高浓度有机污染物废水处理技术研究进展*

张建鹏

（上海问鼎环保科技有限公司，上海 201612）

我国生态文明建设对环境污染和防治提出了更高的要求。近年来，随着我国经济社会高速发展和城市化进程加剧，水资源紧缺问题突显，废水处理与回收利用面临着巨大的挑战。高浓度有机污染物废水的有效治理及资源化利用已成为水资源循环利用的瓶颈问题，相关技术的研究对人类社会的可持续发展具有重要的意义[1]。

1 分类及特点

高浓度有机污染物废水是指含有大量有机物（包括：纤维素、脂肪、蛋白质和芳香族化合物等）且化学需氧量（COD）大于2g·L-1的废水。一般由食品、造纸、皮革、印染、电镀、制药和石油化工等行业排出，根据其性质和来源可分为3 类，见图1[2]。

图1 高浓度有机污染物废水分类Fig.1 Classification of high concentration organic pollutant wastewater

高浓度有机污染物废水主要特点包括：有机物浓度高、成分复杂、色度高且有异味和具有强酸强碱性，见图2。

图2 高浓度有机污染物废水特点Fig.2 Characteristics of high concentration organic pollutant wastewater

2 危害

高浓度有机污染物废水主要危害包括：需氧性危害、感观性污染和致毒性危害，见图3。

图3 高浓度有机污染物废水危害Fig.3 Hazard of high concentration organic pollutant wastewater

3 处理技术

高浓度有机污染物废水的主要处理技术包括：物理、化学、物理化学和生物处理技术，各处理技术及效果见图4[3]。

物理处理技术 通过物理作用（如：重力、压力等）实现污染物分离，改变废水成分的技术。该技术一般用于废水预处理，常用方法包括：离心法、滤除法、隔离法、沉淀法、吹脱法等。

化学处理技术 运用化学原理或作用（催化、氧化、还原、中和与水解等），将有害污染物转化为无害物质的废水处理技术。该技术具有反应速度快和易控制的优点，常用于废水的预处理。该技术的缺点包括：需要特定的催化剂、化学试剂成本高、处理温度要求高和有机污染物难于一步净化等。常用方法包括：焚烧法、Fenton 氧化法（应用最广泛）、超临界水氧化法、催化湿式氧化法、臭氧氧化法和电化学氧化法（近年来研究较多）等。

物理化学处理技术 通过相转移的变化来分离去除有机污染物的技术。该技术常用于废水的预处理，用来处理一些难生物降解物质和回收废水中的有用物质。常用方法包括：萃取法、吸附法、浓缩法、离子交换法、混凝法、超声波降解法和膜分离技术等。

生物处理技术 利用微生物（酶、菌种等）的新陈代谢作用，将废水中的可溶（或部分不溶）的有机污染物降解为无害稳定物质的处理技术。该技术符合我国生态绿色可持续发展理念的要求，是一项重要的高浓度有机污染物废水处理技术。

4 生物处理技术简介

生物处理技术按微生物种类和供氧情况分为好氧和厌氧生物处理技术。该技术优点包括：经济安全、残留少、处理阈值低、无二次污染，微生物具有较强的适应性和可变异性等。该技术缺点包括：微生物活性保持需要一定的温度和pH 值，微生物群落中缺少针对性的降解某些有机污染物的酶，某些有机污染物含对微生物有毒或活性抑制。因此，生物处理技术适用于处理中低浓度的有机污染物废水，对于很高浓度的有机废水（如：焦化废水）需要预处理。

4.1 好氧生物处理技术

好氧生物处理技术 指好氧微生物（包括兼性微生物）在有氧环境下，以有机污染物等作为电子供体，以游离态的氧作为电子受体，进行好氧代谢使有机污染物氧化降解为CO2和水的技术。该技术优点包括：操作简单、出水好（有机污染物去除率90%以上）、费用低和处理量大等[4]。该技术缺点包括：进水口附近有机负荷高，耗氧速率高；较大容积的曝气池（避免厌氧环境）使费用升高；处理效果受供氧和耗氧差异、水质和水量变化的影响；脱氮除磷效果不好等。因此，一批高效的好氧生物处理技术被开发出来，包括：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，见图5。

图5 高浓度有机污染物废水高效好氧生物处理技术Fig.5 High-efficiency aerobic biological treatment technology for high concentration organic pollutant wastewater

序批式活性污泥法（SBR） 由进水、曝气、沉淀、排水和待机等工序组成。该技术优点包括：运行有序、间歇操作；工艺简单，无需调节池；污泥浓度（活性污泥系统的3～4 倍）较高、微生物活性及生长速率高；占地省，有机负荷大，同时在一个曝气池中进行好氧和缺氧、脱碳/氮和除磷等反应；污泥龄高，耐冲击能力强；无污泥膨胀现象，出水好；自动化程度高、节省人力；运行费用低。

深井曝气法（DSP） 一种利用深井作为曝气池的活性污泥法。深井曝气的深度可达100～300m，超高静水压力使氧的转移率从传统曝气法的5%～15%提高到了60%～90%。该技术优点包括：动力效率高、产泥量少、占地省、处理效果好、投资少、耐冲击负荷、温度影响小、无污泥膨胀、运行稳定、操作方便等。该技术缺点是应用会受地质条件的限制。

好氧生物流化床（ABFB） 将传统活性污泥法、生物膜法和化工流态化技术有效结合的新型废水处理技术。该技术填料的表面积（超过3300m2·m-3）和生物膜量（10～40g·L-1）比普通活性污泥法高1 个数量级，优点包括：处理效率高、容积负荷大、抗外部冲击、设备紧凑、占地少和投资省等。该技术缺点：为实现填料流化，必须进行出水循环（需一定流速），增加了运行的复杂性。目前，国内尚处于试验阶段，工程应用不多。

生物降解反应器系统（RBS） 日本开发的一种活性污泥法。该技术利用高活性兼性土壤菌（腐植化环境培养）的代谢作用，降解废水中的有机污染物，具有效率高、容易操作、占地小和抗冲击负荷能力强的优点。适合于处理养殖和食品加工等行业污水。

4.2 厌氧生物处理技术

厌氧生物处理技术 利用兼性和专性厌氧菌等共同作用，将有机污染物降解为甲烷和CO2等的技术。该技术包括：水解发酵、产氢产乙酸、产甲烷和同型产乙酸4 个阶段。该技术优点包括：当废水中CODCr达到4g·L-1时处理效率优于好氧技术，污泥产量少且易脱水、营养盐需求量少、无需曝气（能耗低且可回收沼气）、容积负荷高（节约占地和基建投资）、废水可生化性高等[5]。该技术缺点包括：启动时间长、温度要求较高、对有毒物质敏感、遭破坏后的恢复期长和出水较差等。由于出水COD 仍较高且无溶解氧，该技术需要与其它工艺联合使用。该技术已有一百多年历史，主要经历了三代，见图6。

图6 高浓度有机污染物废水厌氧生物处理技术Fig.6 Anaerobic biological treatment technology of high concentration organic pollutant wastewater

第一代厌氧处理技术 以传统厌氧消化池（如化粪池和沼气池）为代表。

第二代厌氧处理技术 在第一代基础上增加了温度和搅拌等控制，包括：厌氧接触法（ACP）、上流式厌氧污泥床（UASB）和厌氧生物滤池（AF）等。这些技术把污泥停留时间（SRT） 和水力停留时间（HRT）相分离，使活性污泥龄延长到了上百天，使HRT 从过去的几天（或几十天）缩短到几小时。

厌氧接触法（ACP）标志着现代废水厌氧处理技术的诞生，指将污泥分离和回流装置加到混合反应器后，提高了消化池的有机容积负荷，使SRT >HRT，有效地增加污泥浓度的方法。污泥的沉降性能和分离效率是该技术的关键。该技术优点包括：抗冲击负荷、易启动、运行稳、易管理，适合高悬浮物浓度（ss≥50g·L-1）和高有机物浓度（COD 容积负荷3～5kg·（m3·d）-1）废水处理等。该技术缺点：污泥易流失和易发生污泥膨胀。

厌氧生物滤池（AF） 用填充材料（如炉渣、瓷环和塑料等）作为微生物载体的一种厌氧反应器。AF 分为升流和降流式，微生物在填料和填料空隙间生长，高性能的填料是关键。该技术优点：耐冲击负荷、设备简单、启动时间短、不需污泥回流和运行管理方便等。该技术缺点：进水悬浮物要求高（ss<0.2g·L-1或经100 目网过滤）、悬浮物易导致堵塞和短路。

上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 由分配板、颗粒污泥处理区、膨胀污泥床再生区和气固分离区等组成，成功地解决了生物量保持问题。高性能颗粒污泥的培养是关键（国内处于探索阶段）。该技术优点：容积负荷大、HRT 短、能耗少、适用范围广和活性高等。该技术缺点：启动时间长、混合效果差、污泥膨胀会造成微生物流失和短流等。

第三代厌氧处理技术 针对第二代易出现污泥流失和废水与污泥之间接触不均匀等问题进行改进，以厌氧折流板反应器（ABR）、内循环式厌氧反应器（IC）、厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）和垂直折流厌氧污泥床（VBASB）反应器等为代表。

厌氧折流板反应器（ABR） 生物膜和UASB 相结合的新型高效反应器。ABR 特点是：反应器被一系列垂直安装的折流板分割成几个串联的反应室，类似于多个UASB 串联。该技术优点包括：可根据各反应室底物的不同培养出与之相适应的微生物群落，使产酸和产甲烷相分离，各反应室的沼气可单独排放，构造简单、无三相分离器、无污泥堵塞、稳定性高、能耗低、抗冲击负荷、处理效率高和运行管理方便等。ABR 缺点：反应器不宜太深（以防影响水流速和产物气体上升），进水分布不均。

内循环式厌氧反应器（IC） 基于UASB 而改进的，由两个UASB 相互重叠而成，高约16～25m，包括：混合区、污泥膨胀床、精处理和回流系统。IC 的优点：有机负荷高（约为UASB 的4 倍）、HRT 短、进水容积负荷率可达30～40kg·（m3·d）-1（针对COD 为10～15g·L-1的土豆加工废水）；内循环水稀释了进水、防止污泥大量流失、提高了抗冲击负荷和酸碱调节能力；占地小（体积约为UASB 的1/4～1/3 倍）、投资少；能耗省，基于沼气的提升作用和膨胀做功，促进了进水与颗粒污泥的充分接触，并在无外加能源的条件下实现了废水内循环；运行稳定，启动期短。厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）是基于UASB 开发的，主要由进水系统、反应区、三相分离器和沉淀区等组成。该技术优点包括：出水再循环使反应器内液体上升流速（5～10m·h-1）远高于UASB（小于1m·h-1），可获得更好的废水与微生物的接触效果；污泥呈膨胀流化态、颗粒较大、活性高、沉淀性能良好，抗冲击负荷、运行稳定，COD 去除负荷高（40kg·（m3·d）-1以上），特别适合在低温条件下处理SS 含量高、难降解和有毒的中低浓度废水；反应器高径比大、占地小。

垂直折流厌氧污泥床（VBASB）反应器 将ACP、AF 和UASB 有效组合到同一个反应器中（具备三者的功能），具有普适性的高效处理技术。通过进料泵和回流泵，在管道中使进水和升温用的蒸汽与回流废水充分混合，用来控制pH 值和温度。该技术适合处理高悬浮物高浓度的有机污染物废水。

高浓度有机污染物废水处理使用的厌氧反应器目前以第二代为主（主要是AF 和UASB），第三代的IC 也在推广中[6,7]。

5 总结与展望

高浓度有机污染物废水成分复杂，单独的使用一种处理技术很难达到理想的效果，往往需要两种或两种以上技术进行组合、协同作用，才能制定出经济高效的一体化解决方案。采用多项技术的优化集成，实现高浓度有机污染物废水高效处理和资源化利用，真正达到废水零排放是今后国内外相关研究技术的发展方向。随着我国生态文明建设和绿色化学技术革命的兴起，从源头上重视清洁生产（减少或消除污染），开发更经济、环保的新工艺，将被动治理转变为主动预防，必将带来更多的经济效益、社会效益和环保效益[8]。