高浓度有机废水生物蒸发处理技术及展望
食品、发酵、化工、造纸、制革等行业排出的高浓度有机废水具有污染物含量高、危害严重、处理工艺复杂、投资运行成本高等特点，其治理一直是环境领域的难题。对于高浓度有机废水，活性污泥法因曝气导致运行成本较高，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;虽然厌氧消化被广泛应用于高浓度有机废水的处理，但其启动和处理时间长，产甲烷菌对周围环境变化敏感，出水中残存的BOD、SS或还原性物质等仍很高，需采取后续处理措施。随着膜过滤技术被应用到环境领域，可以考虑用膜过滤截留高浓度有机废水中的污染物质。但在实际应用中，如纳滤仍存在一些问题：膜污染，浓缩液二次处理，膜材料耐化学性限制等。因此，亟待研究开发新的经济有效的高浓度有机废水处理工艺。
一些蒸发技术被用来处理高浓度无机含盐废水，如多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)，但这些蒸发技术需要外加热源提供蒸发驱动力，导致处理过程能耗高。微生物在利用有机物进行好氧发酵时伴随着代谢热的产生，如果能将大量的代谢热收集作为蒸发废水的驱动力，则可以减少蒸发能耗。因此，对高浓度有机废水，若能利用其蕴含的潜在生物能来蒸发废水中的水分，同时去除了废水中的污染物质，则可以实现高浓度有机废水低能耗且高效的“零排放”处理。在这样的技术背景下，生物蒸发新技术被提出并被证明可行。笔者总结和分析了生物蒸发的技术要领，并对生物蒸发技术的应用前景进行了展望，以期为高浓度有机废水生物蒸发处理技术的发展提供参考。
1生物蒸发概述
1.1定义及原理
生物蒸发是利用高浓度有机废水中潜在的生物能为蒸发驱动力蒸发处理高浓度有机废水的一项新技术。虽然早有研究者利用生物能处理过相应的废水，如陈立平等早在2000年研究了利用生物能蒸发处理糖蜜酒精废液，但生物蒸发的准确定义一直没有相关文献报道。直到2013年由BenqinYang等正式提出并定义了生物蒸发：即利用高浓度有机废水本身所具有的有机物微生物好氧降解产生的热量为驱动力，使废水中的水分汽化，并配合通风形成的传质条件，使蒸汽进入气相主体而散发，从而达到利用高浓度有机废水自身蕴含的生物能量实现有机物和水分的同步去除。
生物蒸发过程与好氧堆肥和生物干化原理类似，主要机制是对流蒸发，蒸发的热量完全来自生物能，对流由通风产生。高浓度有机废水生物蒸发机理如图1所示。
图1高浓度有机废水生物蒸发机理
生物蒸发膨胀剂和微生物载体由大量的载体颗粒及空隙组成。当向膨胀剂和微生物载体引入高浓度有机废水时，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，使堆体处于有氧状态。微生物利用介质中的溶解性有机质进行好氧发酵，该过程在满足微生物自身生长繁殖的同时释放大量的代谢热。随着堆体内有机质底物浓度增加，微生物活性增强，耗氧速率增加，代谢热释放量也增加。代谢热在堆体内积累形成高温，可达70℃。堆体内水分受热汽化，由液态转化为气态，被汽化的水分子通过自由扩散和强制对流进入堆体中的空隙，并由气流带出堆体。由于生物蒸发所需热量来自于废水中有机物的降解，不需外加热源，所以生物蒸发是一项经济、节能、环保的高浓度有机废水处理技术。
1.2污染物浓度与水分去除的关系
在生物蒸发过程中，微生物代谢热释放量和水分的去除率与有机质底物浓度正相关，当废水中的有机质含量达到一定量时才能实现水分和污染物质的同步去除。如表1所示，BenqinYang等利用不同浓度葡萄糖溶液从理论上模拟出葡萄糖浓度与热量释放和水分蒸发的线性关系。葡萄糖浓度跟水分去除率成正相关，这是因为较高浓度的葡萄糖溶液会产生大量的代谢热。当葡萄糖溶液中挥发性固体(volatilesolid，VS)质量浓度为200g/L时，1L葡萄糖溶液会产生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含的几乎所有的水分都可通过代谢热蒸发去除。
表1不同浓度葡萄糖产生的热量和水分蒸发的理论计算
在理论值验证和实际处理验证实验中，将不同浓度的葡萄糖溶液和不同浓度的餐厨垃圾加入到生物干化污泥床进行生物蒸发处理，结果表明，代谢热产生及水分去除与葡萄糖溶液浓度和餐厨垃圾浓度相关，随着葡萄糖溶液浓度和餐厨垃圾浓度的增加，堆体温度增加的更快更高，且高温阶段也维持的更久，更多水分被去除。当葡萄糖溶液和餐厨垃圾中的VS质量浓度为120g/L时，就可以实现葡萄糖溶液和餐厨垃圾中水分和可生物降解挥发性固体(biodegradablevolatilesolid，BVS)的全部去除。这是因为生物干化污泥内含有部分BVS，这部分BVS在生物蒸发过程中与葡萄糖溶液和餐厨垃圾中的BVS共同产生代谢热蒸发废水。
1.3生物蒸发膨胀剂和微生物载体
由于高浓度有机废水的高水分会阻碍氧气传质，且缺少用于生物蒸发的微生物，因此在生物蒸发过程中应用膨胀剂和微生物载体至关重要。膨胀剂和微生物载体在生物蒸发过程中的作用机理如图2所示。
(M/O：微生物)图2膨胀剂和微生物载体在生物蒸发过程中的作用机理
膨胀剂和微生物载体的吸水性可维持其一定的湿度以保证自身微生物代谢活动的进行;另外，其丰富的微孔结构和庞大的比表面积可使高浓度有机废水在其表面形成的液膜不至于太厚而影响氧气的传质。废水可迅速渗入微生物载体内部并在其表面形成一层液膜，废水中溶解性有机质为微生物载体中的微生物提供充足的营养物质，在良好的通风环境下微生物被刺激生长，使微生物的总数逐级上升，产生的代谢热也不断增加并逐渐积累，从而实现水分的蒸发去除。目前应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，二者都具有多孔、比表面积大、吸水和渗透性强的特点，在生物蒸发过程中各有优势。
1.3.1生物干化污泥
生物干化污泥由脱水污泥(湿度80%)通过生物干化过程得到。经过生物干化过程脱水污泥内部的自由水或毛细水、结合水等被去除，生物干化污泥具有了丰富的微孔结构、大量的自由空域，繁殖了大量高温微生物并具备了极强的吸水性。在生物蒸发过程中，含有大量高温微生物的生物干化污泥为废水提供接种微生物和结构支持，废水则为微生物提供营养物质，且生物干化污泥中微生物种群结构丰富，具有较强的抗击废水中有毒物质的能力。由于脱水污泥内的BVS在生物干化过程中未被完全降解，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质量浓度达到120g/L时，由废水和生物干化污泥内的BVS产生的代谢热可完全蒸发废水中的水分。
1.3.2生物膜海绵
聚氨酯海绵价廉、质轻(密度为28g/L)，自身无异味，孔隙率可达95%，可为微生物的栖息生长提供足够大的比表面积。而且其性质结构稳定，无生物毒性，耐老化，可进行回收和重复利用，实现对废水的长期连续处理。
在用生物膜海绵作膨胀剂和微生物载体时，首先需将聚氨酯海绵挂膜培养形成生物膜海绵。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，水中的悬浮物及微生物被吸附于聚氨酯海绵表面上，微生物利用有机底物生长繁殖，逐渐在海绵表面形成一层黏液状的生物膜(EPS和菌体)。这层生物膜具有生化活性，又进一步吸附、分解废水中的有机物。将附着生物膜的海绵水分挤干，便可将其作为生物蒸发的膨胀剂和微生物载体。但生物膜海绵自身无BVS，在生物蒸发过程中对高浓度有机废水没有碳源补充，因此在用生物膜海绵作膨胀剂和微生物载体处理废水时要求废水中的VS质量浓度达到200g/L。
1.4生物蒸发与好氧堆肥、生物干化
与生物蒸发相比较，好氧堆肥和生物干化也有去除物料水分和降解有机物的作用，且三者原理都是利用生物能，运行机理有很大的相似之处，但实际应用中三者在工艺目的和工艺参数方面有很大区别。表2是生物蒸发、好氧堆肥及生物干化3种工艺的比较。
表2生物蒸发、好氧堆肥及生物干化的比较
好氧堆肥的主要目的是固废的资源化和无害化，通过好氧发酵将固体废物中的有机物质向稳定的腐殖质转化，杀死病原体和寄生虫卵，钝化重金属，生成成熟稳定、满足土地安全施用标准的有机肥，此外稳定后的市政固体废物可减少土地填埋处理过程中渗滤液和填埋气体的产生;生物干化旨在最短停留时间内对废物进行预处理，通过去除物料水分提高能量密度，且保留大部分有机质的化学氧化总热值，以增加固废回收燃料(SRF)热值，同时废物的减容减量也利于短期的储存和运输。相比好氧堆肥和生物干化，生物蒸发作为高浓度有机废水处理的一项新技术，属于水处理范畴，其主要目的是在去除废水中水分的同时削减废水中的污染物质，蒸发后剩余的添加剂可以循环作为膨胀剂和微生物载体。
2生物蒸发影响因素
生物蒸发过程主要受曝气量、初始含水率和有机负荷3个因素的影响，这3个因素决定了微生物能量释放速率和代谢热的利用效率。生物蒸发过程的主要目的是去除水分和污染物质，可以通过控制以上3个影响因素来提高处理效率。
2.1曝气量
曝气量是影响堆体温度和水分去除的重要因素，其作用主要是提供氧气和形成对流带走水蒸气及微生物代谢气体。
微生物的好氧代谢和厌氧代谢所释放的能量差别较大，1mol葡萄糖好氧降解产生38molATP，而厌氧代谢仅为2molATP。在生物蒸发过程中，过低的曝气量会产生厌氧状态，降低好氧微生物的活性，微生物代谢热的产生也随之减少;曝气量过高，虽然好氧微生物活性较高且有利于代谢热释放，但微生物利用后过剩的气流会带走堆体内积累的代谢热，导致堆体温度降低，不利于水分蒸发。D.Jenkins等研究发现，曝气量为0.04m3/(kgTS混合物˙h)时，最高温度较高，且最高温度的持续时间也较长，但水分的去除率没有曝气量为0.09m3/(kgTS混合物˙h)时高，因为较低的曝气量不能有效带走反应器内被汽化的水分;当曝气量为0.14m3/(kgTS混合物˙h)时，反应器内温度较低，且水分去除和挥发性固体降解效率也较低，水分去除主要靠空气干化。低的曝气量有利于堆体温度的积累和可挥发性有机质的氧化，但较高的曝气量对水分的去除更好。
生物蒸发过程曝气量一般为0.035~0.12m3/(kgTS混合物˙h)，跟生物干化过程类似，若能实时在线监测和反馈控制系统，控制曝气量随堆体反应的不同阶段而变化，则可以提高处理效率，实现更短的时间内去除更多的水分。
2.2初始含水率
水分不仅能为微生物所需的可溶性营养物质提供载体，而且还能为微生物反应提供介质，初始水分含量和水分的去除及有机物的降解有密切的联系。
研究表明，在生物干化过程中初始水分的含量影响水分的去除，初始水分过高或过低都会使微生物的活性降低，在堆肥过程中同样存在类似的情况。如图3所示，在生物蒸发、生物干化和好氧堆肥的堆体固-液-气三相介质环境中，气相中的氧气穿过液膜扩散到固相颗粒表面后被微生物好氧代谢所利用，但过高的初始水分会堵塞物料中的微小空隙，使液膜阻力增大，从而阻碍氧气的传递，导致厌氧环境的出现，不利于好氧微生物生长;过低的初始水分则会导致微生物缺少生命活动必要的水分而使代谢减缓;而适当的初始水分可使堆体空隙较大，不但减小了氧气在液相传质的阻力还增加了物料固-气界面面积，界面面积和物料外表面面积的增加一方面使得固-气质量传递效率增大，另一方面增强了被汽化的水分的去除。所以，一个适合的初始水分应能充分满足微生物正常的生长代谢，但又不因过高的水分而减少自由空域。
图3生物蒸发膨胀剂和微生物载体颗粒示意
生物蒸发过程中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%;处理不同废水时，最佳初始含水率需通过进一步的实验得出。
2.3有机负荷
生物蒸发有机负荷是指单位膨胀剂和微生物载体在单位时间所能够接受，并将其降解到预定程度的可生物降解有机物的量。有机负荷反映了生化水处理过程的能量水平。
微生物的生长阶段由有机物基质和微生物的量决定，当有机负荷发生变化时，短时间内微生物群落结构和生长模式会发生明显变化，而生物蒸发过程的蒸发驱动力完全来自代谢热，微生物的群落结构和生长模式发生改变会影响微生物利用基质进行新陈代谢，从而影响水分的蒸发效率，所以对生物蒸发的有机负荷需要严格控制。此外，高浓度有机废水含水较高，如餐厨垃圾含水率达75%，过多的废水加入到反应堆体内一方面会增加膨胀剂和微生物载体的有机负荷，影响微生物生长模式，另一方面造成大量的水分进入堆体，同时在微生物代谢过程中会产生代谢水，这部分水的质量被估算为可生物降解有机物质量的70%，过高的水分的存在又会阻碍氧气在堆体介质中的传递，从而影响生物蒸发效率。因此，一个适宜的有机负荷对生物蒸发过程很重要。生物蒸发过程的有机负荷相对较低，一般为0.04~0.12kgVS/kgTS。
3生物蒸发技术应用及展望
随着经济的发展和工业化程度的提高，工业废水排放量及污染物种类将不断增多。在提倡可持续发展和水资源短缺的今天，社会对环境的要求也将越来越高，这就给高浓度有机废水的处理提出了新的挑战，生物蒸发技术的提出对高浓度有机废水的处理是一个革命性的突破。
目前有关生物蒸发技术的研究大多停留在宏观效应上，其过程机理及生物特性鲜有涉及。此外，2个关键因素制约了生物蒸发技术的推广运用：(1)有机负荷较低;(2)对废水有机质含量要求较高。虽然目前生物蒸发技术还处于实验室研发阶段，但最终该技术的推广运用将在反应设备上体现，针对生物蒸发有机负荷低的缺点，可以通过运行连续进料反应器克服，避免出现批式处理中的升温阶段和降温阶段，通过控制运行参数使生物蒸发持续处于最佳状态，最大限度提高处理效率。
生物蒸发对废水有机质含量的要求较为严格，要求废水COD高于120g/L，因此解决废水碳源不足是生物蒸发技术得以推广应用的关键。笔者总结认为，可以通过以下方法实现高浓度有机废水的生物蒸发处理：(1)将原液与更高浓度的有机废水混合。例如可以与COD高达200~300g/L的餐厨垃圾混合后再经生物蒸发处理。(2)处理浓缩液。膜分离技术、蒸汽压缩蒸发技术等会产生浓度较高的浓缩液，该类浓缩液目前无较经济有效的处理方法，而这类废水正是生物蒸发处理的对象。(3)余热补充。当微生物好氧代谢产生的代谢热不足以完全蒸发水分时，可以利用其他热装置的余热做代谢热的补充，例如将蒸汽压缩蒸发装置的清水和浓缩液的潜热跟代谢热一起作为蒸发水分的驱动力。
目前对于生物蒸发的理论研究尚未成熟，为了实现实际推广应用，需要对其过程机理和生物特性进行全面研究分析，以指导生物蒸发过程的条件优化及过程控制。同时对于以上2个关键问题的解决方法有待进一步研究验证。随着生物蒸发研究领域的日渐成熟，该技术在高浓度有机废水的处理中将会有良好的应用前景。
