膨胀颗粒污泥床反应器的应用研究进展

环境污染与防治网络版第6期2008年6月1膨胀颗粒污泥床反应器的应用研究进展*田在锋1王路光2王靖飞3(1.河北省环境科学研究院，河北石家庄050051;2.国家环境保护制药废水污染控制工程技术中心，河北石家庄050051;3.河北省水环境科学实验室，河北石家庄050051)摘要介绍了膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器的特征及研究应用进展。EGSB反应器是在UASB反应器的基础上发展起来的第三代厌氧生物反应器，由于其独特的技术优势，可以用于多种有机废水的处理，并具有较高的处理效率。EGSB反应器在各种浓度有机废水及毒性废水中有较多的应用基础研究，为生产性试验和进一步工程应用奠定了基础。还展望了EGSB反应器今后的发展趋势。关键词厌氧生物处理EGSB反应器颗粒污泥ReviewofapplicationandresearchexpandedgranularsludgebedreactorTianZaifeng1,WangLuguang2,WangJingfei1.(1.HebeiProvincialAcademyofEnvironmentalSciences,ShijiazhuangHebei050051;2.StateEnvironmentalProtectionEngineeringCenterforPharmacyWastewaterPollutionControl,ShijiazhuangHebei050051;3.HebeiProvincialKeyLaboratoryofAquaticEnvironment,ShijiazhuangHebei050051)Abstract:Inthispaper，thecharacteristicsofExpandedGranularSludgeBed(EGSB)reactoranditsrecentapplicationandresearchachicvementswerereviewed,ofwhichisthethirddegenerationofanaerobicbiologicalreactordevelopedonthebaseofUASBreactor,andbythisuniquetechnicaladvantage,itcouldbeappliedtotreatmanykindsoforganicwastewaterandhighCODremovalefficienciescouldbeobtained.ThefuturedevelopmentofEGSBreactorwasalsoprospected.Keywords:anaerobicbiologicaltreatment；EGSBreactor；granularsludge随着社会经济和城市的发展，环境污染和能源紧张的问题变得越来越严重，20世纪六、七十年代以后，厌氧消化技术作为一种低能耗的有机废水生物处理方法，得到了人们越来越多的重视。随着对厌氧消化理论不断深入地研究，人们相继开发了多种高效厌氧生物反应器，如厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床(UASB)反应器、厌氧附着膜膨胀床(AFFEB)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，人们将它们统称为第二代厌氧生物反应器。这些新型高效厌氧反应器的特点是：反应器结构上的设计或运行方式保证在反应器内能够保持较高的生物量，反应器的固体停留时间(SRT)较长，从而大大提高了反应器的容积有机负荷，缩短了水力停留时间(HRT)。改变了人们对厌氧处理效率低、处理周期长的传统观念，为有机废水的处理开辟了一个全新的领域。虽然第二代厌氧生物反应器在应用中取得了很大的成功，但在进一步扩大其处理范围时，仍然遇到了不少问题，迫使人们在其基础上继续进行研究和开发，膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器就是在UASB反应器的基础上发展起来的新一代更高效的厌氧反应器。笔者介绍了EGSB反应器的产生背景、结构特征与工艺原理，以及EGSB反应器在处理各种1第一作者:田在锋,男,1971年生,高级工程师,主要从事水污染防治工程设计、环境科学研究工作。*河北省科学技术研究与发展计划项目(No.07276708D)。环境污染与防治网络版第6期2008年6月2废水时的研究应用情况，并展望其在我国的发展趋势。1EGSB反应器的产生背景及其特征1.1EGSB反应器的产生背景1976年荷兰Wageningen农业大学由LETTINGA教授领导的研究小组开始研究采用UASB反应器来厌氧处理生活污水。1981年LETTINGA等[1]研究在反应器的容积为120L，在温度为12～18℃，HRT为4～8h情况下，利用UASB反应器处理生活污水，COD总去除率为45%～75%。随后，他们按比例扩大设计了6、20m3的反应器，并且用颗粒污泥接种，但研究结果表明，其处理效率比上述的45%～75%更低。经过分析他们认为，由于污水与污泥未得到足够的混合，相互间不能充分接触，因而影响了反应速率，最终导致反应器的处理效率很低。1986年，DEMAN等[2]利用示踪剂对此进行了试验，其结果也证实了这一点。在利用UASB反应器处理生活污水时，为了增加污水与污泥间的接触，更有效地利用反应器的容积，必须对UASB反应器进行改进。LETTINGA等[1]认为改进的办法有两种:(1)采用更为有效的布水系统，即可通过增加每平方米的布水点数或采用更先进的布水设施来实现;(2)提高液体的上升流速(vup)。但是当处理低温低浓度的生活污水时，改进布水系统的结果仍不理想，因此LETTINGA等[1]基于上述第二种办法，通过设计较大高径比的反应器，同时采用出水循环，来提高反应器内的液体上升流速，使颗粒污泥床层充分膨胀，这样就可以保证污泥与污水充分混合，减少反应器内的死角，同时也可以使颗粒污泥床中的絮状剩余污泥的积累减少，由此便产生了第三代高效厌氧反应器—EGSB反应器。1.2EGSB反应器的结构特征与工作原理EGSB反应器是对UASB反应器的改进，与UASB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UASB反应器中，水力上升流速vup一般小于1m/h，污泥床更象一个静止床，而EGSB反应器通过采用出水循环，其vup一般可达到5～10m/h，所以整个颗粒污泥床是膨胀的。EGSB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20或更高。因此对于相同容积的反应器而言，EGSB反应器的占地面积大为减少。除反应器主体外，EGSB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，其结构图如图1所示。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UASB反应器相比，EGSB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EGSB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UASB反应器相比，EGSB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环境污染与防治网络版第6期2008年6月3[3]：(1)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；(2)采用筛鼓或细格栅，可以截留细小颗粒污泥；(3)在反应器内设置搅拌器，使气泡与颗粒污泥分离；(4)在出水堰处设置挡板，以截留颗粒污泥。图1EGSB反应器结构示意图Fig.1ReactorstructureofEGSB出水循环部分是EGSB反应器不同于UASB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。1.3EGSB反应器颗粒污泥的特征颗粒污泥是EGSB反应器获得高处理效果的原因所在。一方面，颗粒污泥具有良好的沉降性能，可以防止污泥随出水流失；另一方面，颗粒污泥可以维持反应器内最大限度地滞留高活性污泥，因此反应器在较高的有机负荷和水力负荷条件下仍能有效地去除废水中的有机物。当利用EGSB反应器处理低温低浓度麦芽污水时，随着反应器的运行，颗粒污泥的粒径发生了一个转型过程。在反应初期，颗粒粒径主要集中在1.1～2.1mm；随着反应的进行，颗粒粒径分布范围更宽，大都分布在0.9～2.7mm，且在此范围内分布较均匀；在反应后期，颗粒粒径明显增加，主要集中在1.3～2.7mm。反应器不同高度处的颗粒污泥的粒径也有明显不同，如在反应器运行后期，反应器上部主要为1.7～1.9mm的小粒径污泥，而下部则为2.3～2.9mm的大粒径污泥。然而，就降解乙酸和VFA混合物的情况看，上部颗粒污泥的比基质降解率和比产甲烷活性分别比下部污泥高11%～40%和20%～45%。由于压力作用，底部污泥的密度增加，其孔隙度减少，于是基质扩散阻力加大，使得底部污泥活性较低。低温低浓度情况下，反应器中的产甲烷菌主要是乙酸营养型甲烷毛发菌属环境污染与防治网络版第6期2008年6月4(Methanosaeto)的菌种和氢营养型甲烷短杆菌属(Methanobrevibactor)的菌种。由于反应器内乙酸浓度很低，因此反应器内的甲烷八叠球菌属的菌种很少，所占比例不到1%，这与周琪[4]在利用UASB反应器处理生活污水过程中所观察到的结果相同。然而在UASB反应器中，索氏产甲烷丝菌为优势菌种，索氏产甲烷丝菌与甲烷毛发菌的共同特点是对乙酸的Ks值较低，在乙酸浓度低时，它们能与其它利用乙酸的产甲烷菌相互竞争，其中毛状菌属菌种对乙酸的Ks比甲烷八叠球菌属菌种之值低5～10倍[5]。2EGSB反应器的应用研究现状2.1处理低温低浓度污水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、pH、营养物质等)[6]。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30～40℃、50～60℃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(20℃)，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。EGSB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，增强了传质效果，这也就使得在低于15℃的低温条件下处理污水成为可能[7]。自从EGSB反应器产生以后，大部分的研究都集中于低温低浓度污水的处理。一般认为，在利用厌氧技术处理低浓度污水时，通常会遇到3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。EGSB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。KATO等[3]曾采用两个225.5L的EGSB反应器在30℃时处理以乙醇为基质的模拟低浓度污水。其中R1反应器是在无氧的环境下运行，R2反应器则在氧浓度相对较高(最高达3.8mg/L的环境下运行。R1和R2在不同的HRT(0.5～2.1h)、有机负荷率(OLR)为3.90～3.24kgCOD/(m3·d)的情况下，处理进水COD为127～675mg/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EGSB反应器的运行没有明显影响。另外，当vup控制在2.5～5.5m/h时，只要选择适当的OLR，当进水COD为500～700mg/L甚至100～200mg/L时，反应器的去除率均能达到90%以上。REBAC等[8]采用120L的EGSB反应器研究在常温下处理生活污水，反应器有效容积为116L，反应区直径为0.19m，高度为4.0m，接种颗粒污泥取自处理造纸废水的生产性UASB反应器。结果表明