膨胀颗粒污泥床(egsb)反应器的研究进展

1、膨胀颗粒污泥床(EG S B 反应器的研究进展左剑恶王妍春陈浩(清华大学环境科学与工程系, 北京100084摘要:本文主要介绍了厌氧膨胀颗粒污泥床(EG S B 反应器的特性及研究进展。EG S B 反应器是在UAS B 反应器的基础上发展起来的第三代厌氧生物反应器, 与UAS B 反应器相比, 它增加了出水再循环部分, 使得反应器内的液体上升流速远远高于UAS B 反应器, 污水和微生物之间的接触加强了, 正是由于这种独特的技术优势, 使得它可以用于多种有机污水的处理, 并且获得较高的处理效率。本文还展望了EG S B 反应器今后的发展前景。关键词:厌氧生物处理; EG S B 反应器; U

2、AS B 反应器; 颗粒污泥中图分类号:X 703, S21614文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2000 04-0003-06A R eview of Study Development on Exp anded G ranular Sludge B ed (EG SB R eactor /ZU O Jian 2e ; WANGYan 2chun ; CHEN H ao /(Dept . of E nviron . Sci . &E ng . , Tsinghu a U niversity , B eijing , 100084, P . R . China Abstr

3、act :In this paper ,the characteristics of Expanded G ranular S ludge Bed (EG S B reactor and its recent research achicve 2ments were reviewed. EG S B reactor is the third generation of anaerobic biological reactor developed on the base of UAS B reac 2tor. C om pared with UAS B reactor ,effluent cir

4、culation is applied in EG S B reactor , s o that the liquid upfolw velocity is much higher ,and the contact between wastewater and microorganisms are much m ore strengthened. Relying on this unique technical advantage ,it could be applied to treat many kinds of organic wastewater and high COD rem ov

5、al efficiencies could be obtained. The future development of EG S B reactor was als o prospected in this paper.K eyw ords :anaerobic biological treatment ; EG S B reactor ; UAS B reactor ; granular sludge二十世纪六、七十年代以后, 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, 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

6、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 、升流式厌氧污泥床(UAS B 反应器、厌氧附着膜膨胀床(AFFE B 及厌氧流化床(AF B 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来稿日期:2000-06-08修回日期:2000-08-31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

7、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,EG S B 反应器就是在UAS B 反应器的基础上发展起来的新一代更高效的厌氧反应器。本文将首先介绍EG S B 反应器的产生背景、结构特征与工作原理, 随后将重点介绍EG S B 反应器在处理各种废水时的研究应用情况, 并展望其在我国的应用前景。1EG S B 反应器的产生背景及其特征1111EG S B 反应器的产生背景1976年荷兰Wageningen 农业大学由Let 2tinga 教授领导的

8、研究小组开始研究采用UAS B 反应器来厌氧处理生活污水。1981年Lettinga 等人1研究在常温下(荷兰, 夏季1520, 冬季69UAS B 反应器处理生活污水的情况, 反应器的容积为120L , 在温度为1218,HRT 为48h 情况下,C OD 总去除率为45%75%。随后, 他们按比例扩大设计了6m 3和20m 3 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 等人2利用示踪剂对此进行

9、了试验, 其结果也证实了这一点。在利用UAS B 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UAS B 反应器进行改进。Lettinga 等人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(V up 。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Let 2tinga 等人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

10、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膨胀颗粒污泥床(Expanded G ranular Sludge Bed , 简称EG S B 反应器。1121EG S B 反应器的结构特征与工作原理EG S B 反应器是对UAS B 反应器的改进, 与UAS 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UAS B 反应器中, 水力上升流速V up 一般小于1m h , 污泥床更象一个静止床, 而EG S B 反应器通过采用出水循环, 其V up 一般可达到510m h ,所以整个颗粒污泥床是膨胀的。EG

11、 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20或更高。因此对于相同容积的反应器而言, EG S B 反应器的占地面积大为减少。除反应器主体外,EG 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, 其结构图如图1所示。图1EG S B 反应器结构示意图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UAS B 反应器相比,EG 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

12、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UAS B 反应器相比,EG 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3:11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;21采用筛鼓或细格栅, 可以截留细小颗粒污泥;31在反应器内设置搅拌器, 使气泡与颗粒污泥分离;41在出水堰处设置挡板, 以截留颗粒污泥。出水循环部分是EG S B 反应器不同于UAS 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,

13、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。2反应器的研究现状2111处理低温低浓度污水自从EG S B 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。EG 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

14、有很大的优势。K ato 等人3曾采用两个22515L 的EG S B 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318mgO 2L -1的环境下运行。R1和R2在不同的HRT (015211h 、有机负荷率(O LR (3193124gC OD L -1d -1的情况下,处理进水浓度为127675mgC OD L -1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EG S B 反应器的运行没有明显影响。另外, 当控制V up 在215515m h -1范围内时,

15、 只要选择适当的O LR , 当进水浓度为500700mgC OD L -1甚至100200mgC OD L -1时, 反应器的去除率均能达到90%以上。Last 和Lettinga 4采用120L 的EG 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116L , 反应区直径为0119m , 高度为4. 0m , 接种颗粒污泥取自处理造纸废水的生产性UAS B 反应器。结果表明,EG 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13条件下, 当HRT 大于315h , 容积负荷大于217kg m -3d -1时, 可溶性C OD 去

16、除率及总C OD 去除率分别为51%和34%, 而在HRT 为2h 和115h 时, 可溶性C OD 的去除率分别为45%和32%。Rebac 等人5对低温(1320条件下EG S B 反应器处理麦芽发酵废水进行了中试研究, 其EG S B 反应器的内径为012m , 高715m , 总容积为22515L , 接种污泥为760m 3UAS B 反应器(2024内的颗粒污泥。麦芽污水的C OD 为2821436mg L -1, 其中可厌氧生物降解部分占73%。当反应器在16情况下运行时, 采用214h 的HRT 和4148. 8kg C OD m -3d -1的O LR ,C OD 平均去除率约

17、为56%; 当反应器在20情况下运行时,HRT 分别为214h 和115h 、O LR 分别为818kgC OD m -3d -1和1416kgC OD m -3d -1时, C OD 去除率分别为66%和72%。以上研究结果都表明了EG S B 反应器处理低温低浓度污水是可行的。2121处理中、高浓度污水EG S B 反应器在处理低温低浓度污水方面有着UAS B 反应器不可比拟的优越性, 但是并不意味着它只局限于此, 由于它能承受的负荷(最高可达30kgC OD m -3d -1比UAS B 反应器的(一般为10kgC OD m -3d -1高得多, 无疑它具有强大的优势。实践证明, 对于中

18、、高浓度污水, EG S B 反应器同样能获得良好的效果。德国建的第一座EG S B 反应器就是处理土豆废水的6, 土豆加工过程中产生的污水含有高浓度的可生物降解物质。该反应器高度为14m , 体积为750m 3。反应器进水C OD 浓度为3500mg L -1, 其去除率可以达到70%85%, 沼气中甲烷的含量达到80%。荷兰Peka K roef 污水处理厂采用EG S B 反应器处理土豆和蔬菜加工过程中产生的高浓度污水7。Nunez 等人8研究了中温(35 条件下EG S B 反应器处理屠宰场废水的情况, 屠宰场废水含有大量可生物降解有机物, 其总C OD浓度为14404200mg L

19、-1, 其中可溶解部分占40%60%, 不可溶解物质包括悬浮物和胶体, 例如脂肪、蛋白质和纤维素, 它们在厌氧反应器中降解很慢, 悬浮固体的积累会影响污泥的比产甲烷活性, 在高有机负荷率时反应器的运行将受到限制。Nunez 等人试验所用的反应器内径为01044m , 高114m , 总容积为217L 。在有机负荷为15kgC OD m -3d -1,HRT 为5h 的运行条件下,C OD 去除率达到67%, 总悬浮固体去除率为90%, 脂类去除率为85%, 在颗粒污泥上没有脂类物质的积累。他们将试验结果与其他研究人员的成果相比较发现, 当获得相似的C OD 去除率(70% 时, EG S B

20、反应器的容积负荷(15kg 2C OD m -3d -1比UAS B 反应器的(31511kg 2C OD m -3d -1高, 且HRT (012h 也比UAS B 反应器(013112h 短。2131处理含硫酸盐废水含硫酸盐废水的厌氧生物处理是近年来的一个重要课题, 味精、糖蜜酒精及青霉素等制药废水都含有大量的有机物和高浓度的硫酸盐。一般来说, 通过生物法从废水中去除硫酸盐可以分为两步:首先, 将硫酸盐在厌氧条件下还原为硫化物; 其次, 将硫化物氧化为单质硫并加以去除。在第一步硫酸盐还原过程中, 厌氧条件下硫酸盐还原菌(SRB 的生长和活动, 会对正常的厌氧消化过程产生很大的影响:一方面,

21、SRB 与产甲烷菌(MP B 相比, 二者具有类似的生长环境要求和基质利用特性, 因此可能导致对MP B 的基质竞争性抑制; 另一方面, 硫酸盐还原菌的代谢终产物硫化氢(H 2S 对厌氧细菌特别是产甲烷菌具有很强的毒害作用, 会导致它们活性降低, 甚至死亡。废水中C OD 与硫的比率(C OD S 以及反应器中的pH 值是控制这两方面影响的重要参数, 硫酸盐通过S BR 对MP B 的抑制主要取决于C OD S 的比值而非进水硫酸盐浓度, 而反应器中的pH 值则影响着溶液中硫化物所起抑制作用的程度。Dries 等人9110通过试验, 在以乙酸为基质的情况下采用EG S B 反应器对含硫酸盐废水

22、进行处理, 通过控制上述两个参数, 获得了较高的处理效果。试验在213L 的玻璃反应器内进行, 反应器启动后, 将C OD S 控制在212,pH 值控制为719±011。从试验开始起,逐渐改变进水流量、S O 2-42S 浓度以及硫酸盐负荷, 硫酸盐转化率及C OD 去除率分别为70%和90%左右; 尤其是当进水硫酸盐浓度为800mgS O 2-42S L -1, 负荷为1014gS O 2-42S L -1d -1时, 硫酸盐转化率和C OD 去除率分别高达94%和96%, 此时, 反应器内进水流量为2918±118L d -1, 循环流量为236L d -1, 液体上

23、升流速为5m h -1, 而水力停留时间为119±011h 。由此可见, EG S B 反应器在处理含硫酸盐废水方面具有极大的发展潜力。EG S B 反应器处理含硫酸盐工业废水的研究将是进一步发展的重点。214处理有毒性、难降解废水当废水中含有对微生物有毒害作用的物质或是难于生物降解的物质时, 采用传统的厌氧反应器或UAS B 反应器都很难获得较好的效果。由于EG S B 反应器具有很高的出水循环比率, 它可以将原水中毒性物质的浓度稀释到微生物可以承受的程度, 从而保证反应器中的微生物能良好生长; 同时还由于反应器中液体上升流速大, 废水与微生物之间能够充分接触, 可以促进微生物降解

24、基质。因此, 采用EG S B 反应器处理毒性或难降解的废水可以获得较好的效果。Calidic Europoort 是荷兰的一座化工厂, 该厂以甲醇为原材料生产甲醛。由于缺少地皮, 厂里最终采用了以Biobed R EG S B 作为主要处理单元的废水处理工艺, 该反应器采用外置循环水流, 循环出水先进调节池, 与原水稀释后被泵入反应器。该厂原废水C OD 为40000mg L -1, 其中甲醛为10000mg L -1, 甲醇为20000mg L -1, 甲醛和甲醇在高浓度下对微生物具有很强的毒性。反应器的进水流量为5m 3h -1, 循环流量为145m 3h -1, 原水被稀释了30倍,

25、这时甲醇和甲醛的浓度不再对甲烷菌具有毒性(甲醛<500mg L -1, 甲醇<800mg L -1,Bioded R EG S B 反应器可以正常运行, 且其处理效果极好。反应器在HRT 为118h , 上升流速为914m h-1、容积负荷为17kgC OD m -3d -1的运行条件下, 出水中C OD浓度从未超过800mg L -1,C OD 的去除率高于98%, 出水中甲醇和甲醛的浓度平均为20mg L-1, 去除率高达9918%11112。脂类是一种难生物降解的物质, 一般来说厌氧降解脂类可以分为三个阶段:11脂类水解为长链脂肪酸(LCFA 和乙醇; 21LCFA 和乙醇降

26、解为乙酸、H 2和C O 2; 31乙酸、H 2和C O 2转化为CH 4。其中第二步是限速步骤。Rinzema13采用EG S B 反应器处理月桂酸钠(C 120 和癸酸钠(C 100 废水, 均取得了很好的效果。当处理癸酸钠废水时, 采用1496倍的循环率, 反应器内液体上升流速可达712717m h-1, 运行35天后, 容积负荷即可增至3115kgC OD m -3d -1, 平均C OD 去除率可达91%; 当处理月桂酸钠废水时, 采用511倍的循环率, 液体循环流速达到10m h-1, 容积负荷可达到3114kgC OD m -3d-1, 平均83%的C OD 可被去除。然而在实际

27、LCFA 废水中, 月桂酸及癸酸的含量很小, 油酸(C 181 所占的比重很大(80% , 有研究结果表明, EG S B 反应器并不适合处理这类废水。H wu 等人14在高温(55 和中温(30 条件下研究水力学、温度和共存基质对EG S B 反应器处理这类废水的影响。当仅以LCFA 为基质时, 采用较高的温度,C OD 去除率也较高, 同时随着V up 的增大,C OD 去除率减小, 特别当V up 升至4m h-1时, 大量颗粒污泥被冲出反应器, 因此几乎对C OD 没有去除。加入乙酸盐、蔗糖等易生物降解的共存基质后, C OD 去除率(82%89% 增加了, 但是随着V up 值由11

28、0m h -1变化至712m h-1, 中温情况下, 转化为甲烷的比率由70%降为53%; 在高温情况下, 其比率由70%降为39%。可见,EG S B 反应器的高V up 值特征对处理这类废水并无益处。3EG S B 反应器颗粒污泥的特征颗粒污泥是EG S B 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。Rebac 等人5的研究表明, 当利用EG S B 反应器处理低温低浓度麦芽污水时, 随着反应器的运行

29、, 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111mm 2. 1mm 范围内; 随着反应的进行, 颗粒粒径分布范围更宽, 大都分布在019mm 2. 7mm 之间, 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113mm 2. 7mm 范围内。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117mm 1. 9mm 的小粒径污泥, 而下部则为213mm 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

30、%。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(Metha 2nosaeto 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%, 这与周琪在利用UAS B 反应器处理生活污水过程中所观察到的结果相同15。然而在UAS B 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K s 值较低, 在乙酸浓度低时, 它们能与其它利用乙

31、酸的产甲烷菌相互竞争, 其中毛状菌8 中国沼气 China Biogas 2000 ,18 ( 4 actorJ 1Wat . Sci . Tech. ,1999 ,40 (8 :99 1 106 属菌种对乙酸的 Ks 值比甲烷八叠球菌属菌 16 种之值低 510 倍 。 4 发展前景 9 Dries J ,et al . High rate biological treatment of sulfate - rich wastewater in an acetate - fed EGSB reactor J 1Biodegrad2 ation ,1998 ,9 :103 1 111 3031

32、 34 (5 :375 1 6 381 19931 75 1 81 203 1 210 in mesophilic ethanol - fed expanded - granular - sludge R EGSB reactorJ . Wat . Sci . Tech. ,1996 , tor :the Biobed 10 Smul , et al . High rates of microbial sulphate reduction De 在我国 ,由于城市人口的急剧膨胀和国 民经济的飞速发展 , 城市生活污水和工业废 水的总量也迅速增加 。为了达到可持续性发 展的要求 ,我们必须不断地

33、开发和利用新型 高效的反应器 。在过去的十多年中 ,UASB 反 应器已经发挥了重要的作用 ,而作为对 UASB 反应器改进的 EGSB 反应器 , 在处理低温低 浓度的污水以及高浓度或有毒性工业废水方 面有着别的厌氧反应器所不可比拟的优势 , 处理范围更广 ; 更为关键的是 , EGSB 可以采 用较大的高径比 , 占地面积更小 , 投资更省 , 在相同的费用下 ,它必将受到青睐 ,因而更具 有市场竞争力 。可以说 ,EGSB 反应器应该具 有很高的推广价值和广阔的应用前景 。 参考文献 : 1 Lettinga G, et al . Anaerobia treatment of sewag

34、e and low rdam : Elsevier Biomedical Press , 1981. 271 291. strength wastewater , Proc. Anaerobic Digestion C 1Amste2 ic conditions J . J . Chem. Tech. Biotechnol . , 1997 , 68 : 135 1 146 wastewater in a pilot2scale EGSB system under psychrophil2 wastewater in an expanded granular sludge bed ( EGSB

35、 re industryJ 1Wat . Sci . Tech. ,1999 ,40 (1 :305 1 312 anaerobic aerobic treatment plants in the food and beverage 11 outberg G R Frankin R. Anaerobic treatment of chemical Z 2 de Man ,et al . Anaerobic treatment of municipal wastewater ology C . Amsterdam. 1986. 451 1 466 University ,1994. 3 Kato

36、 M T. The anaerobic treatment of low strength soluble wastewaters D 1The Netherlands : Wageningen Agricultural 4 der Last A R M ,Lettinga G. Anaerobic treatment of do2 van ing upfolw reactors at increased superficial velocities J 5 Rebac S , et al . High2rate anaerobic treatment of malting 6 Austerm

37、ann2Haun U , et al . , Full scale experiences with 8 Nunez L A , et al . Anaerobic treatment of slaughterhouse wasterwaterJ 1Wat . Sci . Tech. ,1999 ,40 (1 :297 1 304 7 outberg G R ,et al . Anaerobic treatment of potato processing Z mestic sewage under moderate climatic (Dutch conditions us2 1Wat . Sci . Tech. ,1992 ,25 (7 :167 178. at low temperatures , Anaerobic treatment ,a grown2up techn2