淺析厭氧工藝在污水處理中的作用

寅 詩，曠 陽 ，張求實

（1.遼寧省建設(shè)事業(yè)指導(dǎo)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧省生態(tài)環(huán)境保護科技中心，遼寧 沈陽 1110031；3.張求實 遼陽市中成自來水公司遼寧，遼寧 遼陽 111000）

隨著全球工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大量生活污水的直排導(dǎo)致地表水水質(zhì)下降，特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水的低成本處理工藝受到廣泛重視。借助厭氧反應(yīng)的污水處理工藝被證明是處理生活污水頗為經(jīng)濟有效的處理手段，目前已成為生活污水處理的重要工藝之一。

1 厭氧消化數(shù)學(xué)模型ADM1

厭氧反應(yīng)是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)過程，其中包括有機物降解轉(zhuǎn)化途徑、中間產(chǎn)物及微生物種類等均比較繁雜。但近年來，隨著厭氧消化知識的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的不斷進步，及其在動態(tài)模型中的發(fā)展，計算機模擬預(yù)測厭氧消化過程不斷取得進步。在相關(guān)計算機模型研究中，ADM1是采用微分代數(shù)方程組（DAE）描述生化和物化過程的結(jié)構(gòu)化模型。目前，因其在污水厭氧處理實際應(yīng)用方面能較好地模擬和預(yù)測不同工藝和工況下的運行狀況和效果。因此為工藝和設(shè)計提供支持，同時其具備良好的可擴展性，可以為工藝改良提供開放的建模平臺。

目前，ADM1是用于描述現(xiàn)有系統(tǒng)方面不斷改良，模型可以洞悉過程動力學(xué)和工藝參數(shù)改變的影響、如進水濃度、基質(zhì)流量、溫度的變化等。采用實際數(shù)據(jù)校核動力學(xué)參數(shù)、進而可用于預(yù)測反應(yīng)器COD的去除情況。同樣出于教學(xué)目的、ADM1模型也是一個得力的工具，有助于深刻認識整個連續(xù)反應(yīng)鏈中特定轉(zhuǎn)化步驟的重要性。ADM1模型的不足之處是缺少生物膜動力學(xué)和系統(tǒng)流體動力學(xué)部分，在實際高效厭氧處理系統(tǒng)中，流體動力學(xué)在很大程度決定了反應(yīng)能力。

例如，在三相系統(tǒng)中，由最終產(chǎn)物氣體引發(fā)的微觀與宏觀層面的對流傳質(zhì)極大地影響動力學(xué)參數(shù)，并且實際系統(tǒng)動力學(xué)可能完全否定模型輸入的參數(shù)。因此，目前ADM1尚不能作為一個設(shè)計工具，最大的挑戰(zhàn)是將生物ADM1模型與其他流體動力學(xué)和化學(xué)模型相結(jié)合，創(chuàng)造出一個全面的設(shè)計工具或動態(tài)環(huán)境中厭氧系統(tǒng)的運行支持工具。

2 小城鎮(zhèn)生活污水的特點

城鎮(zhèn)居民生活污水，主要包括居民生活排水，及允許排入城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)的企業(yè)廢水和初期雨水等，其主要包括以下特點：一是用水量標準較低，污水處理規(guī)模相對較小；二是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)區(qū)域差異較大，受雨季影響及用水量實時變化系數(shù)較大，因此污水水量、水質(zhì)變化大；三是經(jīng)濟發(fā)展水平偏低，經(jīng)濟承受能力弱，可供選擇的適用技術(shù)范圍小；四是由于處理規(guī)模小而造成工程建設(shè)費及運行費用比較高；五是缺少專業(yè)的維護管理技術(shù)人員等。在排水體制方面各地具有較大差異，一般城市新區(qū)多采用雨污分流，已建成舊城區(qū)采用雨污合流的較多。有些城鎮(zhèn)有一些工業(yè)實體，有的城鎮(zhèn)污水基本都是生活污水。

3 高效率厭氧反應(yīng)器的研究和發(fā)展

20世紀70年代中期，許多地區(qū)因為受到經(jīng)濟因素制約，需要尋找低成本的污水處理替代技術(shù)。各國科研人員針對污水處理低成本的替代選擇開展研究。然而，之前高效率厭氧反應(yīng)器的研制主要用于處理高濃度工業(yè)廢水，而生活污水和城市污水的特點就是低濃度、大部分地區(qū)的城市污水COD濃度低于500mg/L,甚至經(jīng)常低于300mg/L。另外，生活污水的溫度經(jīng)常比工業(yè)廢水低，僅在部分城市污水才能達到工藝所需的理想溫度。第一個采用緊湊/高效厭氧處理技術(shù)—UASB反應(yīng)器處理生活污水的范例始于20世紀80年代初，哥倫比亞卡利。64m3的UASB中試反應(yīng)器運行效果表明在當(dāng)?shù)丨h(huán)境和污水特征條件下采用該系統(tǒng)是可行的。緊隨其后在哥倫比亞、巴西和印度建設(shè)了一批工程化的反應(yīng)器。在20世紀90年代初建成的數(shù)百個UASB工程反應(yīng)器體積從50～50000m3不等，尤其是在（亞）熱帶條件下居多。一般B0D的去除率在75%～85%之間，出水B0D濃度小于40～50mg/L。COD和TSS的總?cè)コ矢哌_70%～80%，有時甚至更高。為了滿足當(dāng)?shù)氐呐欧艠藴?，UASB系統(tǒng)經(jīng)常和一些適宜的后處理系統(tǒng)聯(lián)用。例如，兼性塘、砂濾池、人工濕地、滴濾池和物理化學(xué)處理等。

4 在厭氧高效系統(tǒng)中厭氧處理城市 污水的主要優(yōu)缺點

現(xiàn)有案例已經(jīng)證明。UASB反應(yīng)器能夠有效去除生活污水中的有機物。但其去除氮、磷等營養(yǎng)物的效果存在不足，只能去除部分病原微生物，水出水質(zhì)通常很難達到二級標準，反應(yīng)器的出水后需要增加后續(xù)處理工藝出水才能達標。以下就反應(yīng)器主要優(yōu)缺點展開分析。

厭氧高效系統(tǒng)中厭氧處理城市污水的優(yōu)點主要概括為以下十項：一是在實際運行過程中無爆氣能耗，運行成本可節(jié)約90%。二是處理構(gòu)筑物少，投資成本減少40%～60%。三是如工程規(guī)模適宜，產(chǎn)生的能量回收或發(fā)電會帶來利潤。四是除了主要的提升泵和細格外，該工藝無需高科技設(shè)備、處理系統(tǒng)不依賴進口技術(shù)。五是工藝定且能適應(yīng)周期性的高水力負荷和高有機負荷。六是技術(shù)穩(wěn)定性好工藝，平均HRT.在6～9之間，適合城市使用，設(shè)備輸送成本低。七是設(shè)備規(guī)模小、適宜于分散型污水處理較少依賴于污水管網(wǎng)狀況。八是污泥產(chǎn)生量少，穩(wěn)定化程度高，易脫水，無需后續(xù)處理。九是各種元素（氮和磷）被保留，有較高的農(nóng)田灌溉潛能。十是設(shè)計良好的UASB反應(yīng)器可濾除進水中的蠕蟲卵，滿足農(nóng)業(yè)回用的先決條件。

其缺點可以概括為以下五項：一是厭氧過程是不完全過程，需要聯(lián)合后續(xù)處理以滿足排放或回用標準。二是產(chǎn)生的CH大部分溶于水中（依賴于進水COD濃度）排出，目前尚未有措施阻止CH4進人大氣。三是產(chǎn)生的可燃氣體一般既不能用于回收能量，也不能用于燃燒。四是目前在中低溫條件下的工程應(yīng)用經(jīng)驗較少。五是還原性氣體，諸如HS氣體溶于出水逸散時導(dǎo)致臭味等問題。

通常UASB反應(yīng)器會根據(jù)需要同后續(xù)處理步驟一并建設(shè)，或是在一體化設(shè)備中實現(xiàn)。高效厭氧污水處理的一些重要特點同大多數(shù)工業(yè)厭氧反應(yīng)器的優(yōu)點是比較一致的。早期研發(fā)的厭氧污水處理系統(tǒng)存在一些局限性，然而在實際工程中，由于受經(jīng)濟因素限制，這些局限性被簡單忽略或根本沒有考慮，從而也帶來了負面的宣傳效果。時至今日，不受控制的溫室氣體排放應(yīng)該避免，并且收集后的CH4氣體必須燃燒利用。如果所有的能源都能得到利用，再加上日益增長的能源價格和可交易的C02信用額，對于許多經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，厭氧污水處理甚至可能成為一種比較劃算的投資。如果利用回收的甲烷，直接輸送到火炬液燃燒爐進行燃燒的技術(shù)路線似具有可行性。隨著所有技術(shù)限制取得突破，厭氧污水處理在解決與污水相關(guān)的問題方面具有較大潛力。

事實上，單個UASB反應(yīng)器由四個單元組成：一是初沉單元：去除/捕集進水中（不）可生物降解的懸浮顆粒；二是生物反應(yīng)單元（二級處理）：通過轉(zhuǎn)化成甲烷去除可生物降解的有機物質(zhì)；三是二沉單元：位于UASB反應(yīng)器頂部的沉淀區(qū)，凈化已處理的出水；四是污泥消化單元：穩(wěn)定化（消化）并提高 截留污泥的脫水性能。

如果不采用重力流，污水提升工程，如泵坑和泵、格柵和砂礫去除裝置對于任何集約化的處理系統(tǒng)都是必需的。厭氧污水處理一般要求經(jīng)過粗格棚后的細格柵的棚條凈間距小于8～10mm,以避免引起后續(xù)的運行問題，如進水堵塞。多數(shù)情況下，細格棚是處理系統(tǒng)中價格最貴的一部分。來自厭氧污水處理反應(yīng)器的污泥因為較長的SRT已被充分穩(wěn)定化，可在污泥干化場干化，這樣干化場就沒有臭味產(chǎn)生。

5 生活污水不同特性對反應(yīng)器的影響

雖然生活污水是一種低濃度污水，同樣具有復(fù)合型特征，懸浮物質(zhì)含量相對較高，COD/BOD比值低且水溫低、懸浮物質(zhì)占總COD的50%～65%,因此總的C0D轉(zhuǎn)化受到水中顆粒物水解狀況的影響很大。尤其是當(dāng)污水水溫降到20℃以下時，生物轉(zhuǎn)化能力將決定COD的整體去除率，此時流體動力條件不占主導(dǎo)地位。事實上，因為水溫低和TSS/ COD比值高，由HRT決定的UASB反應(yīng)體積，明顯開始出現(xiàn)非消化污泥積累時，污泥的水解和產(chǎn)甲烷能力將會逐漸下降，顆粒性和溶解性COD的去除將持續(xù)惡化，并且最終導(dǎo)致反應(yīng)器崩潰。很明顯，即使是針對低濃度的生活污水，反應(yīng)器的設(shè)計要點仍然是固體停留時間(SRT)。為了保持污泥的產(chǎn)甲烷能力，SRT值應(yīng)大于最小值。熱帶地區(qū)低濃度城市污水一般均可滿足COD＜ 1000mg/L和T＞20℃兩個條件。適宜的SRT值與生活污水的以下特性有關(guān)：一是污水水溫；二是進水懸浮物濃度；三是反應(yīng)器內(nèi)固體消化率；四是由上升流速和污泥特性決定的污泥床過濾能力；五是污泥的生長和衰亡；六是由水流速度決定的沉淀室中的污泥停留時間；七是剩余污泥排放。

作為經(jīng)驗法則，最小應(yīng)該是微生物倍增時的3倍或更長，而倍增時間決定限速步驟。例如，熱帶條件的低濃度生活污水，在25℃下估計的產(chǎn)甲烷菌Td為10d,因此現(xiàn)有的工程化規(guī)模的厭氧污水處理系統(tǒng)的SRT將不能低于30d。

意識到SRT的重要性后，當(dāng)溫度下降且COD濃度超過1000mg/L時，傳統(tǒng)UASB反應(yīng)器的設(shè)計需要重新考慮。在許多氣候干燥地區(qū)，由于供水受限制，污水濃度范圍一般在1000～2500mg/L。此外，冬季寒冷地區(qū)，城市污水COD濃度可達2500mg/L時,此時TSS/COD比率為0.6，冬季溫度可能降到15℃。運用傳統(tǒng)的UASB反應(yīng)器設(shè)計理論，HRT需要增加到20～24h。很明顯這將會影響系統(tǒng)的水動力學(xué)。為防止進水短流，配水需要進行改進。另外，可單獨設(shè)置一個反應(yīng)單元處理較高的懸浮固體負荷，如初沉池或在上流式過濾系統(tǒng)中的固體強化去除單元，然后再進行污泥消化。另一個辦法是在UASB反應(yīng)器后串聯(lián)一個消化池，兩者之間可進行污泥交換。采用該系統(tǒng)將積累的固體在較高溫度消化，通過回流消化污泥增強UAB反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)甲燒菌活性。

6 結(jié)語

考慮到目前全球?qū)剂舷牡年P(guān)注和擔(dān)憂，厭氧技術(shù)為世界許多地區(qū)大量生活和城市污水的處理提供了一種頗具可行性的選擇。根據(jù)現(xiàn)在對溫室氣體的了解，回收所有產(chǎn)生的CH4應(yīng)該是污水廠設(shè)計的原則。由于厭氧處理的緊湊性，高效厭氧污水處理可以應(yīng)用于城市區(qū)域，這將大大降低建設(shè)污水管網(wǎng)、泵站和輸送系統(tǒng)的成本。必須注意目前全球還存在大量污水直排現(xiàn)象。隨著對厭氧工藝的認識日益增加，以及大大小小工程經(jīng)驗的積累，厭氧處理毫無疑問將成為處理有機污染物的主要方法。