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厌氧颗粒污泥膨胀床


中国沼气 China Biogas 2006 ,24 (4)

13

厌氧颗粒污泥膨胀床 ( EGSB) 反应器处理生活 污水中试研究
杨   , 尚海涛 琦
( 中国地质大学水资源与环境学院 , 北京   100083)

cess was effective. The COD removal rate was in 72 %~90 %. The COD content of effluent was less than 70 mg? - 1 , SS removal L

trogen and acetic acid contents in effluent were higher than those in influent. The total nitrogen ,total phosphorus and nitrate ion in effluent were lower than those in influent. Key words : Anaerobic treatment ; pilot scale ; municipal wastewater ; EGSB reactor ; Granular sludge.

  厌氧消化技术作为一种低能耗的有机废水生

收稿日期 : 2005212220    修回日期 : 2006207221

作者简介 : 杨   (19662 ) , 男 ,副教授 ,主要从事水污染防治研究 ,E2mail :yq @cugb. edu. cn 琦

物处理方法得到了人们越来越多的重视 。随着对厌 氧消化理论的不断深入研究 , 人们相继开发了多种 高效厌氧生物反应器 , 如厌氧滤池 ( AF) 、升流式 厌氧污泥床 ( UASB ) 反应器 、厌氧附着膜膨胀床 (AAFEB) 及厌氧流化床 ( AFB ) 反应器等 , 它们 被广泛应用于城市废水和各种有机工业废水的处 理 , 均取得了良好的效果 。膨胀颗粒污泥床反应器 ( EGSB) 是在 UASB 反应器的基础上发展起来的 , 因此它们之间具有许多相似点 。例如它们都要在反 应器内产生沉淀性能和机械性能良好的颗粒污泥 ; 都需要装配高效的三相分离器来提高出水水质等 。 但它们之间也有许多不同点 。在 UASB 反应器中 , 污泥床是静态的 , 反应区集中在反应器底部 0. 4 ~0. 6 m 的高度 , 污水通过污泥床时有 90 %的有 机物被降解 , 污泥床污泥浓度在 40 ~ 70 kgVSS ? m23 , 悬 浮 层 污 泥 浓 度 10 ~ 30 kgVSS ? 23 。而 在 m EGSB 反应器中 , 可以认为反应器内厌氧污泥是完 全混合的 , 它比 UASB 反应器有更高的有机负荷 ,

摘   : 采用规模为 240 m3 ?21 的厌氧颗粒污泥膨胀床 ( EGSB) 反应器对生活污水进行研究 。试验结果表明 : 采用 要 d 率在 70 %~95 %之间 ,停留时间为 2 h 的产气率在 1. 26 m3 ? 23 d21 ,出水的氨氮 、 m 乙酸值比进水的高 ; 硝酸根离子出水 值比进水值低 。 关键词 : 厌氧生物处理 ; 中试 ; 生活污水 ; EGSB 反应器 ; 颗粒污泥 中图分类号 : S216. 4 ; X703    文献标识码 : A    21166 (2006) 0420013204 1000
tao/ ( Water Resources and Environmental Institute , China University of Geosciences( Beijing) , Beijing 100083 )

此系统处理生活污水 ,出水水质良好 。COD 的去除率在 73 %~90 %之间 ,出水的 COD 值小于 70 mg?21 ,SS 的去除 L

rate was about 70 %~95 %. The best retention time was 2 hours with gas production rate of 1. 26 m3 ? - 3 d - 1 . The ammonia ni2 m

Municipal Waste water Treatment with Pilot Scale Expanded Granular Sludge Bed ( EGSB) / YANG Qi , SHANG H 2 ai Abstract : Municipal wastewater treatment with pilot scale EGSB (240 m3 ? - 1 ) was conducted. The results indicated that the pro2 d

因此产气量也大 , 这有利于加强泥水的混合程度 , ) 提高有机物处理效率 。一般在常温 ( 25 ℃ 条件下 ,
h ,COD 去除效率为 60 %~ 80 % ; 而在 EGSB 反应器

UASB 的有机物负荷 10~13 kgCOD? 23 d21 ,HRT 4~7 m

中 ,溶解性有机物可以被高效去除 ,但由于水力流速 很大 ,停留时间短 ,难溶解性有机物 、 胶体有机物 、 SS

的去除率都不高 , 一般 EGSB 的有机物负荷可达 40 kgCOD? 23 d21 ,HRT 1~2 h ,COD 去除效率为 50 %~ m 70 % 。与 UASB 反应器相比 , EGSB 反应器特别适合 ) 低浓度 ( ≤ 于处理低温 ( 10 ℃ 25 ℃ 、 ~ 1000 mg ?21 ) L

的城市废水 。 虽然 UASB 厌氧生物反应器在应用中取得了很 大成功 ,但在进一步扩大其处理范围时 ,仍然遇到不 少问题 ,例如 : 泥水混合不充分 , 反应器内存在大量 死水区 ; 在低温条件下 ,水解过程缓慢 ,SS 去除率下 降等 。EGSB 反应器就是为了克服以上缺点在 UASB 反应器的基础上发展起来的新一代更高效的反应 器 。本文研究考察了膨胀颗粒污泥床反应器对生活 污水的处理效果 。

14 1  试验装置与试验方法 1. 1   试验装置

中国沼气 China Biogas 2006 ,24 (4) 表 1  EGSB 反应器中试试验进水水质
温度 (℃ )
10~30 COD (mg?21) L SCOD (mg?21) L

氨氮
(mg?21) L 20~46

试验装置如图 1 所示 。EGSB 反应器用钢板制 成 ,厚度为 10 mm 。上部为沉淀区 , 内设三相分离 器 ,长为 3. 15 m ,宽为 2. 10 m ,高为 4. 5 m ,容积为 30 m3 。沿反应器的高度设有 5 个取样口 , 其间距为 015 m ,最下面的一个取样口离地面 0. 6 m 。整个装 置设在实验室的中试基地 ,进水不采用加热设备 ,反 应器采用高位水箱进水 , 进水流量用转子流量计计 量 ,沼气的产量采用煤气表计量 。 1. 2   试验用水水质和接种污泥性状 试验用水取自生活小区的生活污水 , 进水水质 见表 1 。接种污泥分为两部分 , 一部分取自城市污 水厂二沉池脱水后的活性污泥 , 含水率为 68 % , 污 氧污泥 , 其含水率为 99. 6 % ,VSS/ SS 为 73. 5 % 。其 中城市污水厂二沉池脱水后的污泥主要作为厌氧微 生物生长和附着的载体 , 因为脱水后的好氧污泥颗 粒大 ,比表面积大 , 沉降性能好 , 有利于 EGSB 厌氧 反应器的快速启动 。消化污泥是 EGSB 最好 、 最直 接的厌氧接种物 ,因为生活污水的有机成分较接近 , 因此用生活污水的厌氧消化污泥接种更有利于迅速 地启动 EGSB 反应器 。由于实验采用生活污水 , 水 力负荷较大 ,出水未采用回流 。 1. 3   试验条件 实验在启动成功的反应器中进行 ,常温 ,停留时
kgCOD? kgVSS21 d21 ; 还有少部分为污水厂氧化沟的好
图 1  EGSB 反应器结构示意图

61 ~ 816

50 ~ 600

156~927

   :SCOD 为经过滤纸过滤后的 COD 。 注

间 2 h ,对 COD 处理效果 、 悬浮物的处理率 、 产气率 、 氨氮 、 、 、 总氮 总磷 硝酸根 、 有机挥发酸等的影响进行 了研究 。
1. 4   测试项目与方法

测试项目包括 COD ,SCOD ,SS ,VSS , 有机酸 , 总 氮 ,氨氮 ,总磷等 ,均按 《水和废水检测分析方法 ( 第 四版) 》 测定 。
2  试验结果与分析

2. 1   COD 去除效果影响

泥量约 1. 5 吨 ,VSS/ SS 为 50 % ; 另一部分取自城市 污水厂厌氧消化污泥 , 含水率为 94 % , 污泥量为 1 吨 ,VSS/ SS 为 84 % ,SVI 为 78 ml ?21 , 最大产甲烷的 g 21 21 速率 18 mlCH4 ? gVSS h ,最大比 COD 去除率为 1. 37

73 %~90 %之间 ,出水中的 COD 小于 70 mg?21 。 L
图2  、 进 出水 COD 值及其去除率随时间的变化

2. 2  EGSB 对 SS 处理效果

物增加 ,从而使悬浮物的去除率有所下降 ,但悬浮物 的去除率仍保持在 70 %以上 。

2. 3   、 进 出水的总氮 、 氨氮及去除率随时间的变化

EGSB 处理生活污水在水力停留时间为 2 h 的 进、 出水总氮及去除率见表 2 ,氨氮及去除率见图 4 。

d21 ,相应的水力停留时间为 2 h ,其 COD 的去除率在
图3  、 进 出水 SS 值及其去除率变化情况

从图 2 可以看出 , 在水力负荷为 36. 28 m3 ? 22 m

SS (mg?21) L

pH 7

由图 3 可知 ,随着水力负荷加大 ,出水中的悬浮

中国沼气 China Biogas 2006 ,24 (4) 表2  、 进 出水总氮随时间变化情况
运行天数 进水 出水 去除率 运行天数 进水 出水 去除率 ( 天) (mg?21) (mg?21) ( %) ( 天) (mg?21) (mg?21) ( %) L L L L
4 5 6 7 8 60. 3 57. 2 61. 8 54. 2 57. 2 57. 1 54. 6 57. 9 50. 8 51. 3 5. 3 4. 5 6. 3 6. 3 9 58. 1 62. 3 54. 1 56. 8 53. 6 56. 4 57. 5 52. 1 52. 8 50. 6 2. 9 7. 7 3. 7 7. 0 5. 6 10 11 12 13 10. 3

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性都较小 。 2. 5   、 进 出水硝酸根及其去除率随时间的变化
EGSB 处理生活污水在水力停留时间为 2 h 时

的进 、 出水硝酸根及去除率见表 3 。由表 3 可以看 出 ,进 、 出水硝酸根的变化 ,进水在 6 mg?21 左右 ,出 L 水中的硝酸根和亚硝酸根的值较低 。
进水 NO2 3 (mg?21) L
5. 2 4. 8 5. 6 5. 9 5. 4

水未检出 ,表明颗粒污泥表面不仅含有产甲烷细菌 、 产酸菌 、 硫酸盐还原菌 ,还含有不同数量的反硝化细 菌 ,这样在颗粒污泥中还可以发生反硝化作用 ,使出
表3  、 进 出水硝酸根离子随时间的变化
出水 NO2 3 (mg?21) L
0 0 0 0 0

运行天数 ( 天)
4 5 6 7 8

运行天数 ( 天)
9

   由表 2 和图 4 可以看出 , 厌氧 EGSB 在停留时 间为 2 h 时对总氮的去除率较低 , 出水氨氮比进水 高 。这主要是因为 , 总氮分为有机氮和无机氮 。在 厌氧过程中有机氮容易水解为氨氮 , 使出水中氨氮 较高 ,而硝氮和亚硝氮在颗粒污泥中发生反硝化 ,使 其变为氮气 ,这样使出水中的总氮值较低 ,另外还有 一个可能是颗粒污泥截留和吸附悬浮状的小颗粒有 机氮 ,也可使出水中的总氮减小 。本试验总氮去除 率较低 ,表明厌氧反应器中发生反硝化率较低 。 2. 4   、 进 出水总磷及其去除率随时间的变化 本实验进出水的总磷及其去除率见图 5 。图 5 表明总磷的去除率较低 。总磷可以分为无机磷和有 机磷 ,也可以分为颗粒状和水溶性的磷 ,磷的去除是 由于颗粒污泥截留大分子颗粒状的磷所致 ,而 EGSB 本身对污水总磷去除作用较小 。众所周知 , 磷的去 除分为化学除磷和生物除磷 , 生物除磷主要经过厌 氧2好氧交替运行通过排泥而达到除磷 ,化学除磷主 要通过添加化学药品使磷酸盐变为沉淀通过排泥去 除 ,在厌氧过程中发生化学除磷和生物除磷的可能

图 4  EGSB 在停留时间为 2 小时进出水 NH4+ 2N 值随时 间的变化 图 5  EGSB 进 、 出水总磷变化情况

10 11 12 13

2. 6   、 进 出水乙酸浓度及去除率随时间的变化

EGSB 处理生活污水在水力停留时间为 2 h 时

进、 出水乙酸浓度及去除率见图 6 。由图 6 可以看 出 ,出水中的乙酸值比进水值高 ,主要是由于进水中 有机物经过厌氧颗粒污泥中的各种微生物的作用 , 使出水中的乙酸值较高 , 但出水中不含有其他的酸 类 ,表明颗粒污泥中含有足够的产酸菌把三碳羧酸 以上的有机酸转化为甲酸和乙酸等小分子的有机 酸 ,从而有利于产甲烷菌的生长和繁殖 。

图6  、 进 出水乙酸浓度随时间变化

2. 7  EGSB 处理生活污水累积产气量随时间的变化

进水 NO2 出水 NO2 3 3 (mg?21) (mg?21) L L
4. 7 5. 0 5. 2 6. 1 5. 6 0 0 0 0 0

图 7   SB 在停留时间为 2 小时累积产气量随时间变化关系 EG

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中国沼气 China Biogas 2006 ,24 (4)
1997 ,36 (6~7) :3752382.

3  结论

本实验对 EGSB 处理低浓度生活污水的可行性 进行了探讨 , 得出初步结论如下 : EGSB 处理生活污 水中的有机物效果较好 , COD 的去除率在 73 % ~ 90 % ,出水的 COD 值在 70 mg?21 以下 。EGSB 处理 L 生活污水的最佳停留时间为 2 小时 。EGSB 处理生 活污水中的悬浮物也有较好的效果 ,SS 的去除率在 70 %左右 。产气率为 1126 L ? 23 d21 。出水的氨氮 、 m 乙酸值比进水的高 ; 总氮 、 总磷 、 硝酸根离子出水值 比进水值低 。为了达到脱氮除磷效果 , 还需要增加 后续厌氧2好氧工艺进行处理 。 参考文献 :
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2  结论

电池 1 具有很好的产电性能 , 以取自污水处理厂的 城市污水为试验用水 , 外电路负载两端最高电压达 433 mV ,最大功率密度为 117. 5 mW? 22 ; m ( 2) 以城市污水接种的微生物燃料电池 2 , 在不 投加营养盐及磷酸盐缓冲溶液的情况下 ,可以获得电 能 ,但产电效果并不理想 ; 投加营养盐及磷酸盐缓冲 溶液的情况后 ,产电性能有了较大提高 ,外电路负载两 端最高电压为 228. 2 mV ,最大功率密度为 35. 2 mV? 22 ; m (3) 本试验中微生物燃料电池对城市污水的 COD 去 除 率 最 高 为 39. 7 % , 库 仑 效 率 最 大 为 3412 % ,投加营养及磷酸盐缓冲溶液的情况下 ,库仑 效率最大可达 60. 6 % 。 参考文献 :

   7 表示累计产气量随时间的变化 。在停留时 图 间为 2 h ,产气量随运行时间逐渐增加 ,经计算 ,反应 器容积产气率为 1. 26 m3 ? 23 d21 。 m

( 1) 以厌氧颗粒污泥上清液接种的微生物燃料

[1]   Jang J K,Pham T H ,Chang I S ,et al. Construction and opera2

low temperatures[A ] . Anaerobic treatment ,A grown2up tech2 nology ,Conference papers ( Aquatech ’ ) [ C ] , 1986 : 4512 86

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mesophilic ethanol2fed expanded2granular2sludge2blanket re2


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