高濃度有機污染物廢水處理技術(shù)研究進展*

張建鵬

（上海問鼎環(huán)保科技有限公司，上海 201612）

我國生態(tài)文明建設(shè)對環(huán)境污染和防治提出了更高的要求。近年來，隨著我國經(jīng)濟社會高速發(fā)展和城市化進程加劇，水資源緊缺問題突顯，廢水處理與回收利用面臨著巨大的挑戰(zhàn)。高濃度有機污染物廢水的有效治理及資源化利用已成為水資源循環(huán)利用的瓶頸問題，相關(guān)技術(shù)的研究對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[1]。

1 分類及特點

高濃度有機污染物廢水是指含有大量有機物（包括：纖維素、脂肪、蛋白質(zhì)和芳香族化合物等）且化學(xué)需氧量（COD）大于2g·L-1的廢水。一般由食品、造紙、皮革、印染、電鍍、制藥和石油化工等行業(yè)排出，根據(jù)其性質(zhì)和來源可分為3 類，見圖1[2]。

圖1 高濃度有機污染物廢水分類Fig.1 Classification of high concentration organic pollutant wastewater

高濃度有機污染物廢水主要特點包括：有機物濃度高、成分復(fù)雜、色度高且有異味和具有強酸強堿性，見圖2。

圖2 高濃度有機污染物廢水特點Fig.2 Characteristics of high concentration organic pollutant wastewater

2 危害

高濃度有機污染物廢水主要危害包括：需氧性危害、感觀性污染和致毒性危害，見圖3。

圖3 高濃度有機污染物廢水危害Fig.3 Hazard of high concentration organic pollutant wastewater

3 處理技術(shù)

高濃度有機污染物廢水的主要處理技術(shù)包括：物理、化學(xué)、物理化學(xué)和生物處理技術(shù)，各處理技術(shù)及效果見圖4[3]。

物理處理技術(shù) 通過物理作用（如：重力、壓力等）實現(xiàn)污染物分離，改變廢水成分的技術(shù)。該技術(shù)一般用于廢水預(yù)處理，常用方法包括：離心法、濾除法、隔離法、沉淀法、吹脫法等。

化學(xué)處理技術(shù) 運用化學(xué)原理或作用（催化、氧化、還原、中和與水解等），將有害污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的廢水處理技術(shù)。該技術(shù)具有反應(yīng)速度快和易控制的優(yōu)點，常用于廢水的預(yù)處理。該技術(shù)的缺點包括：需要特定的催化劑、化學(xué)試劑成本高、處理溫度要求高和有機污染物難于一步凈化等。常用方法包括：焚燒法、Fenton 氧化法（應(yīng)用最廣泛）、超臨界水氧化法、催化濕式氧化法、臭氧氧化法和電化學(xué)氧化法（近年來研究較多）等。

物理化學(xué)處理技術(shù) 通過相轉(zhuǎn)移的變化來分離去除有機污染物的技術(shù)。該技術(shù)常用于廢水的預(yù)處理，用來處理一些難生物降解物質(zhì)和回收廢水中的有用物質(zhì)。常用方法包括：萃取法、吸附法、濃縮法、離子交換法、混凝法、超聲波降解法和膜分離技術(shù)等。

生物處理技術(shù) 利用微生物（酶、菌種等）的新陳代謝作用，將廢水中的可溶（或部分不溶）的有機污染物降解為無害穩(wěn)定物質(zhì)的處理技術(shù)。該技術(shù)符合我國生態(tài)綠色可持續(xù)發(fā)展理念的要求，是一項重要的高濃度有機污染物廢水處理技術(shù)。

4 生物處理技術(shù)簡介

生物處理技術(shù)按微生物種類和供氧情況分為好氧和厭氧生物處理技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)點包括：經(jīng)濟安全、殘留少、處理閾值低、無二次污染，微生物具有較強的適應(yīng)性和可變異性等。該技術(shù)缺點包括：微生物活性保持需要一定的溫度和pH 值，微生物群落中缺少針對性的降解某些有機污染物的酶，某些有機污染物含對微生物有毒或活性抑制。因此，生物處理技術(shù)適用于處理中低濃度的有機污染物廢水，對于很高濃度的有機廢水（如：焦化廢水）需要預(yù)處理。

4.1 好氧生物處理技術(shù)

好氧生物處理技術(shù) 指好氧微生物（包括兼性微生物）在有氧環(huán)境下，以有機污染物等作為電子供體，以游離態(tài)的氧作為電子受體，進行好氧代謝使有機污染物氧化降解為CO2和水的技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)點包括：操作簡單、出水好（有機污染物去除率90%以上）、費用低和處理量大等[4]。該技術(shù)缺點包括：進水口附近有機負荷高，耗氧速率高；較大容積的曝氣池（避免厭氧環(huán)境）使費用升高；處理效果受供氧和耗氧差異、水質(zhì)和水量變化的影響；脫氮除磷效果不好等。因此，一批高效的好氧生物處理技術(shù)被開發(fā)出來，包括：序批式活性污泥法（SBR）、深井曝氣法（DSP）、好氧生物流化床（ABFB）和生物降解反應(yīng)器系統(tǒng)（RBS）等，見圖5。

圖5 高濃度有機污染物廢水高效好氧生物處理技術(shù)Fig.5 High-efficiency aerobic biological treatment technology for high concentration organic pollutant wastewater

序批式活性污泥法（SBR） 由進水、曝氣、沉淀、排水和待機等工序組成。該技術(shù)優(yōu)點包括：運行有序、間歇操作；工藝簡單，無需調(diào)節(jié)池；污泥濃度（活性污泥系統(tǒng)的3～4 倍）較高、微生物活性及生長速率高；占地省，有機負荷大，同時在一個曝氣池中進行好氧和缺氧、脫碳/氮和除磷等反應(yīng)；污泥齡高，耐沖擊能力強；無污泥膨脹現(xiàn)象，出水好；自動化程度高、節(jié)省人力；運行費用低。

深井曝氣法（DSP） 一種利用深井作為曝氣池的活性污泥法。深井曝氣的深度可達100～300m，超高靜水壓力使氧的轉(zhuǎn)移率從傳統(tǒng)曝氣法的5%～15%提高到了60%～90%。該技術(shù)優(yōu)點包括：動力效率高、產(chǎn)泥量少、占地省、處理效果好、投資少、耐沖擊負荷、溫度影響小、無污泥膨脹、運行穩(wěn)定、操作方便等。該技術(shù)缺點是應(yīng)用會受地質(zhì)條件的限制。

好氧生物流化床（ABFB） 將傳統(tǒng)活性污泥法、生物膜法和化工流態(tài)化技術(shù)有效結(jié)合的新型廢水處理技術(shù)。該技術(shù)填料的表面積（超過3300m2·m-3）和生物膜量（10～40g·L-1）比普通活性污泥法高1 個數(shù)量級，優(yōu)點包括：處理效率高、容積負荷大、抗外部沖擊、設(shè)備緊湊、占地少和投資省等。該技術(shù)缺點：為實現(xiàn)填料流化，必須進行出水循環(huán)（需一定流速），增加了運行的復(fù)雜性。目前，國內(nèi)尚處于試驗階段，工程應(yīng)用不多。

生物降解反應(yīng)器系統(tǒng)（RBS） 日本開發(fā)的一種活性污泥法。該技術(shù)利用高活性兼性土壤菌（腐植化環(huán)境培養(yǎng)）的代謝作用，降解廢水中的有機污染物，具有效率高、容易操作、占地小和抗沖擊負荷能力強的優(yōu)點。適合于處理養(yǎng)殖和食品加工等行業(yè)污水。

4.2 厭氧生物處理技術(shù)

厭氧生物處理技術(shù) 利用兼性和專性厭氧菌等共同作用，將有機污染物降解為甲烷和CO2等的技術(shù)。該技術(shù)包括：水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷和同型產(chǎn)乙酸4 個階段。該技術(shù)優(yōu)點包括：當(dāng)廢水中CODCr達到4g·L-1時處理效率優(yōu)于好氧技術(shù)，污泥產(chǎn)量少且易脫水、營養(yǎng)鹽需求量少、無需曝氣（能耗低且可回收沼氣）、容積負荷高（節(jié)約占地和基建投資）、廢水可生化性高等[5]。該技術(shù)缺點包括：啟動時間長、溫度要求較高、對有毒物質(zhì)敏感、遭破壞后的恢復(fù)期長和出水較差等。由于出水COD 仍較高且無溶解氧，該技術(shù)需要與其它工藝聯(lián)合使用。該技術(shù)已有一百多年歷史，主要經(jīng)歷了三代，見圖6。

圖6 高濃度有機污染物廢水厭氧生物處理技術(shù)Fig.6 Anaerobic biological treatment technology of high concentration organic pollutant wastewater

第一代厭氧處理技術(shù) 以傳統(tǒng)厭氧消化池（如化糞池和沼氣池）為代表。

第二代厭氧處理技術(shù) 在第一代基礎(chǔ)上增加了溫度和攪拌等控制，包括：厭氧接觸法（ACP）、上流式厭氧污泥床（UASB）和厭氧生物濾池（AF）等。這些技術(shù)把污泥停留時間（SRT） 和水力停留時間（HRT）相分離，使活性污泥齡延長到了上百天，使HRT 從過去的幾天（或幾十天）縮短到幾小時。

厭氧接觸法（ACP）標(biāo)志著現(xiàn)代廢水厭氧處理技術(shù)的誕生，指將污泥分離和回流裝置加到混合反應(yīng)器后，提高了消化池的有機容積負荷，使SRT >HRT，有效地增加污泥濃度的方法。污泥的沉降性能和分離效率是該技術(shù)的關(guān)鍵。該技術(shù)優(yōu)點包括：抗沖擊負荷、易啟動、運行穩(wěn)、易管理，適合高懸浮物濃度（ss≥50g·L-1）和高有機物濃度（COD 容積負荷3～5kg·（m3·d）-1）廢水處理等。該技術(shù)缺點：污泥易流失和易發(fā)生污泥膨脹。

厭氧生物濾池（AF） 用填充材料（如爐渣、瓷環(huán)和塑料等）作為微生物載體的一種厭氧反應(yīng)器。AF 分為升流和降流式，微生物在填料和填料空隙間生長，高性能的填料是關(guān)鍵。該技術(shù)優(yōu)點：耐沖擊負荷、設(shè)備簡單、啟動時間短、不需污泥回流和運行管理方便等。該技術(shù)缺點：進水懸浮物要求高（ss<0.2g·L-1或經(jīng)100 目網(wǎng)過濾）、懸浮物易導(dǎo)致堵塞和短路。

上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB） 由分配板、顆粒污泥處理區(qū)、膨脹污泥床再生區(qū)和氣固分離區(qū)等組成，成功地解決了生物量保持問題。高性能顆粒污泥的培養(yǎng)是關(guān)鍵（國內(nèi)處于探索階段）。該技術(shù)優(yōu)點：容積負荷大、HRT 短、能耗少、適用范圍廣和活性高等。該技術(shù)缺點：啟動時間長、混合效果差、污泥膨脹會造成微生物流失和短流等。

第三代厭氧處理技術(shù) 針對第二代易出現(xiàn)污泥流失和廢水與污泥之間接觸不均勻等問題進行改進，以厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）、內(nèi)循環(huán)式厭氧反應(yīng)器（IC）、厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）和垂直折流厭氧污泥床（VBASB）反應(yīng)器等為代表。

厭氧折流板反應(yīng)器（ABR） 生物膜和UASB 相結(jié)合的新型高效反應(yīng)器。ABR 特點是：反應(yīng)器被一系列垂直安裝的折流板分割成幾個串聯(lián)的反應(yīng)室，類似于多個UASB 串聯(lián)。該技術(shù)優(yōu)點包括：可根據(jù)各反應(yīng)室底物的不同培養(yǎng)出與之相適應(yīng)的微生物群落，使產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷相分離，各反應(yīng)室的沼氣可單獨排放，構(gòu)造簡單、無三相分離器、無污泥堵塞、穩(wěn)定性高、能耗低、抗沖擊負荷、處理效率高和運行管理方便等。ABR 缺點：反應(yīng)器不宜太深（以防影響水流速和產(chǎn)物氣體上升），進水分布不均。

內(nèi)循環(huán)式厭氧反應(yīng)器（IC） 基于UASB 而改進的，由兩個UASB 相互重疊而成，高約16～25m，包括：混合區(qū)、污泥膨脹床、精處理和回流系統(tǒng)。IC 的優(yōu)點：有機負荷高（約為UASB 的4 倍）、HRT 短、進水容積負荷率可達30～40kg·（m3·d）-1（針對COD 為10～15g·L-1的土豆加工廢水）；內(nèi)循環(huán)水稀釋了進水、防止污泥大量流失、提高了抗沖擊負荷和酸堿調(diào)節(jié)能力；占地小（體積約為UASB 的1/4～1/3 倍）、投資少；能耗省，基于沼氣的提升作用和膨脹做功，促進了進水與顆粒污泥的充分接觸，并在無外加能源的條件下實現(xiàn)了廢水內(nèi)循環(huán)；運行穩(wěn)定，啟動期短。厭氧膨脹顆粒污泥床（EGSB）是基于UASB 開發(fā)的，主要由進水系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、三相分離器和沉淀區(qū)等組成。該技術(shù)優(yōu)點包括：出水再循環(huán)使反應(yīng)器內(nèi)液體上升流速（5～10m·h-1）遠高于UASB（小于1m·h-1），可獲得更好的廢水與微生物的接觸效果；污泥呈膨脹流化態(tài)、顆粒較大、活性高、沉淀性能良好，抗沖擊負荷、運行穩(wěn)定，COD 去除負荷高（40kg·（m3·d）-1以上），特別適合在低溫條件下處理SS 含量高、難降解和有毒的中低濃度廢水；反應(yīng)器高徑比大、占地小。

垂直折流厭氧污泥床（VBASB）反應(yīng)器 將ACP、AF 和UASB 有效組合到同一個反應(yīng)器中（具備三者的功能），具有普適性的高效處理技術(shù)。通過進料泵和回流泵，在管道中使進水和升溫用的蒸汽與回流廢水充分混合，用來控制pH 值和溫度。該技術(shù)適合處理高懸浮物高濃度的有機污染物廢水。

高濃度有機污染物廢水處理使用的厭氧反應(yīng)器目前以第二代為主（主要是AF 和UASB），第三代的IC 也在推廣中[6,7]。

5 總結(jié)與展望

高濃度有機污染物廢水成分復(fù)雜，單獨的使用一種處理技術(shù)很難達到理想的效果，往往需要兩種或兩種以上技術(shù)進行組合、協(xié)同作用，才能制定出經(jīng)濟高效的一體化解決方案。采用多項技術(shù)的優(yōu)化集成，實現(xiàn)高濃度有機污染物廢水高效處理和資源化利用，真正達到廢水零排放是今后國內(nèi)外相關(guān)研究技術(shù)的發(fā)展方向。隨著我國生態(tài)文明建設(shè)和綠色化學(xué)技術(shù)革命的興起，從源頭上重視清潔生產(chǎn)（減少或消除污染），開發(fā)更經(jīng)濟、環(huán)保的新工藝，將被動治理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)防，必將帶來更多的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益[8]。