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常温厌氧EGSB反应器的工艺性能与净化机理

论文类型 技术与工程 发表日期 2004-11-01
来源 中国土木工程学会水工业分会排水委员会年会
作者 吴昌敏,闫怀国,王喧,季民
关键词 EGSB反应器;城市污水处理;厌氧/好氧
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。

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。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,Lettinga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,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GB11914-89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,COD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,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,EGSB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,并不会带来去除效果的改善。而延长水力停留时间,会使水流上升流速减小,削弱了水力搅拌作用,反应器的去除率反而会有所下降。

  

图3反应区水力停留时间对COD去除率的影响    图4 有机物静态厌氧降解曲线

2.4 COD去除率与进水浓度和负荷的关系
  图5和图6分别显示了进水COD浓度和反应器容积负荷对COD去除率的影响关系。进水浓度或有机负荷的提高,都会加大反应器中基质与微生物之比,促进微生物生长,增强微生物活性和处理能力。在进水浓度变化范围不大的情况下,容积负荷增加,也表示水力负荷的增加,从而加大水流上升流速和增强搅拌能力,因此在一定界限内,增加进水基质浓度、提高有机负荷和水力负荷,有利于反应器去除能力的提高。如图5所示,当进水COD浓度从150 mg/L增加到250 mg/L时,COD去除率随进水浓度直线增加。许多城市污水处理厂沉砂池的出水COD浓度通常在300~400 mg/L左右,若按此趋势推测,COD去除率应该能够达到50%以上。由图6可见,进水COD负荷在2~8 kgCOD/m3·d范围内,COD去除率随负荷的增加有缓慢上升趋势,当进水COD负荷达到6~7 kgCOD/m3·d(反应区内相应的水流上升流速为2.5 ~ 2.7 m/h)时,去除率最好。

图5 COD去除率与进水COD浓度的关系   图6 COD去除率与COD投配负荷的关系

2.5 EGSB反应器对不同分子量有机物的去除能力
  为了深入研究EGSB反应器去除有机物的机理,本试验对EGSB反应器进出水的分子量分布进行了研究。
  试验选用中科院上海原子核研究所生产的截留分子量分别为10000、4000、1000的超滤膜测定水中有机物分子量。超滤膜的预处理方法为用超纯水浸泡漂洗三次(光滑面向下),每次浸泡1 h,然后用超纯水冲洗后放在冰箱内保存待用。
  ① 测定程序
  膜过滤测定水中有机物分子量分布步骤如下:先将0.45μm微滤膜装入抽滤器,加入纯水300mL,过滤250mL左右后将纯水液(包括滤过液和过滤器内剩余纯水)弃去,加入待测水样,弃去初滤液150mL,然后将滤过液收集以作进一步过滤并取样测定TOC,此时TOC测定结果为溶解性有机物含量,即DTOC。再用不同分子量的超滤膜对滤过液进行过滤,每级分子量过滤先过滤100 mL超纯水再过滤水样,水样初滤液50 mL弃去。抽滤器中水样不能滤干以防影响超滤膜性能。收集滤过液并测定TOC。
  ② 进出水中有机物的分子量分布
  试验过程中对EGSB的进出水进行了两次分子量分析试验,第一次和第二次测试时的反应器的水力停留时间和水温分别为:1.18 h和20.5℃;2.71 h和14.5℃。试验结果见表1和表2。

表1 第一次测得的EGSB进出水中有机物分子量分布

分子量区间

类  别

DTOC >10000 4000~10000 1000~4000 <1000
进水 TOC (mg/L) 24.8 7.7 1.3 0.6 15.2
占DTOC的百分比 (%) 31 5.2 2.4 61.3
出水 TOC (mg/L) 15.8 4.2 3.3 0.3 8
占DTOC的百分比 (%) 26.6 20.9 1.9 50.6
去除率 (%) 36.3 45.5 -153.8 50.0 47.4

  从测定结果可以看出,对DTOC和分子量>10 000的有机物去除率两次的试验结果是相当接近的。第二次试验时反应器的运行与第一次相比,进水流量减小了(由46 L/h变为20 L/h),相应的水解反应时间加长了(由1.18 h增加到2.71 h)。第一次试验结果是分子量在4000~10 000之间的TOC值出现了出水比进水高的现象,而第二次测试则是分子量在1000~4000之间的TOC值出现这种情况,这说明水解反应时间的延长,能够促使有机物的分子量进一步减小。从分子量分析的结果还可以看出,快速厌氧过程一方面能够对小分子量有机物有较好的去除效果,也同时能够将大分子量有机物转化为中小分子量有机物。

表2 第二次测得的EGSB进出水中有机物分子量分布

分子量区间 

类  别

DTOC >10 000 4000 ~ 10000 1000 ~ 4000 <1000
进水 TOC (mg/L) 33.5 9.2 1.6 2.3 20.4
占DTOC的百分比 (%) 27.5 4.8 6.9 60.9
出水 TOC浓度 (mg/L) 20.2 4.7 0.8 3.9 10.8
占DTOC的百分比 (%) 23.3 4.0 19.3 53.5
去除率 (%) 39.748.950.0-69.647.1

3. 结论

  ① 在进水COD浓度为143.4~293.6 mg/L,容积负荷为0.88~9.38 kgCOD/(m3·d),水力停留时间为1.14~6.09 h时,EGSB反应器对TOC的平均去除率为42.6%,如果出水以过滤计时,平均去除率为53.5%;对COD的平均去除率为25.8%。EGSB反应器能够提高水中溶解性COD与总COD之比,为后续处理工艺提供了更好的降解条件。
  ② 应用EGSB反应器处理城市污水,能够在1~2h接触时间内达到较稳定的处理效果。
  ③ 在试验条件下,温度、进水有机物浓度、容积负荷的提高,都能使COD去除率有所增加。当水温从14℃上升到26℃时,温度每升高10℃,COD去除率相应增加10%左右。当进水COD浓度从150 mg/L增加到250 mg/L时,COD去除率随进水浓度直线增加。控制进水COD负荷在6~7 kgCOD/m3·d范围内,去除率较好。

参考文献

[1] 王凯军. 低浓度污水厌氧-水解处理工艺. 北京: 中国环境科学出版社. 1992.
[2] Lucas Seghezzo, Grietje Zeeman, Jules B. van Lier, H.V.M.Hamders and Gatze Lettinga. A review: The anaerobic treatment of sewage in UASB and EGSB reactors. Bioresource Technology, 1998,65: 175-190.
[3] 季民, 霍金胜. 厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)的工艺特征与运行性能. 工业用水与废水, 1999, 30(4): 1-4.
[4] 吴昌敏. 常温EGSB工艺在城市污水处理中的应用及其后续工艺的研究. 天津大学硕士学位论文, 2002, 1.

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