（环境工程专业论文）厌氧折流板反应器（abr）处理山梨酸生产废水降解动力学研究.pdf

厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨酸生产废水 降解动力学研究 摘要 针对山梨酸生产废水研究经济、高效和稳定的生化处理工艺是本文的 出发点，在诸多的反应器中选取结构简单、处理效能高等特点的厌氧折流 板反应器为载体，研究厌氧折流板反应器处理山梨酸生产废水的效能、基 质降解动力学和所形成颗粒污泥的特性分析。本次a b r 试验的运行经历了 三种不同污泥负荷率：0 5 4 、0 7 6 、1 6 3 k g c 0 d “k g v s s d ) ，在这三种不同污 泥负荷率下，c o d 去除率分别达到了7 8 8 5 、6 6 7 6 j 14 4 5 5 。从 a b r 处理山梨酸生产废水处理效果来看，对于含有难生物降解物质较多的 山梨酸生产废水，较短的停留时间难以达到理想的处理效果，水力停留时 间延长，处理效果明显增加，这是由于厌氧微生物充分对有机物进行分解 的缘故。但当水力停留时间延长至7 2 小时，c o d 去除率虽有增加，而增长 速率明显趋缓，说明此时废水中易降解的有机物质大部分已经被去除，而 剩余的难生物降解物质的降解难度较大，需要更长的时间才能对其进行有 效的降解。从不同隔室对c o d 去除率的贡献来看，不同的污泥负荷下，第 一、- - j 1 - - 隔室变化不大，但随着污泥负荷的增加，第四隔室c o d 去除率 贡献变化明显，由8 增至2 2 。本文选用悬浮生长模型对a b r 进行动力 学推导，并根据山梨酸生产废水的特性选择了a n d r e w s 基质去除抑制动力 学模型，然后通过三组不同水力停留时间的试验数据推导求出了三组不同 的动力学参数，建立了动力学方程；同时也对山梨酸生产废水基质甲烷转 化系数进行研究，得出数据为2 1 0 2 3 5 ( m l c h 4 g c o d ) 。试验中所形成颗 粒污泥v s s s s 比值偏低，沉降性能较好，粒径0 1 2 m m 不等，反应器较 前隔室形成的颗粒污泥粒径较大，随着后续隔室有机负荷不断减小，污泥 颗粒粒径也逐渐减小，呈现明显分级现象。 关键词：厌氧折流板反应器( a b r ) 山梨酸生产废水生物降解动力学 颗粒污泥 s t u d yo ns o r bica cidw a s t e w a t e rt r e a t m e n t wft ha n a e r o bicb a f f l e dr e a c t o r a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e so nt h ep o i n to fr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gw a s t e w a t e r a n a e r o b i ct r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa n dp r o c e s s e sw i t ht h et r a i t so fl o wc o s t h i g h c a p a c i t y , s t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yt ot r e a tc h e m i c a lw a s t e w a t e ra ss o r b i ca c i d a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) i ss e l e c t e df r o mn u m e r o u sa n a e r o b i ci a c t o r s o w i n gt oi t sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，a sw e l la sh i g hr e m o v a le f f i c i e n c v i nt h i ss t u d nl a b - s c a l ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nac o n t i n u o u s - f l o wa b r t oi n v e s t i g a t er e m o v a l e f f i c i e n c yo fh i g ho r g a n i cc o n c e n t r a t i o ns o r b i ca c i d w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，k i n e t i c so fs u b s t r a t eb i o d e g r a d a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fg r a n u l a rs l u d g e t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e du n d e rt h r e ed i f f e r e n t s l u d g e l o a d i n gr a t eo f0 5 4 ，0 7 6a n d1 6 3k g c o d ( k g v s s mw i t hc h e m i c a lo x y g e n d e m a n dr e m o v a le i f f i c i e n c ya c h i e v e m e n to f7 8 8 5 、6 6 7 6 a n d4 4 5 5 r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a th i g hr e m o v a le f f i c i e n c vc a nn o t a c h i e v ei ns h o r t h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e st r e a t i n gs o r b i ca c i dw r a s t e w a t c i r c o n t a i n i n gh a r db i o d e g r a d a t i o ns u b s t r a t ew i t ha b r a sh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e s p r o l o n g e d ，h i g hr e m o v a le f f i c i e n c ya c h i e v e s t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yk e e p s i n c r e a s i n g w h i l e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e s p r o l o n g s t o7 2 h o u r s 。b u tt h e i n c r e a s i n gt e n d e n c yo b v i o u s l ys l o w sd o w n ：t h i sp h e n o m e n o ni n d i c a t e st h a tt h e m o s tp a r to fe a s yb i o d e g r a d a t i o ns u b s t r a t ei sc o m p l e t e l yb i o d e g r a d e da n dm o r e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e si s n e c e s s a r y i no r d e rt o b i o d e g r a d et h eh a r d b i o d e g r a d a t i o ns u b s t r a t e f r o mt h ep o i n to fc o dr e m o v a lc o n t r i b u t i o n ，t h et h r e e f r o n t c o m p a r t m e n t s a l m o s t k e e p s s t a b l eu n d e rd i f f e r e n t s l u d g el o a d i n g l i i r a t e s u h i l el h ef i n a lc o m p a r t m e n tc h a n g e sf r o m8 t o2 2 a l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo fs l u d g e l o a d i n gr a t e s b a s e do na n d r e w s e q u a t i o n s e l e c t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o r b i ca c i dw a s t e w a t e r , s u s p e n s i o ng r o w t h d y n a m i c m o d e l so na b ri s d e v e l o p e d m o r e o v e r , t h r e e d i f f e r e n tk i n e t i c p a r a m e t e r si sd e d u c e df r o me x p e r i m e n t a ld a t ab yt h r e ed i f f e r e n th y d r a u l i c r e t e n t i o nt i r n e s ( i - i r t ) t h e na b rk i n e t i ce q u a t i o nw a sd e v e l o p e d m e a n w h i l e ，t h e c o e f f i c i e n to fs u b s t r a t et r a n s f e rt om e t h a n ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r i ti se q u a lt o 2 1 0 一, 2 3 5 ( m l c h 4 儋c o d ) t h ev a l u eo fv s s s so fg r a n u l a rs l u d g ei n t h i s e x p e r i m e n ti so nt h el cws i d e p r o v i d e dw i t he x c e l l e n ts e d i m e n t a t i o na b i l i t yw i t h d i a m e t e ro f0 1 一+ 2 m m t h eg r a n u l a rs l u d g ed i a m e t e ro ff r o rtc o m p a n m e n t si s b i g g e rt h a n1h el a t le r k e yw o r d s ：a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ；s o r b i ca c i dw a s t e w a t e r ；s u b s t r a t e b i o d e g r a d a t i o n ；k i n e t i c s ；g r a n u l a rs l u d g e i v 符号说明 厌氧折流板反应器 内循环厌氧反应器 升流式厌氧反应器 厌氧颗粒污泥膨胀床 污泥龄 水力停留时间 完全混合流态 化学需氧量 生物化学需氧量 悬浮物 可挥发性悬浮物 最大比基质去除速率常数 饱和常数 微生物浓度 可降解的溶解性限制基质浓度 基质比去除速率 基质最大比去除速率 抑制系数 产甲烷量 废水流量 基质产甲烷转化系数 进水c o d 浓度 出水c o d 浓度 基质去除速率 反应器容积 撇陀一一姗唧一咖眺豁懈七 以s， 巧 q y & 咒 ，矿 0 矗 正 u m “f w 。 d c s 。 z x c c q z 口 q 水力停留时间 标准绝对温度( 2 7 3 k ) 反应绝对温度 最大比产甲烷速率 基质在生物膜的扩散系数 可降解的溶解性基质浓度 膜表面的法向距离 生物膜的细菌浓度 单位生物膜表面积基质消耗比反应速率 可变级反应系数 可变级反应的级数 反应室编号符号 第f 反应室生物膜比表面积 第i 反应室的比流量 广圈大掌硕士学位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨可【生产废水降解动力掌研究 1 1 本课题研究目标 l 1 研究的目的与意义 第一章绪论 山梨酸及其盐是一种新型食品添加剂，是国际粮农组织和世界卫生组织重点向各国 推荐的低毒、高效保鲜防腐剂，也是我国“十五”规划中重点发展的食品添加剂之一。近 年来我国山梨酸及其盐取得飞速发展，生产能力快速增加，规模不断增加。大赛璐( 南 宁) 食品添加剂有限公司就是一家主要生产食品防腐添加剂山梨酸和山梨酸钾的日资企 业，年产量为4 0 0 0 吨，有着很好的经济效益。但是山梨酸在生产过程中，会产生部分 高浓度有机废水，c o d c ，高达4 0 0 0 0 m g l ，经过物理、化学方法预处理后，废水的c o d c ， 可以下降至3 0 0 0m g l 左右。 原废水一卜 军菊i 垂 卜 巧丽i ； | 厂瑟丽网 vtt 西亭卜匿巨i p 出水 遁堡回煎 f 图1 1 好氧废水处理工艺流程简图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ea e r o b i ct r e a t m e n t 大赛璐公司废水处理工艺采用活性污泥法( 图l 一1 ) ，废水处理主体从德国引进，设计 进水c o d c ，浓度为2 0 0 0m g l 。目前，该处理工艺主要存在以下问题：由于进水c o d c ， 浓度( 3 0 0 0 5 0 0 0 m g l ) 比设计进水浓度c o d c ，2 0 0 0 m g l 高，最终出水c o d c ，为3 0 0 - 5 0 0 m g l 左右，水质达不到排放要求；采用该工艺进行废水处理，每处理1 k g c o d 成本约 为2 0 元，废水处理成本较高；由于生产工艺的原因，废水水质多变，原废水处理工艺 在实际操作中有诸多不便容易产生污泥膨胀。本着科研服务于社会的宗旨，并受大赛璐 公司工程技术人员所托，现对山梨酸废水的处理工艺进行新的探索。针对山梨酸废水水 质特性及原有处理工艺存在的问题，将采用以厌氧折流板反应器( a b r ) 为主体的废水 处理工艺对山酸梨废水进行研究。选择厌氧折流板反应器( a b r ) 作用本试验的研究载 体是基于以下几点：虽经预处理，原废水c o d c ，浓度仍然很高，不宜直接采用好氧方法 进行处理，而厌氧工艺则能承受较高的进水c o d c 。浓度；一般来讲，处理相同量的有机 广西大掌硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨酸生产废水降解动力掌研究 污染物厌氧工艺的处理成本要比好氧处理成本低；a b r 能够适应较大波动水质变化， 而且结构简单，不设三相分离器。本试验目标就是期望通过a b r 厌氧处理后山梨酸生 产废水在进入好氧反应器前c o d c ，浓度降低到2 0 0 0 m g l 以下，以达到原处理工艺的设 计要求。 2 研究内容 经过对国内外对山梨酸废水处理研究文献分析，发现目前对山梨酸废水处理研究还 存在诸多不足，例如： 没有对山酸梨废水厌氧处理降解动力学进行系统、完善分析研究；没有对厌氧反应 器运行过程中所产气体进行分析；对于处理山梨酸废水过程中所形成的颗粒污泥的特性 缺乏系统研究。作为一种高浓度有毒有机废水，山梨酸生产废水在不同的处理工艺中其 所表现出来的特征将对同类废水，即高浓度有毒有机废水，有借鉴意义。本文基于此观 点展开对山梨酸生产废水的a b r 处理研究，主要研究内容如下： ( 1 ) a b r 处理l l 梨酸生产废水的基质降解动力学研究 在相同的实验条件( 恒温3 5 2 、p h 6 5 8 、氧化还原电位) 下，分析三种不同污 泥负荷的实验数据来拟合山梨酸生产废水的厌氧基质降解动力学方程，进而为该工艺的 设计优化及放大设计提供理论依据。 ( 2 ) a b r 处理山梨酸生产废水的气体定性及定量分析 通过对不同污泥负荷下的气体的定性及定量分析来研究其与废水水质参数如c o d 、 b o d 5 、p h 值等在反应器中的变化趋势的关系。为反应器的监控提供更多参数依据，并 根据产甲烷转化参数与其它废水的厌氧处理产甲烷参数的对比来判断山梨酸生产废水 可厌氧生物降解性，进一步丰富判断山梨酸生产废水可厌氧生物降解性且更贴近生产实 际相比于利用b o d 5 c o d 来判断而言。 ( 3 ) a b r 处理山梨酸生产废水各隔室颗粒污泥特性 分析不同隔室颗粒污泥特性( 物理性能、化学组成、沉降性能、生物相、粒径分布) 等来完善山梨酸生产废水厌氧处理的研究深度及广度，为其它同类废水的处理提供更多 有益的借鉴。 1 2 废水厌氧生化处理的研究进展 2 1 厌氧消化机理的研究进展 废水厌氧处理技术发展至今，已有1 2 0 多年历史。早在1 8 8 1 年，法国c o s m o s 杂志 就登载介绍了m o u r a s 创造的处理污水污泥的自动净化器 ”。尔后各国学者都纷纷对厌 氧消化基本原理进行不断研究和探索。1 9 3 0 年b u s w e l l 和n e a v e 经过研究认为有机物厌 氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段【2 1 ，在产酸阶段( 又称酸性发酵阶段1 ，由 广西大学硕士掌位论文 厌晕，折流板反应器( a b r ) 建理山梨酸生产废水降解动力掌研究 发酵性细菌把复杂的有机物水解和发酵，形成脂肪酸、醇类等发酵产物：在碱性发酵阶段 ( 又称甲烷发酵阶段) ，由产甲烷菌将第一阶段的发酵产物转化为甲烷。 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，厌氧消化理论得到不断发展。1 9 7 9 年，m e b r y a n t 3 帐据对产甲烷菌和产氢 产乙酸菌的研究结果，认为两阶段理论不够完善，提出了三阶段理论如图1 2 所示，即： 水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段，并突出了产氢产乙酸菌的地位和作用。 该理论认为，复杂有机物的厌氧分解，第一阶段也是水解和发酵；第二阶段，在产氢产 乙酸菌的作用下，将第一阶段的发酵产物丙酸、丁酸、乙醇等转化为乙酸、h 2 和c 0 2 ； 第三阶段，在产甲烷菌的作用下，乙酸、h 2 和c 0 2 进一步转化为c h 4 。 图1 - 2 三阶段厌氧消化过程示意图 f i g 1 - 2m u l t i p h a s en a t u r eo f a n a e r o b i cd i g e s t i o n 与此同时，j g z e i k u s 4 i 提出了四种群说理论( 图1 3 ) ，该理论认为复杂有机物的厌 氧消化过程有四种群厌氧微生物参与即：水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌及 产甲烷菌。三阶段说和四种群说实质上都是对两阶段理论的补充和完善，较好地揭示了 图卜3 四种群说有机物厌氧降解示意图 f i g 1 3m i c r o o g a n i s mc o m m u n i t yo f a n a e r o b i cd i g e s t i o n 广西大掌硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨喊生产废水降解动力掌研究 厌氧发酵过程中，不同代谢菌群之问相互作用、相互影响的关系，更确切地阐明了复杂 有机物厌氧消化的微生物过程。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一个由 许多不同微生物菌群协同作用结果，是一个极为复杂的生物化学过程。 1 2 1 生化反应器动力学的研究进展 厌氧生物处理动力学要讨论的主要问题就是如何把复杂的生物化学和微生物学过 程用相对简单的数学式来描述，其主要内容有两个方面：厌氧微生物生长动力学和有机 物降解动力学。1 9 4 0 年，m o n o d 最早提出微生物长动力学关系式。他采用单一的可降 解可溶性限制基质和单一菌种做连续培养试验，建立了微生物对基质去除速率以及对生 长介质中限制基质之间的关系，假定其他所有的养料是过剩的，并假定反应物积累不会 引起抑制作用。m o n o d l 5 1 基质去除速率r s 。如下： d s k x s d tk + s 式中：一粤基质去除速率( m l - 3 t - ) ； c t k 最大比基质去除速率常数( t 。) ； s 可降解的溶解性限制基质浓度( m l o ) ； 微生物浓度( m l 。3 ) ； x 。一饱和常数( m u 3 ) 。 微生物生长速率k 如下： ，：坚：生坐 一d t k ，+ s 式中：坚微生物生长速率( m t 一1 ) ； 讲 2 。最大比生长速率( r ) ，其余符号同前。 、 1 9 5 9 年，c o n t i o s l 6 】提出了c o n t i o s 基质去除速率公式： d s k x s d t n sn + s 式中：a 经验常数； & 进水基质浓度( m l 3 ) ，其余符号同前。 基质模型指出了出水基质浓度是进水基质浓度的函数。以上厌氧动力学模型是在不含抑 广西大掌硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨政生产废水降解动力掌研究 制物质的条件下推导出来的。试验表明当厌氧消化过程中的挥发性脂肪酸浓度达到一定 值时，会对微生物的代谢活动产生抑制作用，使微生物比生长速率与基质浓度之间不再 符合m o n o d 关系。1 9 6 8 年，a n d r e w s l 7 】在试验的基础上对m o n o d 比生长速率动力学公 式做了修正，提出了抑制动力学模型： 式中：微生物比增长速率( t - 1 ) ； s 抑制基质浓度( m l 。3 ) ： k 抑制系数( m l 3 ) ，其余符号同前。 1 9 8 0 年，n e u r f e l d 8 】等人在研究酚的厌氧降解动力学时，发现酚浓度的降低速率不 符合m o n o d 基质降解动力学模型，并对m o n o d 动力学模型作了修正： 2两,lmax 1 + 二2 + f 二y 式中：”抑制级数，其余符号同前。 厌氧反应器的运行稳定性和高效能很大程度上取决于是否能培养出具有优良沉降 性能和很高产甲烷活性的厌氧颗粒污泥。与此相反，如果反应器内的污泥以松散的絮状 体存在，则往往容易出现污泥流出，反应器不可能在高的容积负荷率下稳定运行。对于 厌氧颗粒污泥的形成机理，研究者提出了种种假说。 晶核假说：颗粒污泥的形成类似于结晶过程，在晶核的基础上，颗粒不断发育，直 到最后形成成熟的颗粒污泥。晶核来源于接种污泥或在运行过程中产生的无机盐，如 c a c o ，等颗粒物质。此假说目前已经被一些试验所证实。例如获得一些成熟颗粒污泥中 确有c a c 0 3 颗粒存在，以及在颗粒污泥的培养过程中投加颗粒物质能促进颗粒污泥形成 等【9 1 。 电荷中种假说：因细菌表面带负电荷，电荷斥力使细菌细胞呈分放状态。在研究酵 母细胞的凝聚过程中发现，c a ：+ 能中和细菌细胞表面的负电荷，降低电荷造成的排斥作 用，并通过盐桥作用，促进细胞的凝聚反应。m a h o n e y 等人f 9 】研究表明，在厌氧污泥颗 粒化过程中，c a ：+ 也有类似的作用，因此提出了电荷中和作用来解释污泥的颗粒化过程。 胞外多聚物假说：认为颗粒污泥是由于微生物细菌分泌的胞外多糖把细胞粘结起来 而形成的。 虽然假说众多，但至今尚未有一种较为完善的理论来阐明厌氧颗粒污泥形成的机 广西大掌硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨酸生产废水降解动力学研究 理。由分散状态的厌氧微生物形成一个肉眼可见的由厌氧微生物组成的颗粒是一个十分 复杂物理化学与微生物学的过程。j e s c h m i d t 和b k a h r i n g t l o l 总结了国外最近的研究成 果，提出了颗粒污泥形成的过程。他们认为颗粒污泥的初始形成可分为四个步骤：首先 是单个细胞转移到一个非菌落的惰性物质或其他细胞的表面；其次是在物理化学力的作 用下在细菌细胞之问或对惰性物质之间发生的可逆吸附；通过微生物的附肢或胞外多聚 物使细菌细胞之间或对惰性物质之间产生不可逆吸附；附着细胞的不断增殖和颗粒的发 育。我国也有一些学者“3j 对颗粒污泥形成过程进行了研究，如刘双江【l l 】、周孟津2 1 等。对颗粒污泥的性质也在不断进行探索研究，主要从以下几个方面对颗粒污泥性质展 开研究：物理性能；化学组成；微生物组成及结构模型；产甲烷活性；沉降性能等等。 1 3 厌氧折流板反应器( a b r ) 的研究进展 3 1 厌氧反应器的发展 废水厌氧生物处理1 1 4 1 6 技术发展到今天已取得了很大的过展，已开发出的厌氧反应 器很多。按发展年代来分类可分为三类，第一代厌氧反应器是2 0 世纪5 0 年代前开发的， 如传统厌氧消化池，其特点是污泥龄( s r t ) 等于水力停留时间( h r t ) ：2 0 世纪6 0 年 代发后开发的厌氧反应消化工艺称为第二代厌氧反应器如u a s b ，其特点是污泥龄 ( s r t ) 与水力停留时间( h r t ) 分离，两者不相等：2 0 世纪9 0 年代初，以e g s b 、i c 、 a b r 为代表的第三代反应器得到迅速发展，其特点是能承受更高的水力负荷并具有较 高的有机污染物净化效能。 厌氧反应器的发展与厌氧消化机理研究的不断深入和微生物学方面的研究密切相 联。1 9 5 0 年，s t a n d e r d 6 1 开始意识到厌氧反应器中维持大量细菌的重要性。1 9 5 5 年， s c h r o e p f e r j 开发了厌氧接触法。厌氧接触法的出现是现代厌氧工艺的开端。六、七十 年代，随着世界性的能源危机和环境问题日益突出，一批高效低能耗的新型现代厌氧反 应器陆续问世，如：厌氧滤池( a f ) ，厌氧膨胀颗粒( e g s b ) 反应器，升流式厌氧污 泥层( u a s b ) 反应器f 2 0 】，厌氧流化床( a f b ) 【2 1 】，厌氧附着膜膨胀床( a a f e b ) 2 2 1 ，厌氧生 物转盘( a r b c ) 睇3 j 和厌氧折流板反应器( a b r ) 口4 】等，它们的最大特点是能维持较长的固 相停留时间( s r t ) 和较高的生物量，从而大大提高了容积负荷，缩短了水力停留时间 ( h r t ) 。同时，厌氧生物处理的范围从仅局限于污水污泥的消化发展到各种高浓度甚至 低浓度的生活污水的处理。7 0 年代，p o h l a n d 和g h o s h l 2 5 1 提出的相分离概念和二相厌氧 工艺，即建造两个独立控制运行的反应器，通过其各自的运行参数进行调控，使其分别 满足产酸发酵细菌和产甲烷细菌的最适生长条件，这样就可以在两个不同的反应器中分 别培养出第一阶段细菌( 产酸和发酵细菌) 和第二阶段细菌( 产甲烷细菌) ，使其分别发挥 其各自最大的代谢能力，从而使整个工艺达到更好的处理效果，扩大厌氧处理工艺的处 理能力和提高工艺的运行稳定性。根据两个反应器中各自的终产物的特征，把第一个反 广西大掌硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨酸生产废水降解动力掌研究 应器称为产酸相反应器，而第二个反应器则称为产甲烷相反应器，由此形成了所谓的“两 相厌氧消化”的概念。随着现代高效厌氧消化技术的兴起和发展，两相厌氧消化工艺， 也像其他厌氧反应器的开发和研究一样，受到人们越来越多的重视，得到了多方面的研 究和应用。所有这些新型厌氧反应器的出现，突破了厌氧处理需要较大的水力停留时间、 较高的反应温度和容积负荷低等传统观念。 i 3 2 厌氧折流板反应器( a b r ) 的工艺思想 实践表明，一个成功的厌氧反应器必须具备以下特点。 ( 1 ) 良好的污泥截留性能，以保证拥有足够的生物量。由于厌氧微生物的较长世 代期，因此高污泥保有量是保证微生物转化总量，即厌氧生物处理效率的基础和前提。 ( 2 ) 良好的水力流态。局部的完全混合使生物污泥能够与进水基质充分混合接触， 以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的基质，而整体的椎流保证一定的底物浓度 梯度，提高出水水质。 ( 3 ) 良好的微生物功能分区，即相分离特性。具有提供不同类型微生物所适宜的 不同的生长环境条件的功能，以使不同种群的厌氧微生物在最优环境条件下发挥功能、 稳定运行。 基于此，l e t t i n g a l 2 6 1 提出了分阶段多相厌氧反应器技术( s t a g e dm u l t i p h a s ea n a e r o b i c r e a c t o r ，s m p a ) 的概念，s m p a 并非特指某个反应器，而是- 4 十新工艺思想。其理论思 路如下。 ( 1 ) 在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及 环境因子，如p h 值、h 2 分压等。 ( 2 ) 防止各个单体中独立发展而形成互相混合现象。 ( 3 ) 将各个单体或隔室内的产气互相隔开。 ( 4 ) 工艺流程更接近于推流式，追求系统更高的去除率，更好的出水水质。 l e t t i n g a 认为s m p a 工艺的适用范围更为广泛，从低温( 小于1 0 ) 到高温( 大于 5 5 ) 均可运行，而且对各种含抑制性化合物的化工废水也具有较高的降解效能。厌氧 折流板反应器( a b r ) 正是源于s m p a 理论的第三代新型厌氧反应器。 3 3 厌氧折流板反应器( a b r ) 的研究进展 a b r ( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ) 是2 0 世纪8 0 年代中期由b a c h m a n _ 币1 3 m c c a r t y t 2 4 1 等人 从厌氧生物转盘工艺发展而来的。a b r 内由若干组垂直折流板把长条形反应器分隔成若 干组串连的反应室，迫使废水流以上下折流的形式能通过反应器如图l ，4 所示。 当废水通过a b r 时，要自下而上流动与大量的活性生物量发生多次接触，从而大大 提高了反应器的容积利用率。a b r 是一种各隔室趋于完全混合流态而整体趋于推流流态 的复合流态反应器1 2 ”，a b r 的结构使其中的微生物种群在沿反应器长度上的不同隔室中 广西大掌硕士学位荫! 文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨酸生产废水降解动力掌茸f 究 顺次实现产酸相和产甲烷相分离，从而使得a b r 具有良好的相分离特性。b o o p a t h y 【2 8 l 等在以0 9 7 k g c o d ( m 3 d ) 的初始负荷启动a b r 并保持上升流速低于0 4 6 m m 以促进絮状 体的形成的研究过程中发现，1 个月后，每一反应室都出现了粒径为0 5 m m 的稳定的颗 粒污泥，3 个月后颗粒污泥长大至3 5 r a m 左右。国内对a b r 的颗粒污泥特性研究也不乏其 数，如戴友芝f 2 9 1 用a b r 处理以葡萄糖为共基质的含五氯酚钠( p c p 2 n a ) 有毒废水，进 沼气 b i o g a s 出水 e m u e n i 污泥床 s l u d g eb e d 图卜4 厌氧折流板反压器构造图 f i g 1 - 4f l o w c h a r to f a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r 水c o d 为1 1 0 0 1 2 0 0 m g l ，h r t 为1 d 。结果表明，在有毒物低于抑制浓度下，反应器内 能形成颗粒污泥。颗粒污泥表面为发酵产酸菌，内部为产甲烷菌，自身形成良好的有机质 分解链。各室微生物的组成与分布随流向逐室递变，递变的规律与底物的降解过程相关。 污泥的产甲烷活性和沉降性能等与其微生物组成结构密切相关。徐金兰【3 、赵丹f 3 1 1 等也 对a b r 应用于废水处理中所形成的颗粒污泥特性展开了研究。 近年来，关于a b r 处理废水的报道越来越多，国内如：陈洪斌；李清雪：孙剑辉； 雷中方等【3 2 埘1 ；国外如：a l e t t e a m ；k s t a m a t e l a t o u ；m f a i s a l 【3 2 1 ；试验与应用实践 表明，a b r 能够成功的运用到多种类型废水处理中，而且对于低温、高s s 废水、含硫 废水等类型的废水均有较好的处理效果。 1 4 山梨酸生产废水的研究进展 目前国内生产山梨酸的企业仅有几家，在相关文献上鲜见山梨酸废水处理的报道。 邹家庆【4 划针对高浓度山梨酸废水具有有机物浓度高、难降解的特点，从优化厌氧生 化处理入手，设计了厌氧一生物接触氧化法的工艺路线进行实验研究。结果表明，经5d 厌氧处理后，b o d c o d 值由0 1 7 提高n o 2 8 ，再配合1 2 h 生物接触氧化处理，使c o d 从 7 0 0 0 m e f l 左右降至1 5 8 0 m g l ，c o d 平均总去除率达7 7 4 。并研究了生物接触氧化法 处理山梨酸废水动力学过程、工艺特性和影响因素，根据实验结果归纳出动力学方程： 广西大学硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨酸生产废水降解动力掌研究 ! ：9 3 3 6 上+ 1 6 8 2 ， s 。一s 。s 。 同时求出山梨酸废水在2 0 2 5 时的动力学参数u m a x = 0 5 9 4 5 9 l h ，k s = 5 5 5 0 9 l ， 为该法处理山梨酸废水提供了依据，使得放大设计与工程运行顺利进行。 陆林华 4 4 1 采用混凝一生化法处理c o d 和b o d 5 高、酸性强的山梨酸废水，处理效果 很好，c o d 去除率为9 9 8 ，b o d 5 去除率为9 9 9 ，s s 去除率芏3 9 2 ，色度去除率为 9 6 6 。胡允良【4 5 1 通过淹没式厌氧生物滤池和膜分离活性污泥法处理山梨酸废水，c o d 总去除率高达9 3 9 9 ，出水c o d c r s _ 3 0 0 m g l ，达至i j g b 8 9 7 8 一1 9 9 6 污水综合排放 标准行业二级排放标准，顺利通过当地环保部门的验收。丁成1 4 州用生物氧化法对高浓 度山梨酸工业废水进行了试验性研究，结果表明c o d c r 去除率达9 1 3 ，废水可以达 标排放。大赛璐公司采用活性污泥法处理该公司的生产废水，但最终处理出水没能达到 排放标准。韦旭【47 1 的山梨酸生产废水生物降解特性研究结论如下：山梨酸生产废水在不 同浓度下，对微生物所产生的抑制作用不同，山梨酸生产废水c o d c ，浓度小于5 0 0 0 m g l ， 抑制作用不明显。而当在c o d c ，浓度6 0 0 0 m g l 7 5 0 0 m g l 有抑制作用，但属于代谢毒性， 污泥经简短适应期后可迅速恢复活性，山梨酸废水完全可以采用厌氧生物处理法。 9 广西大掌硕士学位论文厌氧折流板反应嚣( a b r ) 处理山梨酸生产废水降解动力掌研究 第二章a b r 处理山梨酸生产废水的试验研究 2 1 试验装置 本试验所采用设备及工艺流程如图2 1 所示。四隔室的a b r 反应器用有机玻璃板 材制成，各隔室上部联通，反应器只设置一个出气通道，详细工艺构造参数见表2 1 。 反应器各隔室参数都相同，进行污泥接种后置于恒温3 5 ：b 24 c 水浴箱中。接种污泥为已 经在室温下放置2 个月的颗粒污泥，此污泥曾采用相同的废水作为基质进行了半年驯化。 图2 - 1a b r 工艺流程图 f i g 2 - ls c h e m a t i c p r o c e s s f l o w o f a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r 表2 - 1a b r 结构参数 t a b l e 2 1p a r a m e t e r so f a b rs t r u c t u r e 0 广西大掌硕士掌位论文厌氧折漉板反应器( a b r ) 处理山梨政生产废水降解动力学研究 2 2 试验用水 本试验用水为大赛璐食品添加剂有限公司的山梨酸生产废水，其主要成分包括丁烯 醛、山梨酸、山梨酸钾以及生产过程的载液( 苯环酸类) 、丙酮、醋酸、乙醇、甲醇等。 其水质指标见表2 2 。 表2 - 2 山梨酸生产废水的水质指标 t a b l e 2 - 2 t h ec h a r a c t e r i s t i co f p o t a s s i u ms o r b a t ew a s t e w a t e r 从表2 2 可以看出，山梨酸生产废水的b o d 5 c o d 约为0 3 ，若以此数值与其它易生 物降解废水的b o d ，c o d 数值( 0 5 0 8 ) 州相比较可认为山梨酸生产废水为不易生物降 解废水。根据n h 4 _ n 和t p 的含量，按微生物生长的需求c o d ：n ：p = 5 0 0 ：5 ：1 来分析， 废水中的磷源及氮源含量都不能满足微生物生长的需求，故在进行厌氧生物处理时必须 添加一定的营养元素( n h 4 h c 0 3 、k h 2 p 0 4 ) ，以满足微生物的生长需要。废水中的悬浮 物含量浓度较低，因此可不考虑在a b r 进水前对废水再进行混凝、沉淀等预处理。 2 3 分析项目及分析方法 2 3 1 分析项目及分析方法 主要分析项目及分析方法 4 9 1 见表2 3 。 表2 - 3 废水分析项目和仪器 t a b l e 2 - 3a n a l y s i si t e ma n da p p a r a t u so f w a s t e w a t e r 广西大学硕士掌位论文厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨政生产废水降解动力掌研究 2 3 2 微生物电子显微镜分析方法 试验中采用扫描电子显微镜分析颗粒污泥表观特征，扫描电子显微镜( s f m ) 分析颗 粒污泥表观特征的操作步骤：从反应器中提取厌氧污泥，沉淀分离，在4 条件下，用 5 的戊二醛将污泥样品固定2 h 。用p h 值2 7 的磷酸缓冲液漂洗几小时( 期问至少更换洗液 5 - 6 次) ，用l 的锇酸( o 。0 4 ) 固定6 h ：用p h 值7 2 的磷酸缓冲液漂沈几小时或更长时间( 5 - 6 次) ，5 0 ，7 0 ，9 0 ，1 0 0 ( 4 次) 乙醇脱水，1 0 0 乙醇两份+ 醋酸异戊脂置换2 0 3 0 m i n ， 干燥，离子溅射f 日产2 b 一5 离子溅射仪) ，扫描电镜观察( 日立s 5 7 0 扫描电镜) 。 2 4a b r 处理山梨酸生产废水的运行试验 2 4 1a b r 运行过程 为了研究a b r 在不同污泥负荷下对山梨酸生产废水的处理效果，并对其基质降解 动力学及颗粒污泥特性进行分析研究，将a b r 运行试验过程分为三个阶段，即三种不同 的污泥负荷。在进水浓度不变的情况下，逐渐增大反应器的污泥负荷，研究随着有机负 荷率的逐渐提高，反应器相分离的特点、处理效率及稳定性的变化规律、实现快速启动 的关键因素等，在此条件下对所测得数据进行拟合以期求出降解动力学参数。同时考察 a b r 沿水流方向各隔室颗粒污泥的形态、代谢活性，并对可能的颗粒污泥形成机理进 行观察与分析，探讨颗粒污泥的微生物优势种群组成及演替规律。三种不同污泥负荷的 稳定阶段以反应器出水c o d 值稳定在某数值范围，即波动不大并维持至少一周以上为 准。 整个试验过程持续一百多天，在进水c o d 浓度( 约5 0 0 0 7 0 0 0 m g c o d l ) 和恒温 ( 3 5 4 - 2 0 c ) 的条件下，通过调节流量来改变运行工况。按不同的污泥负荷可分为三个运 行阶段。第一阶段，污泥负荷为0 5 4 k g c o d ( k g v s s d ) ，相应的水力停留时间为3 天， 持续3 0 天，c o d 去除率范围为7 8 8 5 。第二阶段，污泥负荷为0 7 6 k g c o d ( k g v s s d ) ， 相应的水力停留时间为2 天，也持续了3 0 天，c o d 去除率范围为6 6 7 6 。第三阶段， 污泥负荷为1 6 3k g c o d ( k g v s s d ) ，相应的水力停留时间为1 天，持续了4 0 天，c o d 去除率范围为4 4 5 5 。从a b r 处理山梨酸生产废水处理效果来看，对于含有难生物降 解物质较多的山梨酸生产废水，较短的停留时间难以达到理想的处理效果，水力停留时 间延长，处理效果明显增加，这是由于厌氧微生物充分对有机物进行分解的缘故。但当 水力停留时间延长至7 2 小时，c o d 去除率虽有增加，而增长速率明显趋缓，说明此时 废水中易降解的有机物质大部分已经被去除，而剩余的难生物降解物质的降解难度较 大，需要更长的时间才嗡对其进行有效的降解。 广西大掌硕士掌位论文 厌氧折流板反应器( a b r ) 处理山梨蘸生产废水降解动力掌研究