王凱軍(北京市環(huán)境保護科學研究院)
Last A.R.M.Van derG.Lettinga (荷蘭Wageningen 農(nóng)業(yè)大學環(huán)境技術系) 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50%的污泥水解率。在T=8～12℃時，EGSB反應器的水力停留時間是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(xiàn)水解反應器(HUSB)在短的停留時間(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，事實上僅能夠起到預酸化作用。與此同時，在荷蘭Wageningen 農(nóng)業(yè)大學進行的傳統(tǒng)UASB和EGSB反應器、特別是EGSB的研究發(fā)現(xiàn)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，兩種各自開發(fā)的處理工藝的優(yōu)點和缺點是互補的。因此，聯(lián)合進行了HUSB+EGSB串聯(lián)工藝處理城市污水的合作研究(見圖1)。 
1 材料和方法 1.1反應器,接種物和啟動
HUSB反應器(200L)直接運行在滿水力負荷下，即HRT=3.0h和v=1.0m/h的上升流速下。EGSB反應器(120L)在兩個月后啟動，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行。HUSB接種 Renkum污水處理廠消化污泥，EGSB 接種顆粒污泥取自面粉加工廠 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內徑53mm、高度為600m(總體積為1.25L)反應柱和一個工作容積為5L的容器(圖1b)［4］。從連續(xù)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
水解反應器在整個試驗期間的水力停留時間為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有溶解性COD的去除率。雖然進水濃度和溫度變化很大，但反應器的運行相當穩(wěn)定，很明顯可適應進水的波動，因此它可減少沖擊負荷，這一特點對于后處理肯定有益。
按進水濃度和溫度變化，運轉結果可分為幾組數(shù)據(jù)(表1)。在低溫條件下(T=11℃，190～206d)觀察到最低的COD去除率，這時進水濃度從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水濃度低所引起，因為在進水濃度較高的低溫條件下(207～272d，T=12℃)，CODt的去除率并沒有降低。 表1 溫度和濃度與去除率之間的關系| 階段（d) | 數(shù)據(jù)（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(jié)數(shù)據(jù)；VFA以VFA-COD計；
Et=100×{CODt(進）-CODt(出）}/CODt(進）；Ef/t=100×{CODt(進）-CODt(出）}/CODt(進）；
Em=100×{CODm(進）-CODm(出）}/CODm(進）；Ec=100×{CODc(進）-CODc(出）}/CODc(進）；
Es=100×{CODs(進）-CODs(出）}/CODs(進）； | 2.2 剩余污泥的產(chǎn)生和去除平衡
在幾個特定期間進行了水解反應器污泥和COD的平衡試驗，數(shù)據(jù)見圖2。在水解反應器采用污泥水解率來表示污泥穩(wěn)定化程度，從圖2的數(shù)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(或膠體COD)，因此本工藝在Ｔ=19℃條件下取得了一定的污泥穩(wěn)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程、硫酸鹽還原和氫氣的產(chǎn)生。在出水中存在著大約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(shù)據(jù)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
為了評價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，最為顯著的變化是BOD/COD值和污水有機物溶解性的變化，這些指數(shù)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(shù)據(jù)還不能得出水解反應發(fā)生的結論，但SS的物料平衡監(jiān)測可以證實去除的SS確實發(fā)生了水解。 表2 水解反應前后污水性質的變化（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(tǒng)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間的影響。去除率不同與采用的上升流速密切相關，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，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 ℃)觀察到去除率的降低，但是沒有進一步的證據(jù)表明系統(tǒng)在低溫條件下已超負荷。事實上與此相反，在整個試驗期間出水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(tǒng)仍然處于低污泥負荷，很明顯對有機物的處理潛力沒有被充分利用。在T＞15 ℃和T=12 ℃時沼氣產(chǎn)量分別是70 L/m3和23 L/m3(污水)，并且甲烷含量為80%。 表3 不同上升流速、HRT和溫度下EGSB反應器試驗結果| 階段（d） | 數(shù)據(jù)n | 平均溫度（℃） | υ(m/h) | HRT（h） | LR*[g(L.d)] | CODt(mg/L) | CODf(mg/L) | CODm(mg/L) | COD去除率（%） | 產(chǎn)氣量 | | Et | Em | Ee | Es | (L/m3) | （L/kgCOD去除） | | 71～92 | 14 | 19 | 12.0 | 4.0 | 2.4 | 419 | 338 | 222 | 36 | 60 | 25 | 19 | 65 | 83 | | 93～112 | 14 | 20 | 6.0 | 2.0 | 5.0 | 407 | 316 | 213 | 48 | 58 | 25 | 43 | 25 | 77 | | 115～185 | 34 | 20 | 2.0 | 2.0 | 5.0 | 378 | 280 | 191 | 41 | 49 | 25 | 39 | 49 | 75 | | 186～272 | 32 | 12 | 6.0 | 2.0 | 3.7 | 301 | 203 | 128 | 27 | 32 | 16 | 39 | 58 | 81 | | 注 LR*表示COD負荷。 | 3.2 整個工藝流程的運轉結果
根據(jù)常溫條件下(9～21 ℃)總停留時間為5 h的運轉結果，從處理效率、產(chǎn)氣量和污泥穩(wěn)定化程度等方面講是令人鼓舞的(見表4)。 表4 HUSB和EGSB反應器串聯(lián)工藝的運行結果| 反應器 | HUSB反應器（平均） | EGSB反應器（平均） | 系統(tǒng)總結果（平均） | | 溫度（℃） | 17 | | 11 | 17 | | 12 | 17 | | 12 | | HRT(h) | | 3.0 | | | 2.0 | | | 5.0 | | | COD負荷[g/(L.d)] | 5.3 | | 4.0 | 4.2 | | 3.7 | | | | | Et(%) | 38 | | 37 | 48 | | 27 | 69 | | 51 | | Em(%) | -2.6 | | 16 | 58 | | 32 | 51 | | 41 | | Ec(%) | 23 | | 39 | 25 | | 16 | 40 | | 24 | | Es(%) | 65 | | 49 | 43 | | 39 | 79 | | 67 | 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(tǒng)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UASB和EGSB反應器對于膠體物質的去除效率，分別進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。 表5 采用HUSB反應器出水回流試驗（T=20℃）| 時間（h） | CODt=0(mg/L) | Et(%) | Ee(%) | Es(%) | Em(%) | | 144(a) | 502 | 74.1 | 80.2 | 96.1 | 56.8 | | 24(a) | | 63.0 | 32.2 | 91.9 | 52.1 | | 144(b) | 502 | 71.1 | 63.1 | 92.3 | 61.0 | | 24(b) | | 59.0 | 23.2 | 81.0 | 61.0 | 注 a: UASB運行方式（υ=1.0m/h）；
b：EGSB運行方式（υ=6.0m/h）； | 4 討論和結論 在本研究中，發(fā)現(xiàn)采用EGSB系統(tǒng)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%進水中的膠體物質經(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)報道蛋白質從來不能在厭氧反應器中被完全水解，并且這種基質比其他基質(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(wěn)定化程度降低，因此系統(tǒng)最終很可能僅使污泥得到部分的穩(wěn)定化[9]。
為了改善系統(tǒng)在寒冷季節(jié)污泥的穩(wěn)定化程度和對于膠體物質的去除效率，HUSB反應器配合一個污泥穩(wěn)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(wěn)定性。考慮到EGSB反應器在相關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，采用這種污泥穩(wěn)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：①提供了污泥進一步甚至完全的穩(wěn)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。
通過研究可以得出如下結論：
?、僭诔貤l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，在水力停留時間、處理效率、沼氣產(chǎn)率和污泥穩(wěn)定化方面比其一級UASB系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點。在5.0h的水力停留時間和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。?
?、贖USB反應器提供了有效去除有機物(特別是懸浮性固體)以及進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?shù)膯哟胧τ谝种萍淄楫a(chǎn)生起了重要的作用。?
?、墼谡麄€試驗期間，EGSB反應器的沼氣產(chǎn)量十分穩(wěn)定，產(chǎn)生的沼氣主要在氣相(在T＞15℃超過60%)中并值得回收。低的出水VFA數(shù)值表明系統(tǒng)在HRT=2.0h時仍處于低負荷，基于本研究及其以前研究的結果，建議HUSB和EGSB反應器適當?shù)腍RT分別為2.5～3.0h和1.0～2.0h，即整個系統(tǒng)的停留時間為3.5～5h。技術上的簡單性并配以可觀的能源回收，使整個系統(tǒng)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一步去除或這種細小物質的進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(wěn)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(wěn)定工藝。這種方式對提高HUSB反應器水解污泥能力需要進一步試驗考察。 參考文獻 1 王凱軍.厭氧(水解)處理低濃度污水.中國環(huán)境出版社.1992?
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作者簡介：王凱軍(1960-)男 工學博士 高級工程師?
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