厌氧折流板反应器(ABR)的启动研究

董凌霄， 秦 宁

(陕西科技大学资源与环境学院， 陕西 西安 710021)

0 引 言

厌氧折流板反应器(Anaerobic Baffled Reactor )简称ABR，是20世纪80年代由MaCarty开发的一种新型厌氧反应器，其结构特点是反应器被垂直设置的挡板分割成几个格室,废水逐级经过各格室,类似于多个UASB串联.与其它厌氧反应器相比,该反应器具有污泥沉降性能好、抗冲击负荷能力强、对毒物适应性强等优点，此外它还有结构简单、无需三相分离器、造价低、无污泥堵塞、运行管理方便等优点[1].

本实验对ABR反应器的启动过程进行了研究，考察了整个启动过程中pH及挥发性脂肪酸(VFA)以及碱度随COD有机负荷的变化情况,并对启动成功后污泥的特征和反应器生物相进行了分析.

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1 实验装置示意图

该厌氧折流板反应器由8 mm厚的有机玻璃制成,反应器分为六格室,每一格室又由上、下流室组成,上向流室与下向流室宽度比为3∶1, 通往上流室的挡板下部边缘有45°倾角的导流板布水,便于将水送至上流室的中心,使泥水充分混合以维持较高的污泥浓度.每格室侧壁上部设有污水取样口,用于取样监测污水水质；每格室侧壁下部设有污泥取样口，用于取样监测污泥；每格室顶部设有排气孔，整个实验中温度由恒温水浴锅进行控制，反应器长×宽×高为:524 mm ×170 mm×460 mm,有效容积为20 L.

1.2 实验用水水质

实验用水为人工配制葡萄糖废水,浓度为872～3 520 mg/L , 并按COD∶N∶P=250∶5∶1加入氯化铵和磷酸二氢钾，同时加入一定量的微量元素Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等.

1.3 接种污泥

接种污泥取自西安邓家村污水处理厂二沉池，污泥体积约为反应器有效容积的1/3.此时, VSS/TSS=0.287左右.将此污泥在35 ℃的恒温培养箱培养两周后投入反应器接种,接种污泥量为7.5 L.

1.4 分析项目及方法

COD采用标准重铬酸钾法[2];VSS和TSS采用重量法[3]；VFA用直接蒸馏法[4];碱度用溴甲酚绿-甲基红测定；温度用恒温水浴锅控制.进水浓度分别为800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 mg/L，再将COD固定在3 500 mg/L，逐步缩短HRT到12 h,以考察反应器的抗冲击负荷能力，连续运行67 d,考察每个格室的厌氧污泥、pH值、COD、VFA、碱度等指标的变化.

2 结果与讨论

2.1 ABR反应器的启动

实验自2009年11月15日开始，启动采用的控布参数如下:温度控制为25～32 ℃.进水采用人工配置的葡萄糖废水，并投加NaHCO3补充碱度.在启动前期，碱度按COD/碱度=2/3投入，后期按COD/碱度=1.5/3投入.反应器的启动分为高负荷启动和低负荷启动，本实验采用低负荷启动的方式进行.启动过程经过了3个阶段：第一阶段保持HRT=24 h左右,逐步将进水浓度由800 mg/L提高到1 500 mg/L左右,主要考察进水浓度对反应器运行性能的影响；第二阶段将进水浓度由2 000 mg/L提升到3 500 mg/L,平均有机负荷为2.15～2.99 kg/m3·d；第三阶段将HRT缩短到12 h，主要考察反应器抗有机冲击的性能.COD去除率达到93.3%左右,并且运行稳定时，认为ABR启动成功.

2.2 ABR启动过程中COD的变化

2.2.1 ABR对COD的去除率

从图2可以看出，每次负荷提升后，COD去除率均有所下降，主要是因为反应器对污泥的淘洗作用使得出水的悬浮物浓度较高,COD去除率很低,只有59.2%左右，并有污泥上浮现象产生.但接下来几天COD去除率逐步提高并趋于稳定，这说明增加容积负荷后厌氧污泥的质量浓度和活性不断增加，污泥的生物吸附、絮凝、分解的有机物相应增加，同时也说明ABR具有较强的抗冲击负荷能力，具体表现为启动前期COD去除率比较低，在59.2%左右.随着运行时间的增加，微生物逐渐适应了所处的环境，COD去除率逐步上升，当反应器的容积负荷增加到1.17 kg/m3·d时，COD去除率达到了80.5 %；继续增加负荷到1.78 kg/m3·d时，COD去除率可达84.2%;再增加负荷到2.24 kg/m3·d，去除率有所下降，降幅为3.7%；最后提升负荷到3.52 kg/m3·d，则由于负荷过高而使得去除率下降，但是经过培养驯化后去除率可稳定在93.3%.

图2 COD去除率随时间的变化情况 图3 各格室COD的降解情况

由图3可知，在改变负荷时，1、2号格室承受的原水波动的冲击最大，因而COD变化也较大，它们对COD的降解起着主导作用，随着格室的推移，它们对COD的降解基本趋于稳定，反应器COD总的去除率基本保持在82%～93.3%，有机负荷与去除负荷成正比，这与Akuna的研究一致[7]，表明ABR具有较强的耐冲击负荷能力.

2.2.2 ABR启动过程中碱度和pH的变化

碱度的意义在于为反应提供足量的可供中和产酸阶段生成的VFA的碱度，防止反应器内pH值的过度下降[5].在此反应器启动过程中，碱度是变化的，在启动初期，有机物的酸化过程是消耗碱度的过程，而产甲烷的过程是恢复碱度的过程[6].但是对于一个运行良好的反应器来说，碱度的调节是必不可少的，同时也为了更好的培养出颗粒污泥.在反应初期，碳酸氢钠的投加量按COD/碱度=2/3投入，后期按COD/碱度=1.5/3投入.

图4 低负荷运行期间碱度、COD、pH的沿程变化 图5 高负荷运行期间碱度、COD、pH的沿程变化

可以看出，在低负荷和高负荷运行条件下，各格室内碱度和pH基本都呈一个升高趋势.由图4可见，碱度和pH的最低值都出现在第一格室内，随后都逐步升高，主要是因为在低负荷下微生物能够及时将中间产物降解掉，转化为甲烷，而产甲烷的过程是一个碱度恢复的过程，于是在运行稳定的情况下碱度和pH均会升高.但是在较高负荷下，第一格室还不足以完成全部的酸化，葡萄糖的酸化过程在后续各格室内持续进行，直至完成，因此碱度和pH的最低点也会相应后移.在COD为3 500 mg/L,HRT为12 h,COD容积负荷为7.0 kg/m3·d时，碱度、COD、pH之间的关系如图5所示.由图5可见，碱度在第2格室最小，pH在第3格室最小.

2.2.3 ABR启动过程中VFA的变化

图6 进水COD与出水VFA的变化情况

在厌氧反应器中，由于氢氧化物和碳酸氢钠等缓冲物质的存在，仅根据pH值难以判断挥发酸的积累情况，而挥发酸的过度积累会直接影响产甲烷活性和产气量，所以对出水VFA的测定有很重要的意义.由图6可以看出在整个实验过程中，随着COD的逐渐升高VFA呈下降趋势，但是会出现波动，即在COD有机负荷刚开始升高时出水的VFA会出现暂时性升高，这主要是因为负荷升高，中间产物累积，甲烷菌未能及时将VFA转化为甲烷，所以才会出现暂时的升高，一旦微生物适应该负荷后，去除效果提高，中间产物VFA累积量就会减少，这种现象足以说明ABR具有很高的抗冲击负荷能力.

2.3 污泥颗粒化及生物相组成的研究

2.3.1 污泥颗粒化

实验过程中定期对颗粒污泥进行电镜观察，在启动成功时，各格室污泥出现了不同程度的颗粒化现象，特别是1、2、3格室经过多天的培养驯化后污泥的活性得到了很重要的改善，反应器启动成功后各格室基本都布满了颗粒污泥，平均粒径为2～3 mm，并且各格室颗粒化程度不一，1号格室粒径最大，最大可达4 mm,这主要是因为反应器前端有机负荷高，营养丰富，有利于菌种的生长繁殖.反应器中的颗粒污泥颜色也不一，如图7和图8所示污泥分别为低负荷和高负荷时1号格室的颗粒污泥形状，可以看出高负荷下颜色呈灰色、灰白色，低负荷下呈黑色.

2.3.2 微生物组成

利用电镜进行了污泥表面特征及主要菌种的观察，结果发现1、2格室以丝状菌、球菌、短杆菌为主，相互交织成网状杂以链球菌，随着格室的推移逐渐出现球菌、双球菌、八叠球菌等，同时发现颗粒污泥表面有许多空隙和洞穴，在低负荷时空腔更为明显，这主要是由于基质不足而引起的细胞自溶[4].

在COD有机负荷为1.78 kg/m3·d，HRT=24 h时负荷较低，扫描电镜照片如图7所示，可以看出表面空隙很多，并有甲烷丝状菌缠绕，由于此时微生物营养匮乏， 所以污泥表面会出现许多空腔，这是由于细胞自溶而导致的.当有机负荷为7 kg/m3·d，HRT=12 h时负荷较高，可以满足微生物生长需要，从图8可以看出此时颗粒污泥呈现白色或灰白色.

图7 低负荷下污泥的扫描电镜照片 图8 高负荷下污泥的扫描电镜照片

3 结论

(1)在25～32 ℃条件下, 经历67 d, 共3个阶段成功地启动了ABR反应器, 进水COD容积负荷由0.82 kg/m3·d达到7.0 kg/m3·d , 出水的COD、 pH值等均未超出限度.

(2)VAF和pH值随格室的变化说明ABR反应器中存在产酸和产气相的分离，这种相的分离是促进反应器稳定高速运行的重要条件，而ABR反应器的折流板结构正提供了这样一种相分离所需要的工艺条件.

(3)镜检实验表明，第一格室存在大量的优势的发酵细菌, 并有代谢乙酸的丝状甲烷细菌，然后颗粒污泥中的微生物逐渐向以产甲烷细菌优势的菌群过渡.反应器格室中的颗粒污泥形状各异,表面凹凸不平,存在孔隙和洞穴，颗粒较大的污泥表面有空腔出现.

(4)ABR具有良好的稳定性和抗冲击负荷能力，在改变冲击负荷时，系统能在很短的时间内达到稳定，并且去除效果良好.

参考文献

[1] William Pbarber, David C Stuckey . The use of the anaerobic baffled reactor ABR for wastewater treatment: a rview[J]. Watet Res.,1999，33 (7): 1 559 -1 578.

[2] 国家环保局.废水处理新技术—理论与应用[M].北京:中国环境科学出版社，1999.

[3] 国家环境保护局.水和废水监测方法(第三版)[M].北京:中国环境科学出版社，1997：233-237.

[4] 贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版社，1998.

[5] 黄永恒.折流式厌氧反应器的水利特征性及工艺特性研究[D].北京:清华大学硕士学位论文，1999.

[6] 唐 一.碱度与水力负荷等因素对UASB中颗粒污泥化影响的研究[D].北京:清华大学硕士学位论文，1989.

[7] Akuna J C.Performance of a granular-bed anaerobic baffled reactor treating whisky distillery wastewater[J].Bioresouce Technology,2000,74:257-261.