气升内循环反应器在豆制品废水处理中的应用研究 84页

分类号：X703密级：公开档案号：2013-06-083002-31-003学号：1011021004硕士学位论文（2013届）气升内循环反应器在豆制品废水处理中的应用研究研究生姓名姜栋指导教师姓名蒋京东副教授专业名称环境工程研究方向水污染控制工程论文提交日期2013年6月n苏州科技学院硕士学位论文气升内循环反应器在豆制品废水处理中的应用研究硕士研究生：姜栋指导教师：蒋京东（副教授）学科专业：环境工程苏州科技学院环境科学与工程学院二○一三年六月nMasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAnappliedstudyonsoybeanwastewatertreatmentbyusingair-liftloopreactorMasterCandidate:JiangDongSupervisor:associatePro.JiangJingdongMajor:EnvironmentalEngineeringSuzhouUniversityofScienceandTechnologySchoolofEnvironmentalScienceandEngineeringJUNE.2013nn苏州科技学院硕士学位论文摘要摘要气升内循环反应器是一种重要的反应器形式，具有占地面积小、自动化程度高、运行稳定等优点，因此吸引了众多环保工作者对其进行一系列的小试、中试及工程应用研究，但由于结构设计、设备要求等原因限制了反应器放大，阻碍其在废水处理领域的推广。为此作者团队首次提出新型多导流筒式气升内循环反应器，并应用于豆制品废水处理工程，对该类型反应器的推广起到一定指导和借鉴意义。本文主要分析了该型反应器的原理与结构，并以豆制品废水为例对其小试和工程应用效果进行研究，详细论述了尺寸为Ø17m*15m的多导流筒式气升内循环反应器在1800m³/d豆制品废水二级处理中的应用，总结了反应器在调试和稳定运行过程中的效果。主要研究内容与结论如下：（1）采用自制气升内循环反应器小试装置处理豆制品废水厌氧出水，控制反应温度30~35℃，pH7.5~8，曝气阶段DO1.5~3mg/L，废水HRT为2d，在进水COD+浓度986mg/L，NH4-N浓度245mg/L时，COD去除率70%~80%，出水COD浓度++在200~300mg/L之间，NH4-N去除率95%~99%，出水NH4-N浓度小于10mg/L。在气升内循环反应器中，活性污泥对豆制品废水处理效果良好。ˉ（2）小试过程中废水总氮去除率为40%~55%，其中NO2-N浓度在100~150ˉmg/L范围内，NO3-N浓度小于10mg/L，亚硝化率稳定在90%以上。采用同样的反应器、接种污泥和控制参数，处理自配水高氨氮废水作为对比试验：当进水氨氮浓度最高为600mg/L，氨氮去除率基本保持在90%以上，经过7d后亚硝化率上升至80%~90%，证明该工况下反应器中呈现短程硝化。（3）采用总容积3400m³的多导流筒气升内循环反应器作为二级处理工艺，处+理1800m³/d豆制品废水。在水温26~34℃，COD和NH4-N容积负荷分别为+0.42~0.52kgCOD/（m³·d）和0.11~0.14kgNH4-N/（m³·d），进水COD800~1400mg/L，进水氨氮210~270mg/L，C/N为3.5~6.5之间的情况下，经过约75d的调试，出水+COD≤350mg/L，NH4-N≤10mg/L，TN≤10mg/L，总氮、氨氮的去除率最高达98.8%，废水各项指标达到CJ343-2010《污水排入城镇下水道水质标准》B等级要ˉˉ求，运行周期内各个阶段几乎无NO2-N和NO3-N积累，过程为同步硝化反硝化。（4）该气升内循环反应器经历有机负荷波动和冬季降温时仍保持理想的处理23效果，已稳定运行约500d。反应器处理单位水量占地面积为0.13m/m，功率密度为29.7W/m³，吨水处理费用约为1.7元；反应器占地面积省，能耗低，结构简单，自动化程度高，处理效果好，具有广阔的应用前景。关键词：气升内循环反应器，豆制品废水，同步硝化反硝化，工程放大In苏州科技学院硕士学位论文摘要IInMasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAbstractAbstractAir-liftloopreactorisanimportantformofthereactordesign,whichhasaseriesofadvantagessuchassmallareaneeded,highdegreeofautomationandstableoperation.Itattractsmanyenvironmentaliststocarryoutlotsofresearchesincludesmallscales,pilottestsandengineeringapplications.Butthepromotioninthefieldofwastewatertreatmentwashinderedbytheproblemsofstructuraldesigns,specialequipmentrequirementsandsoon.Inordertohandlethatproblem,anewmulti-tubeair-liftloopreactorformwasproposedbytheauthorteamforthefirsttime,andthisdesignwasappliedtoasoybeanwastewatertreatmentcase.Itplayedapromotionalandreferentialroleinsuchtypeofreactors.Principleandstructureofthistypeofreactorandtheperformanceinsmallscaleandengineeringapplicationforsoybeanwastewatertreatmentwereanalyzed.Theprocessofcommissioningandstableprocessofmulti-tubeair-liftloopreactorwithsizeØ17m*15mwhichusedfor1800m³/dsoybeanwastewatersecondarytreatmentwasdiscussedindetail.Themaincontentsandconclusionsareasfollows:(1)ALaboratoryscaleAir-liftloopreactorwasusedtotreatsoybeanwastewateranaerobiceffluent.Temperaturewascontrolledin30℃to50℃,pH7.5to8,DO1.5to3mg/Linaerationstage,HRT2d.IntheconditionwheninfluentCODconcentration+was986mg/L,NH4-Nconcentrationwas245mg/L,TheCODremovalratefloated+from70%to80%,theeffluentCODconcentrationbetween200to300mg/L,NH4-N+removalratefloatedbetween95%to99%,andtheeffluentNH4-Nconcentrationwaslessthan10mg/L.Soybeanwastewatergotagoodtreatmentbyactivatedsludgeinair-liftloopreactor.ˉ(2)TNremovalrateinlaboratorytextwas40%to55%,effluentNO2-Nˉconcentrationwas100~150mg/L,NO3-Nconcentrationwaslessthan10mg/L,Nitrosationrateremainedstablehigherthan90%.Thesamereactorwithsludgeandcontrolparameterswasusedinhighammonianitrogenwastewatertreatmentforcomparison.Whentheinfluentammoniaremovalefficiencyremainedabove90%,thenitrosatedincreasedto80%to90%after7d.Whichprovedthattheconditionpresentstheshort-cutprocessinthereactor.(3)3400m³totalvolumedmulti-tubeair-liftloopreactorwasusedasasecondaryprocessfor1800m³/dsoybeanwastewatertreatmentplant.Thisreactorwasrunning+underconditionsasfollows:Watertemperature26-34℃，CODandNH4-Nvolume+loadingratewere0.42to0.52kgCOD/（m³·d）and0.11to0.14kgNH4-N/（m³·d）,influentCODconcentrationwas800to1400mg/L,influentammoniaconcentrationwas210to270mg/L,C/Nwasbetween3.5to6.5,afterapproximately75dcommissioning,+effluentCODwasunder350mg/L,NH4-NandTNwerebothunder10mg/L,thehighestremovalratewas98.8%,effluentqualitymettherequirementsCJ343-2010wastewaterˉˉqualitystandardsfordischargetomunicipalsewers.WithnearlywithoutNO2andNO3accumulation,TheTNremovalprocesswassimultaneousnitrificationanddenitrification.(4)Thisair-liftloopreactorexperiencedorganicloadandtempurturefluctuationsIIInMasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAbstractandremainedwithidealtreatmenteffectbystablyrunningfornearly500d.Reactor2processingunitwastewaterneededanareaof0.13m,thepowerdensitywas29.7W/m³.Eachtonofwastewatertreatedbyaerobicpartcosts1.7Yuan.Thereactorhasbroadapplicationprospectsforitcoverssmallarea,withsimplestructureandstableoperation.Keywords：Air-liftloopreactor,Soybeanwastewater,Simultaneousnitrificationanddenitrification,EngineeringmagnificationIVnMasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAbstractVn苏州科技学院硕士学位论文目录目录摘要................................................................IAbstract..................................................III目录.....................................................VI前言.....................................................1第一章绪论................................................41.1豆制品废水处理工艺研究现况..................................41.2生物脱氮原理及脱氮工艺研究进展...............................51.3气升内循环反应器的研究与应用................................71.4废水脱氮工艺特点分析................................................81.5本课题中气升内循环反应器的设计分析.......................................................101.6论文的背景、研究内容、目的及意义...................................121.6.1论文的研究背景...............................................121.6.2论文的主要内容...............................................131.6.3论文研究的目的和意义.........................................13第二章气升内循环反应器小试试验研究.............................162.1气升内循环反应器处理豆制品废水试验研究.............................162.1.1研究内容和目的...............................................162.1.2试验装置.....................................................162.1.3试验用水.....................................................172.1.4试验分析项目及方法...........................................172.1.5污泥培养及接种...............................................172.1.6试验方法.....................................................182.2实验结果与讨论.....................................................182.2.1气升内循环反应器处理豆制品废水的实验结果与讨论...............18VIn苏州科技学院硕士学位论文目录2.2.2人工配制高氨氮废水对比试验研究...............................212.3本章小结...........................................................22第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介............253.1杭州某豆制品厂豆制品废水处理状况...................................253.1.1杭州某豆制品厂及其废水处理情况简介...........................253.1.2废水处理工艺.................................................253.2主要处理构筑物设计及说明...........................................323.2.1预处理系统...................................................323.2.2UASB反应器..................................................323.2.3气升内循环反应器系统.........................................333.2.4气柜和沼气利用系统...........................................343.2.5污泥处理系统.................................................343.3废水指标监测及分析方法与系统监测点.................................363.3.1废水指标监测及分析方法.......................................363.3.2废水处理系统监测点...........................................363.4废水处理系统运行情况...............................................373.4.1厌氧系统的运行...............................................373.4.2气升内循环反应器的运行.......................................383.4.3经济效益分析.................................................38第四章气升内循环反应器处理豆制品废水的工程应用研究...........414.1气升内循环反应器的进水水质及排放标准...............................414.2气升内循环反应器装置及采用的调试方式...............................414.2.1气升内循环反应器装置情况.....................................414.2.2欲采用的培菌方式.............................................424.2.3反应器调试运行前的准备工作...................................424.3反应器启动过程及数据分析...........................................434.3.1启动过程中反应器的主要控制参数...............................444.3.2异养菌培养阶段...............................................46VIIn苏州科技学院硕士学位论文目录4.3.3硝化细菌培养阶段.............................................474.4反应器稳定的稳定运行及数据分析.....................................524.5本章小结...........................................................55第五章结论及建议..................................................605.1结论...............................................................605.2建议...............................................................60参考文献.............................................................62致谢..................................................................66附录..................................................................68攻读硕士期间实践经历...............................................68攻读硕士期间发表的论文.............................................70作者简介.............................................................72VIIIn苏州科技学院硕士学位论文前言前言气升内循环反应器是在化工行业鼓泡塔基础上发展起来的一种新型反应器，反应器通过微孔或射流曝气装置，形成内部的三相混合，促成生化反应的进行，从而[1]达到去除废水中污染物的目的。国外对该类型反应器的系统研究始于1950年左右，随后在国内也有众多研究机构和学者取得了重要的进展。相比其他反应器形式，气升内循环反应器具有结构简单，占地面积小，混合效果好，自动化程度高，处理[2]效果优良等一系列优点，尤其适合在可用地面积不足的场合使用，具有光明的发展前景。但是由于其一般采用高径比较大的塔式结构，并且往往需要特殊曝气设备，反应器的工业放大一直难以实现，限制了其在废水处理中的应用，因此，目前鲜有工程规模的大型气升内循环反应器的实例报道，开展新型气升内循环反应器的研究，突破其结构限制，增强反应器配套设备的通用性，是该类型反应器工业放大并推广使用的重中之重。氮素循环是自然界最重要的物质循环之一，对人类生存及生态平衡起到至关重要的作用。随着合成氨工业的兴起，人们有意识地合成并利用氮的化合物作为工业[3]原料、农业肥料，大大加速了氮素的循环，在一定程度上造成了环境问题。我国在2008年进行的重点流域水污染防治专项规划考核的结果显示：全国范围内的国+控河流断面中，19.2%的断面呈氨氮（NH4-N）劣V类，氨氮已超过化学需氧量（COD），成为影响地表水环境质量的首要指标。+[4]水体中的NH4–N是一类耗氧污染物，同时也是水体富营养化、神经毒素污[5]染的元凶之一，严重影响了水体的生态、景观功能，威胁城市供水安全。而硝态ˉˉ氮（NO3-N）和亚硝态氮（NO2-N）更会对水生生物甚至人体健康造成危害，因此[6],[7]也逐渐成为了研究的重点。在继续推进COD污染减排的同时，考虑到环境质量特征、阶段重点、现有基础和经济技术等因素，“十二五”规划将氨氮列入污染物排放约束性控制指标，并提出较2010年水平氨氮减排10%的目标，对总氮的处理要求也必将是大势所趋。为达到这一减排目标，环保工作者主要从以下几个方面开展氨氮总排放量控制工作：一是现有市政污水处理厂二级处理升级改造，提高脱氮能力，二是着重控制食品加工、化工、石化等重点行业的废水氨氮及总氮排放，三[8]是开展农业面源氮素污染防治。其中，食品加工行业与群众生活联系最为密切，在人们日益关注环境问题的时代背景下，企业形象与产品口碑在很大程度上受到企业环保工作力度的影响。因此，做好食品加工行业废水处理工程，减少企业在生产+过程中的COD、NH4-N等污染物排放，对“十二五”氨氮减排目标的顺利实现起到至关重要的作用，并对建设绿色企业，提升企业竞争力，打造健康产品有着重要1n苏州科技学院硕士学位论文前言意义，同时有利于环境保护的宣传教育工作。杭州某豆制品企业具有良好的品牌形象和产品竞争力，由于生产规模的扩大和生产工艺的改进，其废水产生量及废水污染物浓度均有一定程度的增加，且随着环[9]保标准的提升，该企业原有的废水一级UASB处理工艺已无法满足当前废水处理要求，因此，需要对该企业废水处理工程进行升级改造，使其满足现有水质水量处理要求，最大限度地减轻下游污水处理厂的负担，承担污染物减排、保护环境的社会责任。由于厂区可用地面积狭小，氧化沟（OD）、缺氧/好氧工艺（A/O）、循环[10]活性污泥法工艺（CASS）等常规二级生物处理工艺受到限制，需要设计占地面积省、工艺流程短、自动化程度高、处理效果优良的废水二级脱氮处理工艺来满足现场实际情况。基于此背景，作者所在团队以理论研究和实验室小试为基础，结合已有丰富工程经验，提出了一种新型多导流筒气升内循环反应器形式，突破了现有该类型反应器结构（如高径比）和设备要求限制，在整体反应器高径比约等于1，仍采用常规风压（0.5~0.6kPa）的微孔曝气模式的情况下，将好氧反应器做高到15m，通过特殊的多导流筒形式，在曝气时使反应器内部形成内循环，从而实现整个反应器的混合和充氧，并自发形成缺氧/好氧交替的环境，同步完成COD去除和硝化-反硝化反应，去除有机物和总氮。运行过程中，采用可编程逻辑控制器（PLC）自动控制系统保持反应器的连续进水，间歇曝气，间歇出水模式与一级UASB反应器连接，达到了良好的去除效果，最终出水指标均满足当地规定的CJ343-2010《污水排入城镇下水道水质标准》B等级要求，且总氮、氨氮去除率均能达到95%以上，脱氮过程为同步硝化反硝化。本文对现有脱氮工艺机理，气升内循环反应器研究现状等相关研究进行总结，详细阐述了新型气升内循环反应器的结构和原理，对豆制品废水处理的实验室小试过程和工程规模反应器在杭州某豆制品废水二级处理工艺中的应用进行描述，对调试过程和稳定运行过程进行分析总结，并提出今后的发展建议。该类型气升内循环反应器克服了工程放大的结构及特殊设备要求等瓶颈，保持了其占地面积省、工艺流程短，自动化程度高，运行稳定等优点，是一种成功的、新颖的尝试，对该类型反应器在废水处理工程中的推广具有指导和借鉴意义，同时，对以豆制品废水为代表的高氨氮废水的脱氮工艺提供了理论基础，并提供了一种新反应器形式的选择。2n苏州科技学院硕士学位论文前言3n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1豆制品废水处理工艺研究现况豆制品是我国城乡居民重要的蛋白质食品之一，深受广大群众的喜爱。在对大豆的冲洗、研磨、煮沸、精炼、加工等过程中，会产生并排放一定量的废水，豆制品废水自身特性及生产工艺特点，决定了该废水具有较高的COD和有机氮浓度，[11]可生化性良好，基本不含对微生物有毒害的物质，并自带有一定的温度。为达到理想的处理效果并节约投资，豆制品废水处理工程一般采用以厌氧生化法和好氧生化法为主的生物处理工艺，辅以物化预处理及深度处理，来达到各地不同的排放标准，满足不同的废水排放要求。同时，由于工厂企业采用的工艺各异，豆制品废水水质水量在各个报道中均有差异，我们在借鉴的同时，一定要注意分析各处实际情况，从而更好的为工程设计及调试服务。[12]豆制品废水处理工程中现有内循环厌氧反应器（IC）/氧化沟（OD）工艺，[13]升流式厌氧污泥床反应器（UASB）/生物接触氧化工艺，厌氧接触/好氧MBR工[14][15][16]艺，气浮/UASB/缺氧/好氧（A/O）工艺，酵母预处理/UASB/SBR工艺，[17]PAC/SBR等组合工艺。上述工艺中，采用IC、UASB等三代、二代深度厌氧反应器为主体工艺，能够去除豆制品废水中绝大部分可生化性有机物，无需曝气，运行[18]费用低，并产生沼气回收能源，废水中剩余的COD物质及氨氮由后续好氧工艺处理，因此，后续好氧工艺需要有良好的脱氮效能，优异的抗负荷冲击能力，上述实例中的废水处理均达到理想效果。同时，随着新材料及新理念在环境工程中的应用，出现了一些较新型的豆制品废水处理工艺及反应器形式，来满足环保工作的升级。如厌氧膨胀污泥床（EGSB）[19][20]/浸没式平板膜生物反应器（SPMBR）工艺，厌氧膜生物反应器（AnMBR），[21]内循环三相生物流化床工艺，新的处理工艺及反应器追求更优良的出水水质，更大的容积负荷，更小的反应器体积和占地面积，具有广阔的发展前景。由于豆制品废水营养物质丰富、配比良好、水温适宜及不错的微生物降解性，[22]往往被用做试验研究的对象，彭永臻教授团队以豆制品废水为例，对生物脱氮过[23][24]程中的短程硝化反硝化、同步硝化反硝化等机理进行研究，取得了系列的成果，[25]经过大量的试验，总结出了不同类型的反应器实时控制的原理，为新型生物脱氮方法的应用做出重大贡献。综上所述，本课题在新型反应器工程放大试验中，选择豆制品废水作为主要研4n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论究对象，可以真实客观地评价反应器效能，总结经验教训，为反应器的逐步优化及在其他行业废水处理中推广应用打下基础。1.2生物脱氮原理及脱氮工艺研究进展自然界中氮素循环主要由同化、氨化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等作用组成，这些过程的反应速率快慢不一，受其反应方式及催化剂（微生物）的特性影响。传统脱氮工艺主要是由硝化-反硝化作用组成，首先由氨氧化细菌（AOB，又名亚硝酸细+－菌）将废水中的NH4在存在氧气的作用下氧化为NO2，再由亚硝酸盐氧化菌（NOB，－－又名硝酸细菌）将NO2氧化为NO3，再在缺氧条件下，由反硝化菌将其转化为氮气排放。具体脱氮流程可见图1.1。图1.1传统生物脱氮流程－通过对一些条件的控制，可以将上述反应中的氧化过程停留在NO2阶段，然后再进行反硝化，从而节约了曝气的能源和反硝化所需的碳源。通过控制较高的温度（30[26]±2℃），利用该温度条件下亚硝酸细菌比生长速率大于硝酸细菌（如图1.2所示），从而在反应器中逐步淘汰掉硝酸细菌，使整个反应器呈现短程硝化状态，是常用的方[27][28]法，适合于本身自带温度的高浓度氨氮废水处理，由此衍生出了SHARON工艺，是目前脱氮工艺研究的热点。[29]除了控制温度在较高水平这种方法以外，杨庆等在常、低温状态下进行了城市[30]污水短程硝化处理的中试研究，张杰等发现维持较低的溶解氧浓度，有利于短程硝[31]化反应器的稳定运行，高大文等通过控制pH，达到了同样的短程硝化效果。上述观点说明，采用不同的方法，使反应器中硝酸细菌得以抑制，既能获得短程硝化效果，在不同的场合下，根据实际情况的不同，可以采用不同的方式进行短程硝化反应器的启动和稳定运行。5n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论图1.2温度对硝化菌生长速率的影响硝化-反硝化过程需要交替的厌氧-缺氧环境，因此反应器的结构设计和运行方式对脱氮至关重要。同步硝化反硝化是指在同一个反应器内，由于不同区域，或不同时间段内的溶解氧浓度不同，实现硝化-反硝化反应的同时进行。其机理可以分为以下几种：[32]（1）反应器间歇曝气，构成好氧-缺氧时间交替，如常见的SBR、CASS反应器等；（2）反应器的不同区域采用曝气/非曝气模式，混合液以某种方式在不同区域内[33]回流，形成好氧-缺氧空间交替，如Carrousel氧化沟工艺等；[34]（3）生物膜结构或活性污泥絮体造成的内外溶解氧浓度不同，如MBBR工艺，[35]好氧颗粒污泥工艺等等，其机理如图1.3所示；图1.3微生物絮体中好氧区与缺氧区示意图同步硝化反硝化工艺能够在一个反应器中实现两步脱氮反应，具有工艺流程短，效率高，能耗低，减少碱度投加量等优点。在本文的气升内循环反应器中，经合理的设计结构能使反应器中自发形成好氧-缺氧区，同时辅以溶解氧浓度控制，使豆制品废水中的氨氮经同步硝化反硝化工艺从体系中脱除。6n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论1.3气升内循环反应器的研究与应用气升内循环反应器是一类吸收了化工单元操作中流态化技术，应用气提原理完成反应器充氧与混合效果的新型高效生物反应器，其发展也需要符合大规模工业技[36]术发展规则：（1）发挥规模效益：使用大型的过程单元增加指定工作的生产量；（2）提高单元效率：在保持性能的同时缩小个体过程单元的尺寸；（3）反应系统更新：不断发现可替代的新反应系统。而当一个反应器系统既满足了经济性，又满足了高效性，那该类型反应器必将发挥重要作用。目前，众多研究围绕该类型反应器的结构及传质机理展开，一些实验室小试及中试研究也相继报道，但由于结构设计的限制，“发挥规模效益”的工程化设计仍然少见，本文研究也即由此展开，为该类型反应器的工业化、规模化提出自己的一些看法和创意。气升内循环反应器的循环动力，靠的是升流区域与降流区域的密度差，也即是两者的气含率不同，因此循环量与循环流速均与气含率相关，而气含率又与表观气速相关，即单位面积的曝气量，另外，反应器的传质特性也与反应器结构及液体性质有关，现有机理研究也从这些方面展开。通过利用计算流体力学（CFD）的数值[37]模拟方法，王燕等研究了气升内循环反应器（ALR）中表观气速（UG）对反应器[38]性能的影响，认为液体流速随着表观气速的增加而增加；李志军等通过建立内循环反应器小试装置，对高径比及底隙高度对内循环反应器性能的影响进行研究，认为在一定的UG和底隙高度下，反应器中混合液的混合时间随着高径比的增大而增[39]大，体积传质系数与总平均气含率则呈相反趋势；熊俊鹰等重新设计了分布式多喷嘴的环流反应器，并改变其分布测定对反应器整体气含率的影响，积累了一定经[40]验；张玉魁等也提出了一种基于流化床原理的反应器，结合新的断面结构，并采[40]用机械分离与气浮结合的三相分离器，并研究了反应器中气含率的变化；张文晖对反应器混合液不同粘度下，气升内循环反应器内部气含率径向分布进行研究，得[41][42]出气含率径向分布呈抛物线形分布结论；张同旺等、姜家顺等分别对该类型反应器中流体力学行为及升流区与降流区气含率的关系进行研究。从上述研究过程及结果我们可以看出，气升内循环反应器的性能好坏，与反应器的结构和曝气量有重要关联，因此在设计过程中，应仔细考虑其参数选取，尤其是曝气量的选取，要求既能满足反应器中生化反应的需要，又能保证反应器的理想混合。对于该类型反应器在实际及模拟废水中的小试、中试、工程应用研究，也在有[43]条不紊地展开。卢刚，郑平在约10L体积的实验室小试装置的基础上，利用正交实验方法，研究在气升内循环反应器中的短程硝化控制策略，取得了理性的实验效7n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论果，证明该类型反应器具有良好的传质特性和潜能，并用其处理高浓度含氨废水，[44][45]测得了反应器的总传氧系数；气升内循环反应器对各类废水如：啤酒废水、化[46][47]纤废水、石油废水等的处理效果均有文献报道。由上述总结可知，气升内循环反应器在废水处理中具有重要的应用潜力及良好的处理效率，但面临着工程放大的难题亟需解决，上述报道中均没有单体池容大于500m³的案例出现，极大地影响了该类型反应器的推广，由此也凸显了本论文的研究意义。1.4废水脱氮工艺特点分析表1-1列举了气升内循环反应器与其他反应器一般特性的比较，各个工艺具有不同的特点，工艺的选择需要针对各种场合的实际情况。表1-1气升内循环反应器与其他脱氮反应器的比较气升内循C-2000型[48]项目SBRCASSA/OHCR环反应器OD进水方式灵活间歇连续连续连续连续曝气方式灵活间歇间歇连续连续连续污泥回流自动无泵回流泵回流泵回流泵回流硝化液回流自动无泵回流自动泵回流无占地面积小一般大大大小是否需要二沉池否否否是是是是否需要脱气池否否否否否是特殊设备导流筒滗水器滗水器机械曝气无射流曝气能耗低低高一般高高流程长短短短短中长中生物选择器有有有无有无自动化程度高高高高低高工厂、企业的废水排放具有一定的周期性，而生化法为达到较好的处理效果，往往要求连续均匀的进水，故在实际工程当中，尤其需要注意调节池的设计，以及后续反应器进水方式的配套衔接，面对废水连续排放源，最好采用连续进水的方式，这样一来可以保证系统的连续稳定运行，对培菌有利，二来能够避免较大的缓冲水池的设计，减少用地和投资。气升内循环反应器进水方面具有灵活的操作方式：气升内循环反应器可以采用SBR的间歇操作运行，但相比较SBR的优势在于，它同8n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论CASS一样，可以采用连续进水——由于池体较高，且具有较有利的高径比，底部的连续进水对整个反应器的污泥沉降过程几乎没有影响，这在后续的工程应用中也被证实。根据废水生物脱氮的机理，脱氮过程是硝化细菌和反硝化细菌在不同控制条件下作用，将废水中的氨氮转化为氮气，这就要求反应器要在时间或者空间上创造出缺氧-好氧的环境，才能满足硝化细菌和反硝化细菌各自的生存需要。SBR、CASS等工艺是采用间歇曝气来实现反应器中的缺氧、好氧交替进行；气升内循环反应器、A/O、氧化沟等工艺是采用不同的曝气位置与硝化液回流（不同形式的回流）来实现不同区域的缺氧、好氧交替，不同的是A/O工艺采用多个池子串联的形式，辅以消化液回流，氧化沟和气升内循环反应器则在同一个反应器中形成不同的溶解氧浓度区域，这种在同一个反应器中进行的脱氮反应，也被称之为SND（同步硝化反硝化）作用；生物膜法则利用了溶解氧在生物膜中的浓度梯度，内部为缺氧，外部为好氧，以此实现脱氮过程，而一般的HCR（HighPerformanceCompactReactor）反应器则只有好氧区，只能作为高效的去除COD、硝化的反应器。曝气方式是活性污泥法最重要的控制条件之一，因为曝气过程决定了反应器中的溶解氧浓度和污泥与废水的混合程度，这是活性污泥法处理废水的关键所在。SBR、CASS工艺采用间歇的曝气方式，在停止曝气时完成泥水分离过程和排水过程；氧化沟、A/O工艺需要利用二沉池进行泥水分离，因而整个工艺流程较长，且需要专门的污泥回流泵进行污泥回流，以保证反应器中合适的污泥浓度，这也增加了能耗。氧化沟工艺中，为了维持沟内混合液的流速，多用机械曝气形式，氧气利用率较低，SBR、CASS、A/O工艺一般采用微孔曝气方式，氧气利用率较高，HCR则由于反应器具有较深水深，一般采用射流曝气的方式，氧气利用率最高。影响活性污泥法处理运行效果的另一个重要因素是沉淀池的泥水分离效果，而泥水分离效果主要与两个因素有关，第一是活性污泥自身的沉降性能，第二是气泡对污泥沉淀过程的干扰。污泥膨胀是破坏活性污泥自身沉降性能的最重要的因素，污泥膨胀分为丝状菌膨胀和非丝状菌膨胀，前者往往是由于在某种底物匮乏的情况下，丝状菌具有底物竞争优势而过度增长导致，一般易出现在长期低浓度运行的延时曝气工艺当中，后者是由于在活性污泥菌体外积蓄高粘性多糖类物质构成了一种非常稳定的亲水胶体而形成的。氧化沟、A/O工艺，甚至SBR工艺中均容易出现丝状菌膨胀现象，对整个微生物废水处理系统造成严重影响。而CASS池则在进水端设置了预反应区，在预反应区内，回流污泥中的微生物在高基质浓度下，刺激絮状污泥快速增长，并抑制了丝状菌的增殖，随后在主反应区经历一个较低负荷的基质降解过程，因此可以有效的防止丝状菌膨胀，而气升内循环反应器在停止曝气的同时，污泥沉降至反9n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论应器底部，然而废水连续进入，提供给沉淀污泥丰富的底物浓度，这与CASS池防止污泥膨胀的原理基本吻合。气泡对污泥沉淀过程的干扰也分为两种，其一是曝气过度或特殊曝气装置造成的小气泡粘附在活性污泥表面，使其在二沉池中难以沉降，所以在深井曝气、HCR工艺等采用射流曝气等高压设备充氧、混合的情况下，往往采用特殊的脱气池，先解决气泡吸附问题，再使混合液进入二沉池进行泥水分离，增加了工艺的复杂性和投资。第二种气泡干扰因素是反硝化产生气泡扰动污泥沉降，废水经过曝气池后，-其中的COD物质被氧化或同化，氨氮被氧化为NOx，而在混合液进入二沉池后，-NOx和残余的COD物质在较低的溶解氧条件下，由反硝化细菌转化为N2释放，造成二沉池的积泥上翻现象，在结构设计不合理，有排泥死角的小型平流式、辐流式沉淀池中尤其常见。在寸土寸金的现代社会，废水处理工艺的占地面积在很多场合往往决定了处理工艺的选择，也限制了一些工艺在某些地域的应用。如人工湿地法由于负荷太低、占地面积太大，很难在北京上海、杭州等一线城市的工业企业废水处理工程中运用，但是适用于农村环境污染治理，流域生态修复等土地资源相对丰富的场合；由于氧化沟特有的机械曝气方式和A/O、CASS、SBR工艺中曝气设备风压的限制，这些反应器的水深一般不会超过6m，所以为满足一定的容积（废水停留时间）要求，也需要一定规模的占地面积；深井曝气、HCR工艺是负荷较高的活性污泥工艺，采用射流曝气等高压曝气模式，能够形成塔型的反应器，占地面积省，但也面临着造价、特殊设备维护成本与运行成本高等难题，且由于结构问题，很难大型化应用，另外，这些反应器只有好氧过程，仅能满足氨氧化要求，而不能将氨氮完全的转化为氮气，需要另外增加反硝化反应器，从另一方面又延长了工艺流程和投资。1.5本课题中气升内循环反应器的设计分析本课题研究的气升内循环反应器的结构原理如图1.4所示，该图截取反应器中的一个工作微元。反应器外观为圆柱型罐体，在内部设置导流筒，曝气软管从导流筒上方深入，曝气时产生的气泡向上浮动，使导流筒内外形成密度差，导流筒内部混合液向上移动，导流筒外部混合液向下移动，形成了连续不断的内循环，使整个反应器处于完全混合状态，而在每一次的上、下循环的过程中，反应器不同高度断面的水溶解氧、污染物浓度又有不同的浓度表现，因而反应器显示为一种混合流态。通过反应器中表观气速的计算我们可以得出反应器中的循环流速，进而可以得到内循环量，从而推算出反应器的进水稀释比例。在反应器曝气阶段，曝气软管位置水平以上，形成了反应器理论上的好氧区，10n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论在好氧区内，异养菌通过吸附作用和氧化作用净化水中的溶解性有机物，将COD+－－物质氧化为CO2和H2O，而硝化菌将NH4-N氧化为NO2或NO3，废水在导流筒外部向下循环的过程中，溶解氧逐渐被消耗而慢慢进入缺氧状态，废水循环向下至底部时，与连续泵入的原水混合，氧气的消耗加速，菌胶团中的反硝化细菌利用原－－水中丰富的COD物质为碳源，将在好氧区氧化产生的NO2或NO3反硝化为N2，剩余的COD和氨氮则沿导流筒向上循环，进入好氧区被氧化，由此整个反应器在一次次的循环过程中，实现同步硝化反硝化。基于生物选择器的原理，这种交替好氧-缺氧的状态能够有效抑制活性污泥丝状菌膨胀的发生，更有利于反应器的稳定运行。图1.4气升环流反应器工作原理示意图气升内循环反应器工作方式灵活多变，可以按照间歇进水、间歇曝气、间歇出水的SBR方式操作运行，也可以按照连续进水、间歇曝气、间歇出水的CASS方式操作运行，如果采用MBR形式出水，则可以按照连续流方式操作运行。在停止曝气阶段，反应器可以大致看作为处于理想沉淀状态下的“沉淀池”，原因有二：首先连续进水时，较大的反应器面积配合均匀布水，使得整个“沉淀池”的表面负荷极低，进水提供的上升流速不足以抵消污泥层的沉降速度；其次，由于理想的同步硝化反硝化作用，整个系统中的硝酸盐、亚硝酸盐浓度处于极低水平，甚至为零，因此不存在反硝化产生气泡影响污泥沉降的现象。混合液中的活性污泥进入沉降过程，泥水分离完成后，上清液通过滗水器排出。因此，在这种连续进水，间歇曝气、间歇出水的操作过程中，整个反应器的液面处于一个持续波动的状态。如果采用MBR出水，则整个反应器可以维持在一个稳定的状态，更接近于“恒化器”的概念。11n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论1.6论文的背景、研究内容、目的及意义1.6.1论文的研究背景（1）地表水、地下水受氨氮及硝态氮、亚硝态氮的影响日益增大，严重制约了经济发展，降低了环境效益，甚至威胁到了饮用水安全。“十二五”规划对氨氮排放提出总量控制的具体要求，氨氮排放总量控制目标是比2010年的排放量减少10%。食品加工行业，尤其是豆制品加工行业，其排放废水中含有大量的氨氮和有机氮，是氨氮减排的目标行业之一。原有处理工艺往往采用一级厌氧工艺或传统活性污泥法去除废水中的COD和氨，基本没有考虑总氮的去除。开展豆制品加工废水处理工程的提标改造工作对“十二五”氨氮减排目标的实现具有重要意义。（2）杭州某豆制品加工企业在当地中具有相当的影响力，其产品在长三角地区具有优异的市场占有率。该企业原有废水处理工程为一级UASB厌氧工艺，为响应国家政策和满足当地新排放标准的要求，需在厂区现有设施基础上新增废水脱氮工艺。该厂废水水量约1800m³/d，厂区建筑紧凑空间狭小，改造可用地面积仅有2350m，在保证处理效果、尽量降低投资和能耗的基本原则下，需要采用占地面积省，工艺流程短，总氮去除率高的废水二级处理工艺。（3）单池生物脱氮工艺，如序批式反应器（SBR）、氧化沟（OD）、循环式活性污泥法（CASS）等，在曝气方式与风机风压的限制下，池深一般不超过6m，要保持脱氮所需的池容，就需要较大的占地面积；缺氧/好氧法（A/O）等多池脱氮工艺，流程长，工艺复杂且占地面积大；占地面积较小的高效好氧生物反应器（HCR）、深井曝气反应器等技术，仅能对COD和氨进行氧化，若要求总氮去除率，仍需后续串联反硝化反应器，丧失了占地面积小的优势。（4）气升内循环反应器，又名气升环流反应器（ALR）是研究的热点之一，其符合反应器一体化、功能集成的发展趋势，占地面积省、无传动部件，混合传质效果好。但由于结构的限制，大型的工程应用鲜有报道，现有工程应用中池容一般在500m³以下，大型化研究、总氮去除效能仍需进一步研究。（5）作者所在团队致力于新型高效厌氧、好氧反应器的研发与工程应用研究，成套设备得到市场的一致好评，本文所述豆制品企业的一级厌氧处理工艺即为研究所工程实例，已稳定运行十余年。针对该企业废水处理改造要求，结合现场情况，在理论分析、小试研究的基础上，作者所在团队开展了新型多导流筒式的气升内循环反应器的研究，在实践运用中已取得良好的处理效果，本文即是对该项工作进行12n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论的简要总结。1.6.2论文的主要内容（1）对生物脱氮机理，生物脱氮反应器及气升内循环反应器的研究进展进行综述；（2）对新型气升内循环反应器的结构特点和原理进行分析总结，并与其他工艺进行比较；（3）利用小试装置在实验室规模处理实际豆制品废水，验证工艺对该废水的处理效果，探讨了主要控制参数对废水处理效果的影响，并将豆制品处理效果与自配的氨氮废水处理效果进行比较；（4）对杭州某豆制品加工企业废水处理工程的概况和运行情况进行总结，着重分析了3400m³规模的气升内循环反应器的结构特点；（5）对工程反应器进行调试，对调试过程和结果进行研究总结，着重分析了在一定操作条件下，反应器中污泥量的变化、污泥性状，和反应器对进水COD、氨氮的去除效果，对亚硝态氮、硝态氮浓度进行监测分析。（6）对进行工作做出总结，提出一些建议和展望。1.6.3论文研究的目的和意义研究目的：本课题以杭州某豆制品厂废水处理提标改造为背景，结合现场实际情况进行合理的工艺路线选择，采用新型多导流筒式气升内循环反应器进行豆制品废水二级处理，最终成功调试并稳定运行，达到良好的效果。通过实验室小试研究确定工艺运行参数，验证工艺上的可行性，为反应器的调试运行和同行业废水处理作出理论指导。对新型气升内循环反应器进行调试，旨在达到预期设计的污染物处理效果，验证该反应器形式在废水处理中的性能，积累该类型反应器的施工、调试、运行经验，为该反应器的推广打下坚实基础，提出气升类、流化床类反应器的新型工业放大模式和实例。研究意义：（1）实验室研究旨在确定工艺操作条件，为豆制品废水处理工程中工艺设计和参数确定具有指导意义；（2）为气升内循环反应器的大型化、工程化应用提供参考案例，积累该类型反应器在豆制品废水治理中的启动和运行经验，对该类型反应器在更广领域中的应用具有重要意义；（3）采用该新型气升内循环反应器在去除废水COD物质的同时，实现了理想13n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论的同步硝化反硝化脱氮，总氮去除率高，是对气提反应器功能的重要拓展，结合了占地面积小、性能优异稳定、能耗低、工艺流程短等优势，对脱氮反应器形式提出了新的补充，具有重要的理论和现实意义。14n苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论15n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究第二章气升内循环反应器小试试验研究2.1气升内循环反应器处理豆制品废水试验研究2.1.1研究内容和目的在实验室条件下，采用自制的气升内循环反应器模型进行实验。模拟现场气升内循环反应器将要面对的控制参数及参数的变化，验证废水处理工艺上的可行性，对脱氮过程进行研究并采用人工配水处理进行比较试验。以期能够在理论上验证合适的工艺参数，对工程调试运行起到一定的指导意义。2.1.2试验装置小试试验装置如图2.1所示，反应器主体结构为内外双筒型，材质为有机玻璃，外筒内径140mm，高1m，内筒内径90mm，高0.7m，内筒放置于10mm高支撑之上，用有机玻璃粘合剂与底板固定，反应器的总容积约为15L。曝气系统采用PLC系统控制，可以方便调节曝气-沉淀时间，通过曝气时间来控制反应器中的溶解氧。反应温度由置于反应器中央的恒温加热棒控制，最高加热温度为35℃，整个反应器加热均匀。反应器进出水由人工控制。图2.1气升内循环反应器小试装置图与照片16n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究2.1.3试验用水本试验用水采用经过UASB处理后的豆制品废水（取自杭州某豆制品厂UASB出水堰），废水呈淡黄色，有特殊臭味，该水的水质如表2-1所示；对比验证试验用水采用自来水配置，采用NH4Cl为氮源，啤酒为碳源。表2-1一级UASB处理后的豆制品废水水质+水质项目pHCOD（mg/L）NH4-N（mg/L）TP（mg/L）TN（mg/L）数值7.59862455.6250试验中采用的水质指标分析方法如表2-2所示。由于废水经过了一级UASB处理，废水中的总氮基本完全转化为了氨氮，故没有再对废水总氮进行监测分析。2.1.4试验分析项目及方法表2-3试验分析项目及方法序号分析项目分析方法主要仪器及材料1COD重铬酸钾法电炉、冷凝水回流装置、实验所需药品2pH值玻璃电极法pH计3NH3-N纳氏试剂分光光度法752N紫外可见分光光度计4TP钼酸铵分光光度法压力锅、具塞刻度管、721分光光度计5亚硝态氮分光光度法752N紫外可见分光光度计6硝态氮紫外分光光度法752N紫外可见分光光度计7DO电极法上海精科便携式溶氧仪2.1.5污泥培养及接种（1）接种污泥性能分析好氧污泥取自苏州某市政污水厂剩余污泥。污泥性质见表2-4：表2-4污泥性质及分析方法序号分析项目分析结果分析方法主要仪器及材料1SV35%30min沉淀法1000毫升量筒2MLSS4352mg/L重量法烘箱、滤纸3SVI80.5mL/g比值法--4混合液清液COD78mg/L重铬酸钾法电炉、冷凝水回流装置5混合液清液氨氮5.6mg/L纳氏试剂法752N分光光度计17n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究由表2-4中数据可知，接种污泥具有良好的沉降性能和生化性能，可以直接接种进入反应器进行试验，无需再进行培养。2.1.6试验方法本次试验目的是为了验证现场工艺参数条件下废水二级生化处理的效果，因此在初始阶段试验控制参数的选择时，尽量模拟现场条件。现场UASB采用中温厌氧，进水温度为30~35℃，因此将气升内循环反应器内温度控制在30~35℃之间；废水pH为7.5，无需再加碱性物质补充碱度；废水的停留时间（HRT）选取为2d。将约14L泥水混合液静置沉淀1h，倒去上清液，接种进入反应器，然后用豆制品废水加入反应器至约14L位置，之后每天的废水处理量为7L，即进水7L，出水7L，废水的HRT约为2d，开始曝气进行试验，保持在曝气阶段好氧反应器表面混合液的溶解氧浓度在1.5~2.5mg/L，考虑到冬天温度较低，在反应器内采用恒温棒控温，每天测定出水中的COD、氨氮、亚硝态氮和硝态氮。废水中的总磷含量满足微生物所需C:N:P的比例，也低于该厂要求的排放标准，因此不再作考虑。曝气-静置周期设定为曝气1h，静置15min。2.2实验结果与讨论2.2.1气升内循环反应器处理豆制品废水的实验结果与讨论实验进行了26d，研究利用气升环流反应器在模拟工程能够提供的控制条件与参数的情况下，对豆制品废水中COD和氨氮物质的去除效果，并分析了氨氮的转化形态，对工程调试和运行提供了理论指导。（1）对COD的去除效果豆制品废水具有良好的可生化性，因此进入反应器后几乎没有体现出适应过程。本试验中所处理废水为UASB的出水，主要的污染物已经被厌氧过程降解，废水中含有一定量可生化性不好的COD物质，因此废水的出水中仍会残余一定量的COD。反应器对废水中COD物质的去除效果如图2.2所示，在试验进行的第二天COD的去除率就从54.2%左右上升至79.2%，之后就一直维持在70%~80%之间，出水COD浓度在200~250mg/L之间波动。18n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究图2.2小试装置对豆制品废水中COD的去除效果（2）对氨氮的去除效果由于接种污泥为城市污水厂中氧化沟污泥，其中应含有一定浓度的硝化细菌、反硝化细菌，且本实验中，接种污泥量基本保持了氧化沟中的污泥浓度，加上适宜的温度（30~35℃），反应器的有机负荷约为0.25kg/（kg·d），pH为7.5~8，各种条件均适宜硝化过程的进行，所以在微生物适应废水之后，氨氮去除效果会快速的表现出来。图2.3小试装置对豆制品废水中氨氮的去除效果反应器对氨氮的去除效果如图2.3所示，初始阶段，氨氮的去除率为50%左右，而在第4d开始，氨氮去除率迅速升至90%以上，并在之后的试验过程中保持，最高的氨氮去除率为99%，氨氮出水浓度也降至10mg/L以下，反应器在理想的控制条件下，体现出了对豆制品废水厌氧出水较好的氨氮去除能力。（3）亚硝态氮、硝态氮浓度和亚硝化率、总氮去除率较高的温度（30~35℃）、充足的碱度和较高的氨氮浓度，有利于反应器中氨氧19n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究化菌(AOB)的增殖速率高于亚硝酸盐氧化菌（NOB），表现出亚硝酸盐的积累。废水原水中碳氮比（C/N）为4，且可生化性较好的碳源与氮源的比更小，理论上，转化1g亚硝态氮为氮气时，需要有机物1.71g，转化1g硝态氮为氮气时，需要有机物2.86g，如果废水中大部分的碳源被用作反硝化碳源，而非被异养菌氧化或同化，则反硝化碳源在理论上是够的，但具体有多少碳源被用来反硝化则需要人工的控制，比如分段进水，比如硝化液回流等手段，本试验由于受到小试条件的限制，不能完全模拟工程情况，所以整个反应器几乎没有反硝化区与硝化区之分，只有在时间上有缺氧段，因此总氮的去除率不能达到理想的效果。废水在小试反应器中亚硝态氮、硝态氮浓度和亚硝化率、总氮去除率如图2.4所示。图2.4小试装置中亚硝态氮、硝态氮浓度和亚硝化率、总氮去除率由图2.4可知，在试验开始的前3天，出水的亚硝态氮浓度小于出水硝态氮浓度，因此亚硝化率也在50%以下，随后从第4天开始，反应器中亚硝化率升至79.7%，反应器中快速表现出亚硝化现象，第五天之后在氨氮去除率上升到95%以上时，亚硝化率也提高至90%，出水亚硝态氮浓度在95~140mg/L之间，硝态氮浓度在10mg/L以下，90%的亚硝化率稳定保持到试验结束。总氮去除率在经过7d后提升至50%左右。有理由推断，工程上废水的总氮去除率会优于小试，原因是工程反应器采用下部进水，且由于罐体足够大，且降流区面积/升流区面积（Ad/Ar）的比值很大，反应器中混合液的下流速度缓慢，在反应器下部极易形成缺氧区环境，在沉淀时，污泥自动沉降至反应器底部，污泥量、碳源充足，上述所有条件均条件适宜反硝化脱氮过程的实现。20n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究2.2.2人工配制高氨氮废水对比试验研究为对比豆制品废水处理试验中反应器的快速亚硝化现象，采用同样的反应器、接种污泥，以氯化铵为氮源，配制人工高氨氮废水进行试验，旨在短时间内观察氨氮的转化与氧化态氮的积累情况，没有投加COD物质，采用碳酸氢钠补充硝化过程所需的碱度，控制反应器pH在7.5~8之间，对废水进行持续曝气，溶解氧不低于3mg/L，废水HRT为2d，进出水氨氮浓度和氨氮去除率如如图2.5所示，反应器中亚硝态氮浓度、硝态氮浓度和亚硝化率如2.5所示，不考虑总氮去除率。图2.5人工配水试验反应器进出水氨氮浓度和氨氮去除率由图2.5可知，采用自配的高浓度氨氮废水，在反应初期直接加入的废水中氨氮浓度为100mg/L（计算值，下同），从第2天至第6天，进水氨氮浓度经4d逐步提高至600mg/L，在第13天，回调进水氨氮浓度致300mg/L。在此期间，仅在初次提进水氨氮浓度至600mg/L的当天，反应器的氨氮去除率低于90%，为85.1%，出水氨氮浓度为89.6mg/L，其余试验时间内反应器氨氮去除率均达到90%以上，最后4d的氨氮去除率为99%以上，出水氨氮浓度低于10mg/L。21n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究图2.6反应器中亚硝态氮、硝态氮浓度和亚硝化率图2.6显示出了反应器中亚硝态氮与硝态氮浓度积累的规律，在第三天之后，出水中硝态氮含量逐渐降低，而亚硝态氮含量逐渐升高，在第5d时亚硝化率升高至50%以上，为55.9%，随后仍然保持增长的趋势，最终亚硝化率稳定在85%~95%之间。可见，反应器中亚硝化现象的出现与废水种类没有关系，在反应温度30~35℃，曝气量充足，污泥量（硝化细菌量）充足，进水氨氮浓度高于100mg/L，pH7.5~8的情况下，反应器中能够较快出现亚硝化现象，氨氮氧化过程主要为氧化为亚硝态氮。2.3本章小结（1）采用自制气升内循环反应器小试装置接种市政污水厂污泥，处理豆制品废水厌氧出水，控制反应温度30~35℃，pH7.5~8，曝气阶段DO1.5~3mg/L，废水HRT为2d，在进水COD浓度986mg/L，氨氮浓度345mg/L时，反应器经过很短时间的驯化，能够达到稳定的去除效果，COD去除率稳定在70%~80%，出水COD浓度在200~300mg/L之间，氨氮去除率稳定在95%~99%，出水氨氮浓度小于10mg/L。（2）处理豆制品废水过程中，总氮去除率40%~55%，出水中亚硝化率稳定在90%以上，其中亚硝态氮浓度在100~150mg/L范围内，硝态氮浓度小于10mg/L，反应器出现了稳定的亚硝态氮积累。（3）采用同样的反应器、接种污泥和控制参数，处理自配水高氨氮废水作为对比试验，验证在此工艺控制参数下是否同样出现亚硝态氮的积累。在18d的试验过程中，进水氨氮浓度最高为600mg/L，氨氮去除率基本保持在90%以上，亚硝化22n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究率经1周上升至80%~90%。（4）经过小试，明确了在温度30~35℃，pH7.5~8.0之间，HRT为2d，进水COD浓度在1000mg/L左右，氨氮浓度在250mg/L左右时，如果反应器中具有足够的接种污泥浓度，反应器对该豆制品废水具有良好的去除效果。根据工程反应器的结构特点及运行方式推测，在工程化反应器中，总氮的去除效率应该比小试中高，有待近一步的工程运行验证。23n苏州科技学院硕士学位论文第二章气升内循环反应器小试试验研究24n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介3.1杭州某豆制品厂豆制品废水处理状况3.1.1杭州某豆制品厂及其废水处理情况简介杭州某豆制品厂以大豆为主要原料，生产豆腐、豆浆、豆干等副食品，其产品在长三角地区热卖，具有一定的地区影响力。厂区原有一套废水处理系统，工艺为“调节池-一级厌氧”，随着该厂生产规模的扩大，兼有生产工艺的清洁化，废水水量目前总体约为1800m³/d，且废水的COD浓度增加至10000~12000mg/L，原有处理工艺面临着重要的考验。而随着国家“十二五”国民生产发展规划的出台和实施，环保部门新增了氨氮的减排要求，原有工艺已不能满足脱氮要求。从上述两个因素考虑，该豆制品厂为环保设施配套生产发展及响应国家氨氮减排号召，对厂区废水处理系统进行提标改造。目前厂区废水的水质如表3-1所示。表3-1废水水质与排放要求COD/SS/NH+-N/TN/4项目pH值(mg/L)(mg/L)（mg/L）（mg/L）原水5.5~7.210000~15000600~100055~75220~280排放标准6~950040045702厂区现有环保改造用地350m，配电、排水、资金、监测及管理人员等条件齐备。其配套的废水处理工程由本项目团队设计和调试，目标是通过设计、施工改造与调试，使厂区废水完全得到处理，并达到《污水排入城镇下水道水质标准》CJ343-2010中B等级要求。工艺设计原则为：污染物去除效率高、投资及运行费用低、效果稳定。3.1.2废水处理工艺豆制品废水的COD浓度一般较高，且含有较多的蛋白质，故废水中含有较多的有机氮，所以在要求废水处理工艺能够去除较高浓度COD物质的同时，还需要具有脱氮的能力，才能满足当下的环境要求。针对废水中较高浓度的溶解性有机物质，高效厌氧工艺是第一选择，因为以UASB、IC、EGSB为代表的高效厌氧反应器，对高浓度有机废水中的COD物质具25n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介有良好的去除效果，尤其是对豆制品废水等可生化性较好的废水。并在去除溶解性有机物质的同时，能够产生大量的生物质能——沼气，通过稳压和净化后，能够以燃烧产蒸汽形式进行能量回收，创造可观的经济效益。由于深度厌氧反应器（产甲烷反应器）除非特殊控制工艺和特殊菌种，基本不具备脱氮能力，减少的总氮仅归功于微生物生长所消耗的氮源，但有机氮经过厌氧反应器中水解酸化菌-产甲烷菌等共生菌群的作用，快速水解，将以氨氮形式存在与厌氧出水中，因此废水的后续处理工艺中，面临的废水中的主要污染物质为经产甲烷消化而未降解完全的COD物质和氨氮。第一章中所述的各种生化脱氮工艺均能在合适条件下对其进行有效去除，但该厂地处寸土寸金的杭州市区，本身已供地紧张的状况限制了大多数脱氮工艺的实施。在满足企业当前具备条件的前提下，为使废水中残余的COD物质和氨氮得到有效的处理，使废水满足当地要求的《污水排入城镇下水道水质标准》CJ343-2010中B等级要求。在原有工程条件和现场条件的基础上，对“调节池-UASB”的老系统进行整改，新增一套直径17m，高15m的气升环流反应器，即现有主体工艺为“调节池-UASB-气升环流反应器”，该工艺经过整体设计和施工调试，达到了良好的废水处理效果。现有处理工艺流程框图如图3.1所示。图3.1杭州某豆制品厂废水处理工艺流程图原水从车间经管道收集排出，经过机械格栅（非标）过滤出废水中的豆粒、豆皮等杂物，防止其进入后续处理工艺堵塞管道，或对离心泵、阀门等设备造成损坏。废水进入集水井后，经提升泵提升进入调解池进行匀质匀量，之后由UASB提升泵提升，从UASB反应器底部进入反应器，废水经处理后从UASB顶部出水堰进入中间水池，产生的沼气在经过气柜稳压后进入沼气锅炉燃烧产生蒸汽，部分蒸汽回用至车间，部分蒸汽用于调节池的废水加热，保证UASB反应器的中温发酵状态。中间水池的废水经好氧提升泵提升，由底部连续进入气升环流反应器，在一定的操作周期下，气升环流反应器排出处理达标的废水，系统产生的剩余污泥经污泥压滤系统压滤后外运。具体的工艺流程图和布置平面图如图3.2和3.3所示。26n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介27n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介图3.2UASB-气升内循环反应器工艺处理豆制品废水流程图28n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介29n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介图3.3UASB-气升内循环反应器工艺处理豆制品废水工程平面图30n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介31n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介3.2主要处理构筑物设计及说明3.2.1预处理系统预处理系统包括振动式筛网及调节池，均为系统原有，液位控制器、温度控制器、泵、管道阀门等关键部件按现阶段实际情况进行配套更换。废水中主要的大尺寸悬浮颗粒物质主要有少量大豆及大豆外皮，采用振动式筛网对废水中的此类物质进行筛除，固体杂质由人工定时清理，同厂区豆渣统一外运作为养殖场的蛋白质饲料。废水经筛网滤过悬浮颗粒物质后，进入调节池。调节池尺寸为17.5m*8m*5m，总容积700m³，有效容积655m³，停留时间约8h。调节池对废水的水质及水量进行调节，内设有液位控制器，与UASB提升泵联动，高液位排水，低液位停泵，能够保证在一定时间内，后续处理工艺的连续稳定运行，对后续整个生化处理的稳定性具有至关重要的作用。且调节池中设置蒸汽加热管，利用厂区蒸汽（在系统稳定运行时采用沼气锅炉产生的蒸汽）对废水进行加热，利用温度控制器和电磁阀保持调节池中废水温度为35±2℃，保证了后续UASB反应器中的反应温度。3.2.2UASB反应器厌氧系统采用共池壁UASB反应器，总容积4000m³，有效容积约3800m³，设计尺寸为25m*16m*10m，实际运行水力停留时间为2.1d，池体不做改动，仅更换反应器中的布水系统、三相分离器及沼气收集系统。UASB仍然采用中温厌氧工艺，图3.4为UASB反应器原理图及实景照片。图3.4UASB反应器原理图及实景照片32n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介3.2.3气升内循环反应器系统好氧系统包括气升内循环反应器、中间水池及其配套自动控制系统，均为新增项目。气升环流反应器主体尺寸为直径17m高15m，罐体为钢结构，内涂环氧树脂防腐。总容积3400m³，有效容积3200m³，停留时间约为1.8d，配备SSR三叶罗茨鼓风机2台，一用一备，额定功率90kw，额定风量53.24m³/min，升压58.8kPa。反应器在PLC自控系统的控制下，连续进水、间歇曝气和出水、视情况定期排泥具体操作模式在后续有详细介绍。反应器底部设圆盘分枝状布水器，采用连续进水模式，反应器内部包含204个上图所示工作微元。导流筒型号为DN200的UPVC管，共204根，实际照片见图4-4；曝气软管采用1m/根的微孔曝气管，每根导流筒中配备3根微孔曝气管，曝气软管用管箍固定在接头上，接头与接头之间用UPVC胶水粘连，最终以法兰形式连接在曝气支管上。曝气管及其接头形式见图3.5。图3.5曝气管及连接形式中间水池尺寸直径1m高5m，有效容积约为4m³，作为气升环流反应器进水泵池使用，配套立式污水污物泵2台，一用一备，额定流量80m³/h，额定扬程32m，浮球液位开关控制使用。反应器的曝气、沉淀、出水由PLC控制系统自动控制，控制系统采用西门子S7300型PLC控制器，各个控制周期可以在现场触控屏上调节，各控制点的运行情况也直观反映在触控屏上。且PLC系统有数据接口预留，可以实现中控远程操作和数据外传。33n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介3.2.4气柜和沼气利用系统UASB处理废水产生的沼气量预计为6000~7000m³/d，具有可观的回用价值，应加以回收利用。沼气经三相分离器收集后，经沼气管道进入水封罐，然后汇集进入气柜稳压，再经过安全水封进入沼气锅炉燃烧。气柜为原有的湿式稳压气柜，直径5m，浮罩最高可升至5.5m，有效容积约100m³。沼气锅炉规格为2t/h蒸汽锅炉，提供的蒸汽压力约为7~9公斤。3.2.5污泥处理系统2配备过滤面积50m板框压滤机一台，过滤压力≤1Mpa，压滤后污泥含水率约为75%~85%。压滤后的污泥定期外运。污水处理站全貌照片如图3.6所示。图3.6UASB-气升内循环反应器工艺处理豆制品废水工艺全貌主要构筑物情况一览见表3-2；主要配套设备情况一览见表3-3。表3-2主要构筑物情况一览表总容积停留时间设计最大负荷构筑物规格结构（m³）（h）（kg/m³·d）调节池17.5*8*5m钢砼7008——UASB25*16*10m钢砼4000508气升内循Ø17*15m钢结构3400430.8环反应器表3-3主要配套设备一览表34n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介序设备名称数量型号参数备注号额定流量100m³/h；UASB进水泵，1化工离心泵2100-32-15扬程32m，功率15kW一用一备2振动式筛网1非标——进水过滤浮球式3液位开关1DN150调节池液位控制SLC-PG2-05C4墙体温度计1表盘式量程1-100℃调节池温度计工作压力1.6MPa；5电磁流量计2HHD-DN150UASB进水流量计量程300m³/h6墙体温度计2表盘式量程1-100℃UASB温度计气升内循环反应器7中间水池1钢结构罐Ø1m*5m进水罐额定流量80m³/h；气升内循环反应器8立式污水污物泵280-32-15扬程32m，功率15kW进水泵，一用一备气升内循环反应器9电磁阀1DN250——出水阀门额定流量53.24m³/min；10三叶罗茨鼓风机2SSR功率90kW；一用一备风压58.8kPa控制反应器进水、11自动控制系统1PLC自控系统西门子S7-300曝气、沉淀和出水212板框压滤机1X10MZ50/800-UB过滤面积50m污泥压滤流量4.5m³/h，压力13单螺杆泵2XC040B02ZQ污泥压滤0.6MPa35n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介3.3废水指标监测及分析方法与系统监测点3.3.1废水指标监测及分析方法表3-4废水指标监测项目及分析方法监测项目分析方法分析设备COD重铬酸钾法电炉、冷凝回流管等玻璃电极法精密PH酸度计pH精密试纸法精密pH试纸7~9挥发性脂肪酸VFA蒸馏滴定法电炉、冷凝回流管等MLSS重量法电子天平、烘箱进水量——电磁流量计氨氮纳氏试剂分光光度法752N紫外可见分光光度计硝态氮紫外分光光度法752N紫外可见分光光度计亚硝态氮分光光度计752N紫外可见分光光度计碱性过硫酸钾消解紫外总氮752N紫外可见分光光度计分光光度法SV30——1000mL量筒，计时器DO电极法便携式溶氧仪3.3.2废水处理系统监测点表3-5废水处理系统监测点序号监测点监测指标监测频率1原水收集池COD、pH值、液位、氨氮一天两次2调节池COD、pH值、液位、氨氮、总磷一天两次根据现场情况确3UASB出水口COD、pH值、VFA、碱度、氨氮、总磷定检测频率4UASB温度计插管水温实时监测pH值、COD、温度、溶解氧、SV%、SVI、根据现场情况确5气升内循环反应器MLSS、氨氮、总磷定检测频率6排放口（出水）pH值、COD、氨氮、总磷、SS根据现场情况确36n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介定检测频率3.4废水处理系统运行情况3.4.1厌氧系统的运行废水在调节池中被加热至37±1℃后，泵入UASB反应器，原水pH为5左右，在进水COD浓度为10000~15000mg/L范围内，实际反应器容积负荷为4.5~6.75kgCOD/（m³·d）的情况下，COD去除率稳定在90%左右，厌氧出水COD为800~1500mg/L，VFA（挥发性脂肪酸）浓度稳定在3~5mmol/L，碳酸氢盐碱度约为4000mg/L，反应器具有良好的稳定性，出水pH在7.0~7.5之间，利于后续反应的进行。UASB日均降解COD约20000kg，日产沼气6000~7000m³，具有可观的经济效益。UASB反应器经改造更换布水系统及三相分离器、沼气收集系统后，接种原系统中的厌氧颗粒污泥后又补充约60t含水率约85%的厌氧颗粒污泥，新加入的污泥呈黑色，颗粒粒径在0.5mm~1.5mm之间，其VSS/TSS比值为0.6。反应器重新进行调试，由于大部分污泥已基本适应了该厂豆制品废水的水质，对于反应器的启动是较为有利的。调试过程采用逐步增大进水水量来提高反应器的负荷，逐步驯化污泥，最终达到实际水量要求，具体的厌氧调试过程不是本文重点，不再详细描述。截取调试后反应器稳定运行时的两个月的进出水数据来描述反应器的运行情况，UASB出水情况也即气升内循环反应器的进水情况。37n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介图3.7稳定运行期间UASB反应器进出水COD浓度及COD去除率UASB稳定运行期间COD浓度及COD去除率如图3.7所示，进水COD浓度因生产原因有所波动，但大部分时间处在12000mg/L左右，UASB水力停留时间约为2d，运行近60d，反应器的COD去除率稳定在80%以上，出水COD在1500mg/L左右，出水pH在7.0~7.5之间，出水VFA均保持在5mmol/L以下，说明在此期间，微生物生存状况良好，厌氧反应器处于良好状态，具有稳定的去除效果。图3.8稳定运行期间UASB进出水氨氮浓度及氨氮增加率稳定运行期，UASB进水氨氮浓度从40~50mg/L增加至210~270mg/L，甚至出现过高于300mg/L的现象，氨氮的增加率一直维持在80%左右，具体数据如图3.8所示，氨化细菌对废水中的有机氮物质的转化效果很稳定，这有利于后续处理工艺的正常运行。3.4.2气升内循环反应器的运行具体运行情况及调试情况见第四章，在此不再重复。3.4.3经济效益分析本污水处理工程整改项目总投资约400万，包括UASB的设备更换、气升内循环反应器的土建、设备、安装及其他费用。工程处理水量为1800m³/d，平均吨水投资约2250元。一、沼气的回收利用38n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介1m³沼气的热值大约在5500大卡左右，接近于0.8公斤标准煤的热值，是一种理想的高效能源。该UASB反应器日产沼气6000~7000m³，通过沼气锅炉利用后，每天可以产生约35~45t饱和蒸汽，能够满足调节池的加热，剩余蒸汽供给厂区生产车间使用。该项目采用2t/h沼气-蒸汽锅炉对沼气能源进行回收利用，按照蒸汽价格200元/t计算，日盈利约7000~9000元。二、电耗该工艺流程中最主要的电耗设备为鼓风机和水泵，UASB进水泵、气升内循环进水泵均为24h常开设备，风机每天平均开16~18h。运行功率约为：（15+15）*24+90*18=2340kW/日，按照电费价格0.8元/kW计算，电耗约为1872元/日，折合1.0元/吨水。三、人工费用该工艺的进水、曝气、出水均基本采用自动化方式控制，需求操作员工较少。锅炉工人采用三人三班制，设污水处理站站长一人，化验员一人，废水操作工人1人，平均工资5000元/（月·人），折合约0.65元/t水。四、药剂费用本工艺流程中没有采用加碱方式调节原水pH，也没有最终的物化处理阶段，因此药剂费用仅为每天的水质例行监测费用，按照市面上的水质监测实验价格，约花费100元/d，折合0.05元/吨水。综上所述，本工程总的直接运行费用为1.0+0.65+0.05=1.7元/吨。沼气回收利用收益在满足污水站日常运行费用的同时，仍有大半盈余。39n苏州科技学院硕士学位论文第三章UASB-气升内循环反应器处理豆制品废水实例简介40n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究第四章气升内循环反应器处理豆制品废水的工程应用研究在本章中，讨论了3400m³气升内循环反应器处理豆制品废水在杭州某豆制品废水二级处理中的应用情况，分析了气升内循环反应器的装置结构、采用的调试方式、控制条件等；将近75d的反应器调试启动阶段分为试水试车阶段、异养菌培养阶段和硝化细菌培养阶段，并着重分析；在反应器的稳定运行阶段，选取夏季和冬季两个代表性时间段，观察研究了反应器在稳定运行阶段的处理效果。4.1气升内循环反应器的进水水质及排放标准该工艺中，气升内循环反应器作为二级处理单元，主要任务是处理UASB反应器的出水，达到当地CJ343-2010《污水排入城镇下水道水质标准》B等级要求的排放标准，因此预处理阶段和一级厌氧——UASB反应器对后续的气升内循环反应器发挥稳定效能具有重要影响。UASB反应器的调试过程不是本文的重点，在此对该系统中UASB反应器的运行情况进行重点描述。原污水处理系统中UASB反应器在37±1℃，容积负荷为4~6kg/（m³·d）条件下，COD去除率稳定在90%左右，厌氧出水COD基本在800~1500mg/L范围内波动，VFA（挥发性脂肪酸）3~5mmol/L，CaCO3碱度4200mg/L+左右，日产沼气6000~7000m³。原UASB反应器对NH4-N、有机氮几乎没有去除+效率，氨氮浓度反而由于氨化作用而增加，UASB出水NH4-N高达210~270mg/L。气升内循环反应器的进水水质及排放标准如表4-1所示：表4-1气升内循环反应器的进水水质及排放标准+COD/SS/NH4-N/TN/项目pH值(mg/L)(mg/L)（mg/L）（mg/L）反应器进水7.2~8.0800~1500200~300210~270210~270排放标准要求6~950040045704.2气升内循环反应器装置及采用的调试方式4.2.1气升内循环反应器装置情况气升内循环反应器采用圆柱体形式，整体为碳钢材料，内涂环氧树脂防腐，现41n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究场焊接安装，直径17m，高15m，容积约为3400m³，高径比约等于1。反应器内部结构由布水器、导流筒、滗水器、曝气系统组成，布水器采用中心大阻力分支式布水形式，204根DN200的PVC导流筒由扁钢支架固定，下部设支撑，支撑高度约为300mm，其他方面情况在上述章节已有介绍，在此不再赘述。本文不涉及罐体钢结构强度设计计算。4.2.2欲采用的培菌方式活性污泥的培菌通常分为两种，即接种培菌和自培菌。综合两种培菌方式的优缺点及现场条件，本此气升内循环反应器采用两者结合的培菌方式：首先对原水进行闷爆，待废水COD下降至一定程度，投加一定量的污水厂压滤污泥作为接种菌种，同时可以给“土著”菌种提供附着物，继续曝气并补充一定量的新鲜废水作为营养物质，加速微生物的增值，从而尽快地积累足够的微生物量，形成一定的污泥浓度。4.2.3反应器调试运行前的准备工作1、反应器的试水试车清除反应器内杂物并对反应器各个部件详细检查之后，采用直接从调节池超越原水进入气升内循环反应器进行试水，在试水期间，液面上升速度不能太快，防止对反应器基础等结构的影响，要求反应器内水分三天注满，每天增加约4m高的水位。在水位升至反应器最高工作水位时，进行曝气系统的调试，逐一开启风机并检查阀门及管道，尤其注意曝气软管与曝气支管的法兰连接处的防漏，发现异常情况尽快更换配件，解决问题。2、闷曝即将曝气池的入口、出口、排泥都关闭，对静止不动的池液进行曝气，为了通过全程足量曝气达到激活活性污泥活性的目的。本项目由于采用原水闷曝，因此持续了72h，废水的COD浓度从11200mg/L降至4800mg/L。水质数据如表4-2所示。表4-2闷曝时间内气升内循环反应器内的水质变化COD浓度氨氮浓度天数pH（mg/L）（mg/L）111200655.0272501256.5348002046.842n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究实践经验表明，原水装入塑料桶中，放置一周左右COD也有大幅的下降，并且桶底有明显沉淀，由于测定COD浓度时取样为沉淀后的上清液样，因此这个阶段的COD的下降效果主要是废水中的胶体物质絮凝造成的，而微生物氧化作用占次要。也有相关工艺以此为原理，通过絮凝回收废水中的蛋白质。而废水经过厌氧UASB处理，尤其是经过污泥床后，胶体物质也被截留消化，因此厌氧出水没有这个现象，残余的COD主要为溶解性COD，需要微生物作用才能去除。废水中的氨氮浓度在闷曝期间是呈上升趋势，主要是由于废水中的蛋白质水解产生氨氮造成，且蛋白质水解增加了废水的碱度，在微生物作用与蛋白质水解作用下，废水的pH有所上升。4.3反应器启动过程及数据分析由于异养菌和硝化细菌的增值速度差别较大，将反应器的启动阶段分为异养菌培养阶段（第1阶段）和硝化细菌培养阶段（第2阶段）。表4-3对整个调试过程中反应器接纳的废水量及反应器各个阶段所控制的有机负荷进行总结，并归纳了各个阶段的COD去除率和氨氮去除率。表4-3完整调试过程中反应器的进水水量及工艺参数变化趋势有机负荷超越的UASB二级处理二级处理氨阶MLSS浓度时间kgCOD/（kg原水量出水量COD氮段（mg/L）MLSS·d）（m³/d）（m³/d）去除率去除率第1-18d1~19250~1000000~70%1~5%1第18-22d1~1.21000~15005000~30070~75%5~10%第22-41d0.15~0.31500~19000~100300~70070~75%10~48%第41-50d20.5~0.61900~3900300~400700~140070~80%48~93%第50-73d0.18~0.253300~350001400~180080~87%93~99%在第1~18d内，反应器没有接纳新的原水和UASB出水，利用闷曝后的原水进行污泥培养，在如此高的有机负荷下，接种污泥量太少且微生物还没有完全的适应，硝化细菌很难增殖，此阶段为微生物的适应阶段，废水COD浓度由4800mg/L降至1000mg/L左右，COD去除率约70%，污泥量从原来的260mg/L左右升高至约1000mg/L，污泥浓度MLSS基本与反应器中COD浓度持平，有机负荷降至1kg/（kg·d），废水氨氮浓度则无明显变化。在第18~22d，为保持反应器高于1kg/（kg·d）的有机负荷开始向反应器中泵入部分UASB出水及超越部分调节池原水，将反应器有机负荷维持在1~1.2kg/43n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究（kg·d）之间，主要目的是保持微生物足够的生长底物，尽快的培养菌胶团，使污泥浓度继续上升，使出水的COD浓度达到排放标准（≤500mg/L），完成对异养菌的培养过程，对后续硝化细菌的培养也是有利的。在该阶段，MLSS增至1500mg/L左右，每天超越至气升内循环反应器的原水量约为500m³，处理UASB出水量增至300m³/d，COD去除率上升至75%，出水COD稳定在500mg/L以下，达到了预期目标，由于培养时间的增长，有机负荷虽然仍不在硝化细菌最佳生长范围内，但硝化细菌已开始有缓慢的积累，氨氮去除率稍有增长。在第22~41d，COD去除率的稳定，出水COD浓度的达标，证明异养菌培养已经阶段性成功，如果再一味的保持较高的有机负荷，将会导致整个反应器污泥量迅速增加，高的有机负荷不利于硝化细菌的培养。因此逐步降低原水超越量，用UASB出水代替，以降低反应器中的有机负荷，开始硝化细菌培养阶段。在此阶段中，有机负荷稳定在0.15~0.3kg/（kg·d），是硝化细菌适宜的有机负荷范围。增加UASB出水处理量至700m³/d，在此期间，COD去除率仍然维持在70~75%之间，氨氮去除率由10%增至47%，可见硝化细菌数量在逐渐增多，废水中残余的COD没有对硝化细菌的培养造成明显影响。一旦硝化细菌开始积累并体现出效果，根据微生物生长的原理，只要底物如氨氮、碱度、氧气量等足够，控制温度、pH在合适范围内，选取适中的有机负荷，硝化细菌就可以稳定的增殖，并体现在硝化效果的进一步提升，且微生物的量将会得到继续的提升。在第41~50d，保持反应器的有机负荷在0.5kg/（kg·d）左右，MLSS由1900mg/L增加至3900mg/L，微生物至此对废水已经基本适应，COD去除率也增加至80%左右，氨氮去除率在此阶段有了较大规模的提升，增至90%以上，至此，厂区废水已经完全经过废水处理系统处理并达标排放。第50~73d，不再超越废水进入气升内循环反应器，全部废水经UASB反应器产甲烷后再进入二级生化反应器。经过缓慢的排泥置换过程，反应器的污泥浓度最终稳定在3000~3500mg/L范围内，此时反应器的有机负荷为0.18~0.25kg/（kg·d）之间，COD去除率稳定在80%以上，出水COD浓度≤300mg/L，氨氮去除率较高，在93%~99%之间，出水氨氮浓度基本维持在20mg/L以下。反应器调试过程结束，进入后续稳定运行阶段，具体的调试过程如下详述。4.3.1启动过程中反应器的主要控制参数异养菌培养阶段中，各个控制参数情况如下：1.污泥接种量在前期试水及闷曝过程结束后，向反应器内投加含水率90%的市政污水厂压滤44n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究污泥约8t，按照反应器的有效容积3200m³计算，反应器初始的MLSS为260mg/L左右，此接种污泥量远远小于所需的污泥量，因此，仍需进行细菌的增殖培养。2.温度反应器启动阶段为夏季7月份，气温稳定在30℃以上，加之废水本身具有的温度和曝气的能量输入、微生物反应的微弱产热，实测反应器中的废水温度为32±2℃，有利于为生物增殖，是异养菌和硝化菌、反硝化菌最适宜的温度。3.曝气量（溶解氧）正常阶段的活性污泥，其整体性好，活性污泥世代繁殖的量相当庞大，对高曝气存在能够较好的通过整体效应加以应对，而培菌阶段，由于活性污泥数量少，基础差，繁殖基数少，所以耐受高曝气的冲击能力较差，特别是自培菌的时候，如果老是足量曝气的话，活性污泥被氧化分解的情况就会非常严重，以至于活性污泥分解繁殖的量抵不上被氧化分解的量，那么我们看到的就是活性污泥再高曝气状况下数量迅速减少了。闷曝过后一定要将曝气量降下来，不要足量连续的曝气，这不光是浪费电能的问题，重要的是会延长培菌时间，特别是设计负荷远高于现有的实际负荷的情况下，这样的操作有可能导致培菌的失败。在闷曝过后，将反应器的曝气模式调整为正常运行的间歇曝气方式，曝气时间则随着反应器内的各水质参数的实际情况进行调整。应实时监测反应器中曝气时的溶解氧含量，维持DO=2~3mg/L左右。反应器曝气周期分为两种：（1）3h一周期，曝气130min，沉淀排水50min（2）4h一周期，曝气190min，沉淀排水50min。可以根据实际情况具体调整，也可切换到人工控制模式。4.酸碱度豆制品废水具有弱酸性，在预处理阶段，废水在水解的作用下pH值会略有下降，在调节池中废水pH值为5.5~7.2之间波动，通常会投加碱性物质来调节废水的pH，但投加化学药品提高了处理成本，同时也不利于环境治理。废水进入UASB之前，没有经过外加碱性物质（如NaOH、Na2CO3等）调节pH，在废水深度厌氧产甲烷的过程中，有机酸被降解后其浓度下降而pH值上升，甚至会出现pH值过高（＞8）的现象，反而加碱无异于整个反应过程，且根据同类型废水或同类型厌氧工艺的工程经验，该pH值废水不会影响厌氧反应器的正常运行，在废水中Ca2+的缓冲作用及反应器内的稀释作用，pH值将很快上升至6.5~7，厌氧出水中的碱度充足，pH适当，非常有利于后续的好氧脱氮处理过程。5.排泥量进行适当的排泥，以置换掉活性污泥内的无机惰性沉淀物质。排泥控制应该以45n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究少量多排为主，排泥量以保证排泥后活性污泥混合液内MLSS值不降低为原则。维持该操作指标1个月后，通常能够看到初具规模的活性污泥浓度了。纵观整个培菌过程，其实并不复杂，所以培菌操作人员应该放松心态应对整个培菌工作，其中确认好待处理污水、废水的水质、严格控制控制指标、重视培菌要求，那么我们完全可以再气温适宜的情况下提前完成培菌过程。4.3.2异养菌培养阶段由于接种的污泥量较少，MLSS浓度只有260mg/L，且接种的污泥不可能完全是具有良好生物活性的污泥，加之反应器中废水的COD浓度有4800mg/L，且水中富含氮磷元素，氨氮，因此，系统在启动过程中处于极高的污泥负荷状态，底物充足，，因此营养物质也是足够的。如果配以足够的曝气量，根据Monod方程，微生物在这种状态下处于对数增长期，微生物增值世代周期很短，利于较快的形成菌胶团，增加反应器中的微生物浓度，降低F/M值，顺利后续的硝化细菌培养阶段。反应器中的温度为32±2℃，运行周期为曝气3.5h，静置0.5h，曝气时水面取样溶解氧为1.5左右，静置后溶解氧迅速下降至0.5左右，采用此曝气方式运行的目的是既保证了反应器中溶解氧的充足，又防止过量曝气导致的微生物自身氧化。反应器在异养菌培养阶段不排水和排泥，待好氧污泥增长至一定浓度再做调整。图4.1异养菌培养期COD、MLSS浓度变化在温度适宜、溶解氧充足和较高的污泥负荷等条件下，异养菌能够利用废水中的COD物质和氧气快速增值，表现在反应器内污泥浓度（MLSS）持续增长，COD含量逐步下降，因此，利用这两个参数指导异养菌培养阶段的效果，其各自随时间的变化趋势如图4.1所示。由图4.1可知，接种污泥对豆制品废水有一个逐渐适应的过程，在接种污泥后46n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究的第4天废水COD从4800mg/L降至3500mg/L，COD的快速下降也意味着微生物正在快速增殖。至第19天，反应器中的COD浓度降至962mg/L，MLSS浓度增加至966mg/L，反应器中污泥负荷降至1kgCOD/（kgMLSS·d）。第20天起，每天从调节池超越原水进入气升内循环反应器，以维持反应器中污泥负荷在1kgCOD/（kgMLSS·d）以上，利于异养菌的快速生长。经过22d的培养，反应器内COD浓度降至400mg/L以下，MLSS浓度升高至1500mg/L以上。反应器中混合液的SV30由第一天的1%增加至第22天10%，SVI值则稳定在70~100之间，活性污泥具有良好的沉降性能，基本能在前5分钟完成90%的沉降过程。由于接种污泥量太低，反应器内有机负荷过高，在接种后的第三天夜晚反应器中出现了严重的泡沫现象，水面上堆积了约1.5m高的白色泡沫，这是培菌初期的正常现象，原因是在菌胶团的初步形成阶段，反应器在较高的污泥负荷下运行，反应器中存在较多的游离细菌，加之频繁的过曝气现象，使活性污泥粘性物质增多，产生大量泡沫。现场紧急采用降低反应器液位、喷淋水消泡等手段消除泡沫影响，防止泡沫逸出塔体，并没有降低曝气时间及曝气量，第二天泡沫数量减少，继续运行三天，泡沫基本消失，反应器中液面露出。硝化细菌属于自养型好氧细菌，本身世代周期较长，且其个体极小，容易随排水流失。故在反应器启动的初期，反应器中尚没有形成良好的活性污泥系统，硝化细菌还没有富集到一定程度，故没有明显的脱氮效果，异养菌培养阶段反应器中氨氮浓度仅从278.9mg/L降低至256.9mg/L，去除率为7.9%，不能证明是硝化细菌氧化作用产生的效果，而主要是吹脱、同化作用的结果，同时也不能避免原水中的蛋白质逐渐水解使废水中氨氮含量增加，该去除率为各个作用综合表现。4.3.3硝化细菌培养阶段反应器中大于1kgCOD（/kgMLSS·d）的有机负荷满足了异养菌快速增值的条件，一定浓度的活性污泥菌胶团也为硝化细菌的附着提供了良好的场所。但是连续保持较高的有机污泥负荷不利于硝化细菌的增长，原因是异养菌在利用氧气方面，相比自养获得能量的硝化细菌具有明显优势。因此，在反应器内的污泥浓度达到一定程度之后，开始减少超越的原水量，逐步增加厌氧出水的处理量，灵活改变两者的配比，保持合适的有机负荷，既要满足反应器中菌胶团的增长，又要满足硝化细菌培养的条件。反应器的硝化细菌培养过程可以用MLSS增长和氨氮去除率来说明。其各自随时间的变化关系如图4.2所示。47n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究+图4.2硝化细菌培养期MLSS与NH4-N去除率变化在硝化细菌培养初期，将反应器中的COD有机负荷控制在0.2kgCOD/（kgMLSS·d）左右，运行至第34d时，由于较长时间的低负荷运行，反应器中微生物浓度增值速度小于自身氧化的速度，开始逐渐下降，而在第35d，反应器的氨氮出去率有了较大幅度的提升，从18%上升至37.7%，可见硝化细菌正在逐渐的积累、+增值；至第41d，反应器中MLSS浓度降至1992mg/L，而同时NH4-N的去除率在此阶段上升至50%以上，为63.3%，表明在较低的污泥负荷下，硝化细菌增值至一定数量，此时反应器上层废水氨氮浓度为92mg/L，反应器中的氨氮污泥负荷约+为0.046kgNH4-N/（kgMLSS·d）。为提高处理水量，反应器中的MLSS浓度仍需要继续增加，因此，从第42天开始，在逐步增大UASB出水的处理量的同时，继续超越部分原水，维持反应器中的污泥负荷为0.5kgCOD/（kgMLSS·d），维持此进水状态和操作模式，反应器中+污泥浓度和氨氮去除率稳步同时增长，当MLSS浓度增长至3947mg/L时，NH4-N去除率上升至97.2%，进水氨氮浓度为249mg/L，出水氨氮浓度为6.9mg/L，表明硝化细菌数量已增殖至一定数量，体现出了良好的脱氮效果，反应器中菌胶团性状良好。若反应器维持近4000mg/L的污泥量，就需要不断的超越原水进入反应器补充碳源，也要对应的增大曝气量，这种高污泥量是不必要的，增加了能耗，且增加了污泥处理成本，因此，在随后的20d内，逐步减少超越的原水量，直至完全采用厌氧出水培菌，并同时缓慢的排放一定的污泥量，排泥时间少量多次，每次的排泥以不引起MLSS浓度剧烈波动为准，这也是一个逐步减少反应器中积累的无机杂质的过程。最终，反应器的有机负荷稳定在0.25~0.35kgCOD/（kgMLSS·d），MLSS浓度维持在3000~3500mg/L，在进水COD浓度900~1500mg/L、进水氨氮浓度190~270mg/L的情况下，出水COD浓度≤300mg/L，出水氨氮浓度≤10mg/L。48n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究图4.3硝化细菌培养阶段反应器进出水COD与COD去除率变化由图4.3可知，在硝化细菌培养阶段，反应器进水COD浓度在800~1600范围内波动，受到原水水质与UASB工艺运行情况的影响，但反应器出水COD浓度基本维持在400mg/L以下，在硝化细菌培养阶段的后期，出水COD浓度逐步稳定在300mg/L以下，可见反应器能够适应该程度的进水COD浓度波动，具有较好的稳定性。由于原水浓度的波动，COD去除率在表观上也显示出波动，维持在40%~90%之间，基本在70%以上。图4.4硝化细菌培养阶段反应器进出水氨氮浓度与氨氮去除率变化硝化细菌培养阶段反应器的进出水氨氮浓度和氨氮去除率变化如图4.4所示，该阶段进水氨氮浓度在210~270mg/L之间波动，出水氨氮则呈现明显的下降趋势，在第51d左右，出水氨氮≤10mg/L，达到了良好的处理效果。对应的氨氮去除率在第35d左右开始出现较大幅度的提升，显然与此前一段时间在反应器存在有一定的污泥浓度之后，施行较低的污泥负荷策略有关，较低的污泥负荷利于硝化细菌在氧49n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究气竞争中保持优势，因此得以快速增殖。但是较低的污泥负荷（0.1~0.2kg/kg·d）不利于活性污泥整体的发育，也不利于后续调试过程中处理水量的提升，故在氨氮去除率达到60%的时候开始采用中等的污泥负荷（0.5kg/kg·d），氨氮去除率逐步增加至90%以上，再降低污泥负荷进入稳定运行阶段时，氨氮去除率仍然保持此数值。在氨氮去除率达到50%以上之后，即对氨氮转化后的产物和总氮去除率进行了研究，观察发现，每次的废水出水样品中几乎监测不到亚硝态氮和硝态氮的存在，总氮去除率基本跟氨氮去除率相同。造成此现象的原因可能有两种：一是在反应器的运行过程中，完全没有亚硝态氮和硝态氮的积累，反应器中进行的是严格的同步硝化反硝化脱氮过程；二是在反应器沉淀和静置阶段，反应器中溶解氧含量降低，呈缺氧状态，在曝气阶段产生的亚硝态氮或硝态氮在沉淀和静置阶段被反硝化消耗。为验证反应器中的脱氮过程，对每个反应周期内的氮的变化进行研究。研究发现，在曝气、沉淀、出水等反应器运行的任何阶段，亚硝态氮和硝态氮的浓度都很低，列举其中一个周期的数据如图4.5和表4-4所示：图4.5一个反应周期内亚硝态氮和硝态氮浓度变化由图4.5和表4-4中可知，在反应器稳定运行的情况下，采用连续进水的方式，曝气初期亚硝态氮浓度仅为0.02mg/L，硝态氮未测出，在曝气1h30min后，硝态氮浓度达到最大的0.81mg/L，曝气2h后硝态氮浓度降低为0.48mg/L，亚硝态氮升至最高的0.74mg/L，随后反应器进入沉淀和出水阶段，在最终第3h的出水完成后，反应器中废水的亚硝态氮浓度降低为0.03mg/L，硝态氮未测出。可见，在整个反应过程中，包括曝气的好氧阶段，亚硝态氮和硝态氮浓度均未超过1mg/L，而随着不断的进水，反应器中的氨氮浓度基本保持不变，氧化态氮是在硝化反应进行的同时被同步去除。50n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究表4-4反应器一个反应周期内废水三种无机氮浓度取样时间亚硝态氮浓度硝态氮浓度氨氮浓度10min0.020.0016.7230min0.520.0015.031h30min0.340.8115.852h0.740.4815.703h0.030.0018.31在曝气条件下亚硝态氮和硝态氮被还原，有三种解释：首先是菌胶团的微环境理论，该理论认为在溶解氧浓度低于某定值时，菌胶团外部呈现好氧状态，内部呈现缺氧状态，因而能够实现同步硝化反硝化；第二是混合液反应器在反应器中往复循环的过程中，菌胶团中的硝化细菌在好氧区域发生硝化作用，在缺氧区域进行反硝化，从而实现宏观上的同步硝化反硝化；第三种可能是反应器中存在好氧反硝化菌。至于具体何种原因，或是三种原因的综合本文尚没有进行进一步的实验验证。另外，由于反应过程中硝酸盐和亚硝酸盐均没有明显积累，而被直接反硝化，故不能确定整个反应停留是否停留在亚硝化反应阶段，只能得出该反应器中进行着良好稳定的同步硝化反硝化脱氮反应。若想得知是否为亚硝酸盐型的同步硝化反硝化反应，只能从更高级的生物学方法验证。反应器具有良好的COD和氨氮去除能力，且总氮去除效果极好，表现了反应器良好的污染物去除效果和传质效果。但是另外一个决定了反应器效能的因素就是反应器的泥水分离能力，如果完成反应后不能有效的进行泥水分离，势必会对出水水质造成重大影响，直接影响到出水中的悬浮物质，以及整个反应器的污泥持留量。因此，对反应器中污泥的沉淀性能进行分析和研究。图4.6反应器调试期SV30（%）与SVI随时间的变化污泥容积指数（SVI）是衡量好氧活性污泥沉降性能的重要指标，反应器的污泥沉降指数和SV30值随时间的变化如图4.6所示。由图中数据可知，在调试阶段，反应器内污泥SV30值随着时间的推移逐步升高，由起始阶段的1%升高至最终稳定51n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究的40%左右，这表明了活性污泥量随着时间的推移在逐步增多，活性污泥体系慢慢形成规模。而污泥容积指数随着时间的变化有波动，但主要是在60~110之间变化，始终没有超过120，并呈现逐步稳定的趋势，这跟进水量和负荷的稳定有一定的关系，稳定的进水负荷和进水量能够保证活性污泥工艺的稳定运行。SVI值小于120表明反应器中的活性污泥沉降性能良好，没有出现丝状菌膨胀等问题，是出水水质良好的保障。单次的污泥沉降曲线如图4.7所示，取1L的反应器混合液进入1L的量筒静置，在沉降过程中记录对应的时间，可见，整个沉降过程在前5分钟完成了约90%，剩下的时间在进行压缩沉淀，这从另一个角度证明了反应器中污泥良好的沉降性能，这也为整个反应器的运行周期设置提供的参考依据。图4.7反应器中的污泥沉降曲线（0~30min）4.4反应器稳定的稳定运行及数据分析调试过后反应器的最终运行工况为：处理水量1800m³/d，进水COD浓度+800~1500mg/L，NH4-N浓度185~270mg/L，水温26~34℃，反应器曝气190min，沉淀与排水50min，曝气时反应器上层DO维持1.5~2.5mg/L，底部溶解氧浓度为0.5mg/L~1mg/L，沉淀时DO在0.5mg/L左右，污泥浓度控制在3000~3500mg/L，+有机污泥负荷维持在0.16~0.2kgCOD/（kgMLSS·d）左右，NH4-N污泥负荷为++0.05kgNH4-N/（kgMLSS·d）左右，C/N约为3.5~6.5，COD、NH4-N去除率分+别为70%、95%左右，反应器最大氨氧化速率为6.25mgNH4-N/（L·h）。在曝气－－阶段与沉淀阶段，废水中NO2、NO3均小于1mg/L，绝大部分时间未检出，证明反应器中进行着同步硝化反硝化，TN去除率约为98%左右。52n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究选取2011年9月的进出水数据（见表4-5）作为夏季运行的分析对象，夏季由于气温较高，反应器中温度维持在32±2℃，有利于反应器中微生物的生长，尤其是硝化细菌的增殖，对脱氮效果起到良好作用。另外，由于夏季冲洗水、冷却水用量较大，废水的COD、氨氮浓度会在一定程度上降低，而水量稍显增大，对整个污水处理系统的负荷影响不大。夏季水温较高，对氧气利用率不利，所以在夏季要保证充足的曝气时间，按时巡查并坚持每天的数据分析记录，发现问题及时调整，尤其是要对风机、水泵等长时间运转设备进行维护、检修和保养，防止在气温较高时发生设备故障。2011年9月份反应器进出水COD浓度与COD去除率的变化如图4.8所示，此时反应器刚刚调试成功进入稳定运行阶段。在9月内，反应器进水COD浓度在1000~1500mg/L范围内波动，出水COD稳定在300mg/L左右，最低为200mg/L，COD去除率一直保持在70%以上。图4.8反应器夏季运行阶段进出水COD浓度和去除率变化废水进出水氨氮及氨氮去除率的变化如图4.9所示，气升内循环反应器进水氨氮在170~250mg/L之间波动，由于各个控制参数，如温度、pH、C/N、HRT、SRT均处于脱氮的理想区间内，经过调试后，反应器对废水中氨氮的去除率一直维持在较高水平，几乎全部在90%去除率以上，出水氨氮浓度大部分时间小于10mg/L，由于硝态氮、亚硝态氮浓度均很低，总氮去除率约等于氨氮的去除率，废水的总氮去除率也在90%以上，最高可达99%以上。53n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究图4.9反应器夏季运行阶段进出水氨氮浓度和去除率变化选取2012年2月的进出水数据（见表4-6）作为反应器冬季运行的分析对象，冬季对废水处理效果影响最大的因素就是温度变化，实测气升内循环2月份顶层水温基本维持在25~28℃之间，另外，反应器进水的COD浓度通常较高，C/N增大，且有机负荷增大。对此，冬季反应器运行应该进行如下调整：（1）增大曝气量，保证反应器内溶解氧浓度；（2）增大污泥浓度，减少排泥；分析讨论冬季运行时反应器进出水COD浓度与COD去除率的变化如图4.10所示：气升内循环反应器进水COD浓度波动范围变大，在1200~2400mg/L之间波动，反应器出水的波动幅度也稍显变大，但仍然维持出水COD浓度在400mg/L左右，COD去除率稳定在70%以上。图4.10反应器冬季运行阶段进出水COD浓度及COD去除率变化54n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究由于系统在调节池本身自带蒸汽加热系统，因此中温厌氧的反应条件得以保证，废水进入好氧反应器中温度降低，反应器上部水温在25~28℃之间波动，加上针对温度变化和水质波动而做出了增大曝气量、增加污泥浓度的措施，有利于废水中氨氮的去除。2月份进出水氨氮和氨氮的去除率如图4.11所示，整体来讲氨氮处理状况与夏季相比并没有太大区别，反应器仍然保持90%以上的氨氮去除率，但出水氨氮升高至10~20mg/L，且反应器中仍然没有亚硝态氮、硝态氮积累，总氮去除率高。图4.11反应器冬季运行阶段进出水氨氮浓度及氨氮去除率变化4.5本章小结（1）采用Ø17m*15m的多导流筒气升内循环反应器处理1800m³/d规模豆制品废水厌氧出水，经过50余天的调试，反应器达到设计要求，稳定运行阶段出水+COD≤350mg/L，NH4-N≤10mg/L、TN≤10mg/L，均满足当地CJ343-2010《污水排+入城镇下水道水质标准》B等级要求，氨氧化速率最高为6.25mgNH4-N/（L·h），总氮、氨氮去除率最高达98.8%，远优于标准要求。--（2）反应器曝气阶段和沉淀阶段反应器内NO2、NO3浓度均小于0.5mg/L，属于同步硝化反硝化过程。推测现象原因为反应器内部由气提形成好氧/缺氧区并有大比例回流，但不排除微环境理论与好氧反硝化菌的作用，有待进一步验证。2（3）反应器单位处理水量占地面积为0.126m/t，占地面积小，采用普通风压风机曝气，吨水处理费用1.7元，反应器内部结构简单，无传动部件，自动化程度高，运行稳定，可在可用地面不足的情况下使用。55n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究（4）此项目将气升式环流反应器成功应用于工业规模的废水脱氮处理工程，应进一步对反应器总气含率、循环流量、传质效果等进行研究，对反应器优化设计提供理论依据。另外，与MBR膜出水方式结合，实现反应器的连续进出水运行，用于市政污水脱氮除磷，也是进一步研究的重点。56n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究表4-52011年9月杭州某豆制品厂废水处理系统数据记录调节池UASB出水好氧塔出水++日期CODNH4-NCODNH4-NCODNH3-NSV30(%)mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/L11/9/11208045148023534313111/9/21102047140025427313211/9/31092042147023128613211/9/41143041141119620033211/9/51000051143118526023411/9/61280057145623132053411/9/71150053146024327013511/9/81128046146323226083511/9/91200052150023628013411/9/10127106298124325033411/9/111250042130020127853211/9/1212450491200256317243111/9/131260046120023131153211/9/1413000571080242297103311/9/1512700511180231303533.511/9/1612300531081243280433.511/9/17110804712002313321532.511/9/1812430491380190260132.511/9/1911000581380231261432.511/9/201430060140023429963311/9/211204054127021128013111/9/221218049120022824013111/9/231115051130024232073111/9/241245058148025824163211/9/2511080571280210321632.511/9/261045046120024324033311/9/271090046124523432463311/9/281244051120025134513411/9/291280052128024125623457n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究11/9/3011040581260305320434表4-62012年2月杭州某豆制品厂废水处理系统数据记录调节池UASB出水好氧塔出水++日期CODNH4-NCODNH4-NCODNH3-NSV30(%)mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/L12/2/11500048128524116784112/2/21540048130024118574012/2/31388051115022919674012/2/4110004712782253431240.512/2/5124505315502143651138.512/2/613420561450248420935.512/2/7152405214502293451244.512/2/81300053158222734384312/2/9142805115502273531146.512/2/1011570501750240342736.512/2/11123805116002223781238.512/2/12130005217502504171149.512/2/1312490492000248411542.512/2/14135005319002373971042.512/2/1512980521900236480155012/2/1613420532050300480144812/2/17132005121002884321545.512/2/1818000521800289323114412/2/19154805318002743541437.512/2/20130205721002312991640.512/2/2114020532100205380114212/2/22121304622002283401342.512/2/23100005223502393201743.512/2/24105405420752603411646.512/2/25134206017502601401238.512/2/26142805414352463401344.512/2/27132005115002393241644.512/2/2812710491250250345124112/2/2911920511000242160134158n苏州科技学院硕士学位论文第四章气升内循环反应器处理豆制品废水工程应用研究59n苏州科技学院硕士学位论文第五章结论与建议第五章结论及建议5.1结论（1）采用自制气升内循环反应器小试装置处理豆制品废水厌氧出水，控制反应温度30~35℃，pH7.5~8，曝气阶段DO1.5~3mg/L，废水HRT为2d，在进水COD浓度986mg/L，氨氮浓度345mg/L时，反应器经过很短时间的驯化，能够达到稳定的去除效果，COD去除率稳定在70%~80%，出水COD浓度在200~300mg/L之间，氨氮去除率稳定在95%~99%，出水氨氮浓度小于10mg/L。（2）处理豆制品废水过程中，总氮去除率40%~55%，出水中亚硝化率稳定在90%以上，其中亚硝态氮浓度在100~150mg/L范围内，硝态氮浓度小于10mg/L，反应器出现了稳定的亚硝态氮积累。采用同样的反应器、接种污泥和控制参数，处理自配水高氨氮废水作为对比试验。在18d的试验过程中，进水氨氮浓度最高为600mg/L，氨氮去除率基本保持在90%以上，亚硝化率经1周上升至80%~90%。（3）采用Ø17m*15m的多导流筒气升内循环反应器处理1800m³/d规模豆制品废水厌氧出水，经过约75天的调试，反应器达到设计要求，稳定运行阶段出水+COD≤350mg/L，NH4-N≤10mg/L、TN≤10mg/L，均满足当地CJ343-2010《污水排+入城镇下水道水质标准》B等级要求，氨氧化速率最高为6.25mgNH4-N/（L·h），总氮、氨氮去除率最高达98.8%，远优于标准要求。－－（4）反应器曝气阶段和沉淀阶段反应器内NO2、NO3浓度均小于0.5mg/L，属于同步硝化反硝化过程。推测现象原因为反应器内部由气提形成好氧/缺氧区并有大比例回流，但不排除微环境理论与好氧反硝化菌的作用，有待进一步验证。2（5）反应器单位处理水量占地面积为0.126m/t，占地面积小，采用普通风压风机曝气，吨水处理费用1.7元，反应器内部结构简单，无传动部件，自动化程度高，运行稳定，可在可用地面不足的情况下使用。5.2建议此项目将气升式环流反应器成功应用于工业规模的废水脱氮处理工程，应进一步对反应器总气含率、循环流量、传质效果等进行研究，对反应器优化设计提供理论依据。另外，与MBR膜出水方式结合，实现反应器的连续进出水运行，用于市政污水脱氮除磷，也是进一步研究的重点。60n苏州科技学院硕士学位论文第五章结论与建议61n苏州科技学院硕士学位论文参考文献参考文献[1]杨海光，范轶，李飞等.气升式环流反应器在不同体系下的循环液速和局部气含率[J].高校化学化工学报，2003，17（1）：37-41.[2]张同旺，高继贤，王铁锋等.三相环流反应器流体力学行为[J].化工学报，2005，56（7）：1213-1217.[3]郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.[4]周群英，王士芬.环境工程微生物学[M].北京：高等教育出版社,2008[5]欧桦瑟，高乃云，庞维海等.水中藻源神经毒素的检测及其去除方法的研究进展[J].中国给水排水，2008，24（20）：10-13.[6]SongHaiou，YaoZhijian，WangMengqiaoetal.Effectofdissolvedorganicmatteronnitrate-nitrogenremovalbyanionexchangeresinandkineticsstudies[J].JournalofEnvironmentalSciences，2013，25（1）：105-113.[7]李德生，范太兴，申彦冰等.污水处理厂尾水电化学脱氮技术[J].化工学报，2013，64（3）：1084-1090.[8]杨林章，施卫明，薛立红等.农村面源污染治理的“4R”理论与工程实践——总体思路与“4R”治理技术[J].农业环境科学学报，2013，32（1）：1-8.[9]刘锋，徐远，吴建华等.豆制品废水一级厌氧处理工程[J].水处理技术，2007，33（5）：88-90.[10]李亚新.活性污泥法理论与技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.[11]郑晓英，操家顺，王惠民等.豆制品生产废水处理技术[J].环境污染与防治，2001，23（4）：190-194.[12]李宁，陈云翔，姜涛等.豆制品废水处理工程实例[J].中国给水排水，2011，27（10）：79-81.[13]潘登，文志军，董新华等.UASB/生物接触氧化工艺处理豆制品废水[J].中国给水排水，2007，23（18）：59-62.[14]毛燕芳，赵英武，张耀家等.厌氧接触/好氧MBR工艺处理豆制品废水[J].给水排水，2008，34（12）：69-71.[15]王宗华，石智慧，王志钦.豆制品废水处理工程[J].水处理技术，2010，36（10）：125-127.[16]王大玮，鲍建国.酵母预处理/UASB/SBR工艺处理高浓度豆制品废水[J].给水排水，2006，32（3）：55-57.[17]宋官勇，殷捷，杨志敏等.PAC/SBR处理豆制品废水的研究[J].环境工程学报，62n苏州科技学院硕士学位论文参考文献2011，5（7）：1481-1485[18]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1998.[19]周保昌，孙凯，陆晓峰等.EGSB/SPMBR工艺深度处理高浓度豆制品废水[J].中国给水排水，2010，26（17）：19-22.[20]孙凯，陆晓峰，周保昌等.厌氧膜生物反应器（AnMBR）处理高浓度豆制品废水的研究[J].膜科学与技术，2011，31（4）：65-69.[21]于波，费庆志，孟祥等.新型内循环生物流化床处理豆制品废水研究[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（10）：64-67.[22]彭永臻.SBR法污水生物脱氮除磷及过程控制[M].北京：科学出版社，2011.[23]WangSY，GaoDW，PengYZ，etal.Nitrification-denitrificationvianitritefornitrogenremovalfromhighnitrogensoybeanwastewaterwithon-linefuzzycontrol[J].WaterSci.Technol.，2004，49（56）：121-127.[24]高大文，彭永臻，王淑莹.高氮豆制品废水的亚硝酸型同步硝化反硝化生物脱氮工艺[J].化工学报，2005，56（4）：699-704.[25]PengYZ，LiYZ，PengCY，etal.Nitrogenremovalfrompharmaceuticalmanufacturingwastewaterwithhighconcentrationofammoniaandfreeammoniaviapartialnitrificationanddenitrification[J].WaterSci.Technol.，2004，50（6）：31-36.[26]郑平，徐向阳，胡宝兰.新型生物脱氮理论与技术[M].北京：科学出版社，2004.[27]尚会来，彭永臻，张静蓉等.温度对短程硝化反硝化的影响[J].环境科学学报，2009，29（3）：516-520.[28]vanKempenR，Mulder，JW，UijterlindeCA.etal.Overview:fullscaleexperienceoftheSHARONprocessfortreatmentofrejectionwaterofdigestedsludgedewatering.[J].WaterSci.Technol.，2001，44（1）：145-152.[29]杨庆，彭永臻.中试规模的城市污水常、低温短程硝化反硝化[J].中国给水排水，2007，23（15）：1-3.[30]张杰，李冬，杜贺等.亚硝化反应器的启动及控制因子研究[J].哈尔滨工业大学学报，2010，42（6）：864-868.[31]高大文，彭永臻，王淑莹.控制pH实现短程硝化反硝化生物脱氮技术[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37（12）：1664-1666.[32]MunchEV，LantP，KellerJ.SimultaneousnitrificationandDenitrificationinbench-scalesequencingbatchreactors[J].WaterSci.Technol.，1996，30（2）：277-284.[33]LiuWei，YangDianhai，XuLietal.AModifiedOxidationDitchwithAdditionalInternalAnoxicZonesforEnhancedBiologicalNutrientRemoval[J].ChienseJournalofChemicalEngineering，2013，21（2）：192-198.63n苏州科技学院硕士学位论文参考文献[34]周艾文，金腊华，魏臻等.生物陶粒MBBR同步硝化反硝化脱氮试验研究[J].工业用水与废水，2010，41（5）：30-34.[35]王建龙，张子健，吴伟伟.好氧颗粒污泥的研究进展[J].环境科学学报，2009，29（3）：449-473.[36]施汉昌，温沁雪，白雪.污水处理好氧生物流化床的原理与应用[M].北京：科学出版社，2012.[37]王燕，尹侠，薛胜伟.表观气速对气升式环流反应器性能的影响[J].化学反应工程与工艺，2007，23（2）：104-108.[38]李志军，汪苹，由雪峰等.高径比和底隙高度对内循环反应器性能的影响[J].环境污染与防治，2008，30（4）：10-19.[39]熊俊鹰，田红兵，周爱月.上喷式环流反应器中影响整体气含率的因素探讨[J].化学工业与工程，2000，17（5）：254-259.[40]张玉魁，施汉昌.新型生物流化复合反应器的设计及气含率测定[J].环境污染治理技术与设备，2003，4（7）：74-78.[41]张同旺，高继贤，王铁锋等.三相环流反应器流体力学行为[J].化工学报，2005，56（7）：1213-1217.[42]姜家顺，张玉魁，曾亮等.三相生物流化复合反应器中上升去与下降区气含率的关系[J].环境污染治理技术与设备，2006，7（11）：8-12.[43]卢刚，郑平.气升式内循环反应器短程硝化控制策略的研究[J].浙江大学学报（工学版），2005，39（4）：542-546.[44]郑平，PiemeConstantAnatole，杜泽俊等.气提式内循环生物反应器处理高浓度含氨废水的研究[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2001，27（1）：23-27.[45]张永明，陈素华，虞启义等.气升式内循环接触氧化生物反应器处理啤酒废水的研究[J].环境工程，2000，18（6）：17-18.[46]余世锋，程可可，张建安等.气升式环流反应器处理化纤废水[J].水处理技术，2007，33（2）：56-59.[47]LiuXianling，WenJianping，YuanQing.Thepilotstudyforoilrefinerywastewatertreatmentusingagas-liquid-solidthree-phaseflowairliftloopbioreactor[J].Bio-chemEng.，2005，27（1）：40-44.[48]张东曙，汪海峰，高延耀等.HCR处理石化废水运行特性研究[J].给水排水，2003，29（3）：41-43.64n苏州科技学院硕士学位论文参考文献65n苏州科技学院硕士学位论文致谢致谢三年时光如白驹过隙，今日回眸自省，对硕士研究生阶段的学习生活充满了感慨。榜样的力量是无穷的，是蒋京东副教授和马三剑教授亲身垂范，带领我们团队踏踏实实地进行科研及实践工作，提供给我学习上的启发，生活上的资助，科研实践的平台，持续学习的动力，让我对本专业充满热爱，对自己充满自信，对未来充满憧憬，感谢您们三年来对我的指导和关爱，硕士期间的工作均是在您们悉心指导下完成。感谢苏州科技学院刘锋老师、吴建华老师在试验细节及工程调试方面的指导，感谢答辩组老师从论文开题、中期检查到答辩整个过程中对论文提出的宝贵意见。苏州科技学院环保应用技术研究所及苏州科特环保设备有限公司为研究工作提供了大量仪器设备及重要的工程试验项目，在此表示衷心的感谢。工程改造及调试过程是与科特公司孔祥成部长、宋立春工程师、研究所宋雅建同学等人共同完成，我们共同度过了难忘的现场调试生活，你们认真负责的工作态度和乐观的心态给我留下了深刻印象。感谢姜友蕾、张丽、朱莉、刘文如等同学平日里对我学习和试验的帮助，感谢赵应群、严凯、张勇、刘书培等师弟师妹对我的论文提出批评意见。最后，感谢我的父母及家人无时无刻的鼓励与支持。66n苏州科技学院硕士学位论文致谢67n苏州科技学院硕士学位论文附录附录攻读硕士期间实践经历2009年6月~9月，徐州绿健乳牛场200m³/d养殖废水处理工程调试；2009年10月~12月，苏州吴中天然乳化剂厂600m³/d乳化剂废水处理工程中试及调试；2010年6月~9月，杭州祖名豆制品厂1800m³/d豆制品废水处理工程改造及调试；2010年10月~11月，浙江长兴涤纶短纤维废水中试调试；68n苏州科技学院硕士学位论文附录69n苏州科技学院硕士学位论文附录攻读硕士期间发表的论文[1]姜栋，姜友蕾，蒋京东等.UASB-SBR-絮凝工艺处理地沟油制生物柴油废水[J].化工环保.（已录用）[2]姜栋，刘锋，蒋京东等.气升环流反应器处理高氨氮豆制品废水实例[J].中国给水排水.（已录用）[3]陆成栋，姜栋，兰风岗.UASB-SBR工艺处理乳化剂废水中试研究[J].安徽农业科学.（已发表）[4]姜友蕾，姜栋，宋雅建.UASB-絮凝-SBR处理高含量头孢类抗生素废水[J].水处理技术.（已发表）70n苏州科技学院硕士学位论文附录71n苏州科技学院硕士学位论文作者简介作者简介姓名：姜栋性别：男出生日期：1988年8月籍贯：河南省扶沟县最后学历：工学硕士毕业学校：苏州科技学院72