变速厌氧生物滤池处理城市污水研究

龙腾锐 何强

( 重庆建筑大学)；陈士年(贵州省规划设计研究院)

摘要：研窟了以炉渣、陶粒、核桃壳为填料的三种变速厌氧滤池处理城市污水的工况，并对影响反应器性的因素作了分析。结果表明，在负荷2.31和4.54kgCOD/M 3 ·d下，三种滤池的出水COD均<100和150mg/L，分别达到国家有关排放标准。

1 前言

变速厌氧生物滤池是在普通厌氧滤池 [1、2] 的基础上发展起来的污水处理新设备。该工艺的特点是上向水流为变速流，即滤速沿出水方向逐渐减小，这样不仅有利于泥水分离，维持反应器内较高的生物浓度，而且由于下部滤速相对较大，不易造成反应器的堵塞，给维护管理带来方便。

2 试验装置与试验过程

2.1试验装置和材料

试验采用三套相同的变速生物滤池，用三种滤料同时进行试验，池体均用有机玻璃制成，总高度2225mm，有效容积37.62L，部分设计参数见表1。
试验用的三种填料分别为核桃壳、炉渣和陶粒，装填高度内外均为400mm，其基本物理参数见表2。

*该高度不包括水头损失和超高，共600mm

试验污水取自贵阳市某城市下水道，水温3～23℃之间。经2.0×2.0mm窗纱过滤后，SS72～179mg/L，BOD 5 50.9～86.5mg/L，COD Cr1 99~299mg/L，pH为7.3～7.7。

2.2试验过程
试验分启动阶段、负荷运行阶段和温度影响三个试验阶段。
2.2.1 启动阶段
试验的接种污泥活性较低，测得其最大比COD去除速率为0.16kgCOD/kgVSS·d。启动时，在三个反应器中分别加入3.3L接种污泥，污泥浓度为6.9g/L，然后加入试验污水，静置2d后连续运转，控制水力停留时间(HRT)为36h，相应的污泥负荷为0.32kgCOD/kgVSS·d。两周后发现三种填料均明显挂膜，COD去除率均在60%以上，至此认为启动阶段结束。
2.2.2负荷运行阶段
负荷运行阶段在温度变动很小的条件下进行，水温变动于17~20℃之间。由于水质在试验期间变动不大(均为城市下水道新鲜污水)，所以负荷的变动通过调整HRT来实现，取HRT18、12、8和4h，相应的负荷分别为0.276、0.456、0.897和1.758kgCOD/m 3 ·d，每个负荷段均运行10d左右，以保证测试数据可靠。
在负荷运行阶段，滤池内碱度均变动于250~400mg/L之间(以CaCO 3 计)，挥发酸均在20mg/L以下。三滤池COD去除率为50~78%，SS去除率77~95%。
2.2.3温度的影响试验
负荷运行阶段试验结束后作了温度的影响试验，在HRT为12h条件下，作了温度为17~20℃、10~13℃、3~6℃三个温度段的试验。
整个试验过程历时160d。
3.试验结果与分析

3.1试验结果
负荷运行期试验结果如表3所示，温度的影响试验结果如表4所示。

3.2结果分析
3.2.1 填料对处理效果的影响
在厌氧生物滤池中，填料为厌氧微生物提供附着生长的表面积，填料的空隙率、比表面积对反应器所能承受的有机负荷、处理效果都有较大影响。Van den Beng等人 [3] 在研究填料时发现，并非比表面积越大越好；Song和Young [4] 在研究填料对厌氧滤池的影响时发现，填料的比表面积对滤池运行影响很小，而填料对水流的再分配状况有更重要的影响。因此，他们认为填料充填方式以及填料本身的形状至关重要。在本试验中，孔隙率并非最小(比表面积并非最大)的炉渣的处理效果，优于相同条件下的陶粒和核桃壳的处理效果，说明孔隙率、比表面积确实不是决定处理效果的唯一因素。
就城市污水处理，由于污水中SS占COD 的50%左右，且厌氧滤池常有堵塞之虞，所以仅靠选择小粒径的填料是不可取的。为了达到较高的处理要求，可以增加填料的高度，并有利于厌氧细菌菌属的自然分层，但工程上应用也不宜过高。有研究指出，填料装填高度应保证水流穿过填料的时间>30min。本研究填料装填高度0.4m，因双向流实际水流穿过的填料高度是0.8m，经计算除陶粒在HRT=4h时过滤时间为26.7min，其余均超过30min。试验结果表明，三种填料在一定的HRT下，均有较好的处理效果。

注:表3、4中，填料①核桃壳，②炉渣，③陶粒
3.3.2 水力停留时间(HRT)及负荷Nv对处理效果的影响
Young和McCarty [5] 总结了许多厌氧滤池的试验结果，提出了预测BOD u 去除率的关系式(30~35℃):
E=100(1—1.8/HRT) (1)式中E——预计溶解性BOD u 去除率，%
HRT——滤池空池水力停留时间，h
由式(1)可知，厌氧生物滤池的BOD去除率只取决于HRT，并且HRT必须>1.8h，本试验中最低HRT为4h。
负荷Nυ是生物反应器的主要控制参数之一，厌氧滤池处理高浓度有机废水时负荷可高达10～30kgCOD/m 3 ·d [6] ，但对城市污水很难达到如此高的负荷，本试验最高负荷为8.9KgCOD/m 3 ·d。
HRT、负荷Nv与COD去除率关系如表5。图2、3、4分别是COD、BOD 5 、SS与HRT (Nv)的关系曲线。


从图2可以看出，三种填料的出水COD随HRT的减小即负荷的增大而增大。当HRT≥12h、Nv≤2.31kgCOD/m 3 ·d时，出水COD都在100mg/L以下，符合GB8978-88中新扩改一级综合排放标准；当HRT≥8h、Nv≤4.54kgCOD/m 3 ·d时，出水COD都在150mg/L以下，符合现有一级综合排放标准；当HRT=4h、Nv=8.90kgCOD/m 3 ·d时，进出水的溶解性COD非常接近(去除率11%左右)，而总COD去除率接近50%，可以认为此时滤池仅起截留作用，去除的COD主要是非溶解性的。不同填料，效果最好的是炉渣，陶粒次之，核桃壳相对效果最差，如表5。


3.2.2 温度对处理效果的影响
在生化处理过程中，温度不仅影响微生物的生存和筛选竞争，而且影响反应速率。利用厌氧工艺处理城市污水时，由于污水中有机物浓度低，很难利用所产沼气的热值来填补厌氧反应器中温或高温消化所需的加热量。所以，尽管厌氧消化过程受温度的影响明显，但近年来纷纷研制开发常温下正常运行的厌氧反应器，它的特点是生物量高，以其较高的生物活性酶浓度来补偿或缓冲温度的影响，使反应器在常温下仍可进行正常的厌氧消化过程。
图5、6、7分别为温度与COD、BOD 5 和SS 去除率的关系曲线。
从图5可以看出，随着温度的降低，COD 的处理效率大幅度下降，当温度在低温区(4.4~11.5℃)变动时，三种填料滤池出水COD相差不大。特别是当T=4.4℃时，三种填料出水的溶解性COD都较进水高(高出24.3~30.8%)，说明反应器中微生物在低温刺激下会分解产生溶解性COD，总COD的去除纯粹是过滤去除SS的结果。
从图6可以看出，BOD 5 随温度的降低其去除率与COD类似地大幅度下降，与COD不同的是即使在低温下，反应器仍有一定的溶解性BOD 5 去除率(4.78~10.5%)。



由图7可看出，在试验温度的变化范围内，对SS的去除率没有明显影响。
3.2.3 反应器中的微生物
试验中用光学显微镜观察发现，填料表面生物膜呈黑色绒状。在三种厌氧滤池中，微生物以球菌最多，随着试验过程的进行，腐生型原生动物量增加，同时化能型细菌(如硫酸菌等)时常出现。

4 动力学模型

由于城市污水是低浓度污水，因此认为符合一级反应的假定，可表示为:
-ds/dt=KS(1)式中S——基质浓度
t——反应时间
K——反应速率常数
需说明，在厌氧生物滤池中BOD 5 的降低有相当部分来自对SS的截留，这是个物理过程，所以在动力学模式研究中，基质浓度均以溶解性BOD(SBOD)表示。
式(1)积分得:

式中S o 、S e ——进、出水溶解性BOD 5
HRT——水力停留时间
由式(2)得:

式中E——溶解性BOD 5 去除率
由式(4)得:
In(1一E)=-K·HRT(5)
表6为试验中SBOD 5 去除率与HRT的关系，通过计算机对其进行线性回归，得城市污水SBOD 5 去除率E随HRT变化的动力学模式为:

(6)、(7)、(8)三式的相关系数分别为0.998、0.966、0.995，查相关系数检验表可知 [7] 当子样容量为4、置信度95%时，临界相关系数为0.95，所以(6)、(7)、(8)三式的模拟关系是可信的。

5 结论

① 变速厌氧滤池采用粒径2.0~5.0mm 的核桃壳、2.0~5.0mm的炉渣和2.0~2.5mm的陶粒作填料，以城市污水启动(COD200 ~300mg/L、BOD 5 60~90mg/L)，负荷为0.32kgCOD/kgVSS·d，温度17~20℃，一个月左右即可完成启动过程，COD和BOD 5 的去除率可稳定在60%以上。
② 当水力停留时间HRT≥12h、Nv≤2.31kgCOD/m 3 ·d时，三种滤池出水COD都<100mg/L；当HRT≥8h、Nυ≤4.54kgCOD/m 3 ·d时，出水COD均<150mg/L。
③ 变速厌氧生物滤池的变速澄清区，对于维持反应器的厌氧状态和生物量浓度(防止污泥流失)有重要作用。
④ 变速厌氧生物滤池处理城市污水的动力学模式为文中式(6)、(7)、(8)。
延长反应器HRT，可有效地提高处理效率。

6 参考资料

1.钱易，“城市污水厌氧生物处理的研究与实践”，《中国给水排水》，Vol.9，NO.1，1993
2.严月根，“低浓度污水生物处理的进展”，《中国给水排水》，Vol.4，NO.5，1988
3. Van den Beng, et. al, "Effect of Film Area-to Volume Rotio,Film Support, Height and Direction of Flow on Performance of Methanogenic Fixed-Film Treatment ",Rpt. NO. ANLICNSU-TM-50, Argonne Natl, Lab, Argonne,Ⅲ,1980
4. Song, Ki-Ho, Young, J. C, "Media Design Factors for Fixed-Bed Filters",J. WPCF,Vol. 58,NO. 2,1986
5. Young, J. C &McCarty,P. L,"The Anaerobic Filter for Waste Treatment", Tech. Report NO. 87,Stanford Univ,1968
6. Liu,B. M. et. al, "Loading Capacity of a Packed-Bed Anaerobic Reactor". J. WPCF. Vol. 63,NO. 2,1991
7.马逢时等，《应用概率统计》，高等教育出版社，1989
作者简介:龙腾锐教授兼国家城市给水排水工程技术研究中心副主任
通讯处:630045重庆市沙坪坝重庆建筑大学城建学院
① 本文作者还有周勇同志。