市政污水主要包括城市居民、服务业、商业场所及城市公共设施等生活污水和各类工厂生产过程中排放的废水, 其来源多、成分复杂、氮磷含量高、各类有机物比重较大[1]。各类废水若不经处理直接排入自然水体或城市主干水源, 会造成严重污染, 引发“水华”等现象, 对水体生态系统造成破坏。随着人们环保意识的增强、水资源危机感的增加, 要求市政废水排放前必须进行脱氮除磷处理, 达到2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GBl8918.2002) [2]。
目前用于市政污水的处理方法主要有物理的、化学的和生物的方法。物理法包括萃取法、吸附法、液膜分离技术等, 化学法包括催化氧化法、水解法、微电解法等, 生物法有活性污泥法、生物膜法、流化床、曝气法、高效降解菌法等[3]。目前多采用生物法设计、构建成生物反应器对市政污水进行处理。
1 市政污水处理的生物反应器
目前用于市政污水处理的生物反应器有活性污泥生物反应器、膜生物反应器、流化床式生物反应器三大类。
1.1 活性污泥生物反应器
又可分为AB (Anaerobic/Oxic的简称) 法生物反应器、氧化沟生物反应器、间歇式活性污泥法 (SBR) 生物反应器3种。
1.1.1 AB法生物反应器
A B法生物反应器是由以生物絮凝吸附作用为主、发生不完全氧化反应的高负荷A段和泥龄较长、负荷较低的B段组成的一类生物反应器[4]。该反应器通过活性污泥聚集各种微生物进行有效的废水处理, 系统稳定、负荷能力强、耐冲击, 但是, 脱氮除磷要求高时, B段曝气池由于进水水样的碳氮比偏低, 不能有效地脱氮除磷, 污泥产率高, 从而对污泥的最终稳定化处置具有较大压力[1]。
1.1.2 氧化沟生物反应器
氧化沟生物反应器是由好氧区、缺氧区、厌氧区等几个功能结构组成的一类利于生物脱氮除磷的生物反应器。氧化沟工艺简单、能耗低、运行稳定、耐冲击, 污染物去除效果好、出水水质好, 有着广泛的应用前景[5]。但是, 该工艺泥龄较长, 活性污泥剩余量少, 不能有效地通过排泥去磷, 所以经常辅以一定的物化方法除磷。目前国内外成熟、高效的脱氮除磷的氧化沟工艺有奥贝尔 (Orba) 氧化沟、卡鲁塞尔 (Carrouse) 氧化沟、双沟式氧化沟和一体化氧化沟等。
1.1.3 间歇式活性污泥法 (SBR) 生物反应器
间歇式活性污泥法 (SBR) 又称为序批式活性污泥法, SBR生物反应器是由调节池、曝气池、沉淀池有机结合的污水处理设备。它具有脱氮除磷效果显著、运行方式灵活简单、耐冲击负荷强、沉淀效果好、费用低等特点, 已被各国广泛应用[6]。
Alkhafaji R.Abood等采用SBR生物反应器处理武汉江夏长山口垃圾场污水, 该污水固体悬浮物浓度、COD、BOD、NH3-N等都较高。该工艺中先添加活性炭进行搅拌, 再调节p H至11.5, 添加Fe2 (SO4) 3、0.1%的聚丙烯酰胺, 搅拌1 h, 静置过滤, 然后再用SBR生物反应器进行处理, 静置0.5 h→缺氧处理2.0 h→好氧处理8.0 h→缺氧处理2.0 h→静置1.0 h→排污0.5 h, 处理后的废水, COD、BOD、NH3-N的去除率分别达到了95.5%、93.3%、98.1%, 出水水质良好, 达到国家排放标准 (GB16889-2008) [7]。
1.2 膜生物反应器
膜生物反应器是将生物膜技术和活性污泥法进行有机结合来进行废水处理的一类生物反应器, 有外置式和浸没式2种最基本的形式。膜生物反应器结构简单、操作简单、占地面积小、耐冲击负荷强、处理效率高、污泥产量低, 但膜污染是制约其实际应用不可忽视的问题。近年来有不少学者探究出一些的方法来缓解膜污染问题, 但很难彻底解决[8]。
高大文等采用综合厌氧的三相流化床-膜生物反应器, 对哈尔滨生活废水进行处理。整个反应器是一个容积为7.6 L、厚8 mm的有机玻璃圆柱形容器, 反应区通过3根长度、直径均不相同的圆管和孔径为0.4μm、面积为0.19 m2的纤维膜设计出了厌氧流化床、厌氧膜、厌氧流化床-膜3种不同的生物反应器。在温度35℃、废水p H调至7.5的条件下, 使废水在3种不同的生物反应器中分别运行160 d, 每隔2 d取样检测废水中的COD含量, 结果表明:厌氧流化床-膜生物反应器的COD去除率最高[9]。
1.3 流化床式生物反应器
流化床式生物反应器是采用气体或者液体使反应器内的固体颗粒呈流态化, 从而大大增强了物质的传质、传热过程来进行废水处理的一类生物反应器。流化床式生物反应器结构紧凑、合理, 处理效率显著提高, 在污水处理领域备受关注。但是, 流化床能耗大, 具有生物相容性载体使用寿命短、高效微生物种群的选择等问题, 成为阻碍其实用化、工业化的关键因素[10]。
印度研究者V.Sivasubramanian和K.Haribabu采用逆三相流化床生物反应器处理模拟废水。反应器是在直径为10 cm、高180 cm、厚0.3 cm的圆柱形有机玻璃容器中进行的, 由液体分配、液体反应和液体放泻3部分组成。在流化床反应区高度为80 cm、模拟废水流速为10~80 m L/min、气体浓度为2 g/L、气体流速为0.00212 m/s、水力停留时间为40 h的情况下, 废水处理效果最佳, COD的去除率达到97.5%[11]。
2 生物反应器在市政污水处理中的应用研究展望
虽然目前各种生物反应器在实验室能够很好地处理各种来源的污水, 但是, 应用到实际中去处理市政污水, 能耗大、系统运行不稳定、寿命短、易造成污染等很多因素制约着生物反应器的推广。随着我国工业的大力发展、人民生活水平的提高, 市政污水的排放量逐步提高, 迫切地需要高效、安全、合理、廉价的生物反应器处理废水技术。
因此, 宜采用物理、化学方法预处理废水, 再用生物反应器深度处理;也可以将不同生物反应器组合联用用于污水处理, 这种组合工艺能有效地弥补单一反应器的工艺单一、系统不稳定、处理能力低、效果差等问题。由于市政污水具有成分复杂、变化大、废水处理量大等特点, 所以, 真正适用于工业化规模的废水处理生物反应器技术研究任重而道远。
摘要：生物反应器是指在适宜条件下, 利用生物体所具有的生物功能, 通过自身的代谢等生化反应来获得目标产物的设备。对用于市政污水脱氮除磷处理的生物反应器的种类、特点、处理效果、适用范围, 生物反应器在污水处理中的应用前景进行了综述。
关键词：生物反应器,市政污水处理,脱氮除磷
参考文献
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[8] 刘璐, 李慧强.基于不同内部构型特点的厌氧膜生物反应器中膜污染控制方法[J].环境科技, 2015 (2) :72-75.
[9] Da-Wen Gao, Qi Hu, Chen Yao, et al.Integrated anaerobic fluidized-bed membrane bioreactor for domwestic wastewater treatment[J].Chemical Engineering Journal, 2014, 240:362-368.
[10] 葛杰, 宋永会.流化床工艺在水处理中的应用研究进展[J].环境工程技术学报, 2014 (1) :46-51.
[11] V.Sivasubramanian, K.Haribabu.Treatment of Wastewater in Fluidized Bed Bioreactor Using Low Density Biosupport[J].Science Direct, 2014, 50 (50) :214-221.