厭氧生物技術(shù)無處不在,，像釀酒,、制醋等發(fā)酵技術(shù)古已有之。但是,，用厭氧微生物“吃”掉水中的有機(jī)物,，還是近30年來的事兒。
“十五”期間,，由北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)和濟(jì)南十方環(huán)保有限公司共同承擔(dān)的國家863計劃的“高效厭氧生物反應(yīng)器研制與應(yīng)用”課題,，研制推出了第三代厭氧反應(yīng)器,，厭氧反應(yīng)器的“食量”比第一代厭氧反應(yīng)器提高了10倍，使我國在新型厭氧生物反應(yīng)器領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展,。
“治理”高濃度有機(jī)廢水
據(jù)統(tǒng)計顯示,，我國七大水系超Ⅴ類水質(zhì)占27.9%。造成水污染的主要原因是工業(yè)廢水和城市污水未能得到有效處理,。
我國的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱,，傳統(tǒng)高消耗、低產(chǎn)出,、重污染的粗放型生產(chǎn)模式仍在廣泛應(yīng)用,。像味精、食品等釀造行業(yè)以及化肥,、農(nóng)藥,、皮革、制鹽等行業(yè),，與先進(jìn)國家相比單位產(chǎn)品的耗水量大,，原料的轉(zhuǎn)化利用率低,。
據(jù)統(tǒng)計，全國食品與發(fā)酵行業(yè)每年消耗糧食,、糖料及其他農(nóng)副產(chǎn)品達(dá)8000多萬噸,，其中玉米、薯干,、大米等原料的消耗量約為2500萬噸左右,。如果糧薯原料的平均淀粉含量按60%計算，則全年有1000萬噸未被充分利用的原料變成了廢渣水,，隨生產(chǎn)廢水被排入周圍水系,，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。
“由于原料回收利用率不高,，像淀粉原料加工企業(yè)的廢水中化學(xué)需氧量（COD）是日常污水的十幾倍,。”北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院工程師常麗春說，這些COD濃度達(dá)到5000-6000毫克/升的有機(jī)工業(yè)廢水,，如果直接采用傳統(tǒng)的好氧方式處理,，顯然是極不經(jīng)濟(jì)的。因?yàn)楹醚跫夹g(shù)需要大量的氧氣,，供電和供氣系統(tǒng)帶來的成本較高,。
能不能在好氧技術(shù)處理前，采用高效,、經(jīng)濟(jì)的厭氧技術(shù)進(jìn)行“先期”處理,，最終達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)？
北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院王凱軍總工程師說,，高效厭氧反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo),，特別適合于高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的處理，甚至可以有效處理某些含氮或含硫的有機(jī)廢水,。
厭氧技術(shù)顧名思義,，就是無需氧氣，它主要靠厭氧微生物處理水中的有機(jī)物,。厭氧微生物在治污的同時,，還可產(chǎn)生可再生能源沼氣，用于供暖和發(fā)電,。與好氧生物技術(shù)相比,，可以大大減少溫室氣體的排放。
“厭氧技術(shù)不需要能量,，卻能產(chǎn)生能量,。所以說，厭氧生物處理技術(shù)將廢水處理與能源回收緊密結(jié)合,，是最符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的污水處理技術(shù)之一,。”王凱軍在上世紀(jì)80年代就開始了厭氧技術(shù)的研究,，用于城市污水和污泥的處理。上世紀(jì)90年代他遠(yuǎn)渡荷蘭,，師從第二代厭氧技術(shù)發(fā)明人lettinga教授,。“我國在現(xiàn)代高效厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用與開發(fā)上，與國外先進(jìn)技術(shù)仍有較大差距,。”“十五”期間,，針對我國大量中、高濃度有機(jī)廢水和生物難降解廢水處理的迫切需要,，他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了第三代厭氧反應(yīng)器,。
形成“集團(tuán)軍”作戰(zhàn)
評價厭氧反應(yīng)器的處理能力的高低，關(guān)鍵是看微生物每天的“飯量”,。
“要想微生物‘吃’得多,，必須給微生物創(chuàng)造一個最適合的生長環(huán)境，保持微生物的活性,。”王凱軍介紹說，隨著微生物環(huán)境的不斷改善,，厭氧微生物“吃”得越來越多,。
第一代厭氧反應(yīng)器的處理對象是污泥，處理能力相對低效,，每立方米反應(yīng)器池容厭氧微生物每天僅能吃掉2—3公斤COD,。第二代厭氧反應(yīng)器采用絮狀污泥，“吃”的是高濃度有機(jī)物,，“飯量”增加到5—10公斤,。而第三代厭氧反應(yīng)器胃口大得驚人，一天能吞下30—40公斤的COD,。
“新一代高效厭氧反應(yīng)器的食量大增,，主要是通過顆粒污泥，提高了微生物‘集團(tuán)軍’作戰(zhàn)能力,，增強(qiáng)了它們抵抗外界的變化能力,。”
常麗春說，微生物顆粒污泥像小米大小形狀,，通過多種循環(huán)方式確保反應(yīng)器中顆粒污泥完全處于懸浮狀態(tài),，這樣既滿足了厭氧微生物與廢水充分混合，又確保了顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,，大大提高了有機(jī)物去除的效率,。
“以前的絮狀污泥結(jié)構(gòu)較為松散，遇到大的水流,，容易被沖跑,，不利于微生物的生長附著,。另外，廢水COD排放量增大時,，絮狀污泥根本無法承受,，多吃不了有機(jī)物。”常麗春說,，課題組針對我國目前高效厭氧反應(yīng)器工程實(shí)踐中存在的問題,，采用獨(dú)特的復(fù)合循環(huán)方式，使污泥性質(zhì)得到進(jìn)一步優(yōu)化,，顆粒污泥強(qiáng)度增強(qiáng)一倍,，顆粒沉降速度提高。量多質(zhì)優(yōu)的顆粒污泥為反應(yīng)器的高效運(yùn)行提供了保證,。
由于解決了高品質(zhì)顆粒污泥的形成與微生物活性保持的關(guān)鍵問題,，厭氧懸浮床反應(yīng)器可以在30—40kgCOD/m3.d容積負(fù)荷之間穩(wěn)定運(yùn)行，最高負(fù)荷達(dá)52kgCOD/m3.d,，COD去除率平均為90%,，處理能力比第二代厭氧反應(yīng)器提高了4倍。反應(yīng)器在負(fù)荷率和去除效果方面達(dá)到甚至超過國際高效厭氧生物反應(yīng)器的先進(jìn)水平,，同時在工程投資和運(yùn)行能耗兩方面明顯低于國內(nèi)外同類產(chǎn)品,。
厭氧懸浮床反應(yīng)器還采用先進(jìn)的自動控制理念，具有實(shí)時監(jiān)測,、動態(tài)工藝流程顯示,、數(shù)據(jù)處理、反饋控制,、趨勢模塊,、報警、報表和遠(yuǎn)傳等8種自控功能,，為工藝優(yōu)化提供了保障,，有效地實(shí)現(xiàn)了厭氧反應(yīng)器的自動控制運(yùn)行。
厭氧技術(shù)向縱深拓展
目前,，國內(nèi)很多的高濃度有機(jī)廢水中,，除了含有大量的碳水化合物外，還含有相當(dāng)高濃度的氮素污染物,。為此,，課題組還首次在高效厭氧反應(yīng)器中同時實(shí)現(xiàn)產(chǎn)甲烷反硝化的工藝。
王凱軍說,，產(chǎn)甲烷反硝化工藝在厭氧反應(yīng)器同時實(shí)現(xiàn)脫氮和脫碳功能,，不需要設(shè)單獨(dú)的反硝化池，縮短了工藝流程,，可以節(jié)約大量的土地,、資金,、材料以及運(yùn)行管理費(fèi)用。而厭氧氨氧化工藝是目前已知的最簡捷和最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑,，這些工藝對于解決高氨氮有機(jī)廢水的污染問題具有十分重要的意義,。
在國內(nèi)厭氧生物技術(shù)領(lǐng)域，他們開發(fā)的厭氧懸浮床反應(yīng)器市場競爭力優(yōu)勢明顯,，已經(jīng)占據(jù)了我國淀粉行業(yè)的半壁江山,。目前年產(chǎn)沼氣可達(dá)幾億方，效益非?？捎^,。
廢水的生物處理技術(shù)是我國水污染控制最主要的有效手段之一。該課題研究與示范工程的應(yīng)用有效帶動了我國厭氧生物處理技術(shù)的改革與發(fā)展,，厭氧反應(yīng)器的處理負(fù)荷和效率大幅提高,，廢水處理工程的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用大幅降低，為COD減排提供了有利工具,。
據(jù)介紹,，該課題申請了5項(xiàng)國家發(fā)明專利，其中3項(xiàng)已獲得授權(quán),，另兩項(xiàng)處于公開階段,，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的厭氧生物處理關(guān)鍵技術(shù)。
當(dāng)談及厭氧技術(shù)應(yīng)用,，王凱軍說,，固體廢棄物如有機(jī)生活垃圾的厭氧技術(shù)是一個新的領(lǐng)域,。厭氧技術(shù)的發(fā)展趨勢一方面是向高固體含量的垃圾發(fā)展,，如含有餐廚垃圾等高含水率的垃圾焚燒或填埋，可能會產(chǎn)生溫室氣體,，污染環(huán)境,。另一方面是向低濃度發(fā)展，如只有300—500mg/lCOD含量的生活污水,。
“‘十一五’將在這兩方面都力爭有所突破,。”面對高效厭氧反應(yīng)器的市場應(yīng)用前景，王凱軍對此充滿了信心,。
■數(shù)字863
高效厭氧生物反應(yīng)器的應(yīng)用前景：
按當(dāng)前政府對生物質(zhì)能的重視和對環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)格要求,，預(yù)計今后15年高效厭氧生物反應(yīng)器具還將有一個較快的發(fā)展速度。中國工業(yè)廢水年總排放量達(dá)194.2億噸(2000年全國環(huán)境統(tǒng)計公報),，廢水中含有機(jī)物(COD)704.5萬噸,。近期可采用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理的工業(yè)有機(jī)廢水量在22億m3以上，估計每年實(shí)際可轉(zhuǎn)化的沼氣約為60億m3,。另外,，中國畜禽養(yǎng)殖場每年排放16.76億噸廢水和廢渣(1999年統(tǒng)計),，近期可開發(fā)的沼氣為40億m3?？梢?，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)每年可開發(fā)的沼氣量達(dá)100億m3(相當(dāng)于1000萬噸標(biāo)煤)，達(dá)到全國天然氣產(chǎn)量的40％,。根據(jù)國家經(jīng)貿(mào)委的我國可再生能源規(guī)劃,，到2015年，大中型沼氣工程將增加到8000座以上,，年處理工業(yè)有機(jī)廢水和畜禽養(yǎng)殖場廢水12億m3,。形成年產(chǎn)沼氣60億m3的能力，相當(dāng)于600萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,，可年發(fā)電1000億度,。
目前，項(xiàng)目承擔(dān)單位的全部項(xiàng)目的社會總投資在2—4億/年左右,，項(xiàng)目實(shí)施過程中,，將通過技術(shù)進(jìn)步，積極參與市場競爭,，逐漸提高市場份額,。可望達(dá)到30%%—50%%以上的市場占有率,，產(chǎn)值超過1億元,，社會產(chǎn)值達(dá)到5—10億元/年。其中,，新開發(fā)研制的產(chǎn)品的產(chǎn)值逐漸達(dá)到總產(chǎn)值的50%%以上,。
目前國內(nèi)顆粒污泥質(zhì)量與國外相比仍然存在一些差距，并且新建項(xiàng)目相對保守,，所以對高效厭氧反應(yīng)器有巨大的市場需求,。
