污水处理高效厌氧反应器开发应用与展望
摘要：概括 总结 了近三十年来厌氧处理过程由于水力停留时间(HRT)与生物固体停留时间(SRT)分离的实现而导致多种类型高效反应器的研制和推广; 分析 了当前高效厌氧反应器的特点和 影响 其降解污染物的重要因素;提出了今后高效厌氧反应器在系统优化、难降解污染物的转化、污水再生利用和在数学模型与工艺控制方面的 发展 前景。
关键词：厌氧 高效反应器 污水处理 应用 展望
污水厌氧处理技术与其它污水处理技术相比无疑是生态的和绿色的技术，同时更具有成本-效果优势。上世纪70年代以来，厌氧反应器在 研究 和应用方面取得了长足进步。特别是水力停留时间(HRT)与生物固体停留时间(SRT)的分离而导致高效反应器的研制和推广，使污水厌氧处理技术成为污水生物处理两大技术之一。从已开发的反应器系统来看，升流式厌氧污泥床(UASB)、膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环(IC)反应器、厌氧折流板反应器(ABR)及其衍生的其它系统应用最广。这些反应器内部能 自然 生成具有出色降解有机物能力的和优越沉降性能的厌氧颗粒污泥。本文回顾了厌氧反应器工艺技术，并进一步探讨厌氧反应器的发展前景。
1.现状
1.1厌氧生物污泥反应器
提高厌氧反应器负荷潜力在于：①污水性质，②系统可保持的单位容积厌氧污泥量，③厌氧污泥与污水的混合程度。
在过去的十年里，若干研究者潜心于修正UASB系统特征参数已提高UASB负荷和UASB对各类污水( 工业 废水)的应用能力。对于各类污水，由于系统内传质阻力和浓度梯度 问题 ，传统的UASB的应用参数表现出严格的限制。例如对于低浓度和低温污水，沼气产率下降。同时混合程度从流体动力学角度证明了质量传递在微生物降解有机物中的重要作用[1]。进一步地，浓度梯度的出现限制了富含蛋白质和长链脂肪酸的污水处理以及生物可降解的有毒化合物如甲醛[2][3]。对于有毒化合物只能在污水被有效稀释下、反应器内部混合状况好的情况下采用高负荷厌氧反应器处理。
厌氧流化床(AFB)反应器在原理上克服了污染物传质速率限制，但由于生物膜流失和惰性支撑材料破碎问题，流化床系统难于有效管理。并且为了混合液完全流化，厌氧流化床的能量要求较高[4]。
为充分利用颗粒污泥优越的沉降性能，膨胀颗粒污泥床(EGSB)被开发，一般以8m/h升流速度运行，但增加了高度-直径比和额外循环能量。与传统UASB比较，膨胀颗粒污泥床系统没有内部沉淀装置，但在床外装备了一种先进的固液分离装置。这种装置由筛网组成或经过修改过的夹层分离器[5][6]。
内循环(IC)反应器是一种基于气提概念的膨胀床系统，这种反应器的特点是内部装有两部气-固分离器。膨胀颗粒污泥床和内循环反应器的主要特点是：①高有机负荷率，达20-40kg/m3·d;②较小的横截面积;③较大的反应器高度，大12-20m;④较高的上升流速，大8-30m/h。因此，膨胀颗粒污泥床和内循环反应器适用于：①污水水温低于20℃;②稀释污水，COD<1000mg/L;③有毒性可生物降解的化工污水;④在UASB里产生严重泡沫问题的污水;⑤出水含有脂肪和长链脂肪酸(LCFA)。一般具有上述特征污水在采用UASB反应器时易发生运行问题。
厌氧折流板反应器(ABR)是分阶段多相厌氧反应器工艺技术，被认为具有第三代厌氧反应器的特征。它适应了厌氧处理过程中不同种群微生物对基质利用的不同生理和生态原理，具有比传统的两级(或两相)厌氧处理工艺更灵活、易管理的特点，反应器易高效、稳定地运行[7]，但 目前 仍处于试验研究阶段，实际应用较少，其反应器构造的优化设计和参数有待于进一步深入研究。
1.2.厌氧膜生物反应器
有效的固液分离是高效厌氧生物反应器赖以存在的基础。采用膜生物处理工艺可显著改善固液分离效果。对于低负荷的活性生物固体，厌氧膜生物反应器(AMBR)系统能在极限SRT下运行，以获得出水污染物浓度非常低的结果。同时考虑到厌氧微生物的低增值速率，这种反应器的概念就特别适用于处理拮抗化合物，如生物难降解的有机污水。它的应用前景在于，对于某些污水采用UASB系统出现颗粒污泥成粒非常困难时或SS非常高的有机污水，采用膜生物反应器具有非常好的前景。在日本和南非已出现生产性运行实例。结果显示，采用膜系统易具有良好的水力状态，膜的耐久性、抗堵性较好，膜自身易于优化。如果在反应器里采用沼气循环以加强传质效果和提高膜表面活性的技术方案，可以使系统运行能量很低。但膜反应器的缺点是膜表面经较长时间运行后易产生碳酸钙沉积[9][10]。
2. 影响 因素
在最近10年中大量的 研究 探索了极限条件下厌氧处理的能力，如高温和低温、低PH和高PH、含盐环境和有毒化合物的存在。
2.1温度
厌氧反应器适于中温(30-40℃)或高温(50-60℃)运行。然而，最近的研究证实了厌氧处理温度能够上升到80℃[11]。虽然在高温下能产生甲烷，但温度过高易产生系统运行不稳定的 问题 ，因此厌氧高温处理一般采用50-60℃。对于高温厌氧处理来说，50-60℃是适宜的。在同样氨氮浓度下，高温厌氧处理有时比中温厌氧处理效果差，这是由于在高温状态下分子态的氨氮(NH3)的分数比中温时高，因此毒性问题更加突出。一般来说，当采用完全混合反应器处理粪便或固体废物时，系统水温高于60℃将导致脂肪酸的显著增加。就厌氧微生物而言，高温一般能提高微生物的水解活性，但某些微生物种群的活性却随温度的上升(>60℃)而下降。例如降解丙酸盐和乙酸盐的微生物种群在水温>60℃时显著减少。因此，水温强烈地影响微生物的水解活性和微生物的种群变化。高温厌氧处理的优点是反应器容积较小、SRT较短、出水病原菌少。
2.2酸碱条件
厌氧处理一般在中性PH条件(PH=6.5-8)下 应用 。在低PH条件下观察到的毒性与不溶性挥发性脂肪酸(VFA)有关。最近的研究证明在PH=4.5-5的低PH下厌氧过程可以较好的进行[12]。当处理大量污水时，生产性应用如采取PH调整是一件既费钱又管理不方便的事。已报道有某食品加工污水在PH=9-9.5时UASB的颗粒污泥形成及运行稳定性良好，COD去除率高[13]。
2.3毒性、难降解有机化合物
用厌氧 方法 处理毒性或难降解的化工污水是厌氧处理比好氧具有优势的一个特点。厌氧处理对于象有机卤化物的消除具有很大的潜力。近10年来已分离出数种专性降解有机卤化物的微生物，并且发现这种专性微生物的数量在不断的增加。已有数种在过去被认为不适于生物处理的生物难降解化工污水成功地采用厌氧反应器进行了有效处理。最新研究显示各种拮抗化合物如氯化脂肪族、氯化芳香族、硝化芳香族可以在厌氧条件下或厌氧-好氧组合系统被降解[14]。对于偶氮染料可以在厌氧-好氧反应器系统里被几乎完全去除[15]。对于高浓度有毒性生物可降解污水，通过进入反应器前的稀释可获得满意的处理效果。
3.去除氮磷硫的特点
3.1氮磷的去除
对于市政污水的处理，含有厌氧过程的ANANOX工艺具有很好的脱氮效果，同时将硫酸盐转化为硫[16]。同样含有厌氧过程的ANAMMOX工艺使用特殊的微生物能直接将氨氮转化为N2脱除[17]。该工艺具有非常良好的前景,因为它可以节约大量的能量。
磷的生物去除采用组合工艺，微生物在交替的厌氧-好氧使聚磷酸盐菌群增长。在DEPHANOX工艺里，为同时脱氮除磷而采用了特殊的装置。这种反应器将氨氮从污泥里富集于的污泥上清液而进入生物膜硝化反应器，而污泥直接进入脱氮除磷反应器。
3.2硫的控制
在厌氧处理的研究里,控制硫酸盐浓度一直引起重视。因为许多污水里含有硫酸盐，特别是某些 工业 污水含有高浓度的硫酸盐。硫酸盐经厌氧过程后转化为硫化氢(H2S)。由于H2S的产生引发许多问题，例如毒性、腐蚀、增加出水COD、降低沼气的质和量。过去的研究是如何控制硫酸盐的转化[18]。进一步的研究表明，结合生物、物理化学技术的富硫酸盐污水的处理可以使污水中的硫酸盐转化成不溶的元素硫而从污水中完全去除硫[19]。
4.厌氧 理论 和技术的 发展 前景
4.1优化反应器系统
许多研究和设计致力于改善颗粒污泥床反应器，目标是减小传质阻力和提高有机负荷率。进一步的期望在于如采用分级污泥床系统处理特殊污水，如化工污水。对于毒性、难降解有机化合物的处理，有意义的期望在于厌氧反应器。应将现有的相关成熟技术最大程度地集成和整合，突破整合过程中的技术难点和关键技术，开发出具有实际应用价值的多级多相厌氧处理工艺。
出于对生活污水的重视，必须集中注意力解决反应器悬浮物的流失和低温条件下的低水解率。随着反应器对污水、固体废物、污泥中所含复杂有机物处理极限的逼近，提高厌氧微生物对复杂有机物水解性能是一项重要的任务。
传统的污泥和固体厌氧消化经常需要长停留时间以完成反应过程。缩短反应时间将是厌氧技术发展的动力。
4.2利用厌氧转化的特殊性质
厌氧技术能够有效地降解数种有机微污染物质特别是有机卤化物、取代芳香族化合物和偶氮交联物。组合的厌氧/好氧技术对于工业污水和含有工业污水的市政污水有愈来愈大的吸引力。厌氧技术的特殊能力决定了厌氧技术具有其它技术所无法比拟的地位。
要求最终产物是绿色、安全的目标使厌氧转化的特殊性质被进一步利用。遵循农业土地循环的污泥消化是厌氧工艺在世界范围内最大的应用。制定出重金属和残留污染物的精确规则将使在消化污泥上进行食品生产成为可能。随着对“残留污染物”的重视，对消化污泥研究设计出控制其有机污染物和重金属的清洁污泥的厌氧/好氧的新理论是十分重要的。
4.3作为污水再生利用的核心技术
对于污水处理系统的产物(包括处理出水)，将来工艺的主要进展是预处理和提高处理效率，包含结合物理、化学、生物处理单元的工艺。显然厌氧技术是有机物矿化的可持续的处理方法，该技术将成为污水处理回用的核心技术。因此，厌氧处理技术在原材料工业、加工工业、农业加工业污水处理回用的水处理有望发挥主要作用。
4.4完善反应数学模型和工艺控制过程
将来在模型和运行控制的进展将导致厌氧处理技术在污水处理工程中更广泛的应用。 目前 模糊逻辑、神经 网络 、分形理论都已成功地应用于数学模型和系统控制，具有缩短启动时间和优化系统运行效果的特点[20]。精确描述厌氧生化动力学的数学模型促进了人们对厌氧过程的深入认识，解释厌氧处理过程在将来继续发展的必然性。有必要建立一个基于未来研究的一般平台，统一世界范围应用的各种符号，设置一般动力学模型的基础模型是工艺设计的基础，同时对工艺过程的控制也是重要的。数学模型的开发成功和应用，有助于应用工艺设计和运行。
5.结语
尽管污水厌氧处理技术可追溯到100多年前，但由于它的生态的、绿色的、低成本的特性，该技术仍在迅速发展以不断适应污水处理要求。高效反应器的不断开发应用和其内在机理不断被发现，将进一步加深对污水厌氧处理的理解和对新型反应器更广泛的应用。
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