高濃度有機(jī)廢水生物蒸發(fā)處理技術(shù)及展望
食品、發(fā)酵、化工、造紙、制革等行業(yè)排出的高濃度有機(jī)廢水具有污染物含量高、危害嚴(yán)重、處理工藝復(fù)雜、投資運(yùn)行成本高等特點(diǎn)，其治理一直是環(huán)境領(lǐng)域的難題。對于高濃度有機(jī)廢水，活性污泥法因曝氣導(dǎo)致運(yùn)行成本較高，且氧氣在高濃度廢水中傳質(zhì)受限，使得COD去除率和容積負(fù)荷率都較低;雖然厭氧消化被廣泛應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理，但其啟動(dòng)和處理時(shí)間長，產(chǎn)甲烷菌對周圍環(huán)境變化敏感，出水中殘存的BOD、SS或還原性物質(zhì)等仍很高，需采取后續(xù)處理措施。隨著膜過濾技術(shù)被應(yīng)用到環(huán)境領(lǐng)域，可以考慮用膜過濾截留高濃度有機(jī)廢水中的污染物質(zhì)。但在實(shí)際應(yīng)用中，如納濾仍存在一些問題：膜污染，濃縮液二次處理，膜材料耐化學(xué)性限制等。因此，亟待研究開發(fā)新的經(jīng)濟(jì)有效的高濃度有機(jī)廢水處理工藝。
一些蒸發(fā)技術(shù)被用來處理高濃度無機(jī)含鹽廢水，如多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(fā)(MEE)，但這些蒸發(fā)技術(shù)需要外加熱源提供蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致處理過程能耗高。微生物在利用有機(jī)物進(jìn)行好氧發(fā)酵時(shí)伴隨著代謝熱的產(chǎn)生，如果能將大量的代謝熱收集作為蒸發(fā)廢水的驅(qū)動(dòng)力，則可以減少蒸發(fā)能耗。因此，對高濃度有機(jī)廢水，若能利用其蘊(yùn)含的潛在生物能來蒸發(fā)廢水中的水分，同時(shí)去除了廢水中的污染物質(zhì)，則可以實(shí)現(xiàn)高濃度有機(jī)廢水低能耗且高效的“零排放”處理。在這樣的技術(shù)背景下，生物蒸發(fā)新技術(shù)被提出并被證明可行。筆者總結(jié)和分析了生物蒸發(fā)的技術(shù)要領(lǐng)，并對生物蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期為高濃度有機(jī)廢水生物蒸發(fā)處理技術(shù)的發(fā)展提供參考。
1生物蒸發(fā)概述
1.1定義及原理
生物蒸發(fā)是利用高濃度有機(jī)廢水中潛在的生物能為蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)力蒸發(fā)處理高濃度有機(jī)廢水的一項(xiàng)新技術(shù)。雖然早有研究者利用生物能處理過相應(yīng)的廢水，如陳立平等早在2000年研究了利用生物能蒸發(fā)處理糖蜜酒精廢液，但生物蒸發(fā)的準(zhǔn)確定義一直沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。直到2013年由BenqinYang等正式提出并定義了生物蒸發(fā)：即利用高濃度有機(jī)廢水本身所具有的有機(jī)物微生物好氧降解產(chǎn)生的熱量為驅(qū)動(dòng)力，使廢水中的水分汽化，并配合通風(fēng)形成的傳質(zhì)條件，使蒸汽進(jìn)入氣相主體而散發(fā)，從而達(dá)到利用高濃度有機(jī)廢水自身蘊(yùn)含的生物能量實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和水分的同步去除。
生物蒸發(fā)過程與好氧堆肥和生物干化原理類似，主要機(jī)制是對流蒸發(fā)，蒸發(fā)的熱量完全來自生物能，對流由通風(fēng)產(chǎn)生。高濃度有機(jī)廢水生物蒸發(fā)機(jī)理如圖1所示。
圖1高濃度有機(jī)廢水生物蒸發(fā)機(jī)理
生物蒸發(fā)膨脹劑和微生物載體由大量的載體顆粒及空隙組成。當(dāng)向膨脹劑和微生物載體引入高濃度有機(jī)廢水時(shí)，堆體存在于固-液-氣三相混合介質(zhì)中，包含水、惰性物質(zhì)、難溶物質(zhì)、可溶性物質(zhì)以及微生物。在該介質(zhì)中，空隙可以減小氧氣傳質(zhì)阻力從而形成良好的通風(fēng)效果，使堆體處于有氧狀態(tài)。微生物利用介質(zhì)中的溶解性有機(jī)質(zhì)進(jìn)行好氧發(fā)酵，該過程在滿足微生物自身生長繁殖的同時(shí)釋放大量的代謝熱。隨著堆體內(nèi)有機(jī)質(zhì)底物濃度增加，微生物活性增強(qiáng)，耗氧速率增加，代謝熱釋放量也增加。代謝熱在堆體內(nèi)積累形成高溫，可達(dá)70℃。堆體內(nèi)水分受熱汽化，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，被汽化的水分子通過自由擴(kuò)散和強(qiáng)制對流進(jìn)入堆體中的空隙，并由氣流帶出堆體。由于生物蒸發(fā)所需熱量來自于廢水中有機(jī)物的降解，不需外加熱源，所以生物蒸發(fā)是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的高濃度有機(jī)廢水處理技術(shù)。
1.2污染物濃度與水分去除的關(guān)系
在生物蒸發(fā)過程中，微生物代謝熱釋放量和水分的去除率與有機(jī)質(zhì)底物濃度正相關(guān)，當(dāng)廢水中的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定量時(shí)才能實(shí)現(xiàn)水分和污染物質(zhì)的同步去除。如表1所示，BenqinYang等利用不同濃度葡萄糖溶液從理論上模擬出葡萄糖濃度與熱量釋放和水分蒸發(fā)的線性關(guān)系。葡萄糖濃度跟水分去除率成正相關(guān)，這是因?yàn)檩^高濃度的葡萄糖溶液會產(chǎn)生大量的代謝熱。當(dāng)葡萄糖溶液中揮發(fā)性固體(volatilesolid，VS)質(zhì)量濃度為200g/L時(shí)，1L葡萄糖溶液會產(chǎn)生3129kJ的代謝熱，并由此蒸發(fā)869g的水，而1L葡萄糖溶液中含有855g水，所以葡萄糖溶液中包含的幾乎所有的水分都可通過代謝熱蒸發(fā)去除。
表1不同濃度葡萄糖產(chǎn)生的熱量和水分蒸發(fā)的理論計(jì)算
在理論值驗(yàn)證和實(shí)際處理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，將不同濃度的葡萄糖溶液和不同濃度的餐廚垃圾加入到生物干化污泥床進(jìn)行生物蒸發(fā)處理，結(jié)果表明，代謝熱產(chǎn)生及水分去除與葡萄糖溶液濃度和餐廚垃圾濃度相關(guān)，隨著葡萄糖溶液濃度和餐廚垃圾濃度的增加，堆體溫度增加的更快更高，且高溫階段也維持的更久，更多水分被去除。當(dāng)葡萄糖溶液和餐廚垃圾中的VS質(zhì)量濃度為120g/L時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)葡萄糖溶液和餐廚垃圾中水分和可生物降解揮發(fā)性固體(biodegradablevolatilesolid，BVS)的全部去除。這是因?yàn)樯锔苫勰鄡?nèi)含有部分BVS，這部分BVS在生物蒸發(fā)過程中與葡萄糖溶液和餐廚垃圾中的BVS共同產(chǎn)生代謝熱蒸發(fā)廢水。
1.3生物蒸發(fā)膨脹劑和微生物載體
由于高濃度有機(jī)廢水的高水分會阻礙氧氣傳質(zhì)，且缺少用于生物蒸發(fā)的微生物，因此在生物蒸發(fā)過程中應(yīng)用膨脹劑和微生物載體至關(guān)重要。膨脹劑和微生物載體在生物蒸發(fā)過程中的作用機(jī)理如圖2所示。
(M/O：微生物)圖2膨脹劑和微生物載體在生物蒸發(fā)過程中的作用機(jī)理
膨脹劑和微生物載體的吸水性可維持其一定的濕度以保證自身微生物代謝活動(dòng)的進(jìn)行;另外，其豐富的微孔結(jié)構(gòu)和龐大的比表面積可使高濃度有機(jī)廢水在其表面形成的液膜不至于太厚而影響氧氣的傳質(zhì)。廢水可迅速滲入微生物載體內(nèi)部并在其表面形成一層液膜，廢水中溶解性有機(jī)質(zhì)為微生物載體中的微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，在良好的通風(fēng)環(huán)境下微生物被刺激生長，使微生物的總數(shù)逐級上升，產(chǎn)生的代謝熱也不斷增加并逐漸積累，從而實(shí)現(xiàn)水分的蒸發(fā)去除。目前應(yīng)用的生物蒸發(fā)膨脹劑和微生物載體有生物干化污泥和生物膜海綿，二者都具有多孔、比表面積大、吸水和滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，在生物蒸發(fā)過程中各有優(yōu)勢。
1.3.1生物干化污泥
生物干化污泥由脫水污泥(濕度80%)通過生物干化過程得到。經(jīng)過生物干化過程脫水污泥內(nèi)部的自由水或毛細(xì)水、結(jié)合水等被去除，生物干化污泥具有了豐富的微孔結(jié)構(gòu)、大量的自由空域，繁殖了大量高溫微生物并具備了極強(qiáng)的吸水性。在生物蒸發(fā)過程中，含有大量高溫微生物的生物干化污泥為廢水提供接種微生物和結(jié)構(gòu)支持，廢水則為微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，且生物干化污泥中微生物種群結(jié)構(gòu)豐富，具有較強(qiáng)的抗擊廢水中有毒物質(zhì)的能力。由于脫水污泥內(nèi)的BVS在生物干化過程中未被完全降解，所以用生物干化污泥作生物蒸發(fā)膨脹劑和微生物載體，當(dāng)廢水中的VS質(zhì)量濃度達(dá)到120g/L時(shí)，由廢水和生物干化污泥內(nèi)的BVS產(chǎn)生的代謝熱可完全蒸發(fā)廢水中的水分。
1.3.2生物膜海綿
聚氨酯海綿價(jià)廉、質(zhì)輕(密度為28g/L)，自身無異味，孔隙率可達(dá)95%，可為微生物的棲息生長提供足夠大的比表面積。而且其性質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無生物毒性，耐老化，可進(jìn)行回收和重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)對廢水的長期連續(xù)處理。
在用生物膜海綿作膨脹劑和微生物載體時(shí)，首先需將聚氨酯海綿掛膜培養(yǎng)形成生物膜海綿。將絞碎的聚氨酯海綿放入接種有活性污泥且有曝氣的合成廢水中，水中的懸浮物及微生物被吸附于聚氨酯海綿表面上，微生物利用有機(jī)底物生長繁殖，逐漸在海綿表面形成一層黏液狀的生物膜(EPS和菌體)。這層生物膜具有生化活性，又進(jìn)一步吸附、分解廢水中的有機(jī)物。將附著生物膜的海綿水分?jǐn)D干，便可將其作為生物蒸發(fā)的膨脹劑和微生物載體。但生物膜海綿自身無BVS，在生物蒸發(fā)過程中對高濃度有機(jī)廢水沒有碳源補(bǔ)充，因此在用生物膜海綿作膨脹劑和微生物載體處理廢水時(shí)要求廢水中的VS質(zhì)量濃度達(dá)到200g/L。
1.4生物蒸發(fā)與好氧堆肥、生物干化
與生物蒸發(fā)相比較，好氧堆肥和生物干化也有去除物料水分和降解有機(jī)物的作用，且三者原理都是利用生物能，運(yùn)行機(jī)理有很大的相似之處，但實(shí)際應(yīng)用中三者在工藝目的和工藝參數(shù)方面有很大區(qū)別。表2是生物蒸發(fā)、好氧堆肥及生物干化3種工藝的比較。
表2生物蒸發(fā)、好氧堆肥及生物干化的比較
好氧堆肥的主要目的是固廢的資源化和無害化，通過好氧發(fā)酵將固體廢物中的有機(jī)物質(zhì)向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，殺死病原體和寄生蟲卵，鈍化重金屬，生成成熟穩(wěn)定、滿足土地安全施用標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)肥，此外穩(wěn)定后的市政固體廢物可減少土地填埋處理過程中滲濾液和填埋氣體的產(chǎn)生;生物干化旨在最短停留時(shí)間內(nèi)對廢物進(jìn)行預(yù)處理，通過去除物料水分提高能量密度，且保留大部分有機(jī)質(zhì)的化學(xué)氧化總熱值，以增加固廢回收燃料(SRF)熱值，同時(shí)廢物的減容減量也利于短期的儲存和運(yùn)輸。相比好氧堆肥和生物干化，生物蒸發(fā)作為高濃度有機(jī)廢水處理的一項(xiàng)新技術(shù)，屬于水處理范疇，其主要目的是在去除廢水中水分的同時(shí)削減廢水中的污染物質(zhì)，蒸發(fā)后剩余的添加劑可以循環(huán)作為膨脹劑和微生物載體。
2生物蒸發(fā)影響因素
生物蒸發(fā)過程主要受曝氣量、初始含水率和有機(jī)負(fù)荷3個(gè)因素的影響，這3個(gè)因素決定了微生物能量釋放速率和代謝熱的利用效率。生物蒸發(fā)過程的主要目的是去除水分和污染物質(zhì)，可以通過控制以上3個(gè)影響因素來提高處理效率。
2.1曝氣量
曝氣量是影響堆體溫度和水分去除的重要因素，其作用主要是提供氧氣和形成對流帶走水蒸氣及微生物代謝氣體。
微生物的好氧代謝和厭氧代謝所釋放的能量差別較大，1mol葡萄糖好氧降解產(chǎn)生38molATP，而厭氧代謝僅為2molATP。在生物蒸發(fā)過程中，過低的曝氣量會產(chǎn)生厭氧狀態(tài)，降低好氧微生物的活性，微生物代謝熱的產(chǎn)生也隨之減少;曝氣量過高，雖然好氧微生物活性較高且有利于代謝熱釋放，但微生物利用后過剩的氣流會帶走堆體內(nèi)積累的代謝熱，導(dǎo)致堆體溫度降低，不利于水分蒸發(fā)。D.Jenkins等研究發(fā)現(xiàn)，曝氣量為0.04m3/(kgTS混合物˙h)時(shí)，最高溫度較高，且最高溫度的持續(xù)時(shí)間也較長，但水分的去除率沒有曝氣量為0.09m3/(kgTS混合物˙h)時(shí)高，因?yàn)檩^低的曝氣量不能有效帶走反應(yīng)器內(nèi)被汽化的水分;當(dāng)曝氣量為0.14m3/(kgTS混合物˙h)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)溫度較低，且水分去除和揮發(fā)性固體降解效率也較低，水分去除主要靠空氣干化。低的曝氣量有利于堆體溫度的積累和可揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)的氧化，但較高的曝氣量對水分的去除更好。
生物蒸發(fā)過程曝氣量一般為0.035~0.12m3/(kgTS混合物˙h)，跟生物干化過程類似，若能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和反饋控制系統(tǒng)，控制曝氣量隨堆體反應(yīng)的不同階段而變化，則可以提高處理效率，實(shí)現(xiàn)更短的時(shí)間內(nèi)去除更多的水分。
2.2初始含水率
水分不僅能為微生物所需的可溶性營養(yǎng)物質(zhì)提供載體，而且還能為微生物反應(yīng)提供介質(zhì)，初始水分含量和水分的去除及有機(jī)物的降解有密切的聯(lián)系。
研究表明，在生物干化過程中初始水分的含量影響水分的去除，初始水分過高或過低都會使微生物的活性降低，在堆肥過程中同樣存在類似的情況。如圖3所示，在生物蒸發(fā)、生物干化和好氧堆肥的堆體固-液-氣三相介質(zhì)環(huán)境中，氣相中的氧氣穿過液膜擴(kuò)散到固相顆粒表面后被微生物好氧代謝所利用，但過高的初始水分會堵塞物料中的微小空隙，使液膜阻力增大，從而阻礙氧氣的傳遞，導(dǎo)致厭氧環(huán)境的出現(xiàn)，不利于好氧微生物生長;過低的初始水分則會導(dǎo)致微生物缺少生命活動(dòng)必要的水分而使代謝減緩;而適當(dāng)?shù)某跏妓挚墒苟洋w空隙較大，不但減小了氧氣在液相傳質(zhì)的阻力還增加了物料固-氣界面面積，界面面積和物料外表面面積的增加一方面使得固-氣質(zhì)量傳遞效率增大，另一方面增強(qiáng)了被汽化的水分的去除。所以，一個(gè)適合的初始水分應(yīng)能充分滿足微生物正常的生長代謝，但又不因過高的水分而減少自由空域。
圖3生物蒸發(fā)膨脹劑和微生物載體顆粒示意
生物蒸發(fā)過程中用生物干化污泥作膨脹劑和微生物載體時(shí)初始含水率為45%~65%，用生物膜海綿作膨脹劑和微生物載體時(shí)初始含水率為75%~85%;處理不同廢水時(shí)，最佳初始含水率需通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)得出。
2.3有機(jī)負(fù)荷
生物蒸發(fā)有機(jī)負(fù)荷是指單位膨脹劑和微生物載體在單位時(shí)間所能夠接受，并將其降解到預(yù)定程度的可生物降解有機(jī)物的量。有機(jī)負(fù)荷反映了生化水處理過程的能量水平。
微生物的生長階段由有機(jī)物基質(zhì)和微生物的量決定，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，短時(shí)間內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)和生長模式會發(fā)生明顯變化，而生物蒸發(fā)過程的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)力完全來自代謝熱，微生物的群落結(jié)構(gòu)和生長模式發(fā)生改變會影響微生物利用基質(zhì)進(jìn)行新陳代謝，從而影響水分的蒸發(fā)效率，所以對生物蒸發(fā)的有機(jī)負(fù)荷需要嚴(yán)格控制。此外，高濃度有機(jī)廢水含水較高，如餐廚垃圾含水率達(dá)75%，過多的廢水加入到反應(yīng)堆體內(nèi)一方面會增加膨脹劑和微生物載體的有機(jī)負(fù)荷，影響微生物生長模式，另一方面造成大量的水分進(jìn)入堆體，同時(shí)在微生物代謝過程中會產(chǎn)生代謝水，這部分水的質(zhì)量被估算為可生物降解有機(jī)物質(zhì)量的70%，過高的水分的存在又會阻礙氧氣在堆體介質(zhì)中的傳遞，從而影響生物蒸發(fā)效率。因此，一個(gè)適宜的有機(jī)負(fù)荷對生物蒸發(fā)過程很重要。生物蒸發(fā)過程的有機(jī)負(fù)荷相對較低，一般為0.04~0.12kgVS/kgTS。
3生物蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用及展望
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化程度的提高，工業(yè)廢水排放量及污染物種類將不斷增多。在提倡可持續(xù)發(fā)展和水資源短缺的今天，社會對環(huán)境的要求也將越來越高，這就給高濃度有機(jī)廢水的處理提出了新的挑戰(zhàn)，生物蒸發(fā)技術(shù)的提出對高濃度有機(jī)廢水的處理是一個(gè)革命性的突破。
目前有關(guān)生物蒸發(fā)技術(shù)的研究大多停留在宏觀效應(yīng)上，其過程機(jī)理及生物特性鮮有涉及。此外，2個(gè)關(guān)鍵因素制約了生物蒸發(fā)技術(shù)的推廣運(yùn)用：(1)有機(jī)負(fù)荷較低;(2)對廢水有機(jī)質(zhì)含量要求較高。雖然目前生物蒸發(fā)技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，但最終該技術(shù)的推廣運(yùn)用將在反應(yīng)設(shè)備上體現(xiàn)，針對生物蒸發(fā)有機(jī)負(fù)荷低的缺點(diǎn)，可以通過運(yùn)行連續(xù)進(jìn)料反應(yīng)器克服，避免出現(xiàn)批式處理中的升溫階段和降溫階段，通過控制運(yùn)行參數(shù)使生物蒸發(fā)持續(xù)處于最佳狀態(tài)，最大限度提高處理效率。
生物蒸發(fā)對廢水有機(jī)質(zhì)含量的要求較為嚴(yán)格，要求廢水COD高于120g/L，因此解決廢水碳源不足是生物蒸發(fā)技術(shù)得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。筆者總結(jié)認(rèn)為，可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)高濃度有機(jī)廢水的生物蒸發(fā)處理：(1)將原液與更高濃度的有機(jī)廢水混合。例如可以與COD高達(dá)200~300g/L的餐廚垃圾混合后再經(jīng)生物蒸發(fā)處理。(2)處理濃縮液。膜分離技術(shù)、蒸汽壓縮蒸發(fā)技術(shù)等會產(chǎn)生濃度較高的濃縮液，該類濃縮液目前無較經(jīng)濟(jì)有效的處理方法，而這類廢水正是生物蒸發(fā)處理的對象。(3)余熱補(bǔ)充。當(dāng)微生物好氧代謝產(chǎn)生的代謝熱不足以完全蒸發(fā)水分時(shí)，可以利用其他熱裝置的余熱做代謝熱的補(bǔ)充，例如將蒸汽壓縮蒸發(fā)裝置的清水和濃縮液的潛熱跟代謝熱一起作為蒸發(fā)水分的驅(qū)動(dòng)力。
目前對于生物蒸發(fā)的理論研究尚未成熟，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際推廣應(yīng)用，需要對其過程機(jī)理和生物特性進(jìn)行全面研究分析，以指導(dǎo)生物蒸發(fā)過程的條件優(yōu)化及過程控制。同時(shí)對于以上2個(gè)關(guān)鍵問題的解決方法有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。隨著生物蒸發(fā)研究領(lǐng)域的日漸成熟，該技術(shù)在高濃度有機(jī)廢水的處理中將會有良好的應(yīng)用前景。
