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摘 要：两相厌氧技术与复合厌氧工艺的发展，使得低温（低于20℃）厌氧处理低浓度生活污水成为可能。设计了以上流式厌氧污泥床和滤层反应器为主体，添加污泥回流装置的两相复合厌氧处理新工艺，在室温（16℃～18℃）下处理生活污水。该两相复合厌氧处理工艺大大缩短了常规两相厌氧工艺的启动时间。
关键词：环境工程;生活污水;污泥回流;上流式厌氧污泥床+滤层反应器;低温
1 设计原理
1.1 厌氧工艺处理污水的影响因素
厌氧工艺像其他生物处理工艺一样依赖于温度，温度下降使微生物的比生长速率和底物利用速率降低。厌氧共生体中产甲烷菌比产酸菌对温度更为敏感，低温时产酸菌的产酸速率快于甲烷菌将有机酸转化为甲烷的速率，容易导致代谢失衡，使反应失败。厌氧工艺的处理效率，除了受温度影响很大外，还与处理对象的有机物浓度有很大关系。当废水中有机物浓度很低时，反应装置内的底物浓度就低，根据Monod动力学方程，此时实际污泥活性远低于最佳值。
1.2 新型厌氧处理工艺的特点和不足
以UASB、AF为主的第2代厌氧处理工艺的出现，分离了固体停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT），使得反应器的SRT较长，大大提高了反应器的处理效率，但是这些工艺主要用于处理高浓度工业废水，在低温条件下处理生活污水时效果往往不理想。20世纪90年代初，国外相继开发了以UBF、EGSB等为典型代表的第3代厌氧反应器，这类反应器的共同特点是：微生物均以颗粒污泥固定化的方式存在于反应器中，使反应器单位容积的生物量更高，能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能;具有较大的高径比，占地面积少。UBF工艺由UASB和AF组成，反应器的下部是高浓度的颗粒污泥，上部是由填料及附着的生物膜组成的滤料层，二者的结合很大程度上提高了反应器的有效容积，降低了污泥的流失，提高了处理效率。目前国内的UBF反应器，主要用于处理高浓度工业废水，未见用于低浓度生活污水的处理。由于其在工业废水治理方面取得显著成效，本次设计选用UBF反应器作为主反应器。
1.3 厌氧处理工艺的改进
基于UBF工艺可以有效防止污泥流失，提高装置有效容积，EGSB可以显著提高反应器内底物与污泥的传质效果。把这两种工艺进行组合，尝试在低温条件下处理低浓度生活污水。本设计以UBF为主体反应器，增加了回流工艺。不同于EGSB的是，回流工艺不采用污水回流，而采用污泥回流。这是为了避免回流水稀释低浓度的原水，使进水有机负荷更低，污泥活性变差，最终导致实验失败。传统的厌氧处理工艺，产酸与产甲烷过程在一起发生，彼此之间存在负面影响，而且产甲烷菌比产酸菌对温度更为敏感，低温时产酸菌产酸速率快于甲烷菌将有机酸转化为甲烷的速度，容易導致代谢失衡，影响处理效果。
2 厌氧反应器的研究
2.1 UASB反应器
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，HRT为16h，COD有机污泥负荷（SLR）为2～10kg/（kg·d）时，去除效率比较稳定，COD去除率达49%～80%。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。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%。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COD去除率在80%以上。
2.2 EGSB反应器
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4.18L。当温度控制在15℃以上时，COD去除率可达90%;在11℃条件下，当HRT从3.5h增至5.7h时，COD去除率从76%增至81%。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。
2.3 ABR反应器
ABR是P.L.McCarty等人于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。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150～850mg/L的污水时，COD去除率达50%～95%;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。
2.4 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。张代钧等人将EGSB和曝气生物滤池（BAF）集成，EGSB出水进入BAF进行短程硝化，系统地处理氨氮浓度为50mg/L、COD为500mg/L的合成废水，结果表明：当外回流比为200%时，系统COD、氨氮和TN的去除率分别为92.4%、97.4%和80.6%。王凯军等进行了低温下水解型上流式厌氧反应器（HUSB+EGSB）串联工艺处理生活污水的研究，进水COD为300～700mg/L、HRT为6h、温度>15℃时，总COD和SS去除率分别为71%和83%;在温度为12℃时，总COD和SS去除率分别为51%和76%。Elmitwalli等人用厌氧生物滤池（AF）+厌氧组合式反应器（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℃，黑水和厨房废水的COD去除率都达到90%以上。
3 结束语
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。
参考文献
[1]仲海涛，胡勇有，田静.废水低温厌氧处理技术科技信息综述，2011，30（2）：98-110.
[2]贺延龄.废水的厌氧生物处理.北京：中国轻工业出版社，2010.
关键词：环境工程;生活污水;污泥回流;上流式厌氧污泥床+滤层反应器;低温
1 设计原理
1.1 厌氧工艺处理污水的影响因素
厌氧工艺像其他生物处理工艺一样依赖于温度，温度下降使微生物的比生长速率和底物利用速率降低。厌氧共生体中产甲烷菌比产酸菌对温度更为敏感，低温时产酸菌的产酸速率快于甲烷菌将有机酸转化为甲烷的速率，容易导致代谢失衡，使反应失败。厌氧工艺的处理效率，除了受温度影响很大外，还与处理对象的有机物浓度有很大关系。当废水中有机物浓度很低时，反应装置内的底物浓度就低，根据Monod动力学方程，此时实际污泥活性远低于最佳值。
1.2 新型厌氧处理工艺的特点和不足
以UASB、AF为主的第2代厌氧处理工艺的出现，分离了固体停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT），使得反应器的SRT较长，大大提高了反应器的处理效率，但是这些工艺主要用于处理高浓度工业废水，在低温条件下处理生活污水时效果往往不理想。20世纪90年代初，国外相继开发了以UBF、EGSB等为典型代表的第3代厌氧反应器，这类反应器的共同特点是：微生物均以颗粒污泥固定化的方式存在于反应器中，使反应器单位容积的生物量更高，能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能;具有较大的高径比，占地面积少。UBF工艺由UASB和AF组成，反应器的下部是高浓度的颗粒污泥，上部是由填料及附着的生物膜组成的滤料层，二者的结合很大程度上提高了反应器的有效容积，降低了污泥的流失，提高了处理效率。目前国内的UBF反应器，主要用于处理高浓度工业废水，未见用于低浓度生活污水的处理。由于其在工业废水治理方面取得显著成效，本次设计选用UBF反应器作为主反应器。
1.3 厌氧处理工艺的改进
基于UBF工艺可以有效防止污泥流失，提高装置有效容积，EGSB可以显著提高反应器内底物与污泥的传质效果。把这两种工艺进行组合，尝试在低温条件下处理低浓度生活污水。本设计以UBF为主体反应器，增加了回流工艺。不同于EGSB的是，回流工艺不采用污水回流，而采用污泥回流。这是为了避免回流水稀释低浓度的原水，使进水有机负荷更低，污泥活性变差，最终导致实验失败。传统的厌氧处理工艺，产酸与产甲烷过程在一起发生，彼此之间存在负面影响，而且产甲烷菌比产酸菌对温度更为敏感，低温时产酸菌产酸速率快于甲烷菌将有机酸转化为甲烷的速度，容易導致代谢失衡，影响处理效果。
2 厌氧反应器的研究
2.1 UASB反应器
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，HRT为16h，COD有机污泥负荷（SLR）为2～10kg/（kg·d）时，去除效率比较稳定，COD去除率达49%～80%。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。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%。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COD去除率在80%以上。
2.2 EGSB反应器
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4.18L。当温度控制在15℃以上时，COD去除率可达90%;在11℃条件下，当HRT从3.5h增至5.7h时，COD去除率从76%增至81%。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。
2.3 ABR反应器
ABR是P.L.McCarty等人于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。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150～850mg/L的污水时，COD去除率达50%～95%;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。
2.4 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。张代钧等人将EGSB和曝气生物滤池（BAF）集成，EGSB出水进入BAF进行短程硝化，系统地处理氨氮浓度为50mg/L、COD为500mg/L的合成废水，结果表明：当外回流比为200%时，系统COD、氨氮和TN的去除率分别为92.4%、97.4%和80.6%。王凯军等进行了低温下水解型上流式厌氧反应器（HUSB+EGSB）串联工艺处理生活污水的研究，进水COD为300～700mg/L、HRT为6h、温度>15℃时，总COD和SS去除率分别为71%和83%;在温度为12℃时，总COD和SS去除率分别为51%和76%。Elmitwalli等人用厌氧生物滤池（AF）+厌氧组合式反应器（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℃，黑水和厨房废水的COD去除率都达到90%以上。
3 结束语
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。
参考文献
[1]仲海涛，胡勇有，田静.废水低温厌氧处理技术科技信息综述，2011，30（2）：98-110.
[2]贺延龄.废水的厌氧生物处理.北京：中国轻工业出版社，2010.