厌氧流化床处理染色废水的生物反应器设计外文翻译资料

 2022-07-31 15:24:53

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厌氧流化床处理染色废水的生物反应器设计

Zhiyi Denga，Ka Y.Fungb，Ka M.Ngb，Chaohai Weic

a湘潭大学环境工程系，湖南省411105，公关中国

b化学与生物分子工程系，香港科技大学，清水湾，香港

c大学的环境和能源，中国南方科技大学，广州 510006，公关中国

摘要：厌氧流化床反应器的设计包括理论、实验和知识库的综合设计方法。设计方法首先要确定反应器的设计目标和废水的特性。由于研究的是特定的废水，因此在实验中要使用不同步骤的方法来确定主要的设计与运行参数。通过可用的实验数据，从理论上采用试探法来确定反应器的主要设计和运行的参数。这些设计参数包括水力停留时间（HRT）、有机负荷率（OLR）、污泥负荷率（SLR）、反应器和倾斜沉降器的尺寸、污泥放点频率，液体和沼气回收比率。通过这些设计和运行参数，测试反应器的厌氧降解实验是否符合所有的设计目标。当设计目标不满足或者废水进水特征十分复杂时，可能通过在理论上修改标识来指导如何修改和设计反应器的操作参数。最后，反应器的主要设计和运行参数可以确定。本文给出了处理综合印染废水的厌氧流化床反应器设计示例。通过实验来说明理论和知识如何应用于设计反应器。建成了COD去除率可以达到80%和底色去除达到90%的中试反应器，以满足所需污染物的去除。

目 录

1. 前言 1

2. 输入信息 4

3. 厌氧流化床反应器（AFB）反应区的设计 4

3.1厌氧活性污泥的制备 4

3.2确定AFB反应器的主要设计参数 5

3.3反应器体积和尺寸的测定 7

3.3.1确定反应器的体积 7

3.3.2确定反应器的尺寸 7

3.4确定生物颗粒的排出频率 7

3.5测定产气率 8

3.6测定液体和沼气的循环比 8

4. 厌氧流化床反应器（AFB）分离区的设计 10

5. 厌氧流化床反应器（AFB）的评价 12

6. 举例 14

6.1厌氧流化床反应器（AFB）反应器的设计 14

6.1.1生物颗粒的制备 14

6.1.2确定AFB反应器的主要设计参数 14

6.1.4生物颗粒的排出频率 15

6.1.5产气率的测定 15

6.1.6液体和沼气回收率的测定 15

6.2厌氧流化床反应器分离区的设计 15

6.3厌氧流化床反应器的评价 16

7. 结论 19

8.专业术语 19

参考文献： 20

  1. 前言

印染废水的特点是化学需氧量（COD）高、可生化性差、有毒性和颜色深。在化学需氧量、生化需氧量、pH值和盐度上表现出较大的变化。各种染料及辅助染剂如润湿剂、表面活性剂和螯合剂在染色过程中使用。这将使得印染废水的COD值很高（1000—10000ppm）（dos Santors et al.2007年）。通过BOD/COD比值（gt;0.3）来表示可生化性的参数比容易生物降解的参数（BOD/COD）低得多。染色废水中还含有重金属，无机盐类如硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、硫化物和顽固的化学品如聚乙烯醇等。

尽管印染废水的可生化性低，但生物处理仍然广泛的应用在处理印染废水上，因为它是降解有机物最经济的方法。由于在厌氧条件下比在好氧条件下更容易将部分复杂的有机物水解为简单的有机物，所以厌氧过程通常要优先于好氧过程。例如，高亲电的偶氮键进行还原降解还会伴随着无色芳香胺生成，而且无色芳香胺在好氧过程中更容易被降解。（Isik and Sponza, 2007）这使得厌氧过程更适合处理高化学需氧量或含有有毒物质的污水，如含有偶氮类染料的废水。当和活性污泥法相比时，由于含有较高的生物浓度，固化的微生物通常用于厌氧过程。各种厌氧反应器已经被完善和发展了，如上流式厌氧污泥床、颗粒污泥膨胀床、厌氧生物滤池和厌氧流化床反应器（AFB）。在这些反应器中，厌氧流化床反应器（AFB）广泛的应用于工业废水的处理。通过使用较小和多孔的载体，厌氧流化床反应器（AFB）为生物量的增长提供了较大的表面积，而且其生物量的浓度比固定薄膜或常规的污泥反应器高5—10倍。厌氧流化床反应器（AFB）也提供高效混合过程中的流化态，这使得有机负荷率高达40kgCOD/（m3·d），被视为工业AFB反应器(Heijnen et al.，1989年）。

尽管厌氧流化床反应器（AFB）很受欢迎，但是处理工业废水的厌氧流化床反应器（AFB）的研究设计却不多，处理印染废水的厌氧流化床反应器（AFB）那就更少了。而且大多数的研究都专注于对厌氧流化床反应器（AFB）运行参数的影响。例如，Sreekrishnan（1991 年）等人的结论是载体生物膜的形成受高流量、大量接种的影响，而且大量接种可以提高甲烷的生产能力。佩雷斯等人（2001年）在报告中也称在葡萄酒酿酒厂废水中COD去除率最大是0.55kgCOD/kg VSS。费尔南德斯等人（2008年）报告说，COD的去除率（OLR），呈线性增加，但它也略受水平流化床内的反应器和载体的影响。然而这些研究都没能提供所有参数对生物反应器性能影响的完整图片。其他的一些研究则注重于研究厌氧流化床反应器（AFB）的流体动力学模型。例如，Fan (1989) 和Fuentes（2008）等人提供了用于模拟流化床反应器的流体动力学模型摘要。

吴（2009年）研究了将圆锥反应器作为这种床扩展模型的特定反应器配置，吴（2006年）研究了反应器内部沼气的生产。拉梅什和Murugesan研究了沼气量生产的各项研究重要参数估算如最小流化速度、相含率等。只有很少的一部分人研究设计厌氧流化床反应器（AFB）。这些设计战略包括载体的选择、测定液压停留时间（HRT）以及一些重要参数如流化床扩张、表观速度和反应器的尺寸。然而插图并不清楚如何将这些实验数据和其他的信息用于反应器的设计。在大多数实际情况下，厌氧流化床（AFB）反应器的设计仍依赖于经验丰富的工程师或者是基于粗糙的实证模型的估计。这可能会导致在设计反应器时，反应器会出现诸如低效的流化态或者失败的流出物等各种操作问题，从而无法实现设计目标。

为了填补这一空白，厌氧流化床反应器（AFB）的设计方法在本文制定，之前说明的设计方法只是简要的讨论了厌氧流化床反应器（AFB），其原理图如图1所示。

图1厌氧流化床反应器原理图

反应器分两个区域：反应区和隔离区。在反应区内活性污泥内导流向上移动和重新分发到反应器外导流筒的底部。流态化活性污泥是由液体和沼气回收提供。这为高效去除有机物提供了电泳和废水之间的高效混合。活性污泥进入分离区，分离区是活性污泥沉淀和返回反应器的区域，出水从倾斜的出水口流出。不同于常规的厌氧流化床反应器（AFB），该厌氧流化床反应器在本文中研究的是位于分离区域旁边的反应区域。常规的厌氧流化床反应器由于分离区域位于反应器的顶部就会显得比较高。这往往导致生物处理过程中的分离效果较差，活性污泥变得很轻容易随出水流出。目前开发的厌氧流化床生物反应器越来越多将分离区域放置在反应区域的旁边，从而减少出水带走的活性污泥量。这也降低了生物反应器的高度和流态化所需要的能量。

设计厌氧流化床反应器的方法和技术路线综合了理论、实验和文献查阅，详细见图2。

为了研究废水的重要参数，三个实验所包含的方法是特定的。这些参数然后用于设计厌氧流化床反应器（AFB）。首先，输入信息，如进水废水识别特征和设计目标。在设计厌氧流化床反应器之前，微生物通过附着菌附着在载体颗粒的表面，并用作后续细菌的实验来源（实验1）。厌氧流化床反应器的反应区的设计通过实验和启发而设计。通过实验2确定的重要的设计参数如HRT、OLR和污泥负荷率（SLR），污泥负荷率定义为每天处理单位质量的污染物的量而形成的生物量，其次是反应器的尺寸，活性污泥出水的频率以及液体和沼气的回流比。

在设计完反应区域后，分离区是旨在确保活性污泥与絮体可以有效的从废水中分离出来，从而确保出水水质达标（实验3）。与所有可用的设计和操作进行参数对比，通过试点实验评价反应器的性能。在设计的基础上按给出的建议修改操作参数观察是否能够达到设计目标。最后，确定设计和运行参数全面的AFB反应器。厌氧流化床反应器已经被设计为处理类似的废水，可以不用通过全面的测试评价。一个设计处理合成的染色污水的AFB反应器的实例讨论了本文说明的三个部分，实验、理论和知识基础，并在设计方法中得到了使用。

  1. 输入信息

设计厌氧流化床反应器（AFB）所需的信息在表1中有总结。第一，废水的进水特性如流量、COD、BOD等必须要确定。任何有毒或者具有顽抗性的化学物质的浓度也需要进行测量，因为顽抗性的化学品可能需要特定的微生物进行降解。作为总养分的总氮（TN）和总磷（TP）是指示废水中是否含有足够的营养素供给细菌生长的重要指标。除了进水水质的特点需要注意，颜色和COD的去除率在厌氧过程中也都已经被指定。对于高浓度的TN或TP，在厌氧过程中脱氮除磷也很重要，所以在出水中总氮和总磷必须要达标。

  1. 厌氧流化床反应器（AFB）反应区的设计

在确定设计反应器的输入信息后，下一步是厌氧流化床反应器（AFB）反应区的设计，载体的选择和颗粒污泥的制备是首要任务，在确定了停留时间（HRT）之后，反应器的体积和尺寸也紧跟着确定，最后再确定活性污泥出水频率、液体和沼气回收的比率。

3.1厌氧活性污泥的制备

首先要准备作为支撑材料的各种载体，如活性炭、沙子、玻璃珠和膨胀黏土，这些载体必须具有颗粒尺寸小、细菌生长的大孔隙率和大表面积等物理特性（见表2）。只有具备这些条件的载体应该也是吸附废水中主要污染物的优良载体。

由于这些颗粒活性炭是惰性、价格相对便宜、微孔具有吸附各种污染物的能力，因此这些载体通常是首选。这些颗粒活性炭还提供了额外的好处是可以使生物反应器中的细菌附着在载体的表面，从而更加有效的达到去除效果。 Wright and Raper (1996)报道用颗粒活性炭作为载体可以使反应器的启动阶段的时间从100h缩短到15h，而沙子则达不到该效果。其中粒径在0.1到0.7mm的颗粒活性炭已经在处理含有石油烃类(Sutton and Mishra, 1994)、五氯苯酚 (Khodadoust et al., 1997)和高浓度酚类 (Chen et al., 2008)的各种污染物过程中作为载体使用。在选定好载体之后，通过将准备好的活性污泥将微生物附着在载体表面（实验1），（详细见表3：生物处理的活性污泥的制备实验）。在培养过程中，生物膜在载体的表面缓慢生长并逐渐形成活性污泥。整个培养过程将会持续几个月直到生物量浓度和生物膜的厚度不在发生变化。在实验1后，得到单位体积活性颗粒的最大生物量，并将其用在下一步确定的AFB反应器的设计参数上。

3.2确定AFB反应器的主要设计参数

需要确定的主要设计参数是反应器的容积和尺寸，因为它们反过来将会影响废水的流量与厌氧工艺的停留时间（HRT）。反应器要在较短的停留时间去除相同的目标污染物需要更高的生物量浓度。实验2研究的是在厌氧过程中不同的生物量的COD和色度的去除效果，详细内容见表4在不同的生物量浓度下所需要的停留时间（HRT）.确定在不同的生物量浓度下达到所需的COD和色度去除率的最小停留时间（HRT）。

对于一个稳定的有效降解污染的生物反应器，厌氧流化床反应器的HRT、OLR、SLR和反应区中生物粒子的体积必须在一个合适的范围内。（表5：厌氧流化床反应器的HRT、OLR、SLR和生物颗粒体积典型值）这些数值来均基于文献资料和我们以前设计各种AFB反应器的经验。（(Heijnen et al., 1989;Hoist et al., 1997; Mendonca et al., 2004; Wei et al., 2011）在反应器中OLR和SLR分别测量有机物和生物量，当OLR大于典型范围时反应器将不能有效的降解有机物，因为高浓度的有毒污染物会降低生物颗粒的生物活性。在厌氧过程中将会产生大量挥发性脂肪酸，这会使pH值降低，pH值太低会使降低细菌分解效果。作为生物反应器其SLR值也不能过高，否则反应器将不能包含足够的细菌降解有机物。此外，如果反应器中含有大量的生物颗粒会使得水流带动生物粒子所需要的能量也更多。因此，VS通常保持在反应器反应区总量的5%-20%。实验2是为了确定哪些生物量浓度和相应的停留时间（HRT）是最适合的，OLR、SLR和与他们相关的工艺参数如进水流量、底物浓度、生物量浓度等必须要确定下来。将生物量浓度最大的活性污泥加入到实验1中的培养瓶反应器中。因此，加入反应器中最大体积的生物颗粒可以与反应区中生物量浓度最大的进行混合。

VL-代表反应区液体的体积；通过求生物粒子的最大体积而不是液体体积和生物量浓度，OLR和SLR可以通过下面的两个式子求出来。

其中：Q0-代表进水的流量；S0-代表进水的COD值；在实验2中确定所需去除的每个生物质浓度需要的停留时间（HRT）。然后计算相应的OLR、SLR和反应器中活性颗粒污泥的体积百分比。用AFB反应器的生物量浓度去选择相应的HRT，从而确保所有的参数都在图表5

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