高濃度有機廢水生物蒸發處理技術及展望
食品、發酵、化工、造紙、制革等行業排出的高濃度有機廢水具有污染物含量高、危害嚴重、處理工藝復雜、投資運行成本高等特點，其治理一直是環境領域的難題。對于高濃度有機廢水，活性污泥法因曝氣導致運行成本較高，且氧氣在高濃度廢水中傳質受限，使得COD去除率和容積負荷率都較低;雖然厭氧消化被廣泛應用于高濃度有機廢水的處理，但其啟動和處理時間長，產甲烷菌對周圍環境變化敏感，出水中殘存的BOD、SS或還原性物質等仍很高，需采取后續處理措施。隨著膜過濾技術被應用到環境領域，可以考慮用膜過濾截留高濃度有機廢水中的污染物質。但在實際應用中，如納濾仍存在一些問題：膜污染，濃縮液二次處理，膜材料耐化學性限制等。因此，亟待研究開發新的經濟有效的高濃度有機廢水處理工藝。
一些蒸發技術被用來處理高濃度無機含鹽廢水，如多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(MEE)，但這些蒸發技術需要外加熱源提供蒸發驅動力，導致處理過程能耗高。微生物在利用有機物進行好氧發酵時伴隨著代謝熱的產生，如果能將大量的代謝熱收集作為蒸發廢水的驅動力，則可以減少蒸發能耗。因此，對高濃度有機廢水，若能利用其蘊含的潛在生物能來蒸發廢水中的水分，同時去除了廢水中的污染物質，則可以實現高濃度有機廢水低能耗且高效的“零排放”處理。在這樣的技術背景下，生物蒸發新技術被提出并被證明可行。筆者總結和分析了生物蒸發的技術要領，并對生物蒸發技術的應用前景進行了展望，以期為高濃度有機廢水生物蒸發處理技術的發展提供參考。
1生物蒸發概述
1.1定義及原理
生物蒸發是利用高濃度有機廢水中潛在的生物能為蒸發驅動力蒸發處理高濃度有機廢水的一項新技術。雖然早有研究者利用生物能處理過相應的廢水，如陳立平等早在2000年研究了利用生物能蒸發處理糖蜜酒精廢液，但生物蒸發的準確定義一直沒有相關文獻報道。直到2013年由BenqinYang等正式提出并定義了生物蒸發：即利用高濃度有機廢水本身所具有的有機物微生物好氧降解產生的熱量為驅動力，使廢水中的水分汽化，并配合通風形成的傳質條件，使蒸汽進入氣相主體而散發，從而達到利用高濃度有機廢水自身蘊含的生物能量實現有機物和水分的同步去除。
生物蒸發過程與好氧堆肥和生物干化原理類似，主要機制是對流蒸發，蒸發的熱量完全來自生物能，對流由通風產生。高濃度有機廢水生物蒸發機理如圖1所示。
圖1高濃度有機廢水生物蒸發機理
生物蒸發膨脹劑和微生物載體由大量的載體顆粒及空隙組成。當向膨脹劑和微生物載體引入高濃度有機廢水時，堆體存在于固-液-氣三相混合介質中，包含水、惰性物質、難溶物質、可溶性物質以及微生物。在該介質中，空隙可以減小氧氣傳質阻力從而形成良好的通風效果，使堆體處于有氧狀態。微生物利用介質中的溶解性有機質進行好氧發酵，該過程在滿足微生物自身生長繁殖的同時釋放大量的代謝熱。隨著堆體內有機質底物濃度增加，微生物活性增強，耗氧速率增加，代謝熱釋放量也增加。代謝熱在堆體內積累形成高溫，可達70℃。堆體內水分受熱汽化，由液態轉化為氣態，被汽化的水分子通過自由擴散和強制對流進入堆體中的空隙，并由氣流帶出堆體。由于生物蒸發所需熱量來自于廢水中有機物的降解，不需外加熱源，所以生物蒸發是一項經濟、節能、環保的高濃度有機廢水處理技術。
1.2污染物濃度與水分去除的關系
在生物蒸發過程中，微生物代謝熱釋放量和水分的去除率與有機質底物濃度正相關，當廢水中的有機質含量達到一定量時才能實現水分和污染物質的同步去除。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的線性關系。葡萄糖濃度跟水分去除率成正相關，這是因為較高濃度的葡萄糖溶液會產生大量的代謝熱。當葡萄糖溶液中揮發性固體(volatilesolid，VS)質量濃度為200g/L時，1L葡萄糖溶液會產生3129kJ的代謝熱，并由此蒸發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去除。
表1不同濃度葡萄糖產生的熱量和水分蒸發的理論計算
在理論值驗證和實際處理驗證實驗中，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行生物蒸發處理，結果表明，代謝熱產生及水分去除與葡萄糖溶液濃度和餐廚垃圾濃度相關，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。當葡萄糖溶液和餐廚垃圾中的VS質量濃度為120g/L時，就可以實現葡萄糖溶液和餐廚垃圾中水分和可生物降解揮發性固體(biodegradablevolatilesolid，BVS)的全部去除。這是因為生物干化污泥內含有部分BVS，這部分BVS在生物蒸發過程中與葡萄糖溶液和餐廚垃圾中的BVS共同產生代謝熱蒸發廢水。
1.3生物蒸發膨脹劑和微生物載體
由于高濃度有機廢水的高水分會阻礙氧氣傳質，且缺少用于生物蒸發的微生物，因此在生物蒸發過程中應用膨脹劑和微生物載體至關重要。膨脹劑和微生物載體在生物蒸發過程中的作用機理如圖2所示。
(M/O：微生物)圖2膨脹劑和微生物載體在生物蒸發過程中的作用機理
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的進行;另外，其豐富的微孔結構和龐大的比表面積可使高濃度有機廢水在其表面形成的液膜不至于太厚而影響氧氣的傳質。廢水可迅速滲入微生物載體內部并在其表面形成一層液膜，廢水中溶解性有機質為微生物載體中的微生物提供充足的營養物質，在良好的通風環境下微生物被刺激生長，使微生物的總數逐級上升，產生的代謝熱也不斷增加并逐漸積累，從而實現水分的蒸發去除。目前應用的生物蒸發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、吸水和滲透性強的特點，在生物蒸發過程中各有優勢。
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。經過生物干化過程脫水污泥內部的自由水或毛細水、結合水等被去除，生物干化污泥具有了豐富的微孔結構、大量的自由空域，繁殖了大量高溫微生物并具備了極強的吸水性。在生物蒸發過程中，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構支持，廢水則為微生物提供營養物質，且生物干化污泥中微生物種群結構豐富，具有較強的抗擊廢水中有毒物質的能力。由于脫水污泥內的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膨脹劑和微生物載體，當廢水中的VS質量濃度達到120g/L時，由廢水和生物干化污泥內的BVS產生的代謝熱可完全蒸發廢水中的水分。
1.3.2生物膜海綿
聚氨酯海綿價廉、質輕(密度為28g/L)，自身無異味，孔隙率可達95%，可為微生物的棲息生長提供足夠大的比表面積。而且其性質結構穩定，無生物毒性，耐老化，可進行回收和重復利用，實現對廢水的長期連續處理。
在用生物膜海綿作膨脹劑和微生物載體時，首先需將聚氨酯海綿掛膜培養形成生物膜海綿。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，又進一步吸附、分解廢水中的有機物。將附著生物膜的海綿水分擠干，便可將其作為生物蒸發的膨脹劑和微生物載體。但生物膜海綿自身無BVS，在生物蒸發過程中對高濃度有機廢水沒有碳源補充，因此在用生物膜海綿作膨脹劑和微生物載體處理廢水時要求廢水中的VS質量濃度達到200g/L。
1.4生物蒸發與好氧堆肥、生物干化
與生物蒸發相比較，好氧堆肥和生物干化也有去除物料水分和降解有機物的作用，且三者原理都是利用生物能，運行機理有很大的相似之處，但實際應用中三者在工藝目的和工藝參數方面有很大區別。表2是生物蒸發、好氧堆肥及生物干化3種工藝的比較。
表2生物蒸發、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，通過好氧發酵將固體廢物中的有機物質向穩定的腐殖質轉化，殺死病原體和寄生蟲卵，鈍化重金屬，生成成熟穩定、滿足土地安全施用標準的有機肥，此外穩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生;生物干化旨在最短停留時間內對廢物進行預處理，通過去除物料水分提高能量密度，且保留大部分有機質的化學氧化總熱值，以增加固廢回收燃料(SRF)熱值，同時廢物的減容減量也利于短期的儲存和運輸。相比好氧堆肥和生物干化，生物蒸發作為高濃度有機廢水處理的一項新技術，屬于水處理范疇，其主要目的是在去除廢水中水分的同時削減廢水中的污染物質，蒸發后剩余的添加劑可以循環作為膨脹劑和微生物載體。
2生物蒸發影響因素
生物蒸發過程主要受曝氣量、初始含水率和有機負荷3個因素的影響，這3個因素決定了微生物能量釋放速率和代謝熱的利用效率。生物蒸發過程的主要目的是去除水分和污染物質，可以通過控制以上3個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葡萄糖好氧降解產生38molATP，而厭氧代謝僅為2molATP。在生物蒸發過程中，過低的曝氣量會產生厭氧狀態，降低好氧微生物的活性，微生物代謝熱的產生也隨之減少;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積累的代謝熱，導致堆體溫度降低，不利于水分蒸發。D.Jenkins等研究發現，曝氣量為0.04m3/(kgTS混合物˙h)時，最高溫度較高，且最高溫度的持續時間也較長，但水分的去除率沒有曝氣量為0.09m3/(kgTS混合物˙h)時高，因為較低的曝氣量不能有效帶走反應器內被汽化的水分;當曝氣量為0.14m3/(kgTS混合物˙h)時，反應器內溫度較低，且水分去除和揮發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性有機質的氧化，但較高的曝氣量對水分的去除更好。
生物蒸發過程曝氣量一般為0.035~0.12m3/(kgTS混合物˙h)，跟生物干化過程類似，若能實時在線監測和反饋控制系統，控制曝氣量隨堆體反應的不同階段而變化，則可以提高處理效率，實現更短的時間內去除更多的水分。
2.2初始含水率
水分不僅能為微生物所需的可溶性營養物質提供載體，而且還能為微生物反應提供介質，初始水分含量和水分的去除及有機物的降解有密切的聯系。
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、生物干化和好氧堆肥的堆體固-液-氣三相介質環境中，氣相中的氧氣穿過液膜擴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，導致厭氧環境的出現，不利于好氧微生物生長;過低的初始水分則會導致微生物缺少生命活動必要的水分而使代謝減緩;而適當的初始水分可使堆體空隙較大，不但減小了氧氣在液相傳質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-氣質量傳遞效率增大，另一方面增強了被汽化的水分的去除。所以，一個適合的初始水分應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生物蒸發膨脹劑和微生物載體顆粒示意
生物蒸發過程中用生物干化污泥作膨脹劑和微生物載體時初始含水率為45%~65%，用生物膜海綿作膨脹劑和微生物載體時初始含水率為75%~85%;處理不同廢水時，最佳初始含水率需通過進一步的實驗得出。
2.3有機負荷
生物蒸發有機負荷是指單位膨脹劑和微生物載體在單位時間所能夠接受，并將其降解到預定程度的可生物降解有機物的量。有機負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物基質和微生物的量決定，當有機負荷發生變化時，短時間內微生物群落結構和生長模式會發生明顯變化，而生物蒸發過程的蒸發驅動力完全來自代謝熱，微生物的群落結構和生長模式發生改變會影響微生物利用基質進行新陳代謝，從而影響水分的蒸發效率，所以對生物蒸發的有機負荷需要嚴格控制。此外，高濃度有機廢水含水較高，如餐廚垃圾含水率達75%，過多的廢水加入到反應堆體內一方面會增加膨脹劑和微生物載體的有機負荷，影響微生物生長模式，另一方面造成大量的水分進入堆體，同時在微生物代謝過程中會產生代謝水，這部分水的質量被估算為可生物降解有機物質量的70%，過高的水分的存在又會阻礙氧氣在堆體介質中的傳遞，從而影響生物蒸發效率。因此，一個適宜的有機負荷對生物蒸發過程很重要。生物蒸發過程的有機負荷相對較低，一般為0.04~0.12kgVS/kgTS。
3生物蒸發技術應用及展望
隨著經濟的發展和工業化程度的提高，工業廢水排放量及污染物種類將不斷增多。在提倡可持續發展和水資源短缺的今天，社會對環境的要求也將越來越高，這就給高濃度有機廢水的處理提出了新的挑戰，生物蒸發技術的提出對高濃度有機廢水的處理是一個革命性的突破。
目前有關生物蒸發技術的研究大多停留在宏觀效應上，其過程機理及生物特性鮮有涉及。此外，2個關鍵因素制約了生物蒸發技術的推廣運用：(1)有機負荷較低;(2)對廢水有機質含量要求較高。雖然目前生物蒸發技術還處于實驗室研發階段，但最終該技術的推廣運用將在反應設備上體現，針對生物蒸發有機負荷低的缺點，可以通過運行連續進料反應器克服，避免出現批式處理中的升溫階段和降溫階段，通過控制運行參數使生物蒸發持續處于最佳狀態，最大限度提高處理效率。
生物蒸發對廢水有機質含量的要求較為嚴格，要求廢水COD高于120g/L，因此解決廢水碳源不足是生物蒸發技術得以推廣應用的關鍵。筆者總結認為，可以通過以下方法實現高濃度有機廢水的生物蒸發處理：(1)將原液與更高濃度的有機廢水混合。例如可以與COD高達200~300g/L的餐廚垃圾混合后再經生物蒸發處理。(2)處理濃縮液。膜分離技術、蒸汽壓縮蒸發技術等會產生濃度較高的濃縮液，該類濃縮液目前無較經濟有效的處理方法，而這類廢水正是生物蒸發處理的對象。(3)余熱補充。當微生物好氧代謝產生的代謝熱不足以完全蒸發水分時，可以利用其他熱裝置的余熱做代謝熱的補充，例如將蒸汽壓縮蒸發裝置的清水和濃縮液的潛熱跟代謝熱一起作為蒸發水分的驅動力。
目前對于生物蒸發的理論研究尚未成熟，為了實現實際推廣應用，需要對其過程機理和生物特性進行全面研究分析，以指導生物蒸發過程的條件優化及過程控制。同時對于以上2個關鍵問題的解決方法有待進一步研究驗證。隨著生物蒸發研究領域的日漸成熟，該技術在高濃度有機廢水的處理中將會有良好的應用前景。
