厌氧浮动生物膜反应器处理高浓度有机废水.docx
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厌氧浮动生物膜反应器处理高浓度有机废水
厌氧浮动生物膜反应器处理高浓度有机废水
由上流式厌氧污泥床（UASB）与厌氧过滤器（AF）两种工艺结合的反应器近年来应用较多，其积累微生物能力强，启动速度快，运行中填料上附着的生物膜对降解有机物起着相当的作用，同时可避免滤池堵塞，是一种高效、稳定、易于管理的厌氧处理系统。
一般将保留了UASB三相分离器的污泥床加填料的装置称为污泥床过滤器，将不带三相分离器的污泥床—滤层反应器称为厌氧复合床反应器［1］。
本文研究了集AF和UASB为一体的新型装置——厌氧浮动床生物膜反应器（AFBBR）。
因其内装有50%体积的悬浮填料，在处理高浓度有机废水的运行中，填料浮在上部，形成了一种底部是污泥床，上部是厌氧滤池的体系。
在处理高浓度有机废水试验中显示出处理能力大、效率高的特性。
1试验材料与方法
1.1悬浮生物膜填料
FBM用天津市科林思有限公司的聚丙烯材料制成，其密度为0.92kg/m3，可在水中漂浮或随水体流动。
该填料形似拉西环，但环内有十字形支撑，外侧沿径向有许多长约0.5mm的芒刺，环的直径为11mm，高度10mm，比表面积约为527m2/m3。
1.2试验装置及工艺流程
厌氧浮动床生物膜反应器用有机玻璃柱制成，直径14.7cm，总高度100cm，有效高度79.5cm，总容积17.01L，有效容积13.48L。
AFBBR内填料的填充率为50%，即FBM占据了一半的有效容积。
AFBBR处理高浓度有机废水试验的工艺流程如图1所示。
泵入高位槽的废水经过计量阀由底部进AFBBR，处理后的水由上部排出，在生物降解过程中产生的气体从反应器顶部排出，悬浮在上部的填料由于上向水流和气体的作用而不停地上下浮动或轻微滚动。
2试验方法
2.1挂膜与启动
厌氧生物膜反应器存在的一个突出问题是挂膜困难，启动时间长。
在本试验中，首先将填料进行好氧预挂膜，利用好氧微生物繁殖快并生成多糖物质的性能，在较短时间内填料表面形成一层生物膜即膜基，改善了填料的表面性能，有利于厌氧微生物的附着、生长、缩短了反应器的启动时间［2］。
好氧污泥取自邯郸市东郊污水厂氧化沟。
污泥与填料静态接触24h后，将污泥全部排掉，投加生活污水连续运行5～6d后，填料内外表面形成一层均匀生物膜。
经好氧预挂膜后的填料与5L厌氧污泥静态接触24h，然后将污泥排掉，连续投加葡萄糖废水。
反应器启动开始采用的有机负荷为2kgCOD/（m3·d），水力负荷为1m3/（m3·d）。
2～3d后，好氧膜脱落，填料表面变黑，1周后发现填料内表面形成一薄层生物膜。
将水力负荷控制在0.5m3/（m3·d），有机负荷为1kgCOD/（m3·d），经过2周培养，膜生长均匀良好，COD去除率可达到70%以上。
此后，水力负荷增到1m3/（m3·d）,进水浓度从2000mg/L逐渐升至6000mg/L，经过50d的运行COD去除率可达到90%以上，反应器底部出现大量0.5mm左右颗粒污泥，AFBBR运行稳定。
2.2稳定运行试验
在此阶段考察了进水水质、HRT、水力冲击负荷对运行状况的影响，此阶段的运行结果见表1。
试验废水为用葡萄糖合成的污水。
表１AFBBR试验运行数据
进水
HRT（h）
容积负荷[kgCOD/（m3.d）]
去除负荷[kgCOD/（m3.d）]
出水
COD去除率（%）
Q（L/d）
COD（mg/L）
COD（mg/L）
pH
13.60
5327.7
23.79
5.38
4.86
512.39
7.05
90.40
14.03
6372.0
23.06
6.63
6.41
212.06
6.79
96.67
13.07
6893.0
23.61
7.01
6.88
129.64
6.72
98.12
13.60
9787.3
23.79
9.87
9.73
141.93
6.66
98.54
13.87
11694.3
23.33
12.03
11.33
673.96
6.57
94.24
14.00
14510.3
23.11
15.07
13.79
1229.46
6.34
91.53
13.80
20140.0
23.44
20.62
18.64
1852.61
6.42
90.42
4.25
14522.0
76.12
4.58
183.80
6.61
98.74
7.05
14522.0
45.89
7.59
111.63
6.42
99.25
10.00
14522.0
32.35
10.77
358.69
6.48
97.53
18.10
14522.0
17.87
19.50
1936.92
6.32
86.67
在改变进水水质期间，控制HRT基本不变，将进水浓度逐步升高。
在HRT变化阶段，保持进水浓度不变，数次改变水力停留时间。
最后突然降低HRT，考察反应器在水力冲击负荷下工况的变化。
整个试验在室温下进行，温度变化范围20～28℃。
3试验结果与分析
3.1容积负荷与COD去除率
负荷直接反映了食物与微生物之间的平衡关系，容积负荷的变化可以通过改变进水浓度或水力停留时间来实现。
在试验中，首先保持停留时间基本不变（平均为23.5h），进水COD浓度从5327.7mg/L逐渐升高到20140.0mg/L，相应的容积负荷从5.38kgCOD/（m3·d）增到20.62kgCOD/（m3·d），COD去除率随进水浓度增加而缓慢下降，最高达98.5%。
之后，将进水浓度控制在14522mg/L，水力停留时间分别为76.1245.89、32.35、23.11、17.87h，相应的容积负荷从4.58kgCOD/（m3·d）增到19.50kgCOD/（m3·d）。
COD去除率随水力停留时间的变化存在一个分界点，低于此值，COD去除率随水力停留时间减小而迅速下降；高于此值COD去除率基本稳定。
由表1可以看到，在试验条件下，当容积负荷增高时，AFBBR的去除［kgCOD去除/（m3·d）］增高，显示了强大的处理能力。
3.2水力冲击负荷的影响
AFBBR表现出较高的抗冲击负荷特性。
在进水浓度为20140mg/L时，水力停留时间突然从23.44h降至3h，冲击时间持续6h，容积负荷增加8倍，达到161.1kgCOD/（m3·d）。
反应器在遭到冲击后运行参数的变化见表1，COD去除率变化见图2。
在冲击负荷过后3h，COD去除率降到最低33.65%，24h后COD去除率恢复到72%，40h后恢复到80%以上，表明该反应器具有很大的缓冲能力，抗冲击负荷能力强。
这与该反应器的特点有关，该反应器上部悬浮填料起到过滤器的作用，在负荷冲击时可以防止大量污泥流失，有利于反应器性能的迅速恢复。
另一方面填料表面生物膜量仅占总生物量的15%，电子显微镜下观察，其主要是甲烷细菌，因而在冲击负荷下产酸菌虽流失多，但繁殖迅速，有利于反应器迅速恢复正常。
另外在反应器遭到冲击负荷后，采取适当的搅拌和污泥回流措施可避免反应器内挥发酸过度积累并稳定反应器内生物量，有利于反应器性能的迅速恢复。
3.3生物相分析
反应器中微生物由两部分组成：
①附着生长在填料上的生物膜；②悬浮污泥在反应器底部形成的颗粒污泥床。
试验过程中发现，生物膜主要生长在填料的内表面，外表面上几乎没有生物膜。
这可能与填料外层水流紊动大于填料内部，外表面上生物膜受到更大的剪切应力有关。
镜检发现生物膜内菌种以甲烷八叠球菌属和杆菌为主，其中甲烷八叠球菌属占视野的50%～60%，没有发现丝状菌，并存在以甲烷八叠球菌属和杆菌分别占优势的区域。
同位素示踪已证实消化器中70%以上的甲烷来自乙酸，乙酸型产甲烷细菌主要为产甲烷索氏丝状菌和八叠球菌，而当乙酸浓度高时，甲烷八叠球菌更具有竞争力，这与该反应器出水挥发酸浓度较高相一致。
反应器的底部存在颗粒污泥床，污泥床高度为30cm，颗粒粒径0.5～0.7mm，沉降性能良好SV为15%。
颗粒污泥中生物相当丰富，以杆菌、球菌、丝状菌、螺菌为主，颗粒污泥与生物膜中的生物存在明显差异。
在稳定运行时，测定反应器微生物总浓度（MLSS）为36.68g/L，其中生长的微生物量占85%，这可能是由于上升水流和产生气体的作用对外表面生物膜生长有影响。
4结论
①好氧预挂膜显著改变了载体表面性能，有利于厌氧菌的附着、生长，缩短反应器的挂膜时间。
②厌氧浮动床生物膜反应器处理高浓度有机废水，在常温下取得了良好效果。
在容积负荷为5.38～20.62kgCOD/（m3·d），水力停留时间为0.98d时，COD去除率最高达到98.54%，平均为90.4%。
③厌氧浮动床生物膜反应器内微生物浓度高，活性强，存在悬浮与附着生长的微生物系统，并有其各自的优势菌种。
④厌氧浮动床生物膜反应器缓冲能力大，抗冲击负荷能力强，无堵塞与污泥流失的问题。
厌氧-好氧工艺在味精废水处理中的应用
味精生产废水的大量排放，对环境造成了严重污染，违背了我国有关环境保护的法律、法规，制约着企业的持续发展。
大多数味精生产厂家采用了不同治理措施，但是对高浓度有机废水的治理仍然没有切实可行的方法，不能从根本上解决高浓度有机废水的污染问题。
某味精企业集团是国内规模较大的味精生产厂家。
其味精产量居全国前茅，产品享誉国内外市场。
从1992年开始对味精废水的治理进行研究探索，经过8年的努力，研究开发出味精废水综合治理技术，不仅使高浓度有机废水实现了零排放，而且达到废物资源化，使环保治理由投入型转向效益型，具有广泛的推广应用价值。
工程自达标验收至今,运行良好,其中生物厌氧——好氧两种工艺在此工程中得到了良好的运用和体现。
现以集团第一污水厂为例说明两种工艺的运行情况。
1、废水水质和水量及排放标准
根据味精生产过程中废水所含污染物情况可分成三类：
一是高浓度高酸度有机废水即离交尾液；二是其它中高浓度有机废水；三是不需处理直接外排的冷却降温水。
离交尾液是通过离子交换法提取谷氨酸后剩余的“废液”，它既含有丰富的有机质，还含有N、P、K等少量无机盐及其它微量元素。
这些物质都是农作物所必需的营养物质，如果得不到合理利用，不仅会对环境造成严重污染，而且使资源白白浪费掉。
淀粉废水、制糖废水除了含有一定的有机污染物质外，还有一些悬浮物质；发酵洗灌废水与离交尾液所含成分基本相同，只是含量较低；精制废水有时呈酸性，有时呈碱性，有机物污染物质含量较高，这五类废水属中高浓度有机废水，必须经过处理后，才能外排。
冷却降温水除温度偏高外，不含任何污染物质，可以直接外排。
该厂处理的废水主要为离交尾液；淀粉、制糖中的有机废水，以及车间来的精制废水，洗柱水及其他杂水。
具体水质水量见表1
表1废水污水排放控制一览表
单位
排放来源
排放量（T/d）
COD（mg/l）
PH
排放去向
发酵
消缸打药
100
800以上
7.0
进UASB→SBR
淀粉
黄浆水、渣皮水、杂水
800
1000以上
4—5
进UASB→SBR
糖一线
洗过滤布水、杂水
50
5000
6—7
进UASB→SBR
糖二线
洗过滤布水、杂水
50
5000
6—7
进UASB→SBR
离
交
上清液
洗柱水
冲洗缸、地板、滴漏
1000
250
50
40000以上
10000以上
10000以上
3.0
4—5
7.0
进生物膜→SBR
精制
洗碳水、杂水
600
800
7—8
进SBR
杂水
1500
60
7
总计
4400
根据国家和省环保局要求，验收监测执行《污水综合排放标准》（GB8978—88）中二级新改扩味精行业及综合排放标准，具体的标准值见表2。
表2二级新改扩味精行业及综合排放标准
监测项目
标准值
PH
6—9
SS
200mg/l
COD
350mg/l
NH3—N
25mg/l
BOD5
200mg/l
硫化物
1.0mg/l
色度
8.0
2、废水处理工艺流程见图1.
图1废水处理工艺流程
3、工艺浅析
针对该厂的水质特点，在处理时采用了采用分类治理综合利用的技术：
高浓度高酸度有机废水即离交尾液通过多效蒸发浓缩、喷浆造粒生产有机无机复混肥，使离交废水实现了“零排放”，又具有良好的经济效益；淀粉废水、制糖废水等其它中高浓度有机废水采用厌氧——好氧生物处理技术，使废水达标排放。
高浓度废水厌氧预处理和好氧联合处理工艺。
本工艺运行稳定可靠，处理效果好,出水BOD5、COD及其它污染指标（除NH3—N）均达标排放。
污泥生成量少，污泥脱水也比较容易，便于处理。
而且本工艺能够承受水量水质变化的冲击负荷，操作运行灵活可靠。
本工艺主要包括生物厌氧处理和好氧处理两种技术。
3.1厌氧工艺
厌氧技术采用厌氧生物膜法及UASB（上流式厌氧污泥床）两种工艺。
3.1.1生物膜废水处理设施
该集团所采用的生物膜废水处理技术对高浓度有机废水（CODcr约20000mg/l，PH约为2）中的CODcr、NH3—N、SO42—、PH等污染均有显著的处理效果，对味精生产产生的离交尾液处理起到较大的作用。
但缺陷是工作环境条件较差，有氨气的无组织排放现象存在。
3.1.2厌氧UASB废水处理设施
厌氧处理发酵行业高浓度有机废水在我国发展较快且较为成熟。
该集体使用的USAB（上流式厌氧污泥床反应器）是近年来开发生产的一种新型高效的污水处理设备，它改变了原来变通厌氧反应器的传统落后技术。
新的厌氧反应器在进水方式、布水系统、搅拌混合、三相分离器的设计上都有独到之处，是高、中、低浓度污水处理工程的理想设备。
设施运行稳定且回收沼气。
UASB具有较高的容积负荷和较短的水力停留时间，属高效新型厌氧装置。
该设施处理淀粉，制糖废水，卓有成效。
3.2好氧工艺
好氧工艺采用序批式活性污泥（SBR）好氧设施，SBR为目前较先进的有机废水处理工艺。
国内已有数座中小型污水处理厂采用处理效果较好，并具有除NH3—N功能。
味精行业采用SBR，此为首家。
就该集团目前运行情况看,其对味精废水中CODcr、BOD5有较好的处理效果。
但由于实际进水NH3—N浓度远高于设计浓度，使NH3—N的去除率结果未达设计目标。
好氧设施建成后的试运行时间仍较短，因此应对设施的氨氮去除能力应进一步挖掘，使硝化和反硝化过程更充分进行，提高氨氮去除能力。
4、效益分析
4.1环境效益
单元设施污水治理效益与效果（六日均值）见表3.
表3单元设施污水治理效益与效果单位：
mg/l（PH除外）
单位设施
采样位置
第一污水处理厂
COD
NH3—N
SS
SO42-
BOD
PH
提蛋白
离交尾液
60500
15700
42400
45700
—
2.3—3.4
生物膜进水
27200
7490
2390
—
—
9.5—11.4
去除率%
55.0
52.4
94.3
—
—
—
浓缩
冷凝水
113
20.8
136
178
—
7.1—8.8
生物膜
生物膜出水
1680
767
394
1270
—
7.7—8.9
去除率%
93.8
89.7
83.5
—
—
—
厌氧
厌氧进水
11400
—
1720
—
—
5.0—5.8
厌氧出水
581
—
528
—
—
6.9—8.1
去除率%
94.9
—
69.3
—
—
—
好氧进水
1610
349
518
5630
1010
6.3—8.3
好氧
好氧出水
135
177
71
700
28
—
去除率%
91.6
49.3
86.4
87.6
97.4
—
厂排放口监测结果（六日均值）见表4
表4厂排放口监测结果单位：
mg/l（PH除外）
排放口
项目
CODcr
NH3—N
SS
SO42-
BOD
色度（倍）
S2-
PH
执行标准值GB8978—88
350
25
200
—
200
80
1．0
6—9
六日均值
119
102
97．2
332
138
25
0.63
7—8
超标率%
0
100
0
—
—
0
0
0
4.2技术经济分析（见表5）
表5技术经济分析万元/月
消
耗
项目类别
第一污水处理厂
菌体蛋白回收
29.1
浓缩
57.0
液肥推广
—
生物膜
9.3
厌氧
13.5
好氧
21.0
折旧
32.0
其它
10
合计
172.1
副产品
回收
菌体蛋白回收
74.2
菌体蛋白回收
20
污泥
—
沼气
6.5
合计
100.7
实际运行费用
71.4
该集团三个污水处理厂每月实际运行费用共计129.8万元。
吨味精生产水处理费用为129.8元/吨。
吨味精售价二零零零年为16200元，废水处理费用占现售价值为0.8％。
按进入污水处理厂的生产废水量计算吨水处理费用为3.58元/吨。
虽然吨废水处理费用不低，但废水处理费用占味精售价的比值却不高。
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