1. 太原大学环境工程系, 太原030009
2. 哈尔滨工业大学市政与环境工程学院, 哈尔滨150090
收稿日期: 2005205216修回日期: 2005211223录用日期: 2005212208
摘要:对EGSB反应器在微氧和厌氧条件下的运行特性进行了对比实验研究,分析了EGSB反应器在微氧条件下高效稳定运行的可行性. 研究
结果表明,适量氧的加入提高了EGSB反应器的COD去除率,明显降低了出水VFA浓度. 对于427 mg·L – 1、869 mg·L – 1、1796 mg·L – 1、3123
mg·L – 1的进水COD浓度,与厌氧时相比,微氧时COD去除率的增幅和出水VFA浓度的降幅分别为4. 0%、4. 2%、3. 9%、1. 1%和43%、40%、
46%、18%;适量氧的加入并没有对甲烷菌产生毒害作用; 氧化还原电位是微氧EGSB 反应器更为理想的运行控制参数,一般在- 380 ～
– 400 mV之间;微氧EGSB反应器具有很强的抗pH冲击、负荷冲击和温度冲击能力.
关键词: EGSB反应器; 产甲烷活性; 微氧
文章编号: 025322468 (2006) 0220220205中图分类号: X703文献标识码: A
Performance character istic of the EGSB reactor in the m icroaerobic conditions
DONG Chunjuan1, 3
, LB B ingnan2
1. Tanyuan University, Department of Environment Engineering, Tanyuan 030009
2. Harbin Institute of Technology, School ofMunicipal and Environment Engineering, Harbin 150090
Rece ived 16 May 2005; rece ived in revised form 23 November 2005; accepted 8 December 2005
Abstract: In order to analyze the feasibility of the highly efficiently and stable operation of the EGSB reactor at the microaerobic condition, The
performance characteristic of the EGSB reactor at the anaerobic and microaerobic conditions was investigated in this paper. The results showed that
Supp lement of limited oxygen could increase the COD removal efficiency and decrease the effluentVFA concentration. For the influent COD of 427、869、
1796 and 3123 mg·L – 1 , the increased percentage of the COD removal efficiency and the decreased percentage of the effluent VFA concentration are
410%、4. 2%、3. 9%、1. 1% and 43%、40%、46%、18% , respectively. Supp lement of low level oxygen wasn’t harmful to the methanogens. The
oxidation – reduction potential (ORP) is themore op timal control parameter for the EGSB reactor performance, which normally has the values of – 380～
– 400 mV. The microaerobic EGSB reactor had very strong ability of resisting pH, temperature and loads shock.
Keywords: EGSB reactor; methanogenic activity; microaerobic
长期以来,厌氧(水解酸化) 2好氧生物处理系
统常被用于处理工业废水和降解毒性有机物质. 但
在这种处理系统中毒性有机物质的厌氧降解常常
是不完全的,而且其中间代谢产物也不能及时地转
移、降解,从而会对甲烷菌自身产生抑制,降低厌氧
处理效率,继而增加后续好氧处理的负荷,使得整
个系统处理率下降( Stephenson et al. , 1999). 传统
观点认为氧气对于厌氧菌是有毒的,但也有些研究
表明,在适量氧存在的情况下,甲烷菌是能够存活
的,甚至表现出较高的产甲烷活性( Field et a l. ,1995). Pirt和Lee ( 1983)认为,在微氧条件下与甲
烷菌共存的兼性菌能保持足够低的氧化还原电位,
使甲烷菌维持高活性. Zitomer (1998)用血清瓶实验
分析了溶解氧对消化污泥的影响,认为适量氧的存
在能提高污泥的产甲烷活性. 随后又利用微氧流化
床来处理硫酸盐废水,在此系统中硫酸盐的还原和
硫化物的生物氧化能同时进行,避免了利用传统厌
氧处理系统处理时硫酸盐还原产生的硫化物对甲
烷菌的抑制问题(Zitomer et a l. , 2000). 如果能向厌
氧反应器加入少量氧气,使得厌氧反应器中厌氧代谢和好氧代谢能同步进行,好氧菌的存在将使厌氧
菌代谢的中间产物随时得到降解,降低有毒中间代
谢物的累积,从而使得厌氧反应器运行更加稳定
(Gerritse et al. , 1990; 董春娟等, 2003).
颗粒污泥的形成是以EGSB反应器为代表的新
型“高速”厌氧反应器的典型特征. 本课题组(董春
娟等, 2005)已通过血清瓶实验对比研究了厌氧和
微氧条件下厌氧颗粒污泥和消化污泥的特性. 实验
结果表明,厌氧颗粒污泥和消化污泥均在微氧条件
下(血清瓶中加氧量为所添加COD的10%)表现出
高COD去除率、低污泥产率、高产甲烷活性和强抗
冲击负荷能力,而且厌氧颗粒污泥更具有优势.
基于上述情况,本论文对EGSB 反应器在微氧
和厌氧条件下的运行特性进行对比实验研究,分析EGSB反应器在微氧条件下高效稳定运行的可行
性,以期为进一步将EGSB反应器应用于含难降解、
毒性有机物质的工业废水和一些低温低浓度废水
的高效处理提供理论依据.
1实验部分( Experiments)
1. 1反应器
实验所用EGSB反应器总体积为16. 5 L,反应
区的体积为10. 0 L,反应器内径为90 mm,高径比为
19∶1,具体的工艺流程如图1所示. 将反应器进水和
回流水分别用泵提升至高位水箱,然后,将二者合
流经水浴锅加热进入反应器. 将水银温度计插入反
应器中部取样口以准确指示反应器内的温度(35℃
左右).
图1实验用EGSB反应器的工艺流程图( 1. 进水桶; 2. 进水泵; 3. 水箱; 4. 回流水; 5. 进水; 6. 流量计; 7. 调节阀; 8. 水浴锅;
9. 回流泵; 10. 回流桶; 11. 出水; 12. EGSB反应器; 13. 保温材料; 14. 颗粒污泥; 15. 小颗粒污泥; 16. 取样口; 171三相分离
器; 18. 水封瓶; 19. 阀门; 20. 10%NaOH; 21. Mariotte瓶; 22. 量筒; 23. 气体流量计; 24. 空气; 25. 曝气头)
Fig. 1Scheme of the experimental EGSB reactor ( 1. Influent tank; 2. Influent pump; 3. Water tank; 4. Recirculation; 5. Influent;
6. Flowmeter; 7. Value; 8. Thermothatic bath; 9. Recirculation pump; 10. Recirculation tank; 11. Effluent outlet; 12. EGSB
reactor; 13. Heat p reservation material; 14. Large granular sludge; 15. Fine granular sludge; 16. Samp le ports; 17. Gas – Liquid –
Sold seperator; 18. Water – seal flask; 19. Clamp; 20. 10% NaOH; 21. ariotte flask; 22. Graduation tube; 23. as Flowmeter;
24 . Air; 25. Sparger)
微氧EGSB反应器的微氧状态是通过给回流桶
曝气的方式来实现的(见图1b). 对进出水的溶解氧
(DO) 、进水和反应器内的氧化还原电位(ORP)进
行监测以调节曝气量. 之所以采用曝气头在反应器
外部的回流桶内曝气主要是基于以下几方面考虑:
1)可以避免颗粒污泥被气泡破坏; 2)使溶解氧供给
速率不受进水流速限制; 3 )可保证氧传递到整个
EGSB反应器系统; 4)可以将甲烷和过量的空气(或
氧气)的收集分离.1. 2接种污泥
厌氧EGSB反应器内的颗粒污泥是通过接种市
政消化污泥培养形成的,待厌氧EGSB 反应器启动
成功并稳定运行后,从厌氧EGSB 反应器内取部分
颗粒污泥接种到微氧EGSB反应器中.
1. 3实验用水
EGSB反应器进水采用自配水. 以蔗糖、啤酒为
碳源,并按质量比COD∶N∶P = 100∶3∶1; S∶P = 1∶2;
S∶Fe2 + = 3∶1; Fe2 +∶Co2 +∶Ni2 + = 10∶1∶2加入NH4 Cl、KH2 PO4、Na2 S·9H2 O、FeCl2·4H2 O、CoCl2·6H2 O、
NiCl2·6H2O等营养物质.
1. 4实验方法
对于微氧EGSB 反应器,最重要的是如何控制
其微氧状态,一般可考虑控制加氧量、反应器内溶
解氧或反应器内的氧化还原电位来实现. 实验中分
析了HRT为3. 4h、不同进水COD浓度、不同加氧量
时EGSB反应器内溶解氧、氧化还原电位和COD去
除率的变化情况,以确定使EGSB 反应器处于微氧
状态的运行控制参数.
对比分析HRT为3. 4h、进水COD浓度分别为
427、869、1796、3123 mg·L – 1时,微氧和厌氧条件下
EGSB反应器的COD去除率和出水VFA浓度的变
化情况. 对于每一种进水浓度,连续稳定运行一个
月左右,每天测定COD去除率和出水VFA浓度,最
后分别取平均值进行列表分析.
分别从HRT为3. 4h、进水浓度为869 mg·L – 1、
稳定运行的厌氧和微氧EGSB 反应器内取颗粒污
泥,通过血清瓶实验(L i Yaxin, 1994;赵亚乾, 1993)
分析微氧与厌氧时EGSB反应器内颗粒污泥的产甲
烷活性的变化情况.
通过大幅改变HRT为3. 4h、进水浓度为869
mg·L – 1条件下,稳定运行微氧EGSB反应器的进水pH值、进水有机负荷和运行温度来分析其抗pH冲
击、抗温度冲击和抗负荷冲击的能力.
1. 5分析项目和方法
COD和SV I的测定采用标准法; pH值的测定
用PHS – 3C酸度计; VFA 的测定用滴定法; DO 的
测定用碘量法; ORP的测定用PHS – 3C酸度计和电
极(甘汞参比电极与铂电极) ;污泥产甲烷活性利用
改进的Marriotte瓶测定,具体方法见文献( Zeng et
a l. , 1996).
2结果(Results)
2. 1运行情况
表1是EGSB反应器在不同进水COD、不同加
氧量时的运行情况. 可以看出, 对于不同的进水
COD,均存在一最佳加氧量,使反应器内的溶解氧保
持在0～0. 01 mg·L – 1 ,氧化还原电位保持在- 380
～ – 400mV之间(此即为微氧EGSB 反应器所控制
的微氧状态) , COD去除率达到最大. 对于不同的进
水浓度,最佳加氧量的变化幅度太大,而由于存在
测定误差,溶解氧的控制也相对不敏感. 因此,氧化
还原电位是微氧EGSB反应器更为理想的运行控制
参数.
另外, 从表1 还可以看出, 对于同样的进水
COD,微氧时EGSB反应器的COD去除率比厌氧时
高,出水VFA浓度比厌氧时低. 与厌氧时相比,微氧
时进水COD 为427 mg·L – 1、869 mg·L – 1、1796mg·L – 1、3123 mg·L – 1时的COD去除率的增幅分别
为4. 0%、4. 2%、3. 9%和1. 1% ,出水VFA浓度的
降幅分别为43%、40%、46%和18%. 进水COD高
时微量氧的加入对运行效果的影响不明显.图2是进水COD为869 mg·L – 1时、稳定运行的
厌氧和微氧EGSB反应器内颗粒污泥的产甲烷活性
的变化情况. 图中曲线的斜率反映了颗粒污泥的产
甲烷活性. 可以看出,与厌氧时相比,微量氧的加入
并没有使EGSB 反应器内颗粒污泥的产甲烷活性
降低.
图2微氧与厌氧EGSB反应器内污泥的产甲烷活性
Fig. 2 Methanogenic activity of granule in microaerobic and
anaerobic EGSB reactor
2. 3 EGSB反应器在微氧条件下的抗冲击能力
温度、有机负荷和进水pH值的突然变化是厌
氧反应器在处理实际废水时常常碰到的问题,而厌
氧消化过程对环境条件相对较敏感. 因此,是否具
有很强的抗冲击能力往往是考察许多厌氧反应器
性能的一种方式. 已有实验表明EGSB 反应器在厌
氧条件下具有很强的抗冲击能力,因此此处仅讨论
EGSB反应器在微氧下的抗冲击情况.
图3是微氧EGSB反应器进出水pH值的变化
情况. 当微氧EGSB反应器进水pH值在5. 0与6. 5
之间波动时,出水pH值始终能够保持在7. 0以上,
甚至当进水pH值降至3. 72时,出水pH值也能达
到6. 54. 随后进水pH恢复到结合5. 40时,出水pH
也回升到7. 58.
图3微氧EGSB反应器进出水pH值的变化情况
Fig. 3Variation of the Influent and effluent pH value for the
microaerobic EGSB reactor
图4是微氧EGSB 反应器在温度和COD负荷
冲击下的运行情况. 图中A处温度从35℃突然升高
到60℃,持续几个小时后又降至35℃; B 处有机负
荷由24. 88 kg·m- 3·d- 1突然提高到36. 28 kg·m- 3·d- 1. 可以看出,微氧EGSB 反应器在经历了温度和
COD负荷的双重冲击后,恢复期仅为20d.
图4微氧EGSB反应器在温度和COD 负荷冲击下的运行
情况
Fig. 4 Operation of the miaroaerobic EGSB reactor at the
conditions of temperature and load shock
3讨论(Discussion)
加入适量的氧能提高EGSB 反应器的COD去
除率,但对于不同的进水浓度,所需的加氧量是不
同的,进水浓度越低,所需的加氧量越少. 这一方面
是因为低浓度废水中本身就存在着一定量的溶解
氧;另一方面,对于同样的进水流量,进水浓度越
低,有机负荷越低,保证微氧EGSB反应器理想运行
所需的氧量也越少.
在微氧条件下,氧可被用于充当微生物生长和
代谢过程中的电子受体和酶反应的调节者,参与电
子传递系统,氧化在厌氧发酵、TCA 循环和生物合
成过程所释放的还原力,使系统的还原力达到其产
生与消耗的平衡,保持高效稳定运行; 氧也可以被
用于氧化VFAS、H2 S及一些中间代谢产物等;氧还
可通过在低氧浓度下产生的选择性条件将SO2 –
4 还
原为单质S或S2O2 –
3 而不是H2 S,减少有毒中间产
物的积累( Zitomer et al. , 2000). 由于以上特性,氧
的加入相应地提高了系统的COD去除率,降低了出
水VFA浓度,增强了系统的抗pH冲击能力. 另外,
最重要的是还能减轻对甲烷菌的毒害作用.
对于EGSB 反应器,适量氧的加入有助于悬浮
状态或颗粒污泥表层的好氧菌或兼性菌的生长,而
这些好氧菌和兼性菌的生长能够消耗氧,从而保证
颗粒污泥内部保持厌氧状态,使得颗粒污泥内部的
甲烷菌对微量氧的加入并不敏感. 在实验中也发现
微量氧的加入,颗粒污泥的产甲烷活性并没有降
低. 另外,在微量氧存在的条件下乙酸盐和丙酸盐
很容易被普通的细菌所代谢;但在厌氧条件下只有
甲烷菌、硫酸盐还原菌、除磷酸盐菌以及很少
的对环境要求很严格的厌氧菌才能代谢乙酸盐,这也可以在一定程度上解释了微氧条件下COD去除
率比厌氧时高,出水VFA浓度比厌氧时低的原因.
丰富的微生物菌群和微量氧对一些中间代谢产物
的及时氧化降解、转移也使得微氧EGSB 反应器在
经历温度和负荷双重冲击后能很快恢复.
4结论(Conclusions)
1)适量氧的加入能够使EGSB 反应器的COD
去除率提高,出水VFA浓度降低. 对于427 mg·L – 1、
869 mg·L – 1、1796 mg·L – 1、3123mg·L – 1 的进水
COD,与厌氧时相比,微氧时COD去除率的增幅和
出水VFA浓度的降幅分别为4. 0%、4. 2%、319%、
1. 1%和43%、40%、46%、18%.
2)适量氧的加入并没有对甲烷菌产生毒害
作用.
3) EGSB反应器在微氧条件下运行是可行而且
高效的. 氧化还原电位是微氧EGSB 反应器更为理
想的运行控制参数,一般在- 380～ – 400mV之间.
微氧EGSB反应器具有很强的抗pH冲击、负荷冲击
和温度冲击能力.
References:
Dong C J, Lu B N, Ma L, et al. 2003. Use of oxygen2limited
methanogenic technology for degradation of toxic matters in water
[ J ]. ChinaWater Wastewater, 19 (8) : 19—22 ( in Chinese)
Dong C J, Lu B N, Chen ZQ. 2005. Characteristic of anaerobic granular
sludge and digestion sludge under microaerobic conditions [ J ].
Journal of Nanjing University of Science and Technology, 29 ( 2) :
216—218 ( in Chinese)
Field J, Stams A, Kato M, et al. 1995. Enhanced biodegradation ofaromatic pollutants in co2cultures of anaerobic and aerobic bacterial
consortia[ J ]. Anton van Leeuwenhoek, 67: 47—77
Gerritse J, Schut F, Gottschal J C. 1990. Mixed chemostat cultures of
obligately aerobic and fermentative or methanogenic bacteria grown
under oxygen2limiting conditions[ J ]. FEMSMicrobiology Letters,
66: 87—94
Li Yaxin. 1995. Stimulation effect of tracemetals on anaerobic digestion of
high sodium content substrate[ J ]. Water Treatment, 10: 145—154
Pirt S J, Lee Y K. 1983. Ehancement of methanogenesis by traces of
oxygen in bacterial digestion of biomass[ J ]. FEMSMicrobiolLett,
18: 61
Stephenson R J, Patoine A, Guiot S R. 1999. Effect of oxygenation and
upflow liquid velocity on a coup led anaerobic / aerobic reactor
system[ J ]. Wat Res, 12: 2855—2863
Zeng A P, Deckwer W D. 1996. Bioreaction techniques under
microaerobic conditions: from molecular level to p ilot p lant reactors
[ J ]. Chemical Engineering Science, 51 (10) : 2305—2314
Zhao YQ. 1993. A new method formeasuringmaximum specificmethane
p roduction rate of anaerobic sludge [ J ]. China Biogas, 11 ( 1 ) :
19—22 ( in Chinese)
Zitomer D H. 1998. Feasibility and benefits of methanogenesis under
oxygen2limited conditions[ J ]. WasteManagement, 18: 107—116
Zitomer D H, Shrout J D. 2000. High2sulfate, high2chemical oxygen
demand wastewater treatment using aerated metnanogenic fluidized
beds[ J ]. Water Environment Research, 1: 90—97
中文参考文献:
董春娟,吕炳南,马立,等. 2003. 采用微氧产甲烷技术降解水中
的毒性物质[ J ]. 中国给水排水, 19 (8) : 19—22
董春娟,吕炳南,陈志强. 2005. 微氧条件下厌氧颗粒污泥和消化污
泥特性研究[ J ]. 南京理工大学学报, 29 (2) : 216—218
赵亚乾. 1993. 一种新的厌氧污泥比活性试验测定法[ J ]. 中国沼气,
11 (1) : 19—22
