ABR处理高浓度有机废水的特性及应用Word格式.docx
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4.1COD降解规律21
4.1.1COD去除率与COD容积负荷的关系21
4.1.2COD去除率与HRT的关系22
4.1.3沿程COD去除规律23
4.2产气特性24
4.3ABR系统的VFA,pH27
4.4问题讨论及建议28
4.4.1关于ABR出水挥发酸较高的分析28
4.4.2系统的稳定性分析30
4.5本章小结30
5ABR对浓度冲击的适应及恢复31
5.1试验安排31
5.2第一次冲击试验结果及分析32
5.3第二次冲击试验结果及分析33
5.4本章35
6ABR的污泥特性35
6.1系统启动驯化阶段污泥特征36
6.1.1污泥性状描述36
6.1.2VSS/SS的演变36
6.1.3污泥沉降性能37
6.2系统稳定运行阶段污泥特征38
6.3系统不同阶段的污泥活性40
6.4VSS/SS、产甲烷活性及「420之间的对比关系42
6.5本章小结42
7ABR的运行及控制42
7.1水力及产气的联合搅拌作用43
7.2出水回流的影晌44
7.3关于污泥回流及排泥的分析44
7.3.1污泥回流44
7.3.2排泥45
7.4监控指标45
7.5程应用中的一个问题46
8结论与建议47
8.1主要结论47
8.2建议48
致谢………………………………………………………………………………………………..49
参考文献…………………………………………………………………………………………..50
1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Neave肯定了Thumm和Reichie（1914）与Imhof（1916）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（1860-1899）:
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（1899-1906）:
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，并开始开发利用。
第三阶段（1906-至今）:
独立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，建成独立工作的厌氧消化反应器。
开发的主要污水处理工艺有:
普通厌氧消化池、UASB、厌氧接触工艺、两相厌氧消化工艺、AF,AFB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、UASB（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。
已开发的工艺有:
EGSB（ExpandedGranularSludgeBed，简称EGSB）,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UASB的发明。
AF和UASB的开发，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开发，EGSB,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（（SMPAR，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）技术的研究已成为开发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，则是开发新型厌氧反应器工艺的水动力学基础。
1.4ABR的开发与研究现状
厌氧折流板反应器（AnaerobicBaffLedReactor）是Bachman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独立的上流式污泥床（USB）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（（SMPA）工艺和
ABR的性能特点，认为ABR完美的实现了SMPA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60h,40h，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（0.75kgCOD/kg（VSS）.d）高的缘故。
随后Nachaiyasit降低了COD污泥负荷（0.07kgCOD/kg（VSS）.d），启动获得了成功。
Boopathy和Tiche研究了复合式ABR（HybrianaerobicBafLedReactory，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4.33kgCOD/m3.d（COD=115.771g/L,HRT=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89%.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HRT（20h），逐步提高进水基质浓度（（COD（1-2-4g/L）;
2.固定进水基质浓度（（COD=4g/L）,
逐步缩短HRT（80--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0.97kgCOD/（m3.d）逐步上升到4.33kgCOD/（m3.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Stuckey,HoLt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UASB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UASB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
12.25kgCOD/（m3.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28kgCOD/m3.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-C,COD=4g/L,HRT=20h,COD容积负荷pt=4.8kgCOD/（m3.d）,COD
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
=9.6kgCOD/（m3A）,COD的去除率无明显改变;
但当进水COD提高至15g/L,COD容积负荷
=18kgCOD/（m3.d）,COD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14d,COD容积负荷一9.6kgCOD/（m3.d）,COD去除率降至90%;
继续缩短HRT至
5h并保持24d,COD容积负荷一19.2kgCOD/（m3.d）,COD去除率仅有52%。
当缩短HRT至
1h并保持3h,COD容积负荷一96kgCOD/（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6h,COD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Van'
tHoff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移动，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SMPs（SoLuabLemicrobiaLproducts）。
ABR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=314mg/L,COD容积负荷一0.85kgCOD/（m3.d）,HRT=10.3h,COD去除率70%,SS去除率80%。
实际运行时发现当COD容积负荷在0.4-2kgCOD/（m3.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UASB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1/60
1.5ABR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=0.4-28kgCOD/（m3.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
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