（环境工程专业论文）常温条件下egsb反应器运行特性研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 e g s b 反应器可适合各种温度和浓度的有机废水的处理，尤其是常温、 低温条件下，对低浓度废水的处理效果明显优于其它的厌氧工艺。目前在常 温条件下对e g s b 反应器启动和运行的研究比较少。本次实验通过对e g s b 反应器在常温下厌氧消化污泥颗粒化进程和水处理特性的研究，初步掌握了 e g s b 反应器的启动规律和运行特性。研究成果对e g s b 反应器在常温下的 实际生产运行有一定的理论和实际意义。 本实验研究得出以下结论： ( 1 ) e g s b 反应器在常温下，当进水c o d 浓度在2 0 0 m g l 左右时，用 厌氧消化污泥接种可以正常启动，1 2 0 天左右即可基本实现反应器内污泥颗 粒化。反应器运行结束后污泥较接种污泥的各种性质发生了较大变化。 ( 2 ) 温度变化对e g s b 反应器运行影响特征呈现阶段性。温度变化对 反应器产气量影响大于对c o d 去除率影响。 ( 3 ) 常温下启动运行的反应器受温度冲击能力强。 ( 4 ) 液体升流速度比气体升流速度更能有效地增加反应器中污泥床膨 胀，液体升流速度加大可提高e g s b 反应器的处理能力。 ( 5 ) 反应器稳定运行阶段较启动阶段抗有机容积冲击负荷能力加强 ( 6 ) 以e g s b 一潜流式人工湿地联合处理工艺处理城镇生活污水是经济 可行的。 关键词：e g s b常温颗粒污泥运行特性人工湿地 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t h ee g s br e a c t o ri san e wh i g h r a t ea n a e r o b i cr e a c t o rw i t hs o m e o u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s i ti sa p p l i e dt ot r e a to r g a n i cw a s t e w a t e ri nd i f 耗r e n t c o n d i t i o n s i nt h ee x p e r i m e n t ，w es t u d i e dt h es t a r t - u po ft h er e a c t o rw i t h a n a e r o b i cs1u d g ei nn o 加a1t e m p e r a t u r ea n dm a d er e s e a r c h e do nt h eo p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f w a s t e w a t e ri nn o 衄a lt e m p e r a t u r e t h er e s u l t sa r es h o w nb e l o w ： 1 t h ee g s br e a c t o rc o u l db es t a r t e du pw i t ha n a e r o b i cs l u d g ei nn o m a l t e m p e r a t u r ew h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n tc o d i sa r o u n d2 0 0 m g l t h e s l u d g eo fr e a c t o rh a da l m o s tb e c o m eg r a n u l a rs l u d g e l2 0d a y sl a t e r t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es l u d g ew e r eg r e a t l ya tt h ee n do ft h ee x p e r i m e n t 2 s o m eo p e r a t i n gm l e si nt h ee g s br e a c t o rv a r yw i t ht e m p e r a t u r e t h e c h a n g e so ft h et e m p e r a t u r eh a v em o r ee f f e c to nt h eg a s - p r o d u c t i o nt h a nt h a to f t h ec o dr e m o v a le f f i c i e n c y 3 t h er e a c t o rt h a ts t a r t e du pi nn o m a lt e m p e r a t u r ec a nr e s i s tt h ec h a n g eo f m et e m p e r a t u r e 4 t h e1 i q u i du p n o wv e l o c i t yc a ne x p a n dt h es l u d g eb e db e t t e rt h a nt h eg a s u p n o wv e l o c i t y i n c r e a s i n gt h e1 i q u i du p - n o wv e l o c i t y c a ni m p r o v et h e t r e a t m e n te f j f i c i e n c yo ft h er e a c t o r 5 t h ea b i l i t yo fr e s i s t i n gt h ec h a n g eo ft h eo r g a n i cl o a d i n gr a t eo ft h e r e a c t o ri nt h es t a b i l i z a t i o ns t a g ew a ss t r e n g t h e n e dc o m p a r e dw i t ht h a ti nt h e s t a r t - u ps t a g e 6 t h eu n i t e dt r e a t m e n tt e c h n 0 1 0 9 yo fe g s b - s s f wi se c o n o m i c a la n d f e a s i b l ef o rs e w a g e k e y w o r d ：e g s b ； n o m a l t e m p e r a t u r e ；g r a n u l a rs l u d g e ； o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：矽移织移 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名： 日期：劢纭侈 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 引言 近年来随着更加严格的污泥处理限制，空气污染和异味控制及其其他限 制因素的制约，现行的传统好氧活性污泥污水处理方法已受到了巨大的影 响。为了实现废水的有效处理，开发高效率和低建设和维护费用的工艺已成 为考虑的重点。在这种情况下，污水厌氧处理工艺日益受到全球的关注。 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他，。目前在一些热带地区，以u a s b ( 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口，。而在我 国，城市生活污水的处理率仅为2 2 3 ，其中8 2 的生活污水处理仍沿用传 统的好氧工艺，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 ( c o d 1o g c o d l ) 的废水处理方面， a b r 的处理效果比较好，c o d 去除率可以达到9 5 以上n ”。 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 反应器是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种高 效厌氧反应器。废水自下而上的通过厌氧污泥床。床底是一层絮凝和沉降性 能良好颗粒污泥层，中部是一层悬浮层，上部设有三相分离器以完成气液固 分离的澄清区。相比其他厌氧反应器而言，它具有操作和建筑简单，处理费 用低，占地面积小，处理效率高，出水水质好等优点n ”。但是，由于厌氧微 生物生长缓慢，生物增长量低，因此，在处理低浓度的城市生活污水时出现 了颗粒污泥培养困难的问题。在低浓度u a s b 的启动的研究方面，国外的 b r i t oa g 等人n 在研究中应用u a s b 反应器处理低浓度葡萄糖配水时，没有 培养出完整的颗粒污泥，只得到了一些绒毛状的球型污泥。s o t om 等人” 在中温( 3 0 ) 和低温( 2 0 ) 下用低浓度蔗糖废水( c o d 为5 0 0 m l ) 启动 u a s b 反应器，在l 2 个月内都培养出了颗粒污泥。 厌氧颗粒污泥膨胀床( e x p a n d e dg r a n u l a rs 1 u d g eb e d ) 反应器是荷兰农 业大学l e t t i n g a 研究小组为了解决u a s b 的问题，在u a s b 基础上开发的新 型高效厌氧反应器”。它的出现使1 5 以下的低温污水厌氧处理成为可能 ，。相比于u a s b 反应器，e g s b 反应器具有高径比大、上流速度高等特点， 颗粒污泥处于悬浮状态，传质效果好，容积负荷大。另外，e g s b 在处理含 有不溶性物质( 如脂肪) 的污水时比u a s b 系统表现出更好的性能幢“。因此， e g s b 在处理低浓度含固量较高城市污水时表现出很好的性能。 1 2 2城市生活污水厌氧处理的应用情况 1 2 2 1城市生活污水厌氧处理概况 早在1 9 世纪，人们就利用厌氧工艺处理废水废物。但是，直到1 9 世纪 6 0 年代，厌氧消化工艺基本上只用于污水处理厂产生剩余污泥的稳定化处 理m ，。随着厌氧生物处理工艺的发展，各种各样新型高效厌氧反应器得以开 发。在这些反应器中，厌氧流化床厌氧膨胀床( a f b a f b ) 工艺以水力停留 时间短、出水水质好而被认为是最高效的反应器心”。处理效果稍微差一点的 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 是上流式厌氧颗粒污泥床( u a s b ) 和厌氧生物滤池( a f ) 生物反应器他”。但是， a f b a f b 因能耗大，建造困难，操作复杂等原因而没有得到广泛的应用托“。 u a s b 反应器以其构造简单，基建投资低，操作费用低等优点而被认为是最 有前途的厌氧反应器他”。目前，在热带亚热带地区，u a s b 以及在此基础上 开发的e g s b 反应器已成功地应用于城市生活污水的处理。 相对于城市生活污水的好氧处理而言，厌氧生物处理有如下的特点心们： ( 1 ) 建造、运行和操作简单，基建和运行的费用低；( 2 ) 能量需求低，可节约 能源；( 3 ) 处理规模可大可小，使分散处理成为可能；( 4 ) 如果以分散的模式 建设处理系统，将会大大节省投资；( 5 ) 剩余污泥的产生量少，脱水性能好， 后处理容易；( 6 ) 剩余污泥的稳定性很好。城市生活污水的厌氧处理有以下 缺点陋引心引心7 圳：( 1 ) 厌氧工艺对有机物和悬浮固体及磷等污染物去除效率较 低，出水可能达不到城市废水的排放要求；( 2 ) 有机物的吸收和厌氧微生物 的生长速度皆与浓度相关，城市生活污水的有机物浓度比较低，厌氧微生物 细胞生长会受到限制了；( 3 ) 出于经济的考虑，城市生活污水的处理一般不 加温，系统经常需要在l o 2 2 的条件下运行，在偶然情况下，系统还会 在10 以下运行，这对厌氧微生物的繁殖和系统的高效运行都是不利的； ( 4 ) 城市生活污水中通常会含有比较多的悬浮性颗粒有机物，而悬浮性有机 质降低了水解酸化阶段的反应速度，从而降低整个系统的反应速率；( 5 ) 有 些城市生活污水中硫酸盐含量比较高( 1 0 0 m g l ) ，它会抑制厌氧工艺的产甲 烷过程并且会产生严重的臭味；( 6 ) 城市生活污水厌氧处理的实际设计和运 行经验非常有限。 1 2 2 2 影响城市污水厌氧处理的因素 影响城市污水厌氧处理系统处理效率的主要有以下几个方面因素：污水 的浓度和温度、微生物的量和活性、微生物和污水中物质的接触情况以及水 力停留时间等r z 引n 6 2 ”。本试验着重于常温和低温条件下，低浓度的城市生活 污水的厌氧处理。所谓低浓度一般指的是c o d 浓度低于1 0 0 0 m g l 的污水， 而低温处理一般是指3 0 以下的厌氧生物处理。目前，围绕城市污水低温 厌氧生物处理，利用各种厌氧反应器( 主要有u a s b 、e g s b 等) 进行了各种 各样的试验性和应用性研究。 值得注意的是污水的处理温度，厌氧生物处理过程对于低温很敏感“。 占城市生活污水c o d 总量2 5 3 0 的溶解性有机物的降解过程在低温时 会受到抑制心“。这主要是因为在温度低于2 0 时有机物的水解过程会受到抑 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 制“。目前在温度较高的热带亚热带地区，城市生活污水的厌氧处理得到成 功的应用。 另一个值得注意的问题是污水的浓度，城市生活污水中有机物浓度比较 低，而有机物的吸收和微生物的生长速度皆与浓度相关，浓度低，厌氧微生 物细胞生长会受到限制。荷兰大学教授l e t t i n g a 开发的e g s b 反应器高径 比大，上流速度高，颗粒污泥处于悬浮状态，传质效果好，因此在处理低浓 度污水时表现出了良好的性能。 1 3e g s b 反应器在污水处理中的研究和应用 1 3 1e g s b 处理低温低浓度污水的研究现状 一般认为，在利用厌氧技术处理低浓度污水时，通常会遇到三个问题， 即溶解氧的影响、低的基质浓度和低的水温。由于产甲烷菌通常被认为是严 格厌氧菌，因此溶解氧的存在会抑制产甲烷菌的活性；低的基质浓度和低的 反应温度则会导致微生物活性的降低。e g s b 反应器采用了较高的液体上升 流速，污水与污泥之间可以充分接触，传质效果良好，且颗粒污泥的形成和 大量兼性菌的存在，使得其在处理低浓度污水方面具有很大的优势。 k a t o 等人m ，曾采用两个2 2 5 5 l 的e g s b 反应器在3 0 时处理以乙醇为基 质的模拟低浓度污水。其中一个反应器r 1 是在无氧的环境下运行，另一个反 应器r 2 则在氧浓度相对较高( 最高达3 8 m 9 0 2 l 的环境下运行。r 1 和r 2 在不 同的h i 盯( 0 5 2 1 h ) 、有机负荷率( o l r ) ( 3 9 3 2 4 k g c o d ( m 3 - d ) ) 的情况下， 处理进水浓度为1 2 7 6 7 5 m g c o d l 的污水，实验结果表明，在相近的运行条 件下所获得的处理效果相差无几，由此证明，溶解氧的存在对e g s b 反应器 的运行没有明显影响。另外，当控制v u p 在2 5 5 5 m h 范围内时，只要选择 适当的o l r ，当进水浓度为5 0 0 7 0 0 m g c o d l 甚至1o o 2 0 0 m g c o d l 时， 反应器的去除率均能达到9 0 以上。 l a s t 和l e t t i n g a m ，采用1 2 0 l 的e g s b 反应器研究在常温下处理生活污水， 反应器有效容积为1 1 6 l ，反应区直径为o 1 9 m ，高度为4 0 m ，接种颗粒污泥 取自处理造纸废水的生产性u a s b 反应器。结果表明，e g s b 反应器不适合处 理含悬浮物的废水，因此试验采用预沉后的生活污水。在干燥气候且温度大 于1 3 条件下，当h r t 大于3 5 h ，容积负荷大于2 7 k g ( m 3 d ) 时，可溶性c o d 去除率及总c o d 去除率分别为5 1 和3 4 ，而在h r t 为2 h 和1 5 h 时，可溶性 c o d 的去除率分别为4 5 和3 2 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 r e b a c 等人n 对低温( 1 3 2 0 ) 条件下e g s b 反应器处理麦芽发酵废水 进行了中试研究，其e g s b 反应器的内径为0 2 m ，高7 5 m ，总容积为2 2 5 5 l ， 接种污泥为7 6 0 m 3 u a s b 反应器( 2 0 2 4 ) 内的颗粒污泥。麦芽污水的c o d 为2 8 2 1 4 3 6 m g l ，其中可厌氧生物降解部分占7 3 。当反应器在l6 情况 下运行时，采用2 4 h 的h r t 和4 4 8 8 k g c o d ( m 3 d ) 的o l r ，c o d 平均去除率 约为5 6 ；当反应器在2 0 情况下运行时，h r t 分别为2 4 h 和1 5 h 、o l r 分 别为8 8 k g c o d ( m 3 d ) 和1 4 6 k g c o d ( m 3 d ) 时，c o d 去除率分别为6 6 和7 2 。 s a l i h r e b a c 等n 引研究用单个和串联的两个e g s b 反应器在低温条件下处 理低浓度的人工合成废水和麦芽废水，在有机负荷( o l r ) 为1 2 k g c o d ( m 3 d ) ， 水力停留时间为1 6 h ，温度为1 0 1 2 条件下，当进水c o d 为5 0 0 8 0 0 m l 时，单个e g s b 反应器的c o d 去除率可达9 0 以上。当温度为10 l5 ，有 机负荷为2 8 1 2 3 k g c o d ( m 3 d ) ，水力停留时间为3 5 h 时，两个e g s b 反应 器系统对可溶性c o d 的去除率可达6 7 7 8 ，对挥发性脂肪酸的去除率可 达9 0 9 6 。 l i b i n g c h u 等l s 引应用与膜结合的e g s b 反应器处理中、低温生活污水，所 用e g s b 反应器内径为0 0 5 6 m ，高为1 7 m ，总容积为4 18 l ，所用废水为糖、 土豆淀粉、蛋白胨、尿素等配成的模拟生活污水。当温度控制在l5 以上时， 该反应器c o d 去除率可达9 0 ，t o c 去除率可达8 8 ；在ll 条件下，当水 力停留时间从3 5 h 增至5 7 h 时，c o d 去除率从7 6 增至8 1 。 王凯军等口7 ，以水解反应器对城市污水进行预处理，去除s s 并提高c o d 的 溶解性和可生化性后，出水进入e g s b 反应器，在温度8 l2 ，e g s b 的水 力停留时间仅为2 h 时，c o d 的去除率为6 0 。 综上所述，对e g s b 反应器的研究绝大多数集中在低温低浓度废水、高 浓度废水及有毒难降解废水的研究，对未酸化的碳水化合物研究尚少。而且 所有的研究都是直接采用颗粒污泥接种，但尚未见采用好氧污泥接种启动 e g s b 反应器的相关研究。 1 4厌氧颗粒污泥及影响其形成的因素 1 4 1厌氧颗粒污泥 e g s b 反应器能否稳定、高效地运行，在很大程度上决定于反应器内的 污泥性能。在e g s b 反应器内，厌氧污泥可以以絮状的聚集体存在，也可以 以直径约0 5 6 0 m m 的球形或椭球形( 颗粒污泥) 存在。在厌氧反应器内颗 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 粒污泥形成的过程称之为污泥颗粒化哺”。污泥颗粒化是大多数e g s b 反应 器启动的目标和启动成功的标志。根据h u l s h o f ! fp o l 引的研究，颗粒污泥化 还具有以下的优点：细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，其中 不同类型的种群组成了共生互生体系，有利于形成细菌生长的生理生化条件 并利于有机物的降解；颗粒的形成有利于其中细菌对营养的吸收；颗 粒使发酵菌的中间产物的扩散距离大大缩短，这对复杂有机物的降解是重要 的；在废水性质突然变化时( 例如p h 、毒性物的浓度等) ，颗粒污泥能 维持一个相对稳定的微环境，使代谢过程继续进行。 当反应器接种市政消化污泥时，启动期很长，一般需要2 8 个月才能正 常运行“。因此，由于厌氧菌生长缓慢( 尤其是产甲烷菌) ，形成高活性、 稳定的颗粒污泥所需的长启动期仍是e g s b 反应器所面临的一个主要问题， 而且这也正是限制其实际应用的关键因素。 1 4 2 厌氧颗粒污泥形成影响因素 为使微生物过程顺利有效进行，尤其是要在厌氧反应器中培养出厌氧颗 粒污泥，至今颗粒污泥只在升流式厌氧反应器中发现，说明升流条件是颗粒 污泥形成的必要条件引“。除此以外颗粒污泥形成还受废水性质、污泥负荷、 水力负荷、接种污泥、碱度、温度、p h 值、微量元素和营养元素的影响等 因素影响3 1 ”。 1 4 2 1 废水性质 颗粒污泥形成需要充足营养c o d ：n ：p 约为2 0 0 ：5 ：l ，否则要适当添加补 充。一般在含糖类的废水中易于形成颗粒污泥，而脂类废水和蛋白质类废水 及有毒类废水较难实现污泥颗粒化。废水的酸化程度也影响颗粒污泥的形 成，一般未经酸化的废水培养颗粒污泥比由挥发酸为主的废水的污泥颗粒化 进程快。难降解的废水加入易生化物质可加快污泥颗粒化的进度。启动过程 中，悬浮物浓度应控制在2 0 0 0 m g l 以下。有研究表明，s s 须同时满足两个 条件，即：s s 小于lo o o m g l 和s s c o d 小于0 5 ，反应器才能启动成功。 1 4 2 2 反应器负荷 污泥颗粒化过程最重要的控制条件是反应器的污泥负荷和水力负荷。当 污泥负荷时o 3 k g c o d ( k g v s s - d ) 以上便能形成颗粒污泥，当污泥负荷达 o 6 k g c o d ( k g v s s d ) 以上，颗粒化十分迅速。所以，当反应器中一旦出现颗 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 粒污泥应迅速提高污泥负荷到0 6 k g c o d ( k g v s s d ) 以上，有利于颗粒污泥的 生长和成熟。污泥颗粒化时的表面水力负荷亦很重要，当水力负荷为 0 2 5 m 3 ( m 2 d ) ，便可产生水力分级现象，将絮状污泥和颗粒污泥完全分开。 在反应器启动的第二阶段应尽快达到较高的表面水力负荷。 1 4 2 3 接种污泥 接种污泥可加快反应器的颗粒化进程，接种污泥的品质和接种量对颗粒 化都有影响7 5 ”。资料表明，厌氧消化污泥是较好的接种污泥，其它凡存在 厌氧菌的污泥均可作为接种污泥，吴唯民、胡纪萃等还成功地在中温下用好 氧活性污泥接种培养出了颗粒污泥。郑元景则认为，培养颗粒污泥并不需要 特别的接种物。接种量影响颗粒化的速度，一般接种量以5 1 5 k g v s s m 3 为 宜，较大的接种量可缩短启动的时间。对不同类型的废水和接种污泥，适宜 接种量可能有所差别。 1 4 2 4 p h 值及碱度 p h 值是厌氧处理的又一个重要因素钉“。厌氧过程中，水解菌与产 酸有较大的适应范围，而甲烷菌则对p h 值比较敏感，适宜它的生长范围是 6 5 7 8 。若反应器内废水p h 值低于这个范围，会引起由于甲烷菌受到抑制 而出现的酸积累等问题，因而甲烷菌的这一特性也就决定了反应器内反应区 所应控制的p h 值范围。而反应器中维持一定碱度主要在于它的缓冲作用， 碱度用于中和反应器中c 0 2 分压偏高所致的高h 2 c 0 3 浓度，保持反应器p h 值接近中性( 6 5 7 5 ) 。 1 4 2 5 温度 人们已成功在常温( 1 5 3 0 ) 、中温( 3 3 5 0 ) 及高温( 5 0 5 5 ) 等 温度下培养出颗粒污泥n 引阳町伯”“，。一般，其它条件相同时，温度升高，培养 颗粒污泥所需时间缩短，高温较中温有利于培养颗粒污泥。现有反应器通常 采用3 3 3 7 和5 0 5 5 两个温度范围。在上述范围内，温度的微小波动， 不会明显影响污泥颗粒化，但如果波动幅度过大，就对颗粒形成产生有害影 响。 1 4 2 6 其它因素 启动初期反应器中投加无机絮凝剂或高聚物是加快污泥颗粒化的有效 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 措施1 。有研究表明，在反应器启动时，向反应器内加入亲水性高聚物能 够加速颗粒污泥的形成，从而缩短启动时间。人为地向反应器中投加适量的 细微颗粒物如粘土、陶粒、颗粒活性炭等，有利于缩短颗粒污泥的出现时间。 1 5本课题研究方向和意义 由于e g s b 反应器在污泥颗粒化及液体升流速度等方面的优势，使得 e g s b 反应器具有高的有机容积负荷及良好的传质作用，因而e g s b 反应器 可适应各种温度和浓度的有机废水的处理，尤其是在低温条件下，对低浓度 废水的处理效果明显优于其它的厌氧工艺。 但是，国际上只有少数国家( 主要集中在欧美发达国家) 对e g s b 反应 器进行研究，而且对e g s b 反应器的研究基本都是直接应用厌氧反应器中的 颗粒污泥或消化污泥接种，对e g s b 反应器在常温和低温条件下，用好氧污 泥启动反应器的研究和报道相比较少。而我国厌氧处理工艺应用相对落后， 合适的厌氧接种污泥的来源匾乏，而好氧接种污泥相对较丰富，因而用经消 化后的好氧活性污泥接种在e g s b 反应器中培养出颗粒污泥有很大的实际 应用价值。同时，反应器常温启动与运行可以节省运行能耗，降低运行成本、 因而研究常温下的e g s b 运行特点可以为实际生产运行有一定指导意义，尤 其是在我国现有的经济条件下常温运行有其特殊的实际意义。另一方面，国 内对e g s b 工艺的研究尚处于起步阶段，国内仅有少量实验报道。国内很少 有应用于实践的报道，国外生产规模实际应用为数也不多。因而，进行e g s b 反应器在常温下启动和水处理特性研究有理论和实际应用意义。 本文以实验室规模的厌氧膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 反应器为研究对象， 参考国内有关u a s b 和e g s b 的有关资料，研究了常温条件下用好氧消化污 泥启动e g s b 反应器及反应器的稳定运行过程的水处理特性。采用逐步提高 反应器的有机负荷和水力升流速度的模式启动反应器，并且通过显微镜观察 研究启动过程中污泥颗粒化进程，分析研究了污泥在反应器中的分布规律以 及污泥产甲烷活性；重点考察反应器的启动运行期及稳定运行期温度变化对 反应器处理效率和产气状况的影响；有机负荷变化在不同运行时期对反应器 正常运行的影响；在不同水力停留时间和回流比条件下处理城市污水的效 果；液体升流速度对反应器处理效率的影响及选择并优化与e g s b 相匹配的 后续污水处理工艺。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2实验原理与方法 2 1e g s b 反应器的结构和工作原理 e g s b 反应器与u a s b 反应器的结构类似。除反应主体外，e g s b 反应 器的主要组成部分还有进水分配系统、气液固三相分离器以及出水循环部 分，如图2 1 。 e g s b 反应器主体部分可分为两个区域，即反应区和气、液、固三相分 离区。在反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥( 颗粒污泥或絮状污泥) 形 成的厌氧污泥床。当废水通过反应器进水系统进入反应器后，由于水的向上 流动和产生的大量沼气上升形成了良好的自然搅拌作用。混合液进入气、液、 固三相分离区后，气体首先进入集气室被分离，含有悬浮物的废水进入分离 区的沉降室，由于气体己被分离，在沉降室扰动很小，污泥在此沉降，由斜 面返回膨胀床区，上清液通过出水管排出反应器。 进 沼气 i 一配水系统，i l 一反应区，一三相分离器，i v 一沉淀区，v 一出水系统 图2 1e g s b 反应器示意图 f i g u r e2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee g s br e a c t o r e g s b 反应器是对u a s b 反应器的改进。与u a s b 反应器相比，它们最大 的区别在于反应器内液体上升流速的不同。在u a s b 反应器中，水力上升流 速v u 口一般小于1 m h ，污泥床更象一个静止床，而e g s b 反应器通过采用出水 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 循环，其v u d 一般可达到5 1 0 m h ，所以整个颗粒污泥床是膨胀的。e g s b 反 应器这种独有的特征使它可以进一步向着空间化方向发展，反应器的高径比 可高达2 0 或更高。因此对于相同容积的反应器而言，e g s b 反应器的占地面 积大为减少。除反应器主体外，e g s b 反应器的主要组成部分有进水分配系 统、气液固三相分离器以及出水循环部分。进水分配系统的主要作用是将 进水均匀地分配到整个反应器的底部，并产生一个均匀的上升流速。与u a s b 反应器相比，e g s b 反应器由于高径比更大，其所需要的配水面积会较小； 同时采用了出水循环，其配水孔口的流速会更大，因此系统更容易保证配水 均匀。 三相分离器仍然是e g s b 反应器最关键的构造，其主要作用是将出水、 沼气、污泥三相进行有效分离，使污泥在反应器内有效持留。与u a s b 反应 器相比，e g s b 反应器内的液体上升流速要大得多，因此必须对三相分离器 进行特殊改进。改进可以有以下几种方法o 】增加一个可以旋转的叶片， 在三相分离器底部产生一股向下水流，有利于污泥的回流；采用筛鼓或 细格栅，可以截留细小颗粒污泥；在反应器内设置搅拌器，使气泡与颗 粒污泥分离；在出水堰处设置挡板，以截留颗粒污泥。 出水循环部分是e g s b 反应器不同于u a s b 反应器之处，其主要目的是 提高反应器内的液体上升流速，使颗粒污泥床层充分膨胀污水与微生物之间 充分接触，加强传质效果，还可以避免反应器内死角和短流的产生。 e g s b 反应器进水系统的主要作用是将进水均匀的分配到整个反应器的 底部，并产生一个均匀的上升流速。因e g s b 反应器具有较大高径比，所需 要的配水面积较小，同时采用了出水循环，配水孔口的流速更大，因此其配 水系统更容易保证配水均匀2 圳。三相分离器是e g s b 反应器关键的构造， 其主要作用是将出水、沼气、污泥三相进行有效分离，使污泥在反应器内有 效滞留。 出水循环部分主要目的是提高反应器内的液体上升流速，使颗粒污泥床 层充分膨胀，污水与微生物之间充分接触，加强传质效果，还可避免反应器 内死角和短流的产生。反应器的出水回流位置可根据需要确定伸2 1 钔”。 2 2试验装置 本试验用e g s b 反应器采用有机玻璃加工而成，共两个试验用反应器， 装备结构相同。试验装置如图2 2 ，下部为膨胀污泥床层，高1 0 5 0 m m ，内 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 径7 0 m m ，高径比l5 ，容积为4 l ；上部为沉淀区，内设有三相分离器，内 径为1 4 0 m m ，高4 0 0 m m ，容积为4 5 l ，反应器总有效容积为1 5 l ，底部进 水区铺设l o m m 卵石，以达到进水均匀效果，另外沿高度方向在反应器壁上 等间隔设置6 个采样口。试验用e g s b 结构如图2 2 。 图2 2e g s b 反应器结构示意图 整套反应器装置放置于室内不外加任何保温设施，保证反应器温度与周 围环境温度一致。进水由潜水泵将进水桶中污水从e g s b 反应器的底部泵入 反应器，连续进水运行，进水流量由液体玻璃转子流量计计量。反应器出水 经三相分离之后，重力自流流入出水水箱。回流泵置于出水水箱中，回流管 与进水管联通，回流流量由液体玻璃转子流量计计量。所产生的沼气经三相 分离器分离后从顶部排气管排出，经水封瓶后通入m a r i o t t e 瓶，由流入量筒 的水量计量。在e g s b 一潜流式人工湿地系统运行时，将自制的试验用人工 湿地装置放置在出水池后，e g s b 反应器出水重力自流进入人工湿地系统。 实验装置系统如图2 3 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 3实验装置流程图 f i g u r e2 3 s c h e m a t i cd ia g r a mo ft h ei a b s c a i ee g s br e a c t o rs y s t e m 2 3实验仪器 1 ) 紫外一可见分光光度计 型号：u v - 2 0 0 0 生产厂家：尤尼柯( 上海) 仪器有限公司 2 ) 酸度计 型号：p h s 3 c 型酸度计 生产厂家：上海雷磁仪器厂 3 ) 烘箱 型号：2 0 2 v i 型电热恒温干燥箱 生产厂家：上海市实验仪器总厂 4 ) 电子天平 型号：f a 2 0 0 4 电子天平 生产厂家：南京庚辰科学仪器公司 5 ) 玻璃转子流量计 型号：l z b 一4 ；l z b 一6 ；l z b 一1 0 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 生产厂家：北京精博至诚科技开发有限公司 6 ) 光学显微镜 型号：x s p 1 6 a 型 生产厂家：江南光电( 集团) 股份有限公司 7 ) 进水泵：潜水泵 。 型号：a p 2 5 0 0 生产厂家：中山市振华电器有限公司 2 4 检测项目与分析方法 试验过程中的主要检测项目有c d 珥，、s s 、温度、p h 值等。检测的方 法参照国家环保局编著的水和废水监测分析方法( 第三版) ，国公共卫 生协会颁发的水与废水标准检验法( 第十五版) “。 1 ) c o d ： c o d 的测定采用重铬酸钾法( g b 一1 1 8 9 2 ) ，具体操作如图2 4 所示 图2 4 c o d c ，的测定流程图 f i g u r e2 4 s c h e m a t l cd i a g r a mo fc o d c fm e n s u r a t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 重： 计算公式： 、 c o d c ，( 0 2 ，m g l ) = 8 - ( v o v 1 ) - c 10 0 0 v 式中：c 一硫酸亚铁铵标准溶液的浓度( m 0 1 l ) ： v o 一滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液用量( m l ) ； v l 一滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量( m l ) ； v 一水样的体积( m l ) ； 8 一二分之一氧摩尔质量( g m 0 1 ) 。 2 ) 沼气产量和气体组成的测定 沼气的产量用液体置换系统，测定装置见图2 5 。置换气体的液体 用5 的n a o h 溶液，其中的c 0 2 被n a o h 所吸收，只有甲烷通过溶液， 同时同体积的碱液从吸收瓶中进入量筒。 培养瓶 倚 图2 5甲烷产量及污泥比产甲烷活性测定装置 f i g u r e2 5 t h ef i t t in go fs m am e n s u r a t i o n 3 ) p h 值：采用p h s 一3 c 型酸度计测定 4 ) 总悬浮物s s 、挥发性悬浮物v s s 的测定 ( 1 ) 混合液悬浮物浓度( s s ) 的测定步骤： 混合液悬浮物浓度( s s ) 的测定步骤如下： 1 将中速定量滤纸放在10 2 1 0 5 的烘箱内烘两小时，取出冷却后称 2 取均匀适量水样，用己称量的滤纸过滤； 3 小心取出滤纸在10 2 1 0 5 的烘箱内烘两小时，冷却后称重。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 计算公式： 嬲= 孚1 0 0 0 ( 批) 式中：c ：悬浮物和滤纸重量( g ) a ：滤纸重( g ) v ：水样体积( m l ) ( 2 ) 挥发性悬浮物浓度( v s s ) 的测定步骤 挥发性悬浮物浓度( v s s ) 的测定步骤如下： 1 将中速定量滤纸放在10 2 1 0 5 的烘箱内烘两小时，取出冷却后称 重； 2 将瓷坩锅洗涤后在6 0 0 下灼烧l h ，待炉温降至1 0 0 后，取出瓷坩 锅冷却称重； 3 取均匀适量水样，用已干燥至恒重的滤纸过滤： 4 将带有沉淀物的滤纸在1 0 5 下干燥至恒重； 5 将带有沉淀物的滤纸全部转移至瓷坩锅，在通风橱内小心燃烧至不 再冒烟，然后置于马弗炉，在6 0 0 下灼烧2 h ，待马弗炉炉温降至1 0 0 后 取出坩锅，在干燥器中冷却后称重。 计算公式： 嬲= 孚1 0 0 0 ( 叭) 灰分= 譬1 0 0 0 ( g 式中：c ：悬浮物和滤纸重量( g ) a ：滤纸重( g ) v ：水样体积( m l ) b ：坩锅重( g ) d ：坩锅和灰分重( g ) 5 ) 污泥沉降性能指标： 污泥沉降性能指标主要通过污泥体积指数( s v i ) 来表示，具体的测定 如下所述： 将均匀的活性污泥混合液迅速倒进1o o o m l 量筒中至满刻度，静置3 0 分钟，得沉降污泥体积v l ，同时测出混合液污泥浓度m l ，计算得出1 9 干 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 污泥所占的体积( 以m l 计) 即为污泥体积指数( s v l ) 。 6 ) 污泥的产甲烷活性：采用间歇实验法。实验装置见图2 5 。 7 ) 污泥颗粒沉降速度：取量程为l l 的量筒，测定其高度，并注满清水。 将用自来水淘洗过的颗粒污泥逐个加入量筒内，用秒表计量单个颗粒污泥从 筒口沉降到筒底所需时间t ，然后利用公式v = h t ( v 为沉速，h 为量筒高 度，t 为测定时间) 计算得出该颗粒污泥的沉速。测试过程中，在某个粒径 范围内一般测定其中2 0 3 0 个任意选取的颗粒污泥的沉速。 8 ) 污泥粒径分布：取一定量( 1 5 m l ) 的污泥，释其顺序通过1 0 目， 2 0 目，3 0 目，5 0 目，8 0 目，1o o 目的筛网。将各筛网所截留的污泥收集， 烘干并称重，即可计算不同颗粒污泥的粒径分布1 。 8 ) 总氮：过硫酸钾氧化紫外分光光度法 9 ) 总磷：采用分光光度法( 抗坏血酸还原法) 。 1 0 ) 氨氮：容量法( 蒸馏后滴定法) 2 5实验用水 实验用水取自西南科技大学污水处理厂细格栅后出水，水质见表2 1 。 表2 1实验用生活污水主要水质参数 t a bie2 1t h ep a r a m e t e ro fr a ws e w a g e 2 6接种污泥 接种污泥选用西南科技大学污水厂的脱水污泥。用4 0 目分样筛筛除大 的污物后静置，而后淘洗去除细沙。污泥s s 为2 7 8 9 l ，v s s 为1 2 5 9 l ， v s s s s 为o 4 7 ，污泥沉降比4 6 9 m l l ，污泥体积指数s v i 为3 6 7 ，接种量 为1 5 0 9 t s s 。经污水厂出水进行7 天活性恢复后接种到e g s b 反应器中。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 e g s b 反应器的启动和运行状况 废水厌氧生物处理反应器成功启动是以在反应器中短期内培养出活性 高、沉降性能优良并适于待处理废水水质的厌氧污泥为标志。在实际工程中， 生产性厌氧反应器建造完成后，快速顺利地启动反应器成为整个废水处理工 程中的关键性因素。 反应器初次启动通常指对一个新的厌氧系统以未驯化的非颗粒污泥接 种，使反应器达到设计负荷和有机物去除效率的过程，通常这一过程伴随着 颗粒化的完成，因此也称之为污泥的颗粒化。由于厌氧微生物，特别是甲烷 菌增殖很慢，厌氧反应器的启动需要较长的时间，这被认为是高速厌氧反应 器的一个不足之处。当使用现有废水处理系统的厌氧颗粒污泥启动时，它要 比其它任何厌氧反应器的启动都要快得多”。 e g s b 反应器是在u a s b 反应器基础上研制的第三代高效厌氧反应器。 除了e g s b 采用较高的液体表面上升流速和回流之外，e g s b 反应器在结构 形式、污泥形态等方面与u a s b 反应器非常相似。u a s b 反应器是目前运用 最广泛的厌氧反应器，其工艺条件及技术参数相对e g s b 反应器来说更趋成 熟，因此，本实验中e g s b 反应器的启动运行参考了u a s b 反应器的启动及 运行。 在整个实验过程中，共使用两个e g s b 反应器，反应器由2 0 0 7 年6 月 8 日启动至2 0 0 8 年1 月8 日，共实际运行2 1 8 天。试验废水为西南科技大 学污水处理厂细格栅后出水，进水c o d 在1 5 0 3 0 0 m g l 之间，维持进水量 o 3 5 8 5 l h 。实验结果见表3 1 。最初阶段采取较低的水力负荷，环境温度 在2 6 3 3 之间。c o d 去除率较低，一般在1 5 左右。c o d 去除率较低的 原因，一方面是由于污泥活性较低：另一方面则是由于絮状污泥内夹带的溶 解性杂质随出水流出，导致出水c o d 偏高。产气量不明显，可以认为启动 初期微生物的生理不够活跃，同时也与污泥中的种群和生物量有关，品质较 差接种污泥的适应期相对较长。随着上升流速的变化，污泥有上浮现象。反 应器运行初期进水c o d 维持在l8 0 2 0