淺談常溫厭氧EGSB反應器的工藝性能與凈化機理的應用
目前，國內還沒有采用EGSB工藝處理城市污水的工程實例。本研究應用厭氧污泥膨脹床反應器（EGSB）分別串聯厭氧生物濾池、好氧生物濾池和活性污泥法三種不同的工藝，進行城市污水處理試驗研究。本文重點介紹常溫條件下EGSB工藝的處理性能、有機物去除機理及工藝運行的影響因素。用EGSB與初沉池相比，有機物的去除效率得到提高，同時能夠處理剩余污泥。該工藝特別適合中小型城市污水處理廠。
長期以來好氧生物處理技術，尤其是活性污泥法一直是我國城市污水處理廠的主體工藝，它具有處理效率高、出水水質好的特點，但它也存在能耗高、運行費用大、剩余污泥產量多等缺點。隨著大批城鎮(zhèn)污水處理廠建設事業(yè)的發(fā)展，急需開發(fā)能耗低、剩余污泥產量少、適合中小型污水處理廠的新工藝。厭氧生物處理技術因其具有能耗低、污泥產量少的特點，在許多發(fā)展中國家（例如巴西、哥倫比亞、印度等）的城市污水處理中得到廣泛應用。厭氧生物處理技術有多種不同的工藝，王凱軍等人開發(fā)的城市污水厭氧水解工藝，一般采用厭氧接觸法和升流式厭氧污泥床（UASB）。據國外研究表明，應用UASB在常溫下處理低濃度城市污水時，由于產氣量少，反應器內混合強度低，污泥床內很容易形成短流和死區(qū)，使得處理效率下降或反應器難以正常運行。為克服UASB工藝的缺點，Lettinga教授等開發(fā)出了適應常溫或低溫、低濃度污水處理的厭氧顆粒污泥膨脹床工藝（EGSB），通過加大污泥床水流上升流速，增強攪拌混合和傳質過程，提高處理效率。目前，國內還沒有采用EGSB工藝處理城市污水的工程實例。本研究應用厭氧污泥膨脹床反應器（EGSB）分別串聯厭氧生物濾池、好氧生物濾池和活性污泥法三種不同的工藝，進行城市污水處理試驗研究。本文重點介紹常溫條件下EGSB工藝的處理性能、有機物去除機理及工藝運行的影響因素。用EGSB與初沉池相比，有機物的去除效率得到提高，同時能夠處理剩余污泥。該工藝特別適合中小型城市污水處理廠。
1 試驗裝置和方法
本研究利用天津紀莊子污水處理廠的一沉池出水，在污水廠內進行現場試驗。厭氧部分試驗裝置（EGSB反應器）如圖1所示。反應器采用有機玻璃柱加工而成。反應區(qū)高2.00m，內徑150mm，三相分離區(qū)高0.80m，內徑185mm，放縮段高0.03m；反應柱高度方向上，設置了5個取樣口；EGSB反應器出水進入后續(xù)處理反應器；進水流量用轉子流量計測定；EGSB反應器的產氣用濕式氣體流量計計量。
主要分析項目及方法：
CODCr采用GB11914-89重鉻酸鉀法，溶解性COD（CODSol）為用中速定量濾紙過濾后測定的CODCr；TOC采用日本島津TOC-500型總有機碳分析儀測定；SS采用重量法，在105℃下烘干至恒重進行測定；NH4+-N采用GB7479-87納氏試劑比色法。
試驗從4月開始，到11月結束，該期間水溫的變化范圍為14～26.5℃，平均20℃；進水CODCr為143.40～575.42 mg/L，平均250.60 mg/L；TOC為25～85.6 mg/L，平均56.7 mg/L；SS為28～484 mg/L，平均107.4 mg/L；NH4-N平均為55.42 mg/L。
圖1 試驗裝置示意圖
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2 試驗結果和分析討論
2.1 常溫下厭氧EGSB反應器對有機物的去除
反應器內的接種污泥取自天津紀莊子污水處理廠消化池，反應器啟動105天后，反應器中可見明顯的顆粒污泥，粒徑大約0.3 ～ 1.0 mm，COD去除率達到20% ～ 30%，認為啟動完成，進入穩(wěn)定運行階段。由于一沉池出水COD濃度較低，因此厭氧EGSB反應器對COD的去除率并不高，平均為25.8%；對TOC的平均去除率為42.6%，如果出水以過濾計時，平均去除率可達到53.5%。
該試驗的有機物去除效率比有些文獻報道[2]的數值偏低，分析原因可能是由于采用的是一沉池出水，水中的有機物主要是溶解態(tài)，EGSB反應器中污泥床的截留效果不明顯。另外在常溫下EGSB反應器的產氣量很少。在7～8月運行過程中，EGSB反應器平均每天有0.41 L的CH4生成，而這一階段每天去除的平均COD量為58.5 g。按照350 mLCH4/gCOD的理論轉化系數，可計算出產生410 mL CH4相當于1.17 g的COD，說明去除的COD中僅有2%被完全厭氧化了，證明厭氧反應不完全。對顆粒污泥性質的試驗分析發(fā)現，反應器內顆粒污泥的產甲烷活性較小。試驗過程中EGSB反應器的出水溶解性COD濃度平均大于進水值。進水溶解性COD與總COD的比值平均為0.61，而EGSB出水中這一比值變?yōu)?.78。出水溶解性COD的增大，說明厭氧階段有較好的水解作用，它雖然對COD去除率的計算不利，但溶解性（易生物降解）有機成分比例的提高，有利于后續(xù)生物處理工藝的運行，使得整體處理系統(tǒng)能夠獲得較高的處理效果。
根據試驗結果推測有機物在EGSB反應器中轉化過程為：當污水進入EGSB反應器后，首先利用污泥床的過濾及顆粒污泥表面的吸附作用，將進水中的有機物吸附網捕在顆粒污泥的表面，這是一個物理過程，一般只需要幾秒到幾十秒即可完成，然后水解酸化菌利用胞外分泌物將截留下來的有機物進行水解。在較短的水力停留時間（1.0 ～ 2.5 h）下，EGSB反應器主要通過顆粒污泥的吸附和吸收等物理化學作用去除有機物，發(fā)生的厭氧生化反應則主要是水解反應。
2.2 溫度對EGSB反應器處理效果的影響
如圖2所示，隨著溫度的升高，COD去除率有所增加，溫度每升高10℃，COD去除率相應的大約增加10%。隨著溫度的提升，微生物的活性有所增加，從而可以提高對有機物的去除效率。
圖2 溫度對COD去除率的影響
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2.3 EGSB反應器對有機物的快速去除能力
圖3顯示的是EGSB反應器污泥床反應區(qū)的水力停留時間（不包括三相分離區(qū)）與COD去除率的關系。如圖3所示，在試驗范圍內，當反應區(qū)水力停留時間在0.8～1h時，EGSB就有較穩(wěn)定的COD去除率，而隨著時間的延長，COD去除率有下降的趨勢。為了進一步驗證該試驗結果，在試驗過程中將反應器內的污泥取出進行了靜態(tài)的厭氧降解試驗，結果如圖4所示。圖4中的TOC降解曲線表明，在污水與厭氧污泥接觸1.0 h內，水中有機物濃度急劇下降，在1.5～2 h的接觸時間內有機物濃度趨于穩(wěn)定。這說明，在本試驗條件下，由于厭氧反應器去除有機物主要依靠顆粒污泥的吸附和吸收，這一過程在較短的停留時間內即可完成，過多的延長水力停留時間，并不會帶來去除效果的改善。而延長水力停留時間，會使水流上升流速減小，削弱了水力攪拌作用，反應器的去除率反而會有所下降。
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2.4 COD去除率與進水濃度和負荷的關系
圖5和圖6分別顯示了進水COD濃度和反應器容積負荷對COD去除率的影響關系。進水濃度或有機負荷的提高，都會加大反應器中基質與微生物之比，促進微生物生長，增強微生物活性和處理能力。在進水濃度變化范圍不大的情況下，容積負荷增加，也表示水力負荷的增加，從而加大水流上升流速和增強攪拌能力，因此在一定界限內，增加進水基質濃度、提高有機負荷和水力負荷，有利于反應器去除能力的提高。如圖5所示，當進水COD濃度從150 mg/L增加到250 mg/L時，COD去除率隨進水濃度直線增加。許多城市污水處理廠沉砂池的出水COD濃度通常在300～400 mg/L左右，若按此趨勢推測，COD去除率應該能夠達到50%以上。由圖6可見，進水COD負荷在2～8 kgCOD/m3·d范圍內，COD去除率隨負荷的增加有緩慢上升趨勢，當進水COD負荷達到6～7 kgCOD/m3·d（反應區(qū)內相應的水流上升流速為2.5 ～ 2.7 m/h）時，去除率最好。
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2.5 EGSB反應器對不同分子量有機物的去除能力
為了深入研究EGSB反應器去除有機物的機理，本試驗對EGSB反應器進出水的分子量分布進行了研究。
試驗選用中科院上海原子核研究所生產的截留分子量分別為10000、4000、1000的超濾膜測定水中有機物分子量。超濾膜的預處理方法為用超純水浸泡漂洗三次(光滑面向下)，每次浸泡1 h，然后用超純水沖洗后放在冰箱內保存待用。
① 測定程序
膜過濾測定水中有機物分子量分布步驟如下：先將0.45μm微濾膜裝入抽濾器，加入純水300mL，過濾250mL左右后將純水液（包括濾過液和過濾器內剩余純水）棄去，加入待測水樣，棄去初濾液150mL，然后將濾過液收集以作進一步過濾并取樣測定TOC，此時TOC測定結果為溶解性有機物含量，即DTOC。再用不同分子量的超濾膜對濾過液進行過濾，每級分子量過濾先過濾100 mL超純水再過濾水樣，水樣初濾液50 mL棄去。抽濾器中水樣不能濾干以防影響超濾膜性能。收集濾過液并測定TOC。
② 進出水中有機物的分子量分布
試驗過程中對EGSB的進出水進行了兩次分子量分析試驗，第一次和第二次測試時的反應器的水力停留時間和水溫分別為：1.18 h和20.5℃；2.71 h和14.5℃。試驗結果見表1和表2。
表1 第一次測得的EGSB進出水中有機物分子量分布
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從測定結果可以看出，對DTOC和分子量>10 000的有機物去除率兩次的試驗結果是相當接近的。第二次試驗時反應器的運行與第一次相比，進水流量減小了（由46 L/h變?yōu)?0 L/h），相應的水解反應時間加長了（由1.18 h增加到2.71 h）。第一次試驗結果是分子量在4000～10 000之間的TOC值出現了出水比進水高的現象，而第二次測試則是分子量在1000～4000之間的TOC值出現這種情況，這說明水解反應時間的延長，能夠促使有機物的分子量進一步減小。從分子量分析的結果還可以看出，快速厭氧過程一方面能夠對小分子量有機物有較好的去除效果，也同時能夠將大分子量有機物轉化為中小分子量有機物。
表2 第二次測得的EGSB進出水中有機物分子量分布
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3. 結論
① 在進水COD濃度為143.4～293.6 mg/L，容積負荷為0.88～9.38 kgCOD/(m3·d)，水力停留時間為1.14～6.09 h時，EGSB反應器對TOC的平均去除率為42.6%，如果出水以過濾計時，平均去除率為53.5%；對COD的平均去除率為25.8%。EGSB反應器能夠提高水中溶解性COD與總COD之比，為后續(xù)處理工藝提供了更好的降解條件。
② 應用EGSB反應器處理城市污水，能夠在1～2h接觸時間內達到較穩(wěn)定的處理效果。
③ 在試驗條件下，溫度、進水有機物濃度、容積負荷的提高，都能使COD去除率有所增加。當水溫從14℃上升到26℃時，溫度每升高10℃，COD去除率相應增加10%左右。當進水COD濃度從150 mg/L增加到250 mg/L時，COD去除率隨進水濃度直線增加。控制進水COD負荷在6～7 kgCOD/m3·d范圍內，去除率較好。
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