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厌氧颗粒污泥膨胀床原理特征分析 ＊ 江 瀚 石宪奎 倪 文 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 王凯军 北京市环境保护科学研究院, 北京 100044 摘要 从污泥床层流态、生化反应动力学、体系物相平衡角度分析了以循环为特征的厌氧颗粒污泥膨胀床反应器的结 构特点, 基质代谢和酸碱平衡特征, 进而得出 高 面积 H A 和回流比 R 是实现反应器较高上升流速的结构和运行 指标; 回流引起反应器基质代谢特征的变化, 同时使反应器处理增强; 厌氧颗粒污泥膨胀床的运行方式对调解、平衡系 统的碱度、pH 值起着积极的作用。 关键词 厌氧颗粒污泥膨胀床 膨胀率 回流比 R 上升流速 处理效率 碱度 pH 值 ＊国家“863”计划资助项目 2002AA601190 1 引言 厌氧颗粒污泥膨胀床 Expanded Granuler Sludge Bed, 简称 EGSB 是在 UASB 基础上开发研制的第三 代高效厌氧反应器, 因其负荷高、 耐低温 、 耐毒物冲击 而受到普遍关注 [ 1] 。作为一种改进型的 UASB 反应 器,虽然在结构形式 、 污泥形态方面 EGSB 与 UASB 有 很大相似之处 , 但 EGSB 增加了处理水循环系统, 通 过水力循环 ,提高反应器内的液体流速 6 ～ 12 m h , 使反应器内污泥床得到膨胀, 保证了进水基质与污泥 的充分接触 [ 2] 。 EGSB 的形式特征为通过处理水回流提高反应器 内水力负荷 ,但回流所引起了反应器内水力学 、 动力 学和物相平衡特征的变化 , 使 EGSB 具有自身的结构 和本质体征。在此对 EGSB 的机理特征加以分析和 讨论 。 2 EGSB 结构和工作原理 2. 1 EGSB 反应器污泥床特征 EGSB 反应器实质上是固体流化技术在有机废水 生物处理领域的具体应用。如图 1 为 EGSB 反应器 结构原理图 ,EGSB 反应器中装有一定量的颗粒污泥 载体 ,当有机废水及其产生的沼气自上而下地流过颗 粒污泥床层时, 载体与液体间会出现不同的相对运 动,导致床层成不同的工作状态。 图2 为 EGSB 反应器中废水流速与床层空隙积 压降的关系 [ 3] 。当废水液体表面上升流速较低时 ,反 应器中颗粒污泥保持静止, 废水从颗粒间隙内穿过, 床层的空隙率保持稳定, 但其压降随液体表面上升流 速的提高而增大 。当流速达到一定数值时,压降与单 位床层的载体质量相等, 继续增加流速 , 床层空隙率 便开始增加 ,床层也相对膨胀, 但载体间依然保持相 互接触; 当液体表面上升流速超过临界流化速度后, 污泥颗粒即呈悬浮状态, 颗粒床被流态化 ,继续增加 进水流速, 床层的空隙率也随之增加, 但床层的压降 相对稳定; 在进一步提高进水流速到最大流化速度 时,载体的颗粒也将产生大量的流失 。 图 1 EGSB 反应器结构示意图 图 2 废水流速与床层空隙及压降的关系 从载体流态化工作状况可以看出 ,EGSB 反应器 的工作区为污泥床流态化的初期 , 即膨胀阶段, 此时 的容积膨胀率约为 10～ 30 [ 4] 。 2. 2 EGSB 反应器流速分析 在厌氧反应器中 ,污泥床膨胀率是靠上升流速来 保障的,实际上升流速应考虑水力负荷和产气负荷共 同作用,产气负荷在一定的有机负荷和处理效率下是 一定的 , 而水力负荷随水力循环增大而增高 。在 EGSB 反应器中, 由于水力循环的作用,水力负荷远远 大于产气负荷, 在考虑实际流速时可简化为只考虑水 19 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 力负荷的作用。 在升流式厌氧反应器中 , 提高反应器内水力负 荷,在相同容积 、 流量固定的情况下 ,只能从反应器的 结构形式 、 循环比两个因素加以考虑 v H T HQ V v Q A 进而有 v Q V H A 1 式中 v 上升流速 不考虑回流 ; Q 进水流量; A 反应器横截面积 ; H 反应器高度 ; T 水力停留时间。 上升流速和反应器高 面积 H A 的 1 2 次幂成 线性关系。可以把 H A 作为反应器结构特征指标, 可见 ,较大的 H A 亦可用高 径来表征 是保证 EGSB 反应器具有较高上升流速的基础, 也是 EGSB 反应器 的结构特征。 通过水力循环则有实际上升流速 vsRv 式中 R 回流比。 可见, 回流比是保证 EGSB 反应器具有较高上升 流速的运行条件 。 3 EGSB 动力学特征分析 3. 1 动力学因素分析 分析Monod 方程 rs u-dS dt k S X K S 式中 rsu - dS dt 基质降解率; k 最大比基质降解率; X 微生物浓度; S 基质浓度 ; K 饱和常数 传质阻力系数 。 在EGSB 运行中 , 因为进行处理水回流 , 与不回 流运行方式相比 ,会引起以下两方面的变化 3. 1. 1 反应基质浓度 S 的变化 设 E 为反应器基质处理效率, 进水基质浓度 S0,则 E S0-Se S0; SeS0 1 -E 。设定边界 条件 ,做物料平衡,则有 S0[ 1 R 1 -E ] S in 1 R 2 式中 R 循环比; S0 进水基质浓度 ; Sin 反应器进水基质浓度 ; Se 出水基质浓度; Q 进 、 出水水量。 由 2 式可知 当 R 0, S S0, 在不考虑产气负 荷,短流等因素的影响下 , 此时反应器的流态为推 流式 。 当 R ∞, S0Se, 此时反应器内各处浓度相等, 流态为全混式。 以上为两种理想流态情况反应器运行状况,而实 际反应器为非理想情况反应器 ,即 ∞R 0,SeS 80 , 可见, 回流比为 2 时, 基质稀释倍数即可达到 1 倍以上; 系 统处理效率为 90, 回流比为 10 时, 稀释倍数可达 6 倍左右。 图 3 回流比与稀释倍数关系图 3. 1. 2 饱和常数 K 的变化 饱和常数 K 有本征饱和常数Ks和表观饱和常 数Km两种定义, 本征饱和常数 Ks反映基质从污水 直接进入处于细菌细胞的传质阻力, 表观饱和常数 Ks反映基质先进入生物膜然后进入细菌体内的传质 过程阻力。因为仅有有限的基质进入生物膜 ,所以表 观饱和常数 Km比本征饱和常数 Ks的值大 [ 5] 。也可 以定义为 KmKsKD 4 式中 KD 外部传质阻力系数 , 数值介于 0 和某 一常数之间 ,和微生物浓度 污泥床膨胀率 和混合强 20 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 度有关。 在EGSB 中 , 通过回流获取高水力负荷 , 使污泥 床充分膨胀 ,使反应器内具有充分混合强度 ,减少传 质阻力KD, 进而降低表观饱和常数 Km的值 。 3. 1. 3 实际反应时间的变化 设反应器内水力停留时间为 t ,总生化反应时间 为 t总, 在无回流的情况下 R 0 , 实际污水一次通过 反应器,总生化反应的时间构成 t总1t t 5 在有回流的情况下 回流比为 R , 实际污水 R 1 次通过反应器,每次反应时间为 t R 1 ,总 生化反应的时间构成为 t总 R 1 t R 1t 6 因为微生物本身的生化反应往往可以在较短时 间内完成, 虽然上述两种情况反应时间相同 , 但第 2 种情况下 ,由于反应此数增加 ,泥水接触几率增大 ,短 路情况相应减少 ,基质反应充分, 实际反应速率相应 增高 。 3. 2 动力学特征讨论 由于在反应器中 ,微生物和废水基质性质都是特 定的, 即 Monod 公式 K 是一定值 , 反应速 率 rsu - dS dt 只与 K 、S 有关。在 EGSB 中, 通过上述分 析可知 ,一方面回流使 S 降低, 在非零级反应过程 中,使反应速率降低 ; 另一方面回流使传质阻力 K 减 小,使反应速率增加。所以 ,回流引起的反应速率的 实际影响需综合评价 、 分析。 当反应器达到一定混合效果, 阻力系数消除传质 阻力的影响,即 KD0,K Ks 此时进一步增加回流比, 随着污泥床膨胀率的增 高和混合强度的增加 , K 值将保持不变 。在此情况 下,随着回流比的增大, 初始反应基质 S 降低, 反应 器流态接近于全混式, 进而使反应器处理效率下 降 [ 6] ; 另一方面 , S 值的降低可减轻反应器中底部污 泥承受的最大负荷, 使反应器的基质处理能力增大 。 4 EGSB 物相变化特征分析 4. 1 碱度 、 VFA 的变化 碱度反映废水体系对 pH 值变化的缓冲能力。 在厌氧消化过程中 ,由于含氮物质的铵解 、 硫酸盐的 还原等作用,厌氧出水碱度要高于进水碱度。同时反 应器进水处有机物首先进行的水解 、 酸化过程中产生 的挥发性有机酸 VFA 未充分转化为下一步的产物- 甲烷,需大量的碱度中和 VFA; 随着产甲烷过程的进 行,反应器出水处 VFA 浓度大大减少, 同时碱度增 高。可见, 在厌氧反应器中,进水处碱度含量低,但需 求量大; 在反应出水处 , 碱度需求量低, 但实际含量 大。在UASB 反应器中,进水处碱度在满足反应器底 部碱度的同时, 则造成反应器中上部碱度的大量 过剩 。 在EGSB 运行中 , 通过处理水回流 , 一方面使反 应器底部较高的 VFA 得到稀释 ,减少碱度需求 ; 另一 方面可以充分利用处理水的高碱度来补充进水碱度 的不足 , 减少碱度的投加量。 在笔者进行的关于 EGSB 试验中,在以葡萄糖为基质的人工配水试验中, 在 CODCr进 水 浓 度 5 000 mg L, CODCr有 机 负 荷 20 kg m 3d条件下, 在不单独投加至碱物质, 在原水碱 度[ CaCO3] 仅为 800 mg L 时 , 出 水碱 度[ CaCO3] 1 800 mg L左右, 反应器可长期 、 稳定运行 。 4. 2 pH 值的变化 厌氧消化体系内的 pH 值的变化主要由于挥发 性有机酸 VFA 的产生和代谢 CO2的溶解和释放造 成的 。 1 在反应器的进水处 ,有机物首先进行的水解、 酸化过程中产生的挥发性有机酸 VFA 未充分转化 为下一步的产物-甲烷 , 造成局部 VFA 积累, pH 值降 低。随着产甲烷过程的进行, 反应器出水处 VFA 浓 度大大减少 ,pH 值升高。 2 根据气体溶解平衡的亨利定律可知 ,溶解性 CO2浓度和 CO2的平衡分压成正比 [ 7] 。在厌氧反应 器中, 由于消化作用的进行, 体系 CO2的平衡分压增 大 18～ 40 [ 8] , 溶解性 CO2的增多 , 导致体系 H 浓度增高, pH 值降低 。反应器上部 , 在体系 CO 2 的平 衡 分 压 向 大 气 CO2的 平 衡 分 压 PCO2 10 -4. 5MPa[ 7] 过渡的过程中, CO2的平衡分压下降, CO2释放 ,pH 值升高 。 由于水解产酸作用和 CO2的溶解的共同作用 ,使 得厌氧反应器底部进水处的 pH 值低于出口处。 EGSB在处理水回流过程中 , 底部较低 pH 值被处理 水较高的 pH 值稀释中和, 减轻了局部 pH 值过低的 情况 。 同时 ,由于厌氧消化体系的缓冲作用 , 较低的 下转第 34 页 21 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 的菌胶团。设置 1 只辐流式沉淀池 。池体采用钢筋 混凝土结构 。二沉池出水自流进入混凝沉淀池。二 沉池底部污泥重力自流进入污泥消化池 。表面负荷 取1. 0 m 3 m2h ,设计停留时间 2. 0 h, 时变化系数取 2。单池表面积为 250 m 2 , 内尺寸为 16 000 mm 16 000 mm 4 500 mm ,16 m 中心传动刮泥机 1 台 ,污 泥泵 2 台 1 用 1备 。 5 物化反应池 对废水进行物化处理 , 经过化 学药剂的作用, 去除原水中的残留的有机污染物质, 确保出水水质。新建池体, 钢筋混凝土结构 ; 池内尺 寸为4 200 mm 32 000 mm 2 000 mm, 有效容积 200 m 3 ;停留时间 1. 6 h; 混合搅 拌机 2 台及在线 pH 仪 。 6 终沉池 泥水分离 , 去除 AO 池出水中夹带 的菌胶团。设置 1 只辐流式沉淀池 。池体采用钢筋 混凝土结构 。二沉池出水自流进入混凝沉淀池。二 沉池底部污泥重力自流进入污泥消化池 。表面负荷 取1. 0 m 3 m2 h 设计, 停留时间 2. 0 h, 时变化系数取 2。单池内尺寸16 000 mm 16 000 mm 4 500 mm。 16 m 中心传动刮泥机 1 台 ,污泥泵 2台 1用 1 备 。 7 污泥浓缩池 作为生化污泥和物化污泥贮 池,对污泥进行浓缩, 使污泥含水率降低 。利用原有 2 格池体改造 , 1 格贮存生化污泥 , 1 格贮存物化污 泥,污泥浓缩后上清液回流综合调节池进行再处理。 设置两污泥池, 单池内尺寸为5 700 mm 3 700 mm 3 000 mm ,有效容积 59 m 3 , 生化污泥浓缩 16. 7 h; 污 泥泵 2 台。 8 药剂投配系统 进行药剂溶解 、计量投加。 共设置药剂投配系统 8 套,2 套用以投加混凝剂 ,3 套 用以投加中和剂 ; 均采用计量泵投加; 2 套加氯系统, 加氯系统采用自动加氯机 。 5 结语 该工程经调试后于 2002 年 12 月正式投入使用, 经1 年多的运行表明, 系统运行稳定 ,处理效果良好。 出水达到中华人民共和国综合排放标准 GB8978- 1996 中的一级标准。CODCr ≤100 mg L ; BOD5 ≤ 20 mg L; 色度 ≤ 50 倍; pH 6～ 9; SS ≤ 70 mg L 。 参考文献 1 马承恕. 染料工业三废治理技术. 中国化工学会染料学会、染料行 业环保科技情报网,1988. 204。 2 安虎仁, 钱易, 顾夏声,杨艳茹. 厌氧条件下染料的生物降解性能与 染料废水处理的研究. 化工环保, 14,1994. 14 200～ 204. 作者通讯处 钦濂 200092 上海市武东路 100 号 同济大学 0223 信箱 E -mail qin770902163. net 2004 -11 -08 收稿 上接第 21页 回流比即可使整个反应器有较均匀的 pH 值分布。 在笔者进行的试验中 ,在回流比为 3 的情况下 ,反应 器上、下部 pH 值之差始终 0. 3 ,反应器内 pH 值分 布均匀。可见, EGSB 处理水回流的运行方式 ,对调节 pH 值 ,改善系统 pH 值环境分布有着积极的作用 。 5 结论 1 EGSB 反应器的工作区为污泥床流态化的初 期, 即膨胀阶段; 高 面积 H A 和回流比 R 是反应 器实现较高上升流速的结构和运行指标 。 2 EGSB 的运行方式将带来生化反应动力学的 特征变化 ,其中的 K 、 S 变化均与回流比R 有关。 3 当反应器达到一定混合效果, 此时进一步增 加回流比, 反应器处理效率下降, 但同时减轻反应器 中底部污泥承受的最大负荷, 使反应器的基质处理能 力增大。 4 EGSB 的处理水回流运行方式对调解、均衡体 系碱度、 pH 值有着重要作用。 参考文献 1 Van Lier J B, et al . New perspective in anaerobic digestion. Wat. Sci. Tech. , 2001. 43 1 1～ 18. 2 王凯军. 厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器. 环境科学, 1998. 19 1 94～ 96. 3 胡纪萃, 周孟津等. 废水厌氧生物处理理论与技术. 北京 中国建筑 工业出版社, 2003. 4 化学工程手册编委会. 化学工程手册. 北京 化学工业出版社, 1987. 5 任洪强. 厌氧膨胀颗粒污泥床工作特性的研究. 博士学位论文. 无 锡轻工大学, 2002. 6 季民, 霍金胜. 厌氧颗粒污泥膨胀床 EGSB 工艺特性与运行性能. 工业用水与废水, 1999. 30 4 1～ 4. 7 顾夏声. 废水处理数学模式. 第 2 版. 北京 清华大学出版社, 1993. 8 W. 斯塔姆 J. J. 摩尔根. 水化学. 北京 科学出版社, 1987. 9 隋军. 厌氧消化的多项过程 博士学位论文. 哈尔滨 哈尔滨建筑大 学, 1991. 作者通讯处 王凯军 100037 北京市西城区阜城门外北二巷 北 京市环境保护科学研究院 电话 010 68308002 E -mail wkj-iepvip. 163. com 2004- 11-15 收稿 34 环 境 工 程 2005年 6 月第23 卷第3 期 STUDY ON NITROGEN REMOVAL BY TRICKLING FILTERHu Heping et al7 Abstract This paper experimentally studies the influence of different carbon sources methanol, glucose and sodium acetate at different temperatures and C N ratio on denitrificationin a trickling filter filled in porous honeycomb ceramic. The results show that carbon source has great effect on denitrifictation efficiency, that is, when methanol and glucose are serviced as carbon source, there will be no nitrite accumulation in the system. But there has been observation of obvious nitrite accumulationwhile sadium acetate selected as carbon source. And the maxiumum nitrite accumulation 20 of the initial nitrate -nitrogen has reachedwhile nitrate has run out. The result also illustrates that optimal temperature relates with carbon source and the denitrification efficiencies with the different carbon sources are quite well at 40 ℃. Keywords trickling filter, carbon source, C N ratio, temperature and denitrification RECOMBINED MUNICIPAL EFFLUENT ADVANCED TREATMENT PROCESS AND PROGRESS FORWASTEWATER REUSEDeng Yaojie et al 10 Abstract In this paper, the municipal effluent advanced treatment processes for water reuse are summarized. The traditional processes and their developments both at home and abroad are introduced. On the basis of these, the application of the combination and integration process between the membrane separation techniques and the municipal effluent advanced treatment s are mainly described. In addition, it is pointed out that the integration and combination of some advanced treatment techniques and their optimization have profound strategic significance for alleviating water resource shortage and implementating water resource sustainable use. Keywords municipal ffluent, advanced treatment and wastewater reuse ANALYSIS OF THE PRESENT STATUS OF REUSING MUNICIPAL WASTEWATER FOR INDUSTRYLiu Yiping et al 15 Abstract This article reviews the domestic and abroad status ofmunicipalwastewater reusing technologies for inustry, water quality standard for reusing, the processes of advanced treatment and benefit of sewage reusing, finally it also gives the suggestions on the future development. Keywords municipal wastewater, sewage reuse and treatment technique TREATMENT OFPHARMACEUTICAL WASTEWATER BYAIRFLOATATION -HYDROLYTIC ACIDIFICATION -AEROBIC PROCESSLi Xiangdong et al 17 Abstract Air floatation -hydrolytic acidification-aerobic process was used to treat pharamceutical wastewater, the running results showed that this process has simple operation and a high efficiency of treatment, the quality of effluent meets The Wastewater Discharge Standard GB8978- 1996 . Keywords pharmaceuticalwastewater, air -floatation, hydrolytic acidification and contact oxidation ANALYSIS OF PRINCIPLE OF EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED REACTOR Jiang Han et al 19 Abstract It is analyzed that the structuralfeature, substrate metaboly and acid -alkali balance of the expandedgranular sludge bed EGSB reactor according to the flow state of the sludge bed, biochemical dynamics and system-matter balance. From which it is concluded that H A ratio and reflux ratio are the indicators of realizing a higher upflow speed of the reactor. The reflux causes the change in substrate metaboly of the reactor, which enhances the removal rate. The operation mode of EGSB plays a positive role in balancing the alkali degree and pH value of the system. Keywords EGSB, expansion rate, reflux ratio, upflow velocity, treatment efficiency , alkalinity and pH value TREATMENTOFELECTROPLATINGWASTEWATERBYCHEMICALOXIDATION - SEDIMENTATION PROCESSYuan Shoujun et al 22 Abstract Electroplating wastewater was treated by chemical oxidation -sedimentation process. The ffluent quality cons to the first -order criterion of GB8978 -1996. Combining engineering practice, the author gives some experience in design and debugging of the treatment engineering. The process features low cost, less sludge production, simple operation and small occupation of land. Keywords chemical oxidation, sedimentation, electroplating wastewater DECOLORIZATION PERANCE OF CATIONIC DYES WITH DIFFERENT MOLECULAR STRUCTURES BY AEROBIC ACTIVATED SLUDGELiu Zhengqin et al 24 Abstract Color removal effect of cationic dyes with different molecular structures by the acclimated activated sludge under aerobic conditions and different acetic acid concentrations was investigated in this paper. The experimental results showed that the dye removal of cationic dyes by 3 000 mg L aerobic sludge was high. The color removal of cationic red GTL, i. e. , isolated azo dyes and cationic blue 2 RL, i. e. , 2 -N hermicyanine, of 20 mg L was about 93 and 98, respectively. The increase of the sludge concentration had no prominent effect on the dye removal percentage. The color removal of cationic red 2 GL 2 -N heterocyclic hemicyanine dyes , cationic redGTL, cationic blue 2 RL and basic 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 3, Jun. , 2005