水解与颗粒污泥膨胀床串联工艺处理城市污水

摘要：提出了常温下水解(HUSB)和颗粒污泥(EGSB)反应器串联处理城市生活污水的新工艺以提高悬浮性和溶解性COD的去除率。在T＞15℃和T=12℃条件下，工艺可分别达到70%总COD、85%SS的去除率和60%总COD、77%SS的去除率。HUSB反应器的水力停留时间是3h，用于预处理去除SS和提高出水COD的溶解性和可生化性，其SS、悬浮性COD的去除率分别为86%和66%，并超过50%的污泥水解率。在T=8～12℃时，EGSB反应器的水力停留时间是2h，可获得60%总COD去除率和23～70 L/m3污水的沼气产量。

关键词：废水处理 生活污水 厌氧处理 水解 水解升流污泥床 粒污泥膨胀床

笔者与他人在厌氧(水解)处理低浓度污水的研究中发现水解反应器(HUSB)在短的停留时间(HRT=2.5 h)和相对高的水力负荷［＞1.5 m3/(m2·h)］下获得高的SS去除率(实验室和生产性试验中分别取得平均90%和85%的SS去除率)，并可改善原污水的可生化性和溶解性，以利于好氧后处理工艺［1、2］。但是，其COD去除率仅有40%～50%，溶解性COD的去除率更低，事实上仅能够起到预酸化作用。与此同时，在荷兰Wageningen 农业大学进行的传统UASB和EGSB反应器、特别是EGSB的研究发现其可有效地去除溶解性 COD 组分，但对于悬浮性COD的去除很差［3］。上述研究表明，两种各自开发的处理工艺的优点和缺点是互补的。因此，联合进行了HUSB+EGSB串联工艺处理城市污水的合作研究(见图1)。

1 材料和方法

1.1反应器，接种物和启动 HUSB反应器(200L)直接运行在满水力负荷下，即HRT=3.0h和v=1.0m/h的上升流速下。EGSB反应器(120L)在两个月后启动，采用出水回流保持高的上升流速。试验采用Benneom村的合流制生活污水在常温下进行。HUSB接种 Renkum污水处理厂消化污泥，EGSB 接种颗粒污泥取自面粉加工厂 UASB 装置，最大甲烷菌比活性分别为0.14和0.21kgCH4-COD/(kgVSS·d)(30℃)。间歇回流试验设备包括一个内径53mm、高度为600m(总体积为1.25L)反应柱和一个工作容积为5L的容器(图1b)［4］。从连续运行的EGSB反应器内取出1L的颗粒污泥放入反应柱内，在试验完毕后颗粒污泥放回EGSB反应器。 1.2取样和分析方法 化学分析取24h混合样(保存在4℃冰箱内)。SS、BOD5、凯氏氮和总磷采用原污水样，VFA、NH3-N、NO2-N、NO3-N、PO43-P的测定采用滤纸(孔径4.4μm)过滤样，污泥浓度和上述分析采用标准方法［5]COD采用微量测定方法［6］，CODt、CODm和CODf分别代表总COD、0.45μm和4.4μm滤纸过滤的COD，胶体CODc和悬浮CODs分别被定义为CODf与CODm之差、CODt和CODf之差。

2 HUSB反应器的运转结果

2.1运转结果 水解反应器在整个试验期间的水力停留时间为3.0h，总COD去除率在30%～50%之间变化。悬浮性和胶体性COD的平均去除率分别达60%和20%，不出所料在反应器内基本没有溶解性COD的去除率。虽然进水浓度和温度变化很大，但反应器的运行相当稳定，很明显可适应进水的波动，因此它可减少冲击负荷，这一特点对于后处理肯定有益。 按进水浓度和温度变化，运转结果可分为几组数据(表1)。在低温条件下(T=11℃，190～206d)观察到最低的COD去除率，这时进水浓度从600mg/L减少到300mg/L，COD去除率从40%降低到10%，主要是由于雨季的进水浓度低所引起，因为在进水浓度较高的低温条件下(207～272d，T=12℃)，CODt的去除率并没有降低。

表1 温度和浓度与去除率之间的关系 阶段（d) 数据（N） 温度 CODt (mg/L) CODf (mg/L) CODm (mg/L) SS (mg/L) VFA(mg/L） COD去除率（%） SS去除率（%） 范围 平均 进水 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 总平均 8～21 650 321 187 217 54 99 37 53 -0.9 23 58 81 注 *为雨季及寒冷季节数据；VFA以VFA-COD计； Et=100×{CODt(进）-CODt(出）}/CODt(进）；Ef/t=100×{CODt(进）-CODt(出）}/CODt(进）； Em=100×{CODm(进）-CODm(出）}/CODm(进）；Ec=100×{CODc(进）-CODc(出）}/CODc(进）； Es=100×{CODs(进）-CODs(出）}/CODs(进）；

2.2 剩余污泥的产生和去除平衡 在几个特定期间进行了水解反应器污泥和COD的平衡试验，数据见图2。在水解反应器采用污泥水解率来表示污泥稳定化程度，从图2的数值可以计算出水解率为53%，这表明相当量被去除的SS转化为溶解性物质(或胶体COD)，因此本工艺在Ｔ=19℃条件下取得了一定的污泥稳定化(R=53%)。除了SS的去除和液化，在反应器内也发生了相当程度的酸化反应，因为在反应器中VFA从60mg/L增加到112mg/L。COD的平均去除率为40%，而去除的37%的COD仍然保留在污泥中或作为剩余污泥被排放，其余去除的COD(175mg/L)可能的降解途径包括甲烷化过程、硫酸盐还原和氢气的产生。在出水中存在着大约25mg/L的溶解性甲烷，在20℃下相当于100mg/L的COD。Bennekom生活污水包含15mgSO42--S/L［3］，其完全还原要消耗30mgCOD/L，这些数据加上可能逸出到气相的CH4和H2可构成较为完全的物料平衡。

2.3 出水性质 为了评价水解反应器的运行效果，反应前后的污水特性列于表2和图3中，最为显著的变化是BOD/COD值和污水有机物溶解性的变化，这些指数的升高表明总COD中易生物降解性组分的增加，表2中的结果也表明VFA的增加。虽然从图3和表2的数据还不能得出水解反应发生的结论，但SS的物料平衡监测可以证实去除的SS确实发生了水解。

表2 水解反应前后污水性质的变化（HRT=3.0h） 项目 CODt(mg/L) BOD5(mg/L) SS(mg/L) BOD5f/BOD5 VFA/CODT BOD5f/COD CODt/CODt CODm/CODt 进水 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和系统运行结果

3.1 运转结果 表3汇总了EGSB反应器在不同的HRT、上升流速(v)和温度条件下的试验结果，从这些结果可以看出EGSB反应器的去除效率几乎不受停留时间的影响。去除率不同与采用的上升流速密切相关，并且主要反映在溶解性和悬浮性COD的去除上。在高的上升流速下(v=12 m/h)悬浮性和胶体性COD组分的去除效率很差；当上升流速在6.0m/h以下时，处理效果良好，这表明对于低浓度污水(如城市污水)，采用较低的上升流速是适合的，虽然在低温条件下(T=12 ℃)观察到去除率的降低，但是没有进一步的证据表明系统在低温条件下已超负荷。事实上与此相反，在整个试验期间出水VFA平均为1.2mgVFA-COD/L，即使在寒冷气候条件下仍保持低的水平值(2.0mg/L)，系统仍然处于低污泥负荷，很明显对有机物的处理潜力没有被充分利用。在T＞15 ℃和T=12 ℃时沼气产量分别是70 L/m3和23 L/m3(污水)，并且甲烷含量为80%。

3.2 整个工艺流程的运转结果 根据常温条件下(9～21 ℃)总停留时间为5 h的运转结果，从处理效率、产气量和污泥稳定化程度等方面讲是令人鼓舞的(见表4)。

在旱季和T>15℃条件下，总COD去除率为70%；在雨季和寒冷气候条件下(T=12℃)，系统的COD去除率有所下降(40%～60%)，但最终出水COD维持在同一水平，即200～250mg/L。本试验采用的HRT为5.0h，但以往的研究结果表明采用更短的HRT是可能的。在温和气候条件下建议水解反应器的HRT采用2.5～3.0h，EGSB采用1.0～2.0h。 3.3 胶体性COD的去除 为了评价UASB和EGSB反应器对于胶体物质的去除效率，分别进行了补充回流降解试验(表5)。虽然在UASB和EGSB运行条件下胶体的CODc最终可以被很好地降解(去除率分别为63%和80%)，但在24 h去除率仅为32%和23%。这样差的去除效率是由于胶体物质不能被甲烷菌直接利用，只有水解和酸化发酵的产物才能被甲烷菌利用。

4 讨论和结论

在本研究中，发现采用EGSB系统对溶解性COD的去除可以完全归结为VFA的去除，而非酸性溶解性组分在EGSB出水中保持一个恒定的水平(图3)。因此反应的限速阶段是胶体COD的去除，其占EGSB反应器出水的80%。Yodo等人(1985)曾报道有60%～70%进水中的胶体物质经处理后很难去除仍保留在厌氧流化床出水中［7］，但他们也报道过这种组分很容易采用好氧后处理去除。Breure等人(1991)报道蛋白质从来不能在厌氧反应器中被完全水解，并且这种基质比其他基质(如碳水化合物)更难降解［8］。另一方面，HUSB反应器在低温条件下去除的CODs和CODc水解和酸化率较低，导致HUSB反应器的污泥稳定化程度降低，因此系统最终很可能仅使污泥得到部分的稳定化[9]。 为了改善系统在寒冷季节污泥的稳定化程度和对于胶体物质的去除效率，HUSB反应器配合一个污泥稳定装置，其与水解反应器并联运行，可以改善水解污泥的排泥稳定性。考虑到EGSB反应器在相关的温度范围具有相当高的降解VFA和可生物降解溶解性COD的潜力这一事实，采用这种污泥稳定工艺可以主要限于水解和酸化阶段。酸化后的污泥将回流到水解反应器中，产生的VFA 将随HUSB反应器的出水进入EGSB反应器。此工艺对于低浓度复杂废水的处理具有下列优点：①提供了污泥进一步甚至完全的稳定，从而减少了污泥产量；②可以利用EGSB反应器的处理潜力，增加了沼气的产量和能源的回收；③对复杂废水不仅处理了溶解性组分，也处理了悬浮性和胶体性物质。 通过研究可以得出如下结论： ①在常温条件下(9～21 ℃)采用HUSB和EGSB反应器串联工艺处理低浓度城市生活污水，在水力停留时间、处理效率、沼气产率和污泥稳定化方面比其一级UASB系统具有明显的优点。在5.0h的水力停留时间和T>15℃或T=12℃条件下，可分别获得71%的COD 83%的SS和51%的COD 76%的SS去除率。 ②HUSB反应器提供了有效去除有机物(特别是悬浮性固体)以及进而的液化和酸化反应。高的悬浮物去除率归结于污泥和污水的充分接触，适当的启动措施对于抑制甲烷产生起了重要的作用。 ③在整个试验期间，EGSB反应器的沼气产量十分稳定，产生的沼气主要在气相(在T＞15℃超过60%)中并值得回收。低的出水VFA数值表明系统在HRT=2.0h时仍处于低负荷，基于本研究及其以前研究的结果，建议HUSB和EGSB反应器适当的HRT分别为2.5～3.0h和1.0～2.0h，即整个系统的停留时间为3.5～5h。技术上的简单性并配以可观的能源回收，使整个系统成为有吸引力的城市污水替代工艺。 ④在出水中相对高的胶体COD浓度表明胶体物的进一步去除或这种细小物质的进一步转化是城市污水厌氧处理工艺中的限速阶段，为了完全稳定地去除SS，在本研究中提出了与HUSB反应器并联的污泥稳定工艺。这种方式对提高HUSB反应器水解污泥能力需要进一步试验考察。

1 王凯军.厌氧(水解)处理低浓度污水.中国环境出版社.1992 2 王凯军，郑元景，徐冬利.水解—好氧生物处理工艺处理城市污水.环境工程，1987；5(4～6) 3 Last A R M van der，Lettinga G.Anaerobic Treatment of Domestic Sewage under Moderate Climatic (Dutch) Conditions Using Upflow Reactors at Increased Superficial Velocities.In: Proceedings Congress IAWPRC Anaerobic Digestion‘91 Sao Paul，Brazil.1991 4 王凯军.间歇回流实验评价废水厌氧可生化性.中国给水排水，1993;(5)：4～6 5 Dutch Standard Normalized Methods.The Netherlands Normalisation Institute，Box 5059，2600 GB Delft，The Netherlands 6 Knechtel J R.A more economical method for the determination of chemical oxygen demand.Water and Pollution Control，1978;166:25～29 7 Yoda M，Hattori M，Miyaji Y.Treatment of Municipal Wastewater by Anaerobic Fluidized Bed:Behaviour of Organic Suspended Solids in Anaerobic Reactor，Seminar Anaerobic Treatment of Sdewage，June 1985，Amhorst，USA.161～196 8 Breure A M.Phase Separation in Anaerobic Digestion，In:Anaerobic Reactor Technology，International Course on Anaerobic Wastewater Treatment，IHE and WAU，the Netherlands.1991.151～160 9 Schellinkhout A，Collazos C J.Full Scale Application of the UASB Technology for Sewage Treatment.In:Proc.Cong.IAWPRC Anaerobic Digestion‘91，1991;145～152