膨胀颗粒污泥床反应器的应用研究进展

1.3EGSB反应器颗粒污泥的特征
颗粒污泥是EGSB反应器获得高处理效果的原因所在。一方面，颗粒污泥具有良好的沉降性能，可以防止污泥随出水流失；另一方面，颗粒污泥可以维持反应器内最大限度地滞留高活性污泥，因此反应器在较高的有机负荷和水力负荷条件下仍能有效地去除废水中的有机物。
当利用EGSB反应器处理低温低浓度麦芽污水时，随着反应器的运行，颗粒污泥的粒径发生了一个转型过程。在反应初期，颗粒粒径主要集中在1.1～2.1mm；随着反应的进行，颗粒粒径分布范围更宽，大都分布在0.9～2.7mm，且在此范围内分布较均匀；在反应后期，颗粒粒径明显增加，主要集中在1.3～2.7mm。反应器不同高度处的颗粒污泥的粒径也有明显不同，如在反应器运行后期，反应器上部主要为1.7～1.9mm的小粒径污泥，而下部则为2.3～2.9mm的大粒径污泥。然而，就降解乙酸和VFA混合物的情况看，上部颗粒污泥的比基质降解率和比产甲烷活性分别比下部污泥高11%～40%和20%～45%。由于压力作用，底部污泥的密度增加，其孔隙度减少，于是基质扩散阻力加大，使得底部污泥活性较低。
低温低浓度情况下，反应器中的产甲烷菌主要是乙酸营养型甲烷毛发菌属(Methanosaeto)的菌种和氢营养型甲烷短杆菌属(Methanobrevibactor)的菌种。由于反应器内乙酸浓度很低，因此反应器内的甲烷八叠球菌属的菌种很少，所占比例不到1%，这与周琪[4]在利用UASB反应器处理生活污水过程中所观察到的结果相同。然而在UASB反应器中，索氏产甲烷丝菌为优势菌种，索氏产甲烷丝菌与甲烷毛发菌的共同特点是对乙酸的Ks值较低，在乙酸浓度低时，它们能与其它利用乙酸的产甲烷菌相互竞争，其中毛状菌属菌种对乙酸的Ks比甲烷八叠球菌属菌种之值低5～10倍[5]。
2EGSB反应器的应用研究现状
2.1处理低温低浓度污水
与所有生物处理一样，厌氧工艺的性能很大程度上受环境因素的影响(如温度、pH、营养物质等)[6]。最佳性能一般只能在最佳温度范围达到，大多数厌氧工艺设定都在30～40℃、50～60℃这两范围内，因为其代表了产甲烷细菌的最佳生长温度。通常认为低温下(<20℃)，产甲烷菌的最大比生长速率会受到抑制，反应速率减慢，从而会降低工艺的处理效果。EGSB中高的上升流速能够带来良好的水力搅拌条件，促进了底物与生物体间的有效接触，增强了传质效果，这也就使得在低于15℃的低温条件下处理污水成为可能[7]。
自从EGSB反应器产生以后，大部分的研究都集中于低温低浓度污水的处理。一般认为，在利用厌氧技术处理低浓度污水时，通常会遇到3个问题，即溶解氧的影响、低的基质浓度和低的水温。由于产甲烷菌通常被认为是严格厌氧菌，因此溶解氧的存在会抑制产甲烷菌的活性；低的基质浓度和低的反应温度则会导致微生物活性的降低。EGSB反应器采用了较高的液体上升流速，污水与污泥之间可以充分接触，传质效果良好，且颗粒污泥的形成和大量兼性菌的存在，使得其在处理低浓度污水方面具有很大的优势。
KATO等[3]曾采用两个225.5L的EGSB反应器在30℃时处理以乙醇为基质的模拟低浓度污水。其中R1反应器是在无氧的环境下运行，R2反应器则在氧浓度相对较高(最高达3.8mg/L的环境下运行。R1和R2在不同的HRT(0.5～2.1h)、有机负荷率(OLR)为3.90～3.24kgCOD/(m3•d)的情况下，处理进水COD为127～675mg/L的污水，实验结果表明，在相近的运行条件下所获得的处理效果相差无几，由此证明，溶解氧的存在对EGSB反应器的运行没有明显影响。另外，当vup控制在2.5～5.5m/h时，只要选择适当的OLR，当进水COD为500～700mg/L甚至100～200mg/L时，反应器的去除率均能达到90%以上。
REBAC等[8]采用120L的EGSB反应器研究在常温下处理生活污水，反应器有效容积为116L，反应区直径为0.19m，高度为4.0m，接种颗粒污泥取自处理造纸废水的生产性UASB反应器。结果表明，EGSB反应器不适合处理含悬浮物的废水。在干燥气候且温度大于13℃条件下，当HRT大于3.5h，容积负荷大于2.7kg/(m3•d)时，可溶性COD去除率及总COD去除率分别为51%和34%，而在HRT为2.0、1.5h时，可溶性COD的去除率分别为45%和32%。
REBAC等[8]对低温(13～20℃)条件下EGSB反应器处理麦芽发酵废水进行了中试研究，其EGSB反应器的内径为0.2m，高7.5m，总容积为225.5L，接种污泥为760m3，UASB反应器(20～24℃)内的颗粒污泥。麦芽污水的COD为282～1436mg/L，其中可厌氧生物降解部分占73%。当反应器在16℃情况下运行时，采用2.4h的HRT和4.4～8.8kgCOD/(m3•d)的OLR，COD平均去除率约为56%；当反应器在20℃情况下运行时，HRT分别为2.4、1.5h、OLR分别为8.8、14.6kgCOD/(m3•d)时，COD去除率分别为66%和72%。
王凯军等[9]以水解反应器对城市污水进行预处理，去除SS并提高COD的溶解性和可生化性后，出水进入EGSB反应器，在温度8～12℃，EGSB的水力停留时间仅为2h时，COD的去除率为60%。大量研究结果表明，EGSB在处理低浓度废水方面具有潜在的优势，但目前在我国EGSB的应用仅处于研究阶段，尚未有生产规模的EGSB[10]。
董春娟等[11]在低温低浓度下进行了对EGSB反应器进行了动力学研究，研究表明，EGSB反应器在进水COD450mg/L、35℃(与35℃同样的液体上升流速)和15℃(提高液体上升流速至最佳)3种运行条件时的速率常数分别为3.91×102、1.07×102、2.54×102d-1。温度的降低会使速率常数大幅度降低，但液体vup的提高能在一定程度上缓解温度降低对膨胀颗粒污泥床反应器运行效果产生的不利影响，保证该反应器能在低温、低浓度下高效运行。膨胀颗粒污泥床反应器内相对较高的液体上升流速能够使膨胀颗粒污泥床反应器保持很低的活化能，这在一定程度上缓解了温度的降低对膨胀颗粒污泥床反应器高效运行所产生的不利影响，是保证膨胀颗粒污泥床反应器在低温、低浓度下高效稳定运行的关键。