独特的微生物载体废水处理方案

2020-06-08

酒·饮料技术装备 2020年3期

环保

独特的微生物载体废水处理方案

编制按：随着工业活动增长，排放到自然生态系统的污染物明显增多。有些水域的负荷量超越了大自然本身对污染物的转化能力，自然生态系统平衡遭到破坏，最终地表水异味、鱼类消失。在20世纪70年代，有些国家开始征收高额工业废水排污费，对工业废水进行生物学处理也成为一个重要课题。目前，废水处理系统已成为工厂生产设施不可分割的组成部分。本期刊载以色列、西班牙等国对废水处理的探索。

处理食品、饮料等工业废水方面，以色列Aqwise公司独树一帜，创造了可靠、巧妙、简单、有效的解决方案。公司成立于2000年，其有氧生物处理AGAR和厌氧生物处理DACS（Downflow Anaerobic Carrier System降流式厌氧生物载波系统）技术领先。源于自身已建立的移动床生物膜反应器MBBR（moving bed biofilm reactor）技术。

在生物废水处理系统中，与有机污染物转化有关的过程，正常情况下应发生在接收生态系统中，而现在是在罐、池等反应器中进行。与自然生态系统相比，在这些罐、池中的转化率通过细菌的固定化可以更高。在反应器中，细菌倾向于相互附着，产生聚集物、絮状物或颗粒物，由工艺条件决定。与自由游动状态的细菌相比，这些聚集物具有良好的沉降、漂浮和附着特性。这些特性现在是成功进行微生物废水处理的关键。通过特殊的沉降装置、微生物载体或漂浮工艺，生物质保留在反应器中。在这种方式下，反应器中保留的生物质浓度越高，其越具有高容积负荷的转化能力。

在工业排污费征收的同期，上流式厌氧污泥床系统UASB研发成功。由于颗粒污泥具有良好的沉降特性，可以设计一个具有高生物质浓度的紧凑型系统，将有机污染物转化为沼气。这使工业废水在成本效益高的情况下得以处理。在那时，最常用的废水处理技术是好氧活性污泥（AS）处理。由于需要曝气，这些系统具有相对低的容积负荷转化能力，而且对能源需求高。采用厌氧处理技术的另一个益处就是仅有极少量的生物污泥产生。

厌氧处理技术可以去除70～90%的有机污染物。如果旨在实现完全净化（达99%），需要后续好氧处理，有时也可与废水修饰工艺结合在一起使用，如沙滤或膜滤技术。在这种情况下，一些营养物如氮等也被去除，这时就可向地表水排放了。目前，考虑废水处理的经济性及产生高质量的污水，多数工业化废水处理系统采用“厌氧+好氧”处理技术。

如前所述，有效的废水处理依赖存在于反应器系统中的细菌聚集现象。聚集物可通过沉降装置、漂浮工艺和微生物载体保留在反应器系统中。这些系统要么是反应器系统本身不可分割的一部分，如UASB或EGSB反应器的内部构造；要么是以特殊设计并获得专利的DACS、DANA和AGAR-MBBR系统为代表的微生物载体。传统（好氧）活性污泥处理系统的主流理念是采用独立工艺单元建造的沉降装置。

目前，我们能找到的细菌以悬浮自由游动状态培养的唯一系统是在连续搅拌槽式反应器CSTR中，这种系统应用在发酵工业和微生物实验室。

在自然界中，微生物的聚集或生物膜的形成似乎遵循一种规律，没有例外，通常是先附着在有机物或无机物的表面或胶体颗粒上。某种形式的聚集是微生物在溪流、江河和土壤中赖以生存的必要条件，不然微生物将会以其它方式“被冲出系统”。这在某种程度上说明了在一个反应器系统中导致聚集、稀释率或冲洗率最重要的选择性工艺参数之一就是微生物的聚集。

在废水处理系统中会遇到不同类型的聚集，已发现有颗粒状物和絮状物。这一点很重要，因为生物质的类型及密度将决定生物质在废水中的可保留性，并最终决定反应器中可用的生物质浓度。在相对较低的流速下，絮状生物质可保留在反应器中，而在较高的流速下，用于细菌聚集（颗粒形成）的选择压力会增大。在后一种情况下，还可以观察到细菌通过附着在反应器壁上或微生物载体上发生反应的现象。显而易见，细菌在系统中能够生存的唯一方式就是通过聚集和生成生物膜，这样它们就不易被冲走。

在像UASB和EGSB厌氧颗粒反应系统和像Nereda SBB这样的好氧颗粒反应系统中会发现颗粒状物。DACS系统和好氧MBBR和活性污泥系统通常含有絮状生物质；在DACS和MBBR系统，这些生物质附着在特殊设计的微生物载体上。

颗粒物的形成不是简单地受限于一定的流速，它还与合适的废水特性有关，这通常定义为一个系统的“运行窗口（operational window）”。尤其是废水中的PH值、悬浮物含量、电导率和盐浓度需要控制在一定范围内。另外，基于系统的颗粒污泥通常存在因COD（化学需氧量）浓度太高而限制颗粒物形成的问题。如果上述任何一个或多个参数超出运行窗口的允许控制范围，颗粒物就可能不会形成甚至开始分解，形成絮状生物质，通过反应器中（太）高的流速而将颗粒物冲掉。这种现象在15～24米高的EGSB反应器中尤为突出，它通常在较高的升流式流速下工作。

伴随着反应器中升流式流速的增高，基于系统的颗粒污泥运行窗口受到的限制越来越多。如UASB系统通常情况下升流式流速为0.8～1 m/h，而在所谓的高速厌氧EGSB系统其工作时升流式流速为4～6 m/h。污泥颗粒大小通常在0.5～3 mm间变化，通过控制升流式流速可使其保留在反应器中。无论由于何种原因，废水水质特性发生变化并引起颗粒状物分解，系统能力将明显降低，一旦有价值的生物质被冲掉，系统将完全停止工作。

尽管大多数食品和饮品（包括啤酒）行业的平均排水量符合基于系统的颗粒污泥的运行窗口，但是经常会出现由于大流量排放、意外排放、生产线变化和CIP刷洗等引起颗粒状物的分解。在基于系统的颗粒污泥中，颗粒污泥的分解是一个反复出现的问题，要想解决此问题，只能从市场中购买颗粒污泥，这一事实可通过颗粒污泥市场贸易的增长来证明。

基于系统的厌氧微生物载体的研发克服了颗粒污泥形成中的局限性，从而保证了厌氧处理系统在更大范围运行窗口内的连续性。与传统A系统相比，好氧微生物载体的优点是能够在缩小的容积内将多种生物处理过程结合在一起，而无需生物质的再循环。

啤酒工厂排出废水的质量和数量因其工艺（原材料加工、麦汁制备、发酵、过滤、CIP刷洗、包装）的不同而有很大的波动。一般来说，规模较小的啤酒工厂仅有简单的废水预处理系统，包括沙滤和混合补偿罐，然后排入市政污水管网中。一些中型啤酒工厂（产能大于2万千升）有好氧处理系统，如序批式活性污泥法SBR，但仍没有厌氧处理系统。由于啤酒工厂废水中有机物浓度高，需要高的能量输入用于好氧系统曝气。另一个成本因素就是好氧代谢产生的污泥量，它们也需要处置。这两个因素增加了废水处理系统的运行成本。这样，厌氧处理系统因节约能源、可获得再生能源和污泥处置成本最小化而应用越来越频繁。不过，直至今天，这项技术仅对大型啤酒工厂有意义，其盈亏平衡点大约为1500 kg COD/d，投资回报周期相对长，大约需8～10年。

在2008～2009年间，Aqwise公司（MBBR方案的市场领导者）与荷兰水技术集团Water Technologies Group合作研发厌氧生物载体技术并开始试验。他们发现拥有专利的Aqwise微生物载体具有特殊的开放式结构，非常适合于厌氧生物质附着，它实际上为絮凝的厌氧菌提供了生长的“房子”。另外还发现这个系统运行非常好，在降流式反应器中产生甲烷含量极高的沼气，见图1。在对不同的工业进行了几次现场测试后，他们决定在荷兰成立一家名为Aqana的合资公司，其目的是进一步研发废水处理技术，并在不同的行业实施推行，他们给这项新技术命名为“DACS”系统。

DACS反应器的构造就是途经一个漂浮的塑料载体床，使水从反应器的顶部流向底部，见图2。厌氧生物质主要附着在载体的内部。与传统的厌氧处理技术一样，废水中的有机物通过厌氧生物质转换成沼气和少量的厌氧污泥。与废水流向相反，沼气向上升到反应器的顶部，这为生物质载体提供了较为温和的混合，通过生物载体床实现了很好的布水，见图3。通过生物载体的应用，不需要额外增加复杂的内部或外部处理装置就可实现三相（沼气、水、固体）分离。废水处理所需要的生物质通过载体保留在反应器中，剩余污泥被排除。

与传统的厌氧反应器相比，DACS通过应用浸没在水中的生物质载体支撑厌氧絮状生物质，见图4。接种种子污泥后，生物质种群在载体内形成。生物载体特殊的密度（略低于水）确保反应器中的载体生物质床漂浮在水中。这也成就了降流式结构理念。载体床的流态化特性使得在高的废水下流速下实现理想的物质转换，确保沼气沿上流方向释放出来。

DACS反应器中，废水沿着沼气升起的反方向流动。通过在气相中安装喷射杆，将进入的废水均匀地分布在载体床上。水与沼气的接触吸收了水体中的部分CO2。结合下行污水水压的增大，对CO2吸收能力增大。通过对水中CO2的吸收。使沼气中存在更高浓度的甲烷。DACS反应器中产生的沼气通常甲烷含量可达80～90%。

DACS现在应用于啤酒、食品、饮料等工业。相比传统技术优势体现在：一是由于不需要复杂的内部结构，因此可应用于不同结构形式的反应器中。这样在一定的适用范围内，可以更新改造现有的工艺处理容器和老式的UASB反应器或EGSB反应器。二是可应用于其它由于高的COD和盐浓度等原因存在颗粒污泥分解问题的厌氧技术中，如蒸馏酿酒厂和化工工业。三是与高容积负荷率的EGSB反应器相比（容积负荷率VLR范围从20～25 kgCODm3/d），也能处理相似的高容器负荷率。四是如遇化学品或高COD负荷意外排放引起的临时性冲击，不会对生物质造成明显的妨碍；生物质可能会在短期内受到一点影响，但自身能在几天内得以恢复，不需要再添加种子污泥。五是由于生物质“居住”在漂浮的载体内，较高的悬浮固体负荷或带有较高固体负荷的废水的意外排放不会影响生物质；这些固体将会被简单地冲出系统，不会“争夺”容积而引起有价值生物质冲出系统。六是产生的沼气通常包含80～90%的甲烷，这意味着由于沼气中CO2含量低，可使工厂燃气锅炉更有效运行。另外，截至目前，没有因为污泥损失而需要重新添加生物质的DACS系统。所有的DACS系统在不利环境条件下，无论运行时间长短均能够在短期内完全恢复。

AGAR®（Attached Growth Airlift Reactor）是一项固定式生物膜移动床技术，它应用悬浮的生物质载体扩大生物膜生长的表面积，同时采用精心设计的反应器水力学设计来完成对废水的处理。好氧AGAR技术适用于大多数活性污泥系统，并可使用于各种不同的构造。AGAR技术将独特的完全开放又完全防护的生物质载体与高效的曝气和机械混合器设计结合在一起，这为生物质生长提供了一个更有效的表面积和最优化的氧传递效率。

集成固定膜活性污泥法AGAR IFAS将生物膜在生物质载体上的生长与在活性污泥中的悬浮生长结合在一起，见图5、图6。AGAR IFAS工艺可用于升级现有的污水处理设施，以提高氮的去除和在不需要增加反应器容积的前提下，提高废水处理能力。

AGAR IFAS反应器被分成好氧、缺氧和厌氧三个工艺阶段，类似于传统的活性污泥系统。AGAR IFAS生物质载体在好氧阶段通过安装在好氧废水排出端的筛网截留住载体。悬浮和固定生物质之间的竞争导致在同一容器内执行完全不同的功能：前者主要去除BOD、COD，而后者主要进行硝化作用。有机营养物的去除可以在每一个工艺阶段应用先进的模型和深度设计工具通过调整生物质载体位置和数量来实现精确控制。所需生物质载体数量是可以计算的，最终数量也是可以优化的。所需要的氧气量和由此需要的曝气量可以计算。

与市场上其它生物载体相比，Aqwise公司专利的生物质载体（ABC5®，见图7）体现出几方面优势：所有同等生物载体中，单体积的防护表面积最大，所以载体需要体积最小。载体的形状已经优化。因此，在需要时，反应器中废水填充量可达到反应器容积的70%，这就意味着同等容积容器能处理不断增长的污染负荷。反过来，为了生产高质量的废水，仅通过添加生物载体即可。生物质载体的独特形状，使其不易堵塞，不易粘在一起，还可以在水中非常容易地移动。与市场上其它生物载体相比，Aqwise公司的生物质载体非常独特，从几何学上说处于完全开放的形状。这种“完全开放”的形状允许氧和底物（BOD/COD/NH4等）非常容易地与整个生物质接触，以完成整个好氧反应过程，同时可避免缺氧或厌氧环境。另外，由于这种开放形状，多余的微生物膜会从载体上脱落，以防堵塞。

独特的AGAR曝气设计是通过细气泡扩散器或粗气泡扩散器在反应器中产生的双辊运动来实现的。这种双辊运动在载体间产生连续的碰撞，并在载体上保持一层薄薄而有活力的生物膜。由于这种独特的曝气设计—双辊模式，在多数情况下，双辊的运动不需要额外的空气，所提供的空气仅满足生物质需求，用于保持生物质的微生物活性和生物质的混合。