摘要：介紹了厭氧處理工藝在處理啤酒廢水中的應用，著重分析了ABR、HABR、ASBR、UASB 等反應器的結構、運行參數等對啤酒廢水厭氧處理工藝的影響，總結了目前啤酒廢水處理中的研究成果，指明了厭氧作用在啤酒廢水處理中的可靠性及適用性，指出了單純厭氧作用的局限性，實現達標排放須與好氧作用配合，探討了厭氧技術的發(fā)展動向。

關鍵詞：厭氧技術；啤酒廢水；ABR；ASBR；UASB

啤酒廢水系其生產過程中產生的工業(yè)廢水，水質變化較大，污染物富含糖類、氨基酸、蛋白質等有機物及鉀、鈣、鎂的硅酸鹽、磷酸鹽等無機物，屬較高濃度有機廢水，可生化性好，其BOD5/COD > 0.3。啤酒廢水雖無毒，但直接排放至水體易導致水體的重度污染；有專家建議現行的啤酒廢水COD 排放標準應由100 mg·L-1 降至50 mg·L-1。因此，開發(fā)高效啤酒廢水處理技術迫在眉睫。

厭氧處理技術具有容積負荷高、污泥量少、運行效果穩(wěn)定，能耗低、可回收能源等特點；且運行管理費用相對較低，特別適合處理高濃度有機廢水，故在啤酒廢水的處理中得到了廣泛的應用。由于啤酒廢水中COD 含量較高，若單純采用好氧法處理技術，不僅占地面積大、運行費用高，而且處理效果的穩(wěn)定性差，故一般采用厭氧技術作為預處理，后接好氧工藝的聯合處理工藝。隨著新型厭氧技術的開發(fā)，啤酒廢水的厭氧處理效率將會得到進一步提升[1]。

1 厭氧技術基本原理

厭氧生物處理是指在無分子氧條件下，通過厭氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復雜有機物分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質的過程，也稱厭氧消化。最早是由Bryant 提出三階段理論：第一階段為水解與發(fā)酵，第二階段為產氫產甲烷，第三階段產甲烷。認為產甲烷菌不能直接利用長鏈脂肪酸和醇類等有機酸，這些有機物在產氫產乙酸菌作用下轉化為乙酸、H2、CO2等后，才能被產甲烷菌利用[2]。

由于厭氧生物處理過程不需要另外提供電子受體，故運行費用低；但其反應速率較慢，反應時間較長，因而，處理構筑物容積要大。新型厭氧反應器主要是通過提高反應速率和縮小反應器容積來提高處理效率的，從增加微生物菌群與反應的接觸幾率和培養(yǎng)優(yōu)勢菌群入手，通過對反應器結構的改進，增加容積效率，縮小反應器；結合微氧技術和好氧工藝，減小處理過程中廢氣排氣[2]。在工程應用中，一般采用厭氧- 好氧組合技術。

2 新型厭氧處理反應器研究開發(fā)

2.1 ABR 厭氧反應器

2.1.1新型ABR 厭氧反應器結構設計

ABR 厭氧反應器是由Mc Carty 等人提出的、源于階段式多相厭氧消化（SMPA）理論的厭氧反應器，在反應器內設置一系列垂直放置的折流擋板，污水在反應器內的流動呈上下折流運動，使有機物物質與厭氧活性污泥充分接觸而被降解除去[3-5]。雖然ABR 一度認為是SMPA 完美的杰作，引起學者們的廣泛注意，但因其結構過于簡單，使其應用存在一定的局限性。

目前，國內外學者正對ABR 反應器的結構進行技術創(chuàng)新，使其性能得到更好的發(fā)揮[6-10]。耿亞鴿等[11]在現有的ABR 研究成果的基礎上，對其結構形式設計、部件尺寸、操作條件等關鍵參數進行了詳細的技術探討。候晨雯等[12] 設計一種新型的雙層結構的ABR 反應器，實驗表明該反應器的水力特性與傳統的ABR 的水力特性相一致，總體推流程度也得到了增強，并且這種結構能有效減少反應器的死區(qū)比率，降低返混程度。不足的是，應盡量將HRT 控制在8～10 h 范圍內，不然受沖擊負荷和死區(qū)百分率都會受到影響。孫立柱等[13] 研究表明，ABR 反應器整體呈推流狀態(tài)，HRT 和進水負荷是影響ABR 反應器水力特性的主要因素。張壽通等[14]利用斜式折流板代替?zhèn)鹘y的垂直的折流板來研究ABR 反應器的研究表明，該裝置能有效防止污泥流失，且具有耐沖擊負荷強，處理效果良好等優(yōu)點。

可見，ABR 反應器的設計很大程度上依賴于實驗數據，相對而言，基礎理論研究落后于實踐。利用計算機輔助設計模擬方法研究ABR 的水力學特性，以優(yōu)化結構和確定操作條件，結合活性污泥和微生物生長的相關機理，建立數學模型，提高工程設計的可靠性，應該作為ABR 反應器研究的重要方面。

2.1.2改型ABR 反應器接種好氧污泥

厭氧反應器能否成功啟動是決定該反應器運行成敗的先決條件。因厭氧反應器啟動時間長，影響因素復雜，一般認為，啟動最佳種泥是處理同類廢水的厭氧顆粒污泥[15]。有研究者[16]研究了采用好氧活性污泥經較長時間的馴化后來啟動厭氧反應器。結果表明，處理后的出水水質優(yōu)于厭氧污泥的啟動的效果。

范榮桂等[17]研究了利用改型后的ABR 反應器處理屠宰廢水。該反應器折流板為傾斜式，傾角為45°，種泥取某廠SBR 池的好氧污泥。培養(yǎng)馴化后，投加污泥體積約為反應器有效容積的1/3。研究表明，反應器在室溫低負荷下運行約兩月能完成啟動，COD 去除率達82%，且穩(wěn)定運行；不足之處在于啟動時間還是太長。

2.1.3 ABR 反應器處理啤酒廢水研究實例

利用ABR 處理啤酒廢水大多處于實驗研究階段，在操作參數及反應器結構上作了相應的優(yōu)化；王哲曉等[18]采用有4 隔室的ABR 小試裝置結構處理某啤酒廠廢水，裝置有效容積24 L，折流板底部轉角為40°，接種污泥取自該啤酒污水處理廠消化池厭氧污泥。實驗結果表明，ABR 對中、低濃度工業(yè)廢水的COD 具有良好的去除效率。即使在負荷提升階段，HRT 縮短一半，進水濃度翻倍的情況下，出水COD 去除率也保持在86%左右；但對pH 調整和防止VFA 的積累，也是保證其穩(wěn)定運行的關鍵因素。

黃繼國等[19]對填料式ABR 處理啤酒廢水進行了研究，通過對系統的穩(wěn)定運行性能試驗，系統的二次啟動性能及與普通ABR 的對比試驗表明，水力停留時間可縮短，COD 去除率相應提高；添加填料的ABR 系統性能明顯提高；系統二次啟動達到穩(wěn)定運行時的耗時更短，有彈性的立體填料具有更高的穩(wěn)定性。

2.1.4 HABR 厭氧反應器

復合式折流板厭氧反應器(HABR)是對ABR 反應器的改進，如添加填料，優(yōu)勢在于能利用原有的無效空間增加生物總量，提高污染物的去除效率，提高運行穩(wěn)定性[20]。

張振庭等[21]采用HABR 反應器處理啤酒廢水，對厭氧污泥的接種馴化、反應系統的啟動運行、在不同影響因素下的運行研究以及和普通ABR 的對比實驗等進行了實驗研究。該HABR 實驗裝置為4 隔室，容積31.5 L，有效容積25 L，高350 mm，第一隔室不加填料，后三室內置軟性填料。實驗結果表明，處理啤酒廢水最佳水力停留時間為18～24 h，在溫度為25℃的條件下，COD 去除率最高達到75%。當HRT>18 h 時，50 以上的COD 在第一隔室被去除；當HRT<12 h，后面各隔室才能有明顯的作用；不同HTR 下，第四隔室的COD 相對去除率都較低，處理啤酒廢水，不宜超過4 隔室。環(huán)境溫度對HABR 反應器的處理效果也有一定的影響，在10 ℃左右時，處理效果明顯變差。跟普通的ABR 反應器相比，HABR 反應器無論在啟動過程和穩(wěn)定運行階段，都表現出比ABR 更好的效果。

李慧婷[22]等采用一種5 隔室HABR 處理模擬啤酒廢水，采用厭氧污泥接種，對其相分離特性進行的研究表明，反應器內的有機物是逐步降解的，各種微生物菌群能很好的協同工作，COD 去除效果明顯。在快速啟動過程中，HABR 表現出明顯的生物相選擇和分離現象。

2.2 ASBR 厭氧反應器

厭氧序批式反應器（ASBR）采用序批式進水，這與啤酒廢水間歇排放的特點相吻合。此外，ASBR反應器具有操作靈活、能夠生產顆粒污泥和克服厭氧污泥流失，且工藝具有較高的去除效率和穩(wěn)定性，在常溫下處理高中低濃度廢水等優(yōu)點而越來越引起人們的重視[23]。

吳速英等[23]在20～30 ℃條件下，研究了采用恒水位操作厭氧生物膜序批式反應器（ABSBR）處理啤酒廢水的啟動試驗。研究表明，采用混合菌種接種36 m3/h 速度進泥水等措施進行廢水處理，經25 d的培養(yǎng)馴化，COD 容積負荷可達2.84 kg/(m3·d)，去除率達到95%。

郭永福等[24]則以中等濃度啤酒廢水為水源，在低溫下研究了ASBR 反應器的快速啟動過程。試驗裝置采用內徑400 mm、高度2.0 m、有效容積為235 L的ASBR反應器。采用某污水廠的絮狀消化污泥接種，溫度在14～20℃。研究表明，采用ASBR 反應器在低溫下處理啤酒廢水快速啟動是可行的，COD 去除率也高達96%；相比UASB 處理啤酒廢水，ASBR反應器啟動時間明顯要快些；出水VFA 濃度低，間歇式攪拌方式比連續(xù)攪拌效果好，污泥粒徑大。

岳秀萍等[25]采用已形成顆粒污泥的ASBR 反應器處理啤酒廢水，采用正交試驗研究了進水COD、運行周期、進水COD/ 堿度和攪拌頻率4 個參數對COD 去除的影響。實驗表明，各因素對去除COD 的影響程度排序為進水COD> 進水COD/ 堿度> 運行周期> 攪拌頻率，且ASBR 反應器對COD 的去除率均在95%以上，出水COD 均在80 mg/L 以下。

藤朝華等[26]采用恒壓浮動蓋式ASBR 處理啤酒廢水的研究表明，在COD 容積負荷為1.5～7 kg(m3·d)、HRT 為1 d 的條件下，COD 去除率高于80%，平均沼氣產率為410 L/kg；Shao 等[27]也進行了類比實驗，研究表明，COD 容積負荷在1.5～5 kg(m3·d)、HRT 為1 d 的條件下，COD 去除率可達到90%；裝置大約運行60 d 后，出現了顆粒污泥?？梢灶A見[28]，ASBR 反應器在處理啤酒廢水中具有廣泛的應用前景。

2.3 UASB 厭氧反應器

升流式厭氧污泥床（UASB）反應器是20 世紀70 年代由Lettinga 開發(fā)的。因反應器具有污泥濃度高、有機負荷高、適應性強，且具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重作用，能回收能源等優(yōu)點，正日益受到污水處理業(yè)界的重視[29-32]。

段雪梅等[33]研究了UASB 反應器在不同溫度、水力停留時間、取樣口位置和進水濃度條件下運行時對啤酒廢水COD 處理效果。實驗表明，對于中高濃度的啤酒廢水，反應器具有動力消耗低、COD 去除率高等優(yōu)點；對高濃度的有機廢水，UASB 適應性更強。張傳兵等[34]采用UASB 反應器以城市污水處理廠的厭氧消化污泥接種處理啤酒廢水的初次啟動過程。實驗結果表明，啟動時間歷時約50 d，后期運行穩(wěn)定；當反應器出現酸化時，應迅速降低反應器負荷，增投厭氧污泥，快速降低VFA，使反應器得到快速恢復。

韓洪軍等[35]以處理啤酒廢水為水源，在UASB反應器流態(tài)分布模型的基礎上，假設UASB 下部為完全混合的厭氧污泥床系統，中部為完全混合的污泥懸浮層系統和上部為推流式三相分離區(qū)系統，運行中的COD 降解規(guī)律符合Monod 方程，推導出UASB 反應器的動力學方程式。彭營環(huán)等[36]根據國內啤酒廢水的水質特點，運用UASB 法將河南某啤酒廢水COD 降低到500 mg/L 以下。

高雅玉等[37]采用厭氧UASB 反應器和好氧SBR反應池組合工藝，處理中高濃度的蘭州某啤酒廢水。實驗表明，這種組合工藝的設備運行穩(wěn)定，不僅工作效率高，構筑物間可實現重力自流，且能能耗較低。但其操作復雜，參數控制嚴格。賈巖等[38]的實驗表明，UASB 調試和二次啟動中要注意負荷提高的速度，否則易出現酸化現象，必要時加堿調節(jié)pH。

2.4 其他厭氧技術

薛苗[39]在(35±1)℃溫度條件下，研究了內循環(huán)厭氧反應器( IC 反應器)處理啤酒廢水的啟動特性。結果表明，IC 反應器經過56 d 啟動成功，其容積負荷達到18.3 kg/(m3·d)，水力停留時間為3.2 h，COD 去除率能穩(wěn)定在80%以上；隨著反應器的運行，反應器內形成了大量的沉降性能良好的顆粒污泥，粒徑> 0.5 mm 的污泥約占87%。

敖凱等[40]采用水解酸化- 外循環(huán)( EC )厭氧- 接觸氧化工藝處理內蒙古自治區(qū)某啤酒廠廢水。經過4 個月的調試達到滿負荷運行，系統穩(wěn)定可靠，出水水質遠優(yōu)于啤酒工業(yè)污染物排放標準（GB19821-2005）。COD、BOD5、NH3-N、TN 和TOC 的去除率分別達97.5%、98.5%、85%、75%和98.5%。實際運行還表明，EC 厭氧反應器應用于啤酒廢水處理是切實可行的。

田立江等[41]采用改進型CASS 工藝對啤酒廢水處理的特性和最佳性能運行參數進行研究。實驗結果表明，改進型CASS 工藝處理啤酒廢水，COD 去除率達到98%，MLSS 為3 000 mg/L 時，排水比λ=1/2，出水COD 為20～30 mg/L；λ=1/2，周期為1 h的極限容量處理工況下COD 去除率達到96%；短時曝氣時間為2 h，出口COD 為39.98 mg/L，COD 去除率為95.84%。改進型CASS 工藝的處理效果、適應性和經濟優(yōu)勢非常明顯。

方春玉等[42]用自制的厭氧流化床反應器對活性污泥的培養(yǎng)與馴化條件進行了研究。實驗表明，采用一次培養(yǎng)法接種，接種量為30%的活性污泥和100 mL 活性炭，將溫度控制在（37±2）℃，進水的pH 控制在7.3～8.0，進水流速控制在使活性炭處于流化狀態(tài)，不需額外添加營養(yǎng)物質，可在25～30 d 左右成功地完成馴化。在此控制條件下培養(yǎng)出的活性污泥，對廢水COD 的去除率可達到85%左右，對減輕生物反應器后續(xù)處理單元的負荷具有重要意義。

3 厭氧技術研究動向

(1) 厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)與馴化。顆粒態(tài)污泥因其具有極好的沉降性能和去污能力而備受人們的青睞，但污泥的顆?；纬奢^難，條件控制嚴格。厭氧反應中引入顆粒態(tài)污染；對提升反應速率和反應器的容積效率，以及污染成份的去除十分重要，對于高效厭氧反應器工程應用意義重大。

(2) 關鍵設備的改進和研制。厭氧反應器是厭氧條件下的無動力反應裝置，反應器的結構對于反應的效果影響很大，設計的反應器應更加適用水力學特性、適合微生物的生長、適合生物反應的需要。

(3) 污泥結構和菌種的動力學形成機理。學者對此研究的不多，很多活性污泥形成和菌種產生機理不是很透切，弄清這些機理，不僅可以更好的發(fā)揮其特性，而且可以借助計算機輔助模擬，更好的指導實際工作。

(4) 新型填料的引用。填料不僅能給微生物提供很好的生長環(huán)境，而且可以阻止部分污泥的流失，提高污泥濃度，延長污泥停留時間，對反應器效率的提高有著非常重要的意義。然而，在這一領域，應用新填料去研究反應器的處理效率并不多見。

4 結語

厭氧技術特別是新型厭氧反應器的構建應用于啤酒廢水的處理具有高效、低耗的特點，通過優(yōu)化的工藝參數，縮短停留時間，提高反應負荷，完全可以推廣應用。依靠單一厭氧處理難以實現達標排放，厭氧與好氧的協同作用是十分必要的。反應器的結構決定著水力特性及微生物的生境，通過對反應器結構的改進和完善，使之更加有利厭氧作用的發(fā)揮，提高容積效率，改善出水水質。

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作者簡介：范榮桂（1962-），男，副教授，博士，博士生導師，從事水資源與水污染控制研究。