厭氧工藝處理低濃度污水研究綜述

(1.宜賓市清源水務集團有限公司 四川 宜賓 644000； 2.宜賓市翠屏區環境衛生處 四川 宜賓 644000)

我國是一個水資源貧乏的國家，人均水資源量只有世界人均占有量的四分之一，而且在時空的分布上又極為不均。全國668座城市中有 400 多座城市缺水[1]。水環境惡化的趨勢也沒有得到有效的遏制。全國水土流失面積 367 萬平方公里，占國土面積的 38%。全國近一半河段和九成的城市水域受到不同程度的污染。水環境的惡化，破壞了生態系統，進一步加劇了水資源緊缺的矛盾。隨著我國人口的增加，經濟的發展和城市化進程的加快，我國水資源形勢將更為嚴峻，以水資源緊張、水污染嚴重和洪澇災害為特征的水危機已經成為我國可持續發展的重要制約因素，成為實現新時期經濟社會發展目標具有基礎性、全局性和戰略性的重大問題。

一、低濃度污水的概念及來源

低濃度污水的概念,在水處理工藝發展的各個時期不同，對各種具體工藝而言也有很大差異。厭氧處理時，有學者認為，COD濃度低于1000mg/L或BOD5濃度低于500mg/L的污水就可以稱為低濃度污水[2]。而好氧處理時，低濃度污水的COD濃度則低得多，甚至某些微污染水也可歸入此類。低濃度污水主要有兩方面的來源，第一，城市居民日常生活產生的生活污水；第二，企業廠礦生產過程中的低濃度生產污水以及各種設備、廠房的沖洗水，冷凝水，員工洗澡水等，此外，還包括某些受到輕度污染的給水、地下水等。某些污水處理廠的二級生化處理出水一般都能達到二級排放標準，COD濃度在100mg/L以下，若要對它進行深度處理，這部分水也可稱作低濃度水。

二、厭氧技術的產生和發展

在 19 世紀末期，人們開始認識沼氣的產生是一個微生物過程，1896 年英國出現第一座用于處理生活污水的厭氧硝化池，所產生的沼氣用于街道照明。1914 年，英國有 14 座城市建立了沼氣消化池。20 世紀 40 年代，在澳大利亞出現連續攪拌的消化池，改善了污水污泥的混和，提高了處理效率，但這個時期以前的所有消化池都是用于污泥和糞肥的處理，直到 50 年代中期出現了厭氧接觸反應器，這種反應器對出水增加了固液分離措施，把污泥通過動力又重新回到厭氧處理系統，這樣大大提高了污泥的實際停留泥齡，減少了污水停留時間。反應器的處理效果和負荷大大提高，開始了厭氧在處理污水中的應用[3]。20 世紀 70 年代 UASB 和 AF 的發明，標明高速高效厭氧時代的到來，這兩種反應器提出了污泥固定化概念和應用技術，這樣又再一次大大提高了反應器的生物濃度和處理負荷，使得厭氧處理廢水得到非常廣泛的應用。

三、厭氧工藝處理低濃度污水的原理

處理低濃度污水，包括微污染水，可以采用生物法和非生物法。其中生物法使用的比較多的有活性污泥法、生物濾池、生物接觸氧化法、生物流化床、生物穩定塘等工藝。

厭氧生物處理法是厭氧微生物在無氧條件下，是有機物轉化、穩定的一種處理方法。這是一個生物化學的轉化過程，廢水中的有機物在無氧條件下被轉化為甲烷和二氧化碳，工程上也稱之為厭氧消化(anaerobic digestion)。

厭氧消化的反應過程一般包括兩個階段。反應初期為產酸階段，以后轉入產氣階段。從物質的轉化過程來看，把消化過程分為水解，揮發酸生成和甲烷生成三個階段。從微生物的作用來看，在消化的全過程中，有機物全部轉化為甲烷和二氧化碳，存在這兩個大的生理上不同的微生物群落。即不產甲烷的微生物群落和產甲烷微生物群落。不產甲烷微生物群落將污泥或污水中的蛋白質、糖類、脂肪等水解和發酵，大部分轉化為脂肪酸。產甲烷菌再將脂肪酸等轉化為甲烷和二氧化碳。

四、厭氧工藝處理低濃度污水的研究進展

厭氧處理工藝形式多樣，特點各異，但其基本原理都是利用厭氧水解菌和厭氧產甲烷菌的代謝活動，將水中的大分子有機污染物分解為小分子的醇類和有機酸后，最終轉化為甲烷和二氧化碳(沼氣的主要成分)。處理低濃度污水時，有很多與普通厭氧處理法不同的地方。

(一)用于低濃度污水處理的主要厭氧工藝

1.上流式厭氧污泥床(UASB)

UASB反應器是七十年代發展起來的一種高效厭氧反應器，具有HRT長，處理負荷高，運行穩定等優點。這種反應器的高效運行取決于反應器內形成沉降性能好，活性高的顆粒污泥。厭氧處理過程反應速率緩慢，生物增長量低，而在處理低濃度廢水時，低的有機物濃度更加加劇了這一問題，顆粒污泥的培養比較困難。

國內對UASB處理低濃度污水的研究，著重于其接種啟動，雒文生等人[4]利用1.2m3UASB反應器處理COD濃度為200mg/L作用的低濃度生活污水，水處理系統在水溫32～35℃范圍內運行6個月的時間。結果表明，UASB反應器在上升流速為1.4～1.7m/h、水力停留時間(HRT)為3.0～2.5h、COD有機負荷(SLR)為0.06～0.13kg/(L·d)時，去除效率比較穩定，COD去除率達40%～80%。

在低濃度UASB啟動研究方面，國外的Boyer等人[5]在中溫(30℃)和低溫(20℃)下用COD濃度為500mg/L的蔗糖廢水啟動UASB反應器，在1～2個月內都培養出了顆粒污泥，COD去除率分別達到95%和92%。

2.厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)

EGSB實際上是改進的UASB反應器，初里冰等人[6]應用與膜結合的EGSB反應器處理中、低溫生活污水，EGSB反應器總容積為4.18L。當溫度控制在15℃以上時，COD去除率可達90%；在11℃的條件下，當水力停留時間從3.5h增至5.7h時，COD去除率從76%增至81%。結果表明，EGSB反應器采用較高的水流上升流速，污水與污泥之間可以充分接觸，傳質效果良好，且污泥顆粒的形成和大量兼性菌的存在，使其在處理低濃度污水方面具有很大的優勢。國外的Mario T.Kato等人[7]在溫度30℃時用處理進水COD濃度為100～200mg/L的污水，去除率可達80%左右。Salih等人[8]在10～12℃的溫度下用處理濃度為500～800mg/L的污水，HRT為1.6h時，COD去除率可達90%。

3.厭氧折流板反應器(ABR)

ABR反應器是八十年代以來發展的一種高效厭氧處理工藝，其實質是一系列升流式污泥懸浮反應器，具有結構簡單，生物截留能力強，處理效果好，運行管理方便等優點[9]。

沈耀良等人[10]對ABR處理低濃度廢水的效果和運行特性進行了研究。試驗在中溫35℃，HRT為3～12h條件下進行。進水COD濃度為150～850mg/L時，COD去除率達50%～95%。研究表明，該反應器處理低濃度廢水時，不僅具有良好的處理效果而且運行穩定。

國外的A lette A.M.和Langenhoff等人[11]對ABR處理低濃度污水的研究中得出，在HRT為10h，溫度為35℃時，COD的去除率為95%；溫度20℃時，COD的去除率為70%；降至溫度為10℃時，COD去除率下降至60%。溫度35℃時，HRT縮短到2.85h，去除率可達到80%。此外，Barker，Duncan J等人[12]研究了處理低濃度廢水的ABR反應器的出水組成，發現可溶性微生物產物(SMPs)約占出水總COD的55%，而HRT和反應器的溫度是影響可溶性微生物產物產量的主要因素。

4.厭氧序批式活性污泥法(ASBR)

厭氧序批式活性污泥法是將序批式活性污泥法(SBR)應用于厭氧生物處理過程。典型的ASBR運行周期包括五個階段，即：進水、反應、沉淀、出水和空轉。其中空轉過程可以根據處理情況的要求進行取舍。

溫度對厭氧消解速度的影響很重要。Ndon,Udeme J等人[13]用一系列ASBR反應器處理COD濃度為400～1000mg/L的合成廢水，溫度分別為35,25,20和15℃時，HRT超過12h就能過的80～90%的COD去除率。Banik等人[14]研究了不同溫度下ASBR反應器處理低濃度水所形成的顆粒污泥的性質，發現25℃和15℃時，顆粒污泥的微生物結構及組成沒有太大的區別，而5℃下培養的顆粒污泥則呈現出層狀結構。

5.厭氧流化床(AFB)及厭氧膨脹床(AEBR)

厭氧流化床依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜來保留厭氧污泥。由于填料在較高的上流速度下處于流化狀態，傳質作用強，所以厭氧流化床反應器可以在較短HRT下運行。流化床反應器一般以沙粒、塑料、活性炭、沸石、玻璃等作為填料。為了使填料處于流化狀態需要大量的回流水來保持較高的上流速度，這就導致能耗加大，成本上升。Theis，Thomas L等人[15]研究指出，當出水COD標準高于230mg/L時，用厭氧膨脹床處理生活污水是一種經濟有效的選擇。

Tanemura，kouhei 等人[16]用厭氧流化床在37℃下處理食品加工廠的低濃度水，HRT為6h，當TOC從100mg/L降到35mg/L 時，去除率從85%降到65%。楊云霞等人[17]人工合成了多孔高分子載體，運用包絡法技術固定微生物進行厭氧流化床的研究，可強化傳質過程，克服低濃度有機廢水甲烷化能力的障礙，同時膨脹能耗也較小，處理COD濃度為220mg/L到250mg/L的城市污水，HRT在兩小時以上時，容積有機負荷為2.4～2.6COD/L·d，COD去除率為54%～56%。

五、厭氧工藝在處理低濃度污水中的應用

厭氧一直以來都被認為受底物限制濃度影響很大，在低濃度下厭氧氧化速率很慢，對廢水中的有機 COD 去除效果不大，但最近的一些研究表明，厭氧處理低濃度廢水仍然能夠起到很大的作用，甚至能夠獲得 60-70%的處理效果，尤其在處理城鎮污水領域，有非常理想的效果[18]。在國外，1983 年開始進行城鎮污水的試驗，并建成了 64m3的中試 UASB，研究在常溫下處理城市污水的試驗，發現厭氧在此種條件下具有 50-70% 的良好效果，在夏天的處理效果甚至一度超過 80%[19]。Lettinga 認為采用厭氧處理城鎮生活污水比傳統的好氧方法有如下優點：

①在基建和運行上都更簡單，因而費用低；

②只需要極少的電力；

③規模宜大宜小，因而使用面更廣；

④廢水處理系統可以分散布置，從而更接近污染源，這樣可以大大節省費用；

⑤剩余污泥量少，而且濃度大、體積小；

⑥污泥穩定性好。

六、結論

目前，上流式厭氧污泥床已在部分熱帶地區應用到了生活污水的處理中。但是國內這方面的研究還不夠充分，很少有應用于實際工程的例子。低濃度廢水的厭氧處理具有能耗低，占地少，管理簡便等優點，在生活污水的處理方面有著廣闊的應用前景。由于低濃度廢水的排放量比較大，對其進行加熱和保溫能耗也較高，所以目前對低濃度廢水厭氧處理的研究，大多注重中低溫下厭氧反應器的運行性能。同時，因為單獨的厭氧處理對氮、磷等營養元素基本上沒有去除能力，也不能很好的除去病菌，并且出水中含有H2S、NH4等物質，所以一般厭氧處理系統后面還應該增設好氧處理系統。