獨特的微生物載體廢水處理方案

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獨特的微生物載體廢水處理方案

編制按：隨著工業活動增長，排放到自然生態系統的污染物明顯增多。有些水域的負荷量超越了大自然本身對污染物的轉化能力，自然生態系統平衡遭到破壞，最終地表水異味、魚類消失。在20世紀70年代，有些國家開始征收高額工業廢水排污費，對工業廢水進行生物學處理也成為一個重要課題。目前，廢水處理系統已成為工廠生產設施不可分割的組成部分。本期刊載以色列、西班牙等國對廢水處理的探索。

處理食品、飲料等工業廢水方面，以色列Aqwise公司獨樹一幟，創造了可靠、巧妙、簡單、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）技術領先。源于自身已建立的移動床生物膜反應器MBBR（moving bed biofilm reactor）技術。

在生物廢水處理系統中，與有機污染物轉化有關的過程，正常情況下應發生在接收生態系統中，而現在是在罐、池等反應器中進行。與自然生態系統相比，在這些罐、池中的轉化率通過細菌的固定化可以更高。在反應器中，細菌傾向于相互附著，產生聚集物、絮狀物或顆粒物，由工藝條件決定。與自由游動狀態的細菌相比，這些聚集物具有良好的沉降、漂浮和附著特性。這些特性現在是成功進行微生物廢水處理的關鍵。通過特殊的沉降裝置、微生物載體或漂浮工藝，生物質保留在反應器中。在這種方式下，反應器中保留的生物質濃度越高，其越具有高容積負荷的轉化能力。

在工業排污費征收的同期，上流式厭氧污泥床系統UASB研發成功。由于顆粒污泥具有良好的沉降特性，可以設計一個具有高生物質濃度的緊湊型系統，將有機污染物轉化為沼氣。這使工業廢水在成本效益高的情況下得以處理。在那時，最常用的廢水處理技術是好氧活性污泥（AS）處理。由于需要曝氣，這些系統具有相對低的容積負荷轉化能力，而且對能源需求高。采用厭氧處理技術的另一個益處就是僅有極少量的生物污泥產生。

厭氧處理技術可以去除70～90%的有機污染物。如果旨在實現完全凈化（達99%），需要后續好氧處理，有時也可與廢水修飾工藝結合在一起使用，如沙濾或膜濾技術。在這種情況下，一些營養物如氮等也被去除，這時就可向地表水排放了。目前，考慮廢水處理的經濟性及產生高質量的污水，多數工業化廢水處理系統采用“厭氧+好氧”處理技術。

如前所述，有效的廢水處理依賴存在于反應器系統中的細菌聚集現象。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器系統中。這些系統要么是反應器系統本身不可分割的一部分，如UASB或EGSB反應器的內部構造；要么是以特殊設計并獲得專利的DACS、DANA和AGAR-MBBR系統為代表的微生物載體。傳統（好氧）活性污泥處理系統的主流理念是采用獨立工藝單元建造的沉降裝置。

目前，我們能找到的細菌以懸浮自由游動狀態培養的唯一系統是在連續攪拌槽式反應器CSTR中，這種系統應用在發酵工業和微生物實驗室。

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律，沒有例外，通常是先附著在有機物或無機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，不然微生物將會以其它方式“被沖出系統”。這在某種程度上說明了在一個反應器系統中導致聚集、稀釋率或沖洗率最重要的選擇性工藝參數之一就是微生物的聚集。

在廢水處理系統中會遇到不同類型的聚集，已發現有顆粒狀物和絮狀物。這一點很重要，因為生物質的類型及密度將決定生物質在廢水中的可保留性，并最終決定反應器中可用的生物質濃度。在相對較低的流速下，絮狀生物質可保留在反應器中，而在較高的流速下，用于細菌聚集（顆粒形成）的選擇壓力會增大。在后一種情況下，還可以觀察到細菌通過附著在反應器壁上或微生物載體上發生反應的現象。顯而易見，細菌在系統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厭氧顆粒反應系統和像Nereda SBB這樣的好氧顆粒反應系統中會發現顆粒狀物。DACS系統和好氧MBBR和活性污泥系統通常含有絮狀生物質；在DACS和MBBR系統，這些生物質附著在特殊設計的微生物載體上。

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

伴隨著反應器中升流式流速的增高，基于系統的顆粒污泥運行窗口受到的限制越來越多。如UASB系統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系統其工作時升流式流速為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器中。無論由于何種原因，廢水水質特性發生變化并引起顆粒狀物分解，系統能力將明顯降低，一旦有價值的生物質被沖掉，系統將完全停止工作。

盡管大多數食品和飲品（包括啤酒）行業的平均排水量符合基于系統的顆粒污泥的運行窗口，但是經常會出現由于大流量排放、意外排放、生產線變化和CIP刷洗等引起顆粒狀物的分解。在基于系統的顆粒污泥中，顆粒污泥的分解是一個反復出現的問題，要想解決此問題，只能從市場中購買顆粒污泥，這一事實可通過顆粒污泥市場貿易的增長來證明。

基于系統的厭氧微生物載體的研發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在更大范圍運行窗口內的連續性。與傳統A系統相比，好氧微生物載體的優點是能夠在縮小的容積內將多種生物處理過程結合在一起，而無需生物質的再循環。

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

在2008～2009年間，Aqwise公司（MBBR方案的市場領導者）與荷蘭水技術集團Water Technologies Group合作研發厭氧生物載體技術并開始試驗。他們發現擁有專利的Aqwise微生物載體具有特殊的開放式結構，非常適合于厭氧生物質附著，它實際上為絮凝的厭氧菌提供了生長的“房子”。另外還發現這個系統運行非常好，在降流式反應器中產生甲烷含量極高的沼氣，見圖1。在對不同的工業進行了幾次現場測試后，他們決定在荷蘭成立一家名為Aqana的合資公司，其目的是進一步研發廢水處理技術，并在不同的行業實施推行，他們給這項新技術命名為“DACS”系統。

DACS反應器的構造就是途經一個漂浮的塑料載體床，使水從反應器的頂部流向底部，見圖2。厭氧生物質主要附著在載體的內部。與傳統的厭氧處理技術一樣，廢水中的有機物通過厭氧生物質轉換成沼氣和少量的厭氧污泥。與廢水流向相反，沼氣向上升到反應器的頂部，這為生物質載體提供了較為溫和的混合，通過生物載體床實現了很好的布水，見圖3。通過生物載體的應用，不需要額外增加復雜的內部或外部處理裝置就可實現三相（沼氣、水、固體）分離。廢水處理所需要的生物質通過載體保留在反應器中，剩余污泥被排除。

與傳統的厭氧反應器相比，DACS通過應用浸沒在水中的生物質載體支撐厭氧絮狀生物質，見圖4。接種種子污泥后，生物質種群在載體內形成。生物載體特殊的密度（略低于水）確保反應器中的載體生物質床漂浮在水中。這也成就了降流式結構理念。載體床的流態化特性使得在高的廢水下流速下實現理想的物質轉換，確保沼氣沿上流方向釋放出來。

DACS反應器中，廢水沿著沼氣升起的反方向流動。通過在氣相中安裝噴射桿，將進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。結合下行污水水壓的增大，對CO2吸收能力增大。通過對水中CO2的吸收。使沼氣中存在更高濃度的甲烷。DACS反應器中產生的沼氣通常甲烷含量可達80～90%。

DACS現在應用于啤酒、食品、飲料等工業。相比傳統技術優勢體現在：一是由于不需要復雜的內部結構，因此可應用于不同結構形式的反應器中。這樣在一定的適用范圍內，可以更新改造現有的工藝處理容器和老式的UASB反應器或EGSB反應器。二是可應用于其它由于高的COD和鹽濃度等原因存在顆粒污泥分解問題的厭氧技術中，如蒸餾釀酒廠和化工工業。三是與高容積負荷率的EGSB反應器相比（容積負荷率VLR范圍從20～25 kgCODm3/d），也能處理相似的高容器負荷率。四是如遇化學品或高COD負荷意外排放引起的臨時性沖擊，不會對生物質造成明顯的妨礙；生物質可能會在短期內受到一點影響，但自身能在幾天內得以恢復，不需要再添加種子污泥。五是由于生物質“居住”在漂浮的載體內，較高的懸浮固體負荷或帶有較高固體負荷的廢水的意外排放不會影響生物質；這些固體將會被簡單地沖出系統，不會“爭奪”容積而引起有價值生物質沖出系統。六是產生的沼氣通常包含80～90%的甲烷，這意味著由于沼氣中CO2含量低，可使工廠燃氣鍋爐更有效運行。另外，截至目前，沒有因為污泥損失而需要重新添加生物質的DACS系統。所有的DACS系統在不利環境條件下，無論運行時間長短均能夠在短期內完全恢復。

AGAR?（Attached Growth Airlift Reactor）是一項固定式生物膜移動床技術，它應用懸浮的生物質載體擴大生物膜生長的表面積，同時采用精心設計的反應器水力學設計來完成對廢水的處理。好氧AGAR技術適用于大多數活性污泥系統，并可使用于各種不同的構造。AGAR技術將獨特的完全開放又完全防護的生物質載體與高效的曝氣和機械混合器設計結合在一起，這為生物質生長提供了一個更有效的表面積和最優化的氧傳遞效率。

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

AGAR IFAS反應器被分成好氧、缺氧和厭氧三個工藝階段，類似于傳統的活性污泥系統。AGAR IFAS生物質載體在好氧階段通過安裝在好氧廢水排出端的篩網截留住載體。懸浮和固定生物質之間的競爭導致在同一容器內執行完全不同的功能：前者主要去除BOD、COD，而后者主要進行硝化作用。有機營養物的去除可以在每一個工藝階段應用先進的模型和深度設計工具通過調整生物質載體位置和數量來實現精確控制。所需生物質載體數量是可以計算的，最終數量也是可以優化的。所需要的氧氣量和由此需要的曝氣量可以計算。

與市場上其它生物載體相比，Aqwise公司專利的生物質載體（ABC5?，見圖7）體現出幾方面優勢：所有同等生物載體中，單體積的防護表面積最大，所以載體需要體積最小。載體的形狀已經優化。因此，在需要時，反應器中廢水填充量可達到反應器容積的70%，這就意味著同等容積容器能處理不斷增長的污染負荷。反過來，為了生產高質量的廢水，僅通過添加生物載體即可。生物質載體的獨特形狀，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。與市場上其它生物載體相比，Aqwise公司的生物質載體非常獨特，從幾何學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）非常容易地與整個生物質接觸，以完成整個好氧反應過程，同時可避免缺氧或厭氧環境。另外，由于這種開放形狀，多余的微生物膜會從載體上脫落，以防堵塞。

獨特的AGAR曝氣設計是通過細氣泡擴散器或粗氣泡擴散器在反應器中產生的雙輥運動來實現的。這種雙輥運動在載體間產生連續的碰撞，并在載體上保持一層薄薄而有活力的生物膜。由于這種獨特的曝氣設計—雙輥模式，在多數情況下，雙輥的運動不需要額外的空氣，所提供的空氣僅滿足生物質需求，用于保持生物質的微生物活性和生物質的混合。

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

相比類似的技術，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）的給定容積反應器中，僅需將生長在載體上的生物質添加到漂浮在混合液中的懸浮生物質中，即可提高反應器中生物質的絕對數量。

通過“雙輥”模式混合：Aqwise研發的連續“雙輥”模式混合系統允許在最小空氣量下對載體實現最優化混合，降低能源消耗。

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

載體可采用食品級的原始材料，也可采用再生材料，有無UV防護均可。在歐盟，載體采用最高的標準制造。

Aqana公司研發動態的厭氧好氧處理技術DANA?（Dynamic ANaerobic Aerobic）可以滿足廢水處理設施運行空間有限的客戶的需求。

DANA技術將DACS技術和AGAR技術以更緊湊的方式結合在一起。圖9可以看到：反應器的靈活形狀允許好氧反應器AGAR置于厭氧反應器的的上面，大大減少了設施的占地面積。厭氧好氧處理結合在一起，成為當前市場上占用空間最小的廢水處理設備，見圖10。

全球50多個國家的500多個應用案例證明，傳統處理系統達到極限的不利條件下新系統仍能連續和穩定運行，并取得較好的效果。基建投資、運營投資、投資回報率等也是讓人認可的。

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

以色列環保部供稿