1.3 高浓度有机废水处理方法的分析和研究
高浓度有机废水的处理，应用当今的各种成熟的工艺，常伴以较高的运行费用，这是用户单位很头痛的问题。
1.3.1 高浓度有机废水处理的研究
当前对于高浓度有机废水处理的各种方法，其工艺部分大致可归纳为预处理、厌氧工艺和好氧工艺三部分。
1.3.1.1 预处理
预处理一般是以物理法、化学法为主。
（1）物理法 该法就是利用物理作用，分离出污水中主要呈悬浮状态的污染物质，在处理过程中不改变其化学性质，属于物理法的处理技术如下所示。
①沉淀（重力分离）。利用污水中的悬浮物和水的密度不同的原理，借重力沉降（或上浮）作用，使其从水中分离出来。沉淀处理设备有沉砂池、沉淀池和隔油池等。
②筛滤（截留）。利用筛滤介质截留污水中的悬浮物。筛滤介质有钢条、筛网、砂、布、塑料、微孔管等。属于筛滤处理的设备有格栅、微滤机、砂滤池、真空滤机、压滤机（后两种多用于污泥脱水）等。
③气浮。此法是将空气打入污水中，并使其以微小气泡的形式由水中析出，污水中密度近于水的微小颗粒状的污染物质（如乳化油等）黏附到空气泡上，并随气泡上升至水面，形成泡沫浮渣而去除。根据空气打入方式不同，气浮设备有加压溶气气浮法、叶轮气浮法和射流气浮法等。为了提高气浮效果，有时需向污水中投加混凝剂。
④反渗透。用一种特殊的半渗透膜，在一定的压力下，将水分子压过去，而溶解于水中的污染物质则被膜所截留，污水被浓缩，而被压透过膜的水就是处理过的水。制作半透膜的材料有醋酸纤维素、磺化聚苯醚等有机高分子物质，操作压力一般为3～5MPa。
⑤膜分离。反渗透法是膜分离技术的一种，其他还有电渗析、渗析、超滤和纳米过滤膜（纳滤）。
⑥其他。离心分离、蒸发等也属于物理法。
（2）化学法 污水的化学处理方法，就是利用化学反应作用来分离、回收污水中的污染物，或使其转化为无害的物质，属于化学法的处理技术如下。
①混凝法。水中呈胶体状态的污染物质，通常都带有负电荷，胶体颗粒之间互相排斥形成稳定的混合液，若向水中投加带有相反电荷的电解质（即混凝剂），可使污水中的胶体颗粒改变为呈电中性，失去稳定性，并在分子引力作用下，凝聚成大颗粒而下沉。这种方法用于处理含油废水、染色废水、洗毛废水等。常用的混凝剂有硫酸铝、碱式氯化铝、硫酸亚铁、三氯化铁等。
②中和法。用于处理酸性废水或碱性废水。向酸性废水中投加碱性物质如石灰、氢氧化钠、石灰石等，使废水变为中性。对碱性废水可吹入含有CO2的烟道气进行中和，也可用其他酸性物质进行中和。
③氧化还原法。废水中呈溶解状态的有机或无机污染物，在投加氧化剂或还原剂后，由于电子的迁移而发生氧化或还原作用，使其转变为无害的物质。常用的氧化剂有空气、漂白粉、氯气、臭氧等。氧化法多用于处理含酚氰废水。常用的还原剂有铁屑、硫酸亚铁等，还原法多用于处理含铬、含汞废水。
④电解法。在废水中插入电极，并通以电流，则阴极板接受电子，阳极板放出电子。在水的电解过程中，在阳极板上产生氧气，在阴极板上产生氢气。上述综合过程使阳极板上发生氧化作用，在阴极板上发生还原作用。目前，电解法主要用于含铬及含氰废水。
⑤吸附法。将污水通过固体吸附剂，使废水中的溶解性有机或无机污染物吸附到吸附剂上，常用的吸附剂为活性炭，此法可吸附废水中的酚、汞、铬、氰等有毒物质。此法还有脱色、脱臭等作用，一般也用于深度处理。
⑥电渗析法。通过一种离子交换膜，在直流电作用下，废水中的离子朝相反电荷的极板方向迁移，阳离子能穿透阳离子交换膜而被阴离子交换膜所阻。污水通过阴、阳离子交换膜所组成的电渗析器时，污水中的阴、阳离子就可以得到分离，达到浓缩和处理的目的。此法可用于酸性废水回收、含氰废水处理等。
⑦汽提法、吹脱法和萃取法等，也属于化学法处理技术。
1.3.1.2 厌氧工艺
前面已经阐述了有100多年历史的厌氧工艺以及第三代厌氧反应器。这里只对比较前沿的厌氧折流板反应器（ABR）处理高浓度有机废水作一些介绍。
污水COD高达16000mg/L以上，应用通常的厌氧方法处理效率比较低。20世纪70年代以来，废水厌氧处理技术以其运行费用低、有可以利用的能源（沼气）产生和在处理高浓度废水方面的一系列优越性而得到较快的发展，出现了一批以升流式厌氧化污泥床反应器（UASB）、厌氧滤池（AF）等为代表的第二代厌氧反应器处理技术。
AF运行的关键是高效、稳定和易操作管理的填料的使用。高效的填料成本高，而廉价的填料则易造成反应器的堵塞。UASB运行的关键是三相分离器的合理设计和培养性能良好的颗粒污泥。三相分离器的设计在国内尚无成熟的方法，而且颗粒污泥的培养在国内也不成熟。因为颗粒污泥的形成需要的时间长，操作要求严格，这些问题就使得第二代厌氧反应器处理技术的应用受得了一定的限制。
应用UASB，除前述不足外，还需要深入研究以下问题：①如何改进颗粒污泥的机械强度和沉降性能；②如何通过合理设计创造不同种群微生物适宜生长的环境条件；③如何合理控制反应器的流态，以进一步提高和稳定处理效果等。
20世纪80年代中后期，出现了许多类型的第三代厌氧反应器。我们认为具有多级、分相、复合流态的厌氧折流板反应器（ABR）能够克服UASB的三项不足，并作了改进。
在厌氧生物处理过程中，有机物降解途径可以分为水解、发酵产酸、产乙酸产氢和产甲烷4个阶段。水解酸化阶段是大分子有机物分解为小分子的过程；发酵产酸阶段其中的产酸菌种类较多，代谢能力强，繁殖速度快，世代期最短，仅需十几分钟，对环境条件的适应性亦较强；产甲烷菌的种类则较少，繁殖速率慢，世代期最长可达4～5天，而且对环境条件及有毒物质的影响十分敏感。因而一个单一空间的反应器中，产酸速度与产甲烷速度等方面的协调平衡是很困难的。如果不能平衡，会导致反应器的处理能力和效果大大降低，甚至导致整个工艺处理过程的失败。这就是以升流式厌氧化污泥床反应器（UASB）、厌氧滤池（AF）等为代表的第二代厌氧反应器转向第三代厌氧反应器——具有多级、分相、复合流态的厌氧折流板反应器（ABR）的根本原因。
ABR是一个一体化的设备，不需要结构复杂、设计难度大的三相分离器，ABR工艺的思路要点如下。
首先，由于在反应器内设置折流板而形成数个相对独立运行的隔室，有利于各隔室生长与该室环境条件相适应的微生物菌种，实现相的多级分离而提高处理效果的运行稳定性。第二，多隔室的构造有利于各隔室产气单独排出而削弱H2分压对后续隔室运行的影响，利于产乙酸阶段产乙酸菌在H2分压较低的环境中利用丙酸和丁酸顺利地产乙酸，从而可以避免它们的积累对产甲烷菌的不利影响。第三，ABR工艺中单隔室的完全混合及整体上推流的复合流态，不仅利于污泥降解作用的充分发挥，也使运行更为稳定，具有更强的耐冲击负荷能力，因而得到推广。
ABR的特殊结构可以使不同种群的厌氧微生物在不同的隔室内生长，并使其呈现出良好的种群分布，实现处理功能的协调配合，有利于稳定运行。不同的隔室内生长适应流入该隔室废水水质的优势微生物种群，参见表1-6。在位于反应器前端的隔室中，主要以水解和产酸菌为主。在第一隔室中以产丁酸菌为主，以后随隔室的推移，由甲烷八叠球菌为优势种群逐渐向甲烷丝菌属、异养甲烷菌和脱硫弧菌属等转变。
表1-6 ABR反应器各隔室内微生物种群的分布与COD去除率（HRT=24h）
在应用ABR解决COD高达16000mg/L以上的养猪废水处理问题时，配合我们特有的“势能增氧育氧酶氧化塔”工艺（简称育OE氧化塔），也就是应用四级ABR和育OE氧化塔处理，出水水质远远优于《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）的要求，可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）排放一级B标准。
1.3.1.3 好氧工艺
在前面已经较为详细地介绍了好氧工艺。
现行的处理工艺，活性污泥法、氧化沟法、SBR法、A/B法、生物接触氧化法等都是成熟的工艺，其对生活污水处理达到COD≤100mg/时的运行费用在0.8～1.4元，若再加上预处理部分的运行费用，则对高浓度有机废水处理的直接运行成本可高达2元/吨以上，这对于用户来讲是一项沉重的负担。
在前面中已经较为详细地介绍了降低运行费用的方法，并且介绍了势能增氧生态净化工艺。应用势能增氧生态净化工艺处理高浓度有机废水，经过了几代改进大大地降低了运行费用。
1.3.2 高浓度有机废水处理的工程实例
高浓度有机废水处理是一个统称，它包含各式各样的、不同的有机废水，需要针对不同的情况作不同的处理。不论应用什么工艺，最终总是需要采用厌氧、好氧工艺。这里推荐厌氧采用ABR、好氧采用PIEP工艺，比较成功，运行费用较低。
1.3.2.1 造纸黑液处理
20世纪80年代初期，国内的中小造纸厂用麦草制浆。其排放的黑液大量污染了河流。从1991年起我们即开始了造纸黑液的处理研究。
麦草制浆工艺都是将麦草切碎放入蒸球，并加入3％浓度的NaOH一同蒸煮，进行化学反应，将麦草变化为纸浆，清洗后即为白色纸浆，而清洗排出的水即为黑液。黑液主要成分是木质素和有机钠（NaOR），用常规的污水处理方法很难处理达标，我们在实验室中将当今的各种处理方法都实验过，都无法处理达标。
另一条路则是应用造纸黑液碱回收的方法。将黑液浓缩为28～30波美度后，进入燃烧炉燃烧（即高温氧化），将其中的木质素烧掉，使得黑液中的有机钠（无用的碱）氧化成为Na2O，再变为Na2CO3，再用石灰Ca（OH）2处理，变为CaCO3沉淀，上清液为NaOH，故称为造纸黑液碱回收。用燃烧办法进行造纸黑液碱回收，对于木材制浆工艺是成功的，回收的碱及热量都产生经济效益，可将运行费用抵偿还有盈余。但对于麦草制浆工艺造纸的黑液则不行，因为麦草制浆的黑液经过蒸发浓缩后，其热质低，不能自燃，需掺重油才能燃烧；另外麦草中含硅量大，会造成用蒸发器蒸发浓缩时蒸发器中的管路堵塞。因为高昂的处理费用导致规模不到年产3万吨的中小造纸厂不能应用该方法处理造纸黑液。因此，中央人民政府只能决定，在淮河流域上的所有造纸厂，若不能在1996年零点达标，则一律关停。用这个不得已的方法来解决造纸黑液的污染问题。
造纸黑液碱回收的关键工艺是通过燃烧（氧化）使NaOR变为Na2O，再变为Na2CO3的过程，其关键是氧化。燃烧方法是高温氧化，既然是氧化则常温之下亦可以氧化。故此，我们创造了造纸黑液碱回收-常温苛化法。
要使得NaOR通过氧化变为Na2O，再变为Na2CO3的办法是利用生物酶催化氧化。由于黑液主要成分是木质素和有机钠（NaOR），其中木质素是有机物，是产生高浓度COD的主要污染源。
造纸黑液碱回收-燃烧苛化法是将黑液浓缩为28～30波美度后，进入燃烧炉燃烧，是高温氧化。
造纸黑液碱回收-常温苛化法是应用氧化塔将黑液中的木质素和有机钠在常温下氧化，再苛化，作碱回收，从而解决了高浓度COD黑液污染环境问题。
详细试验资料见第2章。
1.3.2.2 淀粉厂废水处理
生物气氧化发生器设备于1999年应用于广西武鸣淀粉厂处理高浓度废水，进水COD浓度高达4000mg/L，通过两个推流的生物气氧化发生器也能将其去除11％左右，对高浓废水直接生化氧化来说，这个试验仍是成功的，详见第2章。
1.3.2.3 焦化煤气废水处理
扬州煤气厂生产过程中产生的废水属于高浓度有机废水。除COD浓度很高外，尚有
-N、酚、氰等污染物，其浓度都很高，在其排放的浓氨水中一般COD浓度高达22000mg/L。该设备的处理能力为1200m3/d（其中浓氨水50m3/d，终端冷却水150m3/d，冷却水1000m3/d），采用的厌氧池为6隔池，停留1日，增氧生态床为6层，每300mm为一层，2级势能增氧生态床串联处理，详见第2章。
1.3.2.4 厦门味精废水处理
我们在河海大学做了一个小设备生物氧化发生器，共三层，每层水箱容量20kg，供小试之用。我们用它处理了厦门味精厂废水，详见第2章。
1.3.2.5 肉松食品厂污水处理
南京腊梅食品厂排放污水量100～120m3/d，污水的COD浓度高达3000mg/L，SS浓度450～850mg/L，植物油类浓度300mg/L。
应用“势能增氧生态净化工艺”处理该厂的生产污水，取得了较好的效果。南京腊梅食品厂的应用证明如下。
“该设施合理效果理想，污水水质平均为COD=3000mg/L，出水水质平均为COD=100mg/L左右，十分稳定，且该套污水处理工艺简单，操作方便，能做到均性处理，不曝气，无噪声，不扰民，无易损件，坚固耐用，不投药（即不设专人管理），设备不堵塞，污泥量少。社会效益显著，本厂每年节约开支约4万元，3年已节约12万元，出水水质很好，没有臭气，没有噪声，群众反映好。”详见第2章。
该PIEP工艺无需应用罗茨风机鼓风曝气，且管理全部自动化，仅需1人（大大减少管理人员），运行费用降为0.24元/m3，水质可达到国家允许排放一级标准，是一个有应用前景的污水处理方法。