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1、西安科技大学硕士学位论文IC反应器处理养殖废水的启动与运行研究姓名：周建民申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：端木合顺20090519论文题目：专业：硕士生：指导教师：I C 反应器处理养殖废水的启动与运行研究环境工程周建民( 签名)端木合顺( 签名)摘要内循环厌氧反应器( I n t e r n a lC i r c u l a t i o nR e a c t o r ，简称I C ) 是在U A S B 反应器基础开发成功的第三代超高效厌氧反应器，具有占地面积小、高径比大、有机负荷高、出水稳定和耐冲击负荷能力强等特点。本文采用分散水解酸化沉淀作为I C 反应器的预处理，对I C 反
2、应器处理养殖废水启动和运行进行中等规模的研究。研究表明I C 反应器对养殖废水具有比较好的处理效果。在3 5 + 1 ，强制动力内循环量6 m 3 h - 1 2 m 3 h ，O R P _ O 5 m ( m 2 h ) 】，这对污泥的有效洗出有好处。此外，由于启动初期产甲烷菌的活性不够，不能及时分解产酸菌产生的挥发酸，易造成反应器的p H 值降低，因此为防止酸化，西安科技大学硕士学位论文迸水p H 值应高一些【5 7 】。本研究考虑实际情况，初始进水浓度在2 0 0 0 m g L 左右，初始进水负荷0 6 3 k g C O D ( m 3 0 d ) 左右。第一反应器区初始上流速度约
3、为1 9 m h 。第二反应区上流速度约为1 O m h 。3 1 3 负荷提高方式负荷的提高有2 种方法：进料先采用低浓度的废水，然后增大水量至设计处理水量，之后再逐渐增加废水的浓度至设计处理负荷；进料先采用低浓度的废水，然后逐渐增加废水的浓度直到设计的处理负荷，之后再增大水量至设计处理水量。负荷的提高要等出水稳定后逐渐进行。 启动初期出水指标的高低是决定最终启动效果的重要因素。当满足：( 王) V F A 6 8 ；污泥流失 7 5 ，且产气量正常，C O D 负荷可提高1 0 也5 。随着有机负荷提高，产气和上升流速的增加引起了污泥床的膨胀，使得污泥的洗出量增大，但其中大多为絮状污泥，而
4、产生的颗粒污泥由于其良好的沉降性能被有效保留了下来随着颗粒污泥的不断增加，污泥的洗出量也会逐渐减少。在本阶段反应器开始形成不连续循环，内循环的形成与产气量有直接关系。到启动的中、后期，内循环已十分明显，循环之间的问隔越来越短，直至无间隔连续循环。本研究采用负荷提高方式、进水量和进水浓度情况如表3 1 。表3 1 反应器进水方案3I C 反应器处理养殖废水启动研究3 1 4 运行温度温度对于厌氧反应器的启动与保持系统的稳定性具有重要的影响。反应器在常温( 2 0 2 5 ) ，中温3 3 4 1 和高温5 5 6 0 。C 下均能顺利启动，并形成颗粒污泥。但绝大多数反应器启动过程的研究都是在中温
5、条件下进行的，也有少数U A S B 反应器低温启动的报道。另外，不同种群产甲烷菌对生长的温度范围，均有严格要求。因此，需要对厌氧反应的介质保持恒温。不论何种原因导致反应温度的短期突变，对厌氧发酵过程均有明显的影响，特别是高温发酵最为敏感。有资料表明，采用高温发酵温度突变士3 ，就有可能导致厌氧发酵过程发生变化。如接种污泥量足够，可将所需污泥一次性装入反应器内，然后逐渐升温，恢复生物活性。升温要渐次进行，升温太快，会造成大量污泥浮升膨胀，堵塞三相分离器。本研究采用二次加热方式，并采用温控仪控制。由温度计测定I C 反应器内的温度，进而反馈给温控仪一个数字信号。温控仪设定3 4 - - - 3
6、6 “ C ，当时温度低于3 4 。C 时，加热电磁阀开启开始加热。高于3 6 “ C 时，供热电磁阀关闭停止加热。另外本系统一次加热中一部分热源来源于堆沤池中干物质发酵。3 1 5 营养平衡状况与其他厌氧反应装置一样，I C 反应器的营养平衡也很重要，细胞的生长和维持需要一定数量的养分，但有些养分过量会抑制厌氧系统的启动。一般而言，营养比约为C ：2 7西安科技大学硕士学位论文N ：P = 7 5 ：5 ：1 ，如以C 为C O D 的化学计量关系推算，那么。有人认为废水中营养物质比例应为C O D ：N ：P = ( 5 0 Y ) ：5 ：1 ，其中Y 为细胞产率，对于发酵产酸菌，Y =
7、 0 1 5 ，对于产甲烷菌，Y = 0 0 3 ，典型地，对完全未酸化地废水，取Y = 0 1 5 ，对于一个完全酸化地废水，取Y = 0 0 3 t 5 8 1 。氮源不足时，可添加氮肥、含氮量高的粪便、氨基酸渣及剩余活性污泥等。磷源不足时，可适当投加磷肥。同时还必须注意到，适量的碳源对反应器细菌的最佳生长和活性是决定性的条件，然而与其它许多养分一样，碳源浓度的增加应有一个限度，超过限度微生物的生长率就会下降，这一影响通常称为基质抑制。碳水化合物基质抑制的一般浓度约为1 0 0 1 5 0 9 L 。另外无机微量元素，如铁、镍、钻、铝等对启动时间的长短也有影响，因为这些元素成分是甲烷菌生长
8、所必需的。在实际应用中当需要加入微量元素时，最好采用逐步提高浓度的投加方式，并以此确定最佳的投加量。总之，在启动过程中，营养负荷应逐渐增加，投配量尽可能随着生物体的增加而增加，直至达到稳态运行。本研究水源来自养殖场，氨氮和T P 含量较高，其他营养基本平衡，因此没有再添加其他营养物质。3 1 6P H 值、碱度与有害物质含量I C 反应器进水p H 值应控制在6 5 7 5 之间并尽量减少波动。当由于提高进水负荷而引起p H 值下降时，应立即停止进料，并采取一些必要的措施。p H 值变化比V F A 浓度的变化要滞后一些。当甲烷菌活性降低，或因过高负荷导致V F A 开始积累时，由于废水的缓冲
9、能力，从p H 值监测上尚反映不出潜在的问题。可以看出V F A 较之p H 值能更快速准确地反映出反应器的实际情况。但是，由于p H 值的检测十分方便，当条件不具备的情况下，常用p H 值代替V F A 来反映反应器的运行状况p7 。对于以碳水化合物为主的废水，进水碱度与C O D 之比大于l ：3 是必要的，但对于含较高有机氮和硫酸盐的废水，碱度的控制方式有所不同。陆正禹等研究链霉素废水的启动过程中发现，控制出水的碱度在1 0 0 0 m g LC a C 0 3 以上，能成功地培养出颗粒污泥。颗粒污泥成熟以后，对进水的碱度要求并不高，可以不投或少投纯碱。适量惰性物如C a 2 + 、M
10、9 2 + 和C 0 3 2 “ 等离子的存在，能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。废水中是否含有有毒化合物或在厌氧过程中转化为有毒的化合物对反应器启动也很关键。一般情况下应当了解总氮和氨氮、硫酸盐或亚硫酸盐的浓度，并要了解在废水产生的工厂里是否使用了杀毒剂、消毒剂等。如果氨氮浓度超过2 0 0 0 m g L ，那么反应器中的污泥必须经过很好的驯化才能处理这种废水。当废水中1 0 4 2 。浓度超过5 0 0 m g L或C O D 与S 0 4 2 - 的比值很低，则废水的处理也会成问题。S 0 4 玉本身毒性较小，但厌氧过程中硫酸盐还原菌会将一转化为H 2 S ，而H 2 S 是有毒的。
11、当8 0 4 二的浓度不十分高，而C O D 与S 0 4 2 。的比例高于1 0 ，则产生的会被大量的沼气从水中气提作用带走。当S 0 4 2 3T C 反应器处理养殖废水启动研究浓度过高或C O D 与S 0 4 2 。比值太低，则可能必须使用单独的反应器【5 8 1 。本研究采用在线P H 计控制仪在线控制反应器内的P H 值，当P H 值低于6 5 时，系统将进行报警。采用氧化钙调控碱度和P H 值。试验中废水N H 4 - N 小于4 0 0 m g L 。3 1 7 废水性质一般认为，低浓度废水有利于厌氧反应器的启动，浓度以4 0 0 0 5 0 0 0 m g L 为宜，高浓度废
12、水最好先稀释后再用作进水。浓度为1 0 0 0 4 0 0 0 m g L 的废水可直接用作进水，不会因浓度低而遇到启动上的困难。另外，启动过程中，悬浮物浓度应控制在2 0 0 0 m g L以下。贺延龄【5 8 I 认为反应器内悬浮物浓度超过3 0 0 0 m g L ，并且它们不能生物降解而且能滞留在反应器内，就会引起较大麻烦。但如果这些悬浮物能够生物降解，或者他们不在反应器内滞留，则不会引起任何问题。S o u z a t 5 9 l 等研究认为，须同时满足两个条件：S S即小于1 0 0 0 m g L 和S S C O D 小于0 5 。废水中有机物的性质对启动效果影响较大。对可生化
13、较差的化工废水，启动时适当加入易生化物质是有益的。本研究是采用经分散调节、水解酸化和沉淀处理后的废水，S S 小于2 0 0 0 m g L ，C O D在1 2 0 0 0 m g L 左右，启动的时候首先根据负荷提高方式对废水进行稀释。3 2 取样与分析3 2 1 取样方法废水取样按照有关废水取样要求，取混合样进行分析。I C 反应器进水取自沉淀池后的集水池，每天按照表3 1 中的要求范围，对废水稀释，稀释后并对废水每次进水前取样，最后把当天的样品等比例混合，送实验室或现场分析。I C 反应器出水取自反应器排水口，每次出水十分钟后取样，最后把当天样品等比例混合后送实验室分析。3 2 2 测
14、定项目与分析方法启动过程主要监测项目C O D 、T N 、N H 4 - N 、S S 、P H 、O R P 、温度、沼气产量、强制循环量、进水量、和内循环量，其中水质指标分析方法一般参照水和废水检测分析方法第四版，具体选用的：C O D消解分光光度法，采用便携式多参数水质分析仪N H 4 - N ：水杨酸分光光度法，采用便携式多参数水质分析仪T N碱性过硫酸盐消解紫外分光光度法；采用便携式多参数水质分析仪S S重量法P H玻璃电极法，采用在线P H 监测仪O R P玻璃电极法，采用在线O R P 监测仪西安科技大学硕士学位论文温度产气量强制循环量进水量内循环量3 3 结果与分析在线温度控
15、制仪沼气流量计电磁流量计电磁流量计电磁流量计3 3 1 概述该试验系统于2 0 0 7 年6 月份完成设计，2 0 0 7 年9 月份完成施工搭建，2 0 0 7 年9 月2 5 号- 2 0 0 8 年0 2 月0 1 经历1 3 0 天完成调试研究。反应器接种污泥后，首先用清水浸泡1 天，而后每天向反应器进适量的稀释原水，对罐内的污泥进行浸泡和活化，1 星期后，按表3 1 的进料方式进行。进水时，依据试验前制定的试验方案，每天对集水池水进行稀释分析达到进料方案要求后，采用脉冲进料方式，每次进料一个小时，启动过程中采用强制内循环，进料次数、进料量和强制内循环量见表3 1 。通过P H 值、进
16、水C O D 、C O D 去除率、进水S S 、温度、O R P 等条件对I C 反应器启动进行调控。进水：S S 6 5O R P _ 7 0C o D 去除率 7 5 如果各项指标正常，则第二周按照表3 1 的进料方案提高进水量和容积负荷。这样每提高一次负荷，运行一周至出水各指标稳定。3 3 。2 启动结果分析( 1 ) 进水量与容积负荷变化按照3 1 节所述的进料方案进水，控制温度在3 5 - 4 - 1 ，O R P 茎2 5 0 m v ，强制循环量6 m 3 h 。由图3 1 可以看出，启动过程分为三个阶段：适应阶段、提高负荷阶段和稳定运行阶段。适应阶段进水量由第一周的约1 0m 3 d 依次增加到第六周的约3 0m 3 d ，进料负荷由0 6 3 k g C O D ( m 3 d ) 逐渐增加到2 0k g C O D ( m 3 d ) 。进水采用
