(1.宜賓市清源水務(wù)集團(tuán)有限公司 四川 宜賓 644000； 2.宜賓市翠屏區(qū)環(huán)境衛(wèi)生處 四川 宜賓 644000)

我國是一個(gè)水資源貧乏的國家，人均水資源量只有世界人均占有量的四分之一，而且在時(shí)空的分布上又極為不均。全國668座城市中有 400 多座城市缺水[1]。水環(huán)境惡化的趨勢(shì)也沒有得到有效的遏制。全國水土流失面積 367 萬平方公里，占國土面積的 38%。全國近一半河段和九成的城市水域受到不同程度的污染。水環(huán)境的惡化，破壞了生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步加劇了水資源緊缺的矛盾。隨著我國人口的增加，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國水資源形勢(shì)將更為嚴(yán)峻，以水資源緊張、水污染嚴(yán)重和洪澇災(zāi)害為特征的水危機(jī)已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，成為實(shí)現(xiàn)新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展目標(biāo)具有基礎(chǔ)性、全局性和戰(zhàn)略性的重大問題。

一、低濃度污水的概念及來源

低濃度污水的概念,在水處理工藝發(fā)展的各個(gè)時(shí)期不同，對(duì)各種具體工藝而言也有很大差異。厭氧處理時(shí)，有學(xué)者認(rèn)為，COD濃度低于1000mg/L或BOD5濃度低于500mg/L的污水就可以稱為低濃度污水[2]。而好氧處理時(shí)，低濃度污水的COD濃度則低得多，甚至某些微污染水也可歸入此類。低濃度污水主要有兩方面的來源，第一，城市居民日常生活產(chǎn)生的生活污水；第二，企業(yè)廠礦生產(chǎn)過程中的低濃度生產(chǎn)污水以及各種設(shè)備、廠房的沖洗水，冷凝水，員工洗澡水等，此外，還包括某些受到輕度污染的給水、地下水等。某些污水處理廠的二級(jí)生化處理出水一般都能達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，COD濃度在100mg/L以下，若要對(duì)它進(jìn)行深度處理，這部分水也可稱作低濃度水。

二、厭氧技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

在 19 世紀(jì)末期，人們開始認(rèn)識(shí)沼氣的產(chǎn)生是一個(gè)微生物過程，1896 年英國出現(xiàn)第一座用于處理生活污水的厭氧硝化池，所產(chǎn)生的沼氣用于街道照明。1914 年，英國有 14 座城市建立了沼氣消化池。20 世紀(jì) 40 年代，在澳大利亞出現(xiàn)連續(xù)攪拌的消化池，改善了污水污泥的混和，提高了處理效率，但這個(gè)時(shí)期以前的所有消化池都是用于污泥和糞肥的處理，直到 50 年代中期出現(xiàn)了厭氧接觸反應(yīng)器，這種反應(yīng)器對(duì)出水增加了固液分離措施，把污泥通過動(dòng)力又重新回到厭氧處理系統(tǒng)，這樣大大提高了污泥的實(shí)際停留泥齡，減少了污水停留時(shí)間。反應(yīng)器的處理效果和負(fù)荷大大提高，開始了厭氧在處理污水中的應(yīng)用[3]。20 世紀(jì) 70 年代 UASB 和 AF 的發(fā)明，標(biāo)明高速高效厭氧時(shí)代的到來，這兩種反應(yīng)器提出了污泥固定化概念和應(yīng)用技術(shù)，這樣又再一次大大提高了反應(yīng)器的生物濃度和處理負(fù)荷，使得厭氧處理廢水得到非常廣泛的應(yīng)用。

三、厭氧工藝處理低濃度污水的原理

處理低濃度污水，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較多的有活性污泥法、生物濾池、生物接觸氧化法、生物流化床、生物穩(wěn)定塘等工藝。

厭氧生物處理法是厭氧微生物在無氧條件下，是有機(jī)物轉(zhuǎn)化、穩(wěn)定的一種處理方法。這是一個(gè)生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化過程，廢水中的有機(jī)物在無氧條件下被轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，工程上也稱之為厭氧消化(anaerobic digestion)。

厭氧消化的反應(yīng)過程一般包括兩個(gè)階段。反應(yīng)初期為產(chǎn)酸階段，以后轉(zhuǎn)入產(chǎn)氣階段。從物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程來看，把消化過程分為水解，揮發(fā)酸生成和甲烷生成三個(gè)階段。從微生物的作用來看，在消化的全過程中，有機(jī)物全部轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，存在這兩個(gè)大的生理上不同的微生物群落。即不產(chǎn)甲烷的微生物群落和產(chǎn)甲烷微生物群落。不產(chǎn)甲烷微生物群落將污泥或污水中的蛋白質(zhì)、糖類、脂肪等水解和發(fā)酵，大部分轉(zhuǎn)化為脂肪酸。產(chǎn)甲烷菌再將脂肪酸等轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。

四、厭氧工藝處理低濃度污水的研究進(jìn)展

厭氧處理工藝形式多樣，特點(diǎn)各異，但其基本原理都是利用厭氧水解菌和厭氧產(chǎn)甲烷菌的代謝活動(dòng)，將水中的大分子有機(jī)污染物分解為小分子的醇類和有機(jī)酸后，最終轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳(沼氣的主要成分)。處理低濃度污水時(shí)，有很多與普通厭氧處理法不同的地方。

(一)用于低濃度污水處理的主要厭氧工藝

1.上流式厭氧污泥床(UASB)

UASB反應(yīng)器是七十年代發(fā)展起來的一種高效厭氧反應(yīng)器，具有HRT長，處理負(fù)荷高，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。這種反應(yīng)器的高效運(yùn)行取決于反應(yīng)器內(nèi)形成沉降性能好，活性高的顆粒污泥。厭氧處理過程反應(yīng)速率緩慢，生物增長量低，而在處理低濃度廢水時(shí)，低的有機(jī)物濃度更加加劇了這一問題，顆粒污泥的培養(yǎng)比較困難。

國內(nèi)對(duì)UASB處理低濃度污水的研究，著重于其接種啟動(dòng)，雒文生等人[4]利用1.2m3UASB反應(yīng)器處理COD濃度為200mg/L作用的低濃度生活污水，水處理系統(tǒng)在水溫32～35℃范圍內(nèi)運(yùn)行6個(gè)月的時(shí)間。結(jié)果表明，UASB反應(yīng)器在上升流速為1.4～1.7m/h、水力停留時(shí)間(HRT)為3.0～2.5h、COD有機(jī)負(fù)荷(SLR)為0.06～0.13kg/(L·d)時(shí)，去除效率比較穩(wěn)定，COD去除率達(dá)40%～80%。

在低濃度UASB啟動(dòng)研究方面，國外的Boyer等人[5]在中溫(30℃)和低溫(20℃)下用COD濃度為500mg/L的蔗糖廢水啟動(dòng)UASB反應(yīng)器，在1～2個(gè)月內(nèi)都培養(yǎng)出了顆粒污泥，COD去除率分別達(dá)到95%和92%。

2.厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)

EGSB實(shí)際上是改進(jìn)的UASB反應(yīng)器，初里冰等人[6]應(yīng)用與膜結(jié)合的EGSB反應(yīng)器處理中、低溫生活污水，EGSB反應(yīng)器總?cè)莘e為4.18L。當(dāng)溫度控制在15℃以上時(shí)，COD去除率可達(dá)90%；在11℃的條件下，當(dāng)水力停留時(shí)間從3.5h增至5.7h時(shí)，COD去除率從76%增至81%。結(jié)果表明，EGSB反應(yīng)器采用較高的水流上升流速，污水與污泥之間可以充分接觸，傳質(zhì)效果良好，且污泥顆粒的形成和大量兼性菌的存在，使其在處理低濃度污水方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。國外的Mario T.Kato等人[7]在溫度30℃時(shí)用處理進(jìn)水COD濃度為100～200mg/L的污水，去除率可達(dá)80%左右。Salih等人[8]在10～12℃的溫度下用處理濃度為500～800mg/L的污水，HRT為1.6h時(shí)，COD去除率可達(dá)90%。

3.厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)

ABR反應(yīng)器是八十年代以來發(fā)展的一種高效厭氧處理工藝，其實(shí)質(zhì)是一系列升流式污泥懸浮反應(yīng)器，具有結(jié)構(gòu)簡單，生物截留能力強(qiáng)，處理效果好，運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)[9]。

沈耀良等人[10]對(duì)ABR處理低濃度廢水的效果和運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)在中溫35℃，HRT為3～12h條件下進(jìn)行。進(jìn)水COD濃度為150～850mg/L時(shí)，COD去除率達(dá)50%～95%。研究表明，該反應(yīng)器處理低濃度廢水時(shí)，不僅具有良好的處理效果而且運(yùn)行穩(wěn)定。

國外的A lette A.M.和Langenhoff等人[11]對(duì)ABR處理低濃度污水的研究中得出，在HRT為10h，溫度為35℃時(shí)，COD的去除率為95%；溫度20℃時(shí)，COD的去除率為70%；降至溫度為10℃時(shí)，COD去除率下降至60%。溫度35℃時(shí)，HRT縮短到2.85h，去除率可達(dá)到80%。此外，Barker，Duncan J等人[12]研究了處理低濃度廢水的ABR反應(yīng)器的出水組成，發(fā)現(xiàn)可溶性微生物產(chǎn)物(SMPs)約占出水總COD的55%，而HRT和反應(yīng)器的溫度是影響可溶性微生物產(chǎn)物產(chǎn)量的主要因素。

4.厭氧序批式活性污泥法(ASBR)

厭氧序批式活性污泥法是將序批式活性污泥法(SBR)應(yīng)用于厭氧生物處理過程。典型的ASBR運(yùn)行周期包括五個(gè)階段，即：進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、出水和空轉(zhuǎn)。其中空轉(zhuǎn)過程可以根據(jù)處理情況的要求進(jìn)行取舍。

溫度對(duì)厭氧消解速度的影響很重要。Ndon,Udeme J等人[13]用一系列ASBR反應(yīng)器處理COD濃度為400～1000mg/L的合成廢水，溫度分別為35,25,20和15℃時(shí)，HRT超過12h就能過的80～90%的COD去除率。Banik等人[14]研究了不同溫度下ASBR反應(yīng)器處理低濃度水所形成的顆粒污泥的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)25℃和15℃時(shí)，顆粒污泥的微生物結(jié)構(gòu)及組成沒有太大的區(qū)別，而5℃下培養(yǎng)的顆粒污泥則呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)。

5.厭氧流化床(AFB)及厭氧膨脹床(AEBR)

厭氧流化床依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜來保留厭氧污泥。由于填料在較高的上流速度下處于流化狀態(tài)，傳質(zhì)作用強(qiáng)，所以厭氧流化床反應(yīng)器可以在較短HRT下運(yùn)行。流化床反應(yīng)器一般以沙粒、塑料、活性炭、沸石、玻璃等作為填料。為了使填料處于流化狀態(tài)需要大量的回流水來保持較高的上流速度，這就導(dǎo)致能耗加大，成本上升。Theis，Thomas L等人[15]研究指出，當(dāng)出水COD標(biāo)準(zhǔn)高于230mg/L時(shí)，用厭氧膨脹床處理生活污水是一種經(jīng)濟(jì)有效的選擇。

Tanemura，kouhei 等人[16]用厭氧流化床在37℃下處理食品加工廠的低濃度水，HRT為6h，當(dāng)TOC從100mg/L降到35mg/L 時(shí)，去除率從85%降到65%。楊云霞等人[17]人工合成了多孔高分子載體，運(yùn)用包絡(luò)法技術(shù)固定微生物進(jìn)行厭氧流化床的研究，可強(qiáng)化傳質(zhì)過程，克服低濃度有機(jī)廢水甲烷化能力的障礙，同時(shí)膨脹能耗也較小，處理COD濃度為220mg/L到250mg/L的城市污水，HRT在兩小時(shí)以上時(shí)，容積有機(jī)負(fù)荷為2.4～2.6COD/L·d，COD去除率為54%～56%。

五、厭氧工藝在處理低濃度污水中的應(yīng)用

厭氧一直以來都被認(rèn)為受底物限制濃度影響很大，在低濃度下厭氧氧化速率很慢，對(duì)廢水中的有機(jī) COD 去除效果不大，但最近的一些研究表明，厭氧處理低濃度廢水仍然能夠起到很大的作用，甚至能夠獲得 60-70%的處理效果，尤其在處理城鎮(zhèn)污水領(lǐng)域，有非常理想的效果[18]。在國外，1983 年開始進(jìn)行城鎮(zhèn)污水的試驗(yàn)，并建成了 64m3的中試 UASB，研究在常溫下處理城市污水的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)厭氧在此種條件下具有 50-70% 的良好效果，在夏天的處理效果甚至一度超過 80%[19]。Lettinga 認(rèn)為采用厭氧處理城鎮(zhèn)生活污水比傳統(tǒng)的好氧方法有如下優(yōu)點(diǎn)：

①在基建和運(yùn)行上都更簡單，因而費(fèi)用低；

②只需要極少的電力；

③規(guī)模宜大宜小，因而使用面更廣；

④廢水處理系統(tǒng)可以分散布置，從而更接近污染源，這樣可以大大節(jié)省費(fèi)用；

⑤剩余污泥量少，而且濃度大、體積?。?/p>

⑥污泥穩(wěn)定性好。

六、結(jié)論

目前，上流式厭氧污泥床已在部分熱帶地區(qū)應(yīng)用到了生活污水的處理中。但是國內(nèi)這方面的研究還不夠充分，很少有應(yīng)用于實(shí)際工程的例子。低濃度廢水的厭氧處理具有能耗低，占地少，管理簡便等優(yōu)點(diǎn)，在生活污水的處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于低濃度廢水的排放量比較大，對(duì)其進(jìn)行加熱和保溫能耗也較高，所以目前對(duì)低濃度廢水厭氧處理的研究，大多注重中低溫下厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行性能。同時(shí)，因?yàn)閱为?dú)的厭氧處理對(duì)氮、磷等營養(yǎng)元素基本上沒有去除能力，也不能很好的除去病菌，并且出水中含有H2S、NH4等物質(zhì)，所以一般厭氧處理系統(tǒng)后面還應(yīng)該增設(shè)好氧處理系統(tǒng)。