李克勛¹，徐智華¹，郭曉燕¹，張振家²
（1．南開大學 環境科學與工程學院，天津，300071；2．上海交通大學環境科學與工程學院，上海，200030）

　　摘　要：本文研究了利用EGSB反應器在常溫條件下處理低濃度生活污水的啟動、運行等過程，試驗結果表明當周圍環境溫度高于15℃，利用城市污水處理廠的消化污泥接種的反應器，水力停留時間可以控制在為2~7h內，COD去除率可達70~85%，出水COD低于國家二級排放標準。
　　關鍵詞：EGSB反應器，生活污水，常溫處理

　　改革開放以來，我國農村經濟在鄉鎮工業的帶動下迅速發展，人口居住趨向集中，建設發展成為各級中小城鎮，至1999年5月，已達19 216個，不僅在數量上有很大增加，而且已有相當的規模^[1]。這類城鎮小的人口規模、低的自來水普及率和工農業發展結構與水平，決定了小城鎮的污水排放量大都在(1～5)×10⁴ｍ³/d的規模范圍內，污水主要由生活污水和以農產品為原料的工業廢水(有機廢水)的組成，其中生活污水量占50%以上，水量與大城市相比較小，而且在量與質上都不夠均勻和穩定，并且污水中懸浮濃度較高，有機物濃度較低。我國城市污水處理率僅為6.75%，村鎮生活污水處理率更低，并且采用的大多數是傳統的化糞池處理后排入附近水體，這種做法已不能滿足水環境保護的要求，嚴重影響居民生活生產甚至生命安全，一些地區與水污染有關的癌癥及其它疾病的發病率也大幅度提高^[2]。但是對于這種小城鎮污水如果采用傳統的二級處理模式，其造價和運行費用是無法承受的。對于這種小城鎮來說開發低能耗的處理工藝，即使處理效率達不到二級處理的標準，但是由于能夠大量消減污染物，也是具有非常大的吸引力的。厭氧生物處理技術由于不需要氧氣從而可以大大降低能耗，并且在近三十年來取得了突飛猛進的發展，反應器不僅從最初的厭氧發酵罐發展到已膨脹顆粒污泥床（Expended Granular Sludge Bed, EGSB）為代表的厭氧反應器，而且處理水質也從高濃度有機污水擴展到低濃度污水水質方面的研究^[3]。但是以往的研究大部分集中在恒溫（如高溫、中溫），而對于常溫特別是一年四季的研究報道很少^[4~5]，本文是利用EGSB進行了在常溫的狀況下對城市污水的處理研究，其周期包括一年中最高溫度和最低溫度，從而對于該技術的應用具有實際意義。

1 實驗流程與分析方法

1.1 厭氧顆粒污泥膨脹床反應裝置及其系統
　　試驗用的EGSB反應器用有機玻璃加工而成，下部為膨脹污泥床層，高1.5m，內徑12cm，容積為18L；上部為沉淀區，內設有三相分離器，內徑為10cm，高40cm，容積為3.2L。反應器放置在室外不加任何加熱保溫設施，保證反應器內溫度與周圍環境一致，連續進水運行。圖1為試驗的裝置與工藝流程圖。

1.2 實驗用水
　　實驗所使用的生活污水取自泰達學院某污水站房，水質見表1。進水由隔膜泵從EGSB反應器的底部打入，出水經三相分離之后，排出計量；所產生的沼氣由三相分離器的頂部排出，經水封瓶進入濕式氣體流量計后計量。

表1 實驗用生活污水主要水質參數

溫度（℃）

COD_Cr(mg/L)

BOD₅(mg/L)

pH

SS(mg/L)

VSS(mg/L)

NH₃-N(mg/L)

14~35

321~436

274

7.2

93

53

25.1

1.3 分析方法
　　COD_Cr、BOD₅、堿度、SS、VSS等都按照《水與廢水監測分析方法（第三版）》的標準方法測定；揮發酸（VFA）的測定按照《廢水的厭氧生物處理》中揮發酸的滴定法分析進行^[5]；甲烷用氣相色譜測定；pH值采用Thermo Orion 868型pH計測定；污泥的COD_Cr去除率用間歇的實驗方法測定。

2 實驗過程

2.1 EGSB反應器接種
　　實驗的接種污泥來源于開發區污水處理廠經過消化的好氧剩余污泥，接種污泥按反應器的總容積計算為20.4g/L。啟動安排在春末，當時的溫度為17℃。
2.2 反應器的啟動與運行
　　因為啟動初期，接種污泥由于所處環境的變化，所以要經過一段時間的適應期^[5]。啟動初期水力停留時間（HRT）為8h，隨著污泥活性的恢復COD去除率即可穩定上升，一旦去除率達到穩定時，就可以提高水力負荷，一直到水力停留時間（HRT）為2h左右，水力負荷也從初始的2.25m³/(m³·d)提高到6m³/(m³·d)。在改變水力負荷的過程中也會有少量的細小的污泥絮體流出，這是因為污泥被水力沖刷，少量的顆粒污泥破碎后，隨水流流出。在這個過程中對污泥進行了一次篩選，保留下了活性和沉淀性能都良好的顆粒污泥。因為接種的為消化污泥，所以在啟動初期會洗出大量的污泥，出水為黑色。顆粒的形成必須洗出細小的難以沉降的污泥，所以開始時由于產氣量較低可以通過控制水力負荷來控制污泥的洗出量。

3 實驗結果與討論

3.1 運行結果
　　反應器在啟動結束后即進入運行期，試驗運行了143天，運行數據按不同溫度段分區處理，見表2。

表2 實驗運行結果

溫度(℃)

COD(mg/L⁾

HRT(h)

容積負荷(m³/m³·d)

沼氣容積產量(m³/m³·d)

去除率（%）

平均去除率（%）

進水(總)

進水(溶)

出水

29.6
(27~33)

359

248

44

7.4

1.16

1.56

87.7

85.9

376

256

48

5.2

1.74

2.1

87.2

348

231

52

3.4

2.46

2.85

85.1

367

244

60

2.1

4.19

4.01

83.6

23.4
(20~26)

367

276

44

7.5

1.17

1.34

88.1

84.3

343

264

54

5.4

1.52

1.85

84.2

352

262

58

3.2

2. 64

2.8

83.5

356

254

65

2.0

4.27

3.86

81.7

17.0
(15~19)

343

264

46

7.3

1.13

1.04

86.5

82.7

357

273

56

5.1

1.68

1.37

84.3

362

253

68

3.6

2. 41

1.75

81.2

339

268

72

2.0

4.07

2.35

78.7

12.3
(10~14)

362

274

94

7.1

1.22

0.492

74.0

59.8

354

263

125

5.6

1.52

0.56

64.6

334

271

164

3.4

2.35

0.646

50.9

361

256

182

2.2

3.94

0.85

49.6

3.2 討論
3.2.1 HRT與COD的去除率關系

　　根據表2得出HRT與COD_Cr去除率之間的關系圖，見圖2。從此圖中可見，COD_Cr去除率隨HRT縮短而變小，但是當溫度在高于15℃，HRT在2 h以上時，均能達到較好的處理效果，其處理率達到75%以上，特別是溫度在20～33℃范圍內，去除效率達到很高的水平，并且處理效果在這一溫度范圍內變化也不大。但是當溫度接近10℃時，其處理效果下降很快，此時溫度是去除率的最大影響因素。
3.2.2 進水容積負荷與COD去除率關系

　　圖3是進水有機容積負荷與COD_Cr去除率之間的關系，圖中顯示出隨有機容積負荷增加，COD_Cr去除率減小的規律。在整個試驗區間，當容積負荷達到4.0m³/(m³·d)以上時，只要溫度在15℃以上，即使HRT降到2h，進水保持變化在350mg/L時，其去除率在75%以上，出水COD_Cr維持在80mg/L以下。在整個實驗期間，出水中的揮發酸含量一直小于60mg/L，堿度維持在40~530mgCaCO₃/L，有良好的緩沖能力，出水的pH值在7.4左右。

3.2.3 容積去除率與沼氣容積產率的關系
　　從圖4可以看出在不同的溫度下，COD的去除負荷與沼氣容積產量之間的關系，在本實驗的條件下，采用一元線形回歸分析求得平均溫度為29.6℃、23.4℃、17.0℃、12.3℃的沼氣表觀產率為0.184、0.172、0.125、0.085L/gCOD去除。在溫度較高的條件下，微生物的活性強，分解有機物的速率快，沼氣產率也相應的越高，并且溫度越高，沼氣的溶解性也越差，所以溫度越高，沼氣的表觀產率越大。沼氣中的甲烷含量高于65%。
3.2.4 溫度對去除率的影響

　　從圖5可以看出，溫度是制約去除率的關鍵所在。只要溫度高于15℃，EGSB對城市污水的有機物去除率就可以達到8.7%以上，出水水質有機物在100mg/L以下，低于城市污水處理廠的二級排放標準（120mg/L）。但是當溫度低于15℃時，對有機物的去除率明顯下降，最低達到49.6%，出水有機物濃度急劇上升，可達182mg/L，高于城市污水處理廠的二級排放標準。隨后由于溫度過低且沒有采取保溫措施，試驗終止。
　　也就說只要溫度高于15℃，利用EGSB處理城市污水還是具有非常好的效果，而低于此溫度時，去除率下降。對于北方來說，即使冬天由于城市污水在地下管道中輸送，其溫度也不會低于15℃，只要做好反應器的保溫措施，出水有機物濃度能夠達到國家二級排放標準；而對于我國南方而言，由于氣溫較高，該技術更是具有推廣價值。

4 結論

　　1) 在溫度高于15℃的情況下，利用EGSB反應器處理生活污水，HRT2~7h，進水COD為321~436mg/L，出水COD保持在60~90 mg/L左右，去除率為70~80%之間，有機負荷可達4.5kg COD/(m³•d)，沼氣表觀產率在0.1~0.2L/gCOD去除。
　　2) 溫度低于15℃時，其處理效果明顯下降，但對于城市污水而言，只要做好反應器保溫措施，即使最不利的環境下也能達到國家二級排放標準。

參考文獻

　　[1] 楊魯豫, 王琳, 王寶貞. 適宜中小城鎮的水污染控制技術. 中國給水排水, 2001 01.
　　[2] 趙建夫, 蔣柱武. 升流式厭氧污泥床反應器處理生活污水研究. 同濟大學學報, 2000, 28(6)
　　[3] 錢易, 米祥友. 現代廢水處理新技術. 中國科學技術出版社, 1993.
　　[4] Lettinga G.. Anaerobic treatment of raw domestic sewage at ambient temperature using a granular bed UASB reactor. Biotech Bioeng, 1983, 25.
　　[5] 賀延齡. 廢水的厭氧生物處理. 中國輕工業出版社,1998.