常温EGSB处理生活污水的研究

李克勋¹，徐智华¹，郭晓燕¹，张振家²
（1．南开大学 环境科学与工程学院，天津，300071；2．上海交通大学环境科学与工程学院，上海，200030）

　　摘　要：本文研究了利用EGSB反应器在常温条件下处理低浓度生活污水的启动、运行等过程，试验结果表明当周围环境温度高于15℃，利用城市污水处理厂的消化污泥接种的反应器，水力停留时间可以控制在为2~7h内，COD去除率可达70~85%，出水COD低于国家二级排放标准。
　　关键词：EGSB反应器，生活污水，常温处理

　　改革开放以来，我国农村经济在乡镇工业的带动下迅速发展，人口居住趋向集中，建设发展成为各级中小城镇，至1999年5月，已达19 216个，不仅在数量上有很大增加，而且已有相当的规模^[1]。这类城镇小的人口规模、低的自来水普及率和工农业发展结构与水平，决定了小城镇的污水排放量大都在(1～5)×10⁴ｍ³/d的规模范围内，污水主要由生活污水和以农产品为原料的工业废水(有机废水)的组成，其中生活污水量占50%以上，水量与大城市相比较小，而且在量与质上都不够均匀和稳定，并且污水中悬浮浓度较高，有机物浓度较低。我国城市污水处理率仅为6.75%，村镇生活污水处理率更低，并且采用的大多数是传统的化粪池处理后排入附近水体，这种做法已不能满足水环境保护的要求，严重影响居民生活生产甚至生命安全，一些地区与水污染有关的癌症及其它疾病的发病率也大幅度提高^[2]。但是对于这种小城镇污水如果采用传统的二级处理模式，其造价和运行费用是无法承受的。对于这种小城镇来说开发低能耗的处理工艺，即使处理效率达不到二级处理的标准，但是由于能够大量消减污染物，也是具有非常大的吸引力的。厌氧生物处理技术由于不需要氧气从而可以大大降低能耗，并且在近三十年来取得了突飞猛进的发展，反应器不仅从最初的厌氧发酵罐发展到已膨胀颗粒污泥床（Expended Granular Sludge Bed, EGSB）为代表的厌氧反应器，而且处理水质也从高浓度有机污水扩展到低浓度污水水质方面的研究^[3]。但是以往的研究大部分集中在恒温（如高温、中温），而对于常温特别是一年四季的研究报道很少^[4~5]，本文是利用EGSB进行了在常温的状况下对城市污水的处理研究，其周期包括一年中最高温度和最低温度，从而对于该技术的应用具有实际意义。

1 实验流程与分析方法

1.1 厌氧颗粒污泥膨胀床反应装置及其系统
　　试验用的EGSB反应器用有机玻璃加工而成，下部为膨胀污泥床层，高1.5m，内径12cm，容积为18L；上部为沉淀区，内设有三相分离器，内径为10cm，高40cm，容积为3.2L。反应器放置在室外不加任何加热保温设施，保证反应器内温度与周围环境一致，连续进水运行。图1为试验的装置与工艺流程图。

1.2 实验用水
　　实验所使用的生活污水取自泰达学院某污水站房，水质见表1。进水由隔膜泵从EGSB反应器的底部打入，出水经三相分离之后，排出计量；所产生的沼气由三相分离器的顶部排出，经水封瓶进入湿式气体流量计后计量。

表1 实验用生活污水主要水质参数

温度（℃）

COD_Cr(mg/L)

BOD₅(mg/L)

pH

SS(mg/L)

VSS(mg/L)

NH₃-N(mg/L)

14~35

321~436

274

7.2

93

53

25.1

1.3 分析方法
　　COD_Cr、BOD₅、碱度、SS、VSS等都按照《水与废水监测分析方法（第三版）》的标准方法测定；挥发酸（VFA）的测定按照《废水的厌氧生物处理》中挥发酸的滴定法分析进行^[5]；甲烷用气相色谱测定；pH值采用Thermo Orion 868型pH计测定；污泥的COD_Cr去除率用间歇的实验方法测定。

2 实验过程

2.1 EGSB反应器接种
　　实验的接种污泥来源于开发区污水处理厂经过消化的好氧剩余污泥，接种污泥按反应器的总容积计算为20.4g/L。启动安排在春末，当时的温度为17℃。
2.2 反应器的启动与运行
　　因为启动初期，接种污泥由于所处环境的变化，所以要经过一段时间的适应期^[5]。启动初期水力停留时间（HRT）为8h，随着污泥活性的恢复COD去除率即可稳定上升，一旦去除率达到稳定时，就可以提高水力负荷，一直到水力停留时间（HRT）为2h左右，水力负荷也从初始的2.25m³/(m³·d)提高到6m³/(m³·d)。在改变水力负荷的过程中也会有少量的细小的污泥絮体流出，这是因为污泥被水力冲刷，少量的颗粒污泥破碎后，随水流流出。在这个过程中对污泥进行了一次筛选，保留下了活性和沉淀性能都良好的颗粒污泥。因为接种的为消化污泥，所以在启动初期会洗出大量的污泥，出水为黑色。颗粒的形成必须洗出细小的难以沉降的污泥，所以开始时由于产气量较低可以通过控制水力负荷来控制污泥的洗出量。

3 实验结果与讨论

3.1 运行结果
　　反应器在启动结束后即进入运行期，试验运行了143天，运行数据按不同温度段分区处理，见表2。

表2 实验运行结果

温度(℃)

COD(mg/L⁾

HRT(h)

容积负荷(m³/m³·d)

沼气容积产量(m³/m³·d)

去除率（%）

平均去除率（%）

进水(总)

进水(溶)

出水

29.6
(27~33)

359

248

44

7.4

1.16

1.56

87.7

85.9

376

256

48

5.2

1.74

2.1

87.2

348

231

52

3.4

2.46

2.85

85.1

367

244

60

2.1

4.19

4.01

83.6

23.4
(20~26)

367

276

44

7.5

1.17

1.34

88.1

84.3

343

264

54

5.4

1.52

1.85

84.2

352

262

58

3.2

2. 64

2.8

83.5

356

254

65

2.0

4.27

3.86

81.7

17.0
(15~19)

343

264

46

7.3

1.13

1.04

86.5

82.7

357

273

56

5.1

1.68

1.37

84.3

362

253

68

3.6

2. 41

1.75

81.2

339

268

72

2.0

4.07

2.35

78.7

12.3
(10~14)

362

274

94

7.1

1.22

0.492

74.0

59.8

354

263

125

5.6

1.52

0.56

64.6

334

271

164

3.4

2.35

0.646

50.9

361

256

182

2.2

3.94

0.85

49.6

3.2 讨论
3.2.1 HRT与COD的去除率关系

　　根据表2得出HRT与COD_Cr去除率之间的关系图，见图2。从此图中可见，COD_Cr去除率随HRT缩短而变小，但是当温度在高于15℃，HRT在2 h以上时，均能达到较好的处理效果，其处理率达到75%以上，特别是温度在20～33℃范围内，去除效率达到很高的水平，并且处理效果在这一温度范围内变化也不大。但是当温度接近10℃时，其处理效果下降很快，此时温度是去除率的最大影响因素。
3.2.2 进水容积负荷与COD去除率关系

　　图3是进水有机容积负荷与COD_Cr去除率之间的关系，图中显示出随有机容积负荷增加，COD_Cr去除率减小的规律。在整个试验区间，当容积负荷达到4.0m³/(m³·d)以上时，只要温度在15℃以上，即使HRT降到2h，进水保持变化在350mg/L时，其去除率在75%以上，出水COD_Cr维持在80mg/L以下。在整个实验期间，出水中的挥发酸含量一直小于60mg/L，碱度维持在40~530mgCaCO₃/L，有良好的缓冲能力，出水的pH值在7.4左右。

3.2.3 容积去除率与沼气容积产率的关系
　　从图4可以看出在不同的温度下，COD的去除负荷与沼气容积产量之间的关系，在本实验的条件下，采用一元线形回归分析求得平均温度为29.6℃、23.4℃、17.0℃、12.3℃的沼气表观产率为0.184、0.172、0.125、0.085L/gCOD去除。在温度较高的条件下，微生物的活性强，分解有机物的速率快，沼气产率也相应的越高，并且温度越高，沼气的溶解性也越差，所以温度越高，沼气的表观产率越大。沼气中的甲烷含量高于65%。
3.2.4 温度对去除率的影响

　　从图5可以看出，温度是制约去除率的关键所在。只要温度高于15℃，EGSB对城市污水的有机物去除率就可以达到8.7%以上，出水水质有机物在100mg/L以下，低于城市污水处理厂的二级排放标准（120mg/L）。但是当温度低于15℃时，对有机物的去除率明显下降，最低达到49.6%，出水有机物浓度急剧上升，可达182mg/L，高于城市污水处理厂的二级排放标准。随后由于温度过低且没有采取保温措施，试验终止。
　　也就说只要温度高于15℃，利用EGSB处理城市污水还是具有非常好的效果，而低于此温度时，去除率下降。对于北方来说，即使冬天由于城市污水在地下管道中输送，其温度也不会低于15℃，只要做好反应器的保温措施，出水有机物浓度能够达到国家二级排放标准；而对于我国南方而言，由于气温较高，该技术更是具有推广价值。

4 结论

　　1) 在温度高于15℃的情况下，利用EGSB反应器处理生活污水，HRT2~7h，进水COD为321~436mg/L，出水COD保持在60~90 mg/L左右，去除率为70~80%之间，有机负荷可达4.5kg COD/(m³•d)，沼气表观产率在0.1~0.2L/gCOD去除。
　　2) 温度低于15℃时，其处理效果明显下降，但对于城市污水而言，只要做好反应器保温措施，即使最不利的环境下也能达到国家二级排放标准。

参考文献

　　[1] 杨鲁豫, 王琳, 王宝贞. 适宜中小城镇的水污染控制技术. 中国给水排水, 2001 01.
　　[2] 赵建夫, 蒋柱武. 升流式厌氧污泥床反应器处理生活污水研究. 同济大学学报, 2000, 28(6)
　　[3] 钱易, 米祥友. 现代废水处理新技术. 中国科学技术出版社, 1993.
　　[4] Lettinga G.. Anaerobic treatment of raw domestic sewage at ambient temperature using a granular bed UASB reactor. Biotech Bioeng, 1983, 25.
　　[5] 贺延龄. 废水的厌氧生物处理. 中国轻工业出版社,1998.