王凱軍(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院)
Last A.R.M.Van derG.Lettinga (荷蘭Wageningen 農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境技術(shù)系) 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(guò)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23～70 L/m3污水的沼氣產(chǎn)量。
關(guān)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(yīng)器(HUSB)在短的停留時(shí)間(HRT=2.5 h)和相對(duì)高的水力負(fù)荷［＞1.5 m3/(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(duì)于懸浮性COD的去除很差［3］。上述研究表明，兩種各自開(kāi)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(jiàn)圖1)。 
1 材料和方法 1.1反應(yīng)器,接種物和啟動(dòng)
HUSB反應(yīng)器(200L)直接運(yùn)行在滿(mǎn)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(dòng)，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(cè)定采用濾紙(孔徑4.4μm)過(guò)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(cè)定方法［6］，CODt、CODm和CODf分別代表總COD、0.45μm和4.4μm濾紙過(guò)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(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(méi)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(dòng)，因此它可減少?zèng)_擊負(fù)荷，這一特點(diǎn)對(duì)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(méi)有降低。 表1 溫度和濃度與去除率之間的關(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/L） | COD去除率（%） | SS去除率（%） | | 范圍 | 平均 | 進(jìn)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(jì)；
Et=100×{CODt(進(jìn)）-CODt(出）}/CODt(進(jìn)）；Ef/t=100×{CODt(進(jìn)）-CODt(出）}/CODt(進(jìn)）；
Em=100×{CODm(進(jìn)）-CODm(出）}/CODm(進(jìn)）；Ec=100×{CODc(進(jìn)）-CODc(出）}/CODc(進(jìn)）；
Es=100×{CODs(進(jìn)）-CODs(出）}/CODs(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(jiàn)圖2。在水解反應(yīng)器采用污泥水解率來(lái)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(guò)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(píng)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(cè)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)前后污水性質(zhì)的變化（HRT=3.0h）| 項(xiàng)目 | CODt(mg/L) | BOD5(mg/L) | SS(mg/L) | BOD5f/BOD5 | VFA/CODT | BOD5f/COD | CODt/CODt | CODm/CODt | | 進(jìn)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(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=12 m/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(duì)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(méi)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(duì)有機(jī)物的處理潛力沒(méi)有被充分利用。在T＞15 ℃和T=12 ℃時(shí)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(yīng)器試驗(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 | | 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(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5 h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(jiàn)表4)。 表4 HUSB和EGSB反應(yīng)器串聯(lián)工藝的運(yùn)行結(jié)果| 反應(yīng)器 | HUSB反應(yīng)器（平均） | EGSB反應(yīng)器（平均） | 系統(tǒng)總結(jié)果（平均） | | 溫度（℃） | 17 | | 11 | 17 | | 12 | 17 | | 12 | | HRT(h) | | 3.0 | | | 2.0 | | | 5.0 | | | COD負(fù)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(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(píng)價(jià)UASB和EGSB反應(yīng)器對(duì)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(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)器出水回流試驗(yàn)（T=20℃）| 時(shí)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(yùn)行方式（υ=1.0m/h）；
b：EGSB運(yùn)行方式（υ=6.0m/h）； | 4 討論和結(jié)論 在本研究中，發(fā)現(xiàn)采用EGSB系統(tǒng)對(duì)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(guò)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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(jí)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COD 83%的SS和51%的COD 76%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?dòng)措施對(duì)于抑制甲烷產(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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(guó)環(huán)境出版社.1992?
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作者簡(jiǎn)介：王凱軍(1960-)男 工學(xué)博士 高級(jí)工程師?
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