低温厌氧生物处理生活污水研究进展.doc

姓名：任振杰 单位：后勤工程学院营房管理与环境工程系军事环境教研室 地址：重庆市沙坪坝区大学城后勤工程学院 邮编：401311电话：[phone]
低温厌氧生物处理生活污水研究进展 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008zx07315-001-6-2）；重庆市科技攻关计划项目（CSTC2007AB7032）；2009年军队科研计划项目“基于可再生能源利用污水处理系统研究”
作者简介：任振杰（1986-），男，河南商丘人，研究生，主要从事水污染治理技术研究。E-mail：renzhenjie123@
通讯作者：陈志莉（1971-），女，重庆人，教授，主要从事水处理理论与技术研究。E-mail：Chenzhili518@

任振杰1，陈志莉1，王文标1，欧阳琳1，
王靖喻1，肖 晓1，张万图2
（1.后勤工程学院营房管理与环境工程系，重庆 401311；
2.成都军区建筑设计院，成都 610015)
摘要：国内外研究表明，低温条件下（10～25℃），厌氧生物处理生活污水可以达到较好的效果。本文归纳了厌氧生物处理的特征与影响因素，着重介绍了低温和低浓度对厌氧生物处理的影响；总结了国内外主要厌氧反应器的研究现状，最后指出一体化两相厌氧反应器具有更加良好的特性，是一项很有吸引力的生活污水处理技术。
关键词：低温；生活污水；厌氧生物处理；两相一体化

Recent Achievements of Anaerobic Treatment of domestic sewage at low temperature
Ren Zhen-jie1,Chen Zhi-li1 ,Wang Wen-biao1, Ou Yang-lin1,
Wang Jing-yu1, Xiao Xiao1,Zhang Wan-tu2
(1．Department of Barracks Management and Environmental Engineering, Logistic Engineering College, Chongqing, 401311, China
2. Design Institute of Chengdu Military Region, Chengdu, 610015, China)
Abstract：Many domestic and foreign experts, results show that at low temperature (10 ~ 25 ℃), anaerobic treatment of domestic sewage could achieve very good results. This article summarized the characteristics and influent factors of anaerobic biological treatment，highlighting the impact of low temperature and low concentration on anaerobic biological treatment; and summarized the research status of anaerobic technology for domestic wastewater treatment at home and abroad, and finally pointed out that the integrated two-phase anaerobic reactor is very competitive for domestic wastewater treatment because of its more favorable characteristics.
Key words：Low temperature；Domestic sewage；Anaerobic treatment；Integrated two-phase

厌氧生物处理与好氧生物处理相比，具有造价低、占地小、能耗小、设备清理周期长、能回收能源等优点，是一种环保型、可持续的污水处理方式。目前国内厌氧生物处理技术在高浓度有机废水处理方面已经投入使用，但在低浓度废水特别是生活污水处理方面还处于科研阶段。生活污水属于复杂水，温度相对低（对于我国大部分地区的冬季），有机物浓度低，厌氧生物处理难以达到很好的效果。而高效厌氧反应器的开发以及颗粒污泥的引入，使得生活污水的厌氧处理成为可能。近年来，国内外许多专家已经对低温条件下厌氧生物处理生活污水进行了大量研究，结果表明，低温条件下（10～25℃）厌氧反应处理生活污水可以达到很好的效果[1] [2]。
1厌氧生物处理特征
与好氧生物处理相比较，厌氧生物处理的主要特征有[3] [4]：
（1）能量需求大大降低，还可产生能量。去除1kgCOD，好氧生物处理大约需消耗0.5～1.0kW·h电能,而厌氧生物处理大约能产生3.5kW·h电能。
（2）污泥产量极低。因为厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,去除每千克COD，好氧生物处理的污泥产量约为250～600g VSS；而厌氧生物处理的污泥产量仅为180～200gVSS。
（3）对温度、pH等环境因素更为敏感。如温度降至10℃以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下。而好氧微生物对温度的适应能力较强，在5℃以上的温度条件下均能较好地发挥作用。甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为小。
（4）出水有机物浓度一般高于好氧处理。
（5）厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解(或部分降解)。
（6）处理过程的反应较复杂，控制难度大。
（7）有一定的危险性。
2 生活污水厌氧生物处理的影响因素分析
厌氧生物处理对环境的要求比较严格。主要影响因素有温度、pH值、氧化还原电位、营养、食料\微生物比、有毒物质、搅拌等[5]。这些因素在以往实践中都做了很深入的研究，这里针对生活污水相对低温、低浓度的特性重点介绍一下温度和污水浓度对生活污水厌氧处理的影响。
2.1 温度的影响
温度是影响微生物生命活动最重要因素之一，其对厌氧微生物的影响尤为显著，因为温度直接影响厌氧微生物细胞内某些酶的活性从而影响微生物生化反应的速率，另外温度还可能影响剩余污泥的成分与性状。厌氧废水处理可分为低温（5～20℃）、中温（20～42℃）和高温（42～75℃）三类，三类不同温度运行区间的厌氧反应器内有着不同类型的微生物。研究表明：高温消化的反应速率约为中温消化的1.5～1.9倍，产气率也高，如图2.1所示，但气体中甲烷所占百分率却较中温消化低；中温要比低温的消化速率要高[6]。

图2.1 温度对产期量的影响
但在工程实践中，当然还应考虑经济因素，采用高温消化需要消耗较多的能量，还产生臭味，当处理废水量很大时，往往不宜采用。比较适宜的温度约为35℃，即中温消化，据研究报道消化污泥活性在中温35℃最高[5]。在能源日益紧缺的情况下要求我们尽量采用低温消化，即5～20℃。在低温条件下，污水的粘度变大使得污泥和水的接触程度会降低，产甲烷菌的活性也有所下降，产酸菌与产甲烷菌将失去代谢平衡，从而降低了厌氧处理的效果。
另外保持温度的恒定也至关重要，波动范围一般一天不宜超过2℃。据研究当有3℃的变化时，就会抑制消化速度，有5℃的急剧变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌氧消化[7]。随着各种新型高效厌氧反应器的开发，温度对厌氧消化的影响由于生物量的增加而变得不再显著。因此处理废水的厌氧消化反应常在常温条件(20～25℃)下进行，以节省能量的消耗和运行费用[8-11]。
2.2 生活污水浓度的影响
当污水中有机物浓度很低时，反应器内的底物浓度低。根据Monod微生物基质去除动力学方程，可知基质去除率与微生物浓度和基质浓度有关，当基质浓度很小时，去除率随微生物浓度和基质浓度的升高而升高。而生活废水污泥长期处于饥饿状态，实际污泥活性远低于最佳值。底物浓度低还使产气量减少，结果底物和污泥之间的接触传质作用较差，从而降低污染物的去除效果[5]。处理低浓度废水要求污泥的流失量要少，这就对反应器保留污泥的能力有很高的要求，另外对三相分离器的设计也有很高的要求。因此，生活污水厌氧反应器的设计体积一般受水力负荷限制，而不像处理中、高浓度废水那样受有机负荷限制[7]。
3生活污水厌氧反应器的研究进展
厌氧反应器的发展经历过三个阶段，第一代厌氧反应器，如化粪池和稳化池，主要用于处理生活废水下沉的污泥，特点是污泥龄等于水利停留时间；第二代反应器，如UASB实现了污泥龄与水力停留时间的分离，即HRT<SRT；第三代反应器，如IC和EGSB，提高了反应器传质的效率，扩展了其水力负荷和有机负荷的适应范围[5]。20世纪70年代以来，随着能源问题的日益突出，迫切需要开发高效节能的废水处理工艺，厌氧反应器得到了快速发展，国内外研究用于生活污水处理的主要厌氧工艺有UASB、EGSB、ASB、两相反应器等。
3.1 UASB反应器
升流式厌氧污泥层（UASB）反应器是荷兰学者Lettinga等人开发的，它的特点是通过上升的水流增加污泥的传质效率从而得到较好的去处效果。UASB反应器技术开发相对较早，国内外对UASB处理低浓度污水的研究取得了很好的效果。Grant S 和Lin K C.利用UASB反应器处理COD浓度为1400mg／L左右的牛肉膏配液，水处理系统在水温10℃左右，结果表明，水力停留时间(HRT)为16 h，COD有机污泥负荷(SLR)为2～10 kg／(kg .d)时，去除效率比较稳定，COD去除率达49％～80％[13]。梁海恬等人使用x1005和x1213菌株低温条件下进行UASB法处理猪场废水降解能力的测定。试验结果表明：x1005和x1213菌株对污水中COD的去除率分别为72.5 %和67.1%；对BOD的去除率分别为56.7%和49.3%[14]。芬兰的S. Luostarinen等人，在低温条件下（10～20℃），使用UASB厌氧现场处理人工黑水和奶牛场废水，黑水中COD去除率超过90%，奶牛场废水中CODt去除率在80%以上[15]。低温条件下产气率较低，UASB反应器内的混合受到很大限制，需要设置搅拌器或者气体回流[1]。
3.2 EGSB反应器
膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器是厌氧流化床与UASB反应器两种技术的成功结合。它是通过颗粒污泥床的膨胀以改善废水与微生物之间的接触，强化传质效果，以提高反应器的处理效率。国内EGSB反应器的微生物特性以及启动研究比较多，而研究处理效果的很少，初里冰等人应用与膜结合的EGSB反应器处理中、低温生活污水，EGSB反应器总容积为4.18 L。当温度控制在15℃以上时，COD去除率可达90％；在11℃条件下，当水力停留时间从3.5h增至5.7 h时，COD去除率从76％增至81％ [16]。国外的M.T．Kato和Lettinga. G等以乙醇为基质进行了EGSB反应器处理低温、低浓度废水的实验。在30℃下运行，当进水COD为100～700mg/L，COD去除率在80%～97%之间。M.T．Kato等人在温度30℃ 时用EGSB处理进水COD浓度为100～200mg／L的污水，去除率可达80％左右[17]。Lettinga G等处理COD浓度为300mg／L的城市污水，温度为9～11℃，HRT为2.1h，去除率为20～48%[18]。
3.3 ABR反应器
厌氧折流板反应器（ABR）是P.L.McCarty等人1982年研制的新型厌氧生物处理器，它具有很高的处理稳定性和容积利用率，不会发生堵塞和污泥膨胀而引起的污泥流失。ABR处理高浓度废水的研究较多，生活低浓度的较少。沈桢等人对ABR处理低浓度有机废水的启动方式进行了试验研究。结果表明: 固定HRT、逐步提高进水COD浓度的启动方式, 可使ABR反应器于90d内完成启动,但污泥颗粒比较松散；而固定进水COD 浓度、缩短HRT的启动方式, 49d就可使ABR对COD的去除率达到80%, 且污泥颗粒化程度较高[19]。沈耀良等对ABR处理低浓度废水的效果及运行特性进行了研究。试验在中温35℃，HRT为3～12h条件下处理进水COD浓度为150-850 mg／L的污水时，COD去除率达50％-95％；研究表明，该反应器处理低浓度废水时，不仅具有良好的处理效果，而且运行稳定[20]。国外的Alette A M Langenhoff等人对ABR处理低浓度污水的研究中得出，在HRT为10 h，温度35℃时，COD的去除率为95％；温度20℃时，COD的去除率为70％；降至温度为10℃，COD去除率下降至60％。温度35℃，HRT缩短到2.85 h，去除率可达到80％[21]。
3.4两相反应器
两相厌氧反应有时也称两步或者两阶段厌氧反应，是指两个厌氧反应器串联操作，它主要着重于工艺流程的改进。两相厌氧反应器的重点是如何实现两相的分离。张代钧等人[22]将膨胀颗粒污泥床(EGSB)和曝气生物滤池(BAF)集成，EGSB出水进入BAF进行短程硝化，系统地处理氨氮为50mg／L，COD为500 mg／L的合成废水，结果表明：当外回流比为200％时，系统COD 、氨氮和总氮的去除率分别为92.4％、97.4％和80.6％。王凯军等[23]进行低温下HUSB+EGSB串联工艺处理生活污水的研究,进水COD为300～700 mg/L，HRT为6 h ,温度>15℃，总COD和SS 去除率分别为71％和83％；在温度为12℃，总COD 和SS 去除率分别为51％和76％。Elmitwalli等人[24]用AF+AH的两级系统，COD的去除率较单级反应器均有提高，总COD去除率达到71%。芬兰的S. Luostarinen等人，利用两相的UASB反应器处理黑水和厨房废水，温度在10℃～20℃之间，黑水和厨房废水的COD去除率都达到90%以上[23]。浦跃武等人自行设计的一体化两相厌氧反应器处理猪场废水，对启动进行研究。在37℃下，通过交替增加进水COD浓度和缩短HRT来提高系统的VLR，采用动力学控制与pH值调节相结合的方法对产酸相和产甲烷相进行分离，经过68天的运行，系统COD去除率稳定在80%以上[26]。任南琪等人[27]开发了新型一体化两相反应器专利设备（专利号zl00206243.7）。它通过内部结构的优化实现了两相的分离，使两相厌氧工艺系统的产酸相和产甲烷相微生物群在同一反应器得让不同空间中发挥各自的降解作用，取得了良好的效果。一体化两相反应器如何很好实现相分离是决定其运行是否成功的关键因素，一般通过动力学控制与pH值调节来实现。
4结语
一体化两相厌氧反应器与其他厌氧反应器而言具有有机物去除能力强、启动时间较短、占地省、能耗低、运行稳定等特点，在能源危机的日益严重的今天，在我国一些气候适合的地区，无疑是一项很有吸引力的生活污水处理技术。但国内外对于一体化两相厌氧反应器的研究还很少，今后主要的研究方向是：如何更好的实现相分离；常温条件下厌氧反应器的快速启动；一体化两相厌氧反应器动力学和微生物学的研究；缩短水力停留时间，并进一步强化传质效率；与可再生能源相结合提高反应温度来提高反应器的处理效果，扩展厌氧反应的适应地区和适应时间；研究厌氧反应器出水的后续处理技术，以经济的组合实现达标排放[1] [9] [10] [28]。
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