低濃度廢水的厭氧消化研究進展
內容摘要：低濃度廢水一般指COD濃度低于2000mg/l的廢水，主要包括生活污水和各種稀釋的工業廢水。目前，低濃度廢水的處理多采用活性污泥法、接觸氧化法和滴濾池等好氧工藝。相對于好氧處理，厭氧處理不但能源需求少，而且能產生大量的能源，其處理設備負荷高，占地少，產生的剩余污泥少，且處理比好氧污泥容易。隨著現代能源的日趨緊張，越來越多的研究者把目光轉向低濃度污水的厭氧處理，無論是實驗室小試還是生產性處理都取得了很多成果。
1.1 用于低濃度廢水處理的主要厭氧工藝：
近二十年來，在厭氧反應器的設計和厭氧微生物降解有機物的機理方面的研究取得了巨大的進步，出現了許多高速厭氧反應器。這些進步使反應器在很低的水力停留時間(HRT1.3-20h)下，仍能保持較高的污泥停留時間（SRT20-100d）,從而使厭氧反應器能夠經濟高效的處理低濃度的生活污水和稀釋后的工業廢水。主要的厭氧工藝有：厭氧濾池（AF）、厭氧流化床（AFB）、上流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）、厭氧折流板反應器（ABR）和厭氧序批式活性污泥法（ASBR）等厭氧處理工藝。由于市政生活污水和工業廢水中含有更多的顆粒有機物，這些顆粒有機物必須經過厭氧消化的第一個階段即水解酸化階段，使其轉化為可溶的小分子有機基質，這一步決定了整個厭氧消化的速率。由于水解酸化過程需要較低的PH值，為了避免了因為PH的降低對產甲烷菌產生影響，通過對產酸階段和產甲烷階段的分離，能夠提高對碳水化合物和蛋白質的水解，并能使產假烷階段的微生物保持很高的活性，所以并不是所有的厭氧反應器適合處理低濃度的市政廢水和工業廢水。
1.厭氧濾池(AF)
厭氧濾池是采用填料作為微生物載體的一種高速厭氧反應器。厭氧菌在填充材料上附著生長，形成生物膜。其特點是結構簡單，運行方便、靈活，很適合于小批量的生活污水處理。Kuniyasu,k等人用小型的浸沒式厭氧濾池加好氧濾池處理系統，進行單戶生活污水的中水回用，取得了滿意的效果。Tanemura等人用厭氧濾池處理進水TOC濃度為35mg/l的污水，HRT為4h時，出水TOC可以降到15mg/l。
2.厭氧流化床（AFB）
厭氧流化床依靠在惰性填料表面形成的生物膜來保留厭氧污泥。由于填料在較高的上升流速下處于流化狀態，傳質作用加強，所以厭氧流化床可以在較短的HRT下運行。Tanemura[55]等人用厭氧流化床在37℃下處理食品加工廠的低濃度廢水，HRT為6h,當TOC從100mg/l降到35mg/l時，去除率從85%降到65%.楊云霞等人運用人工合成的多孔高分子載體，應用包絡法技術固定物生物進行厭氧流化床的研究，可強化傳質過程，克服低濃度有機廢水甲烷化能力低的障礙。處理COD濃度為220-250mg/l的城市污水，HRT在2h以上時，容積有機負荷在2.4-2.6gCOD/l.d,去處率為54%-56%。
3.上流式厭氧污泥床(UASB)
UASB是20世紀70年代發展起來的一種高效厭氧反應器，具有SRT長，處理負荷高，運行穩定等優點。這種反應器的高效運行取決于反應器中形成沉降性能好、活性高的顆粒污泥。國內對UASB處理低濃度污水的研究，著重于其接種啟動。竺建榮等人比較了進水COD濃度為9000和1000mg/l時UASB反應器顆粒物你的形成情況，發現低濃度進水雖然也能培養出顆粒污泥，但過程較慢，顆粒污泥的粒徑也較小。在低濃度UASB啟動的研究方面，國外的BritoAG等人在研究中用UASB反應器處理低濃度葡萄糖配水時，沒有培養出完整的顆粒污泥，而是得到了一些絨毛狀的球形污泥。Soto M等人在中溫（30℃）和低溫（20℃）下用低濃度蔗糖廢水（COD為500mg/l）啟動UASB反應器，在一到兩個月內培養出了顆粒污泥，各溫度下的污泥在外形和大小上很相似，但厭氧菌組成有區別，產甲烷率也不同。國外也有很多是直接采用中高濃度反應器中的顆粒污泥作為種泥的，E.Behling等人在夏季溫度平均為32℃的地區，啟動過程竟然長達90天。顆粒污泥在接種到處理低濃度污水的UASB反應器后中運行一段時間后，其產甲烷活性有很大程度的下降。
4.厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）
EGSB實際上是改進的UASB反應器，其優點是高徑比大，污水在反應器中的上流速度大，使反應器中的顆粒污泥處于懸浮狀態，提高了污水在顆粒污泥中的傳質效果，在處理低濃度有機廢水時，比UASB有更高的容積負荷。王凱軍等人以水解反應器對城市污水進行預處理，用EGSB在溫度為8-12℃時，HRT僅為兩小時，EGSB可獲得60%的去處率。Mario T.Kato等人在溫度30℃時用EGSB處理進水COD為100-200mg/l的污水，容積負荷達到12gCOD/L/d，去除率為80%。Salih[60]等人配制COD為500-800mg/l的污水，在10-12℃下用EGSB進行處理，HRT為1.6h，COD去處率可以達到90%。
5.厭氧折流板反應器（ABR）
厭氧折流板反應器是(ABR)是MaCarty教授于1982年提出的一種高效厭氧處理工藝。ABR反應器是在反應器內設置一系列垂直放置的折流擋板使廢水在反應器內沿著流擋板上下折流運動，依次通過每個隔室的顆粒污泥床直至出口，在此過程中廢水中的有機物質與厭氧活性污泥充分接觸而得到去處。由于上下折流擋板的阻擋和分割作用，使水流在不同隔室中的流態呈完全混合態（水流的上升及產氣的攪拌作用）,而反應器在整個流程方向上則表現為推流態。ABR工藝的另一個特點在于通過在反應器中設置上下折流板而在水流方向上形成依次串聯的隔室，從而使其中的微生物種群沿長度方向的不同隔室實現產酸和產甲烷相的分離。ABR的這些特點使其在處理低濃度有機廢水方面具有巨大的應用價值。
國外的學者對ABR處理低濃度污水的性能、微生物分布和出水組成都研究較多。Alette A.M.Langenhoff等人研究得出，在進水濃度低（COD為500mg/l）時，發酵菌、產酸菌、產甲烷菌在不同隔室中的選擇性積累不會發生。在相同的HRT（10h）下，溫度為35℃時，COD去處率為95%，溫度為20℃時，COD去處率為70%，降低溫度到10℃時，COD去處率下降到60%。在溫度為35℃下，HRT縮短到2.85h,進水COD為500mg/l,去除率可達到80%。此外，Barker,Duncan J等人研究了ABR處理低濃度廢水時反應器出水組成，發現可溶性微生物產物（SMPS）約占出水總COD的55%，而HRT和反應器的溫度是影響可溶性微生物產物的主要因素。
1.2 低濃度廢水的低溫厭氧處理:
低濃度廢水包括酒精廠、飲料廠、水果和蔬菜罐頭廠、啤酒廠、造紙工業等工業廢水及城市生活污水，對于中高濃度的工業廢水，可以采用和其它低濃度廢水按比例混合稀釋成低濃度廢水。
隨著高速厭氧反應器的發展，大規模厭氧污水處理廠逐年增加。但是目前大多數厭氧反應器應用于中溫條件下（30-35℃）處理中、高濃度的廢水。許多廢水的溫度較低，氣候溫和地區的城市污水和許多工業廢水濃度較低（2000mg/l以下），將其加熱到中溫要消耗大量能量，從而限制了厭氧工藝在處理低濃度廢水中的應用。因此如何將厭氧消化工藝用于在低溫（<20℃）下處理低濃度廢水(<2000mg/l)，成為越來越有吸引力的研究方向。近年來，國外許多學者對低溫下工業廢水城市污水的厭氧處理進行了探索，取得了一定成果。實驗結果表明，低溫（<20℃）厭氧處理同中溫（30-35℃）和高溫（50-55℃）厭氧處理一樣，可以在較高的負荷下取得令人滿意的有機物去除效果。
1. 低溫的影響
低溫時廢水的粘度變大，使廢水混合困難，有機物在廢水中的擴散及顆粒沉降緩慢，使廢水中的顆粒有機物和厭氧污泥不能充分混合而難以降解。在低溫下，廢水中溶解的氣體量增加。如溶解氧更有利于兼性菌的生長，抑制厭氧菌的繁殖，對于顆粒污泥來說，兼性菌的大量繁殖會導致污泥上浮，出水水質惡化。CO2國多會使PH降低，有可能導致酸化。低溫使甲烷在廢水中的溶解量增大，使得能夠回收利用的甲烷變少，同時也可能導致更多的氣泡粘附在顆粒污泥表面，而引起污泥上浮。氫氣的積累會使丙酸鹽的降解受到抑制，H2S、NH3的溶解量增加則會對微生物產生毒性，從而導致出水的VFA和COD變高。
從厭氧微生物角度來考慮，各種厭氧微生物都是在一定的溫度范圍生長，根據微生物的生長范圍習慣將其分為3類：嗜冷微生物(<20℃)、嗜溫微生物(20℃-42℃)和嗜熱微生物(42℃-75℃)。相應地，廢水的厭氧處理也分為：低溫消化、中溫消化和高溫消化3類。溫度下降會使微生物的生長速率和底物利用速率降低。但也可使產甲烷菌群或產酸污泥的凈生物量收率（g生物量/g轉化的底物）降低。低溫下，產酸菌和產甲烷菌的活性都有不同程度的降低，相比較而言，產甲烷菌的活性降低的更快，導致產酸菌降解污水中的有機物產生的大量VFA不能及時被產甲烷菌降解，而導致出水VFA和COD升高，嚴重時可能導致反應器酸化。
2. 低濃度帶來的問題
當廢水中的有機物濃度很低時，反應器內的有機物濃度很低。根據Monod動力學方程，實際污泥活性遠低于最佳值，污泥長期處于饑餓狀態。底物濃度低還使產氣量減少，使底物和污泥之間的船只作用較差。處理低濃度廢水要求污泥的流失量要少，這就對反應器保留污泥的能力有很高的要求，因此，反應器的體積一般受水力負荷的限制，而不像處理中、高濃度廢水那樣負荷率受有機負荷限制。
關于溶解氧的危害，產甲烷菌一般被認為是嚴格厭氧的，低濃度廢水中所含有的相當多的溶解氧可能會造成潛在的危險。但Mario等人進行的沒有溶解氧和含有溶解氧的平行對比試驗表明，兩個反應器的處理效果和出水的氧化還原電位菌比較相近。這說明溶解氧能很快被消耗，不會顯著影響處理效果。
3. 顆粒污泥的代謝特征
采用EGSB、UASB和厭氧折流板反應器(ABR)等反應器低溫處理低濃度廢水的長期操作表明，低溫下污泥仍保持令人滿意的產甲烷活性。污泥中是否存在嗜冷菌還不清楚，但研究表明，低溫生長（3-12℃）的污泥最佳代謝溫度仍在中溫范圍（30-40℃），表明主要菌群仍是嗜溫菌，但并不表明嗜冷菌完全不存在。多數情況下采用中溫消化污泥或顆粒污泥啟動低溫厭氧反應器，低溫（10℃）生長的中溫接種污泥在10℃和30℃底物活性均非常高，說明雖然低溫限制了厭氧降解速度，但并沒有妨礙產甲烷菌及同型產已酸菌的生長和富集。溫度低，衰變速率（decay rate）也很低。這些特征有助于厭氧反應器在低溫下應用，因為不需要培養專門的嗜冷菌群。污泥顆粒的微生物結構很大程度上依賴于底物的特性而不是溫度。
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