厌氧膨胀颗粒污泥床反应器的国内研究与应用现状

向心怡，陈小光，戴若彬，王玉，周伟竹，徐垚（东华大学环境科学与工程学院，国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心，上海 201620）



厌氧膨胀颗粒污泥床反应器的国内研究与应用现状

向心怡，陈小光，戴若彬，王玉，周伟竹，徐垚
（东华大学环境科学与工程学院，国家环境保护纺织工业污染防治工程技术中心，上海 201620）

摘要：厌氧膨胀颗粒污泥床（expanded granular sludge bed，EGSB）反应器作为第三代厌氧反应器的典型代表，相比于上流式厌氧污泥床（UASB）反应器具有更高的容积负荷和抗冲击性能，且其还有占地小以及可产生沼气能源等优点，因而被广泛应用于多种高浓度有机废水处理。本文介绍了EGSB反应器的结构原理与运行流程；统计分析了近些年国内EGSB反应器的相关文献及其由小试到工程化的发展历程；概述了EGSB反应器在甲烷化、厌氧氨氧化（ANAMMOX）、生物制氢、同步脱氮除硫方面的研究进展；综述了产甲烷EGSB反应器与生物膜法、序批式活性污泥法和传统活性污泥法等工艺联用的工程应用现状，指出这些工艺均表现出良好的单体去除效果和较理想的整体去除效果，且EGSB反应器在与新兴技术的耦合上也表现出较好的前景。

关键词：厌氧膨胀颗粒污泥床反应器；第三代厌氧反应器；高浓度有机废水；甲烷化；工艺耦合

第一作者：向心怡（1993—），女，研究方向为废水生物处理及资源化。联系人：陈小光，博士，副教授，主要从事废水生物处理过程及设备的研究。E-mail cxg@dhu.edu.cn。

环保和能源问题是当今我国面临的两大难题[1]，而厌氧反应器隶属环保和能源双重领域，其在高浓度有机废水治理和沼气能源回收方面功不可没。与传统好氧生物处理相比，厌氧生物法不但容积有机负荷高，剩余污泥少，而且能耗低，还可产生大量沼气能源[2]。因此，厌氧反应器技术在环保水处理领域倍受青睐。

厌氧膨胀颗粒污泥床（expanded granular sludge bed，EGSB）反应器是在上流式厌氧污泥床（up-flow anaerobic sludge bed，UASB）反应器基础上发展起来的第三代厌氧反应器[3]。20世纪80年代初，荷兰Wageingen农业大学的LETTINGA教授等[4]通过对传统厌氧反应器增加三相分离器，实现了水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）的有效分离，从而发明了上流式厌氧污泥床反应器。虽然UASB反应器可持留大量的活性污泥，为其高效运行奠定了基础，但是由于反应器内混合强度不够，导致底部污泥超高负荷运行，从而抑制微生物的活性；另外，反应器内容易形成短流，极大地缩小了有效体积，影响处理效能。于是，LETTINGA等通过改变反应器高径比、同时设置出水回流以增加上升流速，使颗粒污泥床层处于膨胀状态，促进泥水混合、减少短流，从而开发了第三代高效厌氧反应器——EGSB反应器。

20世纪末期，EGSB反应器的研究如雨后春笋。据文献报道[5]，截止2001年，世界上已有300余座EGSB反应器在啤酒、造纸、淀粉、化工、酒精等高浓度工业废水处理中得到了广泛应用。截止2011年，世界上EGSB反应器的工程数量至少增长了5倍，达1500座以上。尽管2011年以后本文作者尚未查阅到相关工程应用数据，但是可以预测：EGSB反应器作为第三代厌氧反应器的典型代表，其工程应用的数量增长与日俱增。鉴于国内EGSB反应器的广泛研究与应用，且近年来尚缺乏有关于其的全面性综述，故本文着重对EGSB反应器国内的研究和应用现状作了较为全面的梳理，以飨同行。

1　EGSB结构原理

EGSB反应器由布水区（Ⅰ）、反应区（Ⅱ）、分离区（Ⅲ）和循环区（Ⅳ）四部分组成。EGSB反应器运行时，进水与回流水混合一起进入布水区，通过布水系统均匀地分配到反应器底部，产生较高的上升流速（一般为3～7m/h[6]，也有文献报道，Biothane公司专利产品Biobed®EGSB反应器在稳定运行的情况下能达到10～15m/h[7]），使废水与颗粒污泥充分接触，在反应区有机物被降解，产生沼气能源。混合的气、液、固三相在分离区内通过三相分离器进行混合液脱气与固液分离，部分沉降性能较好的污泥自然回落到污泥床层上，出水夹带部分沉降性较差的污泥洗出反应器，沼气继续向上流动进入集气室后排出反应器，一部分出水经循环回流至反应器底部与废水混合，有稀释进水与回收碱度的作用。其典型结构原理如图1所示。

图1　EGSB反应器结构示意

2　文献统计

基于《中国期刊CNKI全文数据库》电子资源，本文作者查阅了自1998—2014年间发表的关于EGSB反应器的近600篇文献和《中国优秀硕博士学位论文全文数据库》，对EGSB反应器的文献种类和分布进行了研究。

我国对EGSB反应器的研究自20世纪90年代开始，第一篇提到了EGSB反应器的文献是在1993 年[8]，至今已有二十余年。图2总结了自1998年来发表在中文期刊上有关EGSB反应器的研究和应用论文数量，可见：一是从1998—2008年的十年间，EGSB反应器的研究逐年递增，论文数量由2篇增至57篇，增长了27.5倍，并在2010年达到了高峰，达61篇；二是在综述类论文中，虽然大多都是在讲到厌氧反应器中提到了EGSB反应器，但并没有对它进行更加详实的总结，专门针对工程应用方面的论文寥寥无几。

与许多化工反应器相似，EGSB反应器在工程化的道路上历经了小试与中试阶段。由图3可见，在1998—2008年的十年间，实验室规模的研究论文随着总论文数增长而增长，之后一直维持在较高水平；其中，在2002年之前，EGSB反应器的论文主要集中在实验室研究阶段；而进入2003年后，关于EGSB反应器的论文有从小试转向中试的趋势，并相继出现工程化应用；在2008年后，工程化应用的论文整个占比明显增多，由2008年前的每年不超过4篇提升至平均每年9篇左右（平均年占比为18%），它昭示了随着行业需要的不断攀升和EGSB反应器技术的日臻成熟，许多工业废水的处理站设计中都有着EGSB反应器的身影。如2013年工程案例就有13例，占比高达26%；而2012—2014年的平均年占比也有23%。这些数据都表明其在我国许多工业废水处理工程领域已占据一席之地。

图2　按年代序列的中文EGSB反应器文献类别分布

图3　按年代序列的中文EGSB反应器研究类别分布

3　研究现状

就处理对象而言，近年对EGSB反应器研究和应用不再局限于对高浓度有机废水的甲烷化治理，还拓展至高氨氮和含硫废水的厌氧氨氧化（ANAMMOX）、生物制氢、同步脱氮除硫等较新颖的领域。根据文献调研（图4），在2005—2014年间我国发表的产甲烷化研究的论文占88%，而厌氧氨氧化、生物制氢、同步脱氮除硫的研究分别则占了9%、2%和1%。这一数据表明，关于厌氧氨氧化、生物制氢、同步脱氮除硫的研究有利于推动EGSB反应器的纵深发展。

图4　国内EGSB反应器实验室研究领域分布

3.1甲烷化

甲烷化过程的实质就是厌氧微生物新陈代谢的过程。在水解酶的作用下，复杂有机物被转化为较为简单的有机物，而后经过产酸菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌最终分解为甲烷[9]。历经四十年的发展，产甲烷高效厌氧反应器已在全世界范围内得到了广泛的应用[3]。近些年，对其的研究集中在反应器构型的优化及厌氧颗粒污泥的机理研究等[10]。本文作者认为构型优化仍是未来几年内的重要方向，以进一步提升反应器的容积效能及适应更加复杂的废水。

张瑞等[11]研究了城市垃圾焚烧渗沥液中Ca2+对EGSB反应器处理效能的影响，研究发现在一定的COD进水下，Ca2+浓度对产甲烷活性的作用是低促高抑的；同时进水Ca2+浓度6000mg/L以下时，COD去除率能高于93%。

蒋柱武等[12]对高温EGSB反应器处理木薯酒精废水进行了研究，发现高温条件下（55℃），有机负荷OLR在10～14kgCOD/(m3·d)的范围内，EGSB反应器处理效果好，平均去除率达到90.3%。一般而言，EGSB反应器的沼气产量随负荷的增加而以较快的速率增长，当OLR达到最大为24kgCOD/(m3·d)时，沼气转化量为0.315m3/kgCOD（标况）。同样的，华文强等[13]研究了基于PVA颗粒污泥的EGSB反应器处理高浓度乙二醇废水，温度保持在30℃，当OLR最大为14.5kgCOD/(m3·d)时，产气量为17L/d，沼气转化量达到0.24m3/ kgCOD。

实验中的沼气转化量均低于理论值0.35m3/kgCOD（标况）[14]，分析是由于降解的COD虽然大部分用于转化成沼气，仍有小部分用于微生物自身的新陈代谢和增殖。

3.2厌氧氨氧化

厌氧氨氧化即以NO2−为电子受体，以NH4+为电子供体，在ANAMMOX菌内厌氧氨氧化体（anammoxosome，含有羟胺和联氨氧化还原酶）的代谢作用下，生成N2和H2O的脱氮过程[15]。据报道，厌氧氨氧化可被应用于粪便消化液[16]、尿液[17]、制药废水[18]的处理，并且最近有研究表明其可在市政污水处理中发挥作用。相比于传统的脱氮技术，厌氧氨氧化具有相对较高的容积脱氮负荷，TANG等[19]研究发现ANAMMOX的总氮容积负荷率可达76.7kgN/(m3·d)，而传统的脱氮技术一般为2kgN/(m3·d)以下。

CHEN等[20]研究了Anammox-EGSB反应器的性能，试验表明在总氮容积负荷率23.71kgN/(m3·d)和总氮容积负荷去除率25.86kgN/(m3·d)时，出水氨氮浓度为11.9mg/L，总氮去除效率94.68%，氨氮、亚硝酸盐氮、总氮的转化率qmax分别为907.13mgN/(gVSS·d)、841.76mgN/(gVSS·d)、1810.10mgN/(gVSS·d)，半饱和常数Ks分别为2.69mgN/L、0.44mgN/L、3.11mgN/L。WANG等[21]在以处理啤酒废水的厌氧污泥为接种物启动EGSB反应器结束后，出现了ANAMMOX反应。在进水氨氮浓度为70～250mg/L时，氨氮去除率达40%；在进水亚硝氮浓度在70～250mg/L时，亚硝氮去除率可达98%，此时进水COD浓度为500mg/L，COD去除率为84%。

耿亮等[22]研究了EGSB反应器处理城市污水的工艺特性，在常温稳定运行的状态下，COD平均去除率为66.6%，氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的平均去除率均能达到90%以上，系统表现出明显的厌氧氨氧化性能。

试验表明，ANAMMOX-EGSB反应器能表现出较好的脱氮性能，报道的总氮容积负荷率为25kgN/(m3·d)左右，但根据TANG等[19]的研究，UASB-ANAMMOX可达77kgN/(m3·d)左右的负荷，而EGSB反应器作为更优的反应器构型，EGSB-ANAMMOX的总氮去除负荷率应还有较大提升空间。

3.3生物制氢

在厌氧反应器中的生物制氢的实质是暗发酵生物制氢，是指在无需光能的条件下，厌氧发酵产氢细菌利用甲酸分解、丙酮酸脱羟基与NADP/NAD平衡调节来将有机物分解成氢气的过程[23]。目前，对于生物制氢的研究领域主要集中在高效产氢菌种的选育，生物制氢工艺形式、运行与调控的研究几个方面，并于近二十年内取得了较大的进展。但其研究还存在一些问题，例如在厌氧发酵过程中产生的挥发性脂肪酸（VFA）会抑制产氢量，且低成本底物的开发等问题都限制了其发展[23]。

刘沙等[24]研究了以红糖为底物的EGSB反应器连续发酵制氢性能，发现在OLR为97.2kgCOD/(m3·d)、HRT为2h时可获得最大产氢速率5.73L/(L·d)，此时的氢气含量为48.44%，证明了红糖作为底物的可行性。

郭婉茜等[25]以CSTR与EGSB反应器对比，研究了两者的运行及产氢性能。在中温下，EGSB反应器的最佳OLR范围在70～80 kgCOD/(m3·d)，可达到最大产氢速率18.0L/(L·d)，远远高于CSTR反应器的25～35kgCOD/(m3·d)的有机负荷与6.21L/(L·d)的最大产气速率。张露思等[26]也将添加粉末活性炭作为晶核载体的EGSB反应器R1与未添加载体的EGSB反应器R2对比，研究其颗粒形成及产氢影响，发现R1形成颗粒明显多于R2，且在OLR 22 kgCOD/(m3·d)时，R1的平均产氢速率为5.04 L/(L·d)，而R2只有2.35 L/(L·d)，表明添加活性炭对于产氢颗粒污泥的形成十分有效。

相比于甲烷来说，氢气是一种更加新型环保的能源。但是目前的EGSB反应器耦合生物制氢还仅仅局限于实验室研究阶段，且大多数以乙醇型发酵为主。

3.4同步脱氮除硫

同步厌氧生物脱氮除硫是指在缺氧条件下，脱氮硫杆菌、脱氮硫微螺菌等化能自养型硫细菌在代谢过程中，以硝酸盐为电子受体来氧化硫化物[27]，从而达到对氮、硫两种污染物同时去除的效果。同步脱氮除硫的概念于2004年由王爱杰等[28]提出，而其已被探明的关键影响因素包括硫化物浓度与S/N比[29]，但于连续流反应器中的工艺条件和深入性的机理研究丰度和广度仍旧欠缺。

CHEN等[30]进行了EGSB反应器高效同步脱氮除硫的研究，硫化物去除率可达97%，容积硫化物去除率4.8kgS/(m3·d)；硝酸盐氮去除率92%，容积硝酸盐去除率2.6kgS/(m3·d)。

目前，同步脱氮除硫仍是较为前沿的技术，从应用价值方面来考虑，对其深入研究仍然十分有必要。

4　应用现状

目前，EGSB反应器工程上大多数是产甲烷反应器，厌氧氨氧化[31]、生物制氢[23]虽已有应用报道，但与EGSB反应器耦合的案例却寥寥无几。目前，EGSB反应器通过与其他工艺有机耦合，被广泛用于处理制药废水、畜禽废水、淀粉及糖类废水、造纸废水、酒类废水等高浓度有机废水的处理中，以实现废水的达标排放。近年来，与EGSB耦合的工艺主要有生物膜法、序批式活性污泥法和传统活性污泥法等。

4.1水解酸化-EGSB-生物膜法

水解酸化可将溶解性有机物转化为非溶解性有机物，有效提高了废水的可生化性，为后续EGSB反应器提供基质底物，而后续的生物膜法更进一步脱碳，保证了出水的达标。采用水解酸化-EGSB-生物膜工艺动力消耗低，且EGSB反应器产生沼气可回用，节约能源。表1列举了其工艺的工程应用现状。

表1　水解酸化-EGSB-生物膜工艺工程应用现状

由表1可见，该工艺组合适合处理啤酒、猪场等B/C比较高的废水，处理COD值为2000～5000mg/L（个别生化性好的废水COD值也可高达60000mg/L）。在该组合工艺中，EGSB主要目的是降解COD，减轻后续生物膜单元负荷，处理单元容积负荷为4～20kgCOD/(m3·d)， COD的去除率多在70%～80%左右。

4.2EGSB-序批式活性污泥法

EGSB反应器有着高径比大的特点，与序批式活性污泥法（SBR/CASS）相同具有占地面积小的优点。将EGSB反应器与SBR/CASS工艺联合，可以解决一些废水处理厂土地紧张难题。同时该工艺组合具有较好的脱氮除磷效果。表2列举了EGSB-CASS/SBR工艺联用的工程应用现状。

由表2可见，该工艺处理废水明显水质波动较大，COD浓度波动最高可达20000mg/L，而总COD去除率仍然能保持在90%以上，说明EGSB-序批式活性污泥法抗冲击负荷能力强。其中，氨氮去除效率最高能达到94%[51]，最低也有83.5%[48]，表明该工艺较好的氨氮去除效率。且相较于EGSB-生物膜工艺而言，该工艺处理COD浓度高（平均为10000mg/L以上），EGSB单元COD去除率高（多数大于80%），容积负荷多在10kgCOD/(m3·d)以上。

表2　EGSB-序批式活性污泥法工艺工程应用现状

4.3EGSB-传统活性污泥法

传统活性污泥法已普遍应用于废水的脱氮除磷，如A/O工艺、氧化沟工艺等。由于传统活性污泥法较为稳定，EGSB反应器与之联用处理的废水种类较多，并能获得较为稳定的出水水质，但该工艺组合的缺点是占地面积较大。表3列举了EGSB-传统活性污泥法联用的工程应用现状。

由表3可见，该工艺组合处理的对象最为分散，包括食品、畜禽以及造纸等行业废水，且进水COD浓度较高（其进水COD范围为500～70000mg/L，但大部分均为5000mg/L以上），由于这些废水的可生化性参差不齐，导致EGSB反应器处理单元的COD去除率差别较大，其变化范围为55.1%～97.1%，但通过传统活性污泥单元后续生化处理，均能达标排放，表明该工艺组合的适用性较强。

表3　EGSB-传统活性污泥法工艺联用工程应用现状

4.4其他工艺耦合

EGSB反应器除了上述几种较为常见的工艺联用外，也有少数其他组合工艺，并获得了成功。表4列举了近年来EGSB反应器与其他工艺联用的工程应用现状。

由表4可知，EGSB反应器单元COD去除率均为80%以上，并且总体工艺COD去除率也均为96%以上，表明EGSB反应器可以成为较理想的前处理单元。随着厌氧技术的革新与发展，将会有越来越多的新兴技术与EGSB反应器联用，将成为工程应用的发展趋势。

表4　EGSB与其他工艺联用工程应用现状

5　结　语

EGSB反应器作为第三代高效厌氧反应器，相比于UASB来说有更高的容积负荷和抗冲击性能，并且其占地小、产生沼气可回用等优点十分适合于能源紧缺的今天。随着学者们对EGSB反应器越来越广泛的研究，近十年来其小试、中试已逐步进展为工程研究，自2005年开始其应用面也不断多元化，从文献类别上不再仅仅拘泥于产甲烷的研究，也有如生物制氢、厌氧氨氧化与同步脱氮除硫技术等。

至于工程上，其应用主要为产甲烷。但是处理实际废水时，产甲烷EGSB反应器往往不“单兵作战”，而是与生物膜法、序批式活性污泥法和传统活性污泥法等工艺联用，均表现出良好的去除效果。

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综述与专论

Domestic study and application status of the EGSB reactor

XIANG Xinyi，CHEN Xiaoguang，DAI Ruobin，WANG Yu，ZHOU Weizhu，XU Yao
（College of Environmental Science and Engineering，State Environmental Protection Engineering Center for Pollution Treatment and Control in Textile Industry，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Abstract：As a typical representative of the third-generation anaerobic bioreactor，the expanded granular sludge bed（EGSB） reactor，having the advantages of higher volumetric loading and better shock resistance performance than the upflow anaerobic sludge bed（UASB） reactor，as well as low occupation and biogas generation. And it has been widely applied in various high-strength organic wastewater treatment at home and abroad. The configuration principle and operation process of the EGSB reactor was introduced. The relevant literatures in recent years were analyzed statistically，reflecting the development of the reactor from lab-scale to plant-scale. The basic research of the reactor were reviewed in terms of the methane production，anaerobic ammonia oxidation（ANAMMOX），hydrogen production and simultaneous removal of sulfur and nitrogen. And the application status of the methane production EGSB reactor was discussed by different process couplings including biofilm，sequencing activated sludge and conventional activated sludge process，showing favorable unit and overall treatment results. Additionally，the coupling of the reactor and novel technology suggested a preferable future.

Key words：expanded granular sludge bed reactor；the third-generation anaerobic bioreactor；high-strength organic wastewater；methane production；process coupling

基金项目：国家青年科学基金（51208087）、教育部新教师基金（20120075120001）及中央高校基金项目。

收稿日期：2015-07-28；修改稿日期：2015-08-18。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.003

中图分类号：X 703

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）01–0018–08