獨(dú)特的微生物載體廢水處理方案

環(huán)保

獨(dú)特的微生物載體廢水處理方案

編制按：隨著工業(yè)活動(dòng)增長，排放到自然生態(tài)系統(tǒng)的污染物明顯增多。有些水域的負(fù)荷量超越了大自然本身對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化能力，自然生態(tài)系統(tǒng)平衡遭到破壞，最終地表水異味、魚類消失。在20世紀(jì)70年代，有些國家開始征收高額工業(yè)廢水排污費(fèi)，對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行生物學(xué)處理也成為一個(gè)重要課題。目前，廢水處理系統(tǒng)已成為工廠生產(chǎn)設(shè)施不可分割的組成部分。本期刊載以色列、西班牙等國對(duì)廢水處理的探索。

處理食品、飲料等工業(yè)廢水方面，以色列Aqwise公司獨(dú)樹一幟，創(chuàng)造了可靠、巧妙、簡(jiǎn)單、有效的解決方案。公司成立于2000年，其有氧生物處理AGAR和厭氧生物處理DACS（Downflow Anaerobic Carrier System降流式厭氧生物載波系統(tǒng)）技術(shù)領(lǐng)先。源于自身已建立的移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器MBBR（moving bed biofilm reactor）技術(shù)。

在生物廢水處理系統(tǒng)中，與有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化有關(guān)的過程，正常情況下應(yīng)發(fā)生在接收生態(tài)系統(tǒng)中，而現(xiàn)在是在罐、池等反應(yīng)器中進(jìn)行。與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，在這些罐、池中的轉(zhuǎn)化率通過細(xì)菌的固定化可以更高。在反應(yīng)器中，細(xì)菌傾向于相互附著，產(chǎn)生聚集物、絮狀物或顆粒物，由工藝條件決定。與自由游動(dòng)狀態(tài)的細(xì)菌相比，這些聚集物具有良好的沉降、漂浮和附著特性。這些特性現(xiàn)在是成功進(jìn)行微生物廢水處理的關(guān)鍵。通過特殊的沉降裝置、微生物載體或漂浮工藝，生物質(zhì)保留在反應(yīng)器中。在這種方式下，反應(yīng)器中保留的生物質(zhì)濃度越高，其越具有高容積負(fù)荷的轉(zhuǎn)化能力。

在工業(yè)排污費(fèi)征收的同期，上流式厭氧污泥床系統(tǒng)UASB研發(fā)成功。由于顆粒污泥具有良好的沉降特性，可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有高生物質(zhì)濃度的緊湊型系統(tǒng)，將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為沼氣。這使工業(yè)廢水在成本效益高的情況下得以處理。在那時(shí)，最常用的廢水處理技術(shù)是好氧活性污泥（AS）處理。由于需要曝氣，這些系統(tǒng)具有相對(duì)低的容積負(fù)荷轉(zhuǎn)化能力，而且對(duì)能源需求高。采用厭氧處理技術(shù)的另一個(gè)益處就是僅有極少量的生物污泥產(chǎn)生。

厭氧處理技術(shù)可以去除70～90%的有機(jī)污染物。如果旨在實(shí)現(xiàn)完全凈化（達(dá)99%），需要后續(xù)好氧處理，有時(shí)也可與廢水修飾工藝結(jié)合在一起使用，如沙濾或膜濾技術(shù)。在這種情況下，一些營養(yǎng)物如氮等也被去除，這時(shí)就可向地表水排放了。目前，考慮廢水處理的經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)生高質(zhì)量的污水，多數(shù)工業(yè)化廢水處理系統(tǒng)采用“厭氧+好氧”處理技術(shù)。

如前所述，有效的廢水處理依賴存在于反應(yīng)器系統(tǒng)中的細(xì)菌聚集現(xiàn)象。聚集物可通過沉降裝置、漂浮工藝和微生物載體保留在反應(yīng)器系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)要么是反應(yīng)器系統(tǒng)本身不可分割的一部分，如UASB或EGSB反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)造；要么是以特殊設(shè)計(jì)并獲得專利的DACS、DANA和AGAR-MBBR系統(tǒng)為代表的微生物載體。傳統(tǒng)（好氧）活性污泥處理系統(tǒng)的主流理念是采用獨(dú)立工藝單元建造的沉降裝置。

目前，我們能找到的細(xì)菌以懸浮自由游動(dòng)狀態(tài)培養(yǎng)的唯一系統(tǒng)是在連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器CSTR中，這種系統(tǒng)應(yīng)用在發(fā)酵工業(yè)和微生物實(shí)驗(yàn)室。

在自然界中，微生物的聚集或生物膜的形成似乎遵循一種規(guī)律，沒有例外，通常是先附著在有機(jī)物或無機(jī)物的表面或膠體顆粒上。某種形式的聚集是微生物在溪流、江河和土壤中賴以生存的必要條件，不然微生物將會(huì)以其它方式“被沖出系統(tǒng)”。這在某種程度上說明了在一個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)中導(dǎo)致聚集、稀釋率或沖洗率最重要的選擇性工藝參數(shù)之一就是微生物的聚集。

在廢水處理系統(tǒng)中會(huì)遇到不同類型的聚集，已發(fā)現(xiàn)有顆粒狀物和絮狀物。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樯镔|(zhì)的類型及密度將決定生物質(zhì)在廢水中的可保留性，并最終決定反應(yīng)器中可用的生物質(zhì)濃度。在相對(duì)較低的流速下，絮狀生物質(zhì)可保留在反應(yīng)器中，而在較高的流速下，用于細(xì)菌聚集（顆粒形成）的選擇壓力會(huì)增大。在后一種情況下，還可以觀察到細(xì)菌通過附著在反應(yīng)器壁上或微生物載體上發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象。顯而易見，細(xì)菌在系統(tǒng)中能夠生存的唯一方式就是通過聚集和生成生物膜，這樣它們就不易被沖走。

在像UASB和EGSB厭氧顆粒反應(yīng)系統(tǒng)和像Nereda SBB這樣的好氧顆粒反應(yīng)系統(tǒng)中會(huì)發(fā)現(xiàn)顆粒狀物。DACS系統(tǒng)和好氧MBBR和活性污泥系統(tǒng)通常含有絮狀生物質(zhì)；在DACS和MBBR系統(tǒng)，這些生物質(zhì)附著在特殊設(shè)計(jì)的微生物載體上。

顆粒物的形成不是簡(jiǎn)單地受限于一定的流速，它還與合適的廢水特性有關(guān)，這通常定義為一個(gè)系統(tǒng)的“運(yùn)行窗口（operational window）”。尤其是廢水中的PH值、懸浮物含量、電導(dǎo)率和鹽濃度需要控制在一定范圍內(nèi)。另外，基于系統(tǒng)的顆粒污泥通常存在因COD（化學(xué)需氧量）濃度太高而限制顆粒物形成的問題。如果上述任何一個(gè)或多個(gè)參數(shù)超出運(yùn)行窗口的允許控制范圍，顆粒物就可能不會(huì)形成甚至開始分解，形成絮狀生物質(zhì)，通過反應(yīng)器中（太）高的流速而將顆粒物沖掉。這種現(xiàn)象在15～24米高的EGSB反應(yīng)器中尤為突出，它通常在較高的升流式流速下工作。

伴隨著反應(yīng)器中升流式流速的增高，基于系統(tǒng)的顆粒污泥運(yùn)行窗口受到的限制越來越多。如UASB系統(tǒng)通常情況下升流式流速為0.8～1 m/h，而在所謂的高速厭氧EGSB系統(tǒng)其工作時(shí)升流式流速為4～6 m/h。污泥顆粒大小通常在0.5～3 mm間變化，通過控制升流式流速可使其保留在反應(yīng)器中。無論由于何種原因，廢水水質(zhì)特性發(fā)生變化并引起顆粒狀物分解，系統(tǒng)能力將明顯降低，一旦有價(jià)值的生物質(zhì)被沖掉，系統(tǒng)將完全停止工作。

盡管大多數(shù)食品和飲品（包括啤酒）行業(yè)的平均排水量符合基于系統(tǒng)的顆粒污泥的運(yùn)行窗口，但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于大流量排放、意外排放、生產(chǎn)線變化和CIP刷洗等引起顆粒狀物的分解。在基于系統(tǒng)的顆粒污泥中，顆粒污泥的分解是一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的問題，要想解決此問題，只能從市場(chǎng)中購買顆粒污泥，這一事實(shí)可通過顆粒污泥市場(chǎng)貿(mào)易的增長來證明。

基于系統(tǒng)的厭氧微生物載體的研發(fā)克服了顆粒污泥形成中的局限性，從而保證了厭氧處理系統(tǒng)在更大范圍運(yùn)行窗口內(nèi)的連續(xù)性。與傳統(tǒng)A系統(tǒng)相比，好氧微生物載體的優(yōu)點(diǎn)是能夠在縮小的容積內(nèi)將多種生物處理過程結(jié)合在一起，而無需生物質(zhì)的再循環(huán)。

啤酒工廠排出廢水的質(zhì)量和數(shù)量因其工藝（原材料加工、麥汁制備、發(fā)酵、過濾、CIP刷洗、包裝）的不同而有很大的波動(dòng)。一般來說，規(guī)模較小的啤酒工廠僅有簡(jiǎn)單的廢水預(yù)處理系統(tǒng)，包括沙濾和混合補(bǔ)償罐，然后排入市政污水管網(wǎng)中。一些中型啤酒工廠（產(chǎn)能大于2萬千升）有好氧處理系統(tǒng)，如序批式活性污泥法SBR，但仍沒有厭氧處理系統(tǒng)。由于啤酒工廠廢水中有機(jī)物濃度高，需要高的能量輸入用于好氧系統(tǒng)曝氣。另一個(gè)成本因素就是好氧代謝產(chǎn)生的污泥量，它們也需要處置。這兩個(gè)因素增加了廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本。這樣，厭氧處理系統(tǒng)因節(jié)約能源、可獲得再生能源和污泥處置成本最小化而應(yīng)用越來越頻繁。不過，直至今天，這項(xiàng)技術(shù)僅對(duì)大型啤酒工廠有意義，其盈虧平衡點(diǎn)大約為1500 kg COD/d，投資回報(bào)周期相對(duì)長，大約需8～10年。

在2008～2009年間，Aqwise公司（MBBR方案的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者）與荷蘭水技術(shù)集團(tuán)Water Technologies Group合作研發(fā)厭氧生物載體技術(shù)并開始試驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)擁有專利的Aqwise微生物載體具有特殊的開放式結(jié)構(gòu)，非常適合于厭氧生物質(zhì)附著，它實(shí)際上為絮凝的厭氧菌提供了生長的“房子”。另外還發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行非常好，在降流式反應(yīng)器中產(chǎn)生甲烷含量極高的沼氣，見圖1。在對(duì)不同的工業(yè)進(jìn)行了幾次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，他們決定在荷蘭成立一家名為Aqana的合資公司，其目的是進(jìn)一步研發(fā)廢水處理技術(shù)，并在不同的行業(yè)實(shí)施推行，他們給這項(xiàng)新技術(shù)命名為“DACS”系統(tǒng)。

DACS反應(yīng)器的構(gòu)造就是途經(jīng)一個(gè)漂浮的塑料載體床，使水從反應(yīng)器的頂部流向底部，見圖2。厭氧生物質(zhì)主要附著在載體的內(nèi)部。與傳統(tǒng)的厭氧處理技術(shù)一樣，廢水中的有機(jī)物通過厭氧生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成沼氣和少量的厭氧污泥。與廢水流向相反，沼氣向上升到反應(yīng)器的頂部，這為生物質(zhì)載體提供了較為溫和的混合，通過生物載體床實(shí)現(xiàn)了很好的布水，見圖3。通過生物載體的應(yīng)用，不需要額外增加復(fù)雜的內(nèi)部或外部處理裝置就可實(shí)現(xiàn)三相（沼氣、水、固體）分離。廢水處理所需要的生物質(zhì)通過載體保留在反應(yīng)器中，剩余污泥被排除。

與傳統(tǒng)的厭氧反應(yīng)器相比，DACS通過應(yīng)用浸沒在水中的生物質(zhì)載體支撐厭氧絮狀生物質(zhì)，見圖4。接種種子污泥后，生物質(zhì)種群在載體內(nèi)形成。生物載體特殊的密度（略低于水）確保反應(yīng)器中的載體生物質(zhì)床漂浮在水中。這也成就了降流式結(jié)構(gòu)理念。載體床的流態(tài)化特性使得在高的廢水下流速下實(shí)現(xiàn)理想的物質(zhì)轉(zhuǎn)換，確保沼氣沿上流方向釋放出來。

DACS反應(yīng)器中，廢水沿著沼氣升起的反方向流動(dòng)。通過在氣相中安裝噴射桿，將進(jìn)入的廢水均勻地分布在載體床上。水與沼氣的接觸吸收了水體中的部分CO2。結(jié)合下行污水水壓的增大，對(duì)CO2吸收能力增大。通過對(duì)水中CO2的吸收。使沼氣中存在更高濃度的甲烷。DACS反應(yīng)器中產(chǎn)生的沼氣通常甲烷含量可達(dá)80～90%。

DACS現(xiàn)在應(yīng)用于啤酒、食品、飲料等工業(yè)。相比傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：一是由于不需要復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此可應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)器中。這樣在一定的適用范圍內(nèi)，可以更新改造現(xiàn)有的工藝處理容器和老式的UASB反應(yīng)器或EGSB反應(yīng)器。二是可應(yīng)用于其它由于高的COD和鹽濃度等原因存在顆粒污泥分解問題的厭氧技術(shù)中，如蒸餾釀酒廠和化工工業(yè)。三是與高容積負(fù)荷率的EGSB反應(yīng)器相比（容積負(fù)荷率VLR范圍從20～25 kgCODm3/d），也能處理相似的高容器負(fù)荷率。四是如遇化學(xué)品或高COD負(fù)荷意外排放引起的臨時(shí)性沖擊，不會(huì)對(duì)生物質(zhì)造成明顯的妨礙；生物質(zhì)可能會(huì)在短期內(nèi)受到一點(diǎn)影響，但自身能在幾天內(nèi)得以恢復(fù)，不需要再添加種子污泥。五是由于生物質(zhì)“居住”在漂浮的載體內(nèi)，較高的懸浮固體負(fù)荷或帶有較高固體負(fù)荷的廢水的意外排放不會(huì)影響生物質(zhì)；這些固體將會(huì)被簡(jiǎn)單地沖出系統(tǒng)，不會(huì)“爭(zhēng)奪”容積而引起有價(jià)值生物質(zhì)沖出系統(tǒng)。六是產(chǎn)生的沼氣通常包含80～90%的甲烷，這意味著由于沼氣中CO2含量低，可使工廠燃?xì)忮仩t更有效運(yùn)行。另外，截至目前，沒有因?yàn)槲勰鄵p失而需要重新添加生物質(zhì)的DACS系統(tǒng)。所有的DACS系統(tǒng)在不利環(huán)境條件下，無論運(yùn)行時(shí)間長短均能夠在短期內(nèi)完全恢復(fù)。

AGAR?（Attached Growth Airlift Reactor）是一項(xiàng)固定式生物膜移動(dòng)床技術(shù)，它應(yīng)用懸浮的生物質(zhì)載體擴(kuò)大生物膜生長的表面積，同時(shí)采用精心設(shè)計(jì)的反應(yīng)器水力學(xué)設(shè)計(jì)來完成對(duì)廢水的處理。好氧AGAR技術(shù)適用于大多數(shù)活性污泥系統(tǒng)，并可使用于各種不同的構(gòu)造。AGAR技術(shù)將獨(dú)特的完全開放又完全防護(hù)的生物質(zhì)載體與高效的曝氣和機(jī)械混合器設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，這為生物質(zhì)生長提供了一個(gè)更有效的表面積和最優(yōu)化的氧傳遞效率。

集成固定膜活性污泥法AGAR IFAS將生物膜在生物質(zhì)載體上的生長與在活性污泥中的懸浮生長結(jié)合在一起，見圖5、圖6。AGAR IFAS工藝可用于升級(jí)現(xiàn)有的污水處理設(shè)施，以提高氮的去除和在不需要增加反應(yīng)器容積的前提下，提高廢水處理能力。

AGAR IFAS反應(yīng)器被分成好氧、缺氧和厭氧三個(gè)工藝階段，類似于傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)。AGAR IFAS生物質(zhì)載體在好氧階段通過安裝在好氧廢水排出端的篩網(wǎng)截留住載體。懸浮和固定生物質(zhì)之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致在同一容器內(nèi)執(zhí)行完全不同的功能：前者主要去除BOD、COD，而后者主要進(jìn)行硝化作用。有機(jī)營養(yǎng)物的去除可以在每一個(gè)工藝階段應(yīng)用先進(jìn)的模型和深度設(shè)計(jì)工具通過調(diào)整生物質(zhì)載體位置和數(shù)量來實(shí)現(xiàn)精確控制。所需生物質(zhì)載體數(shù)量是可以計(jì)算的，最終數(shù)量也是可以優(yōu)化的。所需要的氧氣量和由此需要的曝氣量可以計(jì)算。

與市場(chǎng)上其它生物載體相比，Aqwise公司專利的生物質(zhì)載體（ABC5?，見圖7）體現(xiàn)出幾方面優(yōu)勢(shì)：所有同等生物載體中，單體積的防護(hù)表面積最大，所以載體需要體積最小。載體的形狀已經(jīng)優(yōu)化。因此，在需要時(shí)，反應(yīng)器中廢水填充量可達(dá)到反應(yīng)器容積的70%，這就意味著同等容積容器能處理不斷增長的污染負(fù)荷。反過來，為了生產(chǎn)高質(zhì)量的廢水，僅通過添加生物載體即可。生物質(zhì)載體的獨(dú)特形狀，使其不易堵塞，不易粘在一起，還可以在水中非常容易地移動(dòng)。與市場(chǎng)上其它生物載體相比，Aqwise公司的生物質(zhì)載體非常獨(dú)特，從幾何學(xué)上說處于完全開放的形狀。這種“完全開放”的形狀允許氧和底物（BOD/COD/NH4等）非常容易地與整個(gè)生物質(zhì)接觸，以完成整個(gè)好氧反應(yīng)過程，同時(shí)可避免缺氧或厭氧環(huán)境。另外，由于這種開放形狀，多余的微生物膜會(huì)從載體上脫落，以防堵塞。

獨(dú)特的AGAR曝氣設(shè)計(jì)是通過細(xì)氣泡擴(kuò)散器或粗氣泡擴(kuò)散器在反應(yīng)器中產(chǎn)生的雙輥運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。這種雙輥運(yùn)動(dòng)在載體間產(chǎn)生連續(xù)的碰撞，并在載體上保持一層薄薄而有活力的生物膜。由于這種獨(dú)特的曝氣設(shè)計(jì)—雙輥模式，在多數(shù)情況下，雙輥的運(yùn)動(dòng)不需要額外的空氣，所提供的空氣僅滿足生物質(zhì)需求，用于保持生物質(zhì)的微生物活性和生物質(zhì)的混合。

無堵塞楔形絲篩網(wǎng)安裝在廢水出口，以截留懸浮的微生物載體，而混合液可以暢通無阻地流動(dòng)。篩網(wǎng)可以通過水、氣泡和生物質(zhì)載體的混合流動(dòng)得以連續(xù)清洗，見圖8。

相比類似的技術(shù)，該載體充分利用表面積，更小占用空間。將載體投入到含有活性污泥（混合液）的給定容積反應(yīng)器中，僅需將生長在載體上的生物質(zhì)添加到漂浮在混合液中的懸浮生物質(zhì)中，即可提高反應(yīng)器中生物質(zhì)的絕對(duì)數(shù)量。

通過“雙輥”模式混合：Aqwise研發(fā)的連續(xù)“雙輥”模式混合系統(tǒng)允許在最小空氣量下對(duì)載體實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化混合，降低能源消耗。

由于污染物沖擊或有毒物質(zhì)進(jìn)入造成微生物死亡的情況下，這種工藝可通過載體中的細(xì)菌能更加迅速的恢復(fù)微生物，這種特性適用于使用載體的厭氧和好氧處理技術(shù)。

載體可采用食品級(jí)的原始材料，也可采用再生材料，有無UV防護(hù)均可。在歐盟，載體采用最高的標(biāo)準(zhǔn)制造。

Aqana公司研發(fā)動(dòng)態(tài)的厭氧好氧處理技術(shù)DANA?（Dynamic ANaerobic Aerobic）可以滿足廢水處理設(shè)施運(yùn)行空間有限的客戶的需求。

DANA技術(shù)將DACS技術(shù)和AGAR技術(shù)以更緊湊的方式結(jié)合在一起。圖9可以看到：反應(yīng)器的靈活形狀允許好氧反應(yīng)器AGAR置于厭氧反應(yīng)器的的上面，大大減少了設(shè)施的占地面積。厭氧好氧處理結(jié)合在一起，成為當(dāng)前市場(chǎng)上占用空間最小的廢水處理設(shè)備，見圖10。

全球50多個(gè)國家的500多個(gè)應(yīng)用案例證明，傳統(tǒng)處理系統(tǒng)達(dá)到極限的不利條件下新系統(tǒng)仍能連續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行，并取得較好的效果?；ㄍ顿Y、運(yùn)營投資、投資回報(bào)率等也是讓人認(rèn)可的。

Carrier-based anaerobic wastewater treatment---a unique solution

以色列環(huán)保部供稿