厌氧工艺处理低浓度污水研究综述

(1.宜宾市清源水务集团有限公司 四川 宜宾 644000； 2.宜宾市翠屏区环境卫生处 四川 宜宾 644000)

我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源量只有世界人均占有量的四分之一，而且在时空的分布上又极为不均。全国668座城市中有 400 多座城市缺水[1]。水环境恶化的趋势也没有得到有效的遏制。全国水土流失面积 367 万平方公里，占国土面积的 38%。全国近一半河段和九成的城市水域受到不同程度的污染。水环境的恶化，破坏了生态系统，进一步加剧了水资源紧缺的矛盾。随着我国人口的增加，经济的发展和城市化进程的加快，我国水资源形势将更为严峻，以水资源紧张、水污染严重和洪涝灾害为特征的水危机已经成为我国可持续发展的重要制约因素，成为实现新时期经济社会发展目标具有基础性、全局性和战略性的重大问题。

一、低浓度污水的概念及来源

低浓度污水的概念,在水处理工艺发展的各个时期不同，对各种具体工艺而言也有很大差异。厌氧处理时，有学者认为，COD浓度低于1000mg/L或BOD5浓度低于500mg/L的污水就可以称为低浓度污水[2]。而好氧处理时，低浓度污水的COD浓度则低得多，甚至某些微污染水也可归入此类。低浓度污水主要有两方面的来源，第一，城市居民日常生活产生的生活污水；第二，企业厂矿生产过程中的低浓度生产污水以及各种设备、厂房的冲洗水，冷凝水，员工洗澡水等，此外，还包括某些受到轻度污染的给水、地下水等。某些污水处理厂的二级生化处理出水一般都能达到二级排放标准，COD浓度在100mg/L以下，若要对它进行深度处理，这部分水也可称作低浓度水。

二、厌氧技术的产生和发展

在 19 世纪末期，人们开始认识沼气的产生是一个微生物过程，1896 年英国出现第一座用于处理生活污水的厌氧硝化池，所产生的沼气用于街道照明。1914 年，英国有 14 座城市建立了沼气消化池。20 世纪 40 年代，在澳大利亚出现连续搅拌的消化池，改善了污水污泥的混和，提高了处理效率，但这个时期以前的所有消化池都是用于污泥和粪肥的处理，直到 50 年代中期出现了厌氧接触反应器，这种反应器对出水增加了固液分离措施，把污泥通过动力又重新回到厌氧处理系统，这样大大提高了污泥的实际停留泥龄，减少了污水停留时间。反应器的处理效果和负荷大大提高，开始了厌氧在处理污水中的应用[3]。20 世纪 70 年代 UASB 和 AF 的发明，标明高速高效厌氧时代的到来，这两种反应器提出了污泥固定化概念和应用技术，这样又再一次大大提高了反应器的生物浓度和处理负荷，使得厌氧处理废水得到非常广泛的应用。

三、厌氧工艺处理低浓度污水的原理

处理低浓度污水，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较多的有活性污泥法、生物滤池、生物接触氧化法、生物流化床、生物稳定塘等工艺。

厌氧生物处理法是厌氧微生物在无氧条件下，是有机物转化、稳定的一种处理方法。这是一个生物化学的转化过程，废水中的有机物在无氧条件下被转化为甲烷和二氧化碳，工程上也称之为厌氧消化(anaerobic digestion)。

厌氧消化的反应过程一般包括两个阶段。反应初期为产酸阶段，以后转入产气阶段。从物质的转化过程来看，把消化过程分为水解，挥发酸生成和甲烷生成三个阶段。从微生物的作用来看，在消化的全过程中，有机物全部转化为甲烷和二氧化碳，存在这两个大的生理上不同的微生物群落。即不产甲烷的微生物群落和产甲烷微生物群落。不产甲烷微生物群落将污泥或污水中的蛋白质、糖类、脂肪等水解和发酵，大部分转化为脂肪酸。产甲烷菌再将脂肪酸等转化为甲烷和二氧化碳。

四、厌氧工艺处理低浓度污水的研究进展

厌氧处理工艺形式多样，特点各异，但其基本原理都是利用厌氧水解菌和厌氧产甲烷菌的代谢活动，将水中的大分子有机污染物分解为小分子的醇类和有机酸后，最终转化为甲烷和二氧化碳(沼气的主要成分)。处理低浓度污水时，有很多与普通厌氧处理法不同的地方。

(一)用于低浓度污水处理的主要厌氧工艺

1.上流式厌氧污泥床(UASB)

UASB反应器是七十年代发展起来的一种高效厌氧反应器，具有HRT长，处理负荷高，运行稳定等优点。这种反应器的高效运行取决于反应器内形成沉降性能好，活性高的颗粒污泥。厌氧处理过程反应速率缓慢，生物增长量低，而在处理低浓度废水时，低的有机物浓度更加加剧了这一问题，颗粒污泥的培养比较困难。

国内对UASB处理低浓度污水的研究，着重于其接种启动，雒文生等人[4]利用1.2m3UASB反应器处理COD浓度为200mg/L作用的低浓度生活污水，水处理系统在水温32～35℃范围内运行6个月的时间。结果表明，UASB反应器在上升流速为1.4～1.7m/h、水力停留时间(HRT)为3.0～2.5h、COD有机负荷(SLR)为0.06～0.13kg/(L·d)时，去除效率比较稳定，COD去除率达40%～80%。

在低浓度UASB启动研究方面，国外的Boyer等人[5]在中温(30℃)和低温(20℃)下用COD浓度为500mg/L的蔗糖废水启动UASB反应器，在1～2个月内都培养出了颗粒污泥，COD去除率分别达到95%和92%。

2.厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)

EGSB实际上是改进的UASB反应器，初里冰等人[6]应用与膜结合的EGSB反应器处理中、低温生活污水，EGSB反应器总容积为4.18L。当温度控制在15℃以上时，COD去除率可达90%；在11℃的条件下，当水力停留时间从3.5h增至5.7h时，COD去除率从76%增至81%。结果表明，EGSB反应器采用较高的水流上升流速，污水与污泥之间可以充分接触，传质效果良好，且污泥颗粒的形成和大量兼性菌的存在，使其在处理低浓度污水方面具有很大的优势。国外的Mario T.Kato等人[7]在温度30℃时用处理进水COD浓度为100～200mg/L的污水，去除率可达80%左右。Salih等人[8]在10～12℃的温度下用处理浓度为500～800mg/L的污水，HRT为1.6h时，COD去除率可达90%。

3.厌氧折流板反应器(ABR)

ABR反应器是八十年代以来发展的一种高效厌氧处理工艺，其实质是一系列升流式污泥悬浮反应器，具有结构简单，生物截留能力强，处理效果好，运行管理方便等优点[9]。

沈耀良等人[10]对ABR处理低浓度废水的效果和运行特性进行了研究。试验在中温35℃，HRT为3～12h条件下进行。进水COD浓度为150～850mg/L时，COD去除率达50%～95%。研究表明，该反应器处理低浓度废水时，不仅具有良好的处理效果而且运行稳定。

国外的A lette A.M.和Langenhoff等人[11]对ABR处理低浓度污水的研究中得出，在HRT为10h，温度为35℃时，COD的去除率为95%；温度20℃时，COD的去除率为70%；降至温度为10℃时，COD去除率下降至60%。温度35℃时，HRT缩短到2.85h，去除率可达到80%。此外，Barker，Duncan J等人[12]研究了处理低浓度废水的ABR反应器的出水组成，发现可溶性微生物产物(SMPs)约占出水总COD的55%，而HRT和反应器的温度是影响可溶性微生物产物产量的主要因素。

4.厌氧序批式活性污泥法(ASBR)

厌氧序批式活性污泥法是将序批式活性污泥法(SBR)应用于厌氧生物处理过程。典型的ASBR运行周期包括五个阶段，即：进水、反应、沉淀、出水和空转。其中空转过程可以根据处理情况的要求进行取舍。

温度对厌氧消解速度的影响很重要。Ndon,Udeme J等人[13]用一系列ASBR反应器处理COD浓度为400～1000mg/L的合成废水，温度分别为35,25,20和15℃时，HRT超过12h就能过的80～90%的COD去除率。Banik等人[14]研究了不同温度下ASBR反应器处理低浓度水所形成的颗粒污泥的性质，发现25℃和15℃时，颗粒污泥的微生物结构及组成没有太大的区别，而5℃下培养的颗粒污泥则呈现出层状结构。

5.厌氧流化床(AFB)及厌氧膨胀床(AEBR)

厌氧流化床依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜来保留厌氧污泥。由于填料在较高的上流速度下处于流化状态，传质作用强，所以厌氧流化床反应器可以在较短HRT下运行。流化床反应器一般以沙粒、塑料、活性炭、沸石、玻璃等作为填料。为了使填料处于流化状态需要大量的回流水来保持较高的上流速度，这就导致能耗加大，成本上升。Theis，Thomas L等人[15]研究指出，当出水COD标准高于230mg/L时，用厌氧膨胀床处理生活污水是一种经济有效的选择。

Tanemura，kouhei 等人[16]用厌氧流化床在37℃下处理食品加工厂的低浓度水，HRT为6h，当TOC从100mg/L降到35mg/L 时，去除率从85%降到65%。杨云霞等人[17]人工合成了多孔高分子载体，运用包络法技术固定微生物进行厌氧流化床的研究，可强化传质过程，克服低浓度有机废水甲烷化能力的障碍，同时膨胀能耗也较小，处理COD浓度为220mg/L到250mg/L的城市污水，HRT在两小时以上时，容积有机负荷为2.4～2.6COD/L·d，COD去除率为54%～56%。

五、厌氧工艺在处理低浓度污水中的应用

厌氧一直以来都被认为受底物限制浓度影响很大，在低浓度下厌氧氧化速率很慢，对废水中的有机 COD 去除效果不大，但最近的一些研究表明，厌氧处理低浓度废水仍然能够起到很大的作用，甚至能够获得 60-70%的处理效果，尤其在处理城镇污水领域，有非常理想的效果[18]。在国外，1983 年开始进行城镇污水的试验，并建成了 64m3的中试 UASB，研究在常温下处理城市污水的试验，发现厌氧在此种条件下具有 50-70% 的良好效果，在夏天的处理效果甚至一度超过 80%[19]。Lettinga 认为采用厌氧处理城镇生活污水比传统的好氧方法有如下优点：

①在基建和运行上都更简单，因而费用低；

②只需要极少的电力；

③规模宜大宜小，因而使用面更广；

④废水处理系统可以分散布置，从而更接近污染源，这样可以大大节省费用；

⑤剩余污泥量少，而且浓度大、体积小；

⑥污泥稳定性好。

六、结论

目前，上流式厌氧污泥床已在部分热带地区应用到了生活污水的处理中。但是国内这方面的研究还不够充分，很少有应用于实际工程的例子。低浓度废水的厌氧处理具有能耗低，占地少，管理简便等优点，在生活污水的处理方面有着广阔的应用前景。由于低浓度废水的排放量比较大，对其进行加热和保温能耗也较高，所以目前对低浓度废水厌氧处理的研究，大多注重中低温下厌氧反应器的运行性能。同时，因为单独的厌氧处理对氮、磷等营养元素基本上没有去除能力，也不能很好的除去病菌，并且出水中含有H2S、NH4等物质，所以一般厌氧处理系统后面还应该增设好氧处理系统。