常温厌氧EGSB反应器的工艺性能与净化机理

常温厌氧EGSB反应器的工艺性能与净化机理吴昌敏，闫怀国，王喧，季民（天津大学环境科学与工程学院，天津300072）摘要：应用厌氧污泥膨胀床反应器（EGSB）分别串联厌氧生物滤池、好氧生物滤池和活性污泥法三种不同的工艺，进行了城市污水处理试验研究。本文着重论述EGSB在常温下处理城市污水的工艺性能和有机物去除机理。在常温和较短水力停留时间条件下，EGSB的厌氧生化过程主要停留在水解阶段。有机物的去除主要以颗粒污泥的吸附、吸收作用为主。影响EGSB处理效果的主要因素有温度、上升流速、水力停留时间、进水浓度及有机负荷等。关键词：EGSB反应器；城市污水处理；厌氧/好氧长期以来好氧生物处理技术，尤其是活性污泥法一直是我国城市污水处理厂的主体工艺，它具有处理效率高、出水水质好的特点，但它也存在能耗高、运行费用大、剩余污泥产量多等缺点。随着大批城镇污水处理厂建设事业的发展，急需开发能耗低、剩余污泥产量少、适合中小型污水处理厂的新工艺。厌氧生物处理技术因其具有能耗低、污泥产量少的特点，在许多发展中国家（例如巴西、哥伦比亚、印度等）的城市污水处理中得到广泛应用。厌氧生物处理技术有多种不同的工艺，王凯军[1]等人开发的城市污水厌氧水解工艺，一般采用厌氧接触法和升流式厌氧污泥床（UASB）。据国外研究表明[2,3]，应用UASB在常温下处理低浓度城市污水时，由于产气量少，反应器内混合强度低，污泥床内很容易形成短流和死区，使得处理效率下降或反应器难以正常运行。为克服UASB工艺的缺点，Lettinga教授等开发出了适应常温或低温、低浓度污水处理的厌氧颗粒污泥膨胀床工艺（EGSB），通过加大污泥床水流上升流速，增强搅拌混合和传质过程，提高处理效率[2,3]。目前，国内还没有采用EGSB工艺处理城市污水的工程实例。本研究应用厌氧污泥膨胀床反应器（EGSB）分别串联厌氧生物滤池、好氧生物滤池和活性污泥法三种不同的工艺，进行城市污水处理试验研究[4]。本文重点介绍常温条件下EGSB工艺的处理性能、有机物去除机理及工艺运行的影响因素。用EGSB与初沉池相比，有机物的去除效率得到提高，同时能够处理剩余污泥。该工艺特别适合中小型城市污水处理厂。1试验装置和方法本研究利用天津纪庄子污水处理厂的一沉池出水，在污水厂内进行现场试验。厌氧部分试验装置（EGSB反应器）如图1所示。反应器采用有机玻璃柱加工而成。反应区高2.00m，内径150mm，三相分离区高0.80m，内径185mm，放缩段高0.03m；反应柱高度方向上，设置了5个取样口；EGSB反应器出水进入后续处理反应器；进水流量用转子流量计测定；EGSB反应器的产气用湿式气体流量计计量。主要分析项目及方法：CODCr采用GB11914-89重铬酸钾法，溶解性COD（CODSol）为用中速定量滤纸过滤后测定的CODCr；TOC采用日本岛津TOC-500型总有机碳分析仪测定；SS采用重量法，在105℃下烘干至恒重进行测定；NH4+-N采用GB7479-87纳氏试剂比色法。试验从4月开始，到11月结束，该期间水温的变化范围为14～26.5℃，平均20℃；进水CODCr为143.40～575.42mg/L，平均250.60mg/L；TOC为25～85.6mg/L，平均56.7mg/L；SS为28～484mg/L，平均107.4mg/L；NH4-N平均为55.42mg/L。图1试验装置示意图2试验结果和分析讨论2.1常温下厌氧EGSB反应器对有机物的去除反应器内的接种污泥取自天津纪庄子污水处理厂消化池，反应器启动105天后，反应器中可见明显的颗粒污泥，粒径大约0.3～1.0mm，COD去除率达到20%～30%，认为启动完成，进入稳定运行阶段。由于一沉池出水COD浓度较低，因此厌氧EGSB反应器对COD的去除率并不高，平均为25.8%；对TOC的平均去除率为42.6%，如果出水以过滤计时，平均去除率可达到53.5%。该试验的有机物去除效率比有些文献报道[2]的数值偏低，分析原因可能是由于采用的是一沉池出水，水中的有机物主要是溶解态，EGSB反应器中污泥床的截留效果不明显。另外在常温下EGSB反应器的产气量很少。在7～8月运行过程中，EGSB反应器平均每天有0.41L的CH4生成，而这一阶段每天去除的平均COD量为58.5g。按照350mLCH4/gCOD的理论转化系数，可计算出产生410mLCH4相当于1.17g的COD，说明去除的COD中仅有2%被完全厌氧化了，证明厌氧反应不完全。对颗粒污泥性质的试验分析发现，反应器内颗粒污泥的产甲烷活性较小。试验过程中EGSB反应器的出水溶解性COD浓度平均大于进水值。进水溶解性COD与总COD的比值平均为0.61，而EGSB出水中这一比值变为0.78。出水溶解性COD的增大，说明厌氧阶段有较好的水解作用，它虽然对COD去除率的计算不利，但溶解性（易生物降解）有机成分比例的提高，有利于后续生物处理工艺的运行，使得整体处理系统能够获得较高的处理效果。根据试验结果推测有机物在EGSB反应器中转化过程为：当污水进入EGSB反应器后，首先利用污泥床的过滤及颗粒污泥表面的吸附作用，将进水中的有机物吸附网捕在颗粒污泥的表面，这是一个物理过程，一般只需要几秒到几十秒即可完成，然后水解酸化菌利用胞外分泌物将截留下来的有机物进行水解。在较短的水力停留时间（1.0～2.5h）下，EGSB反应器主要通过颗粒污泥的吸附和吸收等物理化学作用去除有机物，发生的厌氧生化反应则主要是水解反应。2.2温度对EGSB反应器处理效果的影响如图2所示，随着温度的升高，COD去除率有所增加，温度每升高10℃，COD去除率相应的大约增加10%。随着温度的提升，微生物的活性有所增加，从而可以提高对有机物的去除效率。图2温度对COD去除率的影响2.3EGSB反应器对有机物的快速去除能力图3显示的是EGSB反应器污泥床反应区的水力停留时间（不包括三相分离区）与COD去除率的关系。如图3所示，在试验范围内，当反应区水力停留时间在0.8～1h时，EGSB就有较稳定的COD去除率，而随着时间的延长，COD去除率有下降的趋势。为了进一步验证该试验结果，在试验过程中将反应器内的污泥取出进行了静态的厌氧降解试验，结果如图4所示。图4中的TOC降解曲线表明，在污水与厌氧污泥接触1.0h内，水中有机物浓度急剧下降，在1.5～2h的接触时间内有机物浓度趋于稳定。这说明，在本试验条件下，由于厌氧反应器去除有机物主要依靠颗粒污泥的吸附和吸收，这一过程在较短的停留时间内即可完成，过多的延长水力停留时间，并不会带来去除效果的改善。而延长水力停留时间，会使水流上升流速减小，削弱了水力搅拌作用，反应器的去除率反而会有所下降。图3反应区水力停留时间对COD去除率的影响图4有机物静态厌氧降解曲线2.4COD去除率与进水浓度和负荷的关系图5和图6分别显示了进水COD浓度和反应器容积负荷对COD去除率的影响关系。进水浓度或有机负荷的提高，都会加大反应器中基质与微生物之比，促进微生物生长，增强微生物活性和处理能力。在进水浓度变化范围不大的情况下，容积负荷增加，也表示水力负荷的增加，从而加大水流上升流速和增强搅拌能力，因此在一定界限内，增加进水基质浓度、提高有机负荷和水力负荷，有利于反应器去除能力的提高。如图5所示，当进水COD浓度从150mg/L增加到250mg/L时，COD去除率随进水浓度直线增加。许多城市污水处理厂沉砂池的出水COD浓度通常在300～400mg/L左右，若按此趋势推测，COD去除率应该能够达到50%以上。由图6可见，进水COD负荷在2～8kgCOD/m3·d范围内，COD去除率随负荷的增加有缓慢上升趋势，当进水COD负荷达到6～7kgCOD/m3·d（反应区内相应的水流上升流速为2.5～2.7m/h）时，去除率最好。图5COD去除率与进水COD浓度的关系图6COD去除率与COD投配负荷的关系2.5EGSB反应器对不同分子量有机物的去除能力为了深入研究EGSB反应器去除有机物的机理，本试验对EGSB反应器进出水的分子量分布进行了研究。试验选用中科院上海原子核研究所生产的截留分子量分别为10000、4000、1000的超滤膜测定水中有机物分子量。超滤膜的预处理方法为用超纯水浸泡漂洗三次(光滑面向下)，每次浸泡1h，然后用超纯水冲洗后放在冰箱内保存待用。①测定程序膜过滤测定水中有机物分子量分布步骤如下：先将0.45μm微滤膜装入抽滤器，加入纯水300mL，过滤250mL左右后将纯水液（包括滤过液和过滤器内剩余纯水）弃去，加入待测水样，弃去初滤液150mL，然后将滤过液收集以作进一步过滤并取样测定TOC，此时TOC测定结果为溶解性有机物含量，即DTOC。再用不同分子量的超滤膜对滤过液进行过滤，每级分子量过滤先过滤100mL超纯水再过滤水样，水样初滤液50mL弃去。抽滤器中水样不能滤干以防影响超滤膜性能。收集滤过液并测定TOC。②进出水中有机物的分子量分布试验过程中对EGSB的进出水进行了两次分子量分析试验，第一次和第二次测试时的反应器的水力停留时间和水温分别为：1.18h和20.5℃；2.71h和14.5℃。试验结果见表1和表2。表1第一次测得的EGSB进出水中有机物分子量分布分子量区间类别DTOC100004000～100001000～40001000进水TOC(mg/L)24.87.71.30.615.2占DTOC的百分比(%)315.22.461.3出水TOC(mg/L)15.84.23.30.38占DTOC的百分比(%)26.620.91.950.6去除率(%)36.345.5-153.850.047.4从测定结果可以看出，对DTOC和分子量10000的有机物去除率两次的试验结果是相当接近的。第二次试验时反应器的运行与第一次相比，进水流量减小了（由46L/h变为20L/h），相应的水解反应时间加长了（由1.18h增加到2.71h）。第一次试验结果是分子量在4000～10000之间的TOC值出现了出水比进水高的现象，而第二次测试则是分子量在1000～4000之间的TOC值出现这种情况，这说明水解反应时间的延长，能够促使有机物的分子量进一步减小。从分子量分析的结果还可以看出，快速厌氧过程一方面能够对小分子量有机物有较好的去除效果，也同时能够将大分子量有机物转化为中小分子量有机物。表2第二次测得的EGSB进出水中有机物分子量分布分子量区间类别DTOC100004000～100001000～40001000进水TOC(mg/L)33.59.21.62.320.4占DTOC的百分比(%)27.54.86.960.9出水TOC浓度(mg/L)20.24.70.83.910.8占DTOC的百分比(%)23.34.019.353.5去除率(%)39.748.950.0-69.647.13.结论①在进水COD浓度为143.4～293.6mg/L，容积负荷为0.88～9.38kgCOD/(m3·d)，水力停留时间为1.14～6.09h时，EGSB反应器对TOC的平均去除率为42.6%，如果出水以过滤计时，平均去除率为53.5%；对COD的平均去除率为25.8%。EGSB反应器能够提高水中溶解性COD与总COD之比，为后续处理工艺提供了更好的降解条件。②应用EGSB反应器处理城市污水，能够在1～2h接触时间内达到较稳定的处理效果。③在试验条件下，温度、进水有机物浓度、容积负荷的提高，都能使COD去除率有所增加。当水温从14℃上升到26℃时，温度每升高10℃，COD去除率相应增加10%左右。当进水COD浓度从150mg/L增加到250mg/L时，COD去除率随进水浓度直线增加。控制进水COD负荷在6～7kgCOD/m3·d范围内，去除率较好。EGSB厌氧反应器EGSB为（ExpandedGranularSludgeBed，简称EGSB）膨胀颗粒污泥床厌氧反应器，以合适的流速，使厌氧反应器的颗粒污泥呈现膨胀状态，废水与污泥能够充分接触。EGSB厌氧反应器