高濃度有機污染物廢水處理技術研究進展*

張建鵬

（上海問鼎環保科技有限公司，上海 201612）

我國生態文明建設對環境污染和防治提出了更高的要求。近年來，隨著我國經濟社會高速發展和城市化進程加劇，水資源緊缺問題突顯，廢水處理與回收利用面臨著巨大的挑戰。高濃度有機污染物廢水的有效治理及資源化利用已成為水資源循環利用的瓶頸問題，相關技術的研究對人類社會的可持續發展具有重要的意義[1]。

1 分類及特點

高濃度有機污染物廢水是指含有大量有機物（包括：纖維素、脂肪、蛋白質和芳香族化合物等）且化學需氧量（COD）大于2g·L-1的廢水。一般由食品、造紙、皮革、印染、電鍍、制藥和石油化工等行業排出，根據其性質和來源可分為3 類，見圖1[2]。

圖1 高濃度有機污染物廢水分類Fig.1 Classification of high concentration organic pollutant wastewater

高濃度有機污染物廢水主要特點包括：有機物濃度高、成分復雜、色度高且有異味和具有強酸強堿性，見圖2。

圖2 高濃度有機污染物廢水特點Fig.2 Characteristics of high concentration organic pollutant wastewater

2 危害

高濃度有機污染物廢水主要危害包括：需氧性危害、感觀性污染和致毒性危害，見圖3。

圖3 高濃度有機污染物廢水危害Fig.3 Hazard of high concentration organic pollutant wastewater

3 處理技術

高濃度有機污染物廢水的主要處理技術包括：物理、化學、物理化學和生物處理技術，各處理技術及效果見圖4[3]。

物理處理技術 通過物理作用（如：重力、壓力等）實現污染物分離，改變廢水成分的技術。該技術一般用于廢水預處理，常用方法包括：離心法、濾除法、隔離法、沉淀法、吹脫法等。

化學處理技術 運用化學原理或作用（催化、氧化、還原、中和與水解等），將有害污染物轉化為無害物質的廢水處理技術。該技術具有反應速度快和易控制的優點，常用于廢水的預處理。該技術的缺點包括：需要特定的催化劑、化學試劑成本高、處理溫度要求高和有機污染物難于一步凈化等。常用方法包括：焚燒法、Fenton 氧化法（應用最廣泛）、超臨界水氧化法、催化濕式氧化法、臭氧氧化法和電化學氧化法（近年來研究較多）等。

物理化學處理技術 通過相轉移的變化來分離去除有機污染物的技術。該技術常用于廢水的預處理，用來處理一些難生物降解物質和回收廢水中的有用物質。常用方法包括：萃取法、吸附法、濃縮法、離子交換法、混凝法、超聲波降解法和膜分離技術等。

生物處理技術 利用微生物（酶、菌種等）的新陳代謝作用，將廢水中的可溶（或部分不溶）的有機污染物降解為無害穩定物質的處理技術。該技術符合我國生態綠色可持續發展理念的要求，是一項重要的高濃度有機污染物廢水處理技術。

4 生物處理技術簡介

生物處理技術按微生物種類和供氧情況分為好氧和厭氧生物處理技術。該技術優點包括：經濟安全、殘留少、處理閾值低、無二次污染，微生物具有較強的適應性和可變異性等。該技術缺點包括：微生物活性保持需要一定的溫度和pH 值，微生物群落中缺少針對性的降解某些有機污染物的酶，某些有機污染物含對微生物有毒或活性抑制。因此，生物處理技術適用于處理中低濃度的有機污染物廢水，對于很高濃度的有機廢水（如：焦化廢水）需要預處理。

4.1 好氧生物處理技術

好氧生物處理技術 指好氧微生物（包括兼性微生物）在有氧環境下，以有機污染物等作為電子供體，以游離態的氧作為電子受體，進行好氧代謝使有機污染物氧化降解為CO2和水的技術。該技術優點包括：操作簡單、出水好（有機污染物去除率90%以上）、費用低和處理量大等[4]。該技術缺點包括：進水口附近有機負荷高，耗氧速率高；較大容積的曝氣池（避免厭氧環境）使費用升高；處理效果受供氧和耗氧差異、水質和水量變化的影響；脫氮除磷效果不好等。因此，一批高效的好氧生物處理技術被開發出來，包括：序批式活性污泥法（SBR）、深井曝氣法（DSP）、好氧生物流化床（ABFB）和生物降解反應器系統（RBS）等，見圖5。

圖5 高濃度有機污染物廢水高效好氧生物處理技術Fig.5 High-efficiency aerobic biological treatment technology for high concentration organic pollutant wastewater

序批式活性污泥法（SBR） 由進水、曝氣、沉淀、排水和待機等工序組成。該技術優點包括：運行有序、間歇操作；工藝簡單，無需調節池；污泥濃度（活性污泥系統的3～4 倍）較高、微生物活性及生長速率高；占地省，有機負荷大，同時在一個曝氣池中進行好氧和缺氧、脫碳/氮和除磷等反應；污泥齡高，耐沖擊能力強；無污泥膨脹現象，出水好；自動化程度高、節省人力；運行費用低。

深井曝氣法（DSP） 一種利用深井作為曝氣池的活性污泥法。深井曝氣的深度可達100～300m，超高靜水壓力使氧的轉移率從傳統曝氣法的5%～15%提高到了60%～90%。該技術優點包括：動力效率高、產泥量少、占地省、處理效果好、投資少、耐沖擊負荷、溫度影響小、無污泥膨脹、運行穩定、操作方便等。該技術缺點是應用會受地質條件的限制。

好氧生物流化床（ABFB） 將傳統活性污泥法、生物膜法和化工流態化技術有效結合的新型廢水處理技術。該技術填料的表面積（超過3300m2·m-3）和生物膜量（10～40g·L-1）比普通活性污泥法高1 個數量級，優點包括：處理效率高、容積負荷大、抗外部沖擊、設備緊湊、占地少和投資省等。該技術缺點：為實現填料流化，必須進行出水循環（需一定流速），增加了運行的復雜性。目前，國內尚處于試驗階段，工程應用不多。

生物降解反應器系統（RBS） 日本開發的一種活性污泥法。該技術利用高活性兼性土壤菌（腐植化環境培養）的代謝作用，降解廢水中的有機污染物，具有效率高、容易操作、占地小和抗沖擊負荷能力強的優點。適合于處理養殖和食品加工等行業污水。

4.2 厭氧生物處理技術

厭氧生物處理技術 利用兼性和專性厭氧菌等共同作用，將有機污染物降解為甲烷和CO2等的技術。該技術包括：水解發酵、產氫產乙酸、產甲烷和同型產乙酸4 個階段。該技術優點包括：當廢水中CODCr達到4g·L-1時處理效率優于好氧技術，污泥產量少且易脫水、營養鹽需求量少、無需曝氣（能耗低且可回收沼氣）、容積負荷高（節約占地和基建投資）、廢水可生化性高等[5]。該技術缺點包括：啟動時間長、溫度要求較高、對有毒物質敏感、遭破壞后的恢復期長和出水較差等。由于出水COD 仍較高且無溶解氧，該技術需要與其它工藝聯合使用。該技術已有一百多年歷史，主要經歷了三代，見圖6。

圖6 高濃度有機污染物廢水厭氧生物處理技術Fig.6 Anaerobic biological treatment technology of high concentration organic pollutant wastewater

第一代厭氧處理技術 以傳統厭氧消化池（如化糞池和沼氣池）為代表。

第二代厭氧處理技術 在第一代基礎上增加了溫度和攪拌等控制，包括：厭氧接觸法（ACP）、上流式厭氧污泥床（UASB）和厭氧生物濾池（AF）等。這些技術把污泥停留時間（SRT） 和水力停留時間（HRT）相分離，使活性污泥齡延長到了上百天，使HRT 從過去的幾天（或幾十天）縮短到幾小時。

厭氧接觸法（ACP）標志著現代廢水厭氧處理技術的誕生，指將污泥分離和回流裝置加到混合反應器后，提高了消化池的有機容積負荷，使SRT >HRT，有效地增加污泥濃度的方法。污泥的沉降性能和分離效率是該技術的關鍵。該技術優點包括：抗沖擊負荷、易啟動、運行穩、易管理，適合高懸浮物濃度（ss≥50g·L-1）和高有機物濃度（COD 容積負荷3～5kg·（m3·d）-1）廢水處理等。該技術缺點：污泥易流失和易發生污泥膨脹。

厭氧生物濾池（AF） 用填充材料（如爐渣、瓷環和塑料等）作為微生物載體的一種厭氧反應器。AF 分為升流和降流式，微生物在填料和填料空隙間生長，高性能的填料是關鍵。該技術優點：耐沖擊負荷、設備簡單、啟動時間短、不需污泥回流和運行管理方便等。該技術缺點：進水懸浮物要求高（ss<0.2g·L-1或經100 目網過濾）、懸浮物易導致堵塞和短路。

上流式厭氧污泥床反應器（UASB） 由分配板、顆粒污泥處理區、膨脹污泥床再生區和氣固分離區等組成，成功地解決了生物量保持問題。高性能顆粒污泥的培養是關鍵（國內處于探索階段）。該技術優點：容積負荷大、HRT 短、能耗少、適用范圍廣和活性高等。該技術缺點：啟動時間長、混合效果差、污泥膨脹會造成微生物流失和短流等。

第三代厭氧處理技術 針對第二代易出現污泥流失和廢水與污泥之間接觸不均勻等問題進行改進，以厭氧折流板反應器（ABR）、內循環式厭氧反應器（IC）、厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）和垂直折流厭氧污泥床（VBASB）反應器等為代表。

厭氧折流板反應器（ABR） 生物膜和UASB 相結合的新型高效反應器。ABR 特點是：反應器被一系列垂直安裝的折流板分割成幾個串聯的反應室，類似于多個UASB 串聯。該技術優點包括：可根據各反應室底物的不同培養出與之相適應的微生物群落，使產酸和產甲烷相分離，各反應室的沼氣可單獨排放，構造簡單、無三相分離器、無污泥堵塞、穩定性高、能耗低、抗沖擊負荷、處理效率高和運行管理方便等。ABR 缺點：反應器不宜太深（以防影響水流速和產物氣體上升），進水分布不均。

內循環式厭氧反應器（IC） 基于UASB 而改進的，由兩個UASB 相互重疊而成，高約16～25m，包括：混合區、污泥膨脹床、精處理和回流系統。IC 的優點：有機負荷高（約為UASB 的4 倍）、HRT 短、進水容積負荷率可達30～40kg·（m3·d）-1（針對COD 為10～15g·L-1的土豆加工廢水）；內循環水稀釋了進水、防止污泥大量流失、提高了抗沖擊負荷和酸堿調節能力；占地小（體積約為UASB 的1/4～1/3 倍）、投資少；能耗省，基于沼氣的提升作用和膨脹做功，促進了進水與顆粒污泥的充分接觸，并在無外加能源的條件下實現了廢水內循環；運行穩定，啟動期短。厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）是基于UASB 開發的，主要由進水系統、反應區、三相分離器和沉淀區等組成。該技術優點包括：出水再循環使反應器內液體上升流速（5～10m·h-1）遠高于UASB（小于1m·h-1），可獲得更好的廢水與微生物的接觸效果；污泥呈膨脹流化態、顆粒較大、活性高、沉淀性能良好，抗沖擊負荷、運行穩定，COD 去除負荷高（40kg·（m3·d）-1以上），特別適合在低溫條件下處理SS 含量高、難降解和有毒的中低濃度廢水；反應器高徑比大、占地小。

垂直折流厭氧污泥床（VBASB）反應器 將ACP、AF 和UASB 有效組合到同一個反應器中（具備三者的功能），具有普適性的高效處理技術。通過進料泵和回流泵，在管道中使進水和升溫用的蒸汽與回流廢水充分混合，用來控制pH 值和溫度。該技術適合處理高懸浮物高濃度的有機污染物廢水。

高濃度有機污染物廢水處理使用的厭氧反應器目前以第二代為主（主要是AF 和UASB），第三代的IC 也在推廣中[6,7]。

5 總結與展望

高濃度有機污染物廢水成分復雜，單獨的使用一種處理技術很難達到理想的效果，往往需要兩種或兩種以上技術進行組合、協同作用，才能制定出經濟高效的一體化解決方案。采用多項技術的優化集成，實現高濃度有機污染物廢水高效處理和資源化利用，真正達到廢水零排放是今后國內外相關研究技術的發展方向。隨著我國生態文明建設和綠色化學技術革命的興起，從源頭上重視清潔生產（減少或消除污染），開發更經濟、環保的新工藝，將被動治理轉變為主動預防，必將帶來更多的經濟效益、社會效益和環保效益[8]。