水解與顆粒污泥膨脹床串聯(lián)工藝處理城市污水

摘要：提出了常溫下水解(HUSB)和顆粒污泥(EGSB)反應器串聯(lián)處理城市生活污水的新工藝以提高懸浮性和溶解性COD的去除率。在T＞15℃和T=12℃條件下，工藝可分別達到70%總COD、85%SS的去除率和60%總COD、77%SS的去除率。HUSB反應器的水力停留時(shí)間是3h，用于預處理去除SS和提高出水COD的溶解性和可生化性，其SS、懸浮性COD的去除率分別為86%和66%，并超過(guò)50%的污泥水解率。在T=8～12℃時(shí)，EGSB反應器的水力停留時(shí)間是2h，可獲得60%總COD去除率和23～70 L/m3污水的沼氣產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：廢水處理 生活污水 厭氧處理 水解 水解升流污泥床 粒污泥膨脹床

筆者與他人在厭氧(水解)處理低濃度污水的研究中發(fā)現水解反應器(HUSB)在短的停留時(shí)間(HRT=2.5 h)和相對高的水力負荷［＞1.5 m3/(m2·h)］下獲得高的SS去除率(實(shí)驗室和生產(chǎn)性試驗中分別取得平均90%和85%的SS去除率)，并可改善原污水的可生化性和溶解性，以利于好氧后處理工藝［1、2］。但是，其COD去除率僅有40%～50%，溶解性COD的去除率更低，事實(shí)上僅能夠起到預酸化作用。與此同時(shí)，在荷蘭Wageningen 農業(yè)大學(xué)進(jìn)行的傳統UASB和EGSB反應器、特別是EGSB的研究發(fā)現其可有效地去除溶解性 COD 組分，但對于懸浮性COD的去除很差［3］。上述研究表明，兩種各自開(kāi)發(fā)的處理工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是互補的。因此，聯(lián)合進(jìn)行了HUSB+EGSB串聯(lián)工藝處理城市污水的合作研究(見(jiàn)圖1)。

1 材料和方法

1.1反應器，接種物和啟動(dòng) HUSB反應器(200L)直接運行在滿(mǎn)水力負荷下，即HRT=3.0h和v=1.0m/h的上升流速下。EGSB反應器(120L)在兩個(gè)月后啟動(dòng)，采用出水回流保持高的上升流速。試驗采用Benneom村的合流制生活污水在常溫下進(jìn)行。HUSB接種 Renkum污水處理廠(chǎng)消化污泥，EGSB 接種顆粒污泥取自面粉加工廠(chǎng) UASB 裝置，最大甲烷菌比活性分別為0.14和0.21kgCH4-COD/(kgVSS·d)(30℃)。間歇回流試驗設備包括一個(gè)內徑53mm、高度為600m(總體積為1.25L)反應柱和一個(gè)工作容積為5L的容器(圖1b)［4］。從連續運行的EGSB反應器內取出1L的顆粒污泥放入反應柱內，在試驗完畢后顆粒污泥放回EGSB反應器。 1.2取樣和分析方法 化學(xué)分析取24h混合樣(保存在4℃冰箱內)。SS、BOD5、凱氏氮和總磷采用原污水樣，VFA、NH3-N、NO2-N、NO3-N、PO43-P的測定采用濾紙(孔徑4.4μm)過(guò)濾樣，污泥濃度和上述分析采用標準方法［5]COD采用微量測定方法［6］，CODt、CODm和CODf分別代表總COD、0.45μm和4.4μm濾紙過(guò)濾的COD，膠體CODc和懸浮CODs分別被定義為CODf與CODm之差、CODt和CODf之差。

2 HUSB反應器的運轉結果

2.1運轉結果 水解反應器在整個(gè)試驗期間的水力停留時(shí)間為3.0h，總COD去除率在30%～50%之間變化。懸浮性和膠體性COD的平均去除率分別達60%和20%，不出所料在反應器內基本沒(méi)有溶解性COD的去除率。雖然進(jìn)水濃度和溫度變化很大，但反應器的運行相當穩定，很明顯可適應進(jìn)水的波動(dòng)，因此它可減少沖擊負荷，這一特點(diǎn)對于后處理肯定有益。 按進(jìn)水濃度和溫度變化，運轉結果可分為幾組數據(表1)。在低溫條件下(T=11℃，190～206d)觀(guān)察到最低的COD去除率，這時(shí)進(jìn)水濃度從600mg/L減少到300mg/L，COD去除率從40%降低到10%，主要是由于雨季的進(jìn)水濃度低所引起，因為在進(jìn)水濃度較高的低溫條件下(207～272d，T=12℃)，CODt的去除率并沒(méi)有降低。

表1 溫度和濃度與去除率之間的關(guān)系 階段（d) 數據（N） 溫度 CODt (mg/L) CODf (mg/L) CODm (mg/L) SS (mg/L) VFA(mg/L） COD去除率（%） SS去除率（%） 范圍 平均 進(jìn)水 出水 Et Ef/t Em Ee Es 1～189 113 14～21 17 697 342 197 237 59 107 38 52 -2.6 23 65 83 190～204* 8 9～12 11 318 170 100 171 13 34 11 45 7.3 -16 25 77 206～272 39 8～13 12 507 286 116 154 40 73 37 57 16.1 39 49 75 總平均 8～21 650 321 187 217 54 99 37 53 -0.9 23 58 81 注 *為雨季及寒冷季節數據；VFA以VFA-COD計； Et=100×{CODt(進(jìn)）-CODt(出）}/CODt(進(jìn)）；Ef/t=100×{CODt(進(jìn)）-CODt(出）}/CODt(進(jìn)）； Em=100×{CODm(進(jìn)）-CODm(出）}/CODm(進(jìn)）；Ec=100×{CODc(進(jìn)）-CODc(出）}/CODc(進(jìn)）； Es=100×{CODs(進(jìn)）-CODs(出）}/CODs(進(jìn)）；

2.2 剩余污泥的產(chǎn)生和去除平衡 在幾個(gè)特定期間進(jìn)行了水解反應器污泥和COD的平衡試驗，數據見(jiàn)圖2。在水解反應器采用污泥水解率來(lái)表示污泥穩定化程度，從圖2的數值可以計算出水解率為53%，這表明相當量被去除的SS轉化為溶解性物質(zhì)(或膠體COD)，因此本工藝在Ｔ=19℃條件下取得了一定的污泥穩定化(R=53%)。除了SS的去除和液化，在反應器內也發(fā)生了相當程度的酸化反應，因為在反應器中VFA從60mg/L增加到112mg/L。COD的平均去除率為40%，而去除的37%的COD仍然保留在污泥中或作為剩余污泥被排放，其余去除的COD(175mg/L)可能的降解途徑包括甲烷化過(guò)程、硫酸鹽還原和氫氣的產(chǎn)生。在出水中存在著(zhù)大約25mg/L的溶解性甲烷，在20℃下相當于100mg/L的COD。Bennekom生活污水包含15mgSO42--S/L［3］，其完全還原要消耗30mgCOD/L，這些數據加上可能逸出到氣相的CH4和H2可構成較為完全的物料平衡。

2.3 出水性質(zhì) 為了評價(jià)水解反應器的運行效果，反應前后的污水特性列于表2和圖3中，最為顯著(zhù)的變化是BOD/COD值和污水有機物溶解性的變化，這些指數的升高表明總COD中易生物降解性組分的增加，表2中的結果也表明VFA的增加。雖然從圖3和表2的數據還不能得出水解反應發(fā)生的結論，但SS的物料平衡監測可以證實(shí)去除的SS確實(shí)發(fā)生了水解。

表2 水解反應前后污水性質(zhì)的變化（HRT=3.0h） 項目 CODt(mg/L) BOD5(mg/L) SS(mg/L) BOD5f/BOD5 VFA/CODT BOD5f/COD CODt/CODt CODm/CODt 進(jìn)水 650 346 217 0.67 0.09 0.54 0.49 0.29 出水 397 254 33 0.91 0.25 0.61 0.73 0.49

3 EGSB和系統運行結果

3.1 運轉結果 表3匯總了EGSB反應器在不同的HRT、上升流速(v)和溫度條件下的試驗結果，從這些結果可以看出EGSB反應器的去除效率幾乎不受停留時(shí)間的影響。去除率不同與采用的上升流速密切相關(guān)，并且主要反映在溶解性和懸浮性COD的去除上。在高的上升流速下(v=12 m/h)懸浮性和膠體性COD組分的去除效率很差；當上升流速在6.0m/h以下時(shí)，處理效果良好，這表明對于低濃度污水(如城市污水)，采用較低的上升流速是適合的，雖然在低溫條件下(T=12 ℃)觀(guān)察到去除率的降低，但是沒(méi)有進(jìn)一步的證據表明系統在低溫條件下已超負荷。事實(shí)上與此相反，在整個(gè)試驗期間出水VFA平均為1.2mgVFA-COD/L，即使在寒冷氣候條件下仍保持低的水平值(2.0mg/L)，系統仍然處于低污泥負荷，很明顯對有機物的處理潛力沒(méi)有被充分利用。在T＞15 ℃和T=12 ℃時(shí)沼氣產(chǎn)量分別是70 L/m3和23 L/m3(污水)，并且甲烷含量為80%。

3.2 整個(gè)工藝流程的運轉結果 根據常溫條件下(9～21 ℃)總停留時(shí)間為5 h的運轉結果，從處理效率、產(chǎn)氣量和污泥穩定化程度等方面講是令人鼓舞的(見(jiàn)表4)。

在旱季和T>15℃條件下，總COD去除率為70%；在雨季和寒冷氣候條件下(T=12℃)，系統的COD去除率有所下降(40%～60%)，但最終出水COD維持在同一水平，即200～250mg/L。本試驗采用的HRT為5.0h，但以往的研究結果表明采用更短的HRT是可能的。在溫和氣候條件下建議水解反應器的HRT采用2.5～3.0h，EGSB采用1.0～2.0h。 3.3 膠體性COD的去除 為了評價(jià)UASB和EGSB反應器對于膠體物質(zhì)的去除效率，分別進(jìn)行了補充回流降解試驗(表5)。雖然在UASB和EGSB運行條件下膠體的CODc最終可以被很好地降解(去除率分別為63%和80%)，但在24 h去除率僅為32%和23%。這樣差的去除效率是由于膠體物質(zhì)不能被甲烷菌直接利用，只有水解和酸化發(fā)酵的產(chǎn)物才能被甲烷菌利用。

4 討論和結論

在本研究中，發(fā)現采用EGSB系統對溶解性COD的去除可以完全歸結為VFA的去除，而非酸性溶解性組分在EGSB出水中保持一個(gè)恒定的水平(圖3)。因此反應的限速階段是膠體COD的去除，其占EGSB反應器出水的80%。Yodo等人(1985)曾報道有60%～70%進(jìn)水中的膠體物質(zhì)經(jīng)處理后很難去除仍保留在厭氧流化床出水中［7］，但他們也報道過(guò)這種組分很容易采用好氧后處理去除。Breure等人(1991)報道蛋白質(zhì)從來(lái)不能在厭氧反應器中被完全水解，并且這種基質(zhì)比其他基質(zhì)(如碳水化合物)更難降解［8］。另一方面，HUSB反應器在低溫條件下去除的CODs和CODc水解和酸化率較低，導致HUSB反應器的污泥穩定化程度降低，因此系統最終很可能僅使污泥得到部分的穩定化[9]。 為了改善系統在寒冷季節污泥的穩定化程度和對于膠體物質(zhì)的去除效率，HUSB反應器配合一個(gè)污泥穩定裝置，其與水解反應器并聯(lián)運行，可以改善水解污泥的排泥穩定性?？紤]到EGSB反應器在相關(guān)的溫度范圍具有相當高的降解VFA和可生物降解溶解性COD的潛力這一事實(shí)，采用這種污泥穩定工藝可以主要限于水解和酸化階段。酸化后的污泥將回流到水解反應器中，產(chǎn)生的VFA 將隨HUSB反應器的出水進(jìn)入EGSB反應器。此工藝對于低濃度復雜廢水的處理具有下列優(yōu)點(diǎn)：①提供了污泥進(jìn)一步甚至完全的穩定，從而減少了污泥產(chǎn)量；②可以利用EGSB反應器的處理潛力，增加了沼氣的產(chǎn)量和能源的回收；③對復雜廢水不僅處理了溶解性組分，也處理了懸浮性和膠體性物質(zhì)。 通過(guò)研究可以得出如下結論： ①在常溫條件下(9～21 ℃)采用HUSB和EGSB反應器串聯(lián)工藝處理低濃度城市生活污水，在水力停留時(shí)間、處理效率、沼氣產(chǎn)率和污泥穩定化方面比其一級UASB系統具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在5.0h的水力停留時(shí)間和T>15℃或T=12℃條件下，可分別獲得71%的COD 83%的SS和51%的COD 76%的SS去除率。 ②HUSB反應器提供了有效去除有機物(特別是懸浮性固體)以及進(jìn)而的液化和酸化反應。高的懸浮物去除率歸結于污泥和污水的充分接觸，適當的啟動(dòng)措施對于抑制甲烷產(chǎn)生起了重要的作用。 ③在整個(gè)試驗期間，EGSB反應器的沼氣產(chǎn)量十分穩定，產(chǎn)生的沼氣主要在氣相(在T＞15℃超過(guò)60%)中并值得回收。低的出水VFA數值表明系統在HRT=2.0h時(shí)仍處于低負荷，基于本研究及其以前研究的結果，建議HUSB和EGSB反應器適當的HRT分別為2.5～3.0h和1.0～2.0h，即整個(gè)系統的停留時(shí)間為3.5～5h。技術(shù)上的簡(jiǎn)單性并配以可觀(guān)的能源回收，使整個(gè)系統成為有吸引力的城市污水替代工藝。 ④在出水中相對高的膠體COD濃度表明膠體物的進(jìn)一步去除或這種細小物質(zhì)的進(jìn)一步轉化是城市污水厭氧處理工藝中的限速階段，為了完全穩定地去除SS，在本研究中提出了與HUSB反應器并聯(lián)的污泥穩定工藝。這種方式對提高HUSB反應器水解污泥能力需要進(jìn)一步試驗考察。

1 王凱軍.厭氧(水解)處理低濃度污水.中國環(huán)境出版社.1992 2 王凱軍，鄭元景，徐冬利.水解—好氧生物處理工藝處理城市污水.環(huán)境工程，1987；5(4～6) 3 Last A R M van der，Lettinga G.Anaerobic Treatment of Domestic Sewage under Moderate Climatic (Dutch) Conditions Using Upflow Reactors at Increased Superficial Velocities.In: Proceedings Congress IAWPRC Anaerobic Digestion‘91 Sao Paul，Brazil.1991 4 王凱軍.間歇回流實(shí)驗評價(jià)廢水厭氧可生化性.中國給水排水，1993;(5)：4～6 5 Dutch Standard Normalized Methods.The Netherlands Normalisation Institute，Box 5059，2600 GB Delft，The Netherlands 6 Knechtel J R.A more economical method for the determination of chemical oxygen demand.Water and Pollution Control，1978;166:25～29 7 Yoda M，Hattori M，Miyaji Y.Treatment of Municipal Wastewater by Anaerobic Fluidized Bed:Behaviour of Organic Suspended Solids in Anaerobic Reactor，Seminar Anaerobic Treatment of Sdewage，June 1985，Amhorst，USA.161～196 8 Breure A M.Phase Separation in Anaerobic Digestion，In:Anaerobic Reactor Technology，International Course on Anaerobic Wastewater Treatment，IHE and WAU，the Netherlands.1991.151～160 9 Schellinkhout A，Collazos C J.Full Scale Application of the UASB Technology for Sewage Treatment.In:Proc.Cong.IAWPRC Anaerobic Digestion‘91，1991;145～152