UASB组合工艺处理生活污水研究进展

陈倩倩，陈　辉，郭　琼，王慧中,金仁村

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州310036)

UASB组合工艺处理生活污水研究进展

陈倩倩，陈辉，郭琼，王慧中,金仁村

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州310036)

摘要：归纳了升流式厌氧污泥床反应器和一些后处理工艺(活性污泥工艺、生物滤池、生物转盘、稳定塘、人工湿地等)相组合处理生活污水的研究进展.总结了各种组合工艺的运行条件、处理效果和存在的问题.并指出，今后污水处理应该朝着资源回收和节约能源的方向发展.

关键词：生活污水；UASB；活性污泥工艺；生物滤池；人工湿地

随着中国经济发展，城镇化速度加快，城市人口增多，生活污水的排放量日益增加.如何高效处理生活污水、避免生活污水对水体造成污染成为一个热门的研究方向.厌氧生物处理具有诸多优势，如成本低、操作简单、能耗和污泥产量低，因此在城市生活污水处理方面潜力巨大[1-4].此外，厌氧处理过程能够将废水中的能量以沼气的形式回收，同时实现大部分有机物的去除.但对废水中的N、P等营养元素和病原生物(病毒、细菌、原生动物和寄生虫等)的去除效果较差[5]；另外，在发展中国家和气候波动的条件下(如亚热带地区)厌氧过程的应用存在一定的局限性[6].用于厌氧过程的反应器种类繁多，诸如升流式厌氧污泥床(UASB)、膨胀颗粒污泥床(EGSB)、复合式厌氧流化床(UBF)和厌氧折流板反应器(ABR)等[7-8].其中UASB反应器是厌氧过程中最常用的反应器构型[9].

为使污水达到排放标准，有必要对厌氧反应器的出水进行后处理，即采用厌氧-好氧组合工艺处理生活污水[10].近几年来，随着研究者对污水后处理研究的深入，出现了一些新型的后处理方法.本文对几种UASB-后处理工艺处理生活污水时的运行条件、工艺优缺点、处理效果以及工艺技术和经济参数进行了总结，为生活污水的高效和深度处理提供参考.

1活性污泥法后处理组合工艺

活性污泥法是一种“简单”而“功能强大”的污水处理方法.“简单”是指活性污泥法的设备简单，一个曝气池、一个沉淀池，再加上回流，即可组成活性污泥系统；“功能强大”则意味着已开发多种规格型号的系统，用于满足不同的需求，脱氮除磷并去除有机物.

1.1UASB-活性污泥法(UASB-AS)组合工艺

UASB-AS系统由UASB、连续流曝气池和沉淀池组成.沉淀池用于收集活性污泥，返回到UASB进行进一步的消化处理.这个系统的独特之处是UASB替代了传统AS系统中的初沉池[6].

UASB-AS具有较高的COD、BOD和污泥浓度(TSS)去除率[11-12].Motta等[12]研究表明，在15～30 ℃，水力停留时间(HRT)维持5 h以上，一个运行一年半的生产规模UASB-AS系统的出水水质优良(COD和TSS分别为46和8 mg/L)，并且该过程几乎不受环境条件的影响.Tawfik等[13]在20 ℃下，用HRT为26 h的UASB-AS系统处理含4 500 mg/L COD的乳制品生产废水与生活污水的混合物，COD、BOD、油和油脂的去除率分别为98.9%、99.6%、98.9%，出水符合埃及的排放标准(COD为80 mg/L，BOD为 60 mg/L，总悬浮物固体TSS为60 mg/L，粪大肠杆菌群FC为105/100 mL).该工艺的缺陷是大肠杆菌的去除效果较差，这与Mungray等[14]的研究结果类似，他们发现好氧处理如活性污泥法的出水含有大量大肠杆菌群(EC)和FC.因此，需要后续处理或附加步骤(如消毒)解决该问题.

1.2UASB-序批式活性污泥法(UASB-SBR)组合工艺

李亮等[15]发现，用UASB工艺处理城市生活污水，HRT为3 h时，COD去除率达61.7%～82.3%，出水COD达到国家二级排放标准，但氮和磷的去除效果不佳；对UASB-SBR组合系统进行实验，结果表明水中的氨氮、总氮和总磷得到了有效去除，并且由于SBR中的静置阶段使得固、液相有效分离，出水SS浓度较低.另外，UASB-SBR组合工艺和单一的SBR系统相比，组合工艺可以使投资和运行成本最小化，厌氧预处理的应用将分别使污水处理场地、剩余污泥的产生及需氧量减小40%、58%和62%[16].

UASB-SBR系统由于运行稳定、易管理，可用于发展中国家的生活污水处理.此外，可根据当地污水排放标准和UASB出水水质对系统中的溶解氧浓度、pH和氧化还原电位进行实时监控，依据这些参数的变化来调整SBR的运行过程，缩短反应周期，提高处理能力，实现节能减耗[17].

2生物膜法后处理组合工艺

与活性污泥法相比，生物膜法因为操作简单、抗冲击负荷、剩余污泥少等特点，适用于中小型污水处理厂.并且，在污染物浓度较低的情况下，载体上的生物膜以及微生物能够和水质保持充分的接触，取得良好的处理效果.因此，生物膜法可以很好地用于UASB反应器出水的后处理.

2.1UASB-生物滤池(UASB-TF)组合工艺

UASB-TF组合工艺占地面积小、无需设置二沉池、能耗较低、运行灵活，适用于发展中国家的城市生活污水处理.研究表明，当有机负荷为0.4 kg BOD/(m/d)、水力负荷(HLR)为10 m3/(m/d)时，UASB-TF系统出水符合巴西当地BOD、COD和TSS排放标准.然而，现有的UASB-TF系统中异养型微生物可能占主导地位，导致氨氮的去除率仅为13%～27%[18].为提高氨氮和有机物的去除率，可降低UASB-TF的有机负荷至0.25 kg BOD/(m/d)以下，或者增加TF的高度从而提高对有机物的去除能力.

为了实现更好的出水水质，对TF系统中填料的种类进行考虑，其中在较低的有机负荷条件下，海绵材料是一个很好的选择[19].最近，Guillén等[20]研究了一种新型反应器——海绵床滴滤器，该反应器主要填充柱状海绵填料，同时通过空气对流实现反应过程中所需的氧气.海绵床滴滤器也可用于UASB后处理过程来提高出水水质.但是，在运行过程中具体的操作条件等需要进一步的探索.此外，还可以通过反冲洗去除填料表面截留的悬浮物以及老化的生物膜来提高反应器的性能.滤料的填充和运行过程中滤料表面冲洗增加了建设和维护成本[21].

2.2UASB-生物转盘(UASB-RBC)组合工艺

生物转盘法对有机物有较好的去除效果，与UASB联合可进一步提高出水水质.目前，生物转盘技术在国内外已广泛应用于生活污水和工业废水的处理等，尤其在小城镇污水处理方面有着广阔的应用前景.在温度高于22 ℃的条件下，实际废水在UASB中进行厌氧处理后进入一级RBC(HRT为2.5 h，OLR为14.5 g COD/(m/d))去除COD(最终出水中COD为76 mg/L)、部分氨和乙基纤维素[22-23].

盘片的材质会影响出水效果，Tawfik等[24]发现，在氨和乙基纤维素的去除方面，聚氨酯圆盘比聚苯乙烯圆盘更有效.此外，转盘转速、转盘浸没百分比和水力停留时间都会影响有机物去除效果，因此，为了使能耗消耗最小和处理效果最优，可根据进水水质、水量以及环境温度(尤其是冬季低温条件下)，合理设置这些参数.另外，还可以通过改变RBC的组数来实现.在运行过程中，需要经常对工艺中轴承、马达进行维护以免出现故障造成转盘上富集过多的生物膜影响反应器性能，这同时也增加了运行费用[24].

2.3UASB-悬挂海绵式反应器(UASB-DHS)组合工艺

DHS系统是由日本长冈技术科学大学Harada教授团队研究发明的一种新型技术.基于海绵材料的多孔性和较大的比表面积，溶解氧浓度从其表面到内部逐渐减少.因此，利用UASB-DHS系统处理城市生活污水时，受溶解氧浓度的影响，分层实现有机物、氨和硝酸盐的去除[25].Tandukar等[26]在处理城市生活污水时对中试规模的UASB-DHS系统和AS进行比较，经过300 d的运行发现，两个系统对BOD的去除率均在90%以上，但AS中剩余污泥的产量是UASB-DHS的15倍；另外，UASB-DHS系统在去除病菌方面的性能也超过AS；同时，UASB-DHS系统不需要进行曝气.因此，UASB-DHS系统是一种经济可行的处理城市生活污水的技术，但是在推广应用时仍存在着工艺放大的问题[27].

与DHS单元的操作类似，Patel等[28]用一个层叠的海绵反应器处理UASB反应器出水，有效地去除了废水中的COD、BOD、TSS、TN、TP、TC和EC，出水水质符合大多数发展中国家地表水排放标准，这种方法优于UASB-DHS系统.Takahashi等[27]延伸了DHS单元理念，结合硫的氧化还原反应去除有机物.然而，仍需对这些系统进行深入研究，包括DHS反应器的阻塞、填料的清洗、填料的寿命和废旧填料处置问题；另外，反应器抗负荷冲击能力弱，尤其是氮去除率易受影响.

3其他后处理组合工艺

稳定塘和人工湿地等污水生态处理技术具有处理成本低，运行管理方便，可同时去除BOD、病原菌、重金属、有毒有机物及N、P营养物质的特点，在面源污染和村镇污水的治理方面有一定的优越性.

3.1UASB-稳定塘(UASB-SP)组合工艺

Sperling等[29]研究了浅塘系统去除UASB出水中BOD和FC的性能，出水符合城市污水和世界卫生组织无限制灌溉的指导方针.但该系统极易受温度的影响[30].UASB-浮萍植物系统能高效去除UASB出水中营养盐，适用于发展中国家生活污水处理.在冬季(13～20 ℃)，环境温度对COD、BOD和TSS的去除率影响不大，但是浮萍植物的生长速率明显降低，废水中N、P的去除率随之下降，EC的去除率也降低[30-31].因此，UASB-SP组合工艺可用于亚热带气候条件下的生活污水处理[32].但是，该工艺占地面积大，易受地域的限制，不适合在城市使用[33].

3.2UASB-人工湿地(UASB-CW)组合工艺

CW充当过滤器的作用，允许自然界对有机物的降解和污水中营养物、病原体、沉积物和污染物的去除.CW水深通常不到1 m，通过水生植物(根、茎和叶)为微生物的生长提供基质，降解有机物.根据设计要求，人工湿地可设置生物膜载体，如碎石、沙子和石头.常用的人工湿地类型为潜流湿地(水平或者竖直流动，SSF)和表面流湿地(仅表面流动，FWS)[34].FWS中，UASB的出水在湿地的表层流动，通过植物和微生物进行病原体的去除和营养盐的吸收.与SSF相比，FWS需要更多的土地，且如果没有合理的操作会产生气味.如Khateeb等[35]研究一系列串联的SSF和FWS单元，其出水几乎不含任何病原体.在营养物和病原体的去除方面，种植植物的湿地的性能更好.然而，没有种植植物的湿地仍然可以提供好的COD和TSS的去除.因此，可根据出水的要求，调整在人工湿地中种植植物的需求[36-37].

人工湿地的主要问题之一是堵塞，尤其是在入口附近.这很大程度上取决于进水中的TSS[30].UASB作为预处理单元有利于进入人工湿地之前TSS的去除，从而减少固体颗粒在碎石上的聚集.另外，人工湿地极易受气候和外界温度的影响.因此，如何在冬季提高人工湿地的有效性是现在面临的主要问题[35].

4结语与展望

尽管上述组合工艺的运行条件、处理效果各有优劣(表1)，工艺技术和经济参数也不尽相同(表2)，但已有研究和应用实践表明，UASB-后处理组合工艺基本克服了病原生物体、N和P去除的问题.实际应用中，可以结合当地社会、经济和环境状况选择合适的工艺路线，以减少能源损耗，实现污水处理.其次，应该改进已有的后处理方法，克服后处理过程中存在的缺点，更好地去除有机物、N、P和病原体.

表1　后处理工艺在应用过程中的优缺点分析

表2　组合工艺技术和经济参数的比较

注：+++,高；++,中等；+,低；Y,是；N,否；—,数据不可用.

结合国内外的研究推断，未来污水处理发展趋势是在实现营养物质去除的同时，尽可能多地以沼气和热能的形式回收废水中的能源物质，抵消污水处理过程中曝气能耗、设备投资和剩余污泥处理的费用，使污水处理过程成为一个净能源的生产者而不是消耗者.因此，UASB-后处理系统应用前景广阔，尚需在实验室研究的基础上，适时推进中试和生产性应用，助力污水处理向“节能、资源回收、环境友好”的方向发展.

参考文献:

[1] 张正哲，姬玉欣，陈辉，等.厌氧氨氧化工艺的应用现状和问题[J].生物工程学报，2014，30(12)：1804-1816.

[2] ZHU G F, LI J Z, JHA A K. Anaerobic treatment of organic waste for methane production under psychrophilic conditions[J]. International Journal of Agriculture and Biology,2014,16(5):1025-1030.

[3] MCCARTY P L, BAE J, KIM J. Domestic wastewater treatment as a net energy producer-can this be achieved?[J]. Environmental Science & Technology,2011,45(17):7100-7106.

[4] SHOENER B D, BRADLEY I M, CUSICK R D, et al. Energy positive domestic wastewater treatment: the roles of anaerobic and phototrophic technologies[J]. Environmental Science. Processes & Impacts,2014,16(6):1204-1222.

[5] SMITH A L, STADLER L B, CAO L, et al. Navigating wastewater energy recovery strategies: a life cycle comparison of anaerobic membrane bioreactor and conventional treatment systems with anaerobic digestion[J]. Environmental Science & Technology,2014,48(10):5972-5981.

[6] CHERNICHARO C A L. Post-treatment options for the anaerobic treatment of domestic wastewater[J]. Reviews in Environmental Science and Biotechnology,2006,5(1):73-92.

[7] 邢保山，金仁村，马春.厌氧流化床反应器模型的研究进展[J].杭州师范大学学报(自然科学版)，2012，11(3)：205-210.

[8] LEW B, LUSTIG I, BELIAVSKI M, et al. An integrated UASB-sludge digester system for raw domestic wastewater treatment in temperate climates[J]. Bioresource Technology,2011,102(7):4921-4924.

[9] ABBASI T, ABBASI S A. Formation and impact of granules in fostering clean energy production and wastewater treatment in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2012,16(3):1696-1708.

[10] 汪翠萍，魏拓，郑明霞，等.升流缺氧/好氧脱氮工艺处理生活污水的研究[J].中国给水排水，2014，30(5)：88-91.

[11] CAO Y S, ANG C M. Coupled UASB-activated sludge process for COD and nitrogen removals in municipal sewage treatment in warm climate[J]. Water Science and Technology,2009,60(11):2829-2839.

[12] LA MOTTA E J, SILVA E, BUSTILLOS A, et al. Combined anaerobic/aerobic secondary municipal wastewater treatment:pilot-plant demonstration of the UASB/Aerobic solids contact system[J]. Journal of Environmental Engineering,2007,133(4):397-403.

[13] TAWFIK A, SOBHEY M, BADAWY M. Treatment of a combined dairy and domestic wastewater in an up-flow anaerobic sludge blanket(UASB)reactor followed by activatedsludge(AS system)[J]. Desalination,2008,227(1/2/3):167-177.

[14] MUNGRAY A K, PATEL K. Coliforms removal in two UASB + ASP based systems[J]. International Biodeterioration & Biodegradation,2011,65(1):23-28.

[15] 李亮，黄种买，张传国.UASB-SBR工艺处理城市生活污水的研究[J].工业水处理，2005，25(10)：21-23.

[16] MOAWAD A, MAHMOUD U F, EL-KHATEEB M A, et al. Coupling of sequencing batch reactor and UASB reactor for domestic wastewater treatment[J]. Desalination,2009,242(1/2/3):325-335.

[17] CHAN Y J, CHONG M F, LAW C L, et al. A review on anaerobic-aerobic treatment of industrial and municipal wastewater[J]. Chemical Engineering Journal,2009,155(1/2):1-18.

[18] DE ALMEIDA P G S, CHERNICHARO C A L, SOUZA C L. Development of compact UASB/trickling filter systems for treating domestic wastewater in small communities in Brazil[J]. Water Science and Technology,2009,59(7):1431-1439.

[19] ALMEIDA P G, MARCUS A K, RITTMANN B E, et al. Performance of plastic- and sponge-based trickling filters treating effluents from an UASB reactor[J]. Water Science and Technology,2013,67(5):1034-1042.

[20] GUILLEN J A S, GUARDADO P R C, VAZQUEZ C M L, et al. Anammox cultivation in a closed sponge-bed trickling filter[J]. Bioresource Technology,2015,186:252-260.

[21] 王靖雯，徐洪斌，马浩亮，等.曝气生物滤池脱氮技术的研究进展[J].工业水处理，2014，34(6)：1-4.

[22] TAWFIK A, ZEEMAN G, KLAPWIJK A, et al. Treatment of domestic sewage in a combined UASB/RBC system. Process optimization for irrigation purposes[J]. Water Science and Technology,2003,48(1):131-138.

[23] TAWFIK A, KLAPWIJK A, EL-GOHARY F, et al. Potentials of using a rotating biological contactor (RBC) for post-treatment of anaerobically pre-treated domestic wastewater[J]. Biochemical Engineering Journal,2005,25(1):89-98.

[24] TAWFIK A, KLAPWIJK A. Polyurethane rotating disc system for post-treatment of anaerobically pre-treated sewage[J]. Journal of Environmental Management,2010,91(5):1183-1192.

[25] KUBOTA K, HAYASHI M, MATSUNAGA K, et al. Microbial community composition of a down-flow hanging sponge (DHS) reactor combined with an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor for the treatment of municipal sewage[J]. Bioresource Technology,2014,151:144-150.

[26] TANDUKAR M, OHASHI A, HARADA H. Performance comparison of a pilot-scale UASB and DHS system and activated sludge process for the treatment of municipal wastewater[J]. Water Research,2007,41(12):2697-2705.

[27] TAKAHASHI M, YAMAGUCHI T, KURAMOTO Y, et al. Performance of a pilot-scale sewage treatment: an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) and a down-flow hanging sponge (DHS) reactors combined system by sulfur-redox reaction process under low-temperature conditions[J]. Bioresource Technology,2011,102(2):753-757.

[28] PATEL K, MUNGRAY A K. Combination of up-flow anaerobic sludge blanket reactor and a novel cascade sponge reactor for sewage treatment[J]. Water Science and Technology,2011,63(6):1255-1264.

[29] VON SPERLING M, MASCARENHAS L C. Performance of very shallow ponds treating effluents from UASB reactors[J]. Water Science and Technology,2005,1(12):83-90.

[30] WALIA R, KUMAR P, MEHROTRA I. Performance of UASB based sewage treatment plant in India: polishing by diffusers an alternative[J]. Water Science and Technology,2011,63(4):680-688.

[31] EL-SHAFAI S A, EL-GOHARY F A, NASR F A, et al. Nutrient recovery from domestic wastewater using a UASB-duckweed ponds system[J]. Bioresource Technology,2007,98(4):798-807.

[32] SEGHEZZO L, TRUPIANO A P, LIBERAL V, et al. Two-step upflow anaerobic sludge bed system for sewage treatment under subtropical conditions with post treatment in waste stabilization ponds[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology,2003,109(1/2/3):167-180.

[33] 张巍，许静，李晓东，等.稳定塘处理污水的机理研究及应用研究进展[J].生态环境学报，2014，23(8)：1396-1401.

[34] 梁康，王启烁，王飞华，等.人工湿地处理生活污水的研究进展[J].农业环境科学学报，2014，33(3)：422-428.

[35] EL-KHATEEB M A, AL-HERRAWY A Z, KAMEL M M, et al. Use of wetlands as post-treatment of anaerobically treated effluent[J]. Desalination,2009,245(1/2/3):50-59.

[36] DORNELAS F L, MACHADO M B, VON SPERLING M. Performance evaluation of planted and unplanted subsurface-flow constructed wetlands for the post-treatment of UASB reactor effluents[J]. Water Science and Technology,2009,60(12):3025-3033.

[37] 陶敏，贺锋，王敏，等.人工湿地强化脱氮研究进展[J].工业水处理，2014，34(3)：6-10.

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

基金项目：国家自然科学基金项目(51278162)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC13B02).

通信作者：金仁村(1979—)，男，教授，博士，主要从事环境生物技术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

中图分类号:X703

文献标志码:A

文章编号:1674-232X(2016)03-0271-06