李克勛¹，徐智華¹，郭曉燕¹，張振家²
（1．南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300071；2．上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200030）

　　摘　要：本文研究了利用EGSB反應(yīng)器在常溫條件下處理低濃度生活污水的啟動、運(yùn)行等過程，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)周圍環(huán)境溫度高于15℃，利用城市污水處理廠的消化污泥接種的反應(yīng)器，水力停留時(shí)間可以控制在為2~7h內(nèi)，COD去除率可達(dá)70~85%，出水COD低于國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　關(guān)鍵詞：EGSB反應(yīng)器，生活污水，常溫處理

　　改革開放以來，我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的帶動下迅速發(fā)展，人口居住趨向集中，建設(shè)發(fā)展成為各級中小城鎮(zhèn)，至1999年5月，已達(dá)19 216個，不僅在數(shù)量上有很大增加，而且已有相當(dāng)?shù)囊?guī)模^[1]。這類城鎮(zhèn)小的人口規(guī)模、低的自來水普及率和工農(nóng)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)與水平，決定了小城鎮(zhèn)的污水排放量大都在(1～5)×10⁴ｍ³/d的規(guī)模范圍內(nèi)，污水主要由生活污水和以農(nóng)產(chǎn)品為原料的工業(yè)廢水(有機(jī)廢水)的組成，其中生活污水量占50%以上，水量與大城市相比較小，而且在量與質(zhì)上都不夠均勻和穩(wěn)定，并且污水中懸浮濃度較高，有機(jī)物濃度較低。我國城市污水處理率僅為6.75%，村鎮(zhèn)生活污水處理率更低，并且采用的大多數(shù)是傳統(tǒng)的化糞池處理后排入附近水體，這種做法已不能滿足水環(huán)境保護(hù)的要求，嚴(yán)重影響居民生活生產(chǎn)甚至生命安全，一些地區(qū)與水污染有關(guān)的癌癥及其它疾病的發(fā)病率也大幅度提高^[2]。但是對于這種小城鎮(zhèn)污水如果采用傳統(tǒng)的二級處理模式，其造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用是無法承受的。對于這種小城鎮(zhèn)來說開發(fā)低能耗的處理工藝，即使處理效率達(dá)不到二級處理的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于能夠大量消減污染物，也是具有非常大的吸引力的。厭氧生物處理技術(shù)由于不需要氧氣從而可以大大降低能耗，并且在近三十年來取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，反應(yīng)器不僅從最初的厭氧發(fā)酵罐發(fā)展到已膨脹顆粒污泥床（Expended Granular Sludge Bed, EGSB）為代表的厭氧反應(yīng)器，而且處理水質(zhì)也從高濃度有機(jī)污水?dāng)U展到低濃度污水水質(zhì)方面的研究^[3]。但是以往的研究大部分集中在恒溫（如高溫、中溫），而對于常溫特別是一年四季的研究報(bào)道很少^[4~5]，本文是利用EGSB進(jìn)行了在常溫的狀況下對城市污水的處理研究，其周期包括一年中最高溫度和最低溫度，從而對于該技術(shù)的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)流程與分析方法

1.1 厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)裝置及其系統(tǒng)
　　試驗(yàn)用的EGSB反應(yīng)器用有機(jī)玻璃加工而成，下部為膨脹污泥床層，高1.5m，內(nèi)徑12cm，容積為18L；上部為沉淀區(qū)，內(nèi)設(shè)有三相分離器，內(nèi)徑為10cm，高40cm，容積為3.2L。反應(yīng)器放置在室外不加任何加熱保溫設(shè)施，保證反應(yīng)器內(nèi)溫度與周圍環(huán)境一致，連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行。圖1為試驗(yàn)的裝置與工藝流程圖。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水
　　實(shí)驗(yàn)所使用的生活污水取自泰達(dá)學(xué)院某污水站房，水質(zhì)見表1。進(jìn)水由隔膜泵從EGSB反應(yīng)器的底部打入，出水經(jīng)三相分離之后，排出計(jì)量；所產(chǎn)生的沼氣由三相分離器的頂部排出，經(jīng)水封瓶進(jìn)入濕式氣體流量計(jì)后計(jì)量。

表1 實(shí)驗(yàn)用生活污水主要水質(zhì)參數(shù)

溫度（℃）

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、堿度、SS、VSS等都按照《水與廢水監(jiān)測分析方法（第三版）》的標(biāo)準(zhǔn)方法測定；揮發(fā)酸（VFA）的測定按照《廢水的厭氧生物處理》中揮發(fā)酸的滴定法分析進(jìn)行^[5]；甲烷用氣相色譜測定；pH值采用Thermo Orion 868型pH計(jì)測定；污泥的COD_Cr去除率用間歇的實(shí)驗(yàn)方法測定。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 EGSB反應(yīng)器接種
　　實(shí)驗(yàn)的接種污泥來源于開發(fā)區(qū)污水處理廠經(jīng)過消化的好氧剩余污泥，接種污泥按反應(yīng)器的總?cè)莘e計(jì)算為20.4g/L。啟動安排在春末，當(dāng)時(shí)的溫度為17℃。
2.2 反應(yīng)器的啟動與運(yùn)行
　　因?yàn)閱映跗?，接種污泥由于所處環(huán)境的變化，所以要經(jīng)過一段時(shí)間的適應(yīng)期^[5]。啟動初期水力停留時(shí)間（HRT）為8h，隨著污泥活性的恢復(fù)COD去除率即可穩(wěn)定上升，一旦去除率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，就可以提高水力負(fù)荷，一直到水力停留時(shí)間（HRT）為2h左右，水力負(fù)荷也從初始的2.25m³/(m³·d)提高到6m³/(m³·d)。在改變水力負(fù)荷的過程中也會有少量的細(xì)小的污泥絮體流出，這是因?yàn)槲勰啾凰_刷，少量的顆粒污泥破碎后，隨水流流出。在這個過程中對污泥進(jìn)行了一次篩選，保留下了活性和沉淀性能都良好的顆粒污泥。因?yàn)榻臃N的為消化污泥，所以在啟動初期會洗出大量的污泥，出水為黑色。顆粒的形成必須洗出細(xì)小的難以沉降的污泥，所以開始時(shí)由于產(chǎn)氣量較低可以通過控制水力負(fù)荷來控制污泥的洗出量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 運(yùn)行結(jié)果
　　反應(yīng)器在啟動結(jié)束后即進(jìn)入運(yùn)行期，試驗(yàn)運(yùn)行了143天，運(yùn)行數(shù)據(jù)按不同溫度段分區(qū)處理，見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

溫度(℃)

COD(mg/L⁾

HRT(h)

容積負(fù)荷(m³/m³·d)

沼氣容積產(chǎn)量(m³/m³·d)

去除率（%）

平均去除率（%）

進(jìn)水(總)

進(jìn)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 討論
3.2.1 HRT與COD的去除率關(guān)系

　　根據(jù)表2得出HRT與COD_Cr去除率之間的關(guān)系圖，見圖2。從此圖中可見，COD_Cr去除率隨HRT縮短而變小，但是當(dāng)溫度在高于15℃，HRT在2 h以上時(shí)，均能達(dá)到較好的處理效果，其處理率達(dá)到75%以上，特別是溫度在20～33℃范圍內(nèi)，去除效率達(dá)到很高的水平，并且處理效果在這一溫度范圍內(nèi)變化也不大。但是當(dāng)溫度接近10℃時(shí)，其處理效果下降很快，此時(shí)溫度是去除率的最大影響因素。
3.2.2 進(jìn)水容積負(fù)荷與COD去除率關(guān)系

　　圖3是進(jìn)水有機(jī)容積負(fù)荷與COD_Cr去除率之間的關(guān)系，圖中顯示出隨有機(jī)容積負(fù)荷增加，COD_Cr去除率減小的規(guī)律。在整個試驗(yàn)區(qū)間，當(dāng)容積負(fù)荷達(dá)到4.0m³/(m³·d)以上時(shí)，只要溫度在15℃以上，即使HRT降到2h，進(jìn)水保持變化在350mg/L時(shí)，其去除率在75%以上，出水COD_Cr維持在80mg/L以下。在整個實(shí)驗(yàn)期間，出水中的揮發(fā)酸含量一直小于60mg/L，堿度維持在40~530mgCaCO₃/L，有良好的緩沖能力，出水的pH值在7.4左右。

3.2.3 容積去除率與沼氣容積產(chǎn)率的關(guān)系
　　從圖4可以看出在不同的溫度下，COD的去除負(fù)荷與沼氣容積產(chǎn)量之間的關(guān)系，在本實(shí)驗(yàn)的條件下，采用一元線形回歸分析求得平均溫度為29.6℃、23.4℃、17.0℃、12.3℃的沼氣表觀產(chǎn)率為0.184、0.172、0.125、0.085L/gCOD去除。在溫度較高的條件下，微生物的活性強(qiáng)，分解有機(jī)物的速率快，沼氣產(chǎn)率也相應(yīng)的越高，并且溫度越高，沼氣的溶解性也越差，所以溫度越高，沼氣的表觀產(chǎn)率越大。沼氣中的甲烷含量高于65%。
3.2.4 溫度對去除率的影響

　　從圖5可以看出，溫度是制約去除率的關(guān)鍵所在。只要溫度高于15℃，EGSB對城市污水的有機(jī)物去除率就可以達(dá)到8.7%以上，出水水質(zhì)有機(jī)物在100mg/L以下，低于城市污水處理廠的二級排放標(biāo)準(zhǔn)（120mg/L）。但是當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，對有機(jī)物的去除率明顯下降，最低達(dá)到49.6%，出水有機(jī)物濃度急劇上升，可達(dá)182mg/L，高于城市污水處理廠的二級排放標(biāo)準(zhǔn)。隨后由于溫度過低且沒有采取保溫措施，試驗(yàn)終止。
　　也就說只要溫度高于15℃，利用EGSB處理城市污水還是具有非常好的效果，而低于此溫度時(shí)，去除率下降。對于北方來說，即使冬天由于城市污水在地下管道中輸送，其溫度也不會低于15℃，只要做好反應(yīng)器的保溫措施，出水有機(jī)物濃度能夠達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)；而對于我國南方而言，由于氣溫較高，該技術(shù)更是具有推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

　　1) 在溫度高于15℃的情況下，利用EGSB反應(yīng)器處理生活污水，HRT2~7h，進(jìn)水COD為321~436mg/L，出水COD保持在60~90 mg/L左右，去除率為70~80%之間，有機(jī)負(fù)荷可達(dá)4.5kg COD/(m³•d)，沼氣表觀產(chǎn)率在0.1~0.2L/gCOD去除。
　　2) 溫度低于15℃時(shí)，其處理效果明顯下降，但對于城市污水而言，只要做好反應(yīng)器保溫措施，即使最不利的環(huán)境下也能達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。

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