常温下膨胀颗粒污泥床EGSB反应器处理城市污水

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文章编号:0427-7104(2006)03-0353-06收稿日期:2005-10-08基金项目:国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2003AA601020)作者简介:张旭栋(1982—),男,硕士研究生;通讯联系人刘燕教授.常温下膨胀颗粒污泥床(EGSB )反应器处理城市污水张旭栋,刘 燕,邓丛蕊(复旦大学环境科学与工程系,上海 200433)摘 要:研究了用膨胀颗粒化污泥床(EGSB )反应器处理常温条件的城市污水.实验结果表明:在回流比为1∶1,水力停留时间(HRT )为2~24h 范围内,城市污水经EG SB 处理后,其出水平均ρCOD 为78mg ·L -1,ρSS 为18mg ·L -1,色度16,浊度12,pH 7.5~pH8.3,满足城镇污水处理厂二级排放标准.出水ρCOD 中,硫化物占约50%的比例,脱除出水中的硫化物是进一步降低ρCOD 浓度的关键.在一定的范围内(1∶1~14∶1),回流比对出水ρCOD 影响较少,但当回流比为18∶1,上升流速为3.8m ·h -1时,污泥流失严重,出水恶化.关键词:EG SB 反应器;城市污水;水力停留时间(HRT );常温;回流比;厌氧处理中图分类号:X 172 文献标识码:A 厌氧处理工艺具有剩余污泥少、运行费用低、能源可回收等优点,被认为是发展前景看好的废水处理技术[1,2].目前在一些热带地区,以UASB (上流式厌氧污泥床)为代表的厌氧反应器已经应用于城市污水的处理[3].而在我国,城市生活污水的处理率仅为22.3%,其中82%的生活污水处理仍沿用传统的好氧工艺[4],从能源与环境的角度来看,生活污水的厌氧处理技术具有广阔的前景.对厌氧工艺而言,城市污水属于典型的低温、低浓度污水(ρCOD <1000mg ·L -1),不利于厌氧处理,因此在常温下采用厌氧工艺处理城市污水一直是厌氧工艺发展所面临的挑战之一,EGSB (膨胀颗粒污泥图1 EGSB 反应器结构图Fig .1 Schema tic diag ram o f EGSB reacto r1.进水桶;2.进水泵;3.回流泵;4.气体收集;5.出水;6.三相分离器;7.污泥床床)的出现使得在低于15℃下处理污水成为可能[5].城市污水的EGSB 处理研究在国外已经有十多年的历史[5],而在国内,对EGSB 的研究则主要集中在高浓度自配水[6,7]、有毒废水[8]的处理及反应器中污泥性质[9,10]等方面,采用EGSB 对实际城市污水处理的研究则未多见.本文就常温下EGSB 反应器处理我国实际城市污水的可行性进行了研究,探讨了在不同水力停留时间和回流比条件下E GSB 处理城市污水的效果.1 试验装置、材料和方法1.1 试验装置如图1所示,EGSB 反应器由有机玻璃制成,聚四氟乙烯管连接.反应器总高度1.5m ,反应区高度1.2m ,反应区内径4cm ,有效体积1.5L .进水及回流均采用恒流泵导入.1.2 试验用水与接种污泥试验进水取自上海市曲阳水质净化厂,进水水质主要指标见下表1.接种污泥来自上海市某啤酒厂处理啤酒废水的内循环厌氧反应器中,颗粒呈深黑色,粒径以第45卷 第3期2006年6月复旦学报(自然科学版)Journal of Fudan University (Natural Scienc e )Vol .45No .3Jun .20061~3mm 为主,接种量16.9gSS /L .1.3 试验进程及方法反应器在常温下总共运行了283d ,前156d 保持在固定回流比(1∶1)条件下,通过逐步提高进水容积负荷减小水力停留时间(H RT ),考察了EGSB 反应器对城市污水的处理效果.从157d 起,则保持HRT 稳定在6h 左右,通过逐步提高出水回流比,考察了反应器受上升流速改变的影响程度及运行状况.1.4 分析方法ρCOD ,ρBOD 5,ρNH 3-N ,ρSS ,色度等的测定均采用标准方法[11],ρSO 2-4采用标准重量法[11],ρS 2-采用碘量法[11].浊度采用WZS -185高浊度仪测定,VFA (挥发性有机脂肪酸)采用气相色谱法测定,气相色谱仪:1122GC (上海分析仪器厂),15m ×0.53mm FFAP ,pH 值采用pH -2S 型酸度计测定.2 试验结果与讨论2.1 EGSB 反应器在不同HRT 条件下的运行状况采用厌氧颗粒污泥接种,启动期温度保持在30℃左右,H RT 保持在24h ,3周左右出水ρCOD 便可稳定在60mg ·L -1以下,故认定启动完成,此后EGSB 处于21~32℃(平均温度26℃)的常温环境中.由于城市污水浓度较低,应尽快的提高有机负荷以维持颗粒中厌氧微生物的营养,故启动完成后随即将HRT 迅速降至12h .采用减小H RT ,增大水力负荷的方法提高有机负荷,每次在新的H RT 条件下,出水稳定后,便进一步减小H RT ,直至HRT 降至1h 时,反应器内污泥流出严重,出水水质恶化,故在第157d 重新将HRT 从1h 升至6h .运行期间反应器主要进、出水情况如表1所示.表1 进、出水主要水质指标一览Tab .1 W ater quality of influent and effluent in EGSB reacto r during operation period进、出水ρCOD /mg ·L -1范围平均值ρBOD 5/mg ·L-1范围平均值ρSS /mg ·L-1范围平均值ρNH 3-N /mg ·L-1范围平均值ρ总P /mg ·L-1范围平均值ρ碱度/mgCaCO 3·L -1范围平均值进水143~24718671~1259162~1399616~33242.0~3.52.9188~251218出水46~1007816~35256~281817~34251.7~3.32.7187~257216进、出水浊度/NT U 范围平均值色度/倍范围平均值ρ挥发性脂肪酸/mgCH 3COOH ·L -1范围平均值pH 范围平均值ρSO2-4/mg ·L -1范围平均值ρS2-/mg ·L -1范围平均值进水135~26019516~503014~65297.1~8.17.579~153120——出水5~30128~201611~39197.5~8.37.810~65400~4416 (1)EGSB 反应器对COD 的去除效果不同HRT 条件下EGSB 反应器对COD 的去除效果如图2所示.由图2(b )易见EGSB 反应器在整个运行期内出水较为稳定,受进水波动和HRT 改变的影响较小.Lettinga 在采用UASB 反应器处理城市污水时,亦提到厌氧处理的这一特点[12].运行期内出水平均ρCOD 为78mg ·L -1,H RT 在24,12,8,6,4,3,2h 时的平均出水ρCOD 则分别为57,78,79,74,75,87,93mg ·L-1,均满足城市污水二级排放标准(≤100mg /L ):其中24~4h 阶段,出水ρCOD 更是达到城市污水排放一级B 标准(≤80mg ·L -1),其相应的COD 平均去除率分别为65%,52%,59%,62%,61%,53%和49%.在156d 的运行过程中,COD 去除率最高可达73%,平均为57%.由于城市污水的浓度较低,波动范围也较小,因此就城市污水厌氧处理而言,基本是维持在低负荷下运行,所以有机负荷对反应的影响主要还是由H RT 的大小改变决定,如图2(c )所示,当H RT 由24降至2h 时,反应器的有机负荷由最初的0.17kg COD ·(m -3·d -1)逐步提高到了5.39kg COD ·(m-3·d -1).Last 等在荷兰旱季常温条件下(13~19℃)采用205L 的EGSB 处理预沉城市污水,进水平均ρCOD =391mg ·L -1,HRT 在3.5~5.8h 时,出水平均ρCOD 为258mg ·L-1,总COD 平均去除率为34%[5].王凯军用EGSB 在常温(19~20℃)条件下处理城市污水,在H RT 为2~4h ,上升流速为2~12m ·h -1的条件下,将ρCOD 为378~419的进水降低为211~233m g ·L -1的出水[13].李波等用复合厌氧污泥床常温下处理354 复旦学报(自然科学版)第45卷 城市污水时,进水ρCOD 156~475mg ·L -1,出水平均ρCOD 为159mg ·L -1[14].这些研究成果[5,13,14]的一个共同点均为出水ρCOD 高于100mg ·L-1,不能满足我国城市污水处理厂二级排放标准(ρCOD ≤100mg ·L -1).而本试验的进水取自上海曲阳水质净化厂,其ρCOD 值很低,仅为143~247mg ·L-1,在常温下用EGSB 反应器将其处理至46~100mg ·L -1,能够满足我国城市污水处理厂二级排放标准,因此采用单级EGSB 处理城市污水具有极大的应用前景.由于硫酸盐在厌氧环境下会被硫酸还原菌还原成硫化物,出水中的硫化物也会构成COD .从测试结果来看,进水ρSO 2-4在120mg ·L -1左右,出水的ρSO 2-4则为40m g ·L -1,去除率高达75%.出水中平均ρS2-为16mg ·L -1,按2gCOD /g S 2-的当量计算可知,在出水ρCOD 中约有32m g ·L -1是由S 2-所贡献.运行期间出水平均VFA 浓度为19mg /L ,且未检测到除乙酸外的其他VFA ,将其折合ρCOD ,则为20m g ·L -1.另外出水平均ρSS 为18mg ·L -1,按1.98gCOD /g VSS 的当量和厌氧出水VSS /SS 常数为0.6计算,折合ρCOD 约为21mg ·L -1.三者累积总值约为73mg ·L -1,与实际平均出水ρCOD =78mg ·L -1相比较为吻合,因此可以大致确定以SS 、VFA 和非VFA (主要为S 2-,另外可能包括多糖、蛋白、SMP 等)形式存在的出水ρCOD 组分比例21∶19∶38(约为1∶1∶2).因此采用EGSB 工艺在处理低浓度废水时,需要注意的一点便是如何高效经济地脱除出水组分中的硫化物.图2 EGSB 在不同HRT 条件下的处理效果和运行状况(a )H RT ,(b )进、出水CO D 浓度,(c )CO D 的去除率、进水有机负荷Fig .2 Performance of EGSB reacto r during different HRT period(a )H RT ,(b )V ariety of CO D in influent and effluent ,(c )CO D removal efficiency and o rganic loading-○-进水;-★-出水;-■-COD 去除率;-△-有机负荷 (2)EGSB 对SS 、N 、P 、色度、浊度等的去除效果EGSB 反应器进、出水ρSS 和NH 3-N 的变化情况如图3,图4(见第356页)所示.从图3来看,进水SS 浓度在62~135范围变化,平均96,而在24,12,8,6,4,3,2和1h 时平均出水SS 分别为27,21,17,16,23,18,23,和34mg ·L -1,平均去除率可达75%以上.易见除启动初期及H RT 降至1h 后由于高水力负荷下引起的部分污泥洗出导致SS 浓度升高外,运行期内出水SS 均低于25mg ·L -1,满足国家城镇污水处理厂二级排放标准.进水SS 并没对反应器造成什么影响,高的SS 去除率可能还要归功于反应器本身的结构特征———具有很大的高径比(约30左右).这样的结构使得EGSB 反应器在低H RT 条件下去355 第3期张旭栋等:常温下膨胀颗粒污泥床(EGSB )反应器处理城市污水除SS 时更像是一个竖流式沉淀池和悬浮澄清池,SS 在通过污泥床时能得到有效的截留去除.作为厌氧工艺的一种,EGSB 同样不能有效的去除氮、磷.表1中显示进、出水总P 浓度变化不大,进、出水平均浓度分别为2.9和2.7mg ·L -1,图4则显示EGSB 反应器对NH 3-N 几乎没有任何的去除,进、出水NH 3-N 平均浓度分别为24和25mg ·L -1.虽然厌氧微生物的代谢会消耗部分氮,但城市污水中存在的蛋白质等会在厌氧条件下转化成NH 3-N ,从而导致了出水中NH 3-N 的稍微升高.同其他的厌氧工艺处理城市污水一样,EGSB 需要选择适当的后处理工艺来处理氨氮和磷.图3 不同HRT 阶段的平均进、出水SS 和去除率Fig .3 T he average SS in influent and effluent as well as its remov al efficient during different H RT period-○-进水;-★-出水;-■-平均去除率图4 运行期内进出水N H 3-N 变化情况Fig .4 Influent and effluent NH 3-N variation of EGSB reacto r during operation period-○-进水;-★-出水 EGSB 对城市污水色度、浊度的去除效果如表1所示.出水水质的表观改善尤为明显,出水色度均保持在20以下.对浊度的去除效果则更为出色,进水135~260NTU ,平均195NT U ,而出水仅为5~30N TU ,平均只有12NT U ,平均去除率高达95%,两指标均符合国家城镇污水处理厂一级排放标准.从试验结果可见,在常温条件下采用EGSB 处理我国城市污水是可行的,在H RT 低至2h 的条件下,其出水ρCOD ,ρBOD 5,ρSS ,pH ,色度等指标均能满足国家城镇污水处理厂二级甚至一级排放标准,从处理效果和运行成本两方面来考虑,EGSB 无疑是一种颇具竞争力的工艺.2.2 EGSB 反应器在不同回流比条件下的运行效果从第157d 将反应器的HRT 升至去除率较好的6h ,并维持1∶1的回流,待一周左右出水恢复稳定后,重新测试和分析相关数据,并逐渐增加回流比.该阶段试验共持续127d ,最终回流比升至18∶1,上升流速(u up )由最初的0.4m ·h -1升至3.8m ·h -1.表2为不同回流比(不同u up )下反应器的表现,图5为运行周期内的出水ρCOD 变化.随着上升流速的增加,反应区污泥床高度变化明显,呈逐步膨胀现象.在u up ≤1.0m ·h -1时,污泥基本沉于反应区底部,固液分界线明显,当回流比继续增加,u up 增至1.6m ·h-1后,在高的流速下,泥水间的混合加强,污泥床会变得均匀松散,当u up ≥3.4m ·h -1后,污泥膨胀更为明显,已升至三相分离器底部,出水中洗出少量絮状污泥,当u up 上升至3.8m ·h -1时,出水中污泥流失现象则相当严重.由表2及图5易见,本试验运行的EGSB 反应器在回流比升至14∶1之前,出水ρCOD 变化不大,在70~77mg ·L -1范围内波动.当回流比达14∶1,上升流速为3.0m ·h -1时,这一阶段出水ρCOD 最低可达61356 复旦学报(自然科学版)第45卷 mg ·L -1,平均出水也只有70mg ·L -1.当回流比达16∶1时,COD 去除率略有降低.而当回流比继续升高至18∶1,上升流速为3.8m ·h -1时,出水ρSS 显著上升,平均值达38mg ·L -1,出水ρCOD 值也达100mg ·L-1以上,说明过高的上升流速后反而会造成出水的恶化.高的回流比与高能耗密切相关,因此在保证出水水质的前提下,选择合适的回流比对于工程应用具有实际意义.在本试验条件下,从处理效率来看,保持1∶1~14∶1的回流比较为合理,但考虑到上述能耗原因,最佳回流比应控制为1∶1左右,此时能耗最小,且出水COD 等指标又能达到国家城镇污水处理厂二级排放标准.表2 不同回流比下反应器的表现T ab .2 T he performance of EGSB reactor during different effluent recirculation ra tes回流比u up /m ·h -1ρ进水平均COD /mg ·L-1ρ出水平均COD /mg ·L-1ρ出水平均SS /mg·L -11∶10.417974153∶10.820979167∶11.6207721510∶12.2192731812∶12.6209712014∶13.022*******∶13.4230772718∶13.826011238图5 不同回流比下EGSB 反应器的COD 进出水变化Fig .5 Influent and effluent CO D variation of EGSB reactor under different effluent recirculation ra te-○-进水;-★-出水;-■-去除率 关于EGSB 反应器稳定运行时所能承受的上升流速,国内外文献结论有异,通常认为在处理低浓度废水时,速度保持在6m ·h -1以下,处理效果良好[13];但也有研究报道上升流速在8~10m ·h -1时仍能稳定高效的运行[15].究其原因,这与各人运行的EGSB 反应器结构上的差异(如反应区的截面积、反应器的高度、三相分离器的设计等)以及反应区污泥接种量等都有较大关系.从本试验的结果来看,EGSB 反应器在上升流速低于3.8m ·h -1时能够稳定的运行,出水平均COD 值74mg ·L -1,平均去除率64%;在上升流速3.0m ·h -1左右时,可取得最好的去除率,这也与相关文献上升流速应该控制在6m ·h -1以下相符.综上所述,EGSB 反应器可有效地处理低浓度城市污水.在室温条件下EGSB 对COD 的去除受HRT变化影响不大,在HRT 为2~24h 范围内,其出水平均ρCOD 为78mg ·L -1,ρSS 18mg ·L -1,色度16倍,浊度12NTU ,这些指标满足国家城镇污水处理厂二级甚至一级排放标准.而从EGSB 反应器出水COD 构成来看,以SS ,VFA 和非VFA 形式存在的组分比例大致为1∶1∶2,其中非VFA 形式的COD 组分主要为硫化物,因此采用EGSB 工艺在处理低浓度废水时,脱除出水中的硫化物是降低COD 浓度的关键.在一定的范围内(从1∶1到14∶1),回流比对出水ρCOD 变化影响不大,在70~77mg ·L -1范围内,当上升流速大于或等于3.8m ·h -1时,出水水质恶化,污泥流失严重.在保证出水水质的条件下,考虑到回流能357 第3期张旭栋等:常温下膨胀颗粒污泥床(EGSB )反应器处理城市污水耗,处理城市污水的最佳回流比应为1∶1.参考文献:[1] Letting a G .Advanced anaerobic wastew ater treatment in the near future [J ].Wat Sci T ech ,1997,35(10):5-12.[2] Letting a G ,Rebac S ,Zeeman G .Challenge of psychrophlic anaerobic w astewater treatment [J ].Trends inBiotech ,2001,19(9):363-370.[3] Schellinkhout A ,Collazos C J .Full -scale application of the UASB technology for sew age treatment [J ].WatSci T ech ,1992,25:159-166.[4] 李 亮,黄 丽,刘 燕.城市生活污水厌氧生物处理发展现状[J ].环境污染治理技术与设备,2004,5(12):1-6.[5] v an Der Last A R M ,Lettinga G .A naerobic trea tment of do mestic sewage under moderate climatic (Dutch )conditions using upflo w reactors at increased superficial v elo cities [J ].Wat Sci T ech ,1992,25(7):167-178.[6] 左剑恶,王妍春,陈 浩,等.膨胀颗粒污泥床(EGSB )处理高浓度自配水的试验研究[J ].中国沼气,2001,19(2):8-11.[7] 江 瀚,王凯军,倪 文,等有机负荷及水力条件对EGSB 运行效果的影响[J ].环境污染治理技术与设备,2005,6(1):39-43.[8] 王妍春,左剑恶,肖晶华.EG SB 反应器处理含氯苯有机废水的试验研究[J ].环境科学,2003,24(2):116-120.[9] 王妍春,左剑恶,肖晶华.EG SB 反应器内厌氧颗粒污泥性质的研究[J ].中国沼气,2002,20(4):3-7.[10] 康 晶,王建龙.EGSB 反应器中厌氧颗粒污泥的脱氮特性研究[J ].环境科学学报,25(2):208-213.[11] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法(第3版).北京:中国环境科学出版社,1989.[12] Letting a G ,de M an A ,van Der Last A R M ,et al .A naerobic treatment of domestic sew ag e and wastewa ter[J ].Wat Sci T ech ,1993,27(9):67-93.[13] 王凯军,van Der Last A R M ,Lettinga G .水解与颗粒污泥膨胀床串连工艺处理城市生活污水[J ].中国给水排水,1999,15(8):19-23.[14] 李 波,徐高田,邹伟国,等.复合式厌氧污泥床反应器处理城市生活污水的试验研究[J ].环境技术,2002,20(2):33-36.[15] Jeison D ,Chamy R .Comparison of the behaviour of expended granular sludge bed and upflow anaerobic sludgeblanket reactor in dilute and concentrated wastewater reatment [J ].Wat Sci Tech ,1999,40(8):91-97.Municipal Wastewater Treatment by EGSB (Enhanced GranularSludge Bed )Reactor at Ambient TemperatureZH AN G Xu -don g ,LIU Yan ,DE NG Cong -rui(Department of Env ironmental Science and Engineering ,Fudan University ,S hanghai 200433,China )A bstract :The municipal wastew ater treatment by EGSB (Enhanced Granular Sludge Bed )reactor at ambient temperature was investigated .The results showed that when HRT (Hydraulic Retention Time )ranged from 2to 24h with recircula -tion ratio of 1∶1,average ρCOD was 78mg /L ,ρSS ,18mg /L ,color ,16,turbidity 18in the effluent of the EGSB reactor ,meeting the discharge requirements of The Second Grade of Discharge Standards for Municipal Wastewater Treatment Plant .Sulfide contributed about 50%ρCOD in effluent .It w as a key to remove sulfide from effluent to further reduce ρCOD level .Recirculation ratio ,ranged 1∶1to 14∶1,had little effect on effluent ρCOD level .Effluent quality became worse w ith severe sludge w ashout when return ratio increased to 18∶1with upflow velocity of 3.8m /h .Keywords :EGSB reactor ;municipal wastew ater ;Hydraulic Retention Time (HRT );ambient temperature ;recirculation ratio ;anaerobic treatment358 复旦学报(自然科学版)第45卷 。