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江南,高浓度有机废水生物蒸发处理技术及展望 堆体存在于固-液-气三相混合介质中，包含水、惰性物质、难溶物质、可溶性物质以及微生物。在该介质中，空隙可以减小氧气传质阻力从而形成良好的通风效果，使堆体
时间：2024-08-03
焦点提醒：高浓度无机废水生物蒸发处置手艺和瞻望 堆体具有在固-液-气三相夹杂介质中，包括水、惰性物资、难溶物资、可溶性物资和微生物。在该介质中，空地能够减小氧气传质阻力从而构成杰出的透风结果，使堆体处在有氧状况 
食物、发酵、化工、造纸、制革等行业排出的高浓度无机废水具有污染物含量高、风险严峻、处置工艺复杂、投资运转本钱高档特点，其管理一向是情况范畴的困难。对高浓度无机废水，活性污泥法因曝气致使运转本钱较高，且氧气在高浓度废水中传质受限，使得COD去除率和容积负荷率都较低;固然厌氧消化被普遍利用在高浓度无机废水的处置，但其启动和处置时候长，产甲烷菌对四周情况转变敏感，出水中残余的BOD、SS或还原性物资等仍很高，需采纳后续处置办法。跟着膜过滤手艺被利用到情况范畴，能够斟酌用膜过滤截留高浓度无机废水中的污染物资。但在现实利用中，如纳滤仍具有一些问题：膜污染，浓缩液二次处置，膜材料耐化学性限制等。是以，亟待研究开辟新的经济有用的高浓度无机废水处置工艺。
一些蒸发手艺被用来处置高浓度无机含盐废水，如多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)，但这些蒸发手艺需要外加热源供给蒸发驱动力，致使处置进程能耗高。微生物在操纵无机物进行好氧发酵时陪伴着代谢热的发生，假如能将年夜量的代谢热搜集作为蒸发废水的驱动力，则能够削减蒸发能耗。是以，对高浓度无机废水，若能操纵其包含的潜伏生物能来蒸发废水中的水份，同时去除废水中的污染物资，则能够实现高浓度无机废水低能耗且高效的“零排放”处置。在如许的手艺布景下，生物蒸发新手艺被提出并被证实可行。笔者总结和阐发了生物蒸发的手艺方法，并对生物蒸发手艺的利用前景进行了瞻望，以期为高浓度无机废水生物蒸发处置手艺的成长供给参考。
1生物蒸发概述
1.1界说和道理
生物蒸发是操纵高浓度无机废水中潜伏的生物能为蒸发驱动力蒸发处置高浓度无机废水的一项新手艺。固然早有研究者操纵生物能处置过响应的废水，如陈立同等早在2000年研究了操纵生物能蒸发处置糖蜜酒精废液，但生物蒸发的正确界说一向没有相干文献报导。直到2013年由BenqinYang等正式提出并界说了生物蒸发：即操纵高浓度无机废水自己所具有的无机物微生物好氧降解发生的热量为驱动力，使废水中的水份汽化，并共同透风构成的传质前提，使蒸汽进入气相主体而披发，从而到达操纵高浓度无机废水本身包含的生物能量实现无机物和水份的同步去除。
生物蒸发进程与好氧堆肥和生物干化道理近似，首要机制是对流蒸发，蒸发的热量完全来自生物能，对流由透风发生。高浓度无机废水生物蒸发机理如图1所示。
图1高浓度无机废水生物蒸发机理
生物蒸发膨胀剂和微生物载体由年夜量的载体颗粒和空地构成。当向膨胀剂和微生物载体引入高浓度无机废水时，堆体具有在固-液-气三相夹杂介质中，包括水、惰性物资、难溶物资、可溶性物资和微生物。在该介质中，空地能够减小氧气传质阻力从而构成杰出的透风结果，使堆体处在有氧状况。微生物操纵介质中的消融性无机质进行好氧发酵，该进程在知足微生物本身发展滋生的同时释放年夜量的代谢热。跟着堆体内无机质底物浓度增添，微生物活性加强，耗氧速度增添，代谢热释放量也增添。代谢热在堆体内堆集构成高温，可达70℃。堆体内水份受热汽化，由液态转化为气态，被汽化的水份子经由过程自在分散和强迫对流进入堆体中的空地，并由气流带出堆体。因为生物蒸发所需热量来自在废水中无机物的降解，不需外加热源，所以生物蒸发是一项经济、节能、环保的高浓度无机废水处置手艺。
1.2污染物浓度与水份去除的关系
在生物蒸发进程中，微生物代谢热释放量和水份的去除率与无机质底物浓度正相干，当废水中的无机质含量到达必然量时才能实现水份和污染物资的同步去除。如表1所示，BenqinYang等操纵分歧浓度葡萄糖溶液从理论上摹拟出葡萄糖浓度与热量释放和水份蒸发的线性关系。葡萄糖浓度跟水份去除率成正相干，这是由于较高浓度的葡萄糖溶液会发生年夜量的代谢热。当葡萄糖溶液中挥发性固体(volatilesolid，VS)质量浓度为200g/L时，1L葡萄糖溶液会发生3129kJ的代谢热，并由此蒸发869g的水，而1L葡萄糖溶液中含有855g水，所以葡萄糖溶液中包括的几近所有的水份都可经由过程代谢热蒸发去除。
表1分歧浓度葡萄糖发生的热量和水份蒸发的理论计较
在理论值验证和现实处置验证明验中，将分歧浓度的葡萄糖溶液和分歧浓度的餐厨垃圾插手到生物干化污泥床进行生物蒸发处置，成果注解，代谢热发生和水份去除与葡萄糖溶液浓度和餐厨垃圾浓度相干，跟着葡萄糖溶液浓度和餐厨垃圾浓度的增添，堆体温度增添的更快更高，且高温阶段也保持的更久，更多水份被去除。当葡萄糖溶液和餐厨垃圾中的VS质量浓度为120g/L时，便可以实现葡萄糖溶液和餐厨垃圾中水份和可生物降解挥发性固体(biodegradablevolatilesolid，BVS)的全数去除。这是由于生物干化污泥内含有部门BVS，这部门BVS在生物蒸发进程中与葡萄糖溶液和餐厨垃圾中的BVS配合发生代谢热蒸发废水。
1.3生物蒸发膨胀剂和微生物载体
因为高浓度无机废水的高水份会障碍氧气传质，且贫乏用在生物蒸发的微生物，是以在生物蒸发进程中利用膨胀剂和微生物载体相当主要。膨胀剂和微生物载体在生物蒸发进程中的感化机理如图2所示。
(M/O：微生物)图2膨胀剂和微生物载体在生物蒸发进程中的感化机理
膨胀剂和微生物载体的吸水性可保持其必然的湿度以包管本身微生物代谢勾当的进行;别的，其丰硕的微孔布局和重大的比概况积可以使高浓度无机废水在其概况构成的液膜不至在太厚而影响氧气的传质。废水可敏捷渗透微生物载体内部并在其概况构成一层液膜，废水中消融性无机质为微生物载体中的微生物供给足够的养分物资，在杰出的透风情况下微生物被刺激发展，使微生物的总数逐级上升，发生的代谢热也不竭增添并逐步堆集，从而实现水份的蒸发去除。今朝利用的生物蒸发膨胀剂和微生物载体有生物干化污泥和生物膜海绵，两者都具有多孔、比概况积年夜、吸水和渗入性强的特点，在生物蒸发进程中各有劣势。
1.3.1生物干化污泥
生物干化污泥由脱水污泥(湿度80%)经由过程生物干化进程获得。颠末生物干化进程脱水污泥内部的自在水或毛细水、连系水等被去除，生物干化污泥具有了丰硕的微孔布局、年夜量的自在空域，滋生了年夜量高温微生物并具有了极强的吸水性。在生物蒸发进程中，含有年夜量高温微生物的生物干化污泥为废水供给接种微生物和布局撑持，废水则为微生物供给养分物资，且生物干化污泥中微生物种群布局丰硕，具有较强的抗击废水中有毒物资的能力。因为脱水污泥内的BVS在生物干化进程中未被完全降解，所以用生物干化污泥作生物蒸发膨胀剂和微生物载体，当废水中的VS质量浓度到达120g/L时，由废水和生物干化污泥内的BVS发生的代谢热可完全蒸发废水中的水份。
1.3.2生物膜海绵
聚氨酯海绵价廉、质轻(密度为28g/L)，本身无异味，孔隙率可达95%，可为微生物的歇息发展供给足够年夜的比概况积。并且其性质布局不变，无生物毒性，耐老化，可进行收受接管和反复操纵，实现对废水的持久持续处置。
在用生物膜海绵作膨胀剂和微生物载体时，起首需将聚氨酯海绵挂膜培育构成生物膜海绵。将绞碎的聚氨酯海绵放入接种有活性污泥且有曝气的合成废水中，水中的悬浮物和微生物被吸附在聚氨酯海绵概况上，微生物操纵无机底物发展滋生，逐步在海绵概况构成一层粘液状的生物膜(EPS和菌体)。这层生物膜具有生化活性，又进一步吸附、分化废水中的无机物。将附着生物膜的海绵水份挤干，即可将其作为生物蒸发的膨胀剂和微生物载体。但生物膜海绵本身无BVS，在生物蒸发进程中对高浓度无机废水没有碳源弥补，是以在用生物膜海绵作膨胀剂和微生物载体处置废水时要求废水中的VS质量浓度到达200g/L。
1.4生物蒸发与好氧堆肥、生物干化
与生物蒸发比拟较，好氧堆肥和生物干化也有去除物料水份和降解无机物的感化，且三者道理都是操纵生物能，运转机理有很年夜的类似的地方，但现实利用中三者在工艺目标和工艺参数方面有很年夜区分。表2是生物蒸发、好氧堆肥和生物干化3种工艺的比力。
表2生物蒸发、好氧堆肥和生物干化的比力
好氧堆肥的首要目标是固废的资本化和无害化，经由过程好氧发酵将固体废料中的无机物资向不变的腐殖质转化，杀死病原体和寄生虫卵，钝化重金属，生成成熟不变、知足地盘平安施用尺度的无机肥，另外不变后的市政固体废料可削减地盘填埋处置进程中渗滤液和填埋气体的发生;生物干化旨在最短逗留时候内对废料进行预处置，经由过程去除物料水份提高能量密度，且保存年夜部门无机质的化学氧化总热值，以增添固废收受接管燃料(SRF)热值，同时废料的减容减量也利在短时间的贮存和运输。比拟好氧堆肥和生物干化，生物蒸爆发为高浓度无机废水处置的一项新手艺，属在水处置范围，其首要目标是在去除废水中水份的同时削减废水中的污染物资，蒸发后残剩的添加剂能够轮回作为膨胀剂和微生物载体。
2生物蒸发影响身分
生物蒸发进程首要受曝气量、初始含水率和无机负荷3个身分的影响，这3个身分决议了微生物能量释放速度和代谢热的操纵效力。生物蒸发进程的首要目标是去除水份和污染物资，能够经由过程节制以上3个影响身分来提高处置效力。
2.1曝气量
曝气量是影响堆体温度和水份去除的主要身分，其感化首要是供给氧气和构成对流带走水蒸气和微生物代谢气体。
微生物的好氧代谢和厌氧代谢所释放的能量不同较年夜，1mol葡萄糖好氧降解发生38molATP，而厌氧代谢仅为2molATP。在生物蒸发进程中，太低的曝气量会发生厌氧状况，下降好氧微生物的活性，微生物代谢热的发生也随之削减;曝气量太高，固然好氧微生物活性较高且有益在代谢热释放，但微生物操纵后多余的气流会带走堆体内堆集的代谢热，致使堆体温度下降，晦气在水份蒸发。D.Jenkins等����APP研究发觉，曝气量为0.04m3/(kgTS夹杂物˙h)时，最高温度较高，且最高温度的延续时候也较长，但水份的去除率没有曝气量为0.09m3/(kgTS夹杂物˙h)时高，由于较低的曝气量不克不及有用带走反映器内被汽化的水份;当曝气量为0.14m3/(kgTS夹杂物˙h)时，反映器内温度较低，且水份去除和挥发性固体降解效力也较低，水份去除首要靠空气干化。低的曝气量有益在堆体温度的堆集和可挥发性无机质的氧化，但较高的曝气量对水份的去除更好。
生物蒸发进程曝气量通常是0.035~0.12m3/(kgTS夹杂物˙h)，跟生物干化进程近似，若能及时在线监测和反馈节制系统，节制曝气量随堆体反映的分歧阶段而转变，则能够提高处置效力，实现更短的时候内去除更多的水份。
2.2初始含水率
水份不但能为微生物所需的可溶性养分物资供给载体，并且还能为微生物反映供给介质，初始水份含量和水份的去除和无机物的降解有紧密亲密的联系。
研究注解，在生物干化进程中初始水份的含量影响水份的去除，初始水份太高或太低城市使微生物的活性下降，在堆肥进程中一样具有近似的环境。如图3所示，在生物蒸发、生物干化和洽氧堆肥的堆体固-液-气三相介质情况中，气相中的氧气穿过液膜分散到固相颗粒概况后被微生物好氧代谢所操纵，但太高的初始水份会梗塞物猜中的细小空地，使液膜阻力增年夜，从而障碍氧气的传送，致使厌氧情况的呈现，晦气在好氧微生物发展;太低的初始水份则会致使微生物贫乏生命勾当需要的水份而使代谢减缓;而恰当的初始水份可以使堆体空地较年夜，不单减小了氧气在液相传质的阻力还增添了物料固-气界面面积，界面面积和物料外概况面积的增添一方面使得固-气质量传送效力增年夜，另外一方面加强了被汽化的水份的去除。所以，一个合适的初始水份应能充实知足微生物一般的发展代谢，但又不因太高的水份而削减自在空域。
图3生物蒸发膨胀剂和微生物载体颗粒示意
生物蒸发进程顶用生物干化污泥作膨胀剂和微生物载体时初始含水率为45%~65%，用生物膜海绵作膨胀剂和微生物载体时初始含水率为75%~85%;处置分歧废水时，最好初始含水率需经由过程进一步的尝试得出。
2.3无机负荷
生物蒸发无机负荷是指单元膨胀剂和微生物载体在单元时候所可以或许接管，并将其降解到预定水平的可生物降解无机物的量。无机负荷反应了生化水处置进程的能量程度。
微生物的发展阶段由无机物基质和微生物的量决议，当无机负荷产生转变时，短时候内微生物群落布局和发展模式会产生较着转变，而生物蒸发进程的蒸发驱动力完全来自代谢热，微生物的群落布局和发展模式产生改变会影响微生物操纵基质进行新陈代谢，从而影响水份的蒸发效力，所以对生物蒸发的无机负荷需要严酷节制。另外，高浓度无机废水含水较高，如餐厨垃圾含水率达75%，过量的废水插手到反映堆体内一方面会增添膨胀剂和微生物载体的无机负荷，影响微生物发展模式，另外一方面形成年夜量的水份进入堆体，同时在微生物代谢进程中会发生代谢水，这部门水的质量被估算为可生物降解无机物资量的70%，太高的水份的具有又会障碍氧气在堆体介质中的传送，从而影响生物蒸发效力。是以，一个适合的无机负荷对生物蒸发进程很主要。生物蒸发进程的无机负荷相对较低，通常是0.04~0.12kgVS/kgTS。
3生物蒸发手艺利用和瞻望
跟着经济的成长和工业化水平的提高，工业废水排放量和污染物品种将不竭增加。在倡导可延续成长和水资本欠缺的今天，社会对情况的要求也将愈来愈高，这就给高浓度无机废水的处置提出了新的挑战，生物蒸发手艺的提出对高浓度无机废水的处置是一个革命性的冲破。
今朝相关生物蒸发手艺的研究年夜多逗留在宏不雅效应上，其进程机理和生物特征鲜有触及。另外，2个要害身分限制了生物蒸发手艺的推行应用：(1)无机负荷较低;(2)对废水无机质含量要求较高。固然今朝生物蒸发手艺还处在尝试室研发阶段，但终究该手艺的推行应用将在反映装备上表现，针对生物蒸发无机负荷低的错误谬误，能够经由过程运转持续进料反映器降服，避免呈现批式处置中的升温阶段和降温阶段，经由过程节制运转参数使生物蒸发延续处在最好状况，最年夜限度提高处置效力。
生物蒸发对废水无机质含量的要求较为严酷，要求废水COD高在120g/L，是以处理废水碳源不足是生物蒸发手艺得以推行利用的要害。笔者总结认为，能够经由过程以下方式实现高浓度无机废水的生物蒸发处置：(1)将原液与更高浓度的无机废水夹杂。例如能够与COD高达200~300g/L的餐厨垃圾夹杂后再经生物蒸发处置。(2)处置浓缩液。膜分手手艺、蒸汽紧缩蒸发手艺等会发生浓度较高的浓缩液，该类浓缩液今朝无较经济有用的处置方式，而这类废水恰是生物蒸发处置的对象。(3)余热弥补。当微生物好氧代谢发生的代谢热不足以完全蒸发水份时，能够操纵其他热装配的余热做代谢热的弥补，例如将蒸汽紧缩蒸发装配的清水和浓缩液的潜热跟代谢热一路作为蒸发水份的驱动力。
今朝对生物蒸发的理论研究还没有成熟，为了实实际际推行利用，需要对其进程机理和生物特征进行周全研究阐发，以指点生物蒸发进程的前提优化和进程节制。同时对以上2个要害问题的处理方式有待进一步研究验证。跟着生物蒸发研究范畴的日渐成熟，该手艺在高浓度无机废水的处置中将会有杰出的利用前景。
