（環(huán)境工程專業(yè)論文）厭氧序批式反應器（asbr）堿度需求特征研究.pdf

太原理工大學碩士研究生學位論文 厭氧序批式反應器 a s b r 堿度需求特征研究 摘要 厭氧生物處理是一種低成本的有機廢水處理技術 但有一個運行不 穩(wěn)定的名聲 在厭氧消化系統(tǒng)中形成的微生物鏈隨運行條件的變化可能 會變得不平衡 從而導致v f a 的積累和p h 值的下降 控制堿度與p h 值顯得非常必要 a s b r 反應器進出料方式為間歇式 反應器內f m 基質的組成與數 量 微生物的組成與數量 基質降解速率等均隨時間而變化 堿度需求 量也隨之變化 因此 堿度作為一個關系系統(tǒng)穩(wěn)定運行的指標 在這個 反應過程必須引起足夠的重視 本文的研究目的是通過研究p h v f a 和 碳酸氫鹽堿度在時間序列上的變化規(guī)律及堿度需求特征 為a s b r 運行 減少堿度投加提供理論依據 以脫脂奶粉為底物 并補充厭氧微生物生長所需的營養(yǎng)鹽和堿度 在中溫條件下 3 5 啟動停止運行4 0 d 的a s b r 反應器 啟動后將底 物逐步轉換成葡萄糖 在5 9 c o d l d 1 7 5 9 c o d l d 六個容積負荷下 c o d b a 在1 1 0 4 8 l 范圍內 對3 8 種工況進行了試驗研究 所有工 況均采用瞬時進水法 得出如下結論 1 由a s b r 工藝特性所決定 a s b r 對堿度的需求比連續(xù)流反應器 情形下理論計算值小得多 c o d b a 4 8 1 這個比例比理論計算節(jié)約了 太原理工大學碩士研究生學位論文 4 2 4 克 減少了3 8 a s b r 進水最小堿度需求量為o 2 1 c a c 0 3 g c o d 2 在最小堿度條件下運行的a s b r 投加的b a 僅為1 3 8 8 m g c a c 0 3 l 在最小堿度工況下運行過程中碳酸氫鹽堿度范圍2 6 2 1 3 6 7 m g c a c 0 3 l 2 6 2m g c a c 0 3 l 是堿度最小值條件下的b a 底線值 3 同一負荷下 隨c o d b a 比值的增大 整個反應過程中v f a 濃度 相應地變大 當c o d b a 比值一定時 整個反應過程中v f a 濃度隨有機 負荷的增大而相應地變大 因此c o d ba 比值愈大 有機負荷愈高 反 應器酸化的危險性就愈大 丙酸鹽與乙酸鹽比值的最大值隨有機負荷的 增大而增大 本試驗中丙酸鹽與乙酸鹽比值在0 1 9 之間反應器能正常 運行 4 在一個反應周期內 v f a 濃度先增大 在1 h 左右達到最大 隨著 反應的進行又逐漸變小 p h t a b a 與v f a 濃度變化相反 先減小在 1 h 左右達到最小 然后隨著反應的進行又逐漸變大 產氣中c o 所占百 分比范圍為5 8 4 1 5 a s b r 處理以葡萄糖為底物的人工合成廢水 采用瞬時進水法 有 機負荷5 1 5 9 c o d l d c o d 去除率達9 5 以上 中性p h 條件下最高 有機負荷1 7 5 9 c o d l d 但當有機負荷為1 7 5 9 c o d l d 且在低堿度條 件下時 反應器內丙酸積累嚴重 出水c o d 升高 反應器內顆粒污泥變 成絮狀 關鍵詞 厭氧序批式反應器 堿度 p h 值 i i 太原理工大學碩士研究生學位論文 t h ed e m a n d i n gf e a t u r e s0 fa l k a l i n i t yi n a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r a b s t r a c t a n a e r o b i cd i g e s t i o ni sc o s t e f f e c t i v ea saw a yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b u th a sar e p u t a t i o nf o ri n s t a b i l i t y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o p u l a t i o n s o fb a c t e r i af o r m i n gt h ef o o dc h a i ni na n a e r o b i cd i g e s t i o nr n a yb e c o m e u n b a l a n c e di fo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n sv a r y l e a d i n gt oa c c u m u l a t i o no fv o l a t i l e f a t t ya c i d s v f a a n dad r o pi np h t h u sc o n t r o li t e m ss u c ha sa l k a l i n i t ya n d p h a r ei m p o r t a n t a s b rw a si n t e r m i t t e n ti nt h ei n f i u e n ta n de f f l u e n ts t y l e f m t h e c o m p o s i t i o na n da m o u n to fs u b s t r a t e t h ec o m p o s i t i o na n da m o u n to fm i c r o b e a n dt h e d e g r a d a t i o nv e l o c i t yo fs u b s t r a t ev a r i e dw i t h r e a c tt i m e s ot h e d e m a n d i n g f o ra l k a l i n i t ya l s ov a r i e d s oa l k a l i n i t yw a sr e g a r d e da saf a c t o ri n c o n n e c t i o n sw i t hs y s t e m ss t a b i l i z a t i o na n d n e e de n o u g hr e c o g n i t i o n t h ea i m o ft h i sp a p e rw a st os t u d yt h ev a r i o u sp r o f i l el a wo fp h v f a b aa n dt h e d e m a n d i n gt r a i t so fa l k a l i n i t yw h i c hc o u l do f f e rt h e o r e t i cl a w sf o ra s b r i n r e d u c i n ga l k a l i n i t yo p e r a t i o n s f i r s t t h ea s b r t h a th a sb e e nh a l t e df o r4 0d a y sw a ss t a r t u p a n di tw a s i i i 太原理工大學碩士研究生學位論文 o p e r a t e d a t m e s o p h i l i cc o n d i t i o n s 3 5 a n d w a sf e dn o n f a td r i e d m i l k n f d m a ss u b s t r a t e w i t h m i n e r a l sa n da l k a l i n i t y a f t e rs t a r t u pt h e s u b s t r a t eo fa s b rw a st r a n s f e r r e df r o mn f d mt og l u c o s e a l ls t u d i e d3 8 c a s e sh a v eb e e ns t u d i e da n da l lt h ec a s e sh a v ea d o p t e dt h er a p i df i l l i n gm o d e w h e no l rr a n g e df r o m5 9 c o d l d t o17 5 9 c o d l d t h er a t i oo f c o d b aw a sf r o m1 1t o4 8 1 t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ed r a w nf r o m t h es t u d y 1 b e c a u s eo fa s b r st r a i t t h ed e m a n d i n gd o s e so fa l k a l i n i t yi na s b r w a sl e s st h a nt h a ti nc o n t i n u u mc a s et h e o r e t i c a l l y w h e nt h er a t i oo fc o d b a w a s4 8 1 t h e r e d u c i n gd o s eo fa l k a l i n i t yw a s4 2 4 9 r e d u c e db y3 8 t h a n t h e o r e t i c a l l y t t h em i n i m u md e m a n d i n gd o s ew a s 0 21g c a c 0 3 g c o d 2 u n d e rt h em i n i m u md e m a n d i n go fa s b rc o n d i t i o n t h ea d d i n gd o s e o f b aw a so n l y1 3 8 8 m g c a c 0 3 l u n d e rt h el e a s ta l k a l i n i t yc a s e t h ev a l u eo f b aw a sf r o m2 6 2c a c 0 3 lt o13 6 7c a c 0 3 l 2 6 2m g c a c 0 3 lw a st h e b o t t o ml i n ei nm i n i m u ma l k a l i n i t yc a s e 3 u n d e rt h es a m eo l rc o n d i t i o n w h e nt h er a t i oo fc o d b a a u g m e n t e dt h ec o n c e n t r a t i o n so fv f ai n c r e a s e d i c c o r d i n g l y w h e nt h er a t i o o fc o d b aw a si n v a r i a b l e t h ec o n c e n t r a t i o n so fv f ai n c r e a s e da c c o r d i n g l y t ot h ev a l u eo fi n c r e a s i n go l r s ot h eh i g h e ro ft h er a t i oo fc o d b aa n d t h ev a l u eo fo l r w e r e t h eh i g h e ro ft h ep o s s i b i l i t yo fa c i d i f i c a t i o ni nr e a c t o r i s t h em a x i m u mo ft h er a t i oo fh p r h a cw o u l di n c r e a s e dw i t ht h ev a l u eo f i v 太原理工大學碩士研究生學位論文 i n c r e a s i n go l r i n t h i st e s tt h ea s b rc a no p e r a t en o r m a l l yw h e nt h er a t i oo f h p r h a cw a sf r o m0t o1 9 4 d u r i n go n ec y c l e t h ec o n c e n t r a t i o no fv f af i r s ti n c r e a s e d w h i c h r e a c h e dm a x i m u mi na b o u tl h a n dt h e nf e l ld o w ni nt h ec o n t i n u i n gp r o c e s s p h t a b a sp r o f i l ew a sj u s to p p o s i t e d t ov f a t h e yh a dt h e i rm i n i m u mi n l h a n dt h e nw e n tu pg r a d u a l l y t h ep e r c e n to fc 0 2r a n g e df r o m5 8 t o4 1 i nt h eg a sp r o d u c t 5 t h ea s b rw a sf e das y n t h e t i cs u b s t r a t ec o n s i s t i n go f 出u c o s ea st h e s o l ec a r b o ns o u r c e a sg r e a ta s9 5 c o dr e m o v a lw e r eo b s e r v e d w h e n a d o p t i n gr a p i df i l l i n gm o d e w h e nt h eo l r w a s5 15 9 c o d g d u n d e r n e u t r a lp hc o n d i t i o n t h em a x i m u mo fo l rw a s17 5 9 c o d l d b u tu n d e r l o w e ra l k a l i n i t yc o n d i t i o n w h e no l rw a ss t i l l17 5 9 c o d l d h p ri n a s b ra c c u m u l a t e ds e r i o u s l y t h ec o do fe f f l u e n th o i s t e d t h e s l u d g e t r a n s f o r m e df r o mg r a n u l et of l o c c u l e n t k e yw o r d s a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r a s b r a l k a l i n i t y p h v a l u e v 聲明 y9 7 9 3 6 0 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在指導教師的指導下 獨立進行研究所取得的成果 除文中已經注明引用的內容外 本論文 不包含其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的科研成果 對本文的研究 做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本聲明的 法律責任由本人承擔 論文作者簽名 白生圭1 日期 壘 生王 關于學位論文使用權的說明 本人完全了解太原理工大學有關保管 使用學位論文的規(guī)定 其 中包括 學校有權保管 并向有關部門送交學位論文的原件與復印 件 學?？梢圆捎糜坝?縮印或其它復制手段復制并保存學位論文 學?？稍试S學位論文被查閱或借閱 學校可以學術交流為目的 復制贈送和交換學位論文 學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內 容 保密學位論文在解密后遵守此規(guī)定 簽名 魚生厶日期 坌f f 生蘭 太原理工大學碩士研究生學位論文 1 1 課題的提出及研究意義 第一章引言 隨著工業(yè)的飛速發(fā)展和人口的不斷增加 能源 資源和環(huán)境等問題同趨嚴重 能 源的短缺變得更加突出 而厭氧生物法作為一種既節(jié)能又產能的廢水處理工藝 經過 各國學者的不斷研究己取得了長足的發(fā)展 厭氧生物法不僅可以處理高濃度有機廢 水 而且能處理中等濃度的有機廢水 還成功地實現(xiàn)了處理低濃度廢水的可行性 為 廢水處理方法提供了一條既有效 簡單 又費用低廉的 且符合可持續(xù)發(fā)展原則的治 理廢水途徑 厭氧生物技術的優(yōu)點 1 厭氧廢水處理可作為把環(huán)境保護 能源回收與生態(tài)良性循環(huán)結合起來的綜合 系統(tǒng)的核心技術 2 無尾氣污染 好氧處理中許多揮發(fā)性的有機物 如丙烯酸和多種氯化溶劑 在生物降解前往往會由于曝氣從廢水中吹脫出來而產生大氣污染 厭氧系統(tǒng)卻不存在 這一問題 3 剩余污泥的處置費用低和設旌所占空間小 其處置費用僅相當于好氧系統(tǒng)的 1 0 4 厭氧方法對營養(yǎng)物的需求量小 補充氮 磷所需要的費用低 5 厭氧廢水處理設備負荷高 占地少 運行簡單 由于利用生物膜或顆粒污泥 使生物固定化以及不需要氧的傳遞 不會發(fā)生二沉池運行失當 6 無好氧過程中表面活性物質的起泡問題并能有效處理好氧生物中生物不可降 解物質 7 由于氯化有機物可以厭氧生物轉化 因此毒性程度大幅降低 8 厭氧方法的菌種在饑餓條件下內源分解速率明顯降低 使得生物體轉變?yōu)楸?太原理 i 大學碩十研究生學位論文 存其生存能力的冬眠狀態(tài) 因此多數反應器長期停工之后也很容易重新啟動 它的這 一特性為其間斷的或季節(jié)性的運行提供了有利條件 a s b r 即厭氧序批式反應器 a n a e r o n cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r 是2 0 世紀9 0 年 代由美國i o w a 州立大學民用建筑系r i c h a r dr d a g u e 教授等 將s b r 工藝應用于厭 氧生物處理 提出并發(fā)展的一種新型高效厭氧反應器 a s b r 同其它高效厭氧反應 器如6 0 年代末m c c a t t y 發(fā)明的厭氧濾器 a f 及7 0 年代l e t t i n g a 提出的目前已廣泛應 用的上流式厭氧污泥床 u a s b 反應器一樣 能夠使污泥在反應器內的停留h j i 自1 s r t 大為延長 污泥濃度 活性生物團量 大為增加 從而大大提高了厭氧反應器的負荷和 處理效率 不但使廢水在反應器內的停留時i 自j h r t 大大縮短 反應器容積得以大幅 度縮小 而且使厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對不良因素 例如有毒物質 的適應性大為增強 是水污染防治領域一項有效的新技術 因此 a s b r 法近年來成為新的研究熱點 在所有厭氧處理的探索研究中 堿度被看作是一個主要因素 厭氧消化體系的酸 堿性及其緩沖能力是影響系統(tǒng)運行狀況的重要因素 在有微生物活動的液體厭氧系統(tǒng) 中 為適應敏感的產甲烷菌對p h 值的要求 通常把p h 值控制在6 5 7 8 范圍內 p h 值除受進水p h 影響外 還取決于代謝過程中自然建立的緩沖平衡 厭氧廢水處 理是一種低成本的廢水處理技術 但有一個運行不穩(wěn)定的名聲 在厭氧消化系統(tǒng)中形 成的微生物鏈隨運行條件的變化可能會變得不平衡 從而導致v f a 的積累和p h 值 的下降 因此為了穩(wěn)定 高效的運行控制堿度與p h 值顯得非常必要 1 a s b r 進出料方式為間歇式 與連續(xù)進料方式的工藝相比 反應器內f m 基質 的組成與數量 微生物的組成與數量 基質降解速率等均隨時間而變化 堿度需求量 也隨之變化 因此 堿度作為一個關系系統(tǒng)穩(wěn)定運行的指標 在這個反應過程必須引 起足夠的重視 1 2 研究目的及研究內容 1 2 1 研究目的 通過試驗研究a s b r 在時間序列上p h v f a 和碳酸氫鹽堿度的變化規(guī)律及堿度 2 太原理工大學碩士研究生學位論文 需求特征 提出堿度最小需求量為減少堿度需要的工程設施提供理論依據 1 2 2 研究內容 1 研究a s b r 在時間序列上p h v f a 和碳酸氫鹽堿度的變化規(guī)律 2 提出a s b r 反應器的最小堿度需求量 3 考察不同堿度條件下的最高容積負荷 3 太原理l 大學碩士研究生學位論文 第二章文獻綜述 2 1 厭氧生物處理技術的發(fā)展與沿革 2 1 1 厭氧生物處理技術發(fā)展階段的劃分 厭氧生物處理技術是對普遍存在于自然界的微生物過程的人為控制與強化 是處 理有機污染廢水的有效手段 但由于人們對參與這一過程的微生物的研究和認識不 足 致使該技術在過去的1 0 0 年里發(fā)展緩慢 其原因主要有 1 厭氧生物處理技術 是一種多菌群 多層次的厭氧發(fā)酵過程 種群多 關系復雜 難以弄清楚 2 有些 種群之間呈互營共生性 分離鑒定的難度大 3 厭氧條件下培養(yǎng)分離和鑒定細菌的 技術復雜 隨著科學技術發(fā)展和分離鑒定技術水平的提高原來限制該技術發(fā)展的瓶 頸已被打破 該技術的優(yōu)越性更加突現(xiàn)出來 其發(fā)展過程大致經歷了三個階段 3 第一階段 1 8 6 0 1 8 9 9 年 簡單的沉淀與厭氧發(fā)酵合池并行的初期發(fā)展階段 這 個發(fā)展階段具有以下特點 l 把污水沉淀和污泥發(fā)酵集中在一個腐化池 s e p t i ct a n k 俗稱化糞池 中進行 亦即以簡易的沉淀池為基礎 適當擴大其污泥貯存容積 作為揮發(fā)性懸浮生物固體液 化的場所 2 處理對象為污水 污泥 3 精確設計和建造的化糞池至今仍在無排水管網地區(qū)以及某些大型居住或公用 建筑的排水管網上使用著 第二階段 1 8 9 9 1 9 0 6 年 污水沉淀與厭氧發(fā)酵分層進行的發(fā)展階段 這個發(fā)展 階段具有以下特點 1 在處理構筑物中 用橫向隔板把污水沉淀和污泥發(fā)酵兩種作用分隔在上下兩 室分別進行 由此形成了所謂的雙層沉淀池 t w os t o r yt a n k l 2 當時的污染指標仍以懸浮固體為主 但生物氣的能源功能己為人所認識 并 4 太原理工大學碩士研究生學位論文 開始開發(fā)利用 第三階段 1 9 0 6 2 0 0 1 年 獨立式營建的高級發(fā)展階段 這個發(fā)展階段具有以下 特點 1 把沉淀池中的厭氧發(fā)酵室分離出來 建成獨立工作的厭氧消化反應器 在此 階段中開發(fā)的主要處理設施有普通厭氧消化池和u a s b 厭氧接觸工藝 兩相厭氧消 化工藝 a f a f b 及本課題研究的a s b r 等 2 把有機廢水和有機污泥的處理和生物氣的利用結合起來 即把環(huán)保和能源開 發(fā)結合起來 沼渣的綜合利用也被當作重要任務提到了議事日程 3 處理對象除v s s 外 還著眼于b o d 和c o d 的降低以及某些有機毒物的降解 2 1 2 三代反應器的特點 廢水厭氧生物處理技術發(fā)展到今天已取得了很大的發(fā)展 已開發(fā)出的厭氧反應器 種類很多 按時間先后和負荷不同可將厭氧反應器大致分為第一 二 三代反應器 厭氧反應器的構型與其用途有十分密切的關系 厭氧法最早用于處理糞便污水 1 8 8 1 年法國工程師l o u i sm o u r a s 設計了一種稱為自動凈化器 a u t o m a t i cs c a v e n g e 0 的 池子來處理糞便污水 當時得到了很高的評價 后人把這一發(fā)明認為是人工厭氧處理 廢水的開端 1 8 9 5 年 d o n a l dc a m e r o n 設計了一種所謂的腐化池 s p e t i ct a n k 這是 廢水厭氧處理法的重要發(fā)展 在此后數十年中 人們所開發(fā) 設計的厭氧裝置如1 8 9 6 年英國的厭氧消化池 1 9 0 4 年德國的i m h o f f 的霍夫池 i m h o f f t a n k 以及2 0 世紀4 0 年 代澳大利亞的連續(xù)攪拌 可加溫的厭氧消化池等 這些早期的厭氧消化反應器可以稱 為第一代厭氧反應器 第一代厭氧反應器以厭氧消化池為代表 屬于低負荷系統(tǒng) 在 本質上 第一代反應器中微生物 即厭氧污泥 與廢水或廢料是完全混合在一起的 污 泥停留時間 s r t 與廢水停留時n h r t 是相同的 因此在反應器里污泥濃度較低 處 理效率也較低 廢水在反應器內要停留幾天到幾十天之久 占地面積大 基建與管理 費用昂貴 致使厭氧技術在廢水處理領域很長時間未受人們的重視 只是用于污泥的 消化 而好氧生物處理長期占據廢水處理領域的主導地位 1 隨著經濟的快速發(fā)展環(huán)境污染和能源緊張問題日益嚴重 厭氧處理工藝作為一種 5 太原理工人學碩士研究生學位論文 低能耗的有機廢水生物處理方法 得到人們起來越廣泛的重視 好氧處理工藝的成功 使人們認識到有機物迅速降解有賴于高的微生物量 因此保持系統(tǒng)內有足夠的微生物 量是生物處理技術的核心 s c h r o e p f e r 首先提出把好氧活性污泥法流程引入厭氧處理 工藝 1 9 5 5 年他與合作者開發(fā)了厭氧接觸工藝 a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s 該工藝是 在連續(xù)攪拌反應器的基礎上于出水沉淀池增設了污泥回流裝置 結果提高了消化池內 的污泥濃度 縮短了水力停留時間 并獲得了良好的處理效果 厭氧接觸工藝使厭氧 污泥在反應器中的停留時間第一次大于水力停留時間 是厭氧處理技術的一個重要發(fā) 展 并被認為是現(xiàn)代高速厭氧反應器的開端 人們對于厭氧發(fā)酵理論研究的也日益深入 使厭氧技術的發(fā)展有了理論指導 人 們認識到高效厭氧處理系統(tǒng)必須滿足的兩條原則是 1 f i 2 夠保持大量的厭氧活性污泥 和足夠長的污泥齡 2 保持廢水和污泥之間的充分接觸 為了滿足第一條原則 可 采用固定化 生物膜 或培養(yǎng)沉淀性能良好的顆粒污泥的方式來保持厭氧污泥 從而在 采用高的有機負荷和水力負荷時不發(fā)生嚴重的厭氧活性污泥的流失 依照第一條原 則 在2 0 世紀7 0 年代末人們成功的開發(fā)了各種新型的厭氧工藝 例如 厭氧濾池 a f 上流式厭氧污泥床 u a s b 厭氧流化床 a f b 等 這些反應器的共同特點是將固體停 留時間和水力停留時間相分離 固體停留時間可以長達上百天之久 這使得厭氧處理 高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天可以縮短到幾小時或幾天 屬于高負荷 系統(tǒng)這一系列厭氧反應器被稱為第二代厭氧反應器 高效厭氧處理工藝不僅應該實現(xiàn)污泥停留時間和平均水力停留時間的分離 而且 應該保證廢水和活性污泥之間的充分接觸 厭氧反應器中污泥與廢水的混和 首先取 決于布水系統(tǒng)的設計 合理的布水系統(tǒng)是保證固液充分接觸的基礎 同時 反映器中 液體表面上升流速 產生沼氣的攪動等因素也對污泥與廢水的混和起著重要的作用 例如 當反應器布水系統(tǒng)等已經確定后 如果在低溫條件下運行 或在啟動初期 只 能在低負荷下運行 或處理較低濃度有機廢水時 由于不可能產生大量沼氣的較強 擾動 因此反應器中混和效果較差 從而出現(xiàn)短流 如果提高反應器的水力負荷來改 善混和狀況 則會出現(xiàn)污泥流失 這些正是第二代厭氧生物處理反應器 特別是u a s b 6 太原理一l 人學碩士研究生學位論文 的不足 為解決這一問題 自2 0 世紀9 0 年代初在國際上第三代反應器相繼出現(xiàn) 主要包 括 8 1 厭氧顆粒污泥膨脹床反應器 e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb l a n k e t e g s b 內循 環(huán) i n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r i c 反應器 升流厭氧污泥床過濾器 u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d f i l t e r u b f 厭氧折流板反應器 a n a e r o b i cb a f f l er e a c t o r a b r l 厭氧膜生物系統(tǒng) a n a e r o b i cm e m b r a n eb i o s y s t e m a m b s 和分級 多相 厭 氧反應器 s t a g em u t i p h a s ea n a e r o b i c s m p a 以及厭氧序批式反應器 a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r a s b r 等 第三代厭氧反應器的共同特點是 1 微生物以顆粒 污泥固定化方式存在于反應器中 反應器單位容積的生物量更高 2 能承受更高的 水力負荷 并具有較高的有機污染物凈化效能 3 具有較大的高徑比 一般在5 1 0 以上 4 占地面積小 5 動力消耗低 這些反應器多是在u a s b 的基礎上進行改良 而開發(fā)出來的 如e g s b i c 等 且大部分尚處于開發(fā)階段 沒有生產規(guī)模 第二代 第三代高效厭氧反應器普遍具有高效 耐沖擊負荷 能處理多種廢水等 特點 同時是也存在各自的一些缺點 例如 a f 易引起反應器的堵塞 且需要大量 的填料 使成本大量增加 u a s b 內易出現(xiàn)短流 進水懸浮物濃度高時會引起堵塞 初次啟動耗時長 對水質和負荷的變化變敏感 需要合理的三相分離器等 a f b 內 部的流態(tài)化難以保證 需大量的回流水來保證其高的上升速度 能耗加大 成本增加 e g s b 需要培養(yǎng)顆粒污泥 啟動時間較長 采用出水循環(huán)使污泥膨脹 動力消耗高 i c 反應器啟動時間較長 反應器內平均剪切速率較高 顆粒污泥的強度相對較低 u f b 填料價格昂貴等等 2 2a s b r 的特征與研究和應用現(xiàn)狀 九十年代 美國d a g u e 等人將好氧生物處理的s b r 工藝用于厭氧生物處理 開 發(fā)了厭氧序批式活性污泥法 a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r 簡稱a s b r 美國 專利號 5 1 8 5 0 7 9 9 1 a s b r 工藝對于克服厭氧污泥流失問題是一種具有創(chuàng)新性的解 決辦法 除此之外 還因為投資省 操作靈活 能夠生成顆粒污泥 具有較高的去除 7 太原理小大學碩士研究生學位論文 效率和工藝穩(wěn)定性等優(yōu)點而越來越引起人們的重視 2 2 1a s b r 的工作原理 顧名思義 a s b r 就是一種以序批間歇運行操作為主要特性的處理工藝 與好氧 s b r 工藝相似 所有反應均在一個池中完成 其工藝流程可分為典型的四個階段 即進水期 反應期 沉降期和排水期 如圖2 1 所示 進水 進水期反應期沉淀期山水期 圖2 1a s b r 操作周期和四個階段 f i g u r e2 1a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra n di t sp h a s e s 進水期向反應器加入底物 底物濃度迅速升高 代謝速率增到最大 進水容積取 決于預先設計的水力停留時間h r t 有機負荷o l r 及污泥沉降性能 反應階段 是 有機物轉化為生物氣最重要的階段 反應時間的長短與底物特征與濃度 出水要求 污泥濃度及廢水溫度 沉降階段 停止攪拌 進行泥水分離 此時反應器起澄清池的 作用 沉降時間因污泥沉降特性而異 典型的沉降時間為1 0 3 0 m i n 混合液懸浮固 體濃度m l s s 食料與生物量比f m 是影響生物團沉降速率及待排上清液水質的重要 可變因素 排水階段 固液分離后進入排水階段 排水時間由每次循環(huán)排水體積和排 水速率決定 排水結束后反應器進入下一個循環(huán) 2 2 2a s b r 的特征 1 能形成顆粒污泥 處理能力強 a s b r 中高效的生物絮凝作用有利于厭氧顆粒污泥的形成 顆粒污泥中厭氧微生 物鄰近程度遠小于絮狀體污泥 厭氧消化成功的關鍵在于反應器中保持多種微生物之 8 一而d 太原理 f 大學碩士研究生學位論文 間的平衡 特別是能夠保持低氫分壓 從熱力學上考慮 產乙酸菌把長鏈揮發(fā)酸轉化 為乙酸的反應只有在氫分壓低于1 0 1 3 2 5 x 1 0 k p a 情況下才能發(fā)生 這說明利用c 0 2 和h 2 的產甲烷菌對產乙酸菌關系重大 厭氧顆粒污泥中不同菌種之間鄰近的共生關 系有利于厭氧消化過程的順利進行 中間產物及h 2 及時被不同菌種消耗掉可以使反 應繼續(xù)進行 這是顆粒污泥在機理上的優(yōu)勢 絮狀體污泥盡管也發(fā)生h 2 及中間產物 的轉化 但顆粒污泥中的微生物固定在顆粒上 使中間產物所需傳送的距離遠遠要近 于離散的絮狀污泥 m e c a r t 和s m i t h 2 1 發(fā)現(xiàn)顆粒污泥與分散的絮狀體污泥相比較 前 者的氫分壓低 h 2 利用速率快 t h i e l e 等人對比研究了顆粒污泥與懸浮污泥運行的情 況 結果發(fā)現(xiàn)以乙醇為基質時 顆粒污泥較懸浮污泥的基質轉化率高7 5 以甲酸為 基質時 在顆粒污泥中基質轉化速率為0 2 7 5 m i n 這充分證明顆粒污泥中厭氧微生 物鄰近度近于絮狀體污泥 可以提高污泥活性 由于在a s b r 中形成了顆粒污泥 使 處理效果好 運行穩(wěn)定 能夠處理高濃度有機廢水 2 序批間歇的進水方式提供了關鍵的動力學特性 對任何給定的進水濃度來講 a s b r 在進水結束時f m 處于最高值 這為微生物 的代謝活動和基質轉化速率提供了強大的驅動力 而在反應末期 底物濃度及f m 降到最下限 又為生物絮凝和生物分離提供了理想的條件 3 a s b r 能獲得高效的生物絮凝 固液分離效果好 f m 是影響厭氧生物絮凝的重要因素 在f m 比值較低時 厭氧反應器中生物 絮凝效果好且沉降迅速 出水懸浮物較低 在連續(xù)流完全混合式反應器中 微生物周 圍的底物濃度 f 是常量 f m 是定值 基質的降解處于穩(wěn)態(tài) 與之相反 a s b r 能夠 在沉淀期獲得最低的f m 值和最小的產氣量 因此從固液分離效果講 a s b r 法的間 歇操作模式比其它厭氧法的連續(xù)操作模式優(yōu)越 加之a s b r 反應器在沉淀時沒有進出 水流的干擾 可以避免短流的出現(xiàn) 是一種理想的靜態(tài)沉淀 故固液分離效果好 易 獲得澄清出水 4 工藝簡單 易于設計運行 同傳統(tǒng)的厭氧工藝相比 a s b r 法的主體工藝設備 只有一個 或幾個 間歇反應 9 太原理 大學碩士研究生學位論文 器 此反應器集混合 反應 沉降等功能于一體 不需額外的澄清沉淀池 不需要液 體或污泥回流裝置 同u a s b 和a f 相比 a s b r 是序批式進水 無需復雜的布水系 統(tǒng) 也就不會產生所謂的斷流 短流的影響 所以具有工藝簡單 結構緊湊 占地面 積少等優(yōu)點 5 耐沖擊負荷 適應性強 完全混合式反應器比推流式反應器的耐沖擊負荷以及處理有毒或高濃度有機廢 水的能力強 a s b r 反應器在反應期內本身的混合狀態(tài)屬典型的完全混合式 加之反 應器內有較高m l s s 濃度 進而使f m 值降低 因此具有反應推動力大 耐沖擊負 荷及適應性強的優(yōu)點 有研究證明采用a s b r 法對間歇排放且流量與水質波動較大的 廢水 對連續(xù)排放的高濃度和低濃度廢水 對一些有毒廢水如苯酚廢水等通過單 并 或串聯(lián)的方式進行處理 均能取得很好的處理效果 6 溫度影響小 適應范圍廣 a s b r 法受溫度的影響小 能在5 6 5 c 范圍內處理各種高濃度和低濃度有機廢 水 從而打破了常規(guī)厭氧法只能1 8 c 以上處理高濃度有機廢水 c o d 1 0 0 0 m g l 的局 限 擴充了厭氧法處理廢水的適用范圍 為在低溫與常溫下廉價處理工業(yè)及城市生活 污水提供了可能性 2 2 3a s b r 的研究與應用現(xiàn)狀 自2 0 世紀9 0 年代美國d a g u e 教授提出a s b r 以來 對a s b r 法的研究主要有 以下幾方面 2 2 3 1a s b r 的設計方法 操作要點及工藝特性 a s b r 反應器的形狀 高徑h d 比 可根據不同的需要靈活設計 粗短的反應器能 達到較高的污泥濃度 高細的反應器能保留更快沉降的顆粒 其沉降速度明顯大于粗 短的反應器 且高細的反應器形成顆粒較快 顆粒粒徑大 a s b r 反應器最優(yōu)高徑比 為5 6 左右 h r t 是衡量a s b r 反應器運行能力大小的一個標志 也是工程中最重 要的設計參數 h r t 可根據反應器容積 廢水種類 出水水質要求等而靈活變化 它可以從幾小i t j 6 h 變化到幾天 6 d 1 a s b r 反應器的攪拌方式 可選擇機械攪拌 1 0 太原理 l 大學碩士研究生學位論文 液循環(huán)攪拌或氣循環(huán)攪拌 其中氣循環(huán)攪拌可作為首選方式 就攪拌時間來說 間歇 攪拌 2 m i r g h 或3 m i n h e g 連續(xù)攪拌優(yōu)越 前者c h 4 氣產量比后者大 攪拌強度要輕 柔 不能太劇烈 否則會削弱厭氧生物絮凝 2 2 3 2a s b r 快速啟動 1 控制運行方式對污泥顆?；挠绊?s u n g 和d a g u e 以假設的平衡條件控制a s b r 運行 由于低o l r 確c 機負荷 長h r t 水力停留時f b q 的穩(wěn)定運行方式不利于顆粒污泥的生成 啟動3 0 0 d 后才 觀察 到污泥顆?；F(xiàn)象 1 9 9 6 年w i r t z 和d a g u e 對a s b r 進行加速污泥顆?；膶ｎ}研 究 以1 0 9 c o d l d 為初始負荷 按照在不抑制系統(tǒng)的前提下盡快增加c o d 負荷控 制運行策略 將a s b r 啟動縮短到4 個月 c o d 負荷是反應器強化程度的函數 保 持a s b r 反應器在低h r t 下運行是為了洗出沉降性差的生物體 保留大而密實的生 物體 從而有效選擇顆粒污泥 在高o l r 下運行則是為了高效地產生大量的微生物 體 2 投加輔助填料的強化作用 顆粒污泥最初的形成可能是從微生物對惰性物質 無機沉淀物 l e t t i n g ae ta 1 1 9 9 3 m a h o n e ye t a 1 1 9 8 7 年 的生物吸附和粘附作用開始 1 w i r t z 和d a g u e 為達到人工 強化顆粒污泥產生的效果 向a s b r 中投加p a c 粉末活性碳 g a c 顆粒活性碳 硅砂和石榴石添料 由于活性炭表面具有以一c h o 一o h 一c o o h 一c 等官 能團 在酸性條件下會成為帶電中心 使活性炭的表面有正電荷區(qū)域存在 在靜電引 力作用下細胞粘連在活性炭表面或因活性炭正電荷的中和作用而互相粘連 而且活性 炭在自身周圍形成一個基質濃縮圈 吸引更多的微生物 增加細菌相互碰撞粘連的機 會 與未投加載體的反應器相比 p a c 和g a c 將a s b r 污泥顆?；倪M程分別縮 短了1 個月和1 5 2 個月 3 投加絮凝的促進作用 w i r t z 和d a g u e 在a s b r 啟動前兩個月投加陽離子有機聚合物和氯化亞鐵絮凝劑 其中陽離子聚合物對生物絮凝體顆?；膹娀饔米顬橥怀?該反應器在啟動后3 0 d 1 太原理一f 火學碩士研究生學位論文 了就出現(xiàn)了污泥顆粒 幾乎所有生物絮凝體在6 0 d 完成了污泥顆?；?并在6 9 l d 有機負荷下取得了超過了9 5 c o d 去除率 將啟動進程縮短了3 個月 由于陽離子 聚合物帶有正電荷 能夠與帶負荷的細菌細胞中起到靜電吸引和吸附架橋的作用 并 通過連續(xù)絮凝機理創(chuàng)造了大量的生物聚集體 因此加強了生物絮凝作用 加快了顆粒 的形成m 3 2 3 3 3 溫度對a s b r 的影響 溫度不僅影響微生物的生存和篩選競爭 而且影響反應速率 在實際設備運行中 維持一定的溫度與能源消耗和處理成本有很大關系 大多數高效厭氧反應器主要為中 溫消化 1 低溫對a s b r 的影響 厭氧微生物一直被認為適宜于中溫或高溫工藝 但近年來的研究證明a s b r 具有 低溫下處理有機廢水廢料的可行性 d a g u e 在3 5 c 和2 5 c 時分別用a s b r 處理動 物排泄物 由于2 5 c 下的a s b r 具有更的s r t 值 補償了較低的代謝速度 因而獲 得高效的去除效果 兩組a s b r 獲得了相同的v s 去除率和c o d 去除率 不同溫度 下培養(yǎng)的顆粒污泥在形狀 密實程度及其微生物菌種等方面有所不同 a s b r 中以 脫脂奶粉為基質 5 2 5 c 下培養(yǎng)出的顆粒污泥中 除了5 c 反應器的顆粒污泥有成 層結構現(xiàn)象外 污泥的微結構無太大的差別 這證實了顆粒結構在很大程度上取決于 底物種類的假設 所有溫度下的顆粒污泥主要由甲烷絲菌屬微生物組成 低溫下顆粒 污泥的s m a 比產甲烷活性 略低于中溫條件下 甲烷產量測定值表明 低溫下的顆粒 污泥中存在嗜溫菌和能在中溫生長的嗜冷菌 生物降解乙酸鹽與丙酸鹽混合物的顆粒 污泥 其比產甲烷活性遠小于降解單獨乙酸鹽的情況 污泥平均粒徑隨溫度降低逐漸 減小 d a g u a 等 1 9 9 5 年 用a s b r 在3 5 1 5 c 范圍內處理c o d 為1 0 0 0 4 0 0 0 m g l 的 合成廢水 h r t 取值在4 8 1 2 h h r t 短導致o l r 提高 產生了更多分散的微生物 體 而過高的水力負荷引起出水中污泥的大量流失 造成反應器內污泥濃度減小 出 水水質變差 中間產物的積累 v f a 揮發(fā)性有機酸 濃度上升 溫度低使液體的粘性 1 2 太原理 1 大學碩士研究生學位論文 增大 生物固體沉降速度減小 同時由于污泥濃度的下降也會引起v f a 濃度的上升 盡管如此 a s b r 仍然能夠在低溫和短h r t 條件下處理低濃度廢水 在1 5 c h r t 為1 2 h 進水c o d 為4 0 0 m g l 時 c o d 去除率均在8 0 以上 且v f a 濃度也只有 3 0 5 0 m g l 在h r t 為4 8 h 2 4 h 時 c o d 去除率在9 0 以p v f a 濃度僅為1 0 m g l d a g u e 和b a n i k 發(fā)現(xiàn)a s b r 在2 5 5 0 m g l 處理低濃度廢水 c o d 6 0 0 m g l 時仍保 持了高效去除有機物的固有特征 即使在5 c h r t 6 h 下 b o d 5 的去除率仍達7 5 在2 0 2 5 時 不同h r t 的c o d 和b o d 5 去除率均在9 0 以上 所有運行條件下 的s r t 均大于2 5 d 隨著溫度的降低或o l r 的增加 出水中懸浮物濃度趨于增高 但出水造成的生物固體流失量不足以影響反應器的正常運行 2 兩溫度段a s b r 系統(tǒng) d a g u e 1 9 9 6 年 等以脫脂奶粉為合成基質 在