厌氧生物滤池的研究及应用现状

方芳 龙腾锐
(重庆建筑大学城市建设学院)

　　近十多年来在普通厌氧生物滤池(Anaerobic Biofilter,AF)基础上，逐渐出现了一些变型，如厌氧生物滤池两级串联工艺、两级循环工艺、厌氧污泥床——滤层反应器、变速厌氧/缺氧生物滤池等。目前，一批生产性的AF已投入运行，处理效果良好，运行管理方便。

1 AF反应器特点

　　AF是一种内部填充有微生物载体的厌氧生物反应器。厌氧微生物部分附着生长在填料上，形成厌氧生物膜，部分在填料空隙间处于悬浮状态。废水流过被淹没的填料，污染物被去除并产生沼气。
　　典型的生产性AF呈筒状，常用直径和高度分别为6～26m和3～13m。滤池中可维持相当高的微生物浓度，一般可达5～15 kgVSS/m³，故AF能承受较高的有机物体积负荷［生产性使用装置的最大有机负荷通常在10～16kgCOD/(m³·d)之间］。由于较高的污泥浓度和长达100d以上的泥龄，AF具有良好的运行稳定性，较能承受水质或水量的冲击负荷，在常温下能处理城市污水等低浓度有机废水。AF出水可不回流，但如果出水回流，可降低进水浓度，减小堵塞的可能性，使填料中生物量趋向于均匀分布。
　　AF的另一特点是反应器内污泥产率低，运行启动快。有资料报导，生产性AF在600d的运行中没有废弃污泥。Jhung等在UASB和AF的对比试验中发现，当进水为高浓度糖蜜废水，有机负荷为0.8kgCOD/(m³·d)时，UASB需6周启动时间，而AF只用了4周。严伟等也曾报导，用大孔聚氨脂泡沫塑料的AF处理橄榄厂稀释废水，其启动时间比活性污泥法和UASB明显缩短。
　　该工艺也存在一些问题，主要是：用AF处理含悬浮物浓度高的有机废水易发生堵塞；对布水装置要求较高，否则易发生短流，影响处理效果。

2 AF反应器的填料

　　填料是AF的主体，AF所采用的填料以硬性填料为主，如砂石、陶粒、波尔环、玻璃珠、塑料球、塑料波纹板等。
　　Muller和Marcini是最先认识到填料重要性的研究者之一。他们认为采用轻质、大空隙率的填料比实心的砂石更有利于生物固体的积累。Young评价了四种不同类型的填料，认为溶解性COD去除率与填料类型、尺寸和形状有很大关系，交叉流组件式填料比相同比表面积的松散填料(如波尔环和穿孔球等)性能好得多，后者性能较差的原因可能是由于局部堵塞和股流的影响。
　　Song和Young报导了填料放置方式对AF性能的影响：试验采用组件式塑料波纹板填料，结果表明，填料与水平面所成的角度越小，再分配水流的能力越强，微生物和有机物之间的接触越充分，溶解性COD去除效果越好。考虑到填料长期抗堵塞能力和结构强度，Song等建议最佳坡度应在45°～60°。
　　Anderson研究了多孔和无孔填料与有机负荷、生物量之间的关系，结果发现，填料表面越粗糙，填料上生物膜附着速率和生物量累积速率越快，且多孔填料上由于剪力而造成的生物量损失比无孔填料少，因而多孔填料的AF在较高有机负荷时能保持较好的性能，且运行较稳定。
　　对于填料的比表面积，相当多的研究者认为不是影响滤池性能的主要因素。Tay等认为，由于相当部分COD是由填料空隙中被阻留的悬浮固体去除的，故填料的空隙率和孔的尺寸较比表面积对上向流AF性能的影响更大。
　　具有表面活性的填料对滤池内微生物的生长是否更有利，目前尚有不同看法。劳善根等采用粒状活性炭AF处理人工含酚废水，经过257d连续运行，酚和COD_Cr的去除率分别达到98%和70%以上，活性炭仍能继续有效地使用。Suidan等也采用粒状活性炭AF处理人工合成废水，当负荷为7.22～9.33kgCOD/(m³·d)，COD去除率可达86%～90%，超过其它填料的AF的效率^［1］。但也有研究结果表明，采用活性炭填料的AF性能并不优越^［1］，因此有关这方面的问题仍需进一步研究。
　　还有的研究者研究了含微生物生长促进剂的填料，利用这种填料的滤池，微生物生长快，启动历时短，可维持较高的生物量。

3 AF反应器的水力特性

　　较多的研究者倾向于全充满上向流AF中的流态接近完全混合。Young等则认为，采用简单的推流或完全混合模式都是不合适的。隋军等认为AF的流态是扩散式的，可由扩散模型模拟。尽管AF的混合模式尚无定论，但混合对基质转换的重要性已为许多研究者所重视。
　　关于气体对混合的影响，所有研究者的观点都相同：气体的产生提高了混合程度。Chiang等观察到，即使负荷低于1～2 kgCOD/(m³·d)，仍然有足够的气体产生显著的混合和短流。
　　一般说来，上向流AF反应器内混合程度随液体上升流速的增大而增加。Smith提出最大上升流速为25 m/d，Young则认为小试AF的上升流速应介于1～8 m/d，生产性AF中的上升流速可达50 m/d。这些结论差别较大，与所采用的填料、有机负荷等具体条件有关。但可以肯定，为使反应器处于较好的性能状态，存在一个最佳范围的液体上升流速。
　　AF反应器中的填料对混合模式有明显影响。Smith的中试结果表明，填料体积减少，推流程度增加，但小试结果却相反，这是由于填料是与反应器尺寸、液体上升流速、气泡气流等共同对混合产生影响的。Young等通过试验证明，反应器中的流态与雷诺数Re和填料有关。反应器内有填料比无填料的推流程度有所提高，而且随填料比表面积的增加而提高。采用小孔径、大比表面积填料(如20～30mm的波尔环、小石块等)的AF的流态接近推流。
　　有关AF内混合模式的研究较多，所得出的结论也不尽相同。其原因在于影响AF反应器混合程度的因素很多，除上述外，还有如温度梯度、污泥浓度、污泥沉降性、反应器几何尺寸(如径高比)等等，笔者认为，在这方面还有待进一步研究，特别是关于水力特性相似律方面的研究。

4 AF反应器处理有机废水

　　AF主要用于处理溶解性有机废水，AF处理工业废水研究的部分成果见表1，AF处理生活污水研究的部分成果见表2。
　　80年代初以来，AF在美国、加拿大等国已被广泛用于处理各种不同类型的废水，最大的AF容积达12500m³，多数在中温条件30～38℃下运行，有机负荷0.1～15kgCOD/(m³·d)不等，常采用的有机负荷为4～8kgCOD/(m³·d)，COD去除率在60%～95%的范围内变动。

表1 AF处理工业废水研究的部分成果 废水类型 处理温度（℃） 进水COD（g/L） 容积负荷[kgCOD/(m3.d)] COD去除率（%） 运行方式 HRT（h） 备注 制药废水 35 4.0 8.0 94 小试 12 1978年 35 8.0 8.0 95 24 35 16.0 8.0 98 48 蔬菜废水 22～33 16.0 8.0 81 小试 48 1980年 22～33 16.0 16.0 86 24 22～33 16.0 32.0 90 12 人工合成废水 30 8.70 2.5～10 79～93 小试 　 1981年 柠檬酸废水 36 6.8～9.1 3.16 73 小试 48 1993年 酵母菌废水 36 8.77～16.48 3.0 65 小试 60 1993年 海鱼加工废水 55 10～50 0.79～6.76 67～78 小试 53～372 1995年 37 10～50 0.76～7.50 67～77 48～415 印染废水 35 0.21～2.23 0.5～2.0 70～86.6 小试 18.3 1995年 锅炉废水 36～38 38 3 81.2 小试 30 1996后

表2 AF处理生活污水研究的部分成果 出处（见参考文献） 体积（m³） 温度（℃） HRT（h） 有机负荷[（kgCOD/(M3.D)] 进水浓度（mg/L) 去除率（%） [4] 0.0089 11.0～27.8 4或6 0.53～0.71 COD=230.9～410.1 56.9～71.8 BOD=134.9～172.0 61.5～78.5 SS=49.0～86.9 57.1～81.5 [5] 0.016 20～30 24 0.32 COD=288 73 BOD=181 79 SS=118 73 [6] 13 22～24 8.6～37 　 BOD=150～222 81～87 SS=200～250 91～97 [1] 102 　 13 　 BOD 53 SS 69 [7] 19 12～24 　 　 BOD=100～150 55 SS 75 [7] 190 ＞20 9～10 0.35～1.2 COD 50 BOD 63 SS 80 [2] 0.0376 17～23 ≥12 ≤2.31 COD=200～30 59.3～77.9 ≥8 ≤4.54 58.2～63.2 [3] 0.0393 18～37 6 0.3～1.0 COD=100～300 60

5 工艺稳定性和冲击负荷的影响

　　李亚新等用AF处理印染废水，进水COD一般在300～600mg/L，试验期间历经两次冲击负荷，一次COD由364.3mg/L突增至1 038 mg/L，出水COD值仍可达303.8mg/L，COD去除率70.8%；另一次COD由351.4mg/L突增至1327.4mg/L，出水COD仅为151.3mg/L，去除率高达88.6%。山本曾以高达平均流量3倍的水量负荷持续2～3h冲击反应器，结果表明，AF出水水质几乎不受影响^［7］。Chiang等用AF处理高浓度酸性废水，运行第一阶段，在1d内HRT由42d降至7d，出水水质只是pH值稍有波动；运行第二阶段，在2d内HRT由73d降至2d，结果pH值略有降低，气体产量没有增长，挥发酸浓度提高，有机物去除率降至54%。当HRT恢复到42d后，出水COD和SS恢复到比冲击负荷发生前略高。
　　曾有人比较UASB和AF的运行性能，当进水pH值变化时，UASB用了3周时间恢复到稳定状态，而AF在2周内即可达到稳定状态，表明UASB较AF对pH值变动更为敏感。在对不同基质的适应性研究中发现，AF性能也比UASB好。当两个反应器中均已形成大量颗粒污泥后，进水由挥发酸废水变为高浓度糖蜜废水，结果UASB用了6周时间恢复到稳定状态，而AF仅用了2周。显然，AF反应器更能适应性质多变的工业废水。
　　Parkin等用浆液瓶和上向流厌氧固定床反应器(USMAR)研究氰化物、氯仿、甲醛、铵、镍和硫化物对厌氧微生物的毒性，结果表明，较高浓度的毒物不致引起系统的破坏，生物膜上的甲烷菌能够逐步被驯化。Parkin等认为，较长的SRT是使系统免于破坏的关键。Blum等还用USMAR成功地处理了含有大量通常被认为对厌氧系统有毒的高浓度酚的碳气化废水，当HRT为18h时，高达1885 mg/L的酚可降低至1mg/L。
　　AF很适宜处理间歇排放的废水，进水暂停一段时间(1～3d)，系统的性能不受影响。某生产性AF在运行中由于维修而停运，10 d后重新启动，有机物去除率迅速恢复到停运前水平，后来，该AF由于维修又停运13d，再次启动后COD去除率立即恢复正常，且在随后的20d中，都维持在80%以上。另据报导，AF在厌氧条件下停运半年，仍可迅速恢复生物活性。
　　AF反应器具有良好的运行稳定性，能适应废水浓度和水力负荷的变化而不致引起长时间的性能破坏，可在低pH值和含毒物条件下稳定运行，而且再启动迅速。较长的SRT和较高的污泥浓度是AF抗冲击负荷的关键，据报导，SRT为100d以上，也有研究者测定的SRT为142～165d，甚至达到350d。

6 结语

　　综上所述，AF反应器是一种简易、高效、低耗的废水处理装置，已在废水处理中得到较为广泛的应用，同时，有些问题值得进一步研究：如①反应器放大设计的相似理论问题；②加强反应器颗粒化规律及生物膜附着过程机理的研究，以缩短启动时间；③加强填料技术的研究，以开发性能更好、价格低廉的新型填料；④从生态学角度深入研究AF中微生物的组成及其相互关系，以明了AF性能的本质因素等。

参考文献

　　1 钱易，米祥友.现代废水处理新技术.北京：中国科学技术出版社，1993
　　2 周勇.变速厌氧生物滤池处理城市污水试验研究：［硕士学位论文］重庆：重庆建筑大学，1994
　　3 李云.上向变速流缺氧生物滤床处理城市污水试验研究：［硕士学位论文］重庆：重庆建筑大学，1996
　　4 钱易，王凤芹.常温下厌氧生物滤池处理生活污水的试验研究.给水排水，1994；20(1)
　　5 Kobayashi H A et al. Treatment of low strength domestic wastewater using the anaerobic filter. Wat Res, 1983; 17(8)
　　6 严月根.低浓度污水生物处理的进展.中国给水排水，1988；4(5)：42
　　7 国家环境保护局.低浓度污水厌氧—水解处理工艺.北京：中国环境科学出版社，1991

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　　作者通讯处：400045 重庆市沙坪坝 重庆建筑大学城市建设学院
　　(收稿日期 1998-09-08)