啤酒廢水系其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水，水質(zhì)變化較大，污染物富含糖類、氨基酸、蛋白質(zhì)等有機物及鉀、鈣、鎂的硅酸鹽、磷酸鹽等無機物，屬較高濃度有機廢水，可生化性好，其BOD5/COD > 0.3。啤酒廢水雖無毒，但直接排放至水體易導(dǎo)致水體的重度污染；有專家建議現(xiàn)行的啤酒廢水COD 排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)由100 mg·L-1 降至50 mg·L-1。因此，開發(fā)高效啤酒廢水處理技術(shù)迫在眉睫。
厭氧處理技術(shù)具有容積負(fù)荷高、污泥量少、運行效果穩(wěn)定，能耗低、可回收能源等特點；且運行管理費用相對較低，特別適合處理高濃度有機廢水，故在啤酒廢水的處理中得到了廣泛的應(yīng)用。由于啤酒廢水中COD 含量較高，若單純采用好氧法處理技術(shù)，不僅占地面積大、運行費用高，而且處理效果的穩(wěn)定性差，故一般采用厭氧技術(shù)作為預(yù)處理，后接好氧工藝的聯(lián)合處理工藝。隨著新型厭氧技術(shù)的開發(fā)，啤酒廢水的厭氧處理效率將會得到進一步提升。
1 厭氧技術(shù)基本原理
厭氧生物處理是指在無分子氧條件下，通過厭氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜有機物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過程，也稱厭氧消化。最早是由Bryant 提出三階段理論：第一階段為水解與發(fā)酵，第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷，第三階段產(chǎn)甲烷。認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌不能直接利用長鏈脂肪酸和醇類等有機酸，這些有機物在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用下轉(zhuǎn)化為乙酸、H2、CO2等后，才能被產(chǎn)甲烷菌利用。
由于厭氧生物處理過程不需要另外提供電子受體，故運行費用低；但其反應(yīng)速率較慢，反應(yīng)時間較長，因而，處理構(gòu)筑物容積要大。新型厭氧反應(yīng)器主要是通過提高反應(yīng)速率和縮小反應(yīng)器容積來提高處理效率的，從增加微生物菌群與反應(yīng)的接觸幾率和培養(yǎng)優(yōu)勢菌群入手，通過對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改進，增加容積效率，縮小反應(yīng)器；結(jié)合微氧技術(shù)和好氧工藝，減小處理過程中廢氣排氣。在工程應(yīng)用中，一般采用厭氧- 好氧組合技術(shù)。
2 新型厭氧處理反應(yīng)器研究開發(fā)
2.1 ABR 厭氧反應(yīng)器
2.1.1新型ABR 厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計
ABR 厭氧反應(yīng)器是由Mc Carty 等人提出的、源于階段式多相厭氧消化（SMPA）理論的厭氧反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置一系列垂直放置的折流擋板，污水在反應(yīng)器內(nèi)的流動呈上下折流運動，使有機物物質(zhì)與厭氧活性污泥充分接觸而被降解除去。雖然ABR 一度認(rèn)為是SMPA 完美的杰作，引起學(xué)者們的廣泛注意，但因其結(jié)構(gòu)過于簡單，使其應(yīng)用存在一定的局限性。
目前，國內(nèi)外學(xué)者正對ABR 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進行技術(shù)創(chuàng)新，使其性能得到更好的發(fā)揮。耿亞鴿等在現(xiàn)有的ABR 研究成果的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)形式設(shè)計、部件尺寸、操作條件等關(guān)鍵參數(shù)進行了詳細的技術(shù)探討。候晨雯等 設(shè)計一種新型的雙層結(jié)構(gòu)的ABR 反應(yīng)器，實驗表明該反應(yīng)器的水力特性與傳統(tǒng)的ABR 的水力特性相一致，總體推流程度也得到了增強，并且這種結(jié)構(gòu)能有效減少反應(yīng)器的死區(qū)比率，降低返混程度。不足的是，應(yīng)盡量將HRT 控制在8～10 h 范圍內(nèi)，不然受沖擊負(fù)荷和死區(qū)百分率都會受到影響。孫立柱等 研究表明，ABR 反應(yīng)器整體呈推流狀態(tài)，HRT 和進水負(fù)荷是影響ABR 反應(yīng)器水力特性的主要因素。張壽通等利用斜式折流板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的垂直的折流板來研究ABR 反應(yīng)器的研究表明，該裝置能有效防止污泥流失，且具有耐沖擊負(fù)荷強，處理效果良好等優(yōu)點。
可見，ABR 反應(yīng)器的設(shè)計很大程度上依賴于實驗數(shù)據(jù)，相對而言，基礎(chǔ)理論研究落后于實踐。利用計算機輔助設(shè)計模擬方法研究ABR 的水力學(xué)特性，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)和確定操作條件，結(jié)合活性污泥和微生物生長的相關(guān)機理，建立數(shù)學(xué)模型，提高工程設(shè)計的可靠性，應(yīng)該作為ABR 反應(yīng)器研究的重要方面。
2.1.2改型ABR 反應(yīng)器接種好氧污泥
厭氧反應(yīng)器能否成功啟動是決定該反應(yīng)器運行成敗的先決條件。因厭氧反應(yīng)器啟動時間長，影響因素復(fù)雜，一般認(rèn)為，啟動最佳種泥是處理同類廢水的厭氧顆粒污泥。有研究者研究了采用好氧活性污泥經(jīng)較長時間的馴化后來啟動厭氧反應(yīng)器。結(jié)果表明，處理后的出水水質(zhì)優(yōu)于厭氧污泥的啟動的效果。
范榮桂等研究了利用改型后的ABR 反應(yīng)器處理屠宰廢水。該反應(yīng)器折流板為傾斜式，傾角為45°，種泥取某廠SBR 池的好氧污泥。培養(yǎng)馴化后，投加污泥體積約為反應(yīng)器有效容積的1/3。研究表明，反應(yīng)器在室溫低負(fù)荷下運行約兩月能完成啟動，COD 去除率達82%，且穩(wěn)定運行；不足之處在于啟動時間還是太長。
2.1.3 ABR 反應(yīng)器處理啤酒廢水研究實例
利用ABR 處理啤酒廢水大多處于實驗研究階段，在操作參數(shù)及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上作了相應(yīng)的優(yōu)化；王哲曉等采用有4 隔室的ABR 小試裝置結(jié)構(gòu)處理某啤酒廠廢水，裝置有效容積24 L，折流板底部轉(zhuǎn)角為40°，接種污泥取自該啤酒污水處理廠消化池厭氧污泥。實驗結(jié)果表明，ABR 對中、低濃度工業(yè)廢水的COD 具有良好的去除效率。即使在負(fù)荷提升階段，HRT 縮短一半，進水濃度翻倍的情況下，出水COD 去除率也保持在86%左右；但對pH 調(diào)整和防止VFA 的積累，也是保證其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。
黃繼國等[19]對填料式ABR 處理啤酒廢水進行了研究，通過對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行性能試驗，系統(tǒng)的二次啟動性能及與普通ABR 的對比試驗表明，水力停留時間可縮短，COD 去除率相應(yīng)提高；添加填料的ABR 系統(tǒng)性能明顯提高；系統(tǒng)二次啟動達到穩(wěn)定運行時的耗時更短，有彈性的立體填料具有更高的穩(wěn)定性。
2.1.4 HABR 厭氧反應(yīng)器
復(fù)合式折流板厭氧反應(yīng)器(HABR)是對ABR 反應(yīng)器的改進，如添加填料，優(yōu)勢在于能利用原有的無效空間增加生物總量，提高污染物的去除效率，提高運行穩(wěn)定性[20]。
張振庭等采用HABR 反應(yīng)器處理啤酒廢水，對厭氧污泥的接種馴化、反應(yīng)系統(tǒng)的啟動運行、在不同影響因素下的運行研究以及和普通ABR 的對比實驗等進行了實驗研究。該HABR 實驗裝置為4 隔室，容積31.5 L，有效容積25 L，高350 mm，第一隔室不加填料，后三室內(nèi)置軟性填料。實驗結(jié)果表明，處理啤酒廢水最佳水力停留時間為18～24 h，在溫度為25℃的條件下，COD 去除率最高達到75%。當(dāng)HRT>18 h 時，50 以上的COD 在第一隔室被去除；當(dāng)HRT<12 h，后面各隔室才能有明顯的作用；不同HTR 下，第四隔室的COD 相對去除率都較低，處理啤酒廢水，不宜超過4 隔室。環(huán)境溫度對HABR 反應(yīng)器的處理效果也有一定的影響，在10 ℃左右時，處理效果明顯變差。跟普通的ABR 反應(yīng)器相比，HABR 反應(yīng)器無論在啟動過程和穩(wěn)定運行階段，都表現(xiàn)出比ABR 更好的效果。
李慧婷[22]等采用一種5 隔室HABR 處理模擬啤酒廢水，采用厭氧污泥接種，對其相分離特性進行的研究表明，反應(yīng)器內(nèi)的有機物是逐步降解的，各種微生物菌群能很好的協(xié)同工作，COD 去除效果明顯。在快速啟動過程中，HABR 表現(xiàn)出明顯的生物相選擇和分離現(xiàn)象。
2.2 ASBR 厭氧反應(yīng)器
厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）采用序批式進水，這與啤酒廢水間歇排放的特點相吻合。此外，ASBR反應(yīng)器具有操作靈活、能夠生產(chǎn)顆粒污泥和克服厭氧污泥流失，且工藝具有較高的去除效率和穩(wěn)定性，在常溫下處理高中低濃度廢水等優(yōu)點而越來越引起人們的重視[23]。
吳速英等在20～30 ℃條件下，研究了采用恒水位操作厭氧生物膜序批式反應(yīng)器（ABSBR）處理啤酒廢水的啟動試驗。研究表明，采用混合菌種接種36 m3/h 速度進泥水等措施進行廢水處理，經(jīng)25 d的培養(yǎng)馴化，COD 容積負(fù)荷可達2.84 kg/(m3·d)，去除率達到95%。
郭永福等[24]則以中等濃度啤酒廢水為水源，在低溫下研究了ASBR 反應(yīng)器的快速啟動過程。試驗裝置采用內(nèi)徑400 mm、高度2.0 m、有效容積為235 L的ASBR反應(yīng)器。采用某污水廠的絮狀消化污泥接種，溫度在14～20℃。研究表明，采用ASBR 反應(yīng)器在低溫下處理啤酒廢水快速啟動是可行的，COD 去除率也高達96%；相比UASB 處理啤酒廢水，ASBR反應(yīng)器啟動時間明顯要快些；出水VFA 濃度低，間歇式攪拌方式比連續(xù)攪拌效果好，污泥粒徑大。
岳秀萍等采用已形成顆粒污泥的ASBR 反應(yīng)器處理啤酒廢水，采用正交試驗研究了進水COD、運行周期、進水COD/ 堿度和攪拌頻率4 個參數(shù)對COD 去除的影響。實驗表明，各因素對去除COD 的影響程度排序為進水COD> 進水COD/ 堿度> 運行周期> 攪拌頻率，且ASBR 反應(yīng)器對COD 的去除率均在95%以上，出水COD 均在80 mg/L 以下。
藤朝華等采用恒壓浮動蓋式ASBR 處理啤酒廢水的研究表明，在COD 容積負(fù)荷為1.5～7 kg(m3·d)、HRT 為1 d 的條件下，COD 去除率高于80%，平均沼氣產(chǎn)率為410 L/kg；Shao 等[27]也進行了類比實驗，研究表明，COD 容積負(fù)荷在1.5～5 kg(m3·d)、HRT 為1 d 的條件下，COD 去除率可達到90%；裝置大約運行60 d 后，出現(xiàn)了顆粒污泥�？梢灶A(yù)見[28]，ASBR 反應(yīng)器在處理啤酒廢水中具有廣泛的應(yīng)用前景。
2.3 UASB 厭氧反應(yīng)器
升流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器是20 世紀(jì)70 年代由Lettinga 開發(fā)的。因反應(yīng)器具有污泥濃度高、有機負(fù)荷高、適應(yīng)性強，且具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重作用，能回收能源等優(yōu)點，正日益受到污水處理業(yè)界的重視。
段雪梅等研究了UASB 反應(yīng)器在不同溫度、水力停留時間、取樣口位置和進水濃度條件下運行時對啤酒廢水COD 處理效果。實驗表明，對于中高濃度的啤酒廢水，反應(yīng)器具有動力消耗低、COD 去除率高等優(yōu)點；對高濃度的有機廢水，UASB 適應(yīng)性更強。張傳兵等[34]采用UASB 反應(yīng)器以城市污水處理廠的厭氧消化污泥接種處理啤酒廢水的初次啟動過程。實驗結(jié)果表明，啟動時間歷時約50 d，后期運行穩(wěn)定；當(dāng)反應(yīng)器出現(xiàn)酸化時，應(yīng)迅速降低反應(yīng)器負(fù)荷，增投厭氧污泥，快速降低VFA，使反應(yīng)器得到快速恢復(fù)。
韓洪軍等以處理啤酒廢水為水源，在UASB反應(yīng)器流態(tài)分布模型的基礎(chǔ)上，假設(shè)UASB 下部為完全混合的厭氧污泥床系統(tǒng)，中部為完全混合的污泥懸浮層系統(tǒng)和上部為推流式三相分離區(qū)系統(tǒng)，運行中的COD 降解規(guī)律符合Monod 方程，推導(dǎo)出UASB 反應(yīng)器的動力學(xué)方程式。彭營環(huán)等根據(jù)國內(nèi)啤酒廢水的水質(zhì)特點，運用UASB 法將河南某啤酒廢水COD 降低到500 mg/L 以下。
高雅玉等采用厭氧UASB 反應(yīng)器和好氧SBR反應(yīng)池組合工藝，處理中高濃度的蘭州某啤酒廢水。實驗表明，這種組合工藝的設(shè)備運行穩(wěn)定，不僅工作效率高，構(gòu)筑物間可實現(xiàn)重力自流，且能能耗較低。但其操作復(fù)雜，參數(shù)控制嚴(yán)格。賈巖等[38]的實驗表明，UASB 調(diào)試和二次啟動中要注意負(fù)荷提高的速度，否則易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，必要時加堿調(diào)節(jié)pH。
2.4 其他厭氧技術(shù)
薛苗在(35±1)℃溫度條件下，研究了內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器( IC 反應(yīng)器)處理啤酒廢水的啟動特性。結(jié)果表明，IC 反應(yīng)器經(jīng)過56 d 啟動成功，其容積負(fù)荷達到18.3 kg/(m3·d)，水力停留時間為3.2 h，COD 去除率能穩(wěn)定在80%以上；隨著反應(yīng)器的運行，反應(yīng)器內(nèi)形成了大量的沉降性能良好的顆粒污泥，粒徑> 0.5 mm 的污泥約占87%。
敖凱等采用水解酸化- 外循環(huán)( EC )厭氧- 接觸氧化工藝處理內(nèi)蒙古自治區(qū)某啤酒廠廢水。經(jīng)過4 個月的調(diào)試達到滿負(fù)荷運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，出水水質(zhì)遠優(yōu)于啤酒工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB19821-2005）。COD、BOD5、NH3-N、TN 和TOC 的去除率分別達97.5%、98.5%、85%、75%和98.5%。實際運行還表明，EC 厭氧反應(yīng)器應(yīng)用于啤酒廢水處理是切實可行的。
田立江等采用改進型CASS 工藝對啤酒廢水處理的特性和最佳性能運行參數(shù)進行研究。實驗結(jié)果表明，改進型CASS 工藝處理啤酒廢水，COD 去除率達到98%，MLSS 為3 000 mg/L 時，排水比λ=1/2，出水COD 為20～30 mg/L；λ=1/2，周期為1 h的極限容量處理工況下COD 去除率達到96%；短時曝氣時間為2 h，出口COD 為39.98 mg/L，COD 去除率為95.84%。改進型CASS 工藝的處理效果、適應(yīng)性和經(jīng)濟優(yōu)勢非常明顯。
方春玉等用自制的厭氧流化床反應(yīng)器對活性污泥的培養(yǎng)與馴化條件進行了研究。實驗表明，采用一次培養(yǎng)法接種，接種量為30%的活性污泥和100 mL 活性炭，將溫度控制在（37±2）℃，進水的pH 控制在7.3～8.0，進水流速控制在使活性炭處于流化狀態(tài)，不需額外添加營養(yǎng)物質(zhì)，可在25～30 d 左右成功地完成馴化。在此控制條件下培養(yǎng)出的活性污泥，對廢水COD 的去除率可達到85%左右，對減輕生物反應(yīng)器后續(xù)處理單元的負(fù)荷具有重要意義。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 厭氧技術(shù)研究動向
(1) 厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)與馴化。顆粒態(tài)污泥因其具有極好的沉降性能和去污能力而備受人們的青睞，但污泥的顆粒化形成較難，條件控制嚴(yán)格。厭氧反應(yīng)中引入顆粒態(tài)污染；對提升反應(yīng)速率和反應(yīng)器的容積效率，以及污染成份的去除十分重要，對于高效厭氧反應(yīng)器工程應(yīng)用意義重大。
(2) 關(guān)鍵設(shè)備的改進和研制。厭氧反應(yīng)器是厭氧條件下的無動力反應(yīng)裝置，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)對于反應(yīng)的效果影響很大，設(shè)計的反應(yīng)器應(yīng)更加適用水力學(xué)特性、適合微生物的生長、適合生物反應(yīng)的需要。
(3) 污泥結(jié)構(gòu)和菌種的動力學(xué)形成機理。學(xué)者對此研究的不多，很多活性污泥形成和菌種產(chǎn)生機理不是很透切，弄清這些機理，不僅可以更好的發(fā)揮其特性，而且可以借助計算機輔助模擬，更好的指導(dǎo)實際工作。
(4) 新型填料的引用。填料不僅能給微生物提供很好的生長環(huán)境，而且可以阻止部分污泥的流失，提高污泥濃度，延長污泥停留時間，對反應(yīng)器效率的提高有著非常重要的意義。然而，在這一領(lǐng)域，應(yīng)用新填料去研究反應(yīng)器的處理效率并不多見。
4 結(jié)語
厭氧技術(shù)特別是新型厭氧反應(yīng)器的構(gòu)建應(yīng)用于啤酒廢水的處理具有高效、低耗的特點，通過優(yōu)化的工藝參數(shù)，縮短停留時間，提高反應(yīng)負(fù)荷，完全可以推廣應(yīng)用。依靠單一厭氧處理難以實現(xiàn)達標(biāo)排放，厭氧與好氧的協(xié)同作用是十分必要的。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)決定著水力特性及微生物的生境，通過對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改進和完善，使之更加有利厭氧作用的發(fā)揮，提高容積效率，改善出水水質(zhì)。
