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厌氧反应器：让微生物“贪食”垃圾 厌氧生物技术无处不在，像酿酒、制醋等发酵技术古已有 之。但是，用厌氧微生物“吃”掉水中的有机物，还是近 30 年来的事儿。 “十五”期间，由 XX 市环境保护科学研究院、清华大 学、西安交通大学和济南十方环保有限公司共同承担的国 家 863 计划的“高效厌氧生物反应器研制与应用”课题， 研制推出了第三代厌氧反应器，厌氧反应器的“食量”比 第一代厌氧反应器提高了 10 倍，使我国在新型厌氧生物反 应器领域内实现了跨越式发展。 “治理”高浓度有机废水 据统计显示，我国七大水系超类水质占 27.9%。造成 水污染的主要原因是工业废水和城市污水未能得到有效处 理。 我国的工业基础薄弱，传统高消耗、低产出、重污染 的粗放型生产模式仍在广泛应用。像味精、食品等酿造行 业以及化肥、农药、皮革、制盐等行业，与先进国家相比 单位产品的耗水量大，原料的转化利用率低。 据统计，全国食品与发酵行业每年消耗粮食、糖料及 其他农副产品达 8000 多万吨，其中玉米、薯干、大米等原 料的消耗量约为 2500 万吨左右。如果粮薯原料的平均淀粉 含量按 60%计算，则全年有 1000 万吨未被充分利用的原料 变成了废渣水，随生产废水被排入周围水系，造成了严重 的环境污染和资源浪费。 “由于原料回收利用率不高，像淀粉原料加工企业的 废水中化学需氧量是日常污水的十几倍。”XX 市环境保护 科学研究院工程师常丽春说，这些 COD 浓度达到 5000-6000 毫克/升的有机工业废水，如果直接采用传统的好氧方式处 理，显然是极不经济的。因为好氧技术需要大量的氧气， 供电和供气系统带来的成本较高。 能不能在好氧技术处理前，采用高效、经济的厌氧技 术进行“先期”处理，最终达到排放标准？ XX 市环境保护科学研究院王凯军总工程师说，高效厌 氧反应器实现了这一目标，特别适合于高浓度有机工业废 水的处理，甚至可以有效处理某些含氮或含硫的有机废水。 厌氧技术顾名思义，就是无需氧气，它主要靠厌氧微 生物处理水中的有机物。厌氧微生物在治污的同时，还可 产生可再生能源沼气，用于供暖和发电。与好氧生物技术 相比，可以大大减少温室气体的排放。 “厌氧技术不需要能量，却能产生能量。所以说，厌 氧生物处理技术将废水处理与能源回收紧密结合，是最符 合可持续发展战略的污水处理技术之一。”王凯军在上世 纪 80 年代就开始了厌氧技术的研究，用于城市污水和污泥 的处理。上世纪 90 年代他远渡荷兰，师从第二代厌氧技术 发明人 lettinga 教授。“我国在现代高效厌氧反应器的应 用与开发上，与国外先进技术仍有较大差距。”“十五” 期间，针对我国大量中、高浓度有机废水和生物难降解废 水处理的迫切需要，他带领研究团队瞄准了第三代厌氧反 应器。 形成“集团军”作战 评价厌氧反应器的处理能力的高低，关键是看微生物 每天的“饭量”。 “要想微生物吃得多，必须给微生物创造一个最 适合的生长环境，保持微生物的活性。”王凯军介绍说， 随着微生物环境的不断改善，厌氧微生物“吃”得越来越 多。 第一代厌氧反应器的处理对象是污泥，处理能力相对 低效，每立方米反应器池容厌氧微生物每天仅能吃掉 23 公斤 COD。第二代厌氧反应器采用絮状污泥，“吃”的是高 浓度有机物，“饭量”增加到 510 公斤。而第三代厌氧 反应器胃口大得惊人，一天能吞下 3040 公斤的 COD。 “新一代高效厌氧反应器的食量大增，主要是通过颗 粒污泥，提高了微生物集团军作战能力，增强了它们 抵抗外界的变化能力。” 常丽春说，微生物颗粒污泥像小米大小形状，通过多 种循环方式确保反应器中颗粒污泥完全处于悬浮状态，这 样既满足了厌氧微生物与废水充分混合，又确保了颗粒污 泥结构的稳定，大大提高了有机物去除的效率。 “以前的絮状污泥结构较为松散，遇到大的水流，容 易被冲跑，不利于微生物的生长附着。另外，废水 COD 排 放量增大时，絮状污泥根本无法承受，多吃不了有机物。 ”常丽春说，课题组针对我国目前高效厌氧反应器工程实 践中存在的问题，采用独特的复合循环方式，使污泥性质 得到进一步优化，颗粒污泥强度增强一倍，颗粒沉降速度 提高。量多质优的颗粒污泥为反应器的高效运行提供了保 证。 由于解决了高品质颗粒污泥的形成与微生物活性保持 的关键问题，厌氧悬浮床反应器可以在 3040kgCOD/m3.d 容积负荷之间稳定运行，最高负荷达 52kgCOD/m3.d，COD 去除率平均为 90%，处理能力比第二代厌氧反应器提高了 4 倍。反应器在负荷率和去除效果方面达到甚至超过国际高 效厌氧生物反应器的先进水平，同时在工程投资和运行能 耗两方面明显低于国内外同类产品。 厌氧悬浮床反应器还采用先进的自动控制理念，具有 实时监测、动态工艺流程显示、数据处理、反馈控制、趋 势模块、报警、报表和远传等 8 种自控功能，为工艺优化 提供了保障，有效地实现了厌氧反应器的自动控制运行。 厌氧技术向纵深拓展 目前，国内很多的高浓度有机废水中，除了含有大量 的碳水化合物外，还含有相当高浓度的氮素污染物。为此， 课题组还首次在高效厌氧反应器中同时实现产甲烷反硝化 的工艺。 王凯军说，产甲烷反硝化工艺在厌氧反应器同时实现 脱氮和脱碳功能，不需要设单独的反硝化池，缩短了工艺 流程，可以节约大量的土地、资金、材料以及运行管理费 用。而厌氧氨氧化工艺是目前已知的最简捷和最经济的生 物脱氮途径，这些工艺对于解决高氨氮有机废水的污染问 题具有十分重要的意义。 在国内厌氧生物技术领域，他们开发的厌氧悬浮床反 应器市场竞争力优势明显，已经占据了我国淀粉行业的半 壁江山。目前年产沼气可达几亿方，效益非常可观。 废水的生物处理技术是我国水污染控制最主要的有效 手段之一。该课题研究与示范工程的应用有效带动了我国 厌氧生物处理技术的改革与发展，厌氧反应器的处理负荷 和效率大幅提高，废水处理工程的基建投资和运行费用大 幅降低，为 COD 减排提供了有利工具。 据介绍，该课题申请了 5 项国家发明专利，其中 3 项 已获得授权，另两项处于公开阶段，形成了一批具有自主 知识产权的厌氧生物处理关键技术。 当谈及厌氧技术应用，王凯军说，固体废弃物如有机 生活垃圾的厌氧技术是一个新的领域。厌氧技术的发展趋 势一方面是向高固体含量的垃圾发展，如含有餐厨垃圾等 高含水率的垃圾焚烧或填埋，可能会产生温室气体，污染 环境。另一方面是向低浓度发展，如只有 300500mg/lCOD 含量的生活污水。 “十一五将在这两方面都力争有所突破。”面对 高效厌氧反应器的市场应用前景，王凯军对此充满了信心。 数字 863 高效厌氧生物反应器的应用前景： 按当前政府对生物质能的重视和对环境保护的严格要 求，预计今后 15 年高效厌氧生物反应器具还将有一个较快 的发展速度。中国工业废水年总排放量达 194.2 亿吨(XX 年 全国环境统计公报)，废水中含有机物(COD)704.5 万吨。近 期可采用厌氧发酵技术处理的工业有机废水量在 22 亿 m3 以上，估计每年实际可转化的沼气约为 60 亿 m3。另外，中 国畜禽养殖场每年排放 16.76 亿吨废水和废渣(1999 年统计)， 近期可开发的沼气为 40 亿 m3。可见，采用厌氧发酵技术每 年可开发的沼气量达 100 亿 m3(相当于 1000 万吨标煤)，达 到全国天然气产量的 40。根据国家经贸委的我国可再生 能源规划，到 XX 年，大中型沼气工程将增加到 8000 座以 上，年处理工业有机废水和畜禽养殖场废水 12 亿 m3。形成 年产沼气 60 亿 m3 的能力，相当于 600 万吨标准煤，可年 发电 1000 亿度。 目前，项目承担单位的全部项目的社会总投资在 24 亿/年左右