陳倩倩，陳　輝，郭　瓊，王慧中,金仁村

(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州310036)

UASB組合工藝處理生活污水研究進展

陳倩倩，陳輝，郭瓊，王慧中,金仁村

(杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州310036)

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

關鍵詞：生活污水；UASB；活性污泥工藝；生物濾池；人工濕地

隨著中國經濟發(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、避免生活污水對水體造成污染成為一個熱門的研究方向.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，厭氧處理過程能夠將廢水中的能量以沼氣的形式回收，同時實現大部分有機物的去除.但對廢水中的N、P等營養(yǎng)元素和病原生物(病毒、細菌、原生動物和寄生蟲等)的去除效果較差[5]；另外，在發(fā)展中國家和氣候波動的條件下(如亞熱帶地區(qū))厭氧過程的應用存在一定的局限性[6].用于厭氧過程的反應器種類繁多，諸如升流式厭氧污泥床(UASB)、膨脹顆粒污泥床(EGSB)、復合式厭氧流化床(UBF)和厭氧折流板反應器(ABR)等[7-8].其中UASB反應器是厭氧過程中最常用的反應器構型[9].

為使污水達到排放標準，有必要對厭氧反應器的出水進行后處理，即采用厭氧-好氧組合工藝處理生活污水[10].近幾年來，隨著研究者對污水后處理研究的深入，出現了一些新型的后處理方法.本文對幾種UASB-后處理工藝處理生活污水時的運行條件、工藝優(yōu)缺點、處理效果以及工藝技術和經濟參數進行了總結，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“功能強大”的污水處理方法.“簡單”是指活性污泥法的設備簡單，一個曝氣池、一個沉淀池，再加上回流，即可組成活性污泥系統；“功能強大”則意味著已開發(fā)多種規(guī)格型號的系統，用于滿足不同的需求，脫氮除磷并去除有機物.

1.1UASB-活性污泥法(UASB-AS)組合工藝

UASB-AS系統由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進行進一步的消化處理.這個系統的獨特之處是UASB替代了傳統AS系統中的初沉池[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 ℃，水力停留時間(HRT)維持5 h以上，一個運行一年半的生產規(guī)模UASB-AS系統的出水水質優(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系統處理含4 500 mg/L COD的乳制品生產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準(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]的研究結果類似，他們發(fā)現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，用UASB工藝處理城市生活污水，HRT為3 h時，COD去除率達61.7%～82.3%，出水COD達到國家二級排放標準，但氮和磷的去除效果不佳；對UASB-SBR組合系統進行實驗，結果表明水中的氨氮、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系統相比，組合工藝可以使投資和運行成本最小化，厭氧預處理的應用將分別使污水處理場地、剩余污泥的產生及需氧量減小40%、58%和62%[16].

UASB-SBR系統由于運行穩(wěn)定、易管理，可用于發(fā)展中國家的生活污水處理.此外，可根據當地污水排放標準和UASB出水水質對系統中的溶解氧濃度、pH和氧化還原電位進行實時監(jiān)控，依據這些參數的變化來調整SBR的運行過程，縮短反應周期，提高處理能力，實現節(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，生物膜法因為操作簡單、抗沖擊負荷、剩余污泥少等特點，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、無需設置二沉池、能耗較低、運行靈活，適用于發(fā)展中國家的城市生活污水處理.研究表明，當有機負荷為0.4 kg BOD/(m/d)、水力負荷(HLR)為10 m3/(m/d)時，UASB-TF系統出水符合巴西當地BOD、COD和TSS排放標準.然而，現有的UASB-TF系統中異養(yǎng)型微生物可能占主導地位，導致氨氮的去除率僅為13%～27%[18].為提高氨氮和有機物的去除率，可降低UASB-TF的有機負荷至0.25 kg BOD/(m/d)以下，或者增加TF的高度從而提高對有機物的去除能力.

為了實現更好的出水水質，對TF系統中填料的種類進行考慮，其中在較低的有機負荷條件下，海綿材料是一個很好的選擇[19].最近，Guillén等[20]研究了一種新型反應器——海綿床滴濾器，該反應器主要填充柱狀海綿填料，同時通過空氣對流實現反應過程中所需的氧氣.海綿床滴濾器也可用于UASB后處理過程來提高出水水質.但是，在運行過程中具體的操作條件等需要進一步的探索.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器的性能.濾料的填充和運行過程中濾料表面沖洗增加了建設和維護成本[21].

2.2UASB-生物轉盤(UASB-RBC)組合工藝

生物轉盤法對有機物有較好的去除效果，與UASB聯合可進一步提高出水水質.目前，生物轉盤技術在國內外已廣泛應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用前景.在溫度高于22 ℃的條件下，實際廢水在UASB中進行厭氧處理后進入一級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].

盤片的材質會影響出水效果，Tawfik等[24]發(fā)現，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，轉盤轉速、轉盤浸沒百分比和水力停留時間都會影響有機物去除效果，因此，為了使能耗消耗最小和處理效果最優(yōu)，可根據進水水質、水量以及環(huán)境溫度(尤其是冬季低溫條件下)，合理設置這些參數.另外，還可以通過改變RBC的組數來實現.在運行過程中，需要經常對工藝中軸承、馬達進行維護以免出現故障造成轉盤上富集過多的生物膜影響反應器性能，這同時也增加了運行費用[24].

2.3UASB-懸掛海綿式反應器(UASB-DHS)組合工藝

DHS系統是由日本長岡技術科學大學Harada教授團隊研究發(fā)明的一種新型技術.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部逐漸減少.因此，利用UASB-DHS系統處理城市生活污水時，受溶解氧濃度的影響，分層實現有機物、氨和硝酸鹽的去除[25].Tandukar等[26]在處理城市生活污水時對中試規(guī)模的UASB-DHS系統和AS進行比較，經過300 d的運行發(fā)現，兩個系統對BOD的去除率均在90%以上，但AS中剩余污泥的產量是UASB-DHS的15倍；另外，UASB-DHS系統在去除病菌方面的性能也超過AS；同時，UASB-DHS系統不需要進行曝氣.因此，UASB-DHS系統是一種經濟可行的處理城市生活污水的技術，但是在推廣應用時仍存在著工藝放大的問題[27].

與DHS單元的操作類似，Patel等[28]用一個層疊的海綿反應器處理UASB反應器出水，有效地去除了廢水中的COD、BOD、TSS、TN、TP、TC和EC，出水水質符合大多數發(fā)展中國家地表水排放標準，這種方法優(yōu)于UASB-DHS系統.Takahashi等[27]延伸了DHS單元理念，結合硫的氧化還原反應去除有機物.然而，仍需對這些系統進行深入研究，包括DHS反應器的阻塞、填料的清洗、填料的壽命和廢舊填料處置問題；另外，反應器抗負荷沖擊能力弱，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)處理技術具有處理成本低，運行管理方便，可同時去除BOD、病原菌、重金屬、有毒有機物及N、P營養(yǎng)物質的特點，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方針.但該系統極易受溫度的影響[30].UASB-浮萍植物系統能高效去除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充當過濾器的作用，允許自然界對有機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，降解有機物.根據設計要求，人工濕地可設置生物膜載體，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，SSF)和表面流濕地(僅表面流動，FWS)[34].FWS中，UASB的出水在濕地的表層流動，通過植物和微生物進行病原體的去除和營養(yǎng)鹽的吸收.與SSF相比，FWS需要更多的土地，且如果沒有合理的操作會產生氣味.如Khateeb等[35]研究一系列串聯的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，可根據出水的要求，調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水中的TSS[30].UASB作為預處理單元有利于進入人工濕地之前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在面臨的主要問題[35].

4結語與展望

盡管上述組合工藝的運行條件、處理效果各有優(yōu)劣(表1)，工藝技術和經濟參數也不盡相同(表2)，但已有研究和應用實踐表明，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.實際應用中，可以結合當地社會、經濟和環(huán)境狀況選擇合適的工藝路線，以減少能源損耗，實現污水處理.其次，應該改進已有的后處理方法，克服后處理過程中存在的缺點，更好地去除有機物、N、P和病原體.

表1　后處理工藝在應用過程中的優(yōu)缺點分析

表2　組合工藝技術和經濟參數的比較

注：+++,高；++,中等；+,低；Y,是；N,否；—,數據不可用.

結合國內外的研究推斷，未來污水處理發(fā)展趨勢是在實現營養(yǎng)物質去除的同時，盡可能多地以沼氣和熱能的形式回收廢水中的能源物質，抵消污水處理過程中曝氣能耗、設備投資和剩余污泥處理的費用，使污水處理過程成為一個凈能源的生產者而不是消耗者.因此，UASB-后處理系統應用前景廣闊，尚需在實驗室研究的基礎上，適時推進中試和生產性應用，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

基金項目：國家自然科學基金項目(51278162)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(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:X703

文獻標志碼:A

文章編號:1674-232X(2016)03-0271-06