摘要：概括 總結(jié) 了近三十年來厭氧處理過程由于水力停留時間(HRT)與生物固體停留時間(SRT)分離的實現(xiàn)而導(dǎo)致多種類型高效反應(yīng)器的研制和推廣; 分析 了當(dāng)前高效厭氧反應(yīng)器的特點和 影響 其降解污染物的重要因素;提出了今后高效厭氧反應(yīng)器在系統(tǒng)優(yōu)化、難降解污染物的轉(zhuǎn)化、污水再生利用和在數(shù)學(xué)模型與工藝控制方面的 發(fā)展 前景。

關(guān)鍵詞：厭氧 高效反應(yīng)器 污水處理 應(yīng)用 展望

污水厭氧處理技術(shù)與其它污水處理技術(shù)相比無疑是生態(tài)的和綠色的技術(shù)，同時更具有成本-效果優(yōu)勢。上世紀(jì)70年代以來，厭氧反應(yīng)器在 研究 和應(yīng)用方面取得了長足進步。特別是水力停留時間(HRT)與生物固體停留時間(SRT)的分離而導(dǎo)致高效反應(yīng)器的研制和推廣，使污水厭氧處理技術(shù)成為污水生物處理兩大技術(shù)之一。從已開發(fā)的反應(yīng)器系統(tǒng)來看，升流式厭氧污泥床(UASB)、膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器、厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)及其衍生的其它系統(tǒng)應(yīng)用最廣。這些反應(yīng)器內(nèi)部能 自然 生成具有出色降解有機物能力的和優(yōu)越沉降性能的厭氧顆粒污泥。本文回顧了厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，并進一步探討厭氧反應(yīng)器的發(fā)展前景。

1.現(xiàn)狀

1.1厭氧生物污泥反應(yīng)器

提高厭氧反應(yīng)器負(fù)荷潛力在于：①污水性質(zhì)，②系統(tǒng)可保持的單位容積厭氧污泥量，③厭氧污泥與污水的混合程度。

在過去的十年里，若干研究者潛心于修正UASB系統(tǒng)特征參數(shù)已提高UASB負(fù)荷和UASB對各類污水( 工業(yè) 廢水)的應(yīng)用能力。對于各類污水，由于系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)阻力和濃度梯度 問題 ，傳統(tǒng)的UASB的應(yīng)用參數(shù)表現(xiàn)出嚴(yán)格的限制。例如對于低濃度和低溫污水，沼氣產(chǎn)率下降。同時混合程度從流體動力學(xué)角度證明了質(zhì)量傳遞在微生物降解有機物中的重要作用[1]。進一步地，濃度梯度的出現(xiàn)限制了富含蛋白質(zhì)和長鏈脂肪酸的污水處理以及生物可降解的有毒化合物如甲醛[2][3]。對于有毒化合物只能在污水被有效稀釋下、反應(yīng)器內(nèi)部混合狀況好的情況下采用高負(fù)荷厭氧反應(yīng)器處理。

厭氧流化床(AFB)反應(yīng)器在原理上克服了污染物傳質(zhì)速率限制，但由于生物膜流失和惰性支撐材料破碎問題，流化床系統(tǒng)難于有效管理。并且為了混合液完全流化，厭氧流化床的能量要求較高[4]。

為充分利用顆粒污泥優(yōu)越的沉降性能，膨脹顆粒污泥床(EGSB)被開發(fā)，一般以8m/h升流速度運行，但增加了高度-直徑比和額外循環(huán)能量。與傳統(tǒng)UASB比較，膨脹顆粒污泥床系統(tǒng)沒有內(nèi)部沉淀裝置，但在床外裝備了一種先進的固液分離裝置。這種裝置由篩網(wǎng)組成或經(jīng)過修改過的夾層分離器[5][6]。

內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器是一種基于氣提概念的膨脹床系統(tǒng)，這種反應(yīng)器的特點是內(nèi)部裝有兩部氣-固分離器。膨脹顆粒污泥床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的主要特點是：①高有機負(fù)荷率，達(dá)20-40kg/m3·d;②較小的橫截面積;③較大的反應(yīng)器高度，大12-20m;④較高的上升流速，大8-30m/h。因此，膨脹顆粒污泥床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器適用于：①污水水溫低于20℃;②稀釋污水，COD<1000mg/L;③有毒性可生物降解的化工污水;④在UASB里產(chǎn)生嚴(yán)重泡沫問題的污水;⑤出水含有脂肪和長鏈脂肪酸(LCFA)。一般具有上述特征污水在采用UASB反應(yīng)器時易發(fā)生運行問題。

厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是分階段多相厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，被認(rèn)為具有第三代厭氧反應(yīng)器的特征。它適應(yīng)了厭氧處理過程中不同種群微生物對基質(zhì)利用的不同生理和生態(tài)原理，具有比傳統(tǒng)的兩級(或兩相)厭氧處理工藝更靈活、易管理的特點，反應(yīng)器易高效、穩(wěn)定地運行[7]，但 目前 仍處于試驗研究階段，實際應(yīng)用較少，其反應(yīng)器構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計和參數(shù)有待于進一步深入研究。

1.2.厭氧膜生物反應(yīng)器

有效的固液分離是高效厭氧生物反應(yīng)器賴以存在的基礎(chǔ)。采用膜生物處理工藝可顯著改善固液分離效果。對于低負(fù)荷的活性生物固體，厭氧膜生物反應(yīng)器(AMBR)系統(tǒng)能在極限SRT下運行，以獲得出水污染物濃度非常低的結(jié)果。同時考慮到厭氧微生物的低增值速率，這種反應(yīng)器的概念就特別適用于處理拮抗化合物，如生物難降解的有機污水。它的應(yīng)用前景在于，對于某些污水采用UASB系統(tǒng)出現(xiàn)顆粒污泥成粒非常困難時或SS非常高的有機污水，采用膜生物反應(yīng)器具有非常好的前景。在日本和南非已出現(xiàn)生產(chǎn)性運行實例。結(jié)果顯示，采用膜系統(tǒng)易具有良好的水力狀態(tài)，膜的耐久性、抗堵性較好，膜自身易于優(yōu)化。如果在反應(yīng)器里采用沼氣循環(huán)以加強傳質(zhì)效果和提高膜表面活性的技術(shù)方案，可以使系統(tǒng)運行能量很低。但膜反應(yīng)器的缺點是膜表面經(jīng)較長時間運行后易產(chǎn)生碳酸鈣沉積[9][10]。

2. 影響 因素

在最近10年中大量的 研究 探索了極限條件下厭氧處理的能力，如高溫和低溫、低PH和高PH、含鹽環(huán)境和有毒化合物的存在。

2.1溫度

厭氧反應(yīng)器適于中溫(30-40℃)或高溫(50-60℃)運行。然而，最近的研究證實了厭氧處理溫度能夠上升到80℃[11]。雖然在高溫下能產(chǎn)生甲烷，但溫度過高易產(chǎn)生系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的 問題 ，因此厭氧高溫處理一般采用50-60℃。對于高溫厭氧處理來說，50-60℃是適宜的。在同樣氨氮濃度下，高溫厭氧處理有時比中溫厭氧處理效果差，這是由于在高溫狀態(tài)下分子態(tài)的氨氮(NH3)的分?jǐn)?shù)比中溫時高，因此毒性問題更加突出。一般來說，當(dāng)采用完全混合反應(yīng)器處理糞便或固體廢物時，系統(tǒng)水溫高于60℃將導(dǎo)致脂肪酸的顯著增加。就厭氧微生物而言，高溫一般能提高微生物的水解活性，但某些微生物種群的活性卻隨溫度的上升(>60℃)而下降。例如降解丙酸鹽和乙酸鹽的微生物種群在水溫>60℃時顯著減少。因此，水溫強烈地影響微生物的水解活性和微生物的種群變化。高溫厭氧處理的優(yōu)點是反應(yīng)器容積較小、SRT較短、出水病原菌少。

2.2酸堿條件

厭氧處理一般在中性PH條件(PH=6.5-8)下 應(yīng)用 。在低PH條件下觀察到的毒性與不溶性揮發(fā)性脂肪酸(VFA)有關(guān)。最近的研究證明在PH=4.5-5的低PH下厭氧過程可以較好的進行[12]。當(dāng)處理大量污水時，生產(chǎn)性應(yīng)用如采取PH調(diào)整是一件既費錢又管理不方便的事。已報道有某食品加工污水在PH=9-9.5時UASB的顆粒污泥形成及運行穩(wěn)定性良好，COD去除率高[13]。

2.3毒性、難降解有機化合物

用厭氧 方法 處理毒性或難降解的化工污水是厭氧處理比好氧具有優(yōu)勢的一個特點。厭氧處理對于象有機鹵化物的消除具有很大的潛力。近10年來已分離出數(shù)種專性降解有機鹵化物的微生物，并且發(fā)現(xiàn)這種專性微生物的數(shù)量在不斷的增加。已有數(shù)種在過去被認(rèn)為不適于生物處理的生物難降解化工污水成功地采用厭氧反應(yīng)器進行了有效處理。最新研究顯示各種拮抗化合物如氯化脂肪族、氯化芳香族、硝化芳香族可以在厭氧條件下或厭氧-好氧組合系統(tǒng)被降解[14]。對于偶氮染料可以在厭氧-好氧反應(yīng)器系統(tǒng)里被幾乎完全去除[15]。對于高濃度有毒性生物可降解污水，通過進入反應(yīng)器前的稀釋可獲得滿意的處理效果。

3.去除氮磷硫的特點

3.1氮磷的去除

對于市政污水的處理，含有厭氧過程的ANANOX工藝具有很好的脫氮效果，同時將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫[16]。同樣含有厭氧過程的ANAMMOX工藝使用特殊的微生物能直接將氨氮轉(zhuǎn)化為N2脫除[17]。該工藝具有非常良好的前景,因為它可以節(jié)約大量的能量。

磷的生物去除采用組合工藝，微生物在交替的厭氧-好氧使聚磷酸鹽菌群增長。在DEPHANOX工藝?yán)?，為同時脫氮除磷而采用了特殊的裝置。這種反應(yīng)器將氨氮從污泥里富集于的污泥上清液而進入生物膜硝化反應(yīng)器，而污泥直接進入脫氮除磷反應(yīng)器。

3.2硫的控制

在厭氧處理的研究里,控制硫酸鹽濃度一直引起重視。因為許多污水里含有硫酸鹽，特別是某些 工業(yè) 污水含有高濃度的硫酸鹽。硫酸鹽經(jīng)厭氧過程后轉(zhuǎn)化為硫化氫(H2S)。由于H2S的產(chǎn)生引發(fā)許多問題，例如毒性、腐蝕、增加出水COD、降低沼氣的質(zhì)和量。過去的研究是如何控制硫酸鹽的轉(zhuǎn)化[18]。進一步的研究表明，結(jié)合生物、物理化學(xué)技術(shù)的富硫酸鹽污水的處理可以使污水中的硫酸鹽轉(zhuǎn)化成不溶的元素硫而從污水中完全去除硫[19]。

4.厭氧 理論 和技術(shù)的 發(fā)展 前景

4.1優(yōu)化反應(yīng)器系統(tǒng)

許多研究和設(shè)計致力于改善顆粒污泥床反應(yīng)器，目標(biāo)是減小傳質(zhì)阻力和提高有機負(fù)荷率。進一步的期望在于如采用分級污泥床系統(tǒng)處理特殊污水，如化工污水。對于毒性、難降解有機化合物的處理，有意義的期望在于厭氧反應(yīng)器。應(yīng)將現(xiàn)有的相關(guān)成熟技術(shù)最大程度地集成和整合，突破整合過程中的技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出具有實際應(yīng)用價值的多級多相厭氧處理工藝。

出于對生活污水的重視，必須集中注意力解決反應(yīng)器懸浮物的流失和低溫條件下的低水解率。隨著反應(yīng)器對污水、固體廢物、污泥中所含復(fù)雜有機物處理極限的逼近，提高厭氧微生物對復(fù)雜有機物水解性能是一項重要的任務(wù)。

傳統(tǒng)的污泥和固體厭氧消化經(jīng)常需要長停留時間以完成反應(yīng)過程?？s短反應(yīng)時間將是厭氧技術(shù)發(fā)展的動力。

4.2利用厭氧轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)

厭氧技術(shù)能夠有效地降解數(shù)種有機微污染物質(zhì)特別是有機鹵化物、取代芳香族化合物和偶氮交聯(lián)物。組合的厭氧/好氧技術(shù)對于工業(yè)污水和含有工業(yè)污水的市政污水有愈來愈大的吸引力。厭氧技術(shù)的特殊能力決定了厭氧技術(shù)具有其它技術(shù)所無法比擬的地位。

要求最終產(chǎn)物是綠色、安全的目標(biāo)使厭氧轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)被進一步利用。遵循農(nóng)業(yè)土地循環(huán)的污泥消化是厭氧工藝在世界范圍內(nèi)最大的應(yīng)用。制定出重金屬和殘留污染物的精確規(guī)則將使在消化污泥上進行食品生產(chǎn)成為可能。隨著對“殘留污染物”的重視，對消化污泥研究設(shè)計出控制其有機污染物和重金屬的清潔污泥的厭氧/好氧的新理論是十分重要的。

4.3作為污水再生利用的核心技術(shù)

對于污水處理系統(tǒng)的產(chǎn)物(包括處理出水)，將來工藝的主要進展是預(yù)處理和提高處理效率，包含結(jié)合物理、化學(xué)、生物處理單元的工藝。顯然厭氧技術(shù)是有機物礦化的可持續(xù)的處理方法，該技術(shù)將成為污水處理回用的核心技術(shù)。因此，厭氧處理技術(shù)在原材料工業(yè)、加工工業(yè)、農(nóng)業(yè)加工業(yè)污水處理回用的水處理有望發(fā)揮主要作用。

4.4完善反應(yīng)數(shù)學(xué)模型和工藝控制過程

將來在模型和運行控制的進展將導(dǎo)致厭氧處理技術(shù)在污水處理工程中更廣泛的應(yīng)用。 目前 模糊邏輯、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 、分形理論都已成功地應(yīng)用于數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)控制，具有縮短啟動時間和優(yōu)化系統(tǒng)運行效果的特點[20]。精確描述厭氧生化動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型促進了人們對厭氧過程的深入認(rèn)識，解釋厭氧處理過程在將來繼續(xù)發(fā)展的必然性。有必要建立一個基于未來研究的一般平臺，統(tǒng)一世界范圍應(yīng)用的各種符號，設(shè)置一般動力學(xué)模型的基礎(chǔ)模型是工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，同時對工藝過程的控制也是重要的。數(shù)學(xué)模型的開發(fā)成功和應(yīng)用，有助于應(yīng)用工藝設(shè)計和運行。

5.結(jié)語

盡管污水厭氧處理技術(shù)可追溯到100多年前，但由于它的生態(tài)的、綠色的、低成本的特性，該技術(shù)仍在迅速發(fā)展以不斷適應(yīng)污水處理要求。高效反應(yīng)器的不斷開發(fā)應(yīng)用和其內(nèi)在機理不斷被發(fā)現(xiàn)，將進一步加深對污水厭氧處理的理解和對新型反應(yīng)器更廣泛的應(yīng)用。

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