內(nèi)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(yè)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(chǎn)生大量的能源，其處理設(shè)備負荷高，占地少，產(chǎn)生的剩余污泥少，且處理比好氧污泥容易。隨著現(xiàn)代能源的日趨緊張，越來越多的研究者把目光轉(zhuǎn)向低濃度污水的厭氧處理，無論是實驗室小試還是生產(chǎn)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(yīng)器的設(shè)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(xiàn)了許多高速厭氧反應(yīng)器。這些進步使反應(yīng)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(yīng)器能夠經(jīng)濟高效的處理低濃度的生活污水和稀釋后的工業(yè)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(yīng)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(yè)廢水中含有更多的顆粒有機物，這些顆粒有機物必須經(jīng)過厭氧消化的第一個階段即水解酸化階段，使其轉(zhuǎn)化為可溶的小分子有機基質(zhì)，這一步?jīng)Q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(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生影響，通過對產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段的分離，能夠提高對碳水化合物和蛋白質(zhì)的水解，并能使產(chǎn)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(yīng)器適合處理低濃度的市政廢水和工業(yè)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(yīng)器。厭氧菌在填充材料上附著生長，形成生物膜。其特點是結(jié)構(gòu)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(tǒng)，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(tài)，傳質(zhì)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(yīng)用包絡(luò)法技術(shù)固定物生物進行厭氧流化床的研究，可強化傳質(zhì)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%。同時可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
3.上流式厭氧污泥床(UASB)
UASB是20世紀70年代發(fā)展起來的一種高效厭氧反應(yīng)器，具有SRT長，處理負荷高，運行穩(wěn)定等優(yōu)點。這種反應(yīng)器的高效運行取決于反應(yīng)器中形成沉降性能好、活性高的顆粒污泥。國內(nèi)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(yīng)器顆粒物你的形成情況，發(fā)現(xiàn)低濃度進水雖然也能培養(yǎng)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(yīng)器處理低濃度葡萄糖配水時，沒有培養(yǎng)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(yīng)器，在一到兩個月內(nèi)培養(yǎng)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(qū)別，產(chǎn)甲烷率也不同。國外也有很多是直接采用中高濃度反應(yīng)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(qū)，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(yīng)器后中運行一段時間后，其產(chǎn)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(yīng)器，其優(yōu)點是高徑比大，污水在反應(yīng)器中的上流速度大，使反應(yīng)器中的顆粒污泥處于懸浮狀態(tài)，提高了污水在顆粒污泥中的傳質(zhì)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(yīng)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(yīng)器（ABR）
厭氧折流板反應(yīng)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(yīng)器是在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置一系列垂直放置的折流擋板使廢水在反應(yīng)器內(nèi)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(zhì)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(tài)呈完全混合態(tài)（水流的上升及產(chǎn)氣的攪拌作用）,而反應(yīng)器在整個流程方向上則表現(xiàn)為推流態(tài)。ABR工藝的另一個特點在于通過在反應(yīng)器中設(shè)置上下折流板而在水流方向上形成依次串聯(lián)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(xiàn)產(chǎn)酸和產(chǎn)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(yīng)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(fā)酵菌、產(chǎn)酸菌、產(chǎn)甲烷菌在不同隔室中的選擇性積累不會發(fā)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(yīng)器出水組成，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(yè)等工業(yè)廢水及城市生活污水，對于中高濃度的工業(yè)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(yīng)器的發(fā)展，大規(guī)模厭氧污水處理廠逐年增加。但是目前大多數(shù)厭氧反應(yīng)器應(yīng)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(qū)的城市污水和許多工業(yè)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(yīng)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(yè)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(jié)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(zhì)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(chǎn)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(jù)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(yīng)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(chǎn)甲烷菌群或產(chǎn)酸污泥的凈生物量收率（g生物量/g轉(zhuǎn)化的底物）降低。低溫下，產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性都有不同程度的降低，相比較而言，產(chǎn)甲烷菌的活性降低的更快，導致產(chǎn)酸菌降解污水中的有機物產(chǎn)生的大量VFA不能及時被產(chǎn)甲烷菌降解，而導致出水VFA和COD升高，嚴重時可能導致反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)的有機物濃度很低。根據(jù)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(tài)。底物濃度低還使產(chǎn)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(yīng)器保留污泥的能力有很高的要求，因此，反應(yīng)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(guān)于溶解氧的危害，產(chǎn)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(yīng)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(yīng)器(ABR)等反應(yīng)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(chǎn)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(shù)情況下采用中溫消化污泥或顆粒污泥啟動低溫厭氧反應(yīng)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(chǎn)甲烷菌及同型產(chǎn)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(yīng)器在低溫下應(yīng)用，因為不需要培養(yǎng)專門的嗜冷菌群。污泥顆粒的微生物結(jié)構(gòu)很大程度上依賴于底物的特性而不是溫度。來源：谷騰水網(wǎng)
