出　　自： 《中國給水排水》 1988年第5期第23頁
發表時間： 1988-5

王凱軍；劉玫；鄭元景

( 北京市環境保護科學研究所)

摘要：本研究基于近年來厭氧處理在低濃度污水處理領域進展而進行的。在常溫下采用水解——好氧生物處理工藝，工藝具有下列特點:(1)在同樣的水力停留時間(2～3h)下，采用水解池取代傳統初次沉淀池；(2)利用水解、產酸菌，將懸浮性有機物轉變為溶解性有機物，將復雜大分子物質，轉變為小分子物質，并使水解出水更適合于后繼的好氧處理；(3)在反應過程中將36～65%的去除懸浮性固體物水解，這樣使得污水和污泥同時得到處理。因此可以從傳統工藝中取消消化池。
實驗結果證實了水解——好氧生物處理工藝處理城市污水的可行性。在相同的去除效果下，與傳統活性污泥工藝相比，在基建投資、能耗和運轉費用上可分別節約40%、70%和50%。

一、試驗水質

在國內外研究的基礎上采用厭氧——好氧串聯工藝對北京高碑店系統城市污水進行小試研究。
高碑店污水系統接納北京東郊工業區和相當面積的城區工業廢水和生活污水。其中生活污水占總污水量的48%，其余為工業廢水。污水水質成分復雜、水質不穩定，BOD 5 /COD為0.3～0.4，屬于不易降解的城市污水。

二、試驗設備與結果

1.工藝流程與起動
試驗采用設備見圖1，其中厭氧反應器采用改進的上流式厭氧污泥床反應器，直徑12×35cm的有機玻璃柱，有效容積37.3L。污水從曝氣沉砂池用泵打至高位水箱，脈沖進入厭氧反應器，厭氧出水進入曝氣池。曝氣池采用兩套平行運轉，圖中給出的是2 # 曝氣池，有效容積為22L。本流程從整個系統經濟效益考慮，從傳統的工藝流程中取消了初沉池系統，而在厭氧反應中放棄了反應時間長、控制條件要求高的甲烷發酵階段。利用水解、產酸菌能夠迅速分解有機物的特性，采用動力學控制措施〔1〕，利用產甲烷菌與水解、產酸菌生長速度不同控制系統的水力停留時間，使反應器處于水解、產酸階段。接種污泥取自高碑店消化池，一接種即滿負荷運行，經一個星期運行后反應器中泥水界面分明，不到15天COD去除率可達到40%，表明污泥培養階段已完成。
2.試驗結果
表1是厭氧停留時間1.5～3.5h(平均2.5h)，好氧停留時間1.3～4.3h(平均停留時間2.5h)厭氧～好氧串聯工藝運行120d結果的平均值。


從表1可見厭氧～好氧工藝BOD 5 、COD、SS去除率與傳統二級生物處理工藝水平相當，處理后出水可達到排放標準。而厭氧部分COD 去除率在40～60%之間，并且出水COD大部分高于150mg/L，(見圖2)。這說明好氧處理作為后處理工藝是必需的，但從表2結果看，厭氧反應器對污染物的去除顯著高于初沉池。由于本工藝的特點是采用厭氧反應器取代了傳統的初沉池，因此討論的重點放在厭氧部分。

3.厭氧反應器運行結果分析。
(1)去除率與停留時間、進水濃度關系

從圖3可見在水解、產酸階段，厭氧停留時間在2.5h以上，COD、BOD 5 ，SS去除率已趨于飽和。即使再增加停留時間，對去除率的提高也是有限的。在現場條件下，水質變化對厭氧去除有很大影響，圖4為進水濃度與去除率的關系。從圖可見進水濃度越高去除率越高，說明厭氧反應器長期運行在低濃度條件下具有很大潛力，有一定的緩沖能力，這對于保證曝氣池的穩定運行具有重大意義。

(2)水質因素的影響
進一步的水質特性分析見圖5與表3，從數據可知進水中可沉性COD占總COD的45.8%，經厭氧處理后可沉懸浮性COD基本去除。介于1.2μ和可沉性COD之間較大顆粒有機物也去除了58%。由此可見厭氧反應器對懸浮性的去除能力很強，去除的懸浮物在水解菌的作用下將不溶性有機物水解為溶解性物質。在產酸菌的進一步作用下，將大分子化合物降解為小分子化合物。通過對污泥產率的計量表明在16～26℃條件下，去除的懸浮物有36～65%發生水解。圖6為典型膠體性基質淀粉靜態降解試驗結果，結果表明在本實驗所培養的厭氧污泥中，水解、產酸菌對膠體的降解是迅速的，而對淀粉降解產物的去除則不大，溶解性COD基本保持恒定。這也證實酸性階段的動力學控制措施是有效的。結合動態試驗分析結果，出水中COD中有50%以上為揮發酸，這說明出水溶解性COD已不是原來的物質。


(3)溫度的影響
整個試驗期間水溫12～31℃，即使在12℃條件下(相當于高碑店污水處理廠冬季最低水溫)厭氧反應器仍可穩定運轉。在12℃厭氧停留時間2h，BOD 5 、COD去除率仍可達到40%，這是由于上流式厭氧反應器保持了大量厭氧微生物，即使在低溫條件下也能有較高的去除率。這與Lettinga等人的報道是相符的 〔2〕 。但是值得注意的是在低溫下污泥水解率將有很大變化，水解率從26℃的65%降到16℃的36%。也就是說部分懸浮物只被截留而并沒有被水解，日本稻森悠平等人 〔3〕 也有類似報道。
(4)有機污染物降解途徑
圖7給出了以COD為例各類有機物遷移、轉化途徑的圖示。首先厭氧反應器中的大量微生物將進水中顆粒均質和膠體物質迅速截留和吸附，這是一個物理過程的快速反應。截留下來的物質在大量水解細菌作用下將不容性有機物水解為溶解性物質，同時在產酸菌的協同作用下將大分子物質轉化為小分子物質，重新釋放到液體中，在較高的水力負荷下隨出水流出系統。其結果表現為去除懸浮物有36～65%被水解，水中揮發酸由進水50mg/L上升到出水的120mg/L。由于水解和產酸菌世代期較短，往往以min和h計，因此這一降解過程也是迅速的。在這一過程中溶解性COD的去除率雖然從表觀上講只有13%，但是由于顆粒性COD 的水解增加了系統中溶解性COD的濃度。因此溶解性COD去除率遠大于13%，去除的這一部分COD以CH 4 和CO 2 形式溶解于水中隨水流失。

三、高效率低能耗機理

由于本試驗從系統論觀點出發，著眼于整個系統的處理效率和經濟效益，并不追求單項處理單元的處理效益。在厭氧反應中放棄了甲烷發酵階段，利用水解和產酸階段使得污水、污泥一次處理，縮短了反應時間，降低了基建投資。在厭氧反應過程中有機物的數量、理化性質有很大改變，使得厭氧出水更適宜好氧生物處理，表4是原污水與厭氧出水各種參數對比表。

從表4數據分析，經厭氧處理后有機物在數量上的變化是明顯的，而理化性質的變化集中表現在污水可生化性的提高。BOD 5 /COD值0.37經厭氧處理后提高到0.48，BOD 5 /BOD 20 從0.56提高到0.79。可生化性的提高表明，大量被微生物降解緩慢甚至難于降解的物質，經厭氧處理后可轉變為易于被微生物降解的物質，不可生物降解物質大為減少，從而導致最終處理出水要優于傳統工藝的出水。從動力學參數來看，厭氧出水耗氧速率大大加快，有機物耗盡的時間也大大提前，這意味著同樣采用好氧處理，對于厭氧出水可以大大縮短反應時間。從表中數據看，與好氧停留時間相比，相差3.2倍，即采用本工藝，曝氣池停留時間可大大減少。其次從曝氣量來講，如以進水COD濃度為基準相差一倍，而從氧的利用率來講兩者也相差近一倍，從而我們可以得出如下結論:采用厭氧——好氧工藝處理城市污水，使得曝氣池的容積和用氣量大為減少，從而導致了基建投資和電耗的節約，為高效率、低能耗、低成本處理城市污水提供了可能。

四、系統穩定性分析

對于一個大型的污水處理設施來講，水量、水質、水溫等各方面都不可能是穩定的。當有處部擾動時，定態是否能夠自動保持呢？下面從動力學角度對于定態點的性質進行討論。
1.系統靜態特性分析
UASB反應器具有兩個基本的功能以保證其對污水的處理。其一是沉淀功能，另一是反應功能。沉淀功能是保證厭氧反應器中保持大量厭氧污泥以維持系統正常工作的基本條件。沉淀功能完成的必要條件是顆粒的、沉淀(V r )必須大于水流的上升流速(V 0 )，即有下式成立
V r ≥V 0 =Q/A (1)
式中:A——反應器斷面面積；
Q——進水流量。
經過靜沉實驗得到厭氧污泥顆粒的沉降方程如下
V r =14.648X -0. 7 45 (2)
將(1)、(2)式整理，可得到污泥濃度X與停留時間t的關系式如下:(見圖8曲線2)

上式意味著系統中的污泥濃度必須滿足一定的關系落在圖8的陰影部分，如污泥濃度大于上式給出的關系，則污泥的沉速必小于水的上升流速，被水沖出系統。因此，(3)式是設計與運行管理中的一個重要關系。

在假設系統是完全混合，基質降解遵循一級反應的條件下，通過物料衡算可得如下基本方程:

式中:S 0 ，S e ——進水溶解性基質濃度；
X 0 ，X e ——進出水懸浮物濃度；
X——微生物濃度；
θ c ——污泥齡；
μ——微生物比生長速率；
K，d，β，K d ——反應常數，而β為懸浮物的水解率。
通過連續2個月觀測數據，采用最小二乘法估計參數方法得到(4)、(5)兩式的參數，并將穩態條件下的初始條件代入，可得如下結果:

通過(6)、(7)兩式，我們可以得如下初步結論:1)在穩態條件下當θ c 一定時(本例為θ c =25d)，水解、產酸階段的出水溶解性COD濃度保持一個恒定數值，與停留時間無關，即過程不受反應速度控制；2)在穩態條件下，微生物濃度與水力停留時間成反比，見圖8曲線1。因此，從理論上講只要微生物濃度足夠，則盡可能的縮短反應時間，這在工程上有重大的意義。但是系統中微生物量的保持與污泥沉速有關，它不受到水的上升流速的制約。綜合考慮系統的反應功能和沉淀功能，才能最終合理地確定系統的運行狀態。如前所述，從沉淀性能考慮運行狀態應落在陰影部分才能維持系統中恒定的生物量，而從反應功能講，系統的穩定運行狀態是如圖8曲線1所示的一族曲線。綜合兩方面的結果，運行狀態點應落在陰影部分的半條曲線上，則都可滿足要求。但是在工程中不但要考慮到反應的穩定性，而且還要考慮到系統的經濟性，從經濟上考慮停留時間越短越好，這要求運行點引曲線1上移。圖中A.B.C為不同泥齡下的臨界運行點，因此從運行角度考慮，運行狀態應稍許偏離曲線2較為穩妥。
2.系統動態特性分析
以上的討論是在系統穩態條件的假設下進行的，系統的穩態點是否穩定這一問題在工程上有十分重要的意義。對于一個實際系統，僅僅了解其靜態特性是遠遠不夠的，為了更合理、可靠的應用，有必要對系統的動態特性進行研究。利用微分方程穩定性理論、根據李雅普洛夫定理，可以斷定由微分方程(4)、(5)給出的系統是漸近穩定的〔4〕，系統具有高度穩定性。相平面分析見圖9，從圖可見系統的穩定點類似一個焦點，所有軌線都收斂于系統的穩定點。這表明由于外部擾動造成穩定狀態的轉移，當擾動消除后，系統將重新回到原來的穩定狀態，即系統具有一定的阻尼性，這對于系統的運行管理是十分有利的。

五.系統最優工藝參數與流程

1.系統最優工藝參數
在本實驗中采用厭氧——好氧串聯系統是一較為復雜的工程系統，工藝本身具有眾多的水質參數和工藝參數，工藝參數的確定不僅與技術指標有關而且與經濟因素密切相關，這使得工藝決策過程變得十分復雜。本研究在工藝參數優化中采用“二次復合設計”實驗方法，通過實驗設計可得如下形式回歸方程:

式中:Y j ——COD，BOD 5 ，SS去除率與出水值；j=1，……6；
X i ——i=1，2，3，4分別對應于厭氧停留時間、好氧停留時間、回流比與曝氣量；
b i jk——回歸方程系數。
為了取得盡可能好的處理效果和盡可能經濟的技術措施，以處理廠主要處理的構筑物，厭氧反應池和曝氣池單位池容的基建投資最小為目標函數，以(8)式所得的基本關系式為基礎，系用線性規劃方法確定系統最優工況如下:
厭氧HRT=2.3h；好氧HRT=2.3h；回流比R=50%；曝氣量:15L/h(折合氣水比2:1)
2.工藝流程的確定
高碑店多年試驗數據表明，初沉池污泥有機物含量61%，消化池出泥有機物含量51%，消化池有機物降解率為38%。而本試驗的厭氧污泥有機物含量53%，厭氧反應器有機物降解率在50%以上。因此，從有機物降解角度講厭氧污泥是穩定污沉，不需再進行消化處理，可直接脫水。而且厭氧反應器將36～65%去除的懸浮物轉化成溶解性物質，因此厭氧反應器比初沉池污泥產量低30%以上。曝氣池由于時水SS量很少，剩余污泥產量只有傳統活性污泥工藝的20%。如將剩余污泥回流至厭氧反應池，每升污水只增加20mg懸浮物。日本山本康次及我國汪凱民的研究表明，這個措施是可行的。〔5〕.〔6〕這樣可以從傳統工藝流程中取消消化池系統，形成了新的工藝系統如下圖。這個流程具有將污水、污泥一次處理，簡化了水處理流程的特點。

六、結論

1.試驗結果表明，采用厭氧——好氧串聯處理工藝流程在常溫下(12℃～30℃)處理城市污水在技術上是可行的。對于高碑店系統的城市污水在總停留時間6.5h的條件下(包括二沉池)處理出水可達到排放標準。通過對于同樣規模污水處理廠估算表明，基建投資可節省40%，運轉費用節省50%左右。
2.利用厭氧的水解與產酸反應可迅速地降解有機物，使得厭氧出水有機物數量和成分發生了較大的改變，污水的可生化性大為提高，從而更適宜生化處理。可在較短的反應時間和較少的供氣量的條件下處理剩余的有機物。
3.污水經厭氧處理后，水中硫化氫、氨、氮等氣體產生的臭味并不顯著，經好氧處理后可完全消除H 2 S，NH 3 氣味。
4.本試驗推薦的處理流程具有效率高、能耗低、投資省、運轉費用低等優點。對于城市污水的處理有很大的實用價值。在水源缺乏和一些中、小城鎮可考慮污水經厭氧處理后，直接灌溉農田以及一些其它低能耗的工藝，可進一步降低處理成本，并為農業提供水、肥資源，從而獲得收益。

參考文獻

[1] Ghosh, S. Biotechn. and Bioeng. Symp. , Ser 11 (1981)
[2]Lettinga, G. andJ. N. Vinden, Proc. 35thInd. WasteConf. , Purdue Univ. p. 625
[3] 稻森悠平等《用水と廢水》Vo1.25，№.10，P.1006
[4] 秦元勛等著《運動穩定性理論及其應用》科學出版社1981年
[5] 山本康次《用水と廢水》Vo1.25，№.10，P.1045
[6] 紡織工業部設計院環保組《紡織部科學研究院實驗工場污水處理試驗》1984.10