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e g s b 反应器处理城市污水 复旦大学硕士学位论文 e g s b 加电化学组合工艺能够取长补短， 关键词：厌氧处理；e g s b 反应器： 中图分类号：x 5 0 5 是城市污水处理的最佳组合工艺之一。 城市污水；常温 e g s b 反应器处理城市污水 复旦大学顽士学位论文 d o m e s t i cs e w a g et r e a t m e n tb ye g s b ( e x p e n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) r e a c t o r a b s t a c t t h ea n a e r o b i ct r e a t m e n tp r o c e s si si n c r e a s i n g l yr e c o g n i z e da so n eo fc o r ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e sf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dr e s o u r c 宅p r e s e r v a t i o n c o m b i n e d 谢t h o t h e rp r o p e rm e t h o d s ，i tr e p r e s e n t sas u s t a i n a b l ea n da p p r o p r i a t ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t o fs e w a g ef o rd e v e l o p i n gc o u n t r i e sp a r t i c u l a r l yi nc h i n a e x p e n d e dg r a n u l a rs l u d g e b e d ( e g s b ) r e a c t o ri so n eo ft h em o s ta d v a n c e da n a e r o b i cr e a c t o r si nt h ew o r l da t p r e s e n t , b e i n gs u i t a b l ef o rt h et r e a t m e n to fv a r i o u sw a s t e w a t e r i ta l s oa p p e a r st ob e m u c hc o m p a t i b l ef o r t r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e ru n d e ra m b i e n ta n d l o w t e m p e r a t u r ed u et oe n h a n c e dm i x i n gb e t w e e ns l u d g ea n dw a s t e w a t e ra n de x c e l l e n t s u b s t r a t e st r a n s f e ri m p r o v e db yt h er e c i r c u l a t i o no f e f f i u e n t i nt h i s p a p e r , t h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fa n a e r o b i cs e w a g et r e a t m e n ta r e s u n u n a r i z e d f i r s t l y , w i t l ls p e c i a le m p h a s i s o nt h ee g s br e a c t o r t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i co f e g s bi si n t r o d u c e dw h i l ei t sa p p l i c a t i o nf o rt r e a t i n gi l ls e v e r a lf i e l d s s u c ha sw a s t e w a t e r 研t h1 1 i g hs u s p e n d e ds o l i d s t o x i c0 1 i n h i b i t i o nm a t t e r sa n dl o w s t r e n g t he s p e c i a l l yd o m e s t i ca l er e v i e w e di nd e t a i l b o t hab e n c ha n dap i l o ts c a l ee g s br e a c t o r sw e r eu s e dt ot r e a tm u n i c i p a lw a s t e w a t e r r e s p e c t i v e l y i nt h e p a s tt w oy e a r s d u r i n gt h eo p e r a t i o n , t h et w or e a c t o r sa l l p e r f o r m e dv e r ys t e a d i l ya n ds h o w e de f f e c t i v er e m o v a lf o rt h ec h e m i s t r yo x y g e n d e m a n d ( c o d ) ，b i o l o g i c a lo x y g e nd e m a n d ( b o d ) ，s u s p e n d e ds o l i d ( s s ) ，c o l o r , t u r b i d t ya n ds u l f a t e ( s 0 4 2 ) t h er e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w ： f o rb e n c hs c a l ee g s br e a c t o rt r e a t i n gs h a n g h a im u n i c i p a lw a s t e w a t e r , w h e n h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) r a n g e df r o m2t o2 4h o u r s1 ) v i t hr e c i r c u l a t i o nr a t i oo f 1 ：1 ，a v e r a g ee f f l u e n tc o dw a s7 8m g l ，s s1 8m g & ，c o l o r1 6 ，t u r b i d i t y1 8 s u l f i d e c o n t r i b u t e da b o u t5 0 c o di ne f f l u e n t ，i tw a sa k e yt or e m o v es u l f i d ef r o me f f l u e n t t of i l r t h e r 糟d u c ee f f l u e n tc o dl e v e l r e c i r c u l a t i o nr a t i o ，r a n g e di ：1t o1 4 ：1 ，h a dl i t t l e 1 1 1 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 e f f e c to ne f f l u e n tc o dl e v e l e f f l u e n tq u a l i t yb e c a m ew o r s ew i t hs e v e l - es l u d g e w a s h o u tw h e nr e t u r nr a t i oi n c r e a s e dt o1 8 ：1w i t hu p f l o wv e l o c i t yo f 3 8m h t h ep i l o te g s bw i t ht h ew o r k i n gv o l u m eo f1 2 5 m 3e f f e c t i v e l yr e m o v e dp o l l u t a n t s f r o ms h a n g h a im u n i c i p a lw a s t e w a t e rw i t ht h ee f f l u e n to fa v e r a g ec o d ( o r g a n i c p o l l u t a n t s ) 7 0m g r l ，s s2 0m g l ，c o l o r1 4 ，t u r b i d i t y1 2u n d e rt h ec o n d i t i o n so f4t o 1 2h o u r so f h r t ，o 缸1 2k g c o d ( m 3 。d ) o f o r g a n i cl o a d i n gr a t e ( o l r ) ，a n d7 4 8 2 o f p n i n f l u e n tr a t i oo f c o d s 0 4 z r a n g e do 4 0 7 a v e r a g i n g2 ，a n d9 3 o f i n f l u e n t s 0 4 2 - w e i _ et r a n s f o r m e dt os tc o n t r i b u t i n ga b o u t8 0m g lo fc o di ne f f l u e n t n o o b v i o u sg r a n u l a t i o nw a so b s e r v e dw i mu p f l o wv e l o c i t yr a n g i n gf r o m1 0t o2 5m h f o r t h eo p e r a t i o no ft h ee g s br e a c t o r h o w e v e r , t h ea b s e n c eo fg r a n u l a t i o n a p p a r e n t l yd i d n ta f f e c tt h er e a c t o rr e m o v a la b i l i t yf o rp o l l u t a n t s t h ee f f l u e n tn i - 1 3 - n i nm o s to ft i m ew a sl e s st h a n2 5m g ，l ，m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h es e c o n d g r a d eo f d i s c h a r g es t a n d a r d s ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) a ne l e c t r o c h e m i c a lr e a c t o rw a su s e d t or e m o v ea m m o n i aw h e na m m o n i ai ne f f l u e n to fe g s bw a sh i g h e rt h a n2 5m g 1 d e m o n s t r a t i n gag o o dr e m o v a le f f i c i e n ta n da c c e p t a b l ee c o n o m i cf e a s i b i l i t y t h e c o m b i n a t i o no fe g s bw i 也a l le l e c t r o c h e m i c a lr e a c t o ri so n eo ft h eo p t i m u m t e c h n o l o g i e sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t k e y w o r d s ：a n a e r o b i ct r e a t m e n t ，e g s br e a c t o r , d o m e s t i cs e w a g e ，n o r m a l t e m p e r a t u r e i v e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 e g s b e x p e n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d u a s b u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d i ci n t e n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r a fa n a e r o b i cf i l t e r a b ra n a e r o b i cb a 用e dr e a c t o r a c pa n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s a r b ra n a e r o b i cr o t a t i n gb l o l o g i c a lr e a c t o r a s b ra n a e r o b i cs e r i e sb a t c hr e a c t o r a f ba n a e r o b i cf l u i d i z e db e d a e ba n a e r o b i ce x p e n d e db e d s r t ： s l u d g er e t e n t i o nt i m e h r t ：h y d r o l i cr e t e n t i o nt i m e v l r ：v o l u m el o a d i n gr a t e o l r ： o r g a n i cl o a d i n gr a t e s v i ： s l u d g ev o l u m ei n d e x a n a m m o xa n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n o l a n do x y g e “【= ! = 1 1 1 7a m o 廿。廿o p h k m 研n 删 o nd e n l t n n c a t i o n 膨胀颗粒污坭床反应器 升流式厌氧污泥床反应器 内循环反应器 厌氧滤池 厌氧折流板反应器 厌氧接触工艺 厌氧生物转盘 厌氧序批式反应器 厌氧流化床 厌氧膨胀床 污泥龄 水力停留时间 容积负荷率 有机负荷率 污泥体积指数 厌氧氨氧化 氧限制自养型硝化反硝化工艺 v e g s b 反虑器处理城市污水 复旦大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 城市污水的厌氧处理 1 1 1 我国城市污水厌氧处理的必要性 随着我国社会经济和工业的高度发展，城市化进程的加速，城市污水的排放 量也急剧上升。通过对2 0 0 0 2 0 0 4 年我国污水排放的调查统计显示( 如表1 1 所 示) ，目前我国城市污水排放量平均每年递增5 1 ，与2 0 0 0 年相比，2 0 0 4 年城 市污水排放总量为2 6 1 3 亿吨，增长比例高达1 8 。 城市污水的排放与居民的生活息息相关，城市水体的污染会严重影响着居民 的饮水安全，因此城市污水的处理是城市环境改善建设的重中之重。“十五”计划 要求到2 0 0 5 年，城市生活污水集中处理率要达到4 5 。然而我国目前的城市生 活污水处理率也仅有3 2 3 f l 】这一状况与国家环境保护“十五”计划的要求相距甚 远。 就我国典型南方城市污水水质而言，c o d 约为2 5 0 1 0 0 0m g l ，b o d 2 0 0 3 0 0m g l ，污水可生化性较好，s s 浓度相对较高，约为1 0 0 3 5 0m g 儿左 右，n h 3 - n 为1 2 5 0m g l ，t p 为4 1 5m g l 1 2 j 。目前我国绝大部分城市污水 的处理采用传统的活性污泥好氧工艺，其在近几十年的城市污水处理上发挥了重 要的作用。但是好氧工艺占地面积大，基建投资和运行费用高等缺点随着污水排 放量的增加而更为突显，已远不能达到我国城市污水处理的需求，这就严重地制 约了城市可持续发展战略的实施。 厌氧工艺具有能耗小、运行费用低、污泥产量少和沼气能源回收等突出优点， 因而一直受到国内外专家学者的普遍关注，目前厌氧工艺已经在污泥消化和高浓 度工业废水处理上得到了广泛的应用。相比而言，生活污水的有机物浓度较低 ( c o d 浓度1 0 0 0r a g l ) ，水温较低，在常温下用厌氧工艺处理城市污水一直 被认为厌氧技术的面临的最大挑战 3 1 ，同时也是厌氧技术研究和应用的新领域1 4 j 。 辅之以合适的后处理工艺，厌氧技术将会成为分散型生活污水处理模式( d e s a d e c e n t r a l i s e ds a n i t a t i o na n dr e u s e ) 的核心手段，而且其潜力也已在欧洲国家的 运用中得到体现f 5 1 ，这种处理模式较传统的集中模式具有更好的可持续性和生命 力，特别适合于资金短缺的发展中国家。国外就生活污水的厌氧处理已经作了做 了多年的尝试和研究，取得了较大的进展 】。针对我国现有污水处理能力无法 适应城市数量与规模的迅速扩张的现状而言，采用分散型厌氧工艺处理城市生活 污水不失为一种好的选择。在借鉴国外先进技术的同时，开发具有独立知识产权 的新型的高效厌氧工艺也是我国研究人员所努力的目标。 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 1 1 2 城市污水厌氧处理的发展概况 1 1 2 1 厌氧史上的三大突破 厌氧处理在城市污水上的应用已经有百余年的历史，最早可以追溯到1 8 6 0 年的法国工程师l o u i sm o u r a s 对简易沉淀池的改进，改进后的池体即为化粪池的 雏形，1 8 8 1 年法国c o s m o s 杂志报道介绍了m o u r a s 创造的这种自动净化器 ( a u t o m a t i cs c a s e n g e r ) 唧，这种工艺在当时主要被用于污泥消化和粪便消化， 从而有效地减轻了法国城市粪便对河流的污染。 随着人们对厌氧理论研究的逐步深入，人们相继开发出一代又一代的新型厌 氧反应器，从最初的厌氧消化池，到厌氧接触池，直至1 9 6 7 年y o u n g 和m c c a r t y i l o l 开发出厌氧生物滤池( a f ) ，采用不同填料让微生物附着生长，从而保留了足够 的厌氧微生物，极大地提高了反应器的处理性能。a f 的出现是现代厌氧生物处 理技术发展的新的突破，其大大的拓展了厌氧技术在工业废水和城市污水处理上 的应用范围。 1 9 7 6 年荷兰w a g e n i n g e n 农业大学l e t t i n g a 教授开发出的上流式厌氧污泥床 ( u a s b ，u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d ) 是厌氧技术史上的又一重大突破，u a s b 反应器中形成了颗粒污泥，这开辟了全新的生物固定化途径，从而大大提高了厌 氧反应器的有机负荷，极大地推动了厌氧技术在工业上的运用l l ”，至此以u a s b 反应器及从u a s b 衍生的新型高速厌氧反应器逐步在城市污水的处理上得到广 泛的研究和应用。 厌氧工艺经历了处理城市污水( 最初的化粪池用于城市污水污泥消化) 、污 泥消化，处理中、高浓度有机废水，和常、低温高效处理城市污水等不同阶段的 发展，从厌氧工艺发展史( 见表1 - 2 ) 不难发现，厌氧法处理城市污水一直得到 了不断的尝试和研究应用，其在厌氧史上始终占据着重要的部分。表1 - 2 列出了 世界厌氧工艺发展过程中的重要事件。 2 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 表1 - 2 世界厌氧工艺发展史重要事件一览表【1 2 1 3 , 1 4 1 5 , 1 6 1 7 , t g 1 9 , 2 0 3 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 1 1 2 2 厌氧工艺( 反应器) 的分类与比较 分类： 厌氧工艺发展至今已有1 4 0 多年，其问各式的反应器是层出不穷，每一次的 改进和创新都不断推动着厌氧技术的进步。关于厌氧反应器的分类，通常可以按 反应器发展的年代、反应器内部流态、反应器内生物生长方式等来加以描述。 1 按反应器的s r t 与h r t 是否分离 反应器泥泥龄( s r t ) 与污水停留时间( h r t ) 的分离与否，关系到了反应 器中是否能够存在足够的厌氧微生物，从而很大程度上影响了反应器的处理效 果。而h r t 和s r t 能否得到分离则是厌氧工艺发展过程中第一代与第二、三代 反应器的主要区别。 1 ) 第一代厌氧反应器的包括化粪池、传统消化池，主要用于人畜粪便、城市污 水厂沉淀池中的沉积污泥和有机废水的处理，但其不能分离s r t 和h r t ，反应 器中不能保证较高的生物量，因此不仅体积庞大而且处理效率很低； 2 ) 以厌氧接触工艺( a c p ) 和a f 为代表的第二代反应器则实现了反应器s r t 和h r t 的分离，s r t 要远大于h r t ，长s r t 保证了厌氧微生物在反应器内的生 长，从而大大提高了处理效果。u a s b 等高效厌氧工艺也得到了迅速的推广，广 泛应用于高浓度工业废水和热带地区的城市污水处理等各个领域； 3 ) 第三代厌氧反应器在分离了s r t 和h r t 的基础上，致力于微生物固定化( 形 成颗粒污泥或生物膜) 和提高废水混合效率的研究和开发。在u a s b 的基础上 发展起来的i c 、e g s b 和a s b r 等的相继出现使得厌氧处理的范围进一步扩大， 低温、低浓度的城市污水厌氧处理也成为现实。表1 3 为3 代厌氧工艺的一些研 究应用情况示例。 4 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 2 按厌氧反应器内流态 可分为活塞流型( 平推流型) 和完全混合型厌氧反应器，以及介于活塞流和 完全混合两者之间的轴向返混反应器。下表为分类示意。 表1 - 4 不同流态厌氧反戍器一览 e g s b 反戍器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 3 按生物的生长方式 可以分为悬浮生长和附着生长厌氧反应器两类。悬浮生长反应器中厌氧污泥 以絮体或颗粒形式悬浮于反应器中生长，如消化池、a c p 、u a s b 和e g s b 等均 属于此类；而像a f 、a f b 、a e b 和a r b r 等反应器，微生物附着在固定载体或 流动载体上生长，故称附着生长反应器；另外将悬浮生长和附着生长结合在一起 的称为复合厌氧反应器，如组合型上流式污泥床滤池( u b f ) 1 2 3 1 和膨胀颗粒床一 膜生物一体式反应器( e g s b m b r ) t ：z 4 j 。 4 按厌氧消化阶段 可分为单相和两相厌氧反应器。单相反应器是把厌氧产酸和产甲烷阶段结合 在一个反应器；而两相反应器则是把产酸和产甲烷阶段分别在两个互相串联的反 应器进行。 与单相厌氧反应器相比，二相系统中甲烷相的最大负荷和c o d 的去除能力 比单相要高，工艺也更为稳定。a i v a s i d e s l 2 5 1 比较过乙醇废水的单相和两相厌氧处 理，结果显示两相处理( 第一相p h 为和5 ) 出水水质始终优于单相，s s 和c o d 的去除率更高。但两相厌氧工艺的主要缺点就在于费用的升高和是否真正能够实 现产酸产甲烷的两相分离。第一相中进水预酸化程度的控制、p h 等都会影响第 二相厌氧污泥的生长。l e t t i n g a 和h u l s h o o f 2 6 j 建议根据废水浓度产酸反应器h r t 为6 - - 2 4 h ，推荐工艺采用的预酸化应使2 0 , - 4 0 的可酸化物质酸化，而如城市污 水类低浓度废水则不需再设酸化相。目前国内较常见的两相厌氧工艺为水解一膨 胀颗粒污泥床( h u s b e g s b ) 反应器1 2 刀。 除了从上述分类外，g r a d y 等1 2 8 】就废物的类型、气液固分离方式和处理目 的等还可将厌氧反应器分为：厌氧消化池、低速反应器、高速反应器和污泥发酵 工艺。厌氧消化适用各类废水特别含高固体废水，但其为完全混合式，需设置单 独混合搅拌系统，投资费用高。低速反应器工艺简单经济，能适用各类废水，包 括高悬浮物废水，但其容积负荷低，体积大占地面积大，处理效率低。高速反应 器的特点在于微生物的浓度高，s r t 远大于h r t ，反应器体积较小，出水水质好， 但不适合高浓度悬浮物的进水处理。每种反应器都有各自的优缺点，具体应用时 可根据处理对象及基建成本选择适合的工艺或组合。 比较： 从上述的分类依据可以看出，不同的厌氧反应器均有着自身的优势和适合的 处理对象，但同时也具有着不可避免的缺点。正是环境工程师们对于各种工艺缺 点及工作原理的认识的逐步加深，厌氧反应器的结构和性能才得到了不断的改进 6 e o s b 反应器处理城市污水 复旦大学硕士学位论文 与提高，从最初的简单处置粪便扩大到现在几乎可以处理所有污水，从最早的 m o u r a s 消化池发展到现在的e g s b 和a s b r ，厌氧工艺已经广泛深入地应用在 各个领域，为污水处理和水环境的改善作出了重要的贡献。表1 5 总结并比较了 部分厌氧工艺的主要优缺、点。 表1 - 5 部分厌氧处理工艺优、缺点比较【9 1 0 1 4 1 9 2 1 】 7 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 1 2 膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 的特点、应用现状及研究热点 随着对厌氧消化理论的逐步深入理解，高效厌氧反应器的研究工作也取得了 很大的进展。l e t t i n g a 【6 】开发出的上流式厌氧污泥床( u a s b ) 被认为是厌氧处理 上的最大突破，反应器中形成的颗粒污泥，开辟了全新的生物固定化途径，大大 提高了厌氧反应器的有机负荷和处理效果，此后u a s b 在工业上得到了广泛的 应用。但是在一些极端条件下( 如低温、低p h ) 或处理一些特种废水( 如低浓 度、毒性、高悬浮物) 时，由于u a s b 内的混合强度不够，极易形成死角和短 流，反应器的处理效果会很差甚至会面l 临运行失败的危险。基于提高污泥和废水 混合效率这一理念，以微生物固定化和加强传质作用为基础的第三代厌氧反应器 应运而生，其中最具代表性的便是l e t t i n g a 在1 9 8 9 年开发的膨胀颗粒污泥床 ( e g s b ，e x p e n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ) 。 1 2 1e g s b 反应器的结构与工艺特性 作为u a s b 的改进型式，e g s b 采用了大的回流比和高径比，有效提高了反 应器中液体上升流速。u a s b 中上升流速一般小于1 0 m h 2 9 1 ，污泥床基本处于静 止状态，而e g s b 中上升流速可达3 0 7 0m h 1 3 0 l ，甚至更高。高的液体上升速 度使得颗粒污泥床处于膨胀化状态，这有利于基质和代谢产物在颗粒污泥内外的 扩散、传递，从而保证了e o s b 的高效性。 但高的上升流速又带来新的问题，高水力负荷增大了搅拌强度，再加沼气的 提升作用，颗粒污泥很容易发生流失1 3 “，因而e g s b 中三相反应器的设计将显 得尤为关键。r i n z e m a 等在1 9 9 3 年就曾提出过需改进e g s b 中三相分离器，以 防止处理脂类乳液废水时多余生物体的流失。k a t o 3 2 1 认为可以从以下几个方面对 三相分离器作适当改进：1 在三相分离器下增加一个旋转叶片，借此产生一股向 下水流，以利于污泥的回流；2 采用筛网或细格栅截留细小颗粒污泥；3 在反应 器内设置搅拌器，使气泡能与颗粒污泥分离；4 在出水堰处设置挡板截留颗粒污 泥。 8 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 1 2 2e g s b 反应器的开发应用现状 p a q u e s 和b i o t h a n e 是荷兰两家世界顶级的废水厌氧处理企业，一直致力于 高效厌氧反应器的研究与开发，p a q u e s 的b i o q u e o i c ( 内循环反应器) 和b i o t h a n e 的b i o b e d e g s b 分别代表了第3 代高效厌氧反应器的世界顶尖水平。 f a n g 和l i u p 3 j 1 9 9 9 年统计全球投入生产应用规模的e g s b 反应器共有5 0 座， 占所有厌氧工艺的5 ，截至2 0 0 0 年底，全球厌氧工艺中生产性e g s b 所占比 例则升至1 1 ，仅次于u a s b 的5 9 排在在第二位例。而据b i o t h a n e 公司网站 的资料显剥3 5 】，截至2 0 0 5 年5 月，仅该公司生产的b i o b e d a e g s b 就有1 1 8 座， 分别分布在除非洲外各大洲的2 7 个国家，其中最大的一座位于印度境内，反应 器体积3 9 2 0 0 m 3 ，日处理市政污水水量可达1 2 1 0 4 吨。 表1 显示生产性规模的e g s b 反应器在全球的应用情况，从b i o b e d e g s b 的增 长趋势及处理对象的扩大来看，我们不难发现，e g s b 在工程实际应用上正得到 逐步的认可和推广。表1 5 为生产性规模的e g s b 反应器在全球的应用情况【3 5 1 。 表1 - 5 生产性规模的e g s b 反应器一览 3 5 1 1 2 。3e g s b 反应器的热点研究领域 l - 2 3 i 低温环境条件下的废水处理 与所有生物处理一样，厌氧工艺的性能很大程度上受环境因素的影响( 如温 度、p h 、营养物质等) 【3 0 】。最佳性能一般只能在最佳温度范围达到，大多数厌 氧工艺设定都在3 0 4 0 ，5 0 6 0 这两范围内，因为其代表了产甲烷细菌 的最佳生长温度。通常认为低温下( 心o ) ，产甲烷菌的最大比生长速率会受 到抑制，反应速率减慢，从而会降低工艺的处理效果。e g s b 中高的上升流速能 够带来良好的水力搅拌条件，促进了底物与生物体间的有效接触，增强了传质效 9 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 果，这也就使得在低于1 5 的低温条件下处理污水成为可甜1 4 】。表1 6 为低温 条件下e g s b 及其他厌氧反应器的一些研究试验结果。 表1 - 6 低温条件下的废水厌氧处理结果一览【1 ”6 删 1 2 3 2 低浓度废水的处理 就厌氧处理而言，低浓度废水通常指c o d 浓度低于1 0 0 0m v l 的废水【4 5 】， 主要包括生活污水、市政污水和一些稀释后的工业废水。 由m o n o d 方程可知，进水基质的低浓度会使有机物降解速率减小，污泥的 活性会很低，产气量也随之减少，有机物和污泥间的传质作用很差，反应器负荷 会受到限制。e g s b 在处理低浓度废水时，由于具有高的表面负荷所形成的良好 水力条件，能最大程度地减少了传质阻力，因此可以取得较好的效果。 城市生活污水是低浓度废水的重要组成部分，由于具有能耗低、运行费用少、 污泥产量小等优点，生活污水的厌氧处理工艺正逐渐受到各国的重视。l e t t i n g a 认为选择合适的后处理方法相配合，厌氧技术必将成为分散型生活污水处理模式 的核心手劂3 0 l 。从表i - 6 可以看出，由于对低浓度废水的加热和保温能耗很高， 因此低浓度废水的厌氧处理一般都在较低温度下进行，l e t i n g g a 等在4 c 处理低 浓度挥发性脂肪酸( v f a ) 混合废水时仍取得了9 0 的去除率，这就说明了e g s b 在低浓度废水尤其生活污水的处理上应该具有不小的潜力。表1 7 部分低浓度废 水的厌氧处理工艺。 1 0 e g s b 反应器处理城市污水 复旦大学硕士学位论文 表l - 7 低浓度废水厌氧生物反府器处理结果一览 注：r s f f r 为旋转一固定膜 由于甲烷菌是严格的厌氧菌，低浓度有机废水中往往含有较多的溶解氧 ( d o ) ，这可能会形成潜在的危险【l 研。事实上，在厌氧条件下兼性菌的耗氧呼吸 能够减弱d o 对甲烷菌的毒害作用。k a t o 认为即使在无足够基质供给，兼性菌 有氧呼吸受限制的情况下，甲烷菌本身对氧仍有一定的承受力，另外颗粒结构中 菌落的分布优势( 甲烷菌生长在颗粒的中心) ，也保证了其能尽可能地避免与氧 接触【5 0 l 。k a t o 在3 0 采用不含d o 和含d o 的e g s b 处理酒精废水进行平行对 比试验时，发现两反应器的处理效果和出水氧化还原电位均无太大差异，这就说 明了反应器中d o 能够很快的被兼性菌消耗，不致造成恶劣影响，同时反应器的 去除率主要还是取决于e g s b 中的混合状况，而与低基质浓度无太大关系，这点 从进水c o d e r 低至1 9 6 - 6 1 3m g l 时，两反应器的去除率仍可达9 7 可以看出。 1 2 3 3 含难降解s s 及高浓度s s 废水的处理 难降解s s 对于u a s b 等以微生物固定化为基础的高速反应器都是不利的， 难降解s s 在污泥床中的累积会导致污泥比产甲烷活性的降低、细菌增殖的恶化， 阻碍颗粒污泥的形成并引起反应器的负荷增大和污泥的洗出【5 ”。e g s b 通常采用 颗粒污泥接种，或反应器内形成颗粒污泥后，除非s s 的沉降性能类似颗粒污泥 或具有很强的吸附作用，污泥床内很少会发生s s 的累积现象，而不致影响到颗 粒污泥的质量1 1 ”。 n u n e z 和m a r t i n c z 采用e g s b 反应器在中温条件( 3 5 ) 下处理成分复杂的屠 宰废水，其中s s 主要是以难生物降解的脂肪形式存在，s s 平均浓度5 3 0m g l ， 最高时8 4 3m g l ，c o d c r 在不同h r t 下平均去除率可保持在6 5 , - , 8 0 ，而s s 的去除率则是高达9 0 ，整个阶段运行正常，反应器内并未出现脂肪累积的迹 象【5 l j 。 e g s b 反应器处理城市污水复旦大学硕士学位论文 除了某些s s 的难降解性质外，悬浮物的浓度也是影响高速反应器运行的因 素，各类反应器对高浓度s s 有着不同的承受能力。就a f 而言，悬浮物的存在 易引起堵塞和沟流，一般s s 的质量浓度应控制在2 0 0m g l 以下，u a s b 也不 适合s s 超过3 0 0 0m g l 废水，而据现有工程经验，一般情况下e g s b 处理的废 水所含s s 则不宜超过6 0 0 0 8 0 0 0m g l t 埔】。 张振家采用生产性e g s b 处理玉米酒精糟液，反应器内温度保持在5 5 2 ， 两个月形成了颗粒污泥，进水中s s 均值在6 0 0 0m g l 左右，并在2 0 0 0 2 0 0 0 0 m g l 范围内波动，c o d e r 去除率基本未受影响，一直保持在9 0 以上，这说明 高温e g s b 对s s 耐受能力较耐”。 1 2 3 4 含毒性或抑制性物质废水的处理 毒性物质的存在及其浓度是影响厌氧处理的重要因素之一，废水中所含的毒 性物质往往会对产甲烷菌产生危害或抑制作用，从而导致反应系统运行的失败。 废水中的毒性物质简单可分为无机毒物和有机毒物两大类。无机毒物如氨 氮、无机硫化合物( h 2 s 、s 0 3 2 - ) 、重金属( 如c d 2 + 、p d 2 + ) 、氰化物等，有机毒 物则包括天然和合成化合物，主要代表有甲醛、长链脂肪酸( l c f a ，如月桂酸、 癸酸) ，和卤代化合物( 如氯苯、五氯酚) 、硝化芳香族、抗菌素等。 s p e e c e 【2 6 】认为要稳定和有效地处理毒性废水，关键在于合适的驯化和长泥龄 的保证，鉴于此，他提出了有助于厌氧去除毒物的3 个条件：1 毒物浓度远低于 其i c 5 0 ( 使厌氧过程污泥产甲烷活性降低5 0 的有毒物质浓度) 浓度；2 在处理 条件下，毒物本身可以生物降解或能被螯合分离；3 生物体对这种毒物能够驯化。 采用e g s b 处理毒性废水时，除了本身厌氧微生物对毒物的降解专性外， e g s b 的高出水循环率，改善了反应器内混和状况，不仅有效地降低了浓度梯度 对微生物生长的影响，更稀释了进水中的毒物浓度，从而具有更强的耐受能力。 含高浓度硫酸盐废水是近年来厌氧处理的一个重要方向，硫酸盐本身并没有 太大的毒性，但其在厌氧条件下还原产生的h 2 s 对甲烷菌则具有很强的毒性。 d r i e s l 5 3 】用e g s b 处理含硫酸盐废水，保持反应器内较高的p n ( 7 9 1 ) 和5m h 的上升流速，当进水硫酸盐的质量浓度达8 0 0 m g l ，h r t 约1 9h 时，硫酸盐的 转化率可达9 4 ，同时c o d c r 的去除率也达到了9 6 ，这说明产生的h 2 s 并未 对e g s b 的正常运行造成大的抑制作用。 l c f a 对革兰式阳性菌具有很高的毒性，而甲烷菌的细胞壁组成与革兰式阳 性菌类似，因此对l c f a 也是相当的敏感。r i n z e m a 掣删则认为e g s b 适合处理 如含月桂酸、癸酸等l c f a 的废水，他在相同条件下启用e g s b 和u a s b 处理 此类废水，e g s b 在负荷高达3 5k g c o d e r ( m 3 d ) 时仍可取得很好的效 果，c o d e r 去除率保持在8 0 以上，而u a s b 在负荷不到5k g c o d 叫( i d ) 1 2 e g s b 反应器处理城市污水 复旦大学硕士学位论文 时就已运行失败。 周洪波采用e g s b 和u a s b 作对比试验处理含五氯酚( p c p ) 自配有机废水， 结果表明e g s b 和u a s b 中p c p 的i c s o 分别为1 5 4m g l 和7 9m g l ，这说明与 u a s b 相比，e g s b 中培养的厌氧颗粒污泥活性对p c p 的抑制具有更强的耐受能 力嘲。 1 2 3 5e g s b 与其他工艺的组合研究 e g s b 在上述特型废水处理上确实具有独到的优势，但是其本身作为一种厌 氧工艺，不能有效地去除n 、p 及病源微生物等，从而可能会达不到水质排放的 要求，因此采用e g s b 与其他工艺的组合来提高整个系统的高效性也就成为近年 来的研究热点。 可供选择的厌氧后续处理工艺种类较多，如物理法中的砂滤、紫外照射，化 学法中的c h 、0 3 氧化，以及物化法中的絮凝、吸附等等，但从处理成本等方面 考虑，生物法仍不失为一种首选。e g s b 与好氧工艺的结合在实际废水工程上也 已经有了一定的应用，如任洪强p 6 1 采用的e g s b c a s s ( 膨胀颗粒污泥床一好氧 复合生物反应器) t 艺处理茶多酚工业废水，颜智勇等 s 7 l 的e g s b 稳定塘工艺 处理木薯淀粉废水，均有效的实现了厌氧和好氧串联的过渡，对污染物的净化彻 底。鉴于e g s b - - 好氧工艺的成本效果优势，联合工艺必会在工程上得到更为广 泛的应用。 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 是生物处理含氨氮废水的全新理念，a n a m m o x 是指n h 3 - i n 作为电子供体在厌氧条件下被亚硝态氮直接氧化生成n 2 的过程，它 可以节省超过5 0 用于硝化所需的氧化能耗而且不需要有机碳源，因此对于高氨 氮、低碳源的废水( 如生活污水厌氧处理后出水) 处理具有很大的吸引力。w a n g 通过对e g s b 中的颗粒污泥脱氮特性的研究证实了e g s b 中a n a m m o x 反应的 发生，其中氨氮的去除率可达4 0 ，而亚硝态氮的去除率则高达9 8 t 5 8 1 。但是， a n a m m o x 反应对环境条件( 如进水基质、p h 、温度等) 要求较高，而且工艺 上对于如何保证亚硝态氮的来源并维持a n a m m o x 反应中亚硝态氮与氨氮的 浓度比例等都不是很清楚，因此对a n a m m o x 的研究目前停留于试验室规模， 但其的应用前景仍受到广泛关注。 膜生物反应器( m b r ) 也是近年来颇受关注的新兴反应器，但膜污染的问 题一直限制了m b r 的发展和推广。c h u 等 2 4 1 将e g s b 和m b r 组合成一体式反 应器，位于三相分离器的上部的u 型中空纤维膜，能够有效的截留e g s b 中的 的病源微生物以及颗粒污泥等，而同时e g s b 中高的上升水流( 流速5m h ) 对 膜表面进行着反复