显然不同，液体表面上升 流速高使颗粒污泥床层处于膨胀状态，不仅使进水能与颗粒污泥充分接触，提高 了传质效率，而且有利于基质和代谢产物在颗粒污泥内外的扩散、传送，保证了 反应器在较高的容积负荷条件下正常运行。e g s b 反应器在处理低温、低浓度有机 废水时，有明显优势。在处理高浓度废水时，为了维持足够的液体升流速度，使 污泥床有足够大的膨胀率，必须加大出水的回流量，其回流比大小与进水浓度有 关。 e g s b 反应器通过出水回流，使其具有抗冲击负荷的能力。使进水中的毒物浓 度被稀释至对微生物不再具有毒害作用。所以，e g s b 反应器可处理含有毒物质的 高浓度有机废水。出水回流可充分利用厌氧降解过程通过致碱物质( 如有机氮和 重庆大学硕士学位论文 硫酸盐等) 产生的碱度提高进水的碱度和p h 值，保持反应器内p h 值的稳定，减 少调整p h 值的投碱量，从而降低运行费用。 内循环( i c ) 厌氧反应器1 1 8 j 1 9 8 5 年荷兰p a q u e sb v 公司开发了一种被称为内循环( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 的 反应器，简称i c 反应器。i c 反应器在处理中低浓度废水时，进水容积负荷率可达 2 0 4 0 k g c o d m 3 d ，对于处理高浓度有机废水，其进水容积负荷率可提高至3 5 5 0 k g c o d m 3 d 。这是对现代高速反应器的一种突破，有着重大的理论意义和实用 价值。 i c 反应器的基本构造与工作原理如图1 1 4 所示。i c 反应器的构造特点是具有 很大的高径比，一般可达4 8 ，反应器高度可达1 6 2 5 m 。从外形上看，i c 反应 器是座厌氧生化反应塔。 e 图1 ，1 4i c 反应器构造原理图 f i 9 1 1 4i c ( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ) 1 进水；2 第一反应室集气罩；3 沼气提升管；4 气液分离器；5 沼气排出管 6 回流管：7 第二反】啦室集气罩；8 集气管；9 沉淀区：1 0 出水管：1 1 气封 由图可见，i c 反应器实际上是由下部的e g s b 反应器和上部的u a s b 反应器 重叠串联组成。反应器的两级三相分离器使生物量得到有效滞留。进水由反应器 底部进入第一厌氧反应室。与厌氧颗粒污泥均匀混合，产生的沼气被第一厌氧反 应室的集气罩收集，大量沼气携带第一厌氧反应室的泥水混合液沿提升管上升至 反应器顶的气液分离器，被分离出的沼气从分离器顶部导管排走，分离出的泥水 混合液沿着回流管返回到第一厌氧反应室的底部，实现混合液的内部循环，i c 厌 重庆大学硕士学位论文 氧工艺的称号由此得来。经过处理的废水自动进入第二厌氧反应室。第二厌氧反 应室产生的沼气由集气罩收集，通过集气管进入气液分离器。第：二反应室的泥水 在混合液沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的污泥可自动返回第 二厌氧反应室。 i c 厌氧工艺的主要特点： 解决了污泥负荷高易导致污泥流失的问题； 具有一个无外加动力的内循环系统； 内循环系统增加了水力负荷，强化了传质过程： 尤其适合处理浓度较低和温度较低的有机废水； 抗冲击负荷能力强，运行稳定性好： 高径比大( 4 8 ) ，占地面积少。 综上所述，厌氧生物处理技术以其高效、低耗得到环境工程界的高度重视。 一般将2 0 世纪5 0 年代以前开发的厌氧消化工艺称为第代厌氧反应器，其中化 粪池和隐化池主要用于处理生活废水下沉的污泥，传统消化池与高速消化池用于 处理城市污水厂初沉池和二沉池排出的污泥。从2 0 世纪7 0 年代起，在传统厌氧 消化技术基础上出现了第二代厌氧生物处理工艺，主要用于处理各种工业有机废 水，它们的基本特征如下： 具有相当高的有机负荷和水力负荷，反应器容积比传统工艺减少9 0 以上； 在不利条件( 低温、冲击负荷、存在抑制物) 下仍具有高的稳定性； 反应器投资小，适合各种规模和被结合在整体的处理技术中： 处理低浓度废水的效率已具备与好氧处理的竞争能力： 可以作为能源净生产过程。 第二代厌氧生物处理工艺已经在世界各国得到了成功应用。其中，应用最为 广泛的当属升流式厌氧污泥床( u a s b ) 工艺，其应用率达到了工业化厌氧反应器 的6 5 。 2 0 世纪8 0 年代的研究和实践发现，以u a s b 为代表的第二代厌氧生物处理工 艺存在一些缺点：在结构上，高径比小，因而占地面积大；u a s b 增加截面积的放 大方式难以在大规模反应器中实现均匀布水；u a s b 三相分离器的稳定操作较为困 难：启动时间较长：液体上升流速小、固液混合较差；负荷高时，污泥易流失等。 因此，2 0 世纪9 0 年代国际上出现了第三代厌氧生物处理工艺，包括厌氧膨胀颗粒 污泥床( e g s b ) 、厌氧内