UASB組合工藝處理生活污水研究進(jìn)展

陳倩倩，陳　輝，郭　瓊，王慧中,金仁村

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310036)

UASB組合工藝處理生活污水研究進(jìn)展

陳倩倩，陳輝，郭瓊，王慧中,金仁村

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310036)

摘要：歸納了升流式厭氧污泥床反應(yīng)器和一些后處理工藝(活性污泥工藝、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、穩(wěn)定塘、人工濕地等)相組合處理生活污水的研究進(jìn)展.總結(jié)了各種組合工藝的運(yùn)行條件、處理效果和存在的問題.并指出，今后污水處理應(yīng)該朝著資源回收和節(jié)約能源的方向發(fā)展.

關(guān)鍵詞：生活污水；UASB；活性污泥工藝；生物濾池；人工濕地

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度加快，城市人口增多，生活污水的排放量日益增加.如何高效處理生活污水、避免生活污水對(duì)水體造成污染成為一個(gè)熱門的研究方向.厭氧生物處理具有諸多優(yōu)勢，如成本低、操作簡單、能耗和污泥產(chǎn)量低，因此在城市生活污水處理方面潛力巨大[1-4].此外，厭氧處理過程能夠?qū)U水中的能量以沼氣的形式回收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分有機(jī)物的去除.但對(duì)廢水中的N、P等營養(yǎng)元素和病原生物(病毒、細(xì)菌、原生動(dòng)物和寄生蟲等)的去除效果較差[5]；另外，在發(fā)展中國家和氣候波動(dòng)的條件下(如亞熱帶地區(qū))厭氧過程的應(yīng)用存在一定的局限性[6].用于厭氧過程的反應(yīng)器種類繁多，諸如升流式厭氧污泥床(UASB)、膨脹顆粒污泥床(EGSB)、復(fù)合式厭氧流化床(UBF)和厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)等[7-8].其中UASB反應(yīng)器是厭氧過程中最常用的反應(yīng)器構(gòu)型[9].

為使污水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)厭氧反應(yīng)器的出水進(jìn)行后處理，即采用厭氧-好氧組合工藝處理生活污水[10].近幾年來，隨著研究者對(duì)污水后處理研究的深入，出現(xiàn)了一些新型的后處理方法.本文對(duì)幾種UASB-后處理工藝處理生活污水時(shí)的運(yùn)行條件、工藝優(yōu)缺點(diǎn)、處理效果以及工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)，為生活污水的高效和深度處理提供參考.

1活性污泥法后處理組合工藝

活性污泥法是一種“簡單”而“功能強(qiáng)大”的污水處理方法.“簡單”是指活性污泥法的設(shè)備簡單，一個(gè)曝氣池、一個(gè)沉淀池，再加上回流，即可組成活性污泥系統(tǒng)；“功能強(qiáng)大”則意味著已開發(fā)多種規(guī)格型號(hào)的系統(tǒng)，用于滿足不同的需求，脫氮除磷并去除有機(jī)物.

1.1UASB-活性污泥法(UASB-AS)組合工藝

UASB-AS系統(tǒng)由UASB、連續(xù)流曝氣池和沉淀池組成.沉淀池用于收集活性污泥，返回到UASB進(jìn)行進(jìn)一步的消化處理.這個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)特之處是UASB替代了傳統(tǒng)AS系統(tǒng)中的初沉池[6].

UASB-AS具有較高的COD、BOD和污泥濃度(TSS)去除率[11-12].Motta等[12]研究表明，在15～30 ℃，水力停留時(shí)間(HRT)維持5 h以上，一個(gè)運(yùn)行一年半的生產(chǎn)規(guī)模UASB-AS系統(tǒng)的出水水質(zhì)優(yōu)良(COD和TSS分別為46和8 mg/L)，并且該過程幾乎不受環(huán)境條件的影響.Tawfik等[13]在20 ℃下，用HRT為26 h的UASB-AS系統(tǒng)處理含4 500 mg/L COD的乳制品生產(chǎn)廢水與生活污水的混合物，COD、BOD、油和油脂的去除率分別為98.9%、99.6%、98.9%，出水符合埃及的排放標(biāo)準(zhǔn)(COD為80 mg/L，BOD為 60 mg/L，總懸浮物固體TSS為60 mg/L，糞大腸桿菌群FC為105/100 mL).該工藝的缺陷是大腸桿菌的去除效果較差，這與Mungray等[14]的研究結(jié)果類似，他們發(fā)現(xiàn)好氧處理如活性污泥法的出水含有大量大腸桿菌群(EC)和FC.因此，需要后續(xù)處理或附加步驟(如消毒)解決該問題.

1.2UASB-序批式活性污泥法(UASB-SBR)組合工藝

李亮等[15]發(fā)現(xiàn)，用UASB工藝處理城市生活污水，HRT為3 h時(shí)，COD去除率達(dá)61.7%～82.3%，出水COD達(dá)到國家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但氮和磷的去除效果不佳；對(duì)UASB-SBR組合系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明水中的氨氮、總氮和總磷得到了有效去除，并且由于SBR中的靜置階段使得固、液相有效分離，出水SS濃度較低.另外，UASB-SBR組合工藝和單一的SBR系統(tǒng)相比，組合工藝可以使投資和運(yùn)行成本最小化，厭氧預(yù)處理的應(yīng)用將分別使污水處理場地、剩余污泥的產(chǎn)生及需氧量減小40%、58%和62%[16].

UASB-SBR系統(tǒng)由于運(yùn)行穩(wěn)定、易管理，可用于發(fā)展中國家的生活污水處理.此外，可根據(jù)當(dāng)?shù)匚鬯欧艠?biāo)準(zhǔn)和UASB出水水質(zhì)對(duì)系統(tǒng)中的溶解氧濃度、pH和氧化還原電位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，依據(jù)這些參數(shù)的變化來調(diào)整SBR的運(yùn)行過程，縮短反應(yīng)周期，提高處理能力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗[17].

2生物膜法后處理組合工藝

與活性污泥法相比，生物膜法因?yàn)椴僮骱唵巍⒖箾_擊負(fù)荷、剩余污泥少等特點(diǎn)，適用于中小型污水處理廠.并且，在污染物濃度較低的情況下，載體上的生物膜以及微生物能夠和水質(zhì)保持充分的接觸，取得良好的處理效果.因此，生物膜法可以很好地用于UASB反應(yīng)器出水的后處理.

2.1UASB-生物濾池(UASB-TF)組合工藝

UASB-TF組合工藝占地面積小、無需設(shè)置二沉池、能耗較低、運(yùn)行靈活，適用于發(fā)展中國家的城市生活污水處理.研究表明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為0.4 kg BOD/(m/d)、水力負(fù)荷(HLR)為10 m3/(m/d)時(shí)，UASB-TF系統(tǒng)出水符合巴西當(dāng)?shù)谺OD、COD和TSS排放標(biāo)準(zhǔn).然而，現(xiàn)有的UASB-TF系統(tǒng)中異養(yǎng)型微生物可能占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致氨氮的去除率僅為13%～27%[18].為提高氨氮和有機(jī)物的去除率，可降低UASB-TF的有機(jī)負(fù)荷至0.25 kg BOD/(m/d)以下，或者增加TF的高度從而提高對(duì)有機(jī)物的去除能力.

為了實(shí)現(xiàn)更好的出水水質(zhì)，對(duì)TF系統(tǒng)中填料的種類進(jìn)行考慮，其中在較低的有機(jī)負(fù)荷條件下，海綿材料是一個(gè)很好的選擇[19].最近，Guillén等[20]研究了一種新型反應(yīng)器——海綿床滴濾器，該反應(yīng)器主要填充柱狀海綿填料，同時(shí)通過空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中所需的氧氣.海綿床滴濾器也可用于UASB后處理過程來提高出水水質(zhì).但是，在運(yùn)行過程中具體的操作條件等需要進(jìn)一步的探索.此外，還可以通過反沖洗去除填料表面截留的懸浮物以及老化的生物膜來提高反應(yīng)器的性能.濾料的填充和運(yùn)行過程中濾料表面沖洗增加了建設(shè)和維護(hù)成本[21].

2.2UASB-生物轉(zhuǎn)盤(UASB-RBC)組合工藝

生物轉(zhuǎn)盤法對(duì)有機(jī)物有較好的去除效果，與UASB聯(lián)合可進(jìn)一步提高出水水質(zhì).目前，生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于生活污水和工業(yè)廢水的處理等，尤其在小城鎮(zhèn)污水處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景.在溫度高于22 ℃的條件下，實(shí)際廢水在UASB中進(jìn)行厭氧處理后進(jìn)入一級(jí)RBC(HRT為2.5 h，OLR為14.5 g COD/(m/d))去除COD(最終出水中COD為76 mg/L)、部分氨和乙基纖維素[22-23].

盤片的材質(zhì)會(huì)影響出水效果，Tawfik等[24]發(fā)現(xiàn)，在氨和乙基纖維素的去除方面，聚氨酯圓盤比聚苯乙烯圓盤更有效.此外，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤浸沒百分比和水力停留時(shí)間都會(huì)影響有機(jī)物去除效果，因此，為了使能耗消耗最小和處理效果最優(yōu)，可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量以及環(huán)境溫度(尤其是冬季低溫條件下)，合理設(shè)置這些參數(shù).另外，還可以通過改變RBC的組數(shù)來實(shí)現(xiàn).在運(yùn)行過程中，需要經(jīng)常對(duì)工藝中軸承、馬達(dá)進(jìn)行維護(hù)以免出現(xiàn)故障造成轉(zhuǎn)盤上富集過多的生物膜影響反應(yīng)器性能，這同時(shí)也增加了運(yùn)行費(fèi)用[24].

2.3UASB-懸掛海綿式反應(yīng)器(UASB-DHS)組合工藝

DHS系統(tǒng)是由日本長岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)Harada教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)明的一種新型技術(shù).基于海綿材料的多孔性和較大的比表面積，溶解氧濃度從其表面到內(nèi)部逐漸減少.因此，利用UASB-DHS系統(tǒng)處理城市生活污水時(shí)，受溶解氧濃度的影響，分層實(shí)現(xiàn)有機(jī)物、氨和硝酸鹽的去除[25].Tandukar等[26]在處理城市生活污水時(shí)對(duì)中試規(guī)模的UASB-DHS系統(tǒng)和AS進(jìn)行比較，經(jīng)過300 d的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)BOD的去除率均在90%以上，但AS中剩余污泥的產(chǎn)量是UASB-DHS的15倍；另外，UASB-DHS系統(tǒng)在去除病菌方面的性能也超過AS；同時(shí)，UASB-DHS系統(tǒng)不需要進(jìn)行曝氣.因此，UASB-DHS系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)可行的處理城市生活污水的技術(shù)，但是在推廣應(yīng)用時(shí)仍存在著工藝放大的問題[27].

與DHS單元的操作類似，Patel等[28]用一個(gè)層疊的海綿反應(yīng)器處理UASB反應(yīng)器出水，有效地去除了廢水中的COD、BOD、TSS、TN、TP、TC和EC，出水水質(zhì)符合大多數(shù)發(fā)展中國家地表水排放標(biāo)準(zhǔn)，這種方法優(yōu)于UASB-DHS系統(tǒng).Takahashi等[27]延伸了DHS單元理念，結(jié)合硫的氧化還原反應(yīng)去除有機(jī)物.然而，仍需對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，包括DHS反應(yīng)器的阻塞、填料的清洗、填料的壽命和廢舊填料處置問題；另外，反應(yīng)器抗負(fù)荷沖擊能力弱，尤其是氮去除率易受影響.

3其他后處理組合工藝

穩(wěn)定塘和人工濕地等污水生態(tài)處理技術(shù)具有處理成本低，運(yùn)行管理方便，可同時(shí)去除BOD、病原菌、重金屬、有毒有機(jī)物及N、P營養(yǎng)物質(zhì)的特點(diǎn)，在面源污染和村鎮(zhèn)污水的治理方面有一定的優(yōu)越性.

3.1UASB-穩(wěn)定塘(UASB-SP)組合工藝

Sperling等[29]研究了淺塘系統(tǒng)去除UASB出水中BOD和FC的性能，出水符合城市污水和世界衛(wèi)生組織無限制灌溉的指導(dǎo)方針.但該系統(tǒng)極易受溫度的影響[30].UASB-浮萍植物系統(tǒng)能高效去除UASB出水中營養(yǎng)鹽，適用于發(fā)展中國家生活污水處理.在冬季(13～20 ℃)，環(huán)境溫度對(duì)COD、BOD和TSS的去除率影響不大，但是浮萍植物的生長速率明顯降低，廢水中N、P的去除率隨之下降，EC的去除率也降低[30-31].因此，UASB-SP組合工藝可用于亞熱帶氣候條件下的生活污水處理[32].但是，該工藝占地面積大，易受地域的限制，不適合在城市使用[33].

3.2UASB-人工濕地(UASB-CW)組合工藝

CW充當(dāng)過濾器的作用，允許自然界對(duì)有機(jī)物的降解和污水中營養(yǎng)物、病原體、沉積物和污染物的去除.CW水深通常不到1 m，通過水生植物(根、莖和葉)為微生物的生長提供基質(zhì)，降解有機(jī)物.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，人工濕地可設(shè)置生物膜載體，如碎石、沙子和石頭.常用的人工濕地類型為潛流濕地(水平或者豎直流動(dòng)，SSF)和表面流濕地(僅表面流動(dòng)，F(xiàn)WS)[34].FWS中，UASB的出水在濕地的表層流動(dòng)，通過植物和微生物進(jìn)行病原體的去除和營養(yǎng)鹽的吸收.與SSF相比，F(xiàn)WS需要更多的土地，且如果沒有合理的操作會(huì)產(chǎn)生氣味.如Khateeb等[35]研究一系列串聯(lián)的SSF和FWS單元，其出水幾乎不含任何病原體.在營養(yǎng)物和病原體的去除方面，種植植物的濕地的性能更好.然而，沒有種植植物的濕地仍然可以提供好的COD和TSS的去除.因此，可根據(jù)出水的要求，調(diào)整在人工濕地中種植植物的需求[36-37].

人工濕地的主要問題之一是堵塞，尤其是在入口附近.這很大程度上取決于進(jìn)水中的TSS[30].UASB作為預(yù)處理單元有利于進(jìn)入人工濕地之前TSS的去除，從而減少固體顆粒在碎石上的聚集.另外，人工濕地極易受氣候和外界溫度的影響.因此，如何在冬季提高人工濕地的有效性是現(xiàn)在面臨的主要問題[35].

4結(jié)語與展望

盡管上述組合工藝的運(yùn)行條件、處理效果各有優(yōu)劣(表1)，工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)也不盡相同(表2)，但已有研究和應(yīng)用實(shí)踐表明，UASB-后處理組合工藝基本克服了病原生物體、N和P去除的問題.實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境狀況選擇合適的工藝路線，以減少能源損耗，實(shí)現(xiàn)污水處理.其次，應(yīng)該改進(jìn)已有的后處理方法，克服后處理過程中存在的缺點(diǎn)，更好地去除有機(jī)物、N、P和病原體.

表1　后處理工藝在應(yīng)用過程中的優(yōu)缺點(diǎn)分析

表2　組合工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)的比較

注：+++,高；++,中等；+,低；Y,是；N,否；—,數(shù)據(jù)不可用.

結(jié)合國內(nèi)外的研究推斷，未來污水處理發(fā)展趨勢是在實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)去除的同時(shí)，盡可能多地以沼氣和熱能的形式回收廢水中的能源物質(zhì)，抵消污水處理過程中曝氣能耗、設(shè)備投資和剩余污泥處理的費(fèi)用，使污水處理過程成為一個(gè)凈能源的生產(chǎn)者而不是消耗者.因此，UASB-后處理系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，尚需在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，適時(shí)推進(jìn)中試和生產(chǎn)性應(yīng)用，助力污水處理向“節(jié)能、資源回收、環(huán)境友好”的方向發(fā)展.

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Research Progress of the Technology Processing for Domestic Wastewater Treatment by UASB Combination

CHEN Qianqian, CHEN Hui, GUO Qiong, WANG Huizhong, JIN Rencun

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:This review summarized the research progress of upflow anaerobic sludge blanket reactor with some post-treatment process (such as activated sludge process, biofilter, rotating-biological contactor,stabilization pond,constructed wetland) for domestic wastewater treatment. The operational conditions of the combined system, the effectiveness of the treatment and the problems existed were also concluded. Moreover, it was addressed that the future sewage treatment should be developed towards the direction of resources recycling and energy saving.

Key words:domestic wastewater； UASB； activated sludge； biofilter； constructed wetland

收稿日期：2015-07-30

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278162)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAC13B02).

通信作者：金仁村(1979—)，男，教授，博士，主要從事環(huán)境生物技術(shù)和水污染控制工程研究.E-mail：jrczju@aliyun.com

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2016.03.009

中圖分類號(hào):X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674-232X(2016)03-0271-06