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目录TOC\o1-3\h\z\u
1.2厌氧技术的发展沿革
41.3ABR的理论及研究基础
51.
3.1微生态系统理论
51.
3.2复合流态的反应器系统理论
51.4ABR的__与研究现状
61.
4.1ABR的水力特性
71.
4.2ABR的启动
81.
4.3ABR中污泥的颗粒化
81.
4.4ABR处理各种浓度废水的研究现状
91.5ABR的应用前景及研究意义102试验研究的目的、内容及方法
102.1课题的提出
102.2试验内容及方案的确定
112.
2.1试验基质
112.
2.2试验的主要研究内容
142.3试验装置
142.4化学分析项目143ABR的启动过程研究
153.1接种污泥的选取
153.2启动操作方案
163.
2.1启动方式
163.3运行结果及分析
173.4问题讨论及建议
193.
4.1关于启动期水力负荷的分析
193.
4.2关于启动期产酸菌优势增长的讨论
193.
4.3对启动期操作控制的建议
203.5本章小结214ABR的降解特性研究
214.1COD降解规律
214.
1.1COD去除率与COD容积负荷的关系
214.
1.2COD去除率与HRT的关系
224.
1.3沿程COD去除规律
234.2产气特性
244.3ABR系统的VFApH
274.4问题讨论及建议
284.
4.1关于ABR出水挥发酸较高的分析
284.
4.2系统的稳定性分析
304.5本章小结305ABR对浓度冲击的适应及恢复
315.1试验安排
315.2第一次冲击试验结果及分析
325.3第二次冲击试验结果及分析
335.4本章356ABR的污泥特性
356.1系统启动驯化阶段污泥特征
366.
1.1污泥性状描述
366.
1.2VSS/SS的演变
366.
1.3污泥沉降性能
376.2系统稳定运行阶段污泥特征
386.3系统不同阶段的污泥活性
406.4VSS/SS、产甲烷活性及「420之间的对比关系
426.5本章小结427ABR的运行及控制
427.1水力及产气的联合搅拌作用
437.2出水回流的影晌
447.3关于污泥回流及排泥的分析
447.
3.1污泥回流
447.
3.2排泥
457.4监控指标
457.5程应用中的一个问题468结论与建议
478.1主要结论
478.2建议48致谢………………………………………………………………………………………………..49____…………………………………………………………………………………………..501绪论
1.1厌氧发酵的基本理论有机物厌氧消化产甲烷过程是一个非常复杂的由多种微生物共同作用的生化过程1930年Buswell和Ne__e肯定了Thumm和Reichie1914与Imhof1916的看法,将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段在第一阶段,复杂的有机物,如糖类、脂类和蛋白质等,在产酸菌厌氧和兼性厌氧菌的作用下被分解成低分子的中间产物,主要是一些低分子有机酸,如乙酸、丙酸、丁酸等,以及醇类,如乙醇等,并有氢、二氧化碳、NH4十和H2S等产生因为该阶段中,有大量的脂肪酸产生,使发酵液的pH不断升高所以,此阶段被称为酸性发酵阶段,或称产酸阶段在第二阶段,产甲烷菌专性厌氧菌将第一阶段产生的中间产物继续分解成甲烷和二氧化碳等由于有机酸在第二阶段的不断被转化为甲烷和二氧化碳,同时系统中有NH4十的存在,是发酵液的pH不断升高所以,此阶段被称为碱性发酵阶段,或称产甲烷阶段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,厌氧消化理论不断得到发展1979年,M.P.Bryant等提出了厌氧消化的三阶段理论,如图
1.1所示这是目前最为认可的理论模式三阶段理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸,H2/CO:和甲醇等以外的有机酸和醇类,长链脂房酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H:和C02后,才能被产甲烷菌利用三阶段包括:第一阶段为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成较简单的糖类;蛋白质转化成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、丁酸等脂肪酸和醇类等参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌第二阶段为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C02产生第三阶段为产甲烷阶段在该阶段中,产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO:的转化为甲烷几乎与Bryant提出三阶段理论的同时,Zeikus等提出了厌氧消化的四阶段理论,如图
1.2所示,该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四个种群厌氧微生物参与:水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌又称耗氢产乙酸菌以及产甲烷菌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有许多不同微生物菌群协同作用的结果,是一个极为复杂的生物化学过程
1.2厌氧技术的发展沿革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化,是处理有机污染和废水的有效手段,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100年里发展缓慢,其主要原因有:1厌氧生物处理技术是一种多菌群、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己被打破,该技术的优越性更加突现出来厌氧生物处理技术的发展过程大致分为三个阶段第一阶段1860-1__9:简单的在同一个池子里进行沉淀与厌氧发酵的初期发展阶段这个发展阶段具有以下特点1把污水沉淀和污泥发酵集中在一个腐化池中进行,亦即以简易的沉淀池为基础,适当扩大其污泥贮存容积,作为挥发性悬浮生物固体液化的场所2处理对象为污水、污泥3精确设计和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上使用着第二阶段1__9-1906:污水沉淀与厌氧发酵分层进行的发展阶段,主要代表是经化粪池改造后的双层沉淀池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,即所谓的双层沉淀池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己为人所共识,并开始__利用第三阶段1906-至今:__式营建的高级发展阶段这个发展阶段具有以下特点:1把沉淀池中的厌氧发酵室分离出来,建成__工作的厌氧消化反应器__的主要污水处理工艺有:普通厌氧消化池、UA__、厌氧接触工艺、两相厌氧消化工艺、AFAFB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,即把环保和能源利用结合起来3处理对象除VSS外,还着眼于BUD和UUD的降低以及某些有机毒物的降解厌氧生物处理技术的反应器主体也经历了三个时代第一代反应器:以厌氧消化池为代表,属于低负荷系统第二代反应器:可以将固体停留时间与水力停留时间分离,能够保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄,属于高负荷系统典型工艺有:厌氧生物滤池、UA__上流式厌氧污泥床、厌氧流化床、厌氧折流板反应器、厌氧生物转盘等第三代反应器:在将固体停留时间和水力停留时间分离的前提下,使固液两相充分接触,从而既能保持大量你又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触,以达到真正高效的目的已__的工艺有:EG__ExpandedGranularSludgeBed,简称EG__IC反应器等厌氧生物处理技术的巨大发展出现在上个世纪50年代一80年代50年代中期出现了厌氧接触工艺,开始着眼于通过人为措施增加反应器中的污泥浓度;60年代末,Young和McCarty发明了厌氧滤器;70年代以来厌氧处理的最大突破是UA__的发明AF和UA__的__,推动了以微生物固定化和提高污泥和废水混合效率为基础的一系列新的高速厌氧反应器的__,EG__AFB等厌氧工艺应运而生
1.3ABR的理论及研究基础
1.
3.1微生态系统理论厌氧处理实际上是借助于不同微生物种群间的协同作用并通过水解一酸化产酸及产乙酸卜产甲烷等一系列生物反应将有机无底物转化为无机物的过程图
1.
11.2在此过程中,不仅各类型的微生物对环境条件的要求不同表
1.1而且它们通过对不同底物的利用而形成类似于生态系统中的食物链的营养关系,即微生态系统因而,为使厌氧处理系统持续稳定的运行,需创造适合于不同微生物种群生长的环境条件,使反应过程中物质的转化及能量的流动顺利地进行因而,两相及多相厌氧反应器__PAR,可由一个反应器或多个反应器串联实现,因而它并非特指某个反应器技术的研究已成为__新型厌氧反应器技术的生态学基础
1.
3.2复合流态的反应器系统理论无论是在化学反应工程还是在生物处理工程中,反应器或反应器系统中液体介质的流态对产物的转化率或生物处理的效果均有重要的影响反应器中良好的水力流态应满足以下要求:1确保反应介质间均匀的混合接触,提高反应器有效容积的利用率及设备的运行稳定性;2创造高的浓度梯度,促进介质间的传质,以获得高的产物转化率处理效果实际应用中,多以完全混合或推流式作为反应器的两大主要流态完全混合式虽可满足要求1,但难以满足要求2;推流式则反之因而,如何通过工艺运行方式的改进,使反应器系统既具有完全混合的优点又具有推流的优点,以充分满足上述两个要求,则是__新型厌氧反应器工艺的水动力学基础
1.4ABR的__与研究现状厌氧折流板反应器AnaerobicBaffLedReactor是Bach__n和McCarty等人于1982年前后提出的一种新型高效厌氧反应器,其构造如图
1.1反应器特点是:内置竖向导流板,将反应器分隔成串联的几个反应室,每个反应室都是一个相对__的上流式污泥床U__系统,其中的污泥可以是以颗粒化形式或以絮状形式存在水流由导流板引导上下折流前进,逐个通过反应室内的污泥床层,进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除借助于废水流动和沼气上升的作用,反应室中的污泥上下运动,但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能,污泥在水平方向的流速极其缓慢,从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中ABR的两个突出特点:一是由于上下折流板的阻挡和分隔作用,使水流在不同隔室中的流态呈完全混合态水流的上升和产气的搅拌作用,而在反应器的整个流程方向则表现为推流态这种局部为完全混合整体为推流的流态系统,确保了基质与微生物的完全混合,同时保证了较大的传质推动力,是一种极佳的流态另一特点是,水流方向形成依次串联隔室,微生物种群沿长度方向,不同隔室实现产酸和产甲烷相的分离,这种分离为各隔室的优势种群营造了各自适宜的环境,如PH.氢分压等,实现了处理功能的协调配合,从而利于整个体系的高效、稳定运行清华大学的黄永恒比较分析了Lettinga教授提出的分阶段多相厌氧工艺__PA工艺和ABR的性能特点,认为ABR__的实现了__PA工艺的思想要点,是一种很有发展前途的高效厌氧反应器
1.
4.1ABR的水力特性不同的研究成果均说明了ABR具有良好的水利条件及较低的死区百分率Grobicki和Stuchey利用示踪响应方法研究了不同水力停留时间、不同污泥浓度、不同分格数的ABR的水力特性和死区百分率结果表明,在清水条件下ABR的死区百分率水力死区非常低,通常在1%-18%范围内;实际运行条件下,ABR死区百分率水力死区+生物死区的范围在5%^20%之间实际运行时,反应器的死区空间可以分为水力死区和生物死区水力死区随着水力停留时间HRT及反应器结构的不同而变化,HRT减少则水力死区增加生物死区与污泥浓度、气体产率及HRT有关fl-RI减少则生物死区也随之减少水力死区和生物死区随HRT相反的变化关系表明:死区百分率与HRT无明显的相关关系Grobicki等人认为ABR可以看作一系列串联的完全混合反应器CSTRs的组合,并且各级之间基本不存在返混现象天津大学的郭静等人在污泥浓度为定值时测定了ABR在不同水力停留时间下的水力特性结果表明,随着水力停留时间的减少,ABR内的死区百分率也随之减少郭静等认为这主要是生物死区减少的结果通过对离散数D/11L的计算,得出下列结论:ABR介于理想推流式和完全混合式之间,且随着HRT的增大,离散数减小,ABR向理想推流式过渡黄永恒和王建龙对ABR的水力特性进行了较为系统的研究黄永恒认为LevenspieL方法不适于定量计算ABR的死区百分率,但LevenspieL方法可作为一种定性的方法来反映ABR死区百分率的相对大小黄永恒还用数值方法完成了CSTRs模型、近似推流模型G和模型D以及Levenspiel模型的液龄分布分析,指出近似推流模型G可以较好的模拟ABR在实际运行状态下的流态目前关于ABR水力特性的研究还远远不够,一些很重要的因素还没有被考虑进去,如产气速率的影响、污泥颗粒大小的影响以及由于细胞外部聚合物的生成而带来的粘度的影响等
1.
4.2ABR的启动Nachaiyasit和Stuckey于1995年初步研究了ABR的启动情况启动方式是固定进水COD浓度,HRT由80h逐步减小到60h40h,最后稳定在20h但是,最后反应器发生了过度酸化,启动失败了Nachaiyasit和Stuckey认为这是接种污泥活性低和初始COD污泥负荷
0.75k__OD/kgVSS.d高的缘故随后Nachaiyasit降低了COD污泥负荷
0.07k__OD/kgVSS.d,启动获得了成功Boopathy和Tiche研究了复合式ABRHybrianaerobicBafLedReactory,简称HABR处理糖浆废水中试的启动情况在30d内,HABR的COD容积负荷就达到了
4.33k__OD/m
3.dCOD=
115.771g/LHRT=27d,并且在第30天,每个反应室内都出现了颗粒污泥,COD的去除率达到__%.Stuckey认为这是在COD容积负荷比较高的情况下成功启动的一个好例子Barber和Stuckey系统地研究了ABR的启动特性Barber等人采取了两种启动方式:
1.固定HRT20h,逐步提高进水基质浓度COD1-2-4g/L;
2.固定进水基质浓度COD=4g/L逐步缩短HRT80--40--20h结果表明,采用方式2启动的反应器不论是从COD去除率、运行的稳定性,还是从污泥的流失量方面衡量均优于采用方式1启动的反应器
1.
4.3ABR中污泥的颗粒化Stuckey认为在ABR中即使不形成颗粒污泥也能获得良好的处理效果,但是许多研究结果还是说明在ABR中只要条件合适是可以培养出来颗粒污泥的Boopathy和Tiche研究了HABR处理高浓度糖浆废水时污泥的颗粒化现象研究中发现在启动COD容积负荷从
0.97k__OD/m
3.d逐步上升到
4.33k__OD/m
3.d的过程中,仅过了30d左右,HABR的三格反应室中均出现了灰色的球形颗粒污泥,它们的平均粒径约为
0.55mm,并且随着实验的进行,这些颗粒污泥也不断长大,在第90天粒径最大可达3-
3.5mmo进一步的研究还发现,在前两格反应室中,主要有两种不同形态的颗粒污泥,一种表面带有白色,主要由长丝状菌构成,结构相对松散一些,另一种表面呈深绿色,也主要由丝状菌构成,但密实程度比前一种好在第三格反应室中只发现了第二种形态的颗粒污泥大多数颗粒污泥的粒径在
0.5-1~之间,并且颗粒污泥的表面粗糙不平,有很多气孔电镜观察发现各格颗粒污泥中占优势的菌种并不一样第一格反应室中占优势的是甲烷八叠球菌属Methanosarcina,第三格反应室及后面的沉淀室中占优势的是甲烷丝菌属Methanothrix,中间一格反应室中没有明显占优势的菌属,由甲烷球菌属Methanococcus、甲烷短杆菌属Methanobrevibacter、还原硫细菌SuLphateReducingBacteria等多种菌属组成Boopathy等人认为,在高选择压的作用下,甲烷丝菌属容易附着沉积在一些微小颗粒物质的表面从而形成结构松散的颗粒污泥,而自身就容易聚集成团形成颗粒污泥,与选择压无关这种由甲烷八叠球菌自身凝聚成的颗粒污泥密度小,容易流失,只有甲烷八叠球菌属被甲烷丝菌属形成的颗粒污泥捕捉、缠绕,才会形成沉降性能良好的颗粒污泥王建龙等人对ABR中污泥的颗粒化问题进行了深入的研究启动完成后各格室均形成了颗粒污泥,前端1-2格室颗粒污泥从形态及数量上都优于后端3-5格室;污泥成熟后污泥形态发生了较大变化,1格污泥己接近完全酸化,污泥呈淡黄色絮体,2格污泥除部分来自1格的污泥外以颗粒污泥为主,3格颗粒污泥粒度最大,4格室颗粒污泥粒度接近于3格室,5格室颗粒污泥粒度较小王建龙对各格室污泥生物相也做了一定的研究,结果类同于StuckeyHoLt等人的研究结果总的来说,对ABR中污泥的颗粒化问题研究远不如UA__颗粒污泥那样广泛和深入并且受基质的影响很大,也许借鉴UA__颗粒污泥的研究会对这一问题的研究有帮助
1.
4.4ABR处理各种浓度废水的研究现状国外学者开展了用ABR处理低浓度废水的研究,并获得了较好的效果Stuckey认为,处理低浓度废水时,由于传质速率和微生物活性都不会很高,生物相的沿程变化就不会很明显,尤其产酸菌的数量沿程基本不便并且处理低浓度废水时,低水力停留时间所带来的污泥流失问题可以被低的产气速率抵消,并且缩短HRT还可以增加水力搅拌作用,从而提高处理效率应用ABR处理高浓度有机废水是ABR应用前景最为广阔的一个方面Boopathy和TILche研究了用ABR处理高浓度糖浆废水的情况当COD为115叭,COD容积负荷达到
12.25k__OD/m
3.d时,溶解性COD去除率可达到82%,产气量为372L/d增加进水COD浓度至990g/L,相应的COD容积负荷达到28k__OD/m
3.d时,溶解性COD去除率降低到50%但产气量却增加了一倍多,达到741L/d,相当于每单位体积反应器每天产气5单位体积与此同时,反应器内污泥浓度也从40g/L增加到68g/L.Boopathy等人认为,高产气速率虽然可能会导致污泥膨胀,但污泥沉降性能的提高会抵消高产气速率带来的不利影响己有的研究表明,采取适当的工艺措施出水回流、增加填料,ABR可以处理各种浓度的废水,包括悬浮固体浓度很高的养猪场废水SS=
39.1g/L、酒糟废水SS=21g/L等Nachaiyasit和Stuckey研究了ABR在浓度冲击负荷和水力冲击负荷条件下的运行特性ABR稳定运行时35-CCOD=4g/LHRT=20hCOD容积负荷pt=
4.8k__OD/m
3.dCOD的去除率在98%左右保持HRT不变,逐步提高进水COD至8叭,COD容积负荷=
9.6k__OD/m3ACOD的去除率无明显改变;但当进水COD提高至15g/LCOD容积负荷=18k__OD/m
3.dCOD的去除率下降至90%若保持进水COD不变4g/L,缩短HRT至lOh并保持14dCOD容积负荷一
9.6k__OD/m
3.dCOD去除率降至90%;继续缩短HRT至5h并保持24dCOD容积负荷一
19.2k__OD/m
3.dCOD去除率仅有52%当缩短HRT至1h并保持3hCOD容积负荷一96k__OD/m3A时,出水COD浓度迅速上升,并接近于进水COD浓度但是,当3h后HRT又恢复至原来的数值时,ABR显示了其运行稳定、耐短期冲击负荷能力强的特点,仅过了6hCOD的去除率就恢复到了原来的值98%.Nachaiyasit等人通过研究认为ABR独特的结构设计使得实际运行中的ABR在功能上可以沿程分为三个区域:酸化区、缓冲区、产甲烷区这种功能上的分区避免了ABR在冲击负荷条件下大部分活性微生物暴露于很低的PH值下,从而提高了ABR耐冲击负荷的能力根据VantHoff规则,温度每升高100C,反应速率增加一倍但Nachaiyasit通过研究发现,对ABR当温度从35℃降低到25℃时,系统仅经过两周就重新达到了稳定状态,并且COD去除率没有明显的下降若进一步降低温度到150C,一个月后,COD去除率下降了20%oNachaiyasit认为温度下降使得产酸阶段向反应器后部__,使得反应器后部产甲烷菌的活性得到了激发,从而部分抵消了温度降低的不利影响据此,Nachaiyasit认为ABR对温度下降的抵抗能力很强研究中还发现,当25℃时,出水中VFA以COD计占出水总COD的2/3;而在15℃时,出水中VFA以COD计仅占出水总COD的1/3,这表明低温时反应器中生成了更多的难以被产甲烷菌利用的中间产物__PsSoLuabLemicrobiaLproductsABR在实际工程中的应用还比较少见美国哥伦比亚CoLumbia城的Tenj地方有一套常温下处理生活污水的ABR装置该装置由两个ABR并联组成,每个ABR体积是197m30实际运行时的工作情况如下:BOD=___mg/LCOD容积负荷一
0.85k__OD/m
3.dHRT=
10.3hCOD去除率70%SS去除率80%实际运行时发现当COD容积负荷在
0.4-2k__OD/m
3.d范围内变动时,COD去除率基本上保持不变但是在雨季,水力冲击负荷加剧了污泥的流失,导致处理效率下降这套ABR装置的投资比UA__节省了20%,仅相当于一座同等规模城市二级污水处理厂投资的1/
601.5ABR的应用前景及研究意义从以上的介绍、分析可以看出,ABR是一种新型高效厌氧反应器,适于处理各种浓度的废水,并且在COD容积负荷=
0.4-28k__OD/m
3.d的条件下都有令人满意的处理效果ABR的优点在于:1工艺结构简单;不需要气固液分离所需的三相分离器;工程造价低2反应器内水流的多次上下折流作用,提高了污泥微生物体与废水的混合接触水流大多呈推流与完全混合流相结合的复合型流态,因而具有高的反应器容积利用率,可获得较强的处理能力3反应器内的微生物相有明显的种群配合和良好的沿程分布,厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到分离,使ABR在整体性能上相当于一个两相厌氧处理系统4具有良好的生物固体的截留能力,能在高负荷条件下截留污泥微生物体,抗冲击负荷能力强、对SS有很高的耐受能力、处理效率高5能耗低、运行管理方便;6可__运行而不需要排泥从分相的理论来说,ABR不仅可以提高普通厌氧发酵的效率,同时对于有毒有害废水有独特的适应性:
①微生物种群沿长度方向的不同隔室实现产酸和产甲烷相的分离,这种分离为各隔室的优势种群营造了各自适宜的环境,实现了处理功能的协调配合,从而利于整个体系的高效、稳定运行
②分段式的结构具有良好的抗冲击能力以S042一为例:当废水中存在过多S042一时,对产甲烷菌是不利的,一方面硫酸盐还原菌会与产甲烷菌争夺基质,另一方面产生的H2S对产甲烷菌是不利的,工程中通常需做预处理以去除过量的S041-而在ABR中,酸化区会有效的降低S042侬度,同时分格集气也大大降低了后部格室的H2S分压,从而为后部格室的产甲烷菌提供了更好的环境条件这是单相系统所无法做到的2试验研究的目的、内容及方法
2.1课题的提出从以上的介绍可以看出,ABR做为一种新型高效厌氧反应器,具有结构简单、投资少、抗冲击负荷强等一系列优点,但实际应用还相当少ABR作为一种新型反应器,理论研究和实际应用的积累均显不足,大大限制了其应用__的步伐:1ABR结构设计的原则要兼顾水力条件和各格室的功能优化,而目前对ABR的内在处理规律研究尚不充分,各格室的降解规律、功能定位不能准确界定因此,应对各格室的降解规律进行深入和系统的研究,如各格室产气量、气体组成与基质、负荷的关系及规律,各格室生物相的组成及分布,各格室的去除贡献等2尽管理论上ABR具有较强的污泥截留能力,但一方面,颗粒污泥的培养受水质、操作条件的影响较大,而研究及工程证实很多工业废水难于培育出功能良好的颗粒污泥,因此对絮体污泥床的污泥保留问题应加以重视;另一方面,ABR中的污泥截留不仅受结构设计的影响,同时与产气负荷、污泥沉降性能也有较大关系,因此应对污泥保留问题进行系统研究,这也是ABR走向实际应用的瓶颈之一3ABR工艺相对于其他高效厌氧反应器的最大优势在于:
①结构简单,造价相对较省;
②ABR中微生物种群分布沿长度方向的不同对难降解废水有潜在优势通过结构设计、操作控制等手段有效的发挥其优势尤显重要,因此,应对ABR处理难降解废水的机理进行深入的研究,以便为强化其处理功能提供理论依据4目前我国关于ABR的研究还较少,尤缺乏对实际废水处理的研究,实际工程运用也较少见,并且一些工程将其功能定位为水解酸化,大大限制了其应用__的步伐因此,以实际废水研究ABR具有较大的现实意义,不仅可以凸现出ABR的潜在优势,也可以为实际工程的设计参数提供直接和理论上的依据5ABR运行控制的研究较少,诸如污泥回流、排泥、温度等实际问题尚未见详细报道这也限制了ABR的实际应用综合以上分析,本研究着眼于ABR的特性及工程应用进行研究,拟对ABR的降解特性及机理、ABR中生物相的分布及演变特性、ABR中污泥保留以及操作控制条件等进行探索及研究
2.2试验内容及方案的确定
2.
2.1试验基质本课题着眼于ABR的特性及工程应用进行研究,为使研究结果更具应用价值,采用具有代表性的两类工业废水制药废水和淀粉废水为基质,分别代表难降解有机废水及易降解有机废水制药废水取自某制药厂红霉素生产废水,淀粉废水取自某淀粉厂玉米浸泡水
2.
2.
2.1红霉素生产废水的水质特征1据有关资料废水中主要组分有:醋酸丁脂、丙酮、乙醇以及残留的微量红霉素等化学分析废水各项指标如下COD=_____-11000mg几;PH=
8.0-
8.5;碱度=540-560mg/L;SS=90-120mg几;Zn=27mg几;硫酸盐=12001300mg/Lo红霉素生产废水主要来源于生产过程中的离心母液及冲罐废水,其中含有大量未知的发酵中间产物,分析认为,这些未知的发酵中间产物及残留的红霉素对厌氧微生物有抑制作用排放的废水主要分三类:
①COD=2026叭的废水,
②COD=1015叭的废水,
③COD=叭的废水实验中工艺系统试验主要以COD=1015叭的废水为研究对象,采用COD=2026叭的废水进行抗冲击性能研究2红霉素生产废水的厌氧抑制性实验过程中发现,COD为2026叭的废水,厌氧抑制性高于低浓度的废水,分析认为,初期冲洗废水及离心母液中抑制物的含量相对较高采用装瓶试验对红霉素生产废水的厌氧抑制性进行评价,即在500mL注射瓶内以相同种类及数量污泥进行接种,分别对不同浓度的试样在30天内的产气情况进行记录,对各试样在3天及30天内的产气量与对照试样进行对比分析,从而得出废水在不同浓度下的厌氧抑致性静态试验的结果如图
2.1-
2.2及表2:1-
2.2所示通过对三组静态实验的结果分析,认为COD为2026叭的原水,COD浓度在5000mg/L时,短期接触为轻度抑制,__接触为中度抑制;而COD为1015叭的废水,COD浓度在7000mg/L时,短期接触为中度抑制,__接触基本无抑制由上面的分析可以看出,红霉素废水中存在生物抑制性物质,当毒性物质浓度适合时厌氧菌表现出了较好的适应能力,经过一定时间的驯化即可对毒性产生抗性:但当毒性物质浓度过大时,产生了较强的抑制甚至是杀菌作用高浓度废水厌氧抑制性试验中COD浓度在8000_____mg/L的试样基本未产气
2.
2.
1.2淀粉生产中浸泡废水水质特点玉米淀粉生产过程中排放的废水包括工艺水及玉米浸泡水工艺水包括中间产品的洗涤水和各种设备的冲洗水,其中含有大量的不溶蛋白、可溶蛋白、无机盐及糖类等有机物试验中取用的是玉米浸泡水生产过程中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,并抑制微生物的滋生繁衍,在浸泡工艺中要加入一定量的亚硫酸溶液,因此水中含有一定的S032-5042玉米的浸泡液中含有可被分离的可溶性蛋白和植酸等,淀粉生产中常用石灰中和浸泡水,析出钙镁复合磷酸盐C6H8024P6Mg4Ca6H2,即为具有药用价值的非汀因此试验取用的废水中含有一定量的可溶性蛋白约20叭和钙镁复合磷酸盐
2.
2.2试验的主要研究内容通过以上分析,本研究着拟定作如下内容的研究1ABR的启动:
①接种污泥;
②启动过程;
③启动方式2ABR的降解特性:
①COD降解规律;
②产气特性;
③系统VI-ApH3ABR的污泥特性:不同阶段的污泥特性4ABR的运行控制:
①排泥控制:
②污泥回流;
③监控指标
2.3试验装置试验系统如图
2.1所示实验系统包括:1主反应器:分为五格室,有效容积50L,上流格室底__:下流格室底__=4:l高度850mm;各格室分开集气2集气系统:分格室集气,5个集气瓶3功口热系统:热水夹套,低进高出循环加热4进、出水系统:补液泵进水,出水U型管保护进水从进水箱由风箱泵打入反应器中;夹套中以热水循环加热,保证反应器中水温在控制温度
2.4化学分析项目1COD2pH3碱度4MLSSMLUSS5硫酸盐及硫化物6挥发性脂肪酸的测定7辅酶4208产甲烷活性采用标准重铬酸钾法[tsa采用数字酸度计测定〔“〕采用中和滴定法测定[tsi采用重量法测定[t51采用重量法测定[t51采用蒸馏法测定[t采用比色法测定〔川采用集气法测定〔川t;3ABR的启动过程研究厌氧反应器的启动就是指在反应器中培养出一定量的能适应所处理废水特性的微生物群体的过程,这些微生物群体能与反应器所提供的环境组成一个稳定的生态系统厌氧反应器的启动通常包括两个方面1培养:微生物富集的过程2驯化:微生物适应所处理废水特性而进行变异的过程由于厌氧微生物,特别是甲烷菌的增殖速度很慢,通常认为厌氧反应器的启动需要较长的时间,一般需要8-12周甚至更长的时间影响厌氧反应器启动的因素很多,包括废水的组成及浓度,接种污泥的数量及活性,环境条件,微量元素的补充,操作条件以及反应器本身的特性等诸多因素已有的研究及工程经验表明,厌氧反应器启动时应注意以下几个方面1接种污泥以同类废水污泥为佳,条件许可时,多种污泥配合接种有利于丰富产甲烷菌的种类;接种浓度不宜低于1015叭2环境条件:温度应在32370C中温消化或50550C高温消化范围内,每天的温度波动不宜超过1-2C;pH应在
7.
27.6范围内,并维持一定的碱度,以保证产甲烷菌的最大活性;营养元素不足时添加NP以保证COD:N:P=350500:5:1;投加FeCoNiZn等补充微生物生长所需的微量元素,在某些情况下是非常关键的3操作控制:启动初期COD浓度不宜高于1500-3000m叭,具体还要综合考虑接种污泥及所处理废水的水质;出水VFA不宜高于350-450mg/L;启动初期水力负荷不宜过高,以免引起污泥大量流失
3.1接种污泥的选取厌氧构筑物启动时的接种污泥来源主要有1城市污水厂普通厌氧消化池中的消化污泥;2同类工业废水的厌氧构筑物中的消化污泥;3沟、渠、塘中的底泥;4好氧系统中排出的剩余活性污泥很多ABR的研究者特别建议多种污泥配合接种各研究者针对不同的废水采取了不同的接种污泥,如表
3.1所示然而,工程中这几乎是不可能实现的,通常情况下大量的厌氧污泥也是非常不容易取得的,通常以好氧剩余污泥或牲畜粪便替代因此,为了对ABR的启动过程进行更具体的研究,并使研究结果更具操作性,本研究以北石桥污水厂板框后干化污泥进行接种表
3.2为接种污泥的情况
3.2启动操作方案综合分析废水特性及反应器特性,红霉素生产废水因其含有生物抑制性物质,启动负荷定为
0.2k__OD/m
3.d;玉米浸泡水的生物可降解性较好,启动负荷定为
1.0k__OD/m
3.do启动中添__业尿素及磷酸盐补充厌氧细菌生长所需的氮和磷,控制COD:N:P=350:5:1,投加碳酸氢钠及氢氧化钠调节系统的碱度及pH值,投加FeCoNiZn等补充微生物生长所需的微量元素
3.
2.1启动方式Barber和Stuckey1281的研究认为固定进水基质浓度,逐步缩短HRZ…不论是从COD去除率、运行的稳定性,还是从污泥的流失量方面衡量均优于采用固定HRT,逐步提高进水基质浓度方式启动的反应器通常的厌氧启动方式大致可分为两种:
1.快起动
2.慢启动如表
3.3所示本次试验以好氧干化污泥进行接种,启动过程必然包括培养、驯化两个过程,因此进水浓度不宜太低,否则对污泥培养不利,但也不能太高,否则废水中的抑制性物质对细菌的生长不利第一次启动以2000mg/L的浓度进水,启动经12天后即告失败综合考虑各影响因素后启动方案定为1水力负荷与进水浓度均递增启动,主要增加进水浓度,对系统影响不大时增加水力负荷2系统COD去除率达50^-60%后,递增
1.2-
1.5的负荷
3.3运行结果及分析启动历时较长,红霉素生产废水经四个月后负荷升至
4.5-
5.3k__OD/m
3.dCOD去除率达60-66%;玉米浸泡水经三个月后负荷升至
5.03k__OD/m
3.dCOD去除率达75%.启动过程如图
3.1所示综合分析监测数据,启动过程大致可分为四个阶段,分述如下1适应期:启动初期控制进水COD=1000-1600mg/L,容积负荷维持在
0.2-1k__OD/m3ACOD去除率在3050%之间,历经约一个月适应期COD去除率呈下降趋势,VFA则不断上升,且居高不下,系统的产甲烷能力相对较弱分析认为:
①实验中以好氧污泥接种启动,产甲烷菌数量及种类均较少,需要一定的培养过程;
②红霉素生产废水中存在抑制性物质,而产酸菌对环境的敏感程度小于产甲烷菌,生长速度也远远高于产甲烷菌产酸菌的最大产率常数为
0.15-
0.20kgVSS/k__ODs而产甲烷菌最大产率常数只有
0.03-
0.04kgVSS/k__ODs,使得产酸菌呈优势生长状态;
③ABR的分级结构导致反应器内局部负荷前高后低的分布状况,当ABR正常运行时,这种负荷分布有利于反应器的处理效率,但对于未完成培养及驯化的ABR来说则是不利的,前面格室产生的VFA不能被产甲烷菌有效的转化,导致VFA的积累,而这种积累通常又不利于产甲烷菌的生长因此,在后期采取了减小负荷、增加系统碱度等措施,保证系统的稳定2培养期:尽管系统COD去除率较低30-50%,但低负荷运行不利于细菌的生长,因此,本阶段在保证系统稳定的情况下稳步增加系统的容积负荷尽管VFA有较大的上下波动,但均属于提高负荷的正常反应培养期历经约一个月,容积负荷提高到了2k__OD/m
3.d,同时,系统出水VFA也得到了控制,基本呈下降趋势,系统的稳定性进一步得到加强,微生物群体基本已适应红霉素废水的特性3负荷提高期:运行约一个月,该阶段将容积负荷提高至
5.3k__OD/m
3.dCOD去除率呈上升趋势,出水VFA不断下降,系统的处理能力得到了较快的发展,但稳定性不高,出水VFA依然在400mg/L左右4稳定期:采取将系统负荷重新降低,再逐渐升高的方式稳定系统最终将系统容积负荷升至
5.3k__OD/m
3.dCOD去除率达到66%,出水VFA=120-250mg/L,系统稳定,启动结束
3.4问题讨论及建议
3.
4.1关于启动期水力负荷的分析水力负荷过低不利于ABR的泥水混合,并且在启动期产气能力较弱,水力搅拌的作用较大,但过大的水力负荷也会导致污泥的大量流失,因为启动期污泥的沉降性能不够完善,正常运行情况下的水力负荷也会导致跑泥,进而影响系统的稳定性试验中对水力负荷进行了研究,结果如图
3.2所示结合系统运行工况进行分析,结果认为1ABR启动初期污泥沉降性能较差,污泥床系统不够稳定,试验中当上升流速二
0.25m/h时,出水SS=400500mg/L甚至更高,跑泥严重,COD去除率也呈下降趋势,因此启动初期上升流速应
0.25m/h,但不宜低于
0.15m/h,否则对泥水混合不利,并且不利于细小污泥的洗出;2ABR启动中期,由于产气作用的加强,出水SS呈上升趋势,系统有待进一步稳定此时,对于上升流速不宜做太大的变化3启动后期,污泥沉降性能大大改善上升流速提至
0.
20.25m/h,产气作用较强,系统处理效能大大提高,出水SS=100200mg/L因此,启动后期可将上升流速逐渐提高至
0.20-
0.25m/h,但需保证出水SS250-300mg/Lo
3.
4.2关于启动期产酸菌优势增长的讨论稳定厌氧发酵的微生物状态是产甲烷菌和产酸菌的平衡生长,一旦这种平衡被打破,系统就会变的不稳定或者引起系统处理效能的下降本课题组平行启动的另一个以玉米浸泡水为研究对象的ABR系统,在启动期VFA居高不下,一段时期出水VFA=10002000mg/L;某研究者以ABR处理有机磷农药废水,出水VFA=9002050mg/L;雷中方等以ABR处理制浆黑液,出水VFA=700800mg/L;郭静等以ABR处理人工配制葡萄糖污水,出水VFA=2401853mg/La大量试验结果均证实,ABR系统在启动及运行期均存在产酸菌优势增长的情况如
3.3节所述1非厌氧污泥中产甲烷菌数量及种类均较少,以厌氧污泥接种启动时需要一定的污泥培养过程;2工业废水中通常存在一些难降解及具有生物抑制性的物质,而产酸菌对环境的敏感程度小于产甲烷菌,生长速度也远远高于产甲烷菌,这也是产酸菌优势增长的原因之一;3ABR的分级结构必然导致反应器内局部负荷前高后低的分布状况,对于未完成培养及驯化的ABR来说这是非常不利的,前面格室负荷过载必然增加后面格室的压力,导致VFA的积累,不利于产甲烷菌的生长;4试验中发现,前两格有较大的浓度差,后三格则小的多,易降解成份大部分消耗在了前面的格室,这对于中后部细菌的培养来说是很不利的ABR由于其分级的结构特征不可避免会引起产酸菌的优势增长,随着废水复杂性的不同,更为其启动增加了难度,这是导致ABR启动较慢的主要原因笔者认为,可以从以下几个方面加快ABR的启动过程:1可在启动期加入其它易降解废水增加污泥培养的速度;2有条件时采取多种污泥混合接种,丰富厌氧细菌的种类和数量;3多点进水:
①启动期以培养、驯化污泥为目的,通常的观点认为微生物的转型较为容易,而培养则较难,微生物种类及数量的丰富是系统达到稳定平衡的前提,多点进水不仅可以减轻局部负荷,同时为后面格室的污泥提供了更好的生长基质;
②前端污泥的沉降性能较差,多点进水时水力流速逐级增高,有利于污泥的截流,同时对污泥洗出作用的影响不大
3.
4.3对启动期操作控制的建议1启动过程的环境条件:启动过程产酸菌优先增长,因此必须提供足够的碱度缓冲,防止pH的降低影响产甲烷菌的生长,碱度应大于10001500mg/L;温度应维持在33-35C,每天的波动范围应小于20C;系统pH应不小于
6.5,出水pH应大于
6.8;2非厌氧泥接种启动时,水力负荷不宜过高,初期应
0.2m3/澎.h因为产酸菌的优先增长使得VFA在各格室均有不同程度的积累,SVI在1530之间时,污泥的沉降性能较好使得污泥的SVI大都在3070之间,Lettinga认为启动初期,水力负荷
0.25m3/m
2.h时跑泥现象即加剧,出水SS由50100mg/L--300900mg/L可行的办法是当SVI低于30mL/g时再稳步增加水力负荷3启动过程的监控指标:VFA应小于400mg/L,但如果系统COD去除率不高或者产气量较低的情况下,低于200mg/L的VFA也是不正常的,或者因为负荷川氏,或者因为毒性物质的抑制,要具体分析原因进行应对;VFA/碱度应
0.3-
0.4,以提供足够的碱度缓冲,维持系统pH的相对稳定,否则应提高碱度或者降低负荷4增加负荷:系统COD去除率达5060%后,递增
1.
21.5倍的负荷
3.5本章小结
1.以好氧污泥启动ABR速度较慢,培养时间较长,约需3-r4个月启动过程历经适应期、培养期、负荷提高期、稳定期等四个阶段
2.ABR启动过程的水力负荷可按启动初期、启动中期、启动后期进行相应控制ABR启动初期上升流速应
0.25m/h,但不宜低于
0.15m/h,启动后期可将上升流速逐渐提高至
0.20-
0.25m/h,但需保证出水SS250300mgtLo
3.接种污泥、处理水水质、反应器本身的结构特征均是导致启动期产酸菌优势增长的原因,他们均对ABR的启动速度有较大影响4ABR的降解特性研究理论上来说,ABR与其它高速厌氧反应器的最大区别在于:反应器整体流态呈推流形式,从而迫使局部有机负荷沿程呈递减趋势,最终导致沿程微生物种群分布的不同从分相的理论来说,微生物种群沿长度方向的不同使得沿程实现产酸和产甲烷相的分离,这种分离为各隔室的优势种群营造了各自适宜的环境,实现了处理功能的协调配合,从而利于整个体系的高效、稳定运行本章主要通过研究ABR在不同条件下处理红霉素生产废水时所表现的特性同时与玉米浸泡水进行对比,分析探讨了ABR处理高浓度有机废水时的降解规律及内在机理,以期为工程设计及运行提供一定的依据
4.1COD降解规律
4.
1.1COD去除率与COD容积负荷的关系COD容积负荷是厌氧过程的重要工艺参数之一,它反映进水浓度与HRT对厌氧过程的综合影响,是工程设计的主要参数,图
4.1显示了COD去除率与COD容积负荷的关系由图
4.1可以看出,红霉素生产废水的COD去除率随COD容积负荷的升高而下降,当COD容积负荷为5k__OD/m
3.d左右时可得到65%左右的去除率;玉米浸泡水则在
3.5k__OD/m
3.d左右去除率最高图
4.2显示玉米浸泡水COD去除负荷随着有机负荷的增加而增加,4k__OD/m
3.d之后增长幅度趋缓,但未达到反应器的最大去除能力;红霉素废水在有机负荷5k__OD/m
3.d之前,COD去除负荷也随着有机负荷的增加而增加,但在5k__OD/m
3.d之后情况发生了变化,系统开始出现不稳定的状况,处理能力也开始下降,反应器基本达到了其最大处理能力综合分析图
4.1和
4.2ABR处理高浓度有机废水时,COD去除率随COD容积负荷的增高而逐渐下降,因为水质的不同下降的幅度也不同,从图中可以看出红霉素生产废水的COD去除率的下降速度远远快于玉米浸泡废水,并且很快就达到了反应器的最大去除能力
4.
1.2COD去除率与HRT的关系HR7,也是厌氧过程的重要工艺参数之一,试验中在维持COD容积负荷在
5.0-53k__OD/m
3.d时做了611146113811,25111311的影响实验,实验结果如图
4.2所示由图
4.3可知,随HRI,的缩短,COD去除率逐渐降低,小于2511时降低幅度最大IIRT在25-6111变化较为平缓红霉素生产废水中存在一些较难降解的有机物,必须给予足够的接触反应时间图
4.3显示IIKZ,应大于131125--6111之间较为合适,更长的IIRZ,对系统的改善效果不大,并且进水浓度的增大会对系统造成不良影响,应当谨慎从事一一后来的实验中进水COD=1100U--12000mg/L原水COD=22000mg/L,系统引起严重抑制,历经约一个半月才恢复,且恢复后系统性能低于抑制前水平
4.
1.3沿程COD去除规律系统在不同负荷下各格室的COD去除贡献如图
4.
44.5所示由图
4.4及
4.5可以看出:1随容积负荷的增加,3}5格室的COD去除贡献比例增大,各格室的COD去除贡献差距减小第五格室最为明显,去除贡献由7%增至18%,而第一格室则由37%降至15%02红霉素生产废水第二格室的去除贡献始终较高,大于25%,第三格室的去除贡献较为平稳,在1423%之间3玉米浸泡水在
3.98k__OD/m3A时系统变化较大,后部格室的去除贡献迅速提高4相同负荷下玉米浸泡水前部格室的COD去除贡献比例大于红霉素生产废水分析认为,玉米浸泡水的可生化性好于红霉素生产废水,因此红霉素生产废水需要的水解酸化时间相对较长,由此引起红霉素生产废水甲烷化的时间相对滞后于玉米浸泡水随负荷增加,后部承担的COD去除贡献比例增大红霉素生产废水经第一格的预处理后,给第二格室提供了良好的处理基质,同时中间格室的pH、基质等条件最适合甲烷菌的生长见
6.2节,因此第二格室的去除贡献始终较高尽管进入第三格室的废水的易降解基质少于前面格室,但却历经了较长的水解时间,且污泥的产甲烷活性较高见
6.3节,因此去除贡献相对平稳如果将ABR的沿程功能简化为:酸化区、缓冲区、产甲烷及稳定出水区,则可以根据各格室的COD去除贡献对系统的负荷及稳定性进行评价第
四、第五格室去除比例过大时,系统即有“穿透”的危险引起这种情况的原因大致有三点
①系统COD容积负荷偏大,前部格室酸化过度,引起前部格室去除率阳氏;
②前段污泥的后移,使得污泥在后段积累:
③系统受到抑制后,前段受到的冲击最大,引起前段污泥活性的降低建议的控制参数为第一第三格室去除贡献应60-70%.
4.2产气特性产气量是厌氧生物过程运行状态的一个反应敏感的指标,与反应器对有机物的降解效率相关系统不同负荷下的产气情况如图
4.6--
4.10所示由图
4.6--
4.10可以看出:1随有机负荷的提高产气量逐渐上升,两个系统的产气量基本与负荷呈线性关系相同负荷下玉米浸泡水的去除率较高,因此产气量明显高于红霉素生产废水2系统的平均产气率,红霉素生产废水在
0.
270.5L/去除1克COD之间,沼气产率较低3随负荷增高红霉素生产废水第一格室产气量逐渐下降,玉米浸泡水负荷大于
3.21k__OD/m3A时第一格室产气量也呈下降趋势分析认为,局部负荷的不断增高导致了第一格室酸化状态的加深,从而引起产气率的降低4值得注意的是,玉米浸泡水第一格室的产气比例明显高于红霉素生产废水这是由于玉米浸泡水的可生化性要好于红霉素生产废水,使得玉米浸泡水的甲烷化速率要高于红霉素生产废水,同时红霉素生产废水中的抑制物对第一格室的微生物的冲击也最大,导致红霉素生产废水第一格室污泥的产甲烷活性较低,使得红霉素生产废水第一格室处于较高的酸化状态5红霉素废水沿程的沼气产率基本呈正态分布,这是由ABR本身的特点及废水本身的特性综合作用的结果,具体分析如下厌氧发酵的产气过程较为复杂,厌氧装置中的实际产气率通常取决于下列因素:1去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例越大,则分解用以生产甲烷的比例将越小,从而产气率越低2溶液COD浓度及水质的不同有关研究表明废水浓度越低则厌氧产气率越低,图
4.11显示了相关的研究结果[t11,这可以解释随负荷增高,产气率逐渐上升的试验结果同时,废水厌氧可降解性不同也会导致实际产气率的较大差异,我们可以将ABR看作5个__的厌氧污泥床反应器,他们各自的进水水质事实上存在着较大的差异,当第2-4格室消耗掉大部分易降解COD后,第4-5格室进水的厌氧可降解性以及易降解COD所占的比例必定大大阳氏,从而导致第5格室的产气率低于第3-4格室3微生物种群的不同,一些其它细菌,如硫酸盐还原菌和反硝化细菌的存在废水水质及反应器的操作状态均可以影响反应器中微生物的种类及数量,从而影响系统产气率的不同第一格室的局部负荷5倍于平均水平,使得第一格室处于较高的酸化状态,使得第一格室的产气率较低,而随局部负荷的不断增高,会使酸化状态加深,引起产气率的不断降低产气量是厌氧生物过程运行状态的一个反应敏感的指标,不但与反应器对有机物的降解效率相关,而且受COD/SO42一比值的影响较大图
4.12为某一体化两相厌氧反应器的比产气率随着COD/S时变化的情况红霉素生产废水进水COD/SOa2-=
8.3,沼气产率较低,COD/S时-比值的影响是主要原因之一
4.3ABR系统的VFApHVFApH作为重要的系统监控指标,可以初步判定系统的稳定性以及系统恶化的原因在ABR中VFApH则可以间接反应出微生物分步降解污染物质的规律,并且可以更好的理解ABR工作的过程、方式以及特点,进而可以为系统操作控制提供一定的理论依据以及指导图
4.13一图
4.14显示了ABR中VFApH的分布状况1由图
4.13可以看出在三种负荷下,ABR中的VFA分布并不呈线性变化,总体趋势呈“双驼峰”形:在第一格室由于环境条件适合,废水中较易水解酸化的物质首先得到降解;但废水中较难水解酸化的物质,一方面需要较长的反应时间,另一方面,第一格室中占优势的产酸菌只对较易水解酸化的物质具有专性降解作用,而第
三、第四格室中占优势的产酸菌则对较难水解酸化的物质有较好的降解作用,这也正是推流式系统的特征之一,由此,形成了“分段”现象需要指出的是,“分段”现象与废水的性质有关,成分较单一的废水也许不会出现“分段”现象,淀粉废水在启动初期也有类似现象,但稳定后沿程VFA即呈递减趋势,图
4.15显示了玉米浸泡水COD容积负荷为
3.98k__OD/m3A时的沿程VFA的分布情况但是红霉素生产废水成分的复杂性却反映了ABR特性的一方面2系统pH则基本沿程增高尽管沿程VFA有变化,但试验中提供了充足的碱度缓冲,使得第三格室的pH与第二格室比较差别不大,并略有上升
4.4问题讨论及建议
4.
4.1关于ABR出水挥发酸较高的分析出水挥发酸较高是大部分ABR研究者面临的一个问题,表
4.1列出了部分研究者的试验结果挥发性脂肪酸是厌氧消化过程的重要中间产物,产甲烷菌主要利用VFA形成甲烷,只有少部分甲烷由C02和践生成VFA通常包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸以及它们的异构体在运转良好的高速厌氧反应器中,VIA中乙酸可占有很高的比例,但当反应器运行状况不好时,丙、丁酸浓度会上升厌氧消化的基本过程主要是产酸挥发酸的生成与产甲烷挥发酸的转化的平衡过程LettingeSpee__等[21161均认为选择厌氧处理不能让出水中挥发酸浓度持续居高不下,厌氧处理出水中VFA浓度不应超过Y-l00m叭理论及研究均证实挥发酸可以很容易的被产甲烷作用所降解,这一点毫无疑问,问题在于必须弄清楚是什么原因阻碍了挥发酸的正常转化,以及这种积累是一种动态平衡过程还是持续增长的过程,这一点也很关键通常认为导致出水高VFA浓度的原因有如下几点1缺乏微量金属产生代谢抑制,或者毒性损坏了代谢能力,使得产甲烷菌活性降低,系统产酸能力超过了产甲烷能力;2动力学上超负荷运行,污泥负荷过大会导致挥发酸的积累;3单级CSTR反应器;4传质限制及水力短流;5氮磷营养缺乏;6由于氢浓度高从热力学角度不利丙酸盐的转化ABR做为分级系统,在处理能力上要优于单级CSTR反应器;大部分研究者在小试中也重视了氮磷营养及微量金属的补充;本试验中红霉素废水中的生物抑制性物质也是导致出水VFA波动的一个因素,但鉴于不同的试验基质均出现了VFA积累,单从反应器特性出发,笔者认为,污泥负荷、传质限制和水力短流是ABR挥发酸积累的主要原因1污泥负荷不当是由于系统污泥保留能力较差引起的,尽管各研究者均认为ABR有较强的污泥保留能力,但事实上ABR的泡泥现象比较严重,尤其对于絮体污泥床而言更是实际应用中的最大瓶颈祥见
7.1节的讨论污泥负荷不当包括两方面的问题:
①系统整体污泥负荷过大本试验中污泥浓度仅保持在16-25叭,在试验中进行了污泥的补充及回流,但污泥回流的量及方式均有待进一步探讨祥见
7.2节的讨论
②系统污泥的稳定ABR作为推流系统,最大的特征在于沿程各格室功能分工不同,各格室功能协调运作是系统稳定运行的保证然而若控制不当ABR中经常发生污泥逐级后移的现象,这一方面使得各格室污泥负荷的不稳定,另一方面会使细菌的生存环境pH、种群匹配、传质限制等不稳定,这是导致系统运行不稳的主要原因之一图
4.16显示了试验中发生的一组污泥后移较严重的情况,第一周的VFA=263mg/L,第三周时出水VFA即迅速升至546mg/L2传质限制和水力短流也是主要原因之一,相对于UA__系统的多点布水,ABR的配水效果受反应器结构的影响较大,研究更为合理的配水结构是进一步研究工作中的重点迄今为止,对于ABR中VFA积累的研究还比较少尽管可以凭借碱度来平衡较高的出水VFA,但这种措施的经济可行性,以及是否会对反应器__运行产生影响等问题巫待解决,由于条件所限,并且它受反应器的结构、操作条件、废水水质的综合影响,其发生及控制机理有待进一步的研究
4.
4.2系统的稳定性分析仅凭pHVFA来对系统进行监控是不够的,综合以上分析,笔者认为还应从以下几方面对系统的稳定性COD容积负荷的高低、环境条件的控制效果、系统效能的发挥情况进行控制1VFA出水及沿程VFA分布:如果VFA呈沿程递减趋势,但VFA出水仍400mg/L,则表明ABR中COD容积负荷偏高,污泥负荷偏大;如果VFA在第三格以后即降至250mg/L以下,则表明ABR中COD容积负荷偏低VFA沿程递减、双驼峰形是可以接受的,因为它们均能保证VPA出水在安全范围内,但VFA若在第五格室出现驼峰则是非常不正常的,负荷的突然增高、温度的降低会使系统整体VFA上升,有可能使第五格室出现驼峰,而毒性物质的抑制作用通常会导致这种现象,实验中系统几经抑制最长的达2个月均出现这种情况2各格室的COD去除贡献比例:一般认为ABR的沿程功能为酸化区、缓冲区、产甲烷及稳定出水区因此沿程COD去除贡献的比例对系统的效能及稳定性有较大的影响,推荐的控制参数为第一第三格室去除贡献应60-r70%如果第四一第五格室去除比例过大50-60%,系统即有“穿透”的危险,并且出水水质会不稳
4.5本章小结
1.ABR对有机物的降解过程具有典型的推流系统特征,复杂污染物是以分类逐级的形式得以去除的
2.污染物的去除主要发生在1-3格室,但随有机负荷的提高,去除主体逐渐后移
3.系统产气量及沼气产率均随有机负荷的提高而增加;各格室产气量及产气率沿程呈正态分布,这是由ABR本身的特点及废水本身的特性综合作用的结果
4.系统沿程的挥发酸分布并不都呈线性分布,水质的差异会导致不同的分布
5.沿程的挥发酸分布以及COD去除贡献分布可以作为系统稳定性的评价依据
6.污泥负荷、传质限制和水力短流是ABR挥发酸积累的主要原因之一5ABR对浓度冲击的适应及恢复前已述及ABR具有较强的抗冲击能力,然而过强的冲击会导致系统效能的降低,甚至导致系统的崩溃,即通常所说的酸化系统酸化主要由以下几个方面引起1有机负荷冲击:系统有机负荷突然增高可以在系统处理能力之内也可超出系统的处理能力由于产酸相的适应性较强,系统产酸能力提高,而产甲烷相来不及或不能与之平衡增长,从而引起系统中挥发酸的积累,引起系统pH下降,进而抑制了产甲烷菌的活性,最终导致系统发生酸化2毒物负荷冲击:抑制物的浓度突然增高一方面,这种情况通常导致产甲烷菌的活性降低,使得系统挥发酸的转化受阻,另一方面,产酸菌因为对环境的敏感性相对较弱,受抑制程度相对较低甚至没有影响,最终加剧了挥发酸的积累,系统pH的下降对产甲烷菌也产生了抑制在pH及毒性的双重作用下,产甲烷菌的活性降低,最终导致系统发生酸化3接触浓度局部负荷冲击:理论上来说CSTR通常不会发生局部负荷的冲击,但在推流式系统中这却是一个不容忽视的问题4水力负荷的突变、短流等会引起系统不稳,引发酸化对于ABR来说,我们更为__的是2和3,本章旨在研究面对浓度冲击毒物负荷冲击时系统的适应过程,以期为ABR的运行控制提供一定的理论及实践依据
5.1试验安排红霉素废水历经半年的启动及运行后,系统已趋稳定,冲击前系统工况如表
5.1所示为排除有机负荷冲击的影响,冲击试验中维持系统有机负荷在
5.
56.0kg/m
3.d,改变进水浓度和水力停留时间进行试验1首先以COD,=8530mg/L对系统进行第一次冲击试验;2之后,将进水COD调至11320mg/L进行第二次冲击试验
5.2第一次冲击试验结果及分析系统进水COD=8530mg/LHRT=
29.5h,运行时间为30小时,随后降低进水浓度至冲击前水平,运行结果见图
5.
1.由图
5.1可以看出:1冲击进水30h后系统即有较大的反应,VFA迅速升至690m叭,产气量则降至
2.:L/h出水COD也升至4423Mg/L.2冲击进水30h后,系统进水恢复正常,ABR表现出了较好的抗冲击性能,经144个小时后系统基本正常但必须指出的是系统性Mitt于冲击前水平,进水COD=6364-6810mg/L时,出水COD=29503012mg/LCOD去除率在5356%之间,小于冲击前水平60%.究其原因,一方面,系统中细菌因废水中的毒性物质受到了一定的生理性抑制,须经较长时间的恢复,另一方面,毒性物质在反应器内有一定的残留3挥发酸升高的原因主要是超负荷而引起,系统产酸能力超过了产甲烷能力,引起了挥发酸的积累,系统微生物受到的抑制程度较轻,恢复速度较快
5.3第二次冲击试验结果及分析鉴于第一次冲击对系统产生的不良影响,第二次冲击时取冲击浓度为11320mg/L,但将容积负荷降至
5.4kg/m3AHRT=
50.3h,运行时间为
3.5天冲击后第4天系统工况如表
5.2所示系统受到较严重的抑制,系统产气基本停止,COD去除率迅速从56%降至29%,出水挥发酸也迅速增至932mg/L第5天开始进行系统的恢复,恢复期间采取的措施为:
1.降低负荷和进水浓度
2.加泵内循环
3.运行30天后加部分面粉2040%帮助恢复系统恢复过程见图
5.
35.4所示整个过程大致可分为三个阶段:1冲击期;2抑制期;3恢复期分述如下1冲击期:此阶段出水COD开始迅速上升见图
5.2,系统产甲烷菌受到了严重抑制,沿程VFA不断积累,出水VFA持续上升,最后高达1260m叭,如图
5.3中I阶段所示然而VFA的上升表明,产酸菌受到的影响显然较小2抑制期:包括II、III两个时期II.产酸抑制期:此阶段开始降低进水浓度至5460mg/L,出水VFA开始下降,出水COD也开始下降但是,此时系统各格室的VFA均开始下降,第一格室甚至降至205mg/L显然产酸菌也受到了严重的抑制而此时第五格室表现出了较强的产酸能力,净产VFA=270--354mg/L,显然后段4-5格的受抑制程度要小于前段1-3格此时系统已经基本停止了产气III.完全抑制期:此阶段,系统的抑制程度达到高峰,产酸菌及产甲烷菌均受到了抑制尽管不断降低进水COD浓度及有机负荷,系统COD去除率仍停留在____%之间,系统VFA=220-431mg/L,系统产气微弱且不稳3恢复期:包括NV两个时期IV,产酸恢复期:此阶段,为促进系统的恢复速度,于进水中配入部分面粉约占总COD的20-30%,系统VFA开始上升,第三格室的产酸能力恢复最快,其次是第一格室分析认为,第三格室的生物种群及生物量较多祥见
6.2节,受到的冲击程度又小于第一格室,因此产酸菌的恢复及生长速度最快V.产甲烷恢复期:此阶段,产甲烷菌开始逐渐恢复,表现为3-5格室的COD去除能力逐渐增强,而VFA开始下降,虽然2--4格室VFA有波动,但出水VFA基本呈下降趋势,从460mg/逐渐降到213m叭;同时进水COD浓度逐渐升至5140mg/LCOD去除率也逐渐从41%升至60%;系统产气开始增长,但产气量依然不稳,在30501/d波动系统仍需要继续稳定
5.4本章1在一定浓度范围内60008530mg/LABR表现出了较好的抗冲击能力,仅经过150h左右的时间系统即基本恢复正常,但因毒性物质对细菌产生了一定的生理性抑制以及在反应器内的残留,系统性能低于冲击前水平2冲击浓度达到11320m泌时系统受到了严重抑制,从而引发了酸化抑制及恢复过程可分为3个阶段:冲击期、抑制期、缓慢恢复期抑制及恢复过程为:
①前段1-3格影响大于后段4-5格:1一格污泥产甲烷菌受到严重抑制污泥产甲烷活性未做出;4}5格影响相对较小
②系统抑制过程为逐级进行产甲烷菌先受到抑制,产酸菌后受到抑制,VFA由1#-5#格室逐级增高,第8天后又降低;
③恢复过程极为缓慢C51-55天产酸菌恢复快于产甲烷菌,产甲烷菌中段3-4格先得到恢复,其次为5#格室6ABR的污泥特性观察表明,厌氧微生物在处理设备内的基本形态是菌胶团,菌胶团是由各种微生物凝聚而成的胶团见图
6.1菌胶团的絮凝能力,使得它在静止状态或水流速小的情况下形成肉眼可见的絮体,即通常所称的污泥污泥是反应器中污染物降解的主体,它的构成包括:微生物活体及死亡的尸体、微生物代谢的产物、废水中的杂质残留等
6.1系统启动驯化阶段污泥特征
6.
1.1污泥性状描述启动过程中分别在第40天、60天、120天对污泥特征进行了观察1污泥初接种时呈淡黑色,随运行时间的延长,约40天后,第一格污泥呈淡灰色,第二格呈灰黑色,第三格至第五格则呈亮黑色;2约60天时第一格污泥呈灰白色,第二格则呈灰褐色,部分污泥是从第一格流入,第三格至第五格则呈亮黑色未变,有臭味3120天左右时,系统启动基本结束第一格污泥呈灰白色,手感粘稠,酸味重,第二格则呈灰褐色,手感略粘,略有酸味,第三格至第五格则依然呈亮黑色,污泥无粘稠感,略有臭味
6.
1.2VSS/SS的演变活性污泥中的有效成分是活的微生物菌体,但到目前为止尚无测定污泥中活菌体总量的简便方法,因此在工程上仍使用混合液悬浮固体MLSS和混合液挥发性悬浮固体MLVSS作为衡量微生物群体量的指标同时,以VSS/SS的比值粗略代表厌氧污泥的活性,但其中的误差在某些情况下也许很大图
6.2表示了VSS/SS随启动、运行的演变过程由图
6.2可以看出:1第一格室VSS/SS基本呈增大的趋势,从接种时的
0.49逐渐增加到
0.668一方面进水中的SS在前部格室的截留量最大,另一方面,前部的产酸菌相对多于后部格室,尤其在系统成熟后第一格室基本处于完全酸化状态,微生物相以产酸菌为主,而产酸菌的增殖速度远快于产甲烷菌,因此使得第一格室的VSS/SS比值上升较快2第二格室VSS/SS基本未变,在
0.
490.53之间;3第三~五格室VSS/SS则低于接种水平,并逐渐下降4反应器中的VSS/SS基本沿程降低
6.
1.3污泥沉降性能污泥沉降性能的重要性勿庸置疑,它直接关系着悬浮生长污泥床系统的稳定运行Lettinga认为在上流式污泥床反应器中,当活性污泥的SVI为15-20mL/g时,污泥具有良好的沉降性能污泥的沉淀性能与许多因素有关,例如与进水中所带的无机物种类与性质、有机负荷率的高低、废水本身的一些特性等因素有关瑞典水和空气污染研究所的资料表明,在厌氧接触消化工艺中,F/Mk__OD/kgMLSS.d值以保持在
0.3-
0.5为佳;此外,废水中过多的难以被消化的悬浮物进入系统后,会导致系统沉淀性能的恶化由图
6.
36.4可以看出:1红霉素废水随运行时间延长,第1-2格室污泥的沉降性能逐渐变差,SVI在40--60之间,3~5格室污泥沉降性能略有提高,但幅度不大;2玉米浸泡水则与红霉素废水截然不同,随运行时间延长系统整体沉降性能明显得到改善,启动后期SVI在
10.
118.3之间,沉降性能较好33-5格室污泥沉降性能逐级提高,有利于系统的稳定结合废水特性及操作工况,分析如下:1红霉素废水中含有大量悬浮物SS=300-800mg/L,玉米浸泡水中则较少,悬浮物大部分截留于第一格室,部分随污泥冲至第二格室,引起污泥沉降性能的下降;2红霉素废水在容积负荷达到5k__OD/m
3.d时,系统承载能力己基本饱和,第一格室达到了较高的酸化状态,污泥中混有大量粘性物质,污泥基本悬浮于反应器中,沉降性能较差:而此时,玉米浸泡水系统远未达到系统的最大处理能力,第一格室甚至有相当的产甲烷能力,酸化程度远不及红霉素废水处理系统3红霉素废水中存在生物抑制性物质,对污泥的生长及发展有较大影响,使得系统污泥的沉降性能低于玉米浸泡水系统
6.2系统稳定运行阶段污泥特征ABR经5个月的运行后,反应器内的污泥微生物相已趋于稳定,取反应器内各格室的污泥进行观察,发现各格室的镜检结果X1000倍有较大的差异,镜检照片见图
6.5州,结果分析如下1第一格室:经过较长时间的运行,反应器第一格己接近完全酸化,如前所述,酸味较重,酸化污泥为灰白色,间有淡绿、淡黄絮体,基本悬浮于第一格室中杂质较多进水中所带,因细菌分泌物较多,污泥整体呈粘稠状,沉降性能较差镜检显示,污泥中含有大量的短杆菌,并极具优势,该杆菌形态为短粗状,形态较长的呈弯曲状;同时,污泥中也夹杂有丝状细菌,但丝体较短,且数量较少见图
6.5中的a和bo2第二格室:污泥整体呈灰褐色,间有淡黄色絮体,中间杂有第一格室流入的酸化污泥,略有酸味,底部污泥基本与第一格室相同同时,依然有进水所带进的杂质,但感官上已经液化,与污泥混杂在一起,粘稠度低于第一格室镜检显示,污泥中含有球菌、丝状菌、杆菌,球菌占优势,该球菌形态为椭圆状,多为双球菌和四连球菌;杆菌数量也较多,但形态较之第一格室略长;同时,污泥中丝状细菌数量依然较少见图
6.5中的和d.3第三格室:污泥整体呈亮黑色,污泥中间夹有淡黄色絮体,但非常少,略有臭味污泥中已没有了第
一、二格室中的杂质,污泥较为细腻,沉降性能好镜检显示,污泥中含有杆菌、丝状菌、球菌,其中杆菌和丝状菌占优势,球菌数量较少,该杆菌形态与第二格室基本相同;同时,污泥中丝状细菌少于杆菌见图
6.5中的e和1o4第四格室:污泥整体依然呈亮黑色,污泥中基本未见杂质,略有臭味污泥较为细腻,沉降性能好镜检显示,污泥中含有丝状菌、杆菌,丝状细菌相对比例多于第三格室;同时,污泥中杆菌的数量要少于第三格室,形体较长,弯曲度不大见图
6.5中的g和ha5第五格室:污泥整体呈亮黑色,臭味重于第四格室污泥较为细腻,沉降性能好镜检显示,污泥中含有丝状菌、短杆菌,丝状细菌占优势,但细菌整体数量较少见图
6.5中的i和J.通过与接种时微生物相进行对比,发现污泥的微生物相已经发生了很大的变化,生物量明显增大,细菌种类趋于复杂,各菌种间形成了较复杂的微生物群落尽管由于分析条件所限,未能对观察到的优势菌种进行类别鉴定,但从各格室各类细菌的组成、优势菌种的形态以及细菌密度,我们依然可以断定,沿程各格污泥的微生物相是有所不同的,这与预期结果是相符的,因为ABR沿程各格室的环境因子的不同必然导致微生物相的不同
6.3系统不同阶段的污泥活性在第四章中我们研究了不同负荷下各格室的COD去除、产气量及沼气产率的分布规律,结果表明,各格室微生物的活性及种类是不同的,本章通过镜检也发现各格室微生物的形态、种类分布存在着一定的差异为对各格室污泥活性进行考察,分别对各格室在不同阶段的产甲烷活性及辅酶420进行了测定结果如图
6.
66.7由图中可以看出:1系统从启动到稳定运行过程中,第一格室污泥的辅酶420含量下降,这与第一格室随有机负荷升高逐步酸化相符合;其它格室的辅酶420含量则不同程度地得到了提高2稳定运行期:各格室产甲烷活性基本呈正态分布,第一格室与其它格室差距较大,表明第一格室处于较高的酸化状态,图
6.5ab中广泛分布的短杆菌应为产酸菌;第五格室产甲烷活性远高于第二格室,而辅酶420含量则相反,这是因为所测产甲烷活性表征的是污泥当前及潜在的活性前部格室接触废水中的毒性物质较多,并有部分残留,对细菌的生长有一定影响,而后部格室的污泥的接触则相对较少但在正常运行时,第五格室所面对的基质与第二格室的差别则较大,易降解成份含量少,难降解成份含量相对则较多,从而使得污泥的当前活性并不高,这一点则可以从辅酶420含量看出,第五格室辅酶420=
0.421umol/gvss而第二格室则为
0.567umol/gvssa中间格室的污泥活性最高,这是因为中间格室的VFApH、基质等条件最适合产甲烷菌的生长,而前端格室的pH条件较差,后端格室的基质条件较差,使得两端污泥的产甲烷活性较低3抑制及恢复期:系统受抑制后,第
一、二格室的产甲烷活性未做出,系统受到的冲击较大,t环疑毒性物质杀死了部分细菌,系统产甲烷活性及辅酶420含量大大下降;系统恢复后辅酶420含量低于冲击前水平,这与系统工况一致
6.4VSS/SS、产甲烷活性及「420之间的对比关系从图
6.8可以看出,尽管第一格室VSS/SS较大,但产甲烷活性及F420却最低,究其原因,一方面进水中的SS在前部格室的截留量最大,另一方面,前部的产酸菌相对多于后部格室,导致第一格室VSS/SS与产甲烷活性及F420的较大反差;反应器内污泥的产甲烷活性前低后高,表明第一第二格室产酸菌相对较多,第三~第五格室产甲烷菌则相对较多
6.5本章小结__-BR推流式系统的特性使得沿程各格室有机负荷逐渐降低,各格室的进水水质也产生了较大差别,从而在各格室形成了不同的微生物群落第一第二格室产酸菌相对较多,第三~第五格室产甲烷菌则相对较多2第1-2格室污泥的沉降性能较差,原因在于悬浮杂质及酸化污泥的影响,3}5格室污泥沉降性能逐级提高,有利于系统的稳定3由于中间格室的VFApH、基质等条件最适合产甲烷菌的生长,而前端格室的pH条件较差,后端格室的基质条件较差,使得两端污泥的产甲烷活性低于中间格室4镜检表明:第一格室短杆菌占优势,污泥中夹杂有丝状细菌;第二格室球菌占优势,杆菌数量也较多;第三格室中杆菌和丝状菌占优势;第四格室中多为丝状菌、杆菌;第五格室主要为丝状菌、短杆菌7ABR的运行及控制对ABR运行控制的研究尚处于起步阶段,如前所述,对于复杂多变的工业废水来说,ABR系统的运行工况事实上存在着较大的差异,还需经过大量的研究及实践积累才能针对不同的情况采取相应的应对措施本章对ABR在运行控制中存在的一些问题进行了初步的探索,限于条件所限,其中有些问题还需要进行深入的研究同时结合一年来的试验体会,对ABR的操作控制提出了建议
7.1水力及产气的联合搅拌作用在厌氧消化系统中,只有实现基质与微生物之间的充分而有效的接触,才能最大限度的发挥反应器的处理效能在厌氧反应器中使泥水进行混合的作用主要有三种:搅拌接触、流动接触、产气搅动接触泥水混合是厌氧系统较为关键的操作条件,在ABR的污泥床中,污泥与废水在上升水流及产气的搅拌作用下得到了良好的混合,然而过强的搅拌作用必然引起污泥的大量流失,这是ABR研究者较为__的一个问题研究中固定污泥的总量20-25叭,研究不同的产气及上升流速下反应器出水的SS变化,以出水的SS高低对系统的跑泥情况进行评价,该项指标不仅能为控制跑泥提供依据,也可间接反映出泥水混合的程度图
7.1为固定上升流速在
0.227-
0.256m/h时,产气量对泥水混合的影响,图
7.2为产气量在
0.511--
0.56m3/m
2.d时,上升流速对泥水混合的影响由图
7.1-
7.2可以看出随着产气量、上升流速上升,出水SS基本呈线性增加,产气搅拌、上升水流均对泥水混合有良好的促进作用由图
7.
17.2可以看出,当上升流速
0.4m/h,产气强度
0.511--
0.56m3/m2d时出水SS即己400mg/L.
7.2出水回流的影晌出水回流的优点在于:1可以提高反应器内的上升流速,促进泥水混合:2可以利用出水中的碱度,减少药剂的投加;3可以稀释进水中毒性物质的浓度同时,出水回流对系统也有负面的影响:1进水浓度的降低势必降低了基质的去除驱动力;2会引起难降解或毒性物质在反应器内的积累图
7.3的结果显示:1回流比在
1.
52.5时系统的COD去除率有所改善,由58%上升至6163%,表明上升流速的提高促进了泥水混合,提高了系统的去除效率2回流比大于
2.5时系统去除率迅速下降主要原因在于:
①上升流速过高,引起系统污泥床的不稳定,跑泥现象加剧,并有短流现象发生,导致了系统效能的不稳;
②系统进水浓度的降低减弱了基质的去除驱动力,从而降低了系统的去除效率
7.3关于污泥回流及排泥的分析
7.
3.1污泥回流对于厌氧反应器而言,除了厌氧接触工艺,其它工艺一般不需要专门的污泥回流系统但正如前面的介绍,在ABR中污泥逐级后移的趋势必然存在,区别只在于程度的大小如果工艺条件无法保证污泥逐级后移的程度在安全范围之内增长与流失的动态平衡,那么污泥回流则是非常必要的事实上,工程实践中这是一个不容回避的问题,基于水力结构配水、泥水混合以及技术经济的考虑,ABR通常不得不取较高的上升流速祥见
7.5中的分析然而,ABR实行污泥回流的弊端也是显然的第六章的研究结果表明,各格室形成了不同的微生物群落,细菌种群组成有着很大的差异,即使同样是将有机物转化为挥发酸的产酸菌,因为基质的不同在各格室的种群分布也是不同的因此,如果污泥回流量过大,势必会打乱这种微生态平衡,不利于ABR整体性能的发挥,因此对于污泥回流的量及方式还需要进行深入的研究在本研究中,笔者以谨慎的态度对污泥进行了定期的回流,未发现系统功能的较大变化方式如下:1兼顾污泥龄及污泥流失程度,回流量以不超过2倍的剩余污泥量为宜;2回流频度在5-10天/次;
③分段回流,第二格回流至第一格室,第五格室回流至第二或第三格室
7.
3.2排泥排泥应当从第一格室进行1前己述及,第一格室截留了大量的SS及无机杂质,尤其在底部数量较多,定期将它们清除是必要的;2同时,第一格室中产酸菌相对较多,而产酸菌的增殖速度大于产甲烷菌,因此从第一格室排泥是合适的同时,每个格室的底部都发现有无机杂质的积累,应定期进行清理
7.4监控指标实验及工程证实,传统的厌氧监控技术基本适用于ABR的操作1VFA出水被认为是厌氧系统最为重要的参数VFA的去除程度可以直接反映出反应器运行状况前已述及VFA的增高可以表明产酸菌活性正常,但产甲烷菌的活性一定受到了影响废水组成的突变、负荷的突然增高、温度的降低、有毒物质等均能通过VFA出水灵敏的反映出来VFA的升高直接影响废水的处理效果,一般认为VFA出水800mg/L时反应器即有酸化危险,通常推荐VFA出水应小于400mg/LoA.BR中的VFA分布则要具体分析:
①前部格室的高VFA是正常的,因为第一格室的局部负荷是系统平均值的5倍,局部负荷过载必然引起酸化;
②VFA沿程递减、双驼峰形、单驼峰形是可以接受的,因为它们均能保证VFA出水在安全范围内;
③但VFA若在第五格室出现驼峰则是非常不正常的,负荷的突然增高、温度的降低会使系统整体VFA上升,有可能使第五格室出现驼峰,而毒性物质的抑制作用通常会导致这种现象实验中系统几经冲击最长的达2个月均出现这种情况2产气量:产气量是非常重要的监测指标首先,产气量能迅速反映出反应器的运行状态,其次产气量可以根据COD总量、COD的去除率等数据估算出来,实际产气量应当接近估算值,当然产气量与废水的性质有很大的关系,通常在
0.
350.7升沼IV去除一克COD,但稳定的系统必然有稳定的产气量当产气量突然下降,而负荷没有变化时,说明运行不正常导致产甲烷菌活性降低PH的变化、温度的降低、有毒物质等均能导致产气量突然下降3pH:VFA的升高是导致pH下降的主要原因因为碱度的缓冲,pH的变化要比VFA滞后很多,但因为它的检测非常方便,因此也是一项重要的监控指标通常pH的变化要比VFA缓慢,实验中沿程pH基本呈上升趋势保持pH出水
6.
87.0是系统正常运转的重要保证4出水SS:因为未设置污泥截留设备,出水SS则要特别__,尽管很多研究者认为ABR具有较强的污泥截留能力,但实验中跑泥现象时有发生分析认为:
①SVI4050时污泥沉降性能不好,会发生跑泥,而VFA的增高会直接导致SVI的升高
②过大的水力负荷会导致跑泥,实验中当水力负荷大于
0.
50.6时即出现持续的跑泥现象通常出水S6300mg/L时即应进行污泥的回流5各格室的COD去除贡献:可以根据各格室的COD去除贡献对系统负荷的高低以及稳定性进行评价建议的控制参数为第一第三格室去除贡献应60~70%
7.5程应用中的一个问题实际工程中上升流速的设计较为关键,但ABR独特的结构使得这个问题略显复杂分析如下:HRT-一一水力停留时间伍Q--一进水流量m3/hR,一一上升流速m/hV—反应器容积m3H—反应器高度mS—反应器下流室底__M2N‘一一反应器格室数,并设上下流格室之比为1:4HRT=V/Q1V=HX5XSXN2Q=RX4XS3由以上三式最终可得:R=HXNX5/4XHRT4在通常的厌氧工艺中:HRT=10-60h;H=4--7m关于上升流速的几组数据列于表
7.1由表
7.1可以看出,HRT24h时,系统的上升流速
0.83m/h,这与前面推荐的上升流速差距较大
0.2--
0.5m/h将高度降至4米以下将是很不经济的,减少格室数显然不利于ABR系统性能的发挥鉴于此,笔者认为可以采取以下措施进行应对1最后一格体积放大,并增设污泥回流装置,但对于污泥回流的量及频度应慎重考虑;2格室内增设填料,一方面阻止污泥的流失,另一方面,可以提高容积利用率;3多点进水,减轻前部格室的水力负荷然而,这些措施依旧不能根本的解决这个问题,期待进一步的研究中对该问题有所突破8结论与建议本文以红霉素废水为试验基质,分别研究了ABR处理高浓度有机废水的启动过程、污染物的降解规律及机理、抗冲击性能、反应器中微生物的分布规律及生物活性,同时对ABR的运行控制提出了相应的建议
8.1主要结论1以好氧污泥对ABR进行接种启动是可行的,对红霉素废水而言,启动过程历经适应期、培养期、负荷提高期、稳定期等四个阶段;ABR启动初期上升流速应
0.25m/h,但不宜低于
0.15m/h,启动后期可将上升流速逐渐提高至
0.20--
0.25m/h,但需保证出水SS250300mg/L;接种污泥、处理水水质、反应器本身的结构特征均是导致启动期产酸菌优势增长的原因2ABR对有机物的降解过程具有典型的推流系统特征,复杂污染物是以分类逐级的形式得以去除的;污染物的去除主要发生在1-3格室,随有机负荷的提高,去除主体逐渐后移;系统产气量及沼气产率均随有机负荷的提高而增加;各格室产气量及产气率均呈正态分布,这是由ABR本身的特点及废水本身的特性综合作用的结果;系统沿程的挥发酸分布并不都呈线性分布;污泥负荷、传质限制和水力短流是ABR挥发酸积累的主要原因之一3在一定浓度范围内60008530m叭,ABR表现出了较好的抗冲击能力,仅经过150h左右的时间系统即基本恢复正常,但系统性能低于冲击前水平;冲击浓度达到11320mg/L时系统受到了较严重的抑制,抑制及恢复过程可分为冲击期、抑制期、缓慢恢复期3个阶段前段1-3格影响大于后段4---5格,产甲烷菌先受到抑制,产酸菌后受到抑制,恢复过程极为缓慢50--65天产酸菌恢复快于产甲烷菌,产甲烷菌中段3-4格先得到恢复,其次为5#格室4ABR推流式系统的特性使得沿程各格室有机负荷逐渐降低,各格室的进水水质也产生了较大差别,从而在各格室形成了不同的微生物群落第-~第二格室产酸菌相对较多,第三~第五格室产甲烷菌则相对较多;第1}2格室污泥的沉降性能较差,原因在于悬浮杂质及酸化污泥的影响,3-5格室污泥沉降性能逐级提高,有利于系统的稳定;两端污泥的产甲烷活性低于中间格室5ABR处理红霉素生产废水时,COD容积负荷在5-6k__OD/m
3.dHRT在24--50h时,COD去除率为56--66%;上升流速应小于U.:min;进水COD浓度应小于11320mg/Lo6传统的厌氧监控技术基本适用于ABR的操作,建议的监控指标及措施为:VIA出水应小于400mg/L;保证产气量的稳定;保持哪出水
6.
87.0;出水SS300mg/L时即应进行污泥的回流,或采取相应措施,最好保证出水SS300mg/Lo
8.2建议1进一步研究中,应对产气及水力搅拌对泥水混合的影响进行研究,以期为工艺设计提供一定的依据;2对于污泥回流的可行性、回流的量及方式均值得进一步进行研究;
③各格室的容积比例直接影响着沿程的局部负荷分配,研究合理的容积搭配可以有效的发挥系统的最大潜能;4对多点进水的可行性及效能进行研究多点进水不但可以加快启动速度,而且对ABR的正常运行也有改善作用:
①水力流速逐级增高,有利于系统各格室污泥系统的稳定;
②减轻局部负荷过载及过度酸化的问题;
③有利于发挥后部格室的潜力,进一步提高系统的容积利用率致谢本论文是在导师金奇庭教授的悉心指导下完成的在攻读学位的三年中,始终得到了金教授及其家人无微不至的关怀和帮助,金老师严谨的治学态度、渊博的学识和高尚的人格给于__深深的启迪金老师从多方面的指导、教诲和锻炼将使__终生受益在此,对金老师及其家人表示诚挚的谢意论文的试验和实践工作是与金惠宁同学共同完成的金惠宁同学勤于思考,吃苦耐劳,是一位令人尊敬的合作伙伴机械七院的胡冠民老师对课题前期的准备工作进行了指导,在论文的写作过程中,得到了曹正丹、申欢、崔喜勤等同学的指点和帮助,__在此一并表示深深的感谢!机械工业部第七设计院为本论文的研究提供了经费的支持,在此表示衷心的感谢感谢我的家人三年来给予我的关怀和精神上的支持,他们给予我的关心和安慰给了我不断前进的动力和克服困难的勇气谨将此文献给给予__关爱的师长和朋友们____
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