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1、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
2、 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
3、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
4、 。 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 ， L
5、ettinga 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
6、 ， 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
7、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 GB1
8、1914-89 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 143.40 575.42 mg/L，平 均
9、 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， CO
10、D 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
11、 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 ，
12、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
13、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
14、 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
15、 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 ， EG
16、SB 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
