（环境工程专业论文）厌氧反应器快速启动方法试验研究.pdf

摘要 厌氧微生物世代周期长、增殖速率缓慢，因此厌氧反应器普遍存在启动周期长的缺 点，一般情况下，厌氧反应器的启动时间常需数月，甚至更长，这在某种程度上影响了 厌氧处理技术的推广应用。此外，厌氧反应器运行过程中高额的碱度费用问题直接关系 到厌氧工艺的经济可行性。本文研究的主要目的就是缩短厌氧反应器启动时间和降低厌 氧反应器运行过程中碱度投加量。 本课题以u a s b 反应器和a b r 反应器为研究对象，以实验室保存的，已具有颗粒 污泥的某些特征的厌氧污泥为接种污泥，以人工配置的高浓度有机废水为试验用水，以 不同的c o d 负荷和进水碱度为启动条件，以c o d 去除率和出水v f a 等为控制指标， 考察厌氧反应器在不同启动策略下的启动速度及运行工况。在实验室模拟废水确定的最 佳启动条件下，又对快速启动技术在工业废水中的应用进行了探讨。本课题还对两种反 应器在启动及运行过程中的异同之处进行了对比研究，并对快速启动技术进行了技术经 济分析。 试验研究结果表明，u a s b 反应器的最佳启动条件为：容积负荷为2 0k g ( m 3 d ) ， c o d 浓度约2 0 0 0 m g l ，进水碱度1 5 0 0 m g l ，水力停留时间2 4 h ，反应器内部温度 2 0 - - , 2 8 ，在此条件下u a s b 反应器可在1 0 1 5 d 的时间内成功启动并稳定运行，启动成 功后反应器可在1 0 0 0 m g l 左右的低碱度条件下稳定运行；a b r 反应器的最佳启动条件 为：容积负荷4 0k g ( m 3 d ) ，c o d 浓度约4 0 0 0 m g l ，进水碱度1 0 0 0 m g l ，水力停留时 间2 4 h ，反应器内部温度1 8 3 0 。c ，在此条件下a b r 反应器可在7 d 的时间内成功启动 并稳定运行，启动成功后反应器可在5 0 0 m g l 左右的低碱度条件下稳定运行。 工业废水应用性试验研究结果表明，在实验室模拟废水确定的最佳启动条件下，用 皂素废水不能顺利启动u a s b 反应器，用果汁废水可成功实现u a s b 的快速启动，但 须在较高的碱度条件下才能稳定运行；用皂素废水、表面活性剂废水等均可实现a b r 反应器的快速启动，且启动成功后可在低碱度条件下稳定运行。 对比试验研究结果表明，在各自确定的最佳启动条件下，a b r 反应器在启动条件、 启动速度、抗冲击能力、碱度需求量、处理能力和处理效果等方面均优于u a s b 。与常 规启动相比，快速启动技术的经济性较强。 关键词：厌氧反应器，快速启动，启动条件，碱度，工业废水应用性试验 a b s t r a c t d u et ot h el o n gg e n e r a t i o nc y c l eo fa n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s m s ，t h ea n a e r o b i cr e a c t o r s e x i tt h ec o m m o nd i s a d v a n t a g eo fl o n g - t e r mo fs t a r t - u p i ng e n e r a l ，t h ea n a e r o b i cr e a c t o r s t a r t u pt i m eo f t e nt a k e ss e v e r a lm o n t h so re v e nl o n g e r , w h i c ht os o m ee x t e n ta f f e c t e dt h e a p p l i c a t i o no fa n a e r o b i ct e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，t h eh i g hc o s to ft h ea l k a l i n i t yd u r i n gt h e o p e r a t i o no ft h ea n a e r o b i cr e a c t o r si sr e l a t e dt ot h ee c o n o m i cv i a b i l i t yo fa n a e r o b i cp r o c e s s d i r e c t l y t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e d u c et h es t a r t - u pt i m e so fa n a e r o b i cr e a c t o r s a n dr e d u c et h ea l k a l i n i t yd o s a g ed u r i n gt h eo p e r a t i o no fa n a e r o b i cr e a c t o r s t h es e e ds l u d g eu s e di nt h et e s tw a sa n a e r o b i cs l u d g e ，w h i c hp r e s e r v e di nt h el a b o r a t o r y , a n dt h es l u d g eh a sb e e ns o m eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l a rs l u d g e t h ew a s t e w a t e rw a s t h ea r t i f i c i a lh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e r a n a e r o b i cr e a c t o rr a p i ds t a r t u pt e s tw a s p r o c e e d e di nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tv o l u m el o a da n da l k a l i n i t y , a n dt h er e m o v a lr a t eo f c o da n dt h ev f aw e r et h ec o n t r o li n d e x e s ，t oi n v e s t i g a t et h es t a r t i n gs p e e da n do p e r a t i n g c o n d i t i o n su n d e rd i f f e r e n ts t a r t i n gs t r a t e g i e s i nt h eb e s tc o n d i t i o n s ，w h i c hw e r ed e t e r m i n e d b yl a b o r a t o r ys i m u l a t e dw a s t e w a t e r , t h ea p p l i c a t i o no fq u i c k s t a r tt e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a l w a s t e w a t e ra l s ow a sd i s s c u s s e d t h es u b j e c ta l s oc o m p a r e dt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e s b e t w e e nu a s ba n da b ri nt h ep r o c e s so fs t a r t i n ga n do p e r a t i o n , a n da n a l y s e dt h et e c h n i c a l a n de c o n o m i co ft h eq u i c k s t a r tt e c h n o l o g y t h er e s u l t so ft h et e s ts h o w e dt h a t ，t h eb e s ts t a r t i n gc o n d i t i o n so fu a s ba r ea sf o l l o w s ： v o l u m el o a d 2 0 k g ( m 3 - d ) ) ，c o d c o n c e n t r a t i o na b o u t2 0 0 0 m g l ，i n f l u e n ta l k a l i n i t y 15 0 0 m g l ，h r t = 2 4 ha n dt e m p e r a t u r e2 0 3 0 c u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，u a s bc a ns t a r t - u p s u c c e s s f u l l yi n10 15 da n do p e r a t es t a b l y a f t e rt h es u c c e s s ，u a s bc a no p e r a t es t a b l yu n d e r t h ec o n d i t i o n so fl o wa l k a l i n i t y , a b o u tl0 0 0 m g l a n dt h eb e s ts t a r t i n gc o n d i t i o n so fa b ra r e a sf o l l o w s ：v o l u m el o a d 4 0 k g ( m 3 - d ) ) ，c o d c o n c e n t r a t i o na b o u t4 0 0 0 m g l ，i n f l u e n t a l k a l i n i t y10 0 0 m g l ，h r t = 2 4 ha n dt e m p e r a t u r e18 - 3 0 u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，u a s bc a l l s t a r t - u ps u c c e s s f u l l yi n7 da r o u n da n do p e r a t es t a b l y a f t e rt h es u c c e s s ，a b rc a no p e r a t e s t a b l yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o wa l k a l i n i t y , a b o u t5 0 0 m # l t h er e s u l t so fi n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra p p l i c a t i o nt e s ts h o w e dt h a t ，i nt h eb e s ts t a r t i n g c o n d i t i o n s ，d e t e r m i n e db ys i m u l a t e dw a s t e w a t e rt e s ti nl a b o r a t o r y , s a p o n i nw a s t e w a t e rc a nn o t s t a r tu pu a s bs u c c e s s f u l l y ，a n df r u i tj u i c ew a s t e w a t e rc a l la c h i e v et h er a p i ds t a r ts u c c e s s f u l l y , b u ts h o u l db eo p e r a t e ds t a b l yi nt h ec o n d i t i o n so fh i g h e ra l k a l i n i t y w h i l ef o ra b r , 、 ，i t h s a p o n i nw a s t e w a t e ra n dl a sw a s t e w a t e r , b o t hc a l la c h i e v er a p i ds t a r to fa b rs u c c e s s f u l l y , a n dc a no p e r a t es t a b l yi nt h ec o n d i t i o n so fl o w e ra l k a l i n i t ya f t e rs t a r t i n g u p c o m p a r a t i v et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ，i nb e s ts t a r t i n gc o n d i t i o n s ，i nt h ew a y so fs t a r t i n g c o n d i t i o n s ，s t a r t i n gs p e e d ，s h o c kr e s i s t a n c ec a p a c i t y , a l k a l i n i t yd e m a n d ，p r o c e s s i n gc a p a c i t y a n dt r e a t m e n te f f i c i e n c y , e t c ，a b rw a ss u p e r i o rt ou a s b c o m p a r e d 谢n lc o n v e n t i o n a l s t a r t i n g ，q u i c k s t a r tt e c h n o l o g yw a sm o r ee c n o m i c a l k e y w o r d s ：a n a e r o b i cr e a c t o r s ，r a p i ds t a r t - u p ，s t a r t i n gc o n d i t i o n s ，a l k a l i n i t y , i n d u s t r i a l w a s t e w a t e ra p p l i c a t i o nt e s t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：荡毵伸 叫年j 月劫e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 卅年，月2 0e 1 1 肿日 长安大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代以来，随着工业的飞速发展和人口的不断增加，能源、资源和环境 等问题变得日趋严重，其中能源的短缺尤为突出。在废水的生物处理工艺中，传统的好 氧生物处理方法需要消耗大量能源。废水好氧生物处理方法的实质是利用电能的消耗来 达到改善废水水质使其符合水域环境质量要求的一种技术措施，所以，废水好氧生物处 理是耗能型的废水处理技术。据统计，发达同家用于废水处理的能耗已占到了全国总电 耗的3 左右【l l 。世界各国尤其是第三世界国家，已日益感到为了解决环境问题所需付 出大量能耗的沉重负担，正在不断研究和探索采用高效率低能耗的新型废水处理技术。 在众多的废水生物处理工艺中，人们又重新认识到采用厌氧生物处理工艺处理有机废水 和有机废物的重要性，希望能把厌氧生物法作为一种可替代好氧生物法的处理工艺。与 好养法相比厌氧生物法不仅可以节省能耗，而且还可把有机物转化为生物能沼气。 由此可知，厌氧生物处理技术是一种既节能又产能的废水生物处理工艺。经过各国学者 的不断研究，厌氧生物法不仅可处理高浓度有机废水，而且能处理中等浓度的有机废水， 还成功地实现了处理低浓度有机废水，这为废水处理方法提供了一条高效能、低能耗， 且符合可持续发展原则的途径。 从2 0 世纪7 0 年代开始，高效厌氧生物处理技术迅速发展，目前厌氧生物处理技 术作为高效、低耗的废水处理工艺已经得到国内外众多研究者的普遍承认。但由于厌氧 微生物世代周期长、增殖速率缓慢，因此厌氧反应器普遍存在启动周期长的缺点。一般 情况下，厌氧反应器的启动时间常需数月，甚至更长，特别是大型项目，技术条件和措 施要求更高，这在某种程度上影响了厌氧处理技术的推广应用。近年来，国内外围绕加 速污泥颗粒化来实现厌氧反应器快速启动的研究日益增多，并取得了一定的成果【2 , 3 1 。但 对于以颗粒污泥为接种污泥的厌氧反应器的快速启动过程以及正常运行的厌氧反应器 经较长时间闲置后的快速恢复过程却鲜见于报道，而这对于以颗粒污泥为接种污泥的厌 氧反应器的启动、处理季节性废水( 如果汁废水、啤酒废水等) 以及处于某些特定情况 下( 如反应器及其他处理设施的检修、维护等) 的厌氧反应器来说具有重要的意义。 第一章绪论 1 2 厌氧生物处理技术的产生与发展 从1 8 8 1 年法国( c o s m o s 杂志报道应用厌氧生物技术处理市政污水中的大量易腐 败有机物起，厌氧生物处理技术已经有了1 2 0 余年的历史，但由于人们对参与这一过程 的微生物的研究和认识不足，致使该技术在过去的1 0 0 多年里发展较为缓慢，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己被打破，该技术的 优越性更加突现出来。纵观厌氧生物处理技术的发展历程，可以总结为以下三个阶段【4 1 。 第一阶段( 1 8 6 0 1 8 9 9 ) ，简单的沉淀与厌氧发酵合池并行的初期发展阶段。该阶段 的特点是：把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池中进行，即以简易的沉淀池为基 础，适当扩大其污泥储存容积，作为挥发性悬浮生物固体液化的场所；其处理对象为 污水和污泥。 第二阶段( 1 8 9 9 1 9 0 6 ) ，污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段。这个阶段的特 点是：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 进行，由此形成了所谓的双层沉淀池；的污染指标仍以悬浮固体为主，但生物气的能 源功能已为人们所认识，并开始开发利用。 第三阶段( 1 9 0 6 至今) ，独立式营建的高级发展阶段。这个发展阶段的特点是： 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；把有机废水、 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 利用也被看作重要任务提到了议事日程；处理对象除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。 1 3 厌氧反应器快速启动方法简介 从2 0 世纪7 0 年代开始，大批高效厌氧生物处理技术迅速发展，但在国内外大量应 用高效厌氧生物反应器的工程实践中，仍然遇到了许多问题，如快速启动问题，颗粒污 泥的形成机制以及优化启动措施等一直是各国学者关注的课题。就目前来讲，有关厌氧 反应器的快速启动的研究主要集中在加速污泥颗粒化方面。 1 3 1 投加无机絮凝剂或高聚物 投加无机絮凝剂或高聚物可以通过降低系统氧化还原能力、提高颗粒与微生物间接 触与附着、静电吸附及吸附架桥作用来强化颗粒化过程。m a c a r i e 和g u y o t 研究发现【5 1 ， 在处理难生物降解有机污染物亚甲基安息香酸废水时，向废水中投加f e s 0 4 和生物易降 2 长安大学硕士学位论文 解培养基后，可以有效地降低原系统的氧化还原能力，达到一个合适的亚甲基源水平， 加速污泥颗粒化，缩短反应器的启动时间。王林山等人1 6 j 向厌氧接种污泥中投加膨润土 和聚丙烯酰胺，采用常温间歇式进料，在一个月内获得了颗粒污泥。i r n a i 7 研究了向接 种污泥中添加吸水性聚合物( w a p ) 的作用，研究表明：在颗粒污泥形成过程中，向反 应器内投加w a p 约7 5 0 m g l 时，明显强化了以葡萄糖或v f a 为基质的实验室规模和中 试规模u a s b 反应器的颗粒化过程。t i w a r i 等人【8 】用u a s b 处理低浓度有机废水时，在 反应器中投加壳聚糖、带负电r e e t h a 、带正电r e e t h a 与不投加任何物质对比，产生的 颗粒污泥粒径分别为，投加壳聚糖的粒径最大，带正电r e e t h a 次之，接着是带负电 r e e t h a ，不投加任何物质的最小。 1 3 2 投加细微颗粒物 向反应器中投加适量的细微颗粒物如粘土、陶粒、颗粒活性炭等惰性物质，利用颗 粒物的表面性质，加快细菌在其表面的富积，使之形成颗粒污泥的核心载体，有利于缩短 颗粒污泥的出现时间。周律等【9 】研究了通过投加颗粒活性炭加快处理啤酒废水的u a s b 反应器的启动，结果使启动时间由原来的3 6 月缩短为1 个月。y u 等【1o 】研究了在u a s b 反应器启动期间，粉末活性炭( p a c ) 和颗粒活性炭载体( g a c ) 对强化污泥颗粒化的 作用，结果表明在不加惰性物质时实现污泥颗粒化约需9 5 d ，而投加p a c 和g a c 分别 减少了2 5 d 和3 5 d 。h u i s h o f f p o l 1 1 】说明了惰性载体颗粒在颗粒化过程中的重要性，同时 还观察到添加无烟煤颗粒( 尺寸为0 2 5 , - 0 4 2 m m ) 可显著减少中温条件下颗粒化所需时 间。y o d a 等报道添加1 0 0 1 m a 粉末沸石作为载体比无沸石时颗粒污泥形成快。r o s s 1 3 】 报道了粉末活性炭的存在提高了处理玉米加工废水污泥的可沉降性。 1 3 3 投加金属离子 适量惰性物如c a 2 + 、m 9 2 + ；b c 0 3 玉、s 0 4 2 。等离子的存在，能够促进颗粒污泥初成体的 聚集和粘结。多位研究者研究了颗粒化中惰性颗粒的作用。s c h m i d 等【1 4 】研究表明，二 价金属离子能挤压污泥( 尤其是颗粒污泥) 呈扩散状的双层结构，使细胞间的范德华力 增强，同时与污泥有机质中的阴离子之间存在较强的相互作用。y u 等a t l 5 】向反应器中 投加1 5 0 3 0 0 m g l c a ：+ ，提高了生物量的积累，加速反应器的启动，但是在这个过程中 没有改变反应器中优势种群。王长辉( 1 6 】研究微量元素在厌氧生化处理中的应用时发现， f e 2 + 、z n 2 + 、c 0 2 + 和n i 2 + 对厌氧微生物生长有促进作用，适量添加这些离子可大大缩短 反应器中厌氧污泥颗粒化的时间。一些二价的重金属离子如c u 2 + ，不但不能提高厌氧颗 第一章绪论 粒污泥的产甲烷活性，反而会产生较强的抑制作用，影响颗粒化进程。 1 4 研究的目的和意义 1 4 1 高速厌氧反应器应用中存在的问题 ( 1 ) 启动时间较长。将未经驯化的非颗粒污泥接种于新建的厌氧生物反应器中， 使反应器从初始负荷逐步提高达到设计有机负荷，并在反应器中培养出足够数量的活性 高、沉降性能良好的厌氧颗粒污泥，这个过程称为反应器的启动。反应器的启动和污泥 颗粒化是同步进行的。由于厌氧微生物的世代时间长，比增长速率较低，污泥增长缓慢， 因此厌氧生物反应器启动时间普遍较长，一般长达锱个月，甚至更长。在实际工程中， 快速顺利地启动反应器往往是整个废水处理工程中的关键环节，启动速度成为制约高速 厌氧工艺广泛应用的瓶颈。因此，缩短厌氧反应器启动时间是近年来厌氧工艺研究的热 点之一。 ( 2 ) 厌氧反应器运行过程中投加碱度费用问题。厌氧处理系统具有剩余污泥量少、 无需供氧等优点，但在处理许多工业废水时投加碱度的费用对其经济性能有不利影响。 在厌氧条件下，糖类和简单有机物等易降解有机物能很快转化为挥发酸，容易造成v f a 积累，抑制甲烷菌的活性，厌氧反应器的“酸化 会使处理过程彻底失败。另外，由于 厌氧反应器的密闭性，使反应器上空含有高分压c 0 2 的生物气无法进行自然空气吹脱。 所以，厌氧处理废水时需要投加碱度，以维持反应器内适宜的p h 值。投加碱度导致生 产装置运行费用昂贵，直接关系到厌氧工艺的经济可行性。因此，如何有效降低废水厌 氧处理过程中碱度需求也是厌氧工艺运行的关键问题之一。 1 4 2 研究的目的和意义 实现厌氧反应器快速启动的首先条件是厌氧污泥的快速颗粒化，但随着厌氧生物处 理技术应用的日益广泛，使得利用厌氧颗粒污泥作为接种污泥成为了可能。因此，研究 以颗粒污泥作为接种污泥的厌氧反应器的快速启动方法就显得尤为重要。本文研究的主 要目的就是以部分实现颗粒化的厌氧污泥作为接种污泥，确定厌氧反应器快速启动的最 佳启动条件。考虑到厌氧运行过程中投加碱度的费用问题，同时将厌氧反应器在低碱度 条件下稳定运行的可行性作为本研究的重要目的之一。 本研究通过工艺运行影响因素的分析，探讨各影响因素对厌氧反应器快速启动的影 响，研究试验运行的最佳参数条件，确定出最佳启动条件，并在实验室模拟废水试验的 4 长安大学硕士学位论文 基础上进行工业废水应用试验，为厌氧反应器的快速启动提供切实可靠的启动方案和技 术参数，这对缩短反应器启动时间、推进厌氧反应器在实际工程中的应用，具有重要的 现实意义。同时，实现厌氧反应器在低碱度条件下稳定运行，对降低厌氧反应器的运行 费用、提高厌氧工艺的经济性也有着重要的意义。 1 5 主要研究内容 本论文是在理论指导的基础上，强调理论联系实际，在广泛查阅国内外相关文献的 基础上，依据国内外对厌氧反应器快速启动方法研究的现状并结合本实验室的实际情 况，确定以u a s b 和a b r 反应器为研究对象，以实验室模拟废水为处理目标，通过试 验寻求高效、低耗、实用的厌氧反应器快速启动工艺技术路线，并对厌氧反应器启动过 程中出现的现象进行探讨。在实验室模拟废水研究的基础上，进行工业废水应用性性试 验研究，进一步验证该工艺的可靠性及可行性。试验的主要内容如下： ( 1 ) 探索u a s b 反应器的快速启动方法。u a s b 快速启动试验以不同的c o d 负荷 和进水碱度为启动条件，以c o d 去除率和出水v f a 为控制指标，考察u a s b 反应器在 不同启动策略下的启动速度及运行工况，确定快速启动u a s b 反应器的方法和最佳条 件。 ( 2 ) 探索a b r 反应器的快速启动方法。与u a s b 启动试验相同，a b r 反应器的 快速启动也以不同的c o d 负荷和进水碱度为启动条件，以c o d 去除率和出水v f a 为 控制指标，考察a b r 反应器在不同启动策略下的启动速度及运行工况，确定快速启动 a b r 反应器的方法和最佳条件，同时对反应器内部不同隔室的运行工况进行研究，确 定各隔室在反应器启动和运行过程中的功能和作用。 。( 3 ) 快速启动技术在工业废水处理中的应用试验研究。在实验室模拟废水试验研 究的基础上，将在模拟废水中效果较好的启动方案应用于工业废水试验。通过工业废水 应用试验，进一步验证实验室模拟废水所提出的厌氧反应器的快速启动方案的可行性， 从而为实际应用中的厌氧反应器的快速启动提供实践依据。 ( 4 ) a b r 和u a s b 快速启动技术对比试验研究。对实验室模拟废水启动u a s b 和 a b r 反应器启动过程的异同之处进行比较分析；对模拟废水所确定的u a s b 和a b r 反 应器的快速启动技术在不同工业废水处理中的应用过程进行对比。全面考察u a s b 和 a b r 反应器在启动速度、抗负荷及碱度冲击能力、处理能力和处理效果等方面的特点， 为a b r 反应器在实际工程中的应用提供理论和实践依据。 5 第一章绪论 ( 5 ) 试验工作总结。通过实验室试验，对厌氧反应器的快速启动提出最佳运行参 数及总结性观点，并对试验中存在的问题以及今后研究方案的改进提出建议。 1 6 技术路线 本试验的技术路线如图1 1 所示。 图1 1 试验研究技术路线图 6 长安大学硕士学位论文 第二章厌氧生物处理技术简介 2 1 厌氧生物处理技术的原理 有机废水的厌氧生物处理是指有机物在厌氧微生物的作用下转化为甲烷、二氧化碳 的过程。厌氧生物处理是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、同时进行的极其复杂的生物化学过程。1 9 7 9 年m e b r y a n t 提出了厌氧 消化的三阶段理论，几乎同时，j g z e i k u s 在第一届国际厌氧消化会议上提出了四菌群 说理论。所以有机物的厌氧消化过程可以描述为“三阶段四菌群 生物化学过程【l 7 1 ，具 体过程如图2 1 所示。 图2 1 有机物厌氧发酵过程 2 1 1 三阶段理论 ( 1 ) 水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被 分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化为较简单的糖类、蛋白质转化为较简单的氨 基酸、脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧 发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸( v f a ) 和醇类。参与该阶段的水 解发酵菌主要是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。 7 第二章厌氧生物处理技术简介 ( 2 ) 产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第 一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有c 0 2 产生。 ( 3 ) 产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷菌把第一和第二阶段产生的乙酸、氢和c 0 2 转化为甲烷。 厌氧发酵过程中还存在一个横向转化过程，即在同型产乙酸菌的作用下把h 2 、c 0 2 和有机基质转化为乙酸。 2 1 2 四菌群理论 ( 1 ) 水解发酵菌群。水解发酵菌群是一个非常复杂的混合细菌群，主要包括纤维 素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、脂肪分解茵、蛋白质分解菌等。到目前为止， 已研究过的就有数百种，其功能主要有两个方面：将大分子不溶性有机物水解成小分 子的水溶性有机物，水解产物一般可被其他发酵细菌群吸收利用；发酵细菌将水解产 物吸收进细胞内，并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 加下一阶段生化反应的细菌群吸收利用的基质。 ( 2 ) 产氢产乙酸菌群。产氢产乙酸菌群将水解发酵菌群产生的丙酸、丁酸、戊酸、 乳酸和醇类等，进一步转化为乙酸，同时释放分子氢，其代谢产物为产甲烷菌和同型产 乙酸菌所利用。产氢产乙酸菌与产甲烷菌属于伴生菌，分离纯化十分困难。目前只有少 数被分离出来，现已知的有s 菌株、沃尔夫互营单胞菌和沃林互营杆菌。 ( 3 ) 同型产乙酸菌群。在厌氧条件下，能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型 厌氧细菌，能利用糖类等有机基质产生乙酸；另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用 有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者通常归类于发酵细菌， 后者称之为同型产乙酸细菌。常见的同型产乙酸菌主要有伍德乙酸杆菌、威林格乙酸杆 菌、乙酸梭菌等。同型产乙酸菌群可以降低氢分压，为产氢产乙酸菌群的生存创造有利 环境，同时为产甲烷菌提供易于利用的底物一乙酸，保证了厌氧降解过程的顺利进行。 ( 4 ) 产甲烷菌群。产甲烷茵属于专性厌氧微生物，利用氢气、二氧化碳、甲酸、 乙酸、甲醇以及甲胺等简单物质产生甲烷和组成自身细胞物质，其主要代谢产物是甲烷。 常见产甲烷菌的有4 类：产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产甲烷八叠球菌和产甲烷螺旋菌。 8 长安大学硕士学位论文 2 2 厌氧生物处理技术的特点 与好氧生物处理技术相比，厌氧生物处理技术有其自身的特点【1 8 , 1 9 。 2 2 1 厌氧生物处理技术的优点 ( 1 ) 节省动力消耗。对于好氧过程来说，理论上讲完全氧化l k g b o d 必须提供 l k 9 0 2 。对于一般的曝气设备，充l k 9 0 2 约需消耗0 5 - i 度电，即要完全氧化废水中 l k g b o d ，约需消耗0 5 1 k w - h 的电力。而在厌氧生物处理过程中，细菌分解有机物的 过程是无氧呼吸，故不必给系统提供氧气。对于高浓度有机废水，采用厌氧生物处理技 术可节省大量电耗，如目前我国轻工业的造纸、食品发酵、皮革、制糖等行业每年排出 的b o d 达2 0 0 万t ，如采用厌氧工艺，以去除b o d8 0 计，则年节电达f 8 1 6 ) 1 0 8 k w h ， 环境效益与经济效益十分显著。 ( 2 ) 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。早在2 0 世纪2 0 3 0 年代，人们已开始有计划地利用有机 质生产沼气，作为炊事和供热用。在城市废水处理厂中，把初沉他和二沉他的污泥进行 消化，不仅是为了稳定污泥，而且还可以利用污泥消化过程产生的沼气，供消化他污泥 加热和发电，为水泵和鼓风机提供电力。根据资料介绍，发达国家的城市废水处理厂的 污泥厌氧消化所产生的沼气转化的电能可解决处理时所需电力的3 3 1 0 0 。 ( 3 ) 产生的污泥量少。厌氧菌的世代期较长，如产甲烷菌的倍增时间约为“d ， 所以其产率系数y 较小，并且在厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞，而大部分 被转化为c h 4 和c 0 2 ，故厌氧处理产泥量较低，且污泥已稳定，可降低污泥处理费用。 ( 4 ) 对氮和磷的需求量低。厌氧菌去除l k g b o d 所合成的细胞量远远低于好氧菌， 因此可减少n 和p 的需要量，一般情况下只要满足b o d ：n ：p - - ( 2 0 0 - 5 0 0 ) ：5 ：l 即 可。对于缺乏n 和p 的有机废水采用厌氧生物处理可大大节省n 和p 的投加量，使运 行费用降低。 ( 5 ) 可降解某些生物难降解有机物。由于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，一些难生物降解的有机工业废水如炼焦废水、 煤气洗涤废水、农药废水、印染废水等，用常规的好氧生物处理工艺不能获得满意的处 理效果，而采用厌氧生物法则可取得较好的处理效果。 ( 6 ) 应用范围广。好氧法因供氧限制，一般只适用于中、低浓度有机废水的处理， 9 第二章厌氧生物处理技术简介 而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水，有较高的容积负荷， 能明显降低有机污染物浓度。 2 2 2 厌氧生物处理技术的缺点 ( 1 ) 不能去除废水中的氮和磷。通过厌氧消化，有机物中所含的氮和磷被转化为 氨氮和磷酸盐，由于只有很少的氮和磷被细胞合成利用，所以绝大部分的氮和磷以氨氮 和磷酸盐的形式随出水排出 ( 2 ) 启动过程较长。由于厌氧微生物的世代期长，增长速率低，污泥增长缓慢， 所以厌氧反应器的启动过程很长，一般长达3 “个月，甚至更长。如要达到快速启动， 必须增加接种污泥量，这就会增加启动费用，在经济上是不合理的。 ( 3 ) 运行管理较为复杂。由于厌氧菌的种群较多，如产酸茵与产甲烷菌性质各不 相同，而互相又密切相关，要保持这两大类种群的平衡，对运行管理的要求较为严格。 若两种群失去平衡，严重时甚至使反应器不能再恢复正常运行，必须重新启动。 ( 4 ) 卫生条件较差。一般废水中均含有硫酸盐，厌氧条件下会因为硫酸盐还原作 用而放出硫化氢等对环境及人体有危害的气体。如果反应器不能做到完全密闭，就会散 发出臭气，引起二次污染。 ( 5 ) 去除有机物不彻底。厌氧处理废水中有机物时往往不够彻底，一般单独采用 厌氧生物处理不能达到排放标推，所以厌氧处理必须要与好氧处理相配合。 2 3 厌氧反应器简介 厌氧反应器的发展已经历了三个阶段1 2 0 1 。第一代厌氧反应器，以厌氧消化池为代表， 废水与厌氧污泥完全混合，属低负荷系统。第二代厌氧反应器，可以将固体停留时间和 水力停留时间分离，能保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，并注重培养颗粒污泥， 属高负荷系统。第三代厌氧反应器，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，达到高效的处理的目的。 2 3 1 第一代厌氧反应器 1 8 8 1 年，法国科学家m o u r a s 发明了处理污水的自动净化器( a u t o m a t i es e a s e n g e r ) ， 这是人工厌氧处理废水的开始；随后，1 8 9 0 年，第一个厌氧滤池建成；1 8 9 5 年d o n a i d 建成了第一个厌氧化粪池；1 9 0 6 年i m h o f 池( 又称隐化池或双层沉淀池) 设计成功；1 9 1 2 l o 长安大学硕士学位论文 年传统的消化池( c o n v e n t i o n a ld i g e s t o r ) ，又称开始投入使用。最初的厌氧反应器采用 污泥与废水完全混合的模式，污泥停留时间( s i 玎) 与水力停留时间( h r t ) 相同，厌 氧微生物浓度低，处理效果差【2 l 】。s c h r o e p f e r l 2 2 1 在2 0 世纪5 0 年代开发了厌氧接触反应 器，在连续搅拌反应器基础上于出水沉淀池中增设污泥回流装置，使厌氧污泥在反应器 中的停留时间第一次大于水力停留时间，从而提高了负荷与处理效率。第一代厌氧反应 器主要用于污泥和粪肥的消化，以及生活污水的处理。 2 3 2 第二代厌氧反应器 随着人们对厌氧生物处理技术研究的深入，以提高厌氧微生物浓度和停留时间、强 化传质作用、缩短液体停留时间为基础的第二代高速厌氧反应器( h i g h r a e ta n a e r o b i c r a e c t o r ) 相继出现，主要有厌氧滤器( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) 、厌氧流化床反应器( a n a e r o b i c f l u i d i z e db e d ，a f b ) 、上流式厌氧污泥床反应器( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d ，u a s b ) 等。 ( 1 ) 厌氧滤器。a f 于1 9 6 9 年由y o u n g 和m c c a y r t 开发研究而成【2 3 1 ，采用生物固 定化技术延长污泥停留时间。其结构和原理类似于好氧生物滤床，厌氧菌在填充材料上 附着生长形成生物膜。a f 一般采用上流式，在负荷较低时，能够取得良好的处理效果， 但易发生堵塞。在其内部污泥浓度可达到l o - - - 2 0 9m l v s s l 。a f 在运行中常出现堵塞和 短流现象，且需要大量的填料和对填料进行定期清洗，增加了处理成本。 ( 2 ) 厌氧流化床反应器。a f b 依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜来保留厌氧 污泥f 2 4 】。填料在较高的上升流速下处于流化状态，克服了a f 中易发生的堵塞的缺点， 且能使厌氧污泥与废水充分混合，提高了处理效率，有机负荷可高达3 8 k g c o d ( m 3 d ) 。 a f b 对难生物降解有机毒物的去除有较大潜力，但内部稳定的流化态难以保证，且反应 器需大量回流水来取得高的上升流速。由于其工艺控制较难，投资和运行成本较高，至 今很少有生产规模的厌氧流化床反应器。 ( 3 ) 上流式厌氧污泥床反应器。u a s b 由荷兰农业大学环境系l e t t i n g a 等人【2 5 】在 2 0 世纪7 0 年代开发研制，是目前应用最为广泛的高速厌氧反应器。反应器的主体部分 由反应区和气、液、固三相分离区组成，在反应区下部是大量具有良好沉降性能与生物 活性的厌氧颗粒污泥所形成的污泥床。待处理废水从污泥床底部进入后与污泥接触，微 生物分解废水中的有机物产生沼气，气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，气体进 入集气室排出，污泥和水进入沉淀室在重力作用下泥、水分离。污泥沿斜壁返回反应区， 第二章厌氧生物处理技术简介 上清液从沉淀区上部排走。u a s b 反应器有机负荷高，水力停留时间短，且无填料、无 污泥回流装置、无搅拌装置，大大降低了运行成本。但大多数的u a s b 反应器出水水质 还达不到传统二级处理工艺的出水水质，在处理固体悬浮物浓度较高的废水时易引起堵 塞和短流。同时，初次启动和形成稳定颗粒污泥用时较长。此外，还需要设计合理的三 相分离器专利技术。 2 3 3 第三代厌氧反应器 为了解决u a s b 等第二代厌氧反应器在运行过程中出现的短流、死角和堵塞等一些 问题，进一步增强厌氧微生物与废水的混合与接触、提高负荷及处理效率、扩大适用范 围，人们在第二代厌氧反应器基础上继续研究和开发了第三代反应器。主要有厌氧颗粒 污泥膨胀床反应器( e 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 ) 、厌氧内循环反应器( i n s i d e c y c l i n g ，i c ) 、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 ，a b r ) 等。 ( 1 ) 厌氧颗粒污泥膨胀床反应器。e g s b 是荷兰w a g e n i n g e n 大学环境系在2 0 世纪 8 0 年代开始研究的新型厌氧反应8 t 2 6 1 ，它实际上是改进的u a s b 反应器，不同之处是 e g s b 采用更大的高径比和增加了出水回流。由于e g s b 反应器中的颗粒污泥床处于部 分或全部膨化状态，再加上产气的搅拌作用，使