厌氧生物技术无处不在，像酿酒、制醋等发酵技术古已有之。但是，用厌氧
微生物“吃”掉水中的有机物，还是近30年来的事儿。
“十五”期间，由北京市环境保护科学研究院、清华大学、西安交通大学和济南十方环保有限公司共同承担的国家863计划的“高效厌氧生物反应器研制与应用”课题，研制推出了第三代厌氧反应器，厌氧反应器的“食量”比第一代厌氧反应器提高了10倍，使我国在新型厌氧生物反应器领域内实现了跨越式发展。
“治理”高浓度有机废水
据统计显示，我国七大水系超Ⅴ类水质占27.9%。造成水污染的主要原因是工业废水和城市污水未能得到有效处理。
我国的工业基础薄弱，传统高消耗、低产出、重污染的粗放型生产模式仍在广泛应用。像味精、食品等酿造行业以及化肥、农药、皮革、制盐等行业，与先进国家相比单位产品的耗水量大，原料的转化利用率低。
据统计，全国食品与发酵行业每年消耗粮食、糖料及其他农副产品达8000多万吨，其中玉米、薯干、大米等原料的消耗量约为2500万吨左右。如果粮薯原料的平均淀粉含量按60%计算，则全年有1000万吨未被充分利用的原料变成了废渣水，随生产废水被排入周围水系，造成了严重的环境污染和资源浪费。
“由于原料回收利用率不高，像淀粉原料加工企业的废水中化学需氧量（COD）是日常污水的十几倍。”北京市环境保护科学研究院工程师常丽春说，这些COD浓度达到5000-6000毫克/升的有机工业废水，如果直接采用传统的好氧方式处理，显然是极不经济的。因为好氧技术需要大量的氧气，供电和供气系统带来的成本较高。
能不能在好氧技术处理前，采用高效、经济的厌氧技术进行“先期”处理，最终达到排放标准？
北京市环境保护科学研究院王凯军总工程师说，高效厌氧反应器实现了这一目标，特别适合于高浓度有机工业废水的处理，甚至可以有效处理某些含氮或含硫的有机废水。
厌氧技术顾名思义，就是无需氧气，它主要靠厌氧微生物处理水中的有机物。厌氧微生物在治污的同时，还可产生可再生能源沼气，用于供暖和发电。与好氧生物技术相比，可以大大减少温室气体的排放。
“厌氧技术不需要能量，却能产生能量。所以说，厌氧生物处理技术将废水处理与能源回收紧密结合，是最符合可持续发展战略的污水处理技术之一。”王凯军在上世纪80年代就开始了厌氧技术的研究，用于城市污水和污泥的处理。上世纪90年代他远渡荷兰，师从第二代厌氧技术发明人lettinga教授。“我国在现代高效厌氧反应器的应用与开发上，与国外先进技术仍有较大差距。”“十五”期间，针对我国大量中、高浓度有机废水和生物难降解废水处理的迫切需要，他带领研究团队瞄准了第三代厌氧反应器。
形成“集团军”作战
评价厌氧反应器的处理能力的高低，关键是看微生物每天的“饭量”。
“要想微生物‘吃’得多，必须给微生物创造一个最适合的生长环境，保持微生物的活性。”王凯军介绍说，随着微生物环境的不断改善，厌氧微生物“吃”得越来越多。
第一代厌氧反应器的处理对象是污泥，处理能力相对低效，每立方米反应器池容厌氧微生物每天仅能吃掉2—3公斤COD。第二代厌氧反应器采用絮状污泥，“吃”的是高浓度有机物，“饭量”增加到5—10公斤。而第三代厌氧反应器胃口大得惊人，一天能吞下30—40公斤的COD。
“新一代高效厌氧反应器的食量大增，主要是通过颗粒污泥，提高了微生物‘集团军’作战能力，增强了它们抵抗外界的变化能力。”
常丽春说，微生物颗粒污泥像小米大小形状，通过多种循环方式确保反应器中颗粒污泥完全处于悬浮状态，这样既满足了厌氧微生物与废水充分混合，又确保了颗粒污泥结构的稳定，大大提高了有机物去除的效率。
“以前的絮状污泥结构较为松散，遇到大的水流，容易被冲跑，不利于微生物的生长附着。另外，废水COD排放量增大时，絮状污泥根本无法承受，多吃不了有机物。”常丽春说，课题组针对我国目前高效厌氧反应器工程实践中存在的问题，采用独特的复合循环方式，使污泥性质得到进一步优化，颗粒污泥强度增强一倍，颗粒沉降速度提高。量多质优的颗粒污泥为反应器的高效运行提供了保证。
由于解决了高品质颗粒污泥的形成与微生物活性保持的关键问题，厌氧悬浮床反应器可以在30—40kgCOD/m3.d容积负荷之间稳定运行，最高负荷达52kgCOD/m3.d，COD去除率平均为90%，处理能力比第二代厌氧反应器提高了4倍。反应器在负荷率和去除效果方面达到甚至超过国际高效厌氧生物反应器的先进水平，同时在工程投资和运行能耗两方面明显低于国内外同类产品。
厌氧悬浮床反应器还采用先进的自动控制理念，具有实时监测、动态工艺流程显示、数据处理、反馈控制、趋势模块、报警、报表和远传等8种自控功能，为工艺优化提供了保障，有效地实现了厌氧反应器的自动控制运行。
厌氧技术向纵深拓展
目前，国内很多的高浓度有机废水中，除了含有大量的碳水化合物外，还含有相当高浓度的氮素污染物。为此，课题组还首次在高效厌氧反应器中同时实现产甲烷反硝化的工艺。
王凯军说，产甲烷反硝化工艺在厌氧反应器同时实现脱氮和脱碳功能，不需要设单独的反硝化池，缩短了工艺流程，可以节约大量的土地、资金、材料以及运行
管理费用。而厌氧氨氧化工艺是目前已知的最简捷和最经济的生物脱氮途径，这些工艺对于解决高氨氮有机废水的污染问题具有十分重要的意义。
在国内厌氧生物技术领域，他们开发的厌氧悬浮床反应器市场竞争力优势明显，已经占据了我国淀粉行业的半壁江山。目前年产沼气可达几亿方，效益非常可观。
废水的生物处理技术是我国水污染控制最主要的有效手段之一。该课题研究与示范工程的应用有效带动了我国厌氧生物处理技术的改革与发展，厌氧反应器的处理负荷和效率大幅提高，废水处理工程的基建投资和运行费用大幅降低，为COD减排提供了有利工具。
据介绍，该课题申请了5项国家发明专利，其中3项已获得授权，另两项处于公开阶段，形成了一批具有自主知识产权的厌氧生物处理关键技术。
当谈及厌氧技术应用，王凯军说，固体废弃物如有机生活垃圾的厌氧技术是一个新的领域。厌氧技术的发展趋势一方面是向高固体含量的垃圾发展，如含有餐厨垃圾等高含水率的垃圾焚烧或填埋，可能会产生温室气体，污染环境。另一方面是向低浓度发展，如只有300—500mg/lCOD含量的生活污水。
“‘十一五’将在这两方面都力争有所突破。”面对高效厌氧反应器的市场应用前景，王凯军对此充满了信心。
■数字863
高效厌氧生物反应器的应用前景：
按当前政府对生物质能的重视和对环境保护的严格要求，预计今后15年高效厌氧生物反应器具还将有一个较快的发展速度。中国工业废水年总排放量达194.2亿吨(2000年全国环境统计公报)，废水中含有机物(COD)704.5万吨。近期可采用厌氧发酵技术处理的工业有机废水量在22亿m3以上，估计每年实际可转化的沼气约为60亿m3。另外，中国畜禽养殖场每年排放16.76亿吨废水和废渣(1999年统计)，近期可开发的沼气为40亿m3。可见，采用厌氧发酵技术每年可开发的沼气量达100亿m3(相当于1000万吨标煤)，达到全国天然气产量的40％。根据国家经贸委的我国可再生能源规划，到2015年，大中型沼气工程将增加到8000座以上，年处理工业有机废水和畜禽养殖场废水12亿m3。形成年产沼气60亿m3的能力，相当于600万吨标准煤，可年发电1000亿度。
目前，项目承担单位的全部项目的社会总投资在2—4亿/年左右，项目实施过程中，将通过技术进步，积极参与市场竞争，逐渐提高市场份额。可望达到30%%—50%%以上的市场占有率，产值超过1亿元，社会产值达到5—10亿元/年。其中，新开发研制的产品的产值逐渐达到总产值的50%%以上。
目前国内颗粒污泥质量与国外相比仍然存在一些差距，并且新建项目相对保守，所以对高效厌氧反应器有巨大的市场需求。
作者：
2007-9-12