EGSB反应器处理城市污水的工艺特性研究

　第１期２０１１年１月华东师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１１文章编号：１０００５６４１（２０１１）０１０１４８０８犈犌犛犅反应器处理城市污水的工艺特性研究耿　亮，　陈玉霞，　黄民生，　朱　勇，　何　岩，　林剑波（华东师范大学资源与环境科学学院，上海　２０００６２）摘要：在进水水质相对稳定的情况下，研究ＥＧＳＢ反应器处理城市污水的启动性能和运行效果，并分析了影响反应器运行的因素．结果表明，ＥＧＳＢ反应器在４５ｄ内能够有效启动，其中对ＣＯＤＣｒ和ＮＨ３Ｎ的去除率分别为５８．８％和３２．９％；同时氨氮和亚硝氮的去除率由负转正，厌氧氨氧化性能随装置启动运行而逐渐增强．ＥＧＳＢ反应器在常温下的运行效果稳定良好，ＣＯＤＣｒ平均去除率为６６．６％，ＮＨ３Ｎ，ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ的平均去除率均达到９０％，系统表现明显的厌氧氨氧化性能．出水水质达到了《中华人民共和国国家标准污水综合排放标准一级排放标准》（ＧＢ８９７８—１９９６）的要求．通过对影响因素分析可知，本ＥＧＳＢ反应器的ＨＲＴ不宜低于２ｈ，回流比不宜大于４００％．关键词：ＥＧＳＢ；　城市污水；　工艺特性；　厌氧氨氧化中图分类号：Ｘ１７２　　文献标识码：Ａ　　犇犗犐：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００５６４１．２０１１．０１．０１７　收稿日期：２０１００９　基金项目：国家科技重大专项（２００９ＺＸ０７３１７００６，２００９ＺＸ０７３１７００９）；上海市建设交通委重大科技攻关项目（２００７００７）　第一作者：耿亮，女，硕士研究生．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．　通讯作者：黄民生，男，教授，博士生导师．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．犘狉狅犮犲狊狊犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犈犌犛犅犳狅狉犿狌狀犻犮犻狆犪犾狊犲狑犪犵犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋ＧＥＮＧＬｉａｎｇ，　ＣＨＥＮＹｕｘｉａ，　ＨＵＡＮＧＭｉｎｓｈｅｎｇ，　ＺＨＵＹｏｎｇ，ＨＥＹａｎ，　ＬＩＮＪｉａｎｂｏ（犛犮犺狅狅犾狅犳犚犲狊狅狌狉犮犲犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犛犮犻犲狀犮犲，犈犪狊狋犆犺犻狀犪犖狅狉犿犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犛犺犪狀犵犺犪犻　２０００６２，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：　ＴｈｅｓｔａｒｔｕｐａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＥＧＳＢｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｆｏｒｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｋｅｙｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｆｔｅｒ４５ｄａｙｓ，ＥＧＳＢｃｏｕｌｄｂｅｓｔａｒｔｅｄｕｐｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｗｉｔｈｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆＣＯＤＣｒａｎｄＮＨ３Ｎｂｅｉｎｇ５８．８％ａｎｄ３２．９％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎｔｈｅｍｅａｎｔｉｍｅ，ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｍｍｏｎｉａａｎｄｎｉｔｒｉｔｅｗｅｒｅｆｒｏｍｎｅｇａｔｉｖｅｔｏｐｏｓｉｔｉｖｅ，ａｎｄｔｈｅａｎａｍｍｏｘｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ．ＩｔｗａｓａｌｓｏｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｏｐｅｒａｔｅｄｗｅｌｌａｔａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｉｔｈｔｈｅａｖｅｒａｇｅＣＯＤＣｒｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆ６６．６％．ＴｈｅａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆＮＨ３Ｎ，ＮＯ－２ＮａｎｄＮＯ－３Ｎｗｅｒｅｕｐｔｏ９０％ａｎｄｔｈｅａｎａｍｍｏｘａｐｐｅａｒｅｄｍａｒｋｅｄｌｙｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｍｅｅｔｇｒａｄｅＩｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＷａｓｔｅｗａｔｅｒＤｉｓｃｈａｒｇｅＳｔａｎｄａｒｄ（ＧＢ８９７８—１９９６）．ＩｔｗａｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｔｈｅＨＲＴｏｆＥＧＳＢｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ２ｈａｎｄｔｈｅｒｅｆｌｕｘｒａｔｉｏｌｅｓｓｔｈａｎ４００％．犓犲狔狑狅狉犱狊：　ＥＧＳＢ；　ｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅ；　ｐｒｏｃｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；　ＡＮＡＭＭＯＸ第１期耿亮，等：ＥＧＳＢ反应器处理城市污水的工艺特性研究０　引　　言人们开发了各种高效厌氧生物反应器，如厌氧滤池（ＡＦ）、升流式厌氧污泥床（ＵＡＳＢ）等反应器，它们都被广泛地运用于处理各种有机工业废水及城市废水，并取得了良好的效果．ＥＧＳＢ反应器是在ＵＡＳＢ反应器的基础上，于２０世纪８０年代后期，由荷兰Ｗａｇｅｎｉｎｇｅｎ［１３］农业大学环境系研发的新型厌氧反应器［４６］．相比于ＵＡＳＢ，ＥＧＳＢ反应器具有许多优越性，例如，在ＵＡＳＢ反应器中，污泥床是静态的，反应区集中在反应器底部０．４～０．６ｍ的高度，污水通过污泥床时有近９０％的有机物会被降解；而在ＥＧＳＢ反应器中，反应器内厌氧污泥是完全混合的，比ＵＡＳＢ反应器有更高的有机负荷，这样有利于提高有机物的处理效率．此外，在有机物负荷和ＨＲＴ相同的情况下，ＥＧＳＢ反应器对ＣＯＤ的去除率远高于ＵＡＳＢ反应器．因此，与ＵＡＳＢ反应器相比，ＥＧＳＢ反应器在处理低温的城市污水的处理方面有更大的发展潜力［７１１］．本研究就将ＥＧＳＢ反应器应用于对城市污水的处理．考察容积负荷、ＨＲＴ（水力停留时间）与回流比等影响因素对ＥＧＳＢ反应器运行的作用规律，以实现运行最优化；并研究在ＥＧＳＢ反应器中实现厌氧氨氧化、甲烷化及反硝化耦合的可行性；以及对ＣＯＤＣｒ，ＮＨ３Ｎ，ＮＯ－２Ｎ，ＮＯ－３Ｎ，ＴＮ等水质理化指标进行测试，初步考察ＥＧＳＢ反应器对处理城市污水的启动情况和常温下反应器的运行效能情况，并探寻实现启动完成的标志．为今后城市污水处理厂升级改造提供技术参数．１　材料与方法１．１　实验材料实验用水分批取自上海市天山水质净化厂的曝气沉砂池出水．水质指标：ｐＨ７．６～８．４；ＣＯＤＣｒ，ＮＨ３Ｎ，ＴＮ，ＴＰ分别为：４５～２００，１５～３５，３０～５５，１．５～４．０ｍｇ／Ｌ．接种的污泥是厌氧颗粒污泥和好氧活性污泥．厌氧颗粒污泥取自江苏宜兴协联热电厂ＩＣ反应器；好氧活性污泥取自上海市天山水质净化厂二段曝气池．图１　ＥＧＳＢ装置示意图Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＥＧＳＢｄｅｖｉｃｅ１．２　装置与流程试验所用ＥＧＳＢ反应器为有机玻璃制成，有效容积为４．１５Ｌ，其中反应区和沉淀区的容积分别为１．９６Ｌ和１．７３Ｌ，反应区内径为５０ｍｍ，犺／犱为２０．由于光照会对厌氧氨氧化菌的反应造成干扰，反应区用黑纸包裹以避光．反应器的夹套起到控制和保持温度的作用．反应器示意图如图１所示．１．３　运行条件实验装置的运行从２００８年３月至２００８年１２月，运行天数共计２６０ｄ．根据对ＥＧＳＢ反应器的研究内容，将实验方案划分为３个阶段：即启动阶段、中温运行阶段和常温运行阶段．具体的运行条件设计见表１．１．４　分析方法ＣＯＤＣｒ、ＢＯＤ５、氨氮、亚硝酸盐氮（以下简称亚硝９４１华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年氮）、硝酸盐氮（以下简称硝氮）和总氮（ＴＮ）等水质理化指标均用标准方法测定［１２］，水温及ｐＨ测定采用ＨＱ１０ＨＩ９８１２７笔试ｐＨ计测定（ＨＡＮＮＡ中国公司）．表１　犈犌犛犅反应器的设计运行工况Ｔａｂ．１　ＴｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＥＧＳＢｒｅａｃｔｏｒ编号运行阶段实验天数／ｄＨＲＴ／ｈ回流比／％液体上升流速／（ｍ·ｈ－１）工况１工况２工况３工况４启动阶段（３０℃）１～１５１３．５１１０００．１６１６～３０５．２２１０００．４０３１～４５５．２２２０００．６２４６～６０５．１７３０００．８３工况７工况８工况９中温运行阶段（３０℃）１０５～１２０３．１４３００１．３６１２１～１３５２．０４２００１．５６１３６～１５５２．０４３００２．１１工况１０工况１１工况１２工况１３常温运行阶段（１０～３０℃）１５６～１７５１．２８２００２．４１１７６～２０５１．８９４００２．６９２０６～２３５１．８５５００３．０６２３６～２６０１．９５６００３．７６２　结果与讨论２．１　ＥＧＳＢ反应器的启动特性２．１．１　ＣＯＤＣｒ的去除启动初期，ＣＯＤＣｒ就有了明显的去除（见图２）．平均去除率由工况１的３８．４％上升到工况４的５０．２％．已知的实验结果表明，ＣＯＤＣｒ的平均出水浓度在３５．３ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤＣｒ的最大去除率达到５８．８％．保证其出水的ＣＯＤＣｒ小于１００ｍｇ／Ｌ，可达到《中华人民共和国国家标准污水综合排放标准二级排放标准》（ＧＢ８９７８—１９９６）的要求．在本实验的启动阶段，ＥＧＳＢ反应器对低浓度城市污水启动迅速，表现出稳定和较高的ＣＯＤＣｒ去除能力．图２　ＥＧＳＢ反应器的ＣＯＤＣｒ去除及容积负荷变化Ｆｉｇ．２　ＶａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆＣＯＤＣｒｒｅｍｏｖａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｉｔｓｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｉｎｔｈｅＥＧＳＢｒｅａｃｔｏｒ２．１．２　氨氮、亚硝氮和硝氮的转化至第１５天结束时，ＥＧＳＢ反应器第１次出现出水ＮＨ３Ｎ浓度低于进水的情况，如图３所示．第３１天至第６０天，ＮＨ３Ｎ去除率迅速上升，均值分别达到１４．７％和３２．９％，期间的０５１第１期耿亮，等：ＥＧＳＢ反应器处理城市污水的工艺特性研究最高去除率为４５．２％，这一结果较康晶等［１３］在类似条件下所取得的２１．７％要高．第３１天至第６０天，ＮＨ３Ｎ的出水浓度平均为８．１ｍｇ／Ｌ，达到《中华人民共和国国家标准污水综合排放标准二级排放标准》（ＧＢ８９７８—１９９６）的要求．图３　ＥＧＳＢ反应器的氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐转化与容积负荷变化Ｆｉｇ．３　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆａｍｍｏｎｉｕｍ，ｎｉｔｒｉｔｅ，ａｎｄｎｉｔｒａｔｅａｎｄｔｈｅｉｒｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｓｉｎｔｈｅＥＧＳＢｒｅａｃｔｏｒ　　第４９天起，亚硝氮的去除率快速上升并稳定在９０％以上．此外，ＥＧＳＢ反应器在运行初期就对硝氮有明显地去除作用，工况１的平均去除率达到９９％．氨氮与亚硝氮的同时去除是厌氧氨氧化的重要特征或判据［１４］．经计算，在启动后期ＥＧＳＢ的无机氮去除率为４８．３５％，脱氮效果明显．２．２　ＥＧＳＢ反应器的运行效果２．２．１　ＣＯＤＣｒ的去除效果ＥＧＳＢ反应器进、出水ＣＯＤＣｒ的动态变化如图４所示．出水的ＣＯＤＣｒ浓度相当稳定，变化很小，仅为３１ｍｇ／Ｌ，平均去除率可达６６．６％．检测到第１０９天（工况６）、水温２９．１℃时，出水的ＣＯＤＣｒ最低值仅１２ｍｇ／Ｌ，由，对应去除率７６％；出水的ＣＯＤＣｒ最高值为５９ｍｇ／Ｌ，出现在第２４３天（工况１３）、水温１３．８℃时，其对应的去除率也达到了５３．９％，相比之下有２２．１％的下降．长期的运行数据显示，出水的ＣＯＤＣｒ浓度均在１００ｍｇ／Ｌ以下，完全达到《城１５１华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年镇污水处理厂污水排放标准二级排放标准》（ＧＢ１８９１８—２００２）的要求．图４　ＥＧＳＢ反应器进出水ＣＯＤＣｒ及容积负荷的动态变化Ｆｉｇ．４　ＤｙｎａｍｉｃｃｈａｎｇｅｓｏｆＣＯＤＣｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｌｏａｄｉｎｇｒａｔｅｉｎｔｈｅＥＧＳＢｒｅａｃｔｏｒ２．２．２　氮的去除效果在氮素的转化方面，ＴＮ及ＮＨ３Ｎ、ＮＯ－２Ｎ和ＮＯ－３Ｎ的进、出水变化情况如图５和６所示（自启动完成后的４５ｄ起），ＥＧＳＢ反应器出水的ＴＮ基本稳定在２０ｍｇ／Ｌ以下．就去除速率来看，其脱氮作用更加明显，启动完成之后，ＥＧＳＢ反应器对ＮＨ３Ｎ和ＮＯ－３Ｎ的去除一直保持稳定，在容积负荷在０．０１～０．０５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）区间内，ＮＯ－２Ｎ的去除率基本保持在９０％以上．在容积负荷在０．１～０．５ｋｇ／（ｍ３·ｄ）区间内，ＮＨ３Ｎ的平均进水浓度为２２．５ｍｇ／Ｌ，ＮＨ３Ｎ的出水