水解與顆粒污泥膨脹床串聯(lián)工藝處理城市污水

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(yīng)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(dá)到70%總COD、85%SS的去除率和60%總COD、77%SS的去除率。HUSB反應(yīng)器的水力停留時(shí)間是3h，用于預(yù)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(shí)，EGSB反應(yīng)器的水力停留時(shí)間是2h，可獲得60%總COD去除率和23～70L/m3污水的沼氣產(chǎn)量。

關(guān)鍵字：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(yīng)器(HUSB)在短的停留時(shí)間(HRT=2.5h)和相對高的水力負(fù)荷［＞1.5m3/(m2·h)］下獲得高的SS去除率(實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)性試驗(yàn)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(yù)酸化作用。與此同時(shí)，在荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行的傳統(tǒng)UASB和EGSB反應(yīng)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(diǎn)和缺點(diǎn)是互補(bǔ)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(見圖1)。1材料和方法1.1反應(yīng)器,接種物和啟動

HUSB反應(yīng)器(200L)直接運(yùn)行在滿水力負(fù)荷下，即HRT=3.0h和v=1.0m/h的上升流速下。EGSB反應(yīng)器(120L)在兩個(gè)月后啟動，采用出水回流保持高的上升流速。試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備包括一個(gè)內(nèi)徑53mm、高度為600m(總體積為1.25L)反應(yīng)柱和一個(gè)工作容積為5L的容器(圖1b)［4］。從連續(xù)運(yùn)行的EGSB反應(yīng)器內(nèi)取出1L的顆粒污泥放入反應(yīng)柱內(nèi)，在試驗(yàn)完畢后顆粒污泥放回EGSB反應(yīng)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(nèi))。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(biāo)準(zhǔn)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。2HUSB反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果2.1運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果

水解反應(yīng)器在整個(gè)試驗(yàn)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(dá)60%和20%，不出所料在反應(yīng)器內(nèi)基本沒有溶解性COD的去除率。雖然進(jìn)水濃度和溫度變化很大，但反應(yīng)器的運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定，很明顯可適應(yīng)進(jìn)水的波動，因此它可減少沖擊負(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)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(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?yàn)樵谶M(jìn)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溫度和濃度與去除除率之間的關(guān)關(guān)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/LL）COD去除率（%%）SS去除率（%）范圍平均進(jìn)水出水EtEf/tEmEeEs1～18911314～2117697342197237591073852-2.6236583190～204**89～1211318170100171133411457.3-162577206～272398～13125072861161544073375716.1394975總平均8～2165032118721754993753-0.9235881注*為雨季及寒冷季節(jié)節(jié)數(shù)據(jù)；VFA以VFA-CCOD計(jì)；

Et=1000×{COODt(進(jìn)）-CODtt(出）}/CODDt(進(jìn)）；Ef/t==100×{{CODt((進(jìn)）-CODtt(出）}/CODDt(進(jìn)）；

Em=1000×{COODm(進(jìn)）-CODmm(出）}/CODDm(進(jìn)）；Ec=1000×{COODc(進(jìn)）-CODcc(出）}/CODDc(進(jìn)）；

Es=1000×{COODs(進(jìn)）-CODss(出）}/CODDs(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(yīng)器污泥和COD的平衡試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見圖2。在水解反應(yīng)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(jì)算出水解率為53%，這表明相當(dāng)量被去除的SS轉(zhuǎn)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(wěn)定化(R=53%)。除了SS的去除和液化，在反應(yīng)器內(nèi)也發(fā)生了相當(dāng)程度的酸化反應(yīng)，因?yàn)樵诜磻?yīng)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(dāng)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(gòu)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(yīng)器的運(yùn)行效果，反應(yīng)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(jī)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(jié)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(yīng)發(fā)生的結(jié)論，但SS的物料平衡監(jiān)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(yīng)前后污水水性質(zhì)的變化化（HRT=33.0h）項(xiàng)目CODt(mg//L)BOD5(mg//L)SS(mg/L))BOD5f/BOOD5VFA/CODTTBOD5f/COODCODt/CODDtCODm/CODDt進(jìn)水6503462170.670.090.540.490.29出水397254330.910.250.610.730.493EGSB和系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果3.1運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果

表3匯總了EGSB反應(yīng)器在不同的HRT、上升流速(v)和溫度條件下的試驗(yàn)結(jié)果，從這些結(jié)果可以看出EGSB反應(yīng)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=12m/h)懸浮性和膠體性COD組分的去除效率很差；當(dāng)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℃)觀察到去除率的降低，但是沒有進(jìn)一步的證據(jù)表明系統(tǒng)在低溫條件下已超負(fù)荷。事實(shí)上與此相反，在整個(gè)試驗(yàn)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(fù)荷，很明顯對有機(jī)物的處理潛力沒有被充分利用。在T＞15℃和T=12℃時(shí)沼氣產(chǎn)量分別是70L/m3和23L/m3(污水)，并且甲烷含量為80%。表3不同上升流速、HHRT和溫度下EGSB反應(yīng)器試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)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EtEmEeEs(L/m3)（L/kgCOD去去除）71～92141912.04.02.441933822236602519658393～11214206.02.05.0407316213485825432577115～18534202.02.05.0378280191414925394975186～27232126.02.03.7301203128273216395881注LR*表示COOD負(fù)荷。3.2整個(gè)工藝流程的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果

根據(jù)常溫條件下(9～21℃)總停留時(shí)間為5h的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)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4HUSB和EEGSB反應(yīng)器串聯(lián)聯(lián)工藝的運(yùn)行行結(jié)果反應(yīng)器HUSB反應(yīng)器（平平均）EGSB反應(yīng)器（平平均）系統(tǒng)總結(jié)果（平均均）溫度（℃）171117121712HRT(h)3.02.05.0COD負(fù)荷[g//(L.d))]5.34.04.23.7Et(%)383748276951Em(%)-2.61658325141Ec(%)233925164024Es(%)654943397967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(yàn)采用的HRT為5.0h，但以往的研究結(jié)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(yīng)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(yīng)器對于膠體物質(zhì)的去除效率，分別進(jìn)行了補(bǔ)充回流降解試驗(yàn)(表5)。雖然在UASB和EGSB運(yùn)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24h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。表5采用HUSB反應(yīng)器出出水回流試驗(yàn)驗(yàn)（T=20℃）時(shí)間（h）CODt=0(mmg/L)Et(%)Ee(%)Es(%)Em(%)144(a)50274.180.296.156.824(a)

63.032.291.952.1144(b)50271.163.192.361.024(b)

59.023.281.061.0注a:UASBB運(yùn)行方式（υ=1.0mm/h）；

b：EGSB運(yùn)行方式（υ=6.0mm/h）；4討論和結(jié)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(jié)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(yīng)的限速階段是膠體COD的去除，其占EGSB反應(yīng)器出水的80%。Yodo等人(1985)曾報(bào)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(bào)道過這種組分很容易采用好氧后處理去除。Breure等人(1991)報(bào)道蛋白質(zhì)從來不能在厭氧反應(yīng)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(yīng)器在低溫條件下去除的CODs和CODc水解和酸化率較低，導(dǎo)致HUSB反應(yīng)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(zhì)的去除效率，HUSB反應(yīng)器配合一個(gè)污泥穩(wěn)定裝置，其與水解反應(yīng)器并聯(lián)運(yùn)行，可以改善水解污泥的排泥穩(wěn)定性。考慮到EGSB反應(yīng)器在相關(guān)的溫度范圍具有相當(dāng)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(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(yīng)器中，產(chǎn)生的VFA將隨HUSB反應(yīng)器的出水進(jìn)入EGSB反應(yīng)器。此工藝對于低濃度復(fù)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(wěn)定，從而減少了污泥產(chǎn)量；②可以利用EGSB反應(yīng)器的處理潛力，增加了沼氣的產(chǎn)量和能源的回收；③對復(fù)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)。

通過研究可以得出如下結(jié)論：

①在常溫條件下(9～21℃)采用HUSB和EGSB反應(yīng)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(wěn)定化方面比其一級UASB系統(tǒng)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COD83%的SS和51%的COD76%的SS去除率。

②HUSB反應(yīng)器提供了有效去除有機(jī)物(特別是懸浮性固體)以及進(jìn)而的液化和酸化反應(yīng)。高的懸浮物去除率歸結(jié)于污泥和污水的充分接觸，適當(dāng)?shù)膯哟胧τ谝种萍淄楫a(chǎn)生起了重要的作用。

③在整個(gè)試驗(yàn)期間，EGSB反應(yīng)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(shí)仍處于低負(fù)荷，基于本研究及其以前研究的結(jié)果，建議HUSB和EGSB反應(yīng)器適當(dāng)?shù)腍RT分別為2.5～3.0h和1.0～2.0h，即整個(gè)系統(tǒng)的停留時(shí)間為3.5～5h。技術(shù)上的簡單性并配以可觀的能源回收，使整個(gè)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(jìn)一步去除或這種細(xì)小物質(zhì)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(yīng)器并聯(lián)的污泥穩(wěn)定工藝。這種方式對提高HUSB反應(yīng)器水解污泥能力需要進(jìn)一步試驗(yàn)考察。參考文獻(xiàn)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)

3LastARMvander,LettingaG.AnaerobicTreatmentofDomesticSewageunderModerateClimatic(Dutch)ConditionsUsingUpflowReactorsatIncreasedSuperficialVelocities.In:ProceedingsCongressIAWPRCAnaerobicDigestion‘91SaoPaul，Brazil.1991

4王凱軍.間歇回流實(shí)驗(yàn)評價(jià)廢水厭氧可生化性.中國給水排水，1993;(5)：4～6

5DutchStandardNormalizedMethods.TheNetherlandsNormalisationInstitute，Box5059，2600GBDelft，TheNetherland