低浓度废水的厌氧消化研究进展
内容摘要：低浓度废水一般指COD浓度低于2000mg/l的废水，主要包括生活污水和各种稀释的工业废水。目前，低浓度废水的处理多采用活性污泥法、接触氧化法和滴滤池等好氧工艺。相对于好氧处理，厌氧处理不但能源需求少，而且能产生大量的能源，其处理设备负荷高，占地少，产生的剩余污泥少，且处理比好氧污泥容易。随着现代能源的日趋紧张，越来越多的研究者把目光转向低浓度污水的厌氧处理，无论是实验室小试还是生产性处理都取得了很多成果。
1.1 用于低浓度废水处理的主要厌氧工艺：
近二十年来，在厌氧反应器的设计和厌氧微生物降解有机物的机理方面的研究取得了巨大的进步，出现了许多高速厌氧反应器。这些进步使反应器在很低的水力停留时间(HRT1.3-20h)下，仍能保持较高的污泥停留时间（SRT20-100d）,从而使厌氧反应器能够经济高效的处理低浓度的生活污水和稀释后的工业废水。主要的厌氧工艺有：厌氧滤池（AF）、厌氧流化床（AFB）、上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）、厌氧折流板反应器（ABR）和厌氧序批式活性污泥法（ASBR）等厌氧处理工艺。由于市政生活污水和工业废水中含有更多的颗粒有机物，这些颗粒有机物必须经过厌氧消化的第一个阶段即水解酸化阶段，使其转化为可溶的小分子有机基质，这一步决定了整个厌氧消化的速率。由于水解酸化过程需要较低的PH值，为了避免了因为PH的降低对产甲烷菌产生影响，通过对产酸阶段和产甲烷阶段的分离，能够提高对碳水化合物和蛋白质的水解，并能使产假烷阶段的微生物保持很高的活性，所以并不是所有的厌氧反应器适合处理低浓度的市政废水和工业废水。
1.厌氧滤池(AF)
厌氧滤池是采用填料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器。厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。其特点是结构简单，运行方便、灵活，很适合于小批量的生活污水处理。Kuniyasu,k等人用小型的浸没式厌氧滤池加好氧滤池处理系统，进行单户生活污水的中水回用，取得了满意的效果。Tanemura等人用厌氧滤池处理进水TOC浓度为35mg/l的污水，HRT为4h时，出水TOC可以降到15mg/l。
2.厌氧流化床（AFB）
厌氧流化床依靠在惰性填料表面形成的生物膜来保留厌氧污泥。由于填料在较高的上升流速下处于流化状态，传质作用加强，所以厌氧流化床可以在较短的HRT下运行。Tanemura[55]等人用厌氧流化床在37℃下处理食品加工厂的低浓度废水，HRT为6h,当TOC从100mg/l降到35mg/l时，去除率从85%降到65%.杨云霞等人运用人工合成的多孔高分子载体，应用包络法技术固定物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低的障碍。处理COD浓度为220-250mg/l的城市污水，HRT在2h以上时，容积有机负荷在2.4-2.6gCOD/l.d,去处率为54%-56%。
3.上流式厌氧污泥床(UASB)
UASB是20世纪70年代发展起来的一种高效厌氧反应器，具有SRT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中形成沉降性能好、活性高的颗粒污泥。国内对UASB处理低浓度污水的研究，着重于其接种启动。竺建荣等人比较了进水COD浓度为9000和1000mg/l时UASB反应器颗粒物你的形成情况，发现低浓度进水虽然也能培养出颗粒污泥，但过程较慢，颗粒污泥的粒径也较小。在低浓度UASB启动的研究方面，国外的BritoAG等人在研究中用UASB反应器处理低浓度葡萄糖配水时，没有培养出完整的颗粒污泥，而是得到了一些绒毛状的球形污泥。Soto M等人在中温（30℃）和低温（20℃）下用低浓度蔗糖废水（COD为500mg/l）启动UASB反应器，在一到两个月内培养出了颗粒污泥，各温度下的污泥在外形和大小上很相似，但厌氧菌组成有区别，产甲烷率也不同。国外也有很多是直接采用中高浓度反应器中的颗粒污泥作为种泥的，E.Behling等人在夏季温度平均为32℃的地区，启动过程竟然长达90天。颗粒污泥在接种到处理低浓度污水的UASB反应器后中运行一段时间后，其产甲烷活性有很大程度的下降。
4.厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）
EGSB实际上是改进的UASB反应器，其优点是高径比大，污水在反应器中的上流速度大，使反应器中的颗粒污泥处于悬浮状态，提高了污水在颗粒污泥中的传质效果，在处理低浓度有机废水时，比UASB有更高的容积负荷。王凯军等人以水解反应器对城市污水进行预处理，用EGSB在温度为8-12℃时，HRT仅为两小时，EGSB可获得60%的去处率。Mario T.Kato等人在温度30℃时用EGSB处理进水COD为100-200mg/l的污水，容积负荷达到12gCOD/L/d，去除率为80%。Salih[60]等人配制COD为500-800mg/l的污水，在10-12℃下用EGSB进行处理，HRT为1.6h，COD去处率可以达到90%。
5.厌氧折流板反应器（ABR）
厌氧折流板反应器是(ABR)是MaCarty教授于1982年提出的一种高效厌氧处理工艺。ABR反应器是在反应器内设置一系列垂直放置的折流挡板使废水在反应器内沿着流挡板上下折流运动，依次通过每个隔室的颗粒污泥床直至出口，在此过程中废水中的有机物质与厌氧活性污泥充分接触而得到去处。由于上下折流挡板的阻挡和分割作用，使水流在不同隔室中的流态呈完全混合态（水流的上升及产气的搅拌作用）,而反应器在整个流程方向上则表现为推流态。ABR工艺的另一个特点在于通过在反应器中设置上下折流板而在水流方向上形成依次串联的隔室，从而使其中的微生物种群沿长度方向的不同隔室实现产酸和产甲烷相的分离。ABR的这些特点使其在处理低浓度有机废水方面具有巨大的应用价值。
国外的学者对ABR处理低浓度污水的性能、微生物分布和出水组成都研究较多。Alette A.M.Langenhoff等人研究得出，在进水浓度低（COD为500mg/l）时，发酵菌、产酸菌、产甲烷菌在不同隔室中的选择性积累不会发生。在相同的HRT（10h）下，温度为35℃时，COD去处率为95%，温度为20℃时，COD去处率为70%，降低温度到10℃时，COD去处率下降到60%。在温度为35℃下，HRT缩短到2.85h,进水COD为500mg/l,去除率可达到80%。此外，Barker,Duncan J等人研究了ABR处理低浓度废水时反应器出水组成，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的主要因素。
1.2 低浓度废水的低温厌氧处理:
低浓度废水包括酒精厂、饮料厂、水果和蔬菜罐头厂、啤酒厂、造纸工业等工业废水及城市生活污水，对于中高浓度的工业废水，可以采用和其它低浓度废水按比例混合稀释成低浓度废水。
随着高速厌氧反应器的发展，大规模厌氧污水处理厂逐年增加。但是目前大多数厌氧反应器应用于中温条件下（30-35℃）处理中、高浓度的废水。许多废水的温度较低，气候温和地区的城市污水和许多工业废水浓度较低（2000mg/l以下），将其加热到中温要消耗大量能量，从而限制了厌氧工艺在处理低浓度废水中的应用。因此如何将厌氧消化工艺用于在低温（<20℃）下处理低浓度废水(<2000mg/l)，成为越来越有吸引力的研究方向。近年来，国外许多学者对低温下工业废水城市污水的厌氧处理进行了探索，取得了一定成果。实验结果表明，低温（<20℃）厌氧处理同中温（30-35℃）和高温（50-55℃）厌氧处理一样，可以在较高的负荷下取得令人满意的有机物去除效果。
1. 低温的影响
低温时废水的粘度变大，使废水混合困难，有机物在废水中的扩散及颗粒沉降缓慢，使废水中的颗粒有机物和厌氧污泥不能充分混合而难以降解。在低温下，废水中溶解的气体量增加。如溶解氧更有利于兼性菌的生长，抑制厌氧菌的繁殖，对于颗粒污泥来说，兼性菌的大量繁殖会导致污泥上浮，出水水质恶化。CO2国多会使PH降低，有可能导致酸化。低温使甲烷在废水中的溶解量增大，使得能够回收利用的甲烷变少，同时也可能导致更多的气泡粘附在颗粒污泥表面，而引起污泥上浮。氢气的积累会使丙酸盐的降解受到抑制，H2S、NH3的溶解量增加则会对微生物产生毒性，从而导致出水的VFA和COD变高。
从厌氧微生物角度来考虑，各种厌氧微生物都是在一定的温度范围生长，根据微生物的生长范围习惯将其分为3类：嗜冷微生物(<20℃)、嗜温微生物(20℃-42℃)和嗜热微生物(42℃-75℃)。相应地，废水的厌氧处理也分为：低温消化、中温消化和高温消化3类。温度下降会使微生物的生长速率和底物利用速率降低。但也可使产甲烷菌群或产酸污泥的净生物量收率（g生物量/g转化的底物）降低。低温下，产酸菌和产甲烷菌的活性都有不同程度的降低，相比较而言，产甲烷菌的活性降低的更快，导致产酸菌降解污水中的有机物产生的大量VFA不能及时被产甲烷菌降解，而导致出水VFA和COD升高，严重时可能导致反应器酸化。
2. 低浓度带来的问题
当废水中的有机物浓度很低时，反应器内的有机物浓度很低。根据Monod动力学方程，实际污泥活性远低于最佳值，污泥长期处于饥饿状态。底物浓度低还使产气量减少，使底物和污泥之间的船只作用较差。处理低浓度废水要求污泥的流失量要少，这就对反应器保留污泥的能力有很高的要求，因此，反应器的体积一般受水力负荷的限制，而不像处理中、高浓度废水那样负荷率受有机负荷限制。
关于溶解氧的危害，产甲烷菌一般被认为是严格厌氧的，低浓度废水中所含有的相当多的溶解氧可能会造成潜在的危险。但Mario等人进行的没有溶解氧和含有溶解氧的平行对比试验表明，两个反应器的处理效果和出水的氧化还原电位菌比较相近。这说明溶解氧能很快被消耗，不会显著影响处理效果。
3. 颗粒污泥的代谢特征
采用EGSB、UASB和厌氧折流板反应器(ABR)等反应器低温处理低浓度废水的长期操作表明，低温下污泥仍保持令人满意的产甲烷活性。污泥中是否存在嗜冷菌还不清楚，但研究表明，低温生长（3-12℃）的污泥最佳代谢温度仍在中温范围（30-40℃），表明主要菌群仍是嗜温菌，但并不表明嗜冷菌完全不存在。多数情况下采用中温消化污泥或颗粒污泥启动低温厌氧反应器，低温（10℃）生长的中温接种污泥在10℃和30℃底物活性均非常高，说明虽然低温限制了厌氧降解速度，但并没有妨碍产甲烷菌及同型产已酸菌的生长和富集。温度低，衰变速率（decay rate）也很低。这些特征有助于厌氧反应器在低温下应用，因为不需要培养专门的嗜冷菌群。污泥颗粒的微生物结构很大程度上依赖于底物的特性而不是温度。
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