厭氧膨脹顆粒污泥床反應器的國內研究與應用現狀

向心怡，陳小光，戴若彬，王玉，周偉竹，徐垚（東華大學環(huán)境科學與工程學院，國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技術中心，上海 201620）

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厭氧膨脹顆粒污泥床反應器的國內研究與應用現狀

向心怡，陳小光，戴若彬，王玉，周偉竹，徐垚
（東華大學環(huán)境科學與工程學院，國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技術中心，上海 201620）

摘要：厭氧膨脹顆粒污泥床（expanded granular sludge bed，EGSB）反應器作為第三代厭氧反應器的典型代表，相比于上流式厭氧污泥床（UASB）反應器具有更高的容積負荷和抗沖擊性能，且其還有占地小以及可產生沼氣能源等優(yōu)點，因而被廣泛應用于多種高濃度有機廢水處理。本文介紹了EGSB反應器的結構原理與運行流程；統計分析了近些年國內EGSB反應器的相關文獻及其由小試到工程化的發(fā)展歷程；概述了EGSB反應器在甲烷化、厭氧氨氧化（ANAMMOX）、生物制氫、同步脫氮除硫方面的研究進展；綜述了產甲烷EGSB反應器與生物膜法、序批式活性污泥法和傳統活性污泥法等工藝聯用的工程應用現狀，指出這些工藝均表現出良好的單體去除效果和較理想的整體去除效果，且EGSB反應器在與新興技術的耦合上也表現出較好的前景。

關鍵詞：厭氧膨脹顆粒污泥床反應器；第三代厭氧反應器；高濃度有機廢水；甲烷化；工藝耦合

第一作者：向心怡（1993—），女，研究方向為廢水生物處理及資源化。聯系人：陳小光，博士，副教授，主要從事廢水生物處理過程及設備的研究。E-mail cxg@dhu.edu.cn。

環(huán)保和能源問題是當今我國面臨的兩大難題[1]，而厭氧反應器隸屬環(huán)保和能源雙重領域，其在高濃度有機廢水治理和沼氣能源回收方面功不可沒。與傳統好氧生物處理相比，厭氧生物法不但容積有機負荷高，剩余污泥少，而且能耗低，還可產生大量沼氣能源[2]。因此，厭氧反應器技術在環(huán)保水處理領域倍受青睞。

厭氧膨脹顆粒污泥床（expanded granular sludge bed，EGSB）反應器是在上流式厭氧污泥床（up-flow anaerobic sludge bed，UASB）反應器基礎上發(fā)展起來的第三代厭氧反應器[3]。20世紀80年代初，荷蘭Wageingen農業(yè)大學的LETTINGA教授等[4]通過對傳統厭氧反應器增加三相分離器，實現了水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）的有效分離，從而發(fā)明了上流式厭氧污泥床反應器。雖然UASB反應器可持留大量的活性污泥，為其高效運行奠定了基礎，但是由于反應器內混合強度不夠，導致底部污泥超高負荷運行，從而抑制微生物的活性；另外，反應器內容易形成短流，極大地縮小了有效體積，影響處理效能。于是，LETTINGA等通過改變反應器高徑比、同時設置出水回流以增加上升流速，使顆粒污泥床層處于膨脹狀態(tài)，促進泥水混合、減少短流，從而開發(fā)了第三代高效厭氧反應器——EGSB反應器。

20世紀末期，EGSB反應器的研究如雨后春筍。據文獻報道[5]，截止2001年，世界上已有300余座EGSB反應器在啤酒、造紙、淀粉、化工、酒精等高濃度工業(yè)廢水處理中得到了廣泛應用。截止2011年，世界上EGSB反應器的工程數量至少增長了5倍，達1500座以上。盡管2011年以后本文作者尚未查閱到相關工程應用數據，但是可以預測：EGSB反應器作為第三代厭氧反應器的典型代表，其工程應用的數量增長與日俱增。鑒于國內EGSB反應器的廣泛研究與應用，且近年來尚缺乏有關于其的全面性綜述，故本文著重對EGSB反應器國內的研究和應用現狀作了較為全面的梳理，以饗同行。

1　EGSB結構原理

EGSB反應器由布水區(qū)（Ⅰ）、反應區(qū)（Ⅱ）、分離區(qū)（Ⅲ）和循環(huán)區(qū)（Ⅳ）四部分組成。EGSB反應器運行時，進水與回流水混合一起進入布水區(qū)，通過布水系統均勻地分配到反應器底部，產生較高的上升流速（一般為3～7m/h[6]，也有文獻報道，Biothane公司專利產品Biobed?EGSB反應器在穩(wěn)定運行的情況下能達到10～15m/h[7]），使廢水與顆粒污泥充分接觸，在反應區(qū)有機物被降解，產生沼氣能源?；旌系臍?、液、固三相在分離區(qū)內通過三相分離器進行混合液脫氣與固液分離，部分沉降性能較好的污泥自然回落到污泥床層上，出水夾帶部分沉降性較差的污泥洗出反應器，沼氣繼續(xù)向上流動進入集氣室后排出反應器，一部分出水經循環(huán)回流至反應器底部與廢水混合，有稀釋進水與回收堿度的作用。其典型結構原理如圖1所示。

圖1　EGSB反應器結構示意

2　文獻統計

基于《中國期刊CNKI全文數據庫》電子資源，本文作者查閱了自1998—2014年間發(fā)表的關于EGSB反應器的近600篇文獻和《中國優(yōu)秀碩博士學位論文全文數據庫》，對EGSB反應器的文獻種類和分布進行了研究。

我國對EGSB反應器的研究自20世紀90年代開始，第一篇提到了EGSB反應器的文獻是在1993 年[8]，至今已有二十余年。圖2總結了自1998年來發(fā)表在中文期刊上有關EGSB反應器的研究和應用論文數量，可見：一是從1998—2008年的十年間，EGSB反應器的研究逐年遞增，論文數量由2篇增至57篇，增長了27.5倍，并在2010年達到了高峰，達61篇；二是在綜述類論文中，雖然大多都是在講到厭氧反應器中提到了EGSB反應器，但并沒有對它進行更加詳實的總結，專門針對工程應用方面的論文寥寥無幾。

與許多化工反應器相似，EGSB反應器在工程化的道路上歷經了小試與中試階段。由圖3可見，在1998—2008年的十年間，實驗室規(guī)模的研究論文隨著總論文數增長而增長，之后一直維持在較高水平；其中，在2002年之前，EGSB反應器的論文主要集中在實驗室研究階段；而進入2003年后，關于EGSB反應器的論文有從小試轉向中試的趨勢，并相繼出現工程化應用；在2008年后，工程化應用的論文整個占比明顯增多，由2008年前的每年不超過4篇提升至平均每年9篇左右（平均年占比為18%），它昭示了隨著行業(yè)需要的不斷攀升和EGSB反應器技術的日臻成熟，許多工業(yè)廢水的處理站設計中都有著EGSB反應器的身影。如2013年工程案例就有13例，占比高達26%；而2012—2014年的平均年占比也有23%。這些數據都表明其在我國許多工業(yè)廢水處理工程領域已占據一席之地。

圖2　按年代序列的中文EGSB反應器文獻類別分布

圖3　按年代序列的中文EGSB反應器研究類別分布

3　研究現狀

就處理對象而言，近年對EGSB反應器研究和應用不再局限于對高濃度有機廢水的甲烷化治理，還拓展至高氨氮和含硫廢水的厭氧氨氧化（ANAMMOX）、生物制氫、同步脫氮除硫等較新穎的領域。根據文獻調研（圖4），在2005—2014年間我國發(fā)表的產甲烷化研究的論文占88%，而厭氧氨氧化、生物制氫、同步脫氮除硫的研究分別則占了9%、2%和1%。這一數據表明，關于厭氧氨氧化、生物制氫、同步脫氮除硫的研究有利于推動EGSB反應器的縱深發(fā)展。

圖4　國內EGSB反應器實驗室研究領域分布

3.1甲烷化

甲烷化過程的實質就是厭氧微生物新陳代謝的過程。在水解酶的作用下，復雜有機物被轉化為較為簡單的有機物，而后經過產酸菌、產氫產乙酸菌、產甲烷菌最終分解為甲烷[9]。歷經四十年的發(fā)展，產甲烷高效厭氧反應器已在全世界范圍內得到了廣泛的應用[3]。近些年，對其的研究集中在反應器構型的優(yōu)化及厭氧顆粒污泥的機理研究等[10]。本文作者認為構型優(yōu)化仍是未來幾年內的重要方向，以進一步提升反應器的容積效能及適應更加復雜的廢水。

張瑞等[11]研究了城市垃圾焚燒滲瀝液中Ca2+對EGSB反應器處理效能的影響，研究發(fā)現在一定的COD進水下，Ca2+濃度對產甲烷活性的作用是低促高抑的；同時進水Ca2+濃度6000mg/L以下時，COD去除率能高于93%。

蔣柱武等[12]對高溫EGSB反應器處理木薯酒精廢水進行了研究，發(fā)現高溫條件下（55℃），有機負荷OLR在10～14kgCOD/(m3·d)的范圍內，EGSB反應器處理效果好，平均去除率達到90.3%。一般而言，EGSB反應器的沼氣產量隨負荷的增加而以較快的速率增長，當OLR達到最大為24kgCOD/(m3·d)時，沼氣轉化量為0.315m3/kgCOD（標況）。同樣的，華文強等[13]研究了基于PVA顆粒污泥的EGSB反應器處理高濃度乙二醇廢水，溫度保持在30℃，當OLR最大為14.5kgCOD/(m3·d)時，產氣量為17L/d，沼氣轉化量達到0.24m3/ kgCOD。

實驗中的沼氣轉化量均低于理論值0.35m3/kgCOD（標況）[14]，分析是由于降解的COD雖然大部分用于轉化成沼氣，仍有小部分用于微生物自身的新陳代謝和增殖。

3.2厭氧氨氧化

厭氧氨氧化即以NO2?為電子受體，以NH4+為電子供體，在ANAMMOX菌內厭氧氨氧化體（anammoxosome，含有羥胺和聯氨氧化還原酶）的代謝作用下，生成N2和H2O的脫氮過程[15]。據報道，厭氧氨氧化可被應用于糞便消化液[16]、尿液[17]、制藥廢水[18]的處理，并且最近有研究表明其可在市政污水處理中發(fā)揮作用。相比于傳統的脫氮技術，厭氧氨氧化具有相對較高的容積脫氮負荷，TANG等[19]研究發(fā)現ANAMMOX的總氮容積負荷率可達76.7kgN/(m3·d)，而傳統的脫氮技術一般為2kgN/(m3·d)以下。

CHEN等[20]研究了Anammox-EGSB反應器的性能，試驗表明在總氮容積負荷率23.71kgN/(m3·d)和總氮容積負荷去除率25.86kgN/(m3·d)時，出水氨氮濃度為11.9mg/L，總氮去除效率94.68%，氨氮、亞硝酸鹽氮、總氮的轉化率qmax分別為907.13mgN/(gVSS·d)、841.76mgN/(gVSS·d)、1810.10mgN/(gVSS·d)，半飽和常數Ks分別為2.69mgN/L、0.44mgN/L、3.11mgN/L。WANG等[21]在以處理啤酒廢水的厭氧污泥為接種物啟動EGSB反應器結束后，出現了ANAMMOX反應。在進水氨氮濃度為70～250mg/L時，氨氮去除率達40%；在進水亞硝氮濃度在70～250mg/L時，亞硝氮去除率可達98%，此時進水COD濃度為500mg/L，COD去除率為84%。

耿亮等[22]研究了EGSB反應器處理城市污水的工藝特性，在常溫穩(wěn)定運行的狀態(tài)下，COD平均去除率為66.6%，氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的平均去除率均能達到90%以上，系統表現出明顯的厭氧氨氧化性能。

試驗表明，ANAMMOX-EGSB反應器能表現出較好的脫氮性能，報道的總氮容積負荷率為25kgN/(m3·d)左右，但根據TANG等[19]的研究，UASB-ANAMMOX可達77kgN/(m3·d)左右的負荷，而EGSB反應器作為更優(yōu)的反應器構型，EGSB-ANAMMOX的總氮去除負荷率應還有較大提升空間。

3.3生物制氫

在厭氧反應器中的生物制氫的實質是暗發(fā)酵生物制氫，是指在無需光能的條件下，厭氧發(fā)酵產氫細菌利用甲酸分解、丙酮酸脫羥基與NADP/NAD平衡調節(jié)來將有機物分解成氫氣的過程[23]。目前，對于生物制氫的研究領域主要集中在高效產氫菌種的選育，生物制氫工藝形式、運行與調控的研究幾個方面，并于近二十年內取得了較大的進展。但其研究還存在一些問題，例如在厭氧發(fā)酵過程中產生的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）會抑制產氫量，且低成本底物的開發(fā)等問題都限制了其發(fā)展[23]。

劉沙等[24]研究了以紅糖為底物的EGSB反應器連續(xù)發(fā)酵制氫性能，發(fā)現在OLR為97.2kgCOD/(m3·d)、HRT為2h時可獲得最大產氫速率5.73L/(L·d)，此時的氫氣含量為48.44%，證明了紅糖作為底物的可行性。

郭婉茜等[25]以CSTR與EGSB反應器對比，研究了兩者的運行及產氫性能。在中溫下，EGSB反應器的最佳OLR范圍在70～80 kgCOD/(m3·d)，可達到最大產氫速率18.0L/(L·d)，遠遠高于CSTR反應器的25～35kgCOD/(m3·d)的有機負荷與6.21L/(L·d)的最大產氣速率。張露思等[26]也將添加粉末活性炭作為晶核載體的EGSB反應器R1與未添加載體的EGSB反應器R2對比，研究其顆粒形成及產氫影響，發(fā)現R1形成顆粒明顯多于R2，且在OLR 22 kgCOD/(m3·d)時，R1的平均產氫速率為5.04 L/(L·d)，而R2只有2.35 L/(L·d)，表明添加活性炭對于產氫顆粒污泥的形成十分有效。

相比于甲烷來說，氫氣是一種更加新型環(huán)保的能源。但是目前的EGSB反應器耦合生物制氫還僅僅局限于實驗室研究階段，且大多數以乙醇型發(fā)酵為主。

3.4同步脫氮除硫

同步厭氧生物脫氮除硫是指在缺氧條件下，脫氮硫桿菌、脫氮硫微螺菌等化能自養(yǎng)型硫細菌在代謝過程中，以硝酸鹽為電子受體來氧化硫化物[27]，從而達到對氮、硫兩種污染物同時去除的效果。同步脫氮除硫的概念于2004年由王愛杰等[28]提出，而其已被探明的關鍵影響因素包括硫化物濃度與S/N比[29]，但于連續(xù)流反應器中的工藝條件和深入性的機理研究豐度和廣度仍舊欠缺。

CHEN等[30]進行了EGSB反應器高效同步脫氮除硫的研究，硫化物去除率可達97%，容積硫化物去除率4.8kgS/(m3·d)；硝酸鹽氮去除率92%，容積硝酸鹽去除率2.6kgS/(m3·d)。

目前，同步脫氮除硫仍是較為前沿的技術，從應用價值方面來考慮，對其深入研究仍然十分有必要。

4　應用現狀

目前，EGSB反應器工程上大多數是產甲烷反應器，厭氧氨氧化[31]、生物制氫[23]雖已有應用報道，但與EGSB反應器耦合的案例卻寥寥無幾。目前，EGSB反應器通過與其他工藝有機耦合，被廣泛用于處理制藥廢水、畜禽廢水、淀粉及糖類廢水、造紙廢水、酒類廢水等高濃度有機廢水的處理中，以實現廢水的達標排放。近年來，與EGSB耦合的工藝主要有生物膜法、序批式活性污泥法和傳統活性污泥法等。

4.1水解酸化-EGSB-生物膜法

水解酸化可將溶解性有機物轉化為非溶解性有機物，有效提高了廢水的可生化性，為后續(xù)EGSB反應器提供基質底物，而后續(xù)的生物膜法更進一步脫碳，保證了出水的達標。采用水解酸化-EGSB-生物膜工藝動力消耗低，且EGSB反應器產生沼氣可回用，節(jié)約能源。表1列舉了其工藝的工程應用現狀。

表1　水解酸化-EGSB-生物膜工藝工程應用現狀

由表1可見，該工藝組合適合處理啤酒、豬場等B/C比較高的廢水，處理COD值為2000～5000mg/L（個別生化性好的廢水COD值也可高達60000mg/L）。在該組合工藝中，EGSB主要目的是降解COD，減輕后續(xù)生物膜單元負荷，處理單元容積負荷為4～20kgCOD/(m3·d)， COD的去除率多在70%～80%左右。

4.2EGSB-序批式活性污泥法

EGSB反應器有著高徑比大的特點，與序批式活性污泥法（SBR/CASS）相同具有占地面積小的優(yōu)點。將EGSB反應器與SBR/CASS工藝聯合，可以解決一些廢水處理廠土地緊張難題。同時該工藝組合具有較好的脫氮除磷效果。表2列舉了EGSB-CASS/SBR工藝聯用的工程應用現狀。

由表2可見，該工藝處理廢水明顯水質波動較大，COD濃度波動最高可達20000mg/L，而總COD去除率仍然能保持在90%以上，說明EGSB-序批式活性污泥法抗沖擊負荷能力強。其中，氨氮去除效率最高能達到94%[51]，最低也有83.5%[48]，表明該工藝較好的氨氮去除效率。且相較于EGSB-生物膜工藝而言，該工藝處理COD濃度高（平均為10000mg/L以上），EGSB單元COD去除率高（多數大于80%），容積負荷多在10kgCOD/(m3·d)以上。

表2　EGSB-序批式活性污泥法工藝工程應用現狀

4.3EGSB-傳統活性污泥法

傳統活性污泥法已普遍應用于廢水的脫氮除磷，如A/O工藝、氧化溝工藝等。由于傳統活性污泥法較為穩(wěn)定，EGSB反應器與之聯用處理的廢水種類較多，并能獲得較為穩(wěn)定的出水水質，但該工藝組合的缺點是占地面積較大。表3列舉了EGSB-傳統活性污泥法聯用的工程應用現狀。

由表3可見，該工藝組合處理的對象最為分散，包括食品、畜禽以及造紙等行業(yè)廢水，且進水COD濃度較高（其進水COD范圍為500～70000mg/L，但大部分均為5000mg/L以上），由于這些廢水的可生化性參差不齊，導致EGSB反應器處理單元的COD去除率差別較大，其變化范圍為55.1%～97.1%，但通過傳統活性污泥單元后續(xù)生化處理，均能達標排放，表明該工藝組合的適用性較強。

表3　EGSB-傳統活性污泥法工藝聯用工程應用現狀

4.4其他工藝耦合

EGSB反應器除了上述幾種較為常見的工藝聯用外，也有少數其他組合工藝，并獲得了成功。表4列舉了近年來EGSB反應器與其他工藝聯用的工程應用現狀。

由表4可知，EGSB反應器單元COD去除率均為80%以上，并且總體工藝COD去除率也均為96%以上，表明EGSB反應器可以成為較理想的前處理單元。隨著厭氧技術的革新與發(fā)展，將會有越來越多的新興技術與EGSB反應器聯用，將成為工程應用的發(fā)展趨勢。

表4　EGSB與其他工藝聯用工程應用現狀

5　結　語

EGSB反應器作為第三代高效厭氧反應器，相比于UASB來說有更高的容積負荷和抗沖擊性能，并且其占地小、產生沼氣可回用等優(yōu)點十分適合于能源緊缺的今天。隨著學者們對EGSB反應器越來越廣泛的研究，近十年來其小試、中試已逐步進展為工程研究，自2005年開始其應用面也不斷多元化，從文獻類別上不再僅僅拘泥于產甲烷的研究，也有如生物制氫、厭氧氨氧化與同步脫氮除硫技術等。

至于工程上，其應用主要為產甲烷。但是處理實際廢水時，產甲烷EGSB反應器往往不“單兵作戰(zhàn)”，而是與生物膜法、序批式活性污泥法和傳統活性污泥法等工藝聯用，均表現出良好的去除效果。

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綜述與專論

Domestic study and application status of the EGSB reactor

XIANG Xinyi，CHEN Xiaoguang，DAI Ruobin，WANG Yu，ZHOU Weizhu，XU Yao
（College of Environmental Science and Engineering，State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Abstract：As a typical representative of the third-generation anaerobic bioreactor，the expanded granular sludge bed（EGSB） reactor，having the advantages of higher volumetric loading and better shock resistance performance than the upflow anaerobic sludge bed（UASB） reactor，as well as low occupation and biogas generation. And it has been widely applied in various high-strength organic wastewater treatment at home and abroad. The configuration principle and operation process of the EGSB reactor was introduced. The relevant literatures in recent years were analyzed statistically，reflecting the development of the reactor from lab-scale to plant-scale. The basic research of the reactor were reviewed in terms of the methane production，anaerobic ammonia oxidation（ANAMMOX），hydrogen production and simultaneous removal of sulfur and nitrogen. And the application status of the methane production EGSB reactor was discussed by different process couplings including biofilm，sequencing activated sludge and conventional activated sludge process，showing favorable unit and overall treatment results. Additionally，the coupling of the reactor and novel technology suggested a preferable future.

Key words：expanded granular sludge bed reactor；the third-generation anaerobic bioreactor；high-strength organic wastewater；methane production；process coupling

基金項目：國家青年科學基金（51208087）、教育部新教師基金（20120075120001）及中央高?；痦椖俊?/p>

收稿日期：2015-07-28；修改稿日期：2015-08-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.003

中圖分類號：X 703

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）01–0018–08