浅析厌氧工艺在污水处理中的作用

寅 诗，旷 阳 ，张求实

（1.辽宁省建设事业指导服务中心，辽宁 沈阳 110000；2.辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁 沈阳 1110031；3.张求实 辽阳市中成自来水公司辽宁，辽宁 辽阳 111000）

随着全球工业化、城镇化的快速发展，大量生活污水的直排导致地表水水质下降，特别是乡镇生活污水的低成本处理工艺受到广泛重视。借助厌氧反应的污水处理工艺被证明是处理生活污水颇为经济有效的处理手段，目前已成为生活污水处理的重要工艺之一。

1 厌氧消化数学模型ADM1

厌氧反应是一个复杂的生化反应过程，其中包括有机物降解转化途径、中间产物及微生物种类等均比较繁杂。但近年来，随着厌氧消化知识的不断发展和计算机技术的不断进步，及其在动态模型中的发展，计算机模拟预测厌氧消化过程不断取得进步。在相关计算机模型研究中，ADM1是采用微分代数方程组（DAE）描述生化和物化过程的结构化模型。目前，因其在污水厌氧处理实际应用方面能较好地模拟和预测不同工艺和工况下的运行状况和效果。因此为工艺和设计提供支持，同时其具备良好的可扩展性，可以为工艺改良提供开放的建模平台。

目前，ADM1是用于描述现有系统方面不断改良，模型可以洞悉过程动力学和工艺参数改变的影响、如进水浓度、基质流量、温度的变化等。采用实际数据校核动力学参数、进而可用于预测反应器COD的去除情况。同样出于教学目的、ADM1模型也是一个得力的工具，有助于深刻认识整个连续反应链中特定转化步骤的重要性。ADM1模型的不足之处是缺少生物膜动力学和系统流体动力学部分，在实际高效厌氧处理系统中，流体动力学在很大程度决定了反应能力。

例如，在三相系统中，由最终产物气体引发的微观与宏观层面的对流传质极大地影响动力学参数，并且实际系统动力学可能完全否定模型输入的参数。因此，目前ADM1尚不能作为一个设计工具，最大的挑战是将生物ADM1模型与其他流体动力学和化学模型相结合，创造出一个全面的设计工具或动态环境中厌氧系统的运行支持工具。

2 小城镇生活污水的特点

城镇居民生活污水，主要包括居民生活排水，及允许排入城镇污水收集系统的企业废水和初期雨水等，其主要包括以下特点：一是用水量标准较低，污水处理规模相对较小；二是产业结构区域差异较大，受雨季影响及用水量实时变化系数较大，因此污水水量、水质变化大；三是经济发展水平偏低，经济承受能力弱，可供选择的适用技术范围小；四是由于处理规模小而造成工程建设费及运行费用比较高；五是缺少专业的维护管理技术人员等。在排水体制方面各地具有较大差异，一般城市新区多采用雨污分流，已建成旧城区采用雨污合流的较多。有些城镇有一些工业实体，有的城镇污水基本都是生活污水。

3 高效率厌氧反应器的研究和发展

20世纪70年代中期，许多地区因为受到经济因素制约，需要寻找低成本的污水处理替代技术。各国科研人员针对污水处理低成本的替代选择开展研究。然而，之前高效率厌氧反应器的研制主要用于处理高浓度工业废水，而生活污水和城市污水的特点就是低浓度、大部分地区的城市污水COD浓度低于500mg/L,甚至经常低于300mg/L。另外，生活污水的温度经常比工业废水低，仅在部分城市污水才能达到工艺所需的理想温度。第一个采用紧凑/高效厌氧处理技术—UASB反应器处理生活污水的范例始于20世纪80年代初，哥伦比亚卡利。64m3的UASB中试反应器运行效果表明在当地环境和污水特征条件下采用该系统是可行的。紧随其后在哥伦比亚、巴西和印度建设了一批工程化的反应器。在20世纪90年代初建成的数百个UASB工程反应器体积从50～50000m3不等，尤其是在（亚）热带条件下居多。一般B0D的去除率在75%～85%之间，出水B0D浓度小于40～50mg/L。COD和TSS的总去除率高达70%～80%，有时甚至更高。为了满足当地的排放标准，UASB系统经常和一些适宜的后处理系统联用。例如，兼性塘、砂滤池、人工湿地、滴滤池和物理化学处理等。

4 在厌氧高效系统中厌氧处理城市 污水的主要优缺点

现有案例已经证明。UASB反应器能够有效去除生活污水中的有机物。但其去除氮、磷等营养物的效果存在不足，只能去除部分病原微生物，水出水质通常很难达到二级标准，反应器的出水后需要增加后续处理工艺出水才能达标。以下就反应器主要优缺点展开分析。

厌氧高效系统中厌氧处理城市污水的优点主要概括为以下十项：一是在实际运行过程中无爆气能耗，运行成本可节约90%。二是处理构筑物少，投资成本减少40%～60%。三是如工程规模适宜，产生的能量回收或发电会带来利润。四是除了主要的提升泵和细格外，该工艺无需高科技设备、处理系统不依赖进口技术。五是工艺定且能适应周期性的高水力负荷和高有机负荷。六是技术稳定性好工艺，平均HRT.在6～9之间，适合城市使用，设备输送成本低。七是设备规模小、适宜于分散型污水处理较少依赖于污水管网状况。八是污泥产生量少，稳定化程度高，易脱水，无需后续处理。九是各种元素（氮和磷）被保留，有较高的农田灌溉潜能。十是设计良好的UASB反应器可滤除进水中的蠕虫卵，满足农业回用的先决条件。

其缺点可以概括为以下五项：一是厌氧过程是不完全过程，需要联合后续处理以满足排放或回用标准。二是产生的CH大部分溶于水中（依赖于进水COD浓度）排出，目前尚未有措施阻止CH4进人大气。三是产生的可燃气体一般既不能用于回收能量，也不能用于燃烧。四是目前在中低温条件下的工程应用经验较少。五是还原性气体，诸如HS气体溶于出水逸散时导致臭味等问题。

通常UASB反应器会根据需要同后续处理步骤一并建设，或是在一体化设备中实现。高效厌氧污水处理的一些重要特点同大多数工业厌氧反应器的优点是比较一致的。早期研发的厌氧污水处理系统存在一些局限性，然而在实际工程中，由于受经济因素限制，这些局限性被简单忽略或根本没有考虑，从而也带来了负面的宣传效果。时至今日，不受控制的温室气体排放应该避免，并且收集后的CH4气体必须燃烧利用。如果所有的能源都能得到利用，再加上日益增长的能源价格和可交易的C02信用额，对于许多经济不发达地区，厌氧污水处理甚至可能成为一种比较划算的投资。如果利用回收的甲烷，直接输送到火炬液燃烧炉进行燃烧的技术路线似具有可行性。随着所有技术限制取得突破，厌氧污水处理在解决与污水相关的问题方面具有较大潜力。

事实上，单个UASB反应器由四个单元组成：一是初沉单元：去除/捕集进水中（不）可生物降解的悬浮颗粒；二是生物反应单元（二级处理）：通过转化成甲烷去除可生物降解的有机物质；三是二沉单元：位于UASB反应器顶部的沉淀区，净化已处理的出水；四是污泥消化单元：稳定化（消化）并提高 截留污泥的脱水性能。

如果不采用重力流，污水提升工程，如泵坑和泵、格栅和砂砾去除装置对于任何集约化的处理系统都是必需的。厌氧污水处理一般要求经过粗格棚后的细格栅的棚条净间距小于8～10mm,以避免引起后续的运行问题，如进水堵塞。多数情况下，细格棚是处理系统中价格最贵的一部分。来自厌氧污水处理反应器的污泥因为较长的SRT已被充分稳定化，可在污泥干化场干化，这样干化场就没有臭味产生。

5 生活污水不同特性对反应器的影响

虽然生活污水是一种低浓度污水，同样具有复合型特征，悬浮物质含量相对较高，COD/BOD比值低且水温低、悬浮物质占总COD的50%～65%,因此总的C0D转化受到水中颗粒物水解状况的影响很大。尤其是当污水水温降到20℃以下时，生物转化能力将决定COD的整体去除率，此时流体动力条件不占主导地位。事实上，因为水温低和TSS/ COD比值高，由HRT决定的UASB反应体积，明显开始出现非消化污泥积累时，污泥的水解和产甲烷能力将会逐渐下降，颗粒性和溶解性COD的去除将持续恶化，并且最终导致反应器崩溃。很明显，即使是针对低浓度的生活污水，反应器的设计要点仍然是固体停留时间(SRT)。为了保持污泥的产甲烷能力，SRT值应大于最小值。热带地区低浓度城市污水一般均可满足COD＜ 1000mg/L和T＞20℃两个条件。适宜的SRT值与生活污水的以下特性有关：一是污水水温；二是进水悬浮物浓度；三是反应器内固体消化率；四是由上升流速和污泥特性决定的污泥床过滤能力；五是污泥的生长和衰亡；六是由水流速度决定的沉淀室中的污泥停留时间；七是剩余污泥排放。

作为经验法则，最小应该是微生物倍增时的3倍或更长，而倍增时间决定限速步骤。例如，热带条件的低浓度生活污水，在25℃下估计的产甲烷菌Td为10d,因此现有的工程化规模的厌氧污水处理系统的SRT将不能低于30d。

意识到SRT的重要性后，当温度下降且COD浓度超过1000mg/L时，传统UASB反应器的设计需要重新考虑。在许多气候干燥地区，由于供水受限制，污水浓度范围一般在1000～2500mg/L。此外，冬季寒冷地区，城市污水COD浓度可达2500mg/L时,此时TSS/COD比率为0.6，冬季温度可能降到15℃。运用传统的UASB反应器设计理论，HRT需要增加到20～24h。很明显这将会影响系统的水动力学。为防止进水短流，配水需要进行改进。另外，可单独设置一个反应单元处理较高的悬浮固体负荷，如初沉池或在上流式过滤系统中的固体强化去除单元，然后再进行污泥消化。另一个办法是在UASB反应器后串联一个消化池，两者之间可进行污泥交换。采用该系统将积累的固体在较高温度消化，通过回流消化污泥增强UAB反应器内的产甲烧菌活性。

6 结语

考虑到目前全球对化石燃料消耗的关注和担忧，厌氧技术为世界许多地区大量生活和城市污水的处理提供了一种颇具可行性的选择。根据现在对温室气体的了解，回收所有产生的CH4应该是污水厂设计的原则。由于厌氧处理的紧凑性，高效厌氧污水处理可以应用于城市区域，这将大大降低建设污水管网、泵站和输送系统的成本。必须注意目前全球还存在大量污水直排现象。随着对厌氧工艺的认识日益增加，以及大大小小工程经验的积累，厌氧处理毫无疑问将成为处理有机污染物的主要方法。