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：
　　COD_Cr采用GB11914-89重铬酸钾法，溶解性COD（COD_Sol）为用中速定量滤纸过滤后测定的COD_Cr；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COD_Cr为143.40～575.42 mg/L，平均250.60 mg/L；TOC为25～85.6 mg/L，平均56.7 mg/L；SS为28～484 mg/L，平均107.4 mg/L；NH₄-N平均为55.42 mg/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 ～ 1.0 mm，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0.41 L的CH₄生成，而这一阶段每天去除的平均COD量为58.5 g。按照350 mLCH₄/gCOD的理论转化系数，可计算出产生410 mL CH₄相当于1.17 g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 ～ 2.5 h）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

2.3 EGSB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1.0 h内，水中有机物浓度急剧下降，在1.5～2 h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

2.4 COD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150 mg/L增加到250 mg/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300～400 mg/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2～8 kgCOD/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6～7 kgCOD/m³·d（反应区内相应的水流上升流速为2.5 ～ 2.7 m/h）时，去除率最好。

图5 COD去除率与进水COD浓度的关系 　　图6 COD去除率与COD投配负荷的关系

2.5 EGSB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1 h，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100 mL超纯水再过滤水样，水样初滤液50 mL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：1.18 h和20.5℃；2.71 h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

　　从测定结果可以看出，对DTOC和分子量>10 000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46 L/h变为20 L/h），相应的水解反应时间加长了（由1.18 h增加到2.71 h）。第一次试验结果是分子量在4000～10 000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

3. 结论

　　① 在进水COD浓度为143.4～293.6 mg/L，容积负荷为0.88～9.38 kgCOD/(m³·d)，水力停留时间为1.14～6.09 h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150 mg/L增加到250 mg/L时，COD去除率随进水浓度直线增加。控制进水COD负荷在6～7 kgCOD/m³·d范围内，去除率较好。

参考文献

[1] 王凯军. 低浓度污水厌氧-水解处理工艺. 北京: 中国环境科学出版社. 1992.
[2] Lucas Seghezzo, Grietje Zeeman, Jules B. van Lier, H.V.M.Hamders and Gatze Lettinga. A review: The anaerobic treatment of sewage in UASB and EGSB reactors. Bioresource Technology, 1998，65: 175-190.
[3] 季民, 霍金胜. 厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）的工艺特征与运行性能. 工业用水与废水, 1999, 30(4): 1-4.
[4] 吴昌敏. 常温EGSB工艺在城市污水处理中的应用及其后续工艺的研究. 天津大学硕士学位论文, 2002, 1.