CN1255334C - 有机废水处理的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机废水的处理方法，利用在入流端均匀布水，使有机废水从入流端以水平推流的形式流向出流端，在入流端形成A型颗粒污泥的高浓度区，在中间段以及出流端形成B型和C型颗粒污泥的高浓度区。A型和B型两种颗粒污泥包括菌体，而C型颗粒污泥则是由菌体附着于惰性固体颗粒表面而形成的生物粒子。按照上述方法，可在反应器前端形成A型颗粒污泥而在反应器后端形成B型、C型颗粒污泥的合理分布，从而较UASB反应器有更大的处理能力，单位反应器的COD容积负荷高达数千克甚至数十千克，且单位反应器容积的投资较UASB等节约50%左右。

Description

有机废水处理的处理方法

技术领域

本发明涉及一种有机废水处理的方法，尤其是用于酿造、食品、造纸、化工、榨油等废水处理的处理方法。

背景技术

有机废水处理的厌氧污泥床反应器主要用于将废水中含有的有机污染物，通过微生物的作用将污染物分解而形成沼气、污泥等，从而达到净化的目的。目前，有机废水处理所使用的厌氧反应器主要有普通厌氧消化池、厌氧接触工艺、厌氧滤床(AF)、厌氧流滑床反应器、厌氧生物转盘、上流式厌氧污泥床(UASB)、上流式膨胀污泥床(EGSB)、内循环厌氧反应器(IC)、厌氧折流板反应器(ABR)、厌氧复合反应器(AF+UASB)等(《UASB工艺的理论与工程实践》，作者：王凯军等，中国环境科学出版社，2000年)，其中尤以UASB、EGSB、IC这三种反应器应用最为广泛，它们的共同特征是能在反应器内形成沉淀性能良好的、以甲烷菌为主体的颗粒污泥，因而能够在反应器内保留较高的污泥浓度，但上述反应器中颗粒污泥的类型以及分布形式不理想，对反应器的污水处理能力影响甚大。下面以具有代表性的UASB反应器为例(《环境科学工具书库(光盘版)，中国环境科学出版社》环境污染防治类《废水厌氧生物处理工程》，主编：张希衡)，来加以说明。

经许多学者的研究，发现UASB反应器内的颗粒污泥有三种类型，即A型、B型和C型。其中A型和B型两种颗粒污泥主要由菌体构成，而C型颗粒污泥则是由菌体附着于惰性固体颗粒表面而形成的生物粒子。A型颗粒污泥是以巴氏甲烷八叠球菌为主体的球状颗粒污泥，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕。它比较密实，但粒径很小，约0.1～0.5mm。B型颗粒污泥是以丝状的产甲烷杆菌为主体的颗粒污泥，故也称杆菌颗粒。它在UASB反应器内出现频率极高，其表面比较规则，外层缠绕着各种形态的产甲烷杆菌的丝状体。B型颗粒污泥的粒径约1～3mm，密度约为1.033g/cm³。C型颗粒污泥是由疏松的纤丝状细菌缠绕粘连在惰性微粒上所形成的球状团粒，故也称丝菌颗粒。它类似于厌氧流化床反应器中的生物粒子(在人工无机载体上覆盖着生物膜的微粒)。C型颗粒污泥大而重，粒径为1～5mm。颗粒污泥的比重约为1.01～1.05。颗粒污泥的沉降速度依比重和粒径的不同而差异甚大，约0.2mm/s～30mm/s，一般为5～10mm/s。

不同类型的颗粒污泥的形成与废水中化学物质即营养基质和无机物的不同、以及反应器的工艺运行条件-特别是水力表面负荷和产气强度有关。当UASB反应器中的乙酸浓度很高时，以乙酸为主要基质的少数菌种，如巴氏甲烷八叠球菌(或许还有马氏甲烷八叠球菌)，将迅速生长繁殖，并依靠其杰出的成团能力而形成肉眼可见的A型颗粒污泥。由于A型颗粒污泥基本上是由厌氧微生物组成，比重轻，因此它的出现并保持稳定存在的必要条件是UASB反应器中的表面水力负荷及表面产气率要低，即由其产生的水力及气力分级作用要弱。但是，在实际的生产性装置中，难于维持高水平的乙酸浓度，故很少见到A型颗粒。此外，由于甲烷八叠球菌形成的A型颗粒污泥内部有孔洞，常作为其它细菌栖息的场所而变形，不能稳定存在。有研究表明B型颗粒污泥是由丝状甲烷杆菌栖息于上述空洞中而逐渐形成的。B型颗粒的形成，破坏了A型颗粒的稳定而使其解体。超薄切片观察幼龄B型颗粒的结果表明，在接近边缘的地方尚存有甲烷八叠球菌簇，而其中心则未见甲烷八叠球菌，表明B型颗粒是由A型颗粒转型而成的。随着幼龄B型颗粒的逐渐发展，位于外层的甲烷八叠球菌逐渐脱落，表明A型颗粒已完全解体，不复存在，而典型的B型颗粒已成熟定型，其中已不含甲烷八叠球菌了。当UASB反应器中存在适量的悬浮固体时，具有较好附着能力的丝状甲烷菌可附着于固体颗粒(初级核)表面，进而发展成C型颗粒，即在初级核表面形成生物膜。初级核可以是无机颗粒，也可以是其它生物碎片。C型颗粒发育到～定的程度，生物膜会脱落而招致C型颗粒破碎，这些碎片即成为次级核，形成新的C型颗粒污泥。

在反应器的反应区内，颗粒污泥的形成与分布受到一些外界条件的制约，其中最主要的是基质的种类和浓度，以及表面水力负荷和表面产气率的分级作用。首先，基质的种类和浓度对形成颗粒污泥的种类和质量有着重要的影响。我们知道，乙酸是厌氧消化系统中最主要的供甲烷细菌吸收利用的基质，而能利用这种基质的甲烷细菌有巴氏甲烷八叠球菌和马氏甲烷八叠球菌，以及常呈丝状的孙氏甲烷丝菌。巴氏甲烷八叠球菌在乙酸浓度较高的消化液中有较快的比增殖速度(比后者快4.5倍)，因而有利于A型颗粒污泥的形成。丝状的孙氏甲烷丝菌对乙酸有较强的亲和力，在乙酸浓度低时，它捕获乙酸进行增殖的能力比前者为强，因而有利干B型和C型颗粒污泥的形成。环境中氢的浓度对微生物的成团起着重要作用。氢分压较高时，以氢为能源的产甲烷菌(氢营养型的产甲烷菌)在有足够的半脱氨酸存在下，能产生过量的各种氨基酸，形成胞外多肽，再与厌氧细菌结合成团粒面形成颗粒污泥。此外，在UASB反应器中，由表面水力负荷决定的上升液流和由表面产气率促成的上窜气泡对反应区内污泥粒子产生的浮载作用，使大而重的污泥粒子堆积于底层，小而轻的污泥粒子浮于上层，这种使污泥粒子沿高度的分级悬浮现象称为污泥粒子的水力和气力分级作用。表面水力负荷和表面产气率有时也称为选择压。表面水力负荷大时，液流上升速度大，浮载能力强，分级作用明显；表面产气率大时，单位面积上通过的气泡量多，对污泥粒子的卷带浮升和分级作用也就明显。水力和气力分级作用强时，污泥粒子沿高度的分级分层作用就十分明显。细小污泥粒子易悬浮于顶层，而粗大污泥粒子易积于底层。由此可见，分级作用特低时，反应区内会保持大量的分散态细菌，由于其传质阻力小，能优先捕获营养物质而大量繁殖，并抑制了传质阻力大的颗粒污泥的形成，使反应器内保持了低水平的处理能力。分级作用中等时，分散态细菌被迫仅存留于反应区顶层，而让附着型和结团型的厌氧微生物在反应区底部富营养带内大量滋生，从而在此区域内形成颗粒污泥，大大提高了反应器的处理能力。当分级作用很大时，不仅分散态细菌大量流失，而且一些能改善出水水质的较小颗粒污泥也频频流失，造成反应器处理效能的反退。分级作用在形成颗粒污泥时的这种优选功能，在Wtibenga等人的实验中得到了证明。他们以95％的絮体污泥和5％的颗粒污泥作为接种物，起动实验规模的UASB反应器。起初维持较低水平的分级作用，经166天的运行，终未培养出颗粒污泥。后来采用充氮的办法来提高分级作用，结果在开始充氮的31天后即出现了颗粒污泥。分级作用的大小也影响着颗粒污泥的质量：分级作用很高时，只有附着生长或结团至足够大的厌氧细菌才能选择性地滞留，其中大多是缠绕能力很强的丝状甲烷细菌。甲烷八叠球菌只有在迅速结团并达到足够大后才能被滞留，否则难以幸存。因此，分级作用不仅影响污泥颗粒化的进程，同时还对形成的颗粒污泥的质量有很大的影响。分级作用低时，不利于污泥颗粒化。只有较高的分级作用，才能促进污泥颗粒化并有利于形成B、C型颗粒。因此，在反应器运行的起动期间必须采用合适的表面水力负荷和表面产气率。

综上所述，既然A型、B型和C型三种颗粒污泥对主要基质(乙酸)有着不同的生化特性，就应该在厌氧消化器中合理配布污泥以充分发挥各自的处理功能。一般来说，应在反应区废水入口处的底部附近培养较高浓度的A型颗粒污泥，以发挥其在乙酸浓度高时比增殖速度快的生理特性，尽量多地降解有机营养物；而在反应区的中段应培养浓度较高的B型和C型颗粒污泥，以发挥其在乙酸浓度低时有较强亲和力的生理特性，充分捕获和转化消化液中残存的有机营养物，最大限度地改善出水水质。

但是，在实际工程中很难实现颗粒污泥的这种理想分布。其主要原因是UASB反应器在起动阶段，为稳妥起见(避免酸化)，常采用较低的负荷值，且在COD(化学需氧量，代表含碳和氮的污泥物的大小值)去除率达80％～90％后才允许增大负荷值。其结果是从一开始即维持体系中较低水平的乙酸浓度，一般只形成B型和C型颗粒污泥，而A型颗粒污泥却无法培养起来，这也是UASB反应器在提高处理能力方面的一个内部障碍。另外，实际的UASB反应器在起动期由于采用低负荷而使乙酸浓度很低，在这样的低乙酸浓度水平的环境中，产甲烷八叠球菌很难发挥其比增殖速度快的优势，因而难以迅速结成生物团粒，被选择滞留的机会较少，而且甲烷八叠球菌形成的A型颗粒要比B、C型颗粒小。据Lettinga等人报道，B型和C型颗粒要比A型颗粒大4～6倍，这使得甲烷八叠球菌被选择滞留的机会更少，UASB反应器内的A型颗粒很少，反过来又限制了UASB反应器的处理能力。

另外，在UASB、EGSB及IC反应器中，为了使有机废水均匀的进入生化反应区，均需在反应器底部安装复杂的布水系统；为了将分解后形成的沼气、污泥和处理后废水有效分离，还需在上部安装复杂的三相分离器。因此，UASB、EGSB及IC反应器单位容积的投资较高。

发明内容

为了克服现有的有机废水处理方法的颗粒污泥的分布不理想、A型颗粒污泥很少而限制了其处理能力的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种能使A、B、C型颗粒污泥合理分布的有机废水处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：有机废水的处理方法，利用在反应器的入流端均匀布水，使有机废水从入流端以水平推流的形式流向出流端，在入流端形成A型颗粒污泥的高浓度区，在中间段以及出流端形成B型和C型颗粒污泥的高浓度区；A型和B型两种颗粒污泥包括菌体，而C型颗粒污泥则是由菌体附着于惰性固体颗粒表面而形成的生物粒子，其中：

A型颗粒污泥是以巴氏甲烷八叠球菌为主体的球状颗粒污泥，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕；

B型颗粒污泥是以丝状的产甲烷杆菌为主体的颗粒污泥，故也称杆菌颗粒；

C型颗粒污泥是由疏松的纤丝状细菌缠绕粘连在惰性微粒上所形成的球状团粒，故也称丝菌颗粒。

在反应器启动阶段，反应器负荷较低，在接种污泥足够的情况下，只在反应器的入流装置端附近产生大量沼气，且所产沼气沿垂直于水流方向逸出水面，实现了气水分离。而反应器出流装置端很大一部分容积基本上不产沼气，因而处于准层流状态，污泥在此区域内沉淀下来，实现了泥水分离。废水沿反应器作近似水平的推流运动，在沼气的搅拌的作用下作上下运动，使废水能得到充分混合。在产气区由于沼气搅拌的方向与水流方向相互垂直，而对污泥的洗出作用主要靠二者的合力，所以这种洗出作用与上流式厌氧污泥床的沼气和废水同一方向双重作用下的洗出作用相比，要弱一些。因此，平流式的厌氧污泥床反应器可以采用比UASB更大的负荷和流速，而将污泥洗出量控制在允许范围内，不致使反应器退化。由于反应器入流装置端的COD容积负荷相对于出流装置端COD容积负荷高，沼气对于污泥的搅拌作用也就很强，因而对污泥的选择作用就很强。这种情况下颗粒污泥最容易形成，因此反应器入流装置端很快最先形成颗粒污泥，反应器入流装置端的污水中的乙酸浓度保持在较高的水平，而后随水流方向逐渐降低，因而可在反应器前端形成A型颗粒污泥而在反应器后端形成B型、C型颗粒污泥，从而实现反应器内的A、B、C型颗粒污泥合理分布的目的。

在反应器启动完成的运行阶段，反应器内已形成分布合理的A、B、C型颗粒污泥，反应器负荷虽较高，也只在反应器前端产生大量沼气，且所产沼气沿垂直于水流方向逸出水面，实现了气水分离。而反应器出流装置端附近产沼气量很小，因而处于准层流状态，污泥在此区域内沉淀下来，实现了泥水分离，使反应器内能够保留较高浓度的污泥。

本发明的有益效果是，由于采用了上述在入流端形成A型颗粒污泥的高浓度区，在中间段以及出流端形成B型和C型颗粒污泥的高浓度区的方法及其使其废水沿反应器作近似水平的推流运动，使得能在反应器内形成沉淀性能良好的、以甲烷菌为主体颗粒污泥，且有利于反应器中A、B、C型颗粒污泥的形成和合理配布，充分发挥三种类型颗粒污泥的优势，最大程度地改善出水水质，较UASB反应器有更大的处理能力。在反应器内能够保留较高的污泥浓度，从而单位反应器容积所能承受的有机负荷较高，因而可以使所需的反应器的容积大大减小，单位反应器的COD容积负荷高达数千克甚至数十千克，且不需安装复杂的布水系统和复杂的三相分离器，因而投资省，单位反应器容积的投资较UASB等节约50％左右。而且，即使在较低的负荷下，也会由于反应器入流装置端的COD容积负荷相对于出流装置端COD容积负荷高，沼气对于污泥的搅拌作用也就很强，因而对污泥的选择作用就很强。这种情况下颗粒污泥最容易形成，因此反应器前端很快最先形成颗粒污泥，因而反应器完成颗粒污泥化的时问较UASB要短。随负荷不断提高，逐渐向反应器后部推进，直至颗粒污泥充满整个反应器。其实即使负荷不提高，随着前端颗粒污泥的增加，也会逐渐向反应器后端推进。我们在生产规模的反应器内，反应器COD容积负荷一直处于4公斤以下，都可以形成了良好的颗粒污泥，而上流式厌氧污泥床在这样低的COD容积负荷下还未见有形成颗粒污泥的报道。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是图2A向的局部放大旋转图。

图4是本发明的另一种实施方式的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的有机废水的处理方法，是利用在入流端均匀布水，使有机废水从入流端以水平推流的形式流向出流端，从而在入流端形成A型颗粒污泥的高浓度区，在中间段以及出流端形成B型和C型颗粒污泥的高浓度区，从而通过A、B、C型颗粒污泥合理分布来充分发挥三种类型的颗粒污泥的优势。A型和B型两种颗粒污泥包括菌体，而C型颗粒污泥则是由菌体附着于惰性固体颗粒表面而形成的生物粒子。其中：

A型颗粒污泥是以巴氏甲烷八叠球菌为主体的球状颗粒污泥，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕；

B型颗粒污泥是以丝状的产甲烷杆菌为主体的颗粒污泥，故也称杆菌颗粒；

C型颗粒污泥是由疏松的纤丝状细菌缠绕粘连在惰性微粒上所形成的球状团粒，故也称丝菌颗粒。

根据上述方法，如图1、图2、图3、图4所示，容器1是由环绕闭合的周边10和底面11组成，在容器1上设有入流装置2，在距离上述入流装置2水平方向的远端设有出流装置3，入流装置2与出流装置3的水平距离越远越好，这样，使整过容器的内部容积几乎都成为了生化反应区，废水沿反应器作近似水平的推流运动，在沼气的搅拌的作用下作上下运动，使废水能得到充分混合。以厌氧消化污泥或其它厌氧反应器絮状污泥接种，即能在反应器内形成沉淀性能良好的、以甲烷菌为主体的颗粒污泥。有机污水从入流装置进入容器内，经过生化反应区并经微生物的作用将污染物分解而形成沼气、污泥等，并在从入流端流向出流端的生化反应区内自然的将分解后形成的沼气、污泥和处理后废水有效分离，沼气从容器的上部流出，沉淀性能良好的以甲烷菌为主体的颗粒污泥逐步沉淀，而处理后废水从出流装置流出。

在反应器启动阶段，反应器负荷较低，在接种污泥足够的情况下，只在反应器的入流装置端附近产生大量沼气，且所产沼气沿垂直于水流方向逸出水面，实现了气水分离。废水沿反应器作近似水平的推流运动，在沼气的搅拌的作用下作上下运动，使废水能得到充分混合。另一方面，尽管该反应器没有复杂的三相分离器，但由于启动阶段反应器后端基本不产沼气，本质上相当于一个平流式沉淀池，而这个平流式的沉淀池的容积比三相分离器沉淀区大得多，沉淀时间也要长得多，因而除极少量的沉淀性能级差的絮状污泥回随出水洗出外，大部分絮状污泥仍会停留在反应器后端。因此，该反应器的污泥洗出本质上只是从反应器前端洗到反应器后端，而并非真正洗出了反应器，因而在反应器内的污泥保有量较高。在产气区由于沼气搅拌的方向与水流方向相互垂直，而对污泥的洗出作用主要靠二者的合力，所以这种洗出作用与上流式厌氧污泥床的沼气和废水同一方向双重作用下的洗出作用相比，要弱一些。因此，平流式的厌氧污泥床反应器可以采用比UASB更大的负荷和流速，而将污泥洗出量控制在允许范围内，不致使反应器退化。由于反应器入流装置端的COD容积负荷相对于出流装置端COD容积负荷高，沼气对于污泥的搅拌作用也就很强，因而对污泥的选择作用就很强。这种情况下颗粒污泥最容易形成，因此反应器入流装置端很快最先形成颗粒污泥，反应器入流装置端的污水中的乙酸浓度保持在较高的水平，而后随水流方向逐渐降低，因而可在反应器前端形成A型颗粒污泥而在反应器后端形成B型、C型颗粒污泥，从而实现反应器内的A、B、C型颗粒污泥合理分布的目的。

在反应器启动完成的运行阶段，反应器内已形成分布合理的A、B、C型颗粒污泥，反应器负荷虽较高，也只在反应器前端产生大量沼气，且所产沼气沿垂直于水流方向逸出水面，实现了气水分离。而反应器出流装置端附近产沼气量很小，因而处于准层流状态，污泥在此区域内沉淀下来，实现了泥水分离，从而能在反应器内保留较高的污泥浓度。

所述容器1的水平横截面可以是矩形或环形，尤其以矩形的效果较佳。所述入流装置2和出流装置3均匀设置在容器的整个宽度方向上，使得有机污水从入流装置均匀的进入容器内并在生化反应区内均匀的流向出流端。所述入流装置2包括档水墙4和底板5，档水墙4横贯整个容器的宽度，底板5上设置有均匀分布的潜孔6，所述潜孔6的位置在水平面7以下，所述潜孔6的形状可以是圆形、矩形、长条形等，这样，有机污水进入容器内时，即可利用上述档水墙4和潜孔6达到均匀布水且防止因水流冲击而形成泡沫等。同样的道理，上述出流装置3也最好设置在容器的整个宽度方向上，出水沿整个容器宽度溢流出反应器，所述出流装置3可以采用现有的多种形式，如自由溢流堰8等。这样，有机废水即可沿容器1的长度方向做近似水平的流动，并在出流装置3端形成准层流状态。

所述容器1的水平横截面也可以为圆形，如图4所示。所述入流装置2设置在圆形的中心，所述出流装置3均匀设置在容器1的圆形周边上。入流装置2、出流装置3与上述容器的水平横截面为矩形的反应器相同，也可以达到同样的效果，且有机废水即沿容器1的圆周径向做近似水平的流动，并在出流装置3端形成更加平缓的准层流状态。

上述反应器的底面11从入流装置2的一端至出流装置3的一端设置有坡度，该坡度以0.01～0.02即可。入流装置2一端的水平高度低于出流装置3一端的水平高度，这样有利于颗粒污泥有效的向入流端回流，从而达到更好的微生物生化反应效果，有利于有机污染物的有效彻底的分解。

如果需要收集厌氧处理过程中产生出的沼气，所述容器1的顶部可以覆盖盖板9进行密闭，所述盖板9与水平面7之间留有距离，用以收集、集中产生的沼气，盖板9上设置有出气口12，用以将收集的沼气排出并加以利用。

为了排放厌氧处理过程中产生的剩余污泥，可在水平横截面为矩形的容器1的周边10的两侧的侧壁的底部或底面11上设置排泥管13，以及在水平横截面为园形的容器1的底面11上设置排泥管13，所述排泥管13可以采用沿污水流动方向间隔一定的距离均匀布置的方式，使得剩余污泥的排放均匀。

实施例：本发明的有机废水的处理方法，是利用在入流端均匀布水，使有机废水从入流端以水平推流的形式流向出流端，从而在入流端形成A型颗粒污泥的高浓度区，在中间段以及出流端形成B型和C型颗粒污泥的高浓度区，从而通过A、B、C型颗粒污泥合理分布来充分发挥三种类型的颗粒污泥的优势。

按照上述具体实施方式，如图1、图2、图3所示，将容器1做成水平横截面为矩形的容器，其长24米、宽5米、深2米(池长12米处)，底面11的坡度为0.02，容积为240立方米的厌氧污泥床反应器。在容器1的宽度方向上的一端设置入流装置2，另一端设置出流装置3。入流装置2包括档水墙4和底板5，档水墙4横贯整个容器的宽度，底板5上设置有均匀分布的潜孔6，所述潜孔6的位置在水平面7以下，所述潜孔6的形状采用圆形；出流装置3也设置在容器的整个宽度方向上，出水沿整个容器宽度溢流出反应器，所述出流装置3采用现有的自由溢流堰8。

利用该厌氧污泥床反应器处理酿酒生产中产生的废水，以处理同类废水的UASB反应器絮状污泥接种，在反应器内形成了沉淀性能良好的颗粒污泥，进水COD浓度14882mg/dm³，出水COD浓度1416mg/dm³，单位反应器容积负荷高达3.6Kg以上，废水COD去除率高达90％以上。

Claims (1)

1、有机废水的处理方法，利用在反应器的入流端均匀布水，使有机废水从入流端以水平推流的形式流向出流端，在入流端形成A型颗粒污泥的高浓度区，在中间段以及出流端形成B型和C型颗粒污泥的高浓度区；A型和B型两种颗粒污泥包括菌体，而C型颗粒污泥则是由菌体附着于惰性固体颗粒表面而形成的生物粒子，其中：

A型颗粒污泥是以巴氏甲烷八叠球菌为主体的球状颗粒污泥，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕；

B型颗粒污泥是以丝状的产甲烷杆菌为主体的颗粒污泥，故也称杆菌颗粒；

C型颗粒污泥是由疏松的纤丝状细菌缠绕粘连在惰性微粒上所形成的球状团粒，故也称丝菌颗粒。

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