出　　自： 《中國給水排水》 1988年第5期第23頁
發(fā)表時間： 1988-5

王凱軍；劉玫；鄭元景

( 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所)

摘要：本研究基于近年來厭氧處理在低濃度污水處理領(lǐng)域進(jìn)展而進(jìn)行的。在常溫下采用水解——好氧生物處理工藝，工藝具有下列特點(diǎn):(1)在同樣的水力停留時間(2～3h)下，采用水解池取代傳統(tǒng)初次沉淀池；(2)利用水解、產(chǎn)酸菌，將懸浮性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庑杂袡C(jī)物，將復(fù)雜大分子物質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)，并使水解出水更適合于后繼的好氧處理；(3)在反應(yīng)過程中將36～65%的去除懸浮性固體物水解，這樣使得污水和污泥同時得到處理。因此可以從傳統(tǒng)工藝中取消消化池。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了水解——好氧生物處理工藝處理城市污水的可行性。在相同的去除效果下，與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，在基建投資、能耗和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用上可分別節(jié)約40%、70%和50%。

一、試驗(yàn)水質(zhì)

在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上采用厭氧——好氧串聯(lián)工藝對北京高碑店系統(tǒng)城市污水進(jìn)行小試研究。
高碑店污水系統(tǒng)接納北京東郊工業(yè)區(qū)和相當(dāng)面積的城區(qū)工業(yè)廢水和生活污水。其中生活污水占總污水量的48%，其余為工業(yè)廢水。污水水質(zhì)成分復(fù)雜、水質(zhì)不穩(wěn)定，BOD 5 /COD為0.3～0.4，屬于不易降解的城市污水。

二、試驗(yàn)設(shè)備與結(jié)果

1.工藝流程與起動
試驗(yàn)采用設(shè)備見圖1，其中厭氧反應(yīng)器采用改進(jìn)的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器，直徑12×35cm的有機(jī)玻璃柱，有效容積37.3L。污水從曝氣沉砂池用泵打至高位水箱，脈沖進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器，厭氧出水進(jìn)入曝氣池。曝氣池采用兩套平行運(yùn)轉(zhuǎn)，圖中給出的是2 # 曝氣池，有效容積為22L。本流程從整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益考慮，從傳統(tǒng)的工藝流程中取消了初沉池系統(tǒng)，而在厭氧反應(yīng)中放棄了反應(yīng)時間長、控制條件要求高的甲烷發(fā)酵階段。利用水解、產(chǎn)酸菌能夠迅速分解有機(jī)物的特性，采用動力學(xué)控制措施〔1〕，利用產(chǎn)甲烷菌與水解、產(chǎn)酸菌生長速度不同控制系統(tǒng)的水力停留時間，使反應(yīng)器處于水解、產(chǎn)酸階段。接種污泥取自高碑店消化池，一接種即滿負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)一個星期運(yùn)行后反應(yīng)器中泥水界面分明，不到15天COD去除率可達(dá)到40%，表明污泥培養(yǎng)階段已完成。
2.試驗(yàn)結(jié)果
表1是厭氧停留時間1.5～3.5h(平均2.5h)，好氧停留時間1.3～4.3h(平均停留時間2.5h)厭氧～好氧串聯(lián)工藝運(yùn)行120d結(jié)果的平均值。


從表1可見厭氧～好氧工藝BOD 5 、COD、SS去除率與傳統(tǒng)二級生物處理工藝水平相當(dāng)，處理后出水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。而厭氧部分COD 去除率在40～60%之間，并且出水COD大部分高于150mg/L，(見圖2)。這說明好氧處理作為后處理工藝是必需的，但從表2結(jié)果看，厭氧反應(yīng)器對污染物的去除顯著高于初沉池。由于本工藝的特點(diǎn)是采用厭氧反應(yīng)器取代了傳統(tǒng)的初沉池，因此討論的重點(diǎn)放在厭氧部分。

3.厭氧反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)果分析。
(1)去除率與停留時間、進(jìn)水濃度關(guān)系

從圖3可見在水解、產(chǎn)酸階段，厭氧停留時間在2.5h以上，COD、BOD 5 ，SS去除率已趨于飽和。即使再增加停留時間，對去除率的提高也是有限的。在現(xiàn)場條件下，水質(zhì)變化對厭氧去除有很大影響，圖4為進(jìn)水濃度與去除率的關(guān)系。從圖可見進(jìn)水濃度越高去除率越高，說明厭氧反應(yīng)器長期運(yùn)行在低濃度條件下具有很大潛力，有一定的緩沖能力，這對于保證曝氣池的穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

(2)水質(zhì)因素的影響
進(jìn)一步的水質(zhì)特性分析見圖5與表3，從數(shù)據(jù)可知進(jìn)水中可沉性COD占總COD的45.8%，經(jīng)厭氧處理后可沉懸浮性COD基本去除。介于1.2μ和可沉性COD之間較大顆粒有機(jī)物也去除了58%。由此可見厭氧反應(yīng)器對懸浮性的去除能力很強(qiáng)，去除的懸浮物在水解菌的作用下將不溶性有機(jī)物水解為溶解性物質(zhì)。在產(chǎn)酸菌的進(jìn)一步作用下，將大分子化合物降解為小分子化合物。通過對污泥產(chǎn)率的計量表明在16～26℃條件下，去除的懸浮物有36～65%發(fā)生水解。圖6為典型膠體性基質(zhì)淀粉靜態(tài)降解試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明在本實(shí)驗(yàn)所培養(yǎng)的厭氧污泥中，水解、產(chǎn)酸菌對膠體的降解是迅速的，而對淀粉降解產(chǎn)物的去除則不大，溶解性COD基本保持恒定。這也證實(shí)酸性階段的動力學(xué)控制措施是有效的。結(jié)合動態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果，出水中COD中有50%以上為揮發(fā)酸，這說明出水溶解性COD已不是原來的物質(zhì)。


(3)溫度的影響
整個試驗(yàn)期間水溫12～31℃，即使在12℃條件下(相當(dāng)于高碑店污水處理廠冬季最低水溫)厭氧反應(yīng)器仍可穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。在12℃厭氧停留時間2h，BOD 5 、COD去除率仍可達(dá)到40%，這是由于上流式厭氧反應(yīng)器保持了大量厭氧微生物，即使在低溫條件下也能有較高的去除率。這與Lettinga等人的報道是相符的 〔2〕 。但是值得注意的是在低溫下污泥水解率將有很大變化，水解率從26℃的65%降到16℃的36%。也就是說部分懸浮物只被截留而并沒有被水解，日本稻森悠平等人 〔3〕 也有類似報道。
(4)有機(jī)污染物降解途徑
圖7給出了以COD為例各類有機(jī)物遷移、轉(zhuǎn)化途徑的圖示。首先厭氧反應(yīng)器中的大量微生物將進(jìn)水中顆粒均質(zhì)和膠體物質(zhì)迅速截留和吸附，這是一個物理過程的快速反應(yīng)。截留下來的物質(zhì)在大量水解細(xì)菌作用下將不容性有機(jī)物水解為溶解性物質(zhì)，同時在產(chǎn)酸菌的協(xié)同作用下將大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，重新釋放到液體中，在較高的水力負(fù)荷下隨出水流出系統(tǒng)。其結(jié)果表現(xiàn)為去除懸浮物有36～65%被水解，水中揮發(fā)酸由進(jìn)水50mg/L上升到出水的120mg/L。由于水解和產(chǎn)酸菌世代期較短，往往以min和h計，因此這一降解過程也是迅速的。在這一過程中溶解性COD的去除率雖然從表觀上講只有13%，但是由于顆粒性COD 的水解增加了系統(tǒng)中溶解性COD的濃度。因此溶解性COD去除率遠(yuǎn)大于13%，去除的這一部分COD以CH 4 和CO 2 形式溶解于水中隨水流失。

三、高效率低能耗機(jī)理

由于本試驗(yàn)從系統(tǒng)論觀點(diǎn)出發(fā)，著眼于整個系統(tǒng)的處理效率和經(jīng)濟(jì)效益，并不追求單項(xiàng)處理單元的處理效益。在厭氧反應(yīng)中放棄了甲烷發(fā)酵階段，利用水解和產(chǎn)酸階段使得污水、污泥一次處理，縮短了反應(yīng)時間，降低了基建投資。在厭氧反應(yīng)過程中有機(jī)物的數(shù)量、理化性質(zhì)有很大改變，使得厭氧出水更適宜好氧生物處理，表4是原污水與厭氧出水各種參數(shù)對比表。

從表4數(shù)據(jù)分析，經(jīng)厭氧處理后有機(jī)物在數(shù)量上的變化是明顯的，而理化性質(zhì)的變化集中表現(xiàn)在污水可生化性的提高。BOD 5 /COD值0.37經(jīng)厭氧處理后提高到0.48，BOD 5 /BOD 20 從0.56提高到0.79。可生化性的提高表明，大量被微生物降解緩慢甚至難于降解的物質(zhì)，經(jīng)厭氧處理后可轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诒晃⑸锝到獾奈镔|(zhì)，不可生物降解物質(zhì)大為減少，從而導(dǎo)致最終處理出水要優(yōu)于傳統(tǒng)工藝的出水。從動力學(xué)參數(shù)來看，厭氧出水耗氧速率大大加快，有機(jī)物耗盡的時間也大大提前，這意味著同樣采用好氧處理，對于厭氧出水可以大大縮短反應(yīng)時間。從表中數(shù)據(jù)看，與好氧停留時間相比，相差3.2倍，即采用本工藝，曝氣池停留時間可大大減少。其次從曝氣量來講，如以進(jìn)水COD濃度為基準(zhǔn)相差一倍，而從氧的利用率來講兩者也相差近一倍，從而我們可以得出如下結(jié)論:采用厭氧——好氧工藝處理城市污水，使得曝氣池的容積和用氣量大為減少，從而導(dǎo)致了基建投資和電耗的節(jié)約，為高效率、低能耗、低成本處理城市污水提供了可能。

四、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對于一個大型的污水處理設(shè)施來講，水量、水質(zhì)、水溫等各方面都不可能是穩(wěn)定的。當(dāng)有處部擾動時，定態(tài)是否能夠自動保持呢？下面從動力學(xué)角度對于定態(tài)點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行討論。
1.系統(tǒng)靜態(tài)特性分析
UASB反應(yīng)器具有兩個基本的功能以保證其對污水的處理。其一是沉淀功能，另一是反應(yīng)功能。沉淀功能是保證厭氧反應(yīng)器中保持大量厭氧污泥以維持系統(tǒng)正常工作的基本條件。沉淀功能完成的必要條件是顆粒的、沉淀(V r )必須大于水流的上升流速(V 0 )，即有下式成立
V r ≥V 0 =Q/A (1)
式中:A——反應(yīng)器斷面面積；
Q——進(jìn)水流量。
經(jīng)過靜沉實(shí)驗(yàn)得到厭氧污泥顆粒的沉降方程如下
V r =14.648X -0. 7 45 (2)
將(1)、(2)式整理，可得到污泥濃度X與停留時間t的關(guān)系式如下:(見圖8曲線2)

上式意味著系統(tǒng)中的污泥濃度必須滿足一定的關(guān)系落在圖8的陰影部分，如污泥濃度大于上式給出的關(guān)系，則污泥的沉速必小于水的上升流速，被水沖出系統(tǒng)。因此，(3)式是設(shè)計與運(yùn)行管理中的一個重要關(guān)系。

在假設(shè)系統(tǒng)是完全混合，基質(zhì)降解遵循一級反應(yīng)的條件下，通過物料衡算可得如下基本方程:

式中:S 0 ，S e ——進(jìn)水溶解性基質(zhì)濃度；
X 0 ，X e ——進(jìn)出水懸浮物濃度；
X——微生物濃度；
θ c ——污泥齡；
μ——微生物比生長速率；
K，d，β，K d ——反應(yīng)常數(shù)，而β為懸浮物的水解率。
通過連續(xù)2個月觀測數(shù)據(jù)，采用最小二乘法估計參數(shù)方法得到(4)、(5)兩式的參數(shù)，并將穩(wěn)態(tài)條件下的初始條件代入，可得如下結(jié)果:

通過(6)、(7)兩式，我們可以得如下初步結(jié)論:1)在穩(wěn)態(tài)條件下當(dāng)θ c 一定時(本例為θ c =25d)，水解、產(chǎn)酸階段的出水溶解性COD濃度保持一個恒定數(shù)值，與停留時間無關(guān)，即過程不受反應(yīng)速度控制；2)在穩(wěn)態(tài)條件下，微生物濃度與水力停留時間成反比，見圖8曲線1。因此，從理論上講只要微生物濃度足夠，則盡可能的縮短反應(yīng)時間，這在工程上有重大的意義。但是系統(tǒng)中微生物量的保持與污泥沉速有關(guān)，它不受到水的上升流速的制約。綜合考慮系統(tǒng)的反應(yīng)功能和沉淀功能，才能最終合理地確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如前所述，從沉淀性能考慮運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)落在陰影部分才能維持系統(tǒng)中恒定的生物量，而從反應(yīng)功能講，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)是如圖8曲線1所示的一族曲線。綜合兩方面的結(jié)果，運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)落在陰影部分的半條曲線上，則都可滿足要求。但是在工程中不但要考慮到反應(yīng)的穩(wěn)定性，而且還要考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，從經(jīng)濟(jì)上考慮停留時間越短越好，這要求運(yùn)行點(diǎn)引曲線1上移。圖中A.B.C為不同泥齡下的臨界運(yùn)行點(diǎn)，因此從運(yùn)行角度考慮，運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)稍許偏離曲線2較為穩(wěn)妥。
2.系統(tǒng)動態(tài)特性分析
以上的討論是在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件的假設(shè)下進(jìn)行的，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)是否穩(wěn)定這一問題在工程上有十分重要的意義。對于一個實(shí)際系統(tǒng)，僅僅了解其靜態(tài)特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了更合理、可靠的應(yīng)用，有必要對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行研究。利用微分方程穩(wěn)定性理論、根據(jù)李雅普洛夫定理，可以斷定由微分方程(4)、(5)給出的系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的〔4〕，系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性。相平面分析見圖9，從圖可見系統(tǒng)的穩(wěn)定點(diǎn)類似一個焦點(diǎn)，所有軌線都收斂于系統(tǒng)的穩(wěn)定點(diǎn)。這表明由于外部擾動造成穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，當(dāng)擾動消除后，系統(tǒng)將重新回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，即系統(tǒng)具有一定的阻尼性，這對于系統(tǒng)的運(yùn)行管理是十分有利的。

五.系統(tǒng)最優(yōu)工藝參數(shù)與流程

1.系統(tǒng)最優(yōu)工藝參數(shù)
在本實(shí)驗(yàn)中采用厭氧——好氧串聯(lián)系統(tǒng)是一較為復(fù)雜的工程系統(tǒng)，工藝本身具有眾多的水質(zhì)參數(shù)和工藝參數(shù)，工藝參數(shù)的確定不僅與技術(shù)指標(biāo)有關(guān)而且與經(jīng)濟(jì)因素密切相關(guān)，這使得工藝決策過程變得十分復(fù)雜。本研究在工藝參數(shù)優(yōu)化中采用“二次復(fù)合設(shè)計”實(shí)驗(yàn)方法，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計可得如下形式回歸方程:

式中:Y j ——COD，BOD 5 ，SS去除率與出水值；j=1，……6；
X i ——i=1，2，3，4分別對應(yīng)于厭氧停留時間、好氧停留時間、回流比與曝氣量；
b i jk——回歸方程系數(shù)。
為了取得盡可能好的處理效果和盡可能經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，以處理廠主要處理的構(gòu)筑物，厭氧反應(yīng)池和曝氣池單位池容的基建投資最小為目標(biāo)函數(shù)，以(8)式所得的基本關(guān)系式為基礎(chǔ)，系用線性規(guī)劃方法確定系統(tǒng)最優(yōu)工況如下:
厭氧HRT=2.3h；好氧HRT=2.3h；回流比R=50%；曝氣量:15L/h(折合氣水比2:1)
2.工藝流程的確定
高碑店多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，初沉池污泥有機(jī)物含量61%，消化池出泥有機(jī)物含量51%，消化池有機(jī)物降解率為38%。而本試驗(yàn)的厭氧污泥有機(jī)物含量53%，厭氧反應(yīng)器有機(jī)物降解率在50%以上。因此，從有機(jī)物降解角度講厭氧污泥是穩(wěn)定污沉，不需再進(jìn)行消化處理，可直接脫水。而且厭氧反應(yīng)器將36～65%去除的懸浮物轉(zhuǎn)化成溶解性物質(zhì)，因此厭氧反應(yīng)器比初沉池污泥產(chǎn)量低30%以上。曝氣池由于時水SS量很少，剩余污泥產(chǎn)量只有傳統(tǒng)活性污泥工藝的20%。如將剩余污泥回流至厭氧反應(yīng)池，每升污水只增加20mg懸浮物。日本山本康次及我國汪凱民的研究表明，這個措施是可行的。〔5〕.〔6〕這樣可以從傳統(tǒng)工藝流程中取消消化池系統(tǒng)，形成了新的工藝系統(tǒng)如下圖。這個流程具有將污水、污泥一次處理，簡化了水處理流程的特點(diǎn)。

六、結(jié)論

1.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用厭氧——好氧串聯(lián)處理工藝流程在常溫下(12℃～30℃)處理城市污水在技術(shù)上是可行的。對于高碑店系統(tǒng)的城市污水在總停留時間6.5h的條件下(包括二沉池)處理出水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。通過對于同樣規(guī)模污水處理廠估算表明，基建投資可節(jié)省40%，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用節(jié)省50%左右。
2.利用厭氧的水解與產(chǎn)酸反應(yīng)可迅速地降解有機(jī)物，使得厭氧出水有機(jī)物數(shù)量和成分發(fā)生了較大的改變，污水的可生化性大為提高，從而更適宜生化處理。可在較短的反應(yīng)時間和較少的供氣量的條件下處理剩余的有機(jī)物。
3.污水經(jīng)厭氧處理后，水中硫化氫、氨、氮等氣體產(chǎn)生的臭味并不顯著，經(jīng)好氧處理后可完全消除H 2 S，NH 3 氣味。
4.本試驗(yàn)推薦的處理流程具有效率高、能耗低、投資省、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。對于城市污水的處理有很大的實(shí)用價值。在水源缺乏和一些中、小城鎮(zhèn)可考慮污水經(jīng)厭氧處理后，直接灌溉農(nóng)田以及一些其它低能耗的工藝，可進(jìn)一步降低處理成本，并為農(nóng)業(yè)提供水、肥資源，從而獲得收益。

參考文獻(xiàn)

[1] Ghosh, S. Biotechn. and Bioeng. Symp. , Ser 11 (1981)
[2]Lettinga, G. andJ. N. Vinden, Proc. 35thInd. WasteConf. , Purdue Univ. p. 625
[3] 稻森悠平等《用水と廢水》Vo1.25，№.10，P.1006
[4] 秦元勛等著《運(yùn)動穩(wěn)定性理論及其應(yīng)用》科學(xué)出版社1981年
[5] 山本康次《用水と廢水》Vo1.25，№.10，P.1045
[6] 紡織工業(yè)部設(shè)計院環(huán)保組《紡織部科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)工場污水處理試驗(yàn)》1984.10