微生物处理技术在高浓度有机废水处理中的研究进展
高浓度有机废水一般是指由造纸、皮革及食品等行业排出的COD在2000mg/L以上的废水。通常根据其性质和来源可分为三类：(1)不舍有害物质且易于生物降解的高浓度有机废水．其一般来自以农牧产品为原料的工业废水，如食品工业废水；(2)含有有害物质且易于生物降解的高浓度有机废水，其主要来自轻工和冶金工业等，如制药业废水；(3)含有有害物质且难于生物降解的高浓度有机废水．其主要来自有机合成化学工业和农药生产工业等，如农药废水。高浓度有机废水中污染物成分复杂，排人水体后对人类健康和生态环境构成严重威胁。因此．高浓度有机废水处理技术的研究是当前环境科学和工程领域的研究热点。
目前，高浓度有机废水处理方法分为生物处理技术、物理处理技术、化学处理技术和物理化学处理技术四种。其中生物处理技术是利用微生物降解废水中的污染物质作为自身的营养和能源．同时使废水得到净化的方法，由于其符合可持续发展的思想．近几年来在高浓度有机废水处理中具有极其重要的地位。
01、高浓度有机废水的特点及危害
高浓度有机废水主要具有以下特点：(1)有机物浓度高。其COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高达几万至几十万mg/L，BOD较低，很多废水可生化性较差；(2)成分复杂。往往含有生产原料、副反应产物和多种无机盐，废水中还多含有重金属和有毒有机物；(3)色度高，有异味。有些废水散发出刺鼻的恶臭。给周围环境造成不良影响；(4)酸，碱、盐类众多．往往具有强酸或强碱性。由于生物降解作用，高浓度有机废水会使受纳水体缺氧，多数水生物将死亡，恶化水质和环境，不但使水体失去使用价值，更严重影响水体附近人民的正常生活。同时高浓度有机废水中含有大量有毒有机物，会在水体、土壤等自然环境中不断累积、储存，最后进入人体，危害人体健康。
02、生物处理技术
按参与作用的微生物种类和供氧情况，生物处理技术可分为好氧生物法、厌氧生物法及介于两者之间的水解酸化法三大类。由于其经济可行、无二次污染，且微生物具有较强的适应性和可变异性等特点，因此发展迅速并成为处理高浓度有机废水较为理想的方法。
2.1、好氧生物法
好氧生物法是指异养型好氧微生物在有氧情况下，以有机物等作为电子供体和游离态的氧作为电子受体使水中有机物氧化，从而降低有机物含量的技术，可以分为活性污泥法和生物膜法两大类。由于其操作简单、出水效果好等特点一般用于处理低浓度有机废水。近年来研制出一些高效的好氧生物处理工艺可用于处理高浓度有机废水，如序批式活性污泥法(SBR)、深井曝气法(DSP)、好氧生物流化床(ABFB)和生物降解反应器系统(RBS)等。
SBR是一种间歇式（或半连续）运行的废水生物处理技术。该工艺应用于镇海炼油化工股份有限公司工业生产一年来。各项出水指标都达到了较好的水平，无论在技术上还是工程上均是可行的。其缺点是容易产生污泥膨胀现象．从而导致出水水质变差。DSP是利用深井中的静水压力把氧的转移率从传统曝气法的5%~15%提高到60%~90%。该技术具有动力效率高、产泥量少、占地面积小等优点，但其应用受地质条件的影响。目前已广泛应用于现代化学合成工业的高浓度有机废水的治理。曾明等4采用高效曝气生物滤池工艺处理氮肥工业终端废水，出水COD、BOD5分别为81—158mg/L和8~15mg/L。ABFB的特点是反应器内填料的表面积大，生物膜量可达10-40g/L。因此该工艺具有效能高、占地少、投资省等优点。由于要使填料流化，必须进行出水循环，并保持反应器内具有一定的流速，从而增加了运行的复杂性。目前国内利用ABFB处理高浓度有机废水尚处于室验阶段．工程应用并不多。RBS是我国从日本引进的一项处理高浓度有机废水的生物处理技术，属于活性污泥法的一种。该技术利用一种高活性兼性土壤菌的生物化学作用来净化污水，可处理BOD51000一15000mg/L以上的废水，不但对BOD5，CODcr、ss、磷、氟氮的去除率高于传统活性污泥法．而且具有操作简便、占地面积小、抗冲击负荷能力强的特点。该技术在处理猪场废水方面，已取得了很好的效果。在特定条件下，如场地面积小，可考虑应用DSP法：如某些含有抑制厌氧菌物质的废水，可采用其他高教好氧处理装置。
2.2、厌氧生物法
厌氧生物法是利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌将有机物降解为CH4、CO2等的一种生物处理法。其与妤氧处理相比有以下优点：不需充氧、能耗低、污泥量小和所需氨磷元素少，因而运行费用低．并且甲烷是一种有用的终产物。其缺点是反应器污泥增长慢、启动时间长、单一的厌氧处理后出水水质一般不能达到排放标准。一般认为，当原污水CODcr在1000mg/L时，厌氧与好氧生物处理技术费用相当；当污水中CODcr达到4000mg/L时，采用厌氧处理就会有能量剩余，而且当采用高效厌氧反应器时，COD容积负荷可高达15~100kg//(m3.d)。所以说，厌氧法是处理高浓度有机废水的一种切实有效的方法。厌氧生物法已有100多年历史，其发展经历了3个阶段．下面主要介绍第二和第三代厌氧处理技术。
2.2.1第二代厌氧处理技术
以传统厌氧消化池为代表的早期厌氧消化工艺被称为第一代厌氧消化工艺。随着生物发酵工程中固定化技术的发展，在20世纪70年代末人们成功地开发出以厌氧接触法(ACP)、厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床反应器(uASB)等为代表的第二代厌氧处理技术。
1955年，Soefer等提出了ACP，标志着现代废水厌氧处理工艺的诞生。ACP能适应高ss有机废水的处理，可允许进水ss≥50g/L。COD容积负荷3-5kg/(m3.d)。由于采用将消化物泥回流至消化器的措施，可保持消化设施内较高浓度的生物量。1966年由McCarty等开发的AF是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，COD容积负荷为5~10kg/(m3d)，要求进水ss<200mg/L或经过100目网过滤。AF具有耐冲击负荷、设备简单、运行管理方便等特点。其一般采用上流式．在中温条件下还可采用下流式，适用于处理可溶性有机废水。1974年由Lettinga等开发的UASB．COD容积负荷为8_15kd(m3.d)，要求进水SS≤4g/L。UASB具有容积负荷率高、水力停留时间短、能耗低，能形成高活性的厌氧颗粒污泥等优点，其处理的废水包括几乎所有以有机污染物为主的废水。UASB的厌氧处理主要依靠水中微生物的代谢活动．根据不同的微生物生长需要不同的温度范围通常将其划分为低温（16—25℃)、中温(30-40℃)及高温(50-60℃)UASB反应器。汤金如等（1研究发现在低温下保持温度在15.5~25℃且不发生突变、pH为6.8~7.2．即能保证UASB稳定高效运行，COD去除牢稳定在60%以上。
与AF、UASB相比，ACP虽然负荷较低，但运行可靠，启动时间短。这些厌氧处理技术的共同特点是可以把SRT与HRT相分离，使HRT从过去的几天或几十天缩短到几个小时。它们具有容积小、处理效果良好等优点，但目前在某些方面还存在一定的问题而需深入的研究。如AF装置的关键是获得性能优良的填料，但目前高技的填料成本较高，而廉价的填料则易堵塞。UASB的技术关键是培养出沉淀性能好、活性高的颗粒污泥，国内这方面技术尚处于探索阶段。同时UASB运行中有可能出现污泥层膨胀，造成微生物随出水大量流失，难以达到预期效果。
2.2.2第三代厌氧处理技术
针对第二代厌氧生物处理技术工艺易出现污泥流失、难实现均匀布水等同题，20世纪90年代初在国际上出现了第三代厌氧处理技术，包括厌氧折流板反应器(ABR)、厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)、垂直折流厌氧污泥床(VBASB)反应器和内循环厌氧(IC)反应器等工艺。其共同特点有：占地面积小、动力消耗小、生物量高、能承受更高的水力负荷并具有较高的有机污染物净化效能。
ABR是20世纪80年代由McCarty开发的生物膜和UASB相结合的新型厌氧反应器。其结构特点是：反应器被垂直设置的挡板分割成几个隔室，废水逐级经过各隔室，类似于多个UASB串联。其具有结构简单，无三相分离器，无污泥堵塞，运行管理方便等优点。目前ABR工艺已应用于多种高浓度有机废水的处理和研究。IC反应器于20世纪由荷兰PAQUES公司开发成功，反应器由底部和上部两个UASB反应器串连叠加而成，高度约为16-25m，占地少，增加了水力负荷并可防止污泥大量流失，当废水COD为10000~15000mg/L时，进水容积负荷率可达30-40kg/(m3.d)．是一种值得推广的厌氧产甲烷反应器。EGSB是20世纪90年代初荷兰Wageingen农业大学的Lettinga教授等人在UASB反应器研究的基础上率先开发的第三代高教厌氧反应器，其显著特点是增加了出水再循环部分，使反应器内液体上升流速远远高于UASB，强化了废水与微生物之间的接触。YejianZhang等采用EGSB反应器在中温条件下(35℃)处理高浓度棕桐油废水．在HRT为2d.COD有机负荷为17.5kg/(m3.d)的条件下。COD去除率为91%。但在高水力负荷和生物气浮力搅拌的共同作用下，ECSB容易发生污泥流失。因此三相分离器的设计和布水系统的改进成为其高教稳定运行的关键。1993年陈际平研制成功的VBASB将厌氧ACP、AF和UASB组合在一个单元体反应器中，兼有三者的功能，对高悬浮物高浓度有机废水比AF和UASB有更好的适应性。目前市场上运行的厌氧反应器以第二代处理技术为主，尤其是AF和UASB近年来在世界范围内各种高浓度有机废水处理中均得到广泛应用，而新型的第三代厌氧反应器如IC反应器也在逐渐推广中。
2.3、水解醇化法
术解酸化法是在两相厌氧理论基础上发展起来的一种介于好氧和厌氧之间的方法。该方法已广泛地应用于有机废水的预处理，可以对绝大多数有机废水中多种复杂有机物进行水解．使BOD/COD明显提高，有利于废水进一步的好氧或厌氧处理(16)。水解酸化机理是在大量水解细菌酸化菌的作用下，将废水中不溶性有机物水解为溶解性有机物，将难生物降解的大分子物质转化为易生物降解的小分子物质的过程。水解酸化利用的是兼性厌氧苗，其具有繁殖速度快、代谢强度高、对外界环境适应性强等特点，适用范围较广。国内外对此工艺已进行了广泛。的试验研究．现阶段主要是对其用于各种具体的难降解废水的处理进行实验论证。
2.4、其他生物处理技术
近年来发展迅速的新型生物处理技术主要有固定化微生物技术和膜生物反应器(MHR)。
固定化微生物技术是将微生物固定在载体上培养特异菌种，用于高浓度有机废水的定向处理技术。该技术因其处理效效高、占地面积少及产污泥量少等优点已应用于处理染料、制药等废水。其缺点是固定化成本高，固定化微生物结合强度不够，活性损失大以及底物传质阻力大。因此寻找优良的固定化载体，确定最优的同定化技术条件，加强固定化微生物反应特性的研究是使该技术走上大规模工业应用的关键。目前该技术已在高浓度苯酚废水、氯酚废水和喹啉废水的处理中得到广泛研究和成功应用。
MBR将生化法与膜技术有机结合，是常规活性污泥法的进一步发展，是一种新型高技污水处理技术。MBR主要由膜组件和生物反应器两部分组成。它用膜分离装置代替普通恬性污泥法中的二沉池，不仅能高效地进行同液分离，而且膜的截留作用有利于维持生物反应器内微生物的浓度，从而提高了处理装置的容积负荷所以MBR特别适合处理高浓度有机废水。按膜组件和生物反应器的相对位置，MBR主要有两种构型：一体式（浸投式）和分置式（旁流式）。一体式MBR能普遍应用于市政和工业废水的处理，其特点是运行能耗低，且具有结构紧凑，体积小等优点；但单位膜的处理能力小，膜污染较重，膜通量较低。分置式MBR的膜组件形式一般为平板式和管式，其易于清洗、更换厦增设膜组件的特点更适合应用于工业废水的处理：但动力消耗较高，相比之下一体式MBR可用于大规模的废水处理厂，这也是一体式MBR得以广泛应用的原因，目前MBR技术的研究和商业应用已经在全球范围取得了显著的进步，在单座污水处理厂的最大处理量能达到10000m3/d的水平，并还将在水的深度处理等应用领域继续探索下去。摇动床生物膜反应器（以下简称摇动床）是日本NET株式会杜开发的一种新型、高效的污水生物处理新技术，它利用亲水性的高性能丙烯酸树脂纤维（Biofringe）填料为半软性生物载体，该载体随水流产生的摇动效应可增强生物膜与污水的传质效果，并能使微生物保持较高的活性。金虎等利用摇动床和活性污泥法组合技术处理高浓度有机废水，当进水COD由1500m/L上升到2514mg/L时，出水COD的平均去除率基本保持在96%以上，污泥产率仅为普通话性污泥法的50%左右。
03、生物处理技术的实际应用
生物处理技术一般要求有机物的浓度处于中低水平(COD为1000-10000mg/L)，而高浓度有机废水的COD较高，仅采用单一的厌氧或好氧处理很难达到排放标准，因此通常采用生物与物理、化学处理相结合的方法和厌氧一好氧两级处理方法。韩卫清等采用徽电解、A/O和膜生物反应器组合工艺处理泰州某化学有限公司排放的农药废水，该废水生物毒性强，COD高达8000mg/L，可生化性差，BOD5/COD仅为0.03。处理后COD<300mg/L，氨氮<15mg/L总氮<50mg/L。孙根行等采用UASB-两级生物接触氧化一过滤工艺处理酒精废水。系统出水COD<100mg/L，色度<50倍，SS<70mg/L，NH3-N<15mg/L，TP<0.5mg/L。何玉凤等采用三级厌氧/好氧一体式折流板生物反应器处理马铃薯淀粉废水，井在好氧室添加多孔炉渣作为填料，在运行温度为25-35℃、pH为5.0—8.5的条件下，当废水的COD为1400—3000mg/L、氨氮为15.0—24.0mg/L时，系统的出水COD≤200mg/L、氨氮为10.8mg/L．对COD和氨氮的去除率分别可达96%和53.0%。多孔炉渣填料的投加可提高好氧室的处理效果。丁振宇等采用ECSB+接触氧化工艺处理黑龙江华润啤酒有限公司啤酒废水，经过4个月的调试达到满负荷运行，COD、BOD、ss、氨氮和TP的去除率分别达到98.1%、98.5%、95.4%、82%和86.7%。该工艺是处理啤酒酿造工业高浓度有机废水的有效方法。王相乙利用厌氧和好氧浮动生化床相结合的工艺处理以乳制品废水为主的中高浓度有机废水。COD去除率达到95%以上，该工艺具有占地面积小、工程投资低、运行效果稳定等优点。石慧等利用EGSB-A/O工艺处理高浓度淀粉生产废水，当废水COD为10000--12000mg/L时，ECSB反应器负荷达到20kg/(m5.d)左右，对COD、BOD5、ss和NH3-N去除率分别达99.2%、99.7%、97.6%和97.9%．经过该组合工艺处理后出水COD<100m/L。
04、结束语
生物处理是高浓度有机废水处理系统中最重要的过程之一。今后，针对好氧生物法的耗能问题，应努力寻求一种既能够节省能源又能够产生新能源的方法。厌氧生物法由于其能耗低、产泥量少。沼气可回收利用等优点应重点研究，同时应注意其预处理和后续处理工艺的选择。因此，除了开发新的处理技术及完善现有技术以外。如何组合成一套经济有效的处理方寨，以避免各方法的局限性，发挥各处理单元的优势，也是高浓度废水处理技术的发展方向之一。新型优化组合处理技术由于集中了不同工艺的优点，在高浓度有机废水治理中已被优先选用。但在设计参数、运行模式、动力学机理等方面．尚须进一步研究和开发。随着绿色化学和技术引起的工业生产技术革命的兴起，同时应重视清洁生产，从源头上减少或消除污染，使被动治理变为主动预防——中微环保微生物技术专业研究公司，专业提供黑臭水体治理、有机废气处理、有机废水处理环保DM微生物产品、配套兼容设备、微生物处理技术等相关服务。
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