厌氧折流板反应器处理赤糖废水的启动期

赵倩，褚艳玲，吴锋

（深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东 深圳518055）

厌气折流板反应器（ABR）作为一种新型的厌氧反应器［1］，以其独特的结构成功实现反应器中相分离［2］，但ABR的启动也因此存在一定难度：反应器的第1隔室承受的负荷远大于反应器承受的平均负荷，降低了启动过程中提高反应器容积负荷的速度［3］。此外，有关启动过程里ABR反应器中内在处理规律的研究尚不充分，如启动过程中ABR各隔室降解规律、各隔室微生物分布的概况等［4－5］，但如果能加大对上述因素的研究，可更加了解ABR反应器。

赤糖废水中的主要营养物质就是糖类［6－10］，所以其特点就是有机物含量高，可生化降解性好，是一种具有代表性的碳水化合物类的有机废水。本试验通过ABR处理赤糖废水的启动情况以及在启动阶段不同进水容积负荷对ABR的影响，分析了如何在较高的容积负荷下快速启动ABR反应器。

1 材料与方法

1.1 仪器

反 应 器 长、宽、高 分 别 为95cm、12cm、80cm，总有效容积为43.2L。反应器共分5个隔室，其中，前4个隔室下部的边缘设置的呈60°倾角布水导流板将每个隔室分成体积比约为4∶1的上升流区和下降流区。隔室5不仅是厌氧反应室，也作为沉淀池，以降低反应器的污泥流失。为使沉淀效果更好，隔室5的体积设计为其他隔室的2倍。

废水经蠕动泵送入ABR第1隔室的下向流室，由导流板引流至上向流室的最底端，再经上向流室流入第2隔室的下向流室；这样废水以推流方式依次进入各隔室，最后经第5隔室的上向流室排出反应器。各隔室产生的发酵气体，由集气管导出，产气量由水封后的湿式气体计量表计量。试验过程中反应器内温度始终控制在（35±1）℃。

1.2 材料

本次实验采用人工稀释而制成的赤糖废水为底物。这种废水含糖量高有机物含量丰富，可生化降解性好，是一种具有代表性的碳水化合物类的有机废水。供试接种污泥取自文昌污水处理厂二沉池活性污泥。由于经过脱水处理，污泥内含有大量絮凝剂，首先得去除污泥里的絮凝剂。接种污泥经过滤、沉淀、淘洗等阶段后，用人工配制的赤糖废水间歇好氧培养一段时间，直至污泥颜色由以前的黑色或灰黑色变为黄褐色，且污泥絮体沉降性能良好，此时的污泥才能接种到反应器内。接种污泥首先经沉淀静置后舍去上清液后，置入ABR反应器内，并注入试验用人工合成污水，进行连续培养驯化［11－12］。第1隔室要承受更高的有机负荷，故其污泥接种量比其他隔室多，以避免因负荷过高发生反应器酸化［13］。

1.3 实验方法

废水配制时投加适量的复合肥，维持废水中COD∶N∶P≈1000∶5∶1，以保证污泥里的微生物在生长过程中对N、P营养元素的需求。本实验用NaHCO3调节进水pH值，但NaHCO3的量不宜过多［14－15］。在ABR反应器运行过程中，通过对反应器的温度、pH值、COD等运行参数的监测，对系统的运行条件、污泥的驯化过程进行分析。

1.4 分析方法

采用国家标准方法测定COD、pH值和氧化还原电位（ORP），实验中需要测量的参数及测量方法见表1。

表1 主要分析项目

2 结果与讨论

2.1 ABR启动方式

新建的系统接种驯化后的污泥，并且使反应器达到设计承受有机负荷和COD处理效果的过程就是厌氧反应器的启动过程［17］。本次实验设计负荷为6.00kg COD／（m3·d），当反应器在此负荷下COD去除率达到80%以上并保持稳定，此时的反应器运行状态即是反应器成功启动时的运行状态［8］。

厌氧反应器启动的影响因素很多，如废水的组成成分和浓度、环境条件、接种污泥量和活性［19－20］。当 然，操 作 条 件（HRT、COD容 积 负荷）、反应器的结构也是影响反应器启动的因素，而厌氧反应器能否成功启动是反应器是否能正常运行的首要条件。如何启动反应器取决于废水水质，而高浓度污泥有助于提高启动反应器成功率。接种高浓度污泥是为了让反应器快速启动并在短期内达到更高的COD去除率和较多的产气量，并能加快污泥颗粒化的形成量［21］。

本实验采取固定水力停留时间，提高进水有机负荷的方式启动。第一次启动时将最初进水容积负荷保持在3kg COD／（m3·d），即进水COD浓度3000mg／L。待运行稳定后逐步提高容积负荷，并且密切注意反应器pH值的变化情况，反应器出现酸化现象则及时进行调整。第二次启动时，降低最初进水容积负荷至1kgCOD／（m3·d），进水COD浓度1000mg／L。

实验过程参数见表2、表3。

表2 第一次反应器启动过程参数控制

表3 第二次反应器启动过程参数控制

2.2 第一次反应器启动过程

第一次启动实验拟为80天，设定每20天增加进水COD浓度，实验进水的pH值由NaHCO3调节维持在7.5～8.0之间，反应器设置了恒温装置，使温度稳定在35℃左右。进水和出水的COD见图1。

图1 第一次启动期反应器的进水COD和出水COD

实验前3天，COD去除率较低，这属正常现象。但在启动20天后反应器内COD去除率仍较低，一直维持在50%左右。20天以后将COD浓度提高，去除效果仍较差。启动失败。而反应器中pH值的变化也较为明显，反应器启动初期，各隔室pH值较为稳定，基本在6.5～7.0之间。随着时间的增加，各隔室pH值开始下降，第1隔室pH值下降尤为明显，最低时甚至达到4.0。这是由于启动初期高负荷的冲击，导致反应器内污泥活性降低。

实验证明，在启动初期，较高负荷可能让系统污泥活性降低，使反应器pH值变化幅度过大，产甲烷菌对pH值的变化较为敏感，而产酸菌对低pH值的耐受性较大，这就使产甲烷过程受到抑制，但产酸过程却不受影响情况，由于产甲烷菌活性降低，不能降解产酸过程中产生的挥发性酸，反应器酸性物质大量积累，使得反应器内部最终酸化导致启动失败。所以在第一次启动失败后，拟定较低的最初进水容积负荷，进行了第二次启动。

2.3 第二次反应器启动过程

2.3.1 第二次反应器启动阶段进出水COD变化

第二次启动实验进行了70天，其他条件与第一次启动时保持不变，重新接种污泥。开始进水的前10天，容积负荷设定在1.0kgCOD／（m3·d），HRT固定为24h。反应器启动10天后逐渐提高进水COD浓度，实验结果如图2。

图2 第二次启动期反应器的进水COD和出水COD

实验开始的前3天，反应器出水COD比进水COD高，这就意味着此时反应器COD的去除率为负值。经查阅文献分析认为，在实验初期，反应器中沉降性较差的污泥随水流排出反应器。这些污泥本身COD含量就比较高，从而导致出水COD值比进水COD值高。反应器有少量的污泥流失现象发生，但这属正常现象，对实验结果影响不大，不用额外再往各隔室里添加污泥。7天后，反应器COD去除率逐渐提高，这意味着反应器内污泥和微生物生长已趋于稳定，污泥流失量有所减少。同时，反应器前两隔室的气体流量计读数有了明显变化，说明反应器开始产气。反应器的出水具有刺激性气味，这是因为在实验的启动初期，反应器进水COD浓度低，反应器COD去除率快速增加，在反应器启动的第10天左右，去除率达到80%以上。

实验进行10天后，提高反应器进水有机负荷。由图2可以看出，每当反应器进水有机负荷开始提高，反应器COD去除率在接下来的2～3天内有所降低，随着进水有机负荷的稳定，COD去除率又开始上升。这表明反应器中污泥需要一段时间适应有机负荷的变化，一旦反应器适应了新的有机负荷，反应器COD去除率就开始稳定维持在80%以上，最高时甚至能超过95%。

实验第20～30天，有机负荷提升至4.00kg COD／（m3·d），过高的有机负荷导致反应器COD去除率又开始下降，此时稍微调节降低进水COD浓度，反应器COD去除率开始缓慢提高。在第31天再次提高反应器有机负荷，反应器COD去除率又趋向稳定维持在80%左右。

实验第41～50天，反应器有机负荷反应器COD提升至5000mg／L，反应器COD去除率明显下降，由85%下降至73%。但由于反应器本身抗冲击负荷能力较强，反应器适应高负荷进水后，COD去除率又开始趋向稳定。

实验启动最后阶段，反应器最终有机容积负荷提高6.00kgCOD／（m3·d）。由于反应器已经能适应高负荷冲击，所以COD去除率下降时间较短，很快反应器去除率维持在80%以上。

2.3.2 反应器启动阶段各隔室COD变化

反应器启动初期，前两隔室对COD的去除其主要作用，其他隔室内COD去除率均不足10%。随着启动期反应器运行性能的稳定，各隔室对COD的去处率也开始趋向于稳定。但由于第1隔室承受较大的有机负荷冲击，所以第1隔室COD去除率没有其他隔室稳定。实验结果见图3。

图3 第二次启动期反应器内各隔室COD变化

实验开始的前3天，各隔室对COD的去除不明显。当反应器运行至7～10天时，反应器已经适应了当前的有机负荷，各隔室对COD的去除开始稳定。

从图3中可以看出，尽管通过增加进水的COD增加反应器容积负荷，会对反应器产生一定影响，但反应器独特的构型及推流特征决定了增加负荷时整个系统仍处于相对稳定状态，COD去除率不会骤然下降，但是在负荷冲击下，由于第1隔室承受的有机负荷远大于其他隔室，所以第1隔室在反应器提高负荷时COD去除率波动最大，其他各隔室对COD的去除率也有所降低。但在反应器接种污泥时，考虑到第1隔室承担了较大的有机负荷，其接种的污泥量比其他隔室多一半，所以在增加有机负荷时，第1隔室也能较快地适应新的冲击负荷。

2.3.3 启动过程中pH值和ORP的变化规律

在ABR反应器启动过程中，pH值是一个重要的监测参数。pH值受有机酸积累的影响较大，而对pH值十分敏感的产甲烷菌对反应器的启动至关重要。在反应器中，一旦pH值过低，就会导致产甲烷菌的活性迅速降低，这就对反应器的运行带来不良影响；且产甲烷菌活性的恢复十分缓慢。所以，在启动过程中，需及时测量反应器内pH值。若pH值过低时，则说明反应器开始出现酸化现象，需采取手段对反应器内的pH值进行调节。本次实验是通过增加进水碱度的方式调节反应器pH值，氢氧化物和碳酸氢钠都能调节碱度，但一般采用添加碳酸氢钠来调节pH值。碳酸氢钠的缓冲能力较强，而且添加碳酸氢钠不会对反应器内CO2的含量产生影响。

由于本实验是采用固定水力停留时间的同时低负荷启动，启动初期进水COD一直维持在1000mg／L。从pH值的对比来看，启动阶段第1、第2隔室产酸现象比较明显，pH值明显低于其他隔室。实验结果见图4。

图4 启动期进水pH值、各隔室pH值的变化

由图4可看出，反应器进水pH值维持在7.0～8.0之间，保证进水pH值在中性偏碱的范围内。启动初期，反应器第1隔室和第2隔室pH值均低于其他隔室，变化范围在5.5～6.0之间，但这只是轻度酸化；其他隔室的pH值一直维持在6.0以上，这是反应器正常运行的象征。在启动20天后，反应器的各隔室的pH值都有所下降，这是因为提高有机负荷，污泥对COD浓度的提高需要一段时间调整。每一次提高有机容积负荷，各隔室的pH值都呈先下降后上升的趋势，跟COD去除率上升时间一致。反应器启动初期，系统内水解过程主要是由第1隔室来完成的，所以第1隔室pH值明显低于其他隔室，且上升速度远远不及其他隔室，其pH值从6.5逐渐降低到5.3。由于本试验是低负荷启动，反应器启动初期进水COD一直维持在1000mg／L，接种污泥活性较低，所以启动前20天，其污泥承受负荷能力较差，所以在反应器启动初期系统抗酸能力较差。随着污泥的逐渐驯化，反应器的污泥负荷率逐渐降低，当反应器进水容积负荷不变时，pH值变化也不大。随着进水COD浓度的提高，各隔室pH值均有所下降。在整个运行过程中，第1隔室pH值的范围在5.2～6.5之间，第2隔室pH值的范围5.5～6.7之间，第3隔室pH值维持在5.7～7.0之间，第4隔室pH值维持在6.6～7.2之间。反应器各隔室内pH值都高于前一隔室。

ORP也是微生物的生存状态的重要影响因子之一。反应器内不同微生物对厌氧生境的需求不同，其生长繁殖所需要的ORP也不相同。图5反映了反应器启动期ORP的变化情况。初期经过2天的发酵，系统内的溶解氧逐渐被系统中的微生物所消耗，这时兼性微生物的活性下降，由于第1隔室的污泥量较高，所以第1隔室的ORP最低。启动初期各隔室的ORP都呈现出波动性变化，这可能是在启动期的初期，系统中的微生物消耗反应器中的溶解氧，因此导致反应初期系统内溶解氧低。系统运行到第20天以后，各隔室的ORP有所上升且变化不大，这说明系统已开始趋于稳定。当反应器进水有机负荷提高后前2天，各隔室ORP变化较为明显；当有机负荷提高后运行3天左右，各隔室ORP变化开始趋向平稳，这充分体现了反应器较强的抗冲击负荷能力以及ABR的稳定特性。

图5 启动期各隔室ORP的变化

3 结 论

（1）ABR反应器在较高的容积负荷条件下启动时，由于系统内污泥活性较差，其承受冲击负荷能力也较差，COD去除率较低，需要启动时间较长，而且启动过程极易失败。

（2）以较低的进水COD浓度来启动ABR反应器，系统经过70天后成功启动，此时，容积负荷 达 到6.00kgCOD／（m3·d），COD去 除 率 在80%以上。

（3）启动初期，反应器对COD的去除率较低，除隔室1、隔室2对去除COD效果较好，其他隔室内COD去除率均不足10%。启动中期，ABR开始逐渐显现其优良的运行稳定性，但在增加有机负荷时，COD的去除率会暂时降低；当反应器适应新的容积负荷后，去除率又开始恢复到80%以上，并保持稳定。

（4）由于ABR反应器结构独特，较易造成隔室中大量有机酸的积累，不易过快提升反应器有机负荷，反应器有机负荷提升应为原负荷的1.2～1.5倍。每次提升反应器有机负荷时，各隔室pH值都会在新负荷的冲击下暂时下降，当反应器继续运行2～3天后，pH值又开始上升。

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