ABR反应器污泥减量化的研究

王仪超，吕顺亮，许海辉，徐炎华，赵贤广（南京工业大学环境科学与工程学院，江苏南京211816）

ABR反应器污泥减量化的研究

王仪超，吕顺亮，许海辉，徐炎华，赵贤广
（南京工业大学环境科学与工程学院，江苏南京211816）

采用ABR+生物接触氧化组合工艺处理甲醇模拟废水，通过测定COD、SVI、MLSS、MLVSS等指标，对比考察了ABR和常规厌氧反应器处理有机废水过程中的污泥性能和减量效果。实验结果表明：ABR与常规厌氧反应器相比，其对废水有着更好的处理能力，且抗冲击负荷能力更强，ABR中厌氧污泥的沉降性能更稳定。另外，ABR在稳定运行过程中的无机泥比例更高，能够更好地实现污泥减量化，其中ABR 3#隔室以产甲烷为主的特点使其对污泥的减量化最明显。

厌氧折流反应器；污泥特性；无机泥；污泥减量化

厌氧生物处理技术具有负荷率高、能耗低、运行成本低等特点〔1-2〕，在废水处理中得到广泛应用。但在采用厌氧生物处理技术处理废水的过程中，会产生大量的剩余污泥，传统的污泥处理与处置成本高〔3〕，能力有限，若处置不当会造成严重的二次污染。因此，有效减少污泥的产生，实现污泥减量化具有重要意义。

厌氧折流反应器（anaerobic baffled reactor，ABR）〔4〕作为第三代厌氧反应器，自问世以来受到广泛关注，其对高浓度有机废水具有很好的处理效果。在采用ABR处理废水时，ABR上流室功能相当于一个UASB〔5〕，借助废水的流动和气体上升的作用，反应器中的污泥可作上下运动，由于挡板阻隔和污泥自身的沉降性能，大部分厌氧污泥能被截留在上流室中；另外，水平方向上多个隔室串联的构造又能实现产酸相和产甲烷相的分离，实现厌氧消化的过程，也为污泥从源头上的减量化提供了可能性。本研究对ABR处理有机废水的效果进行了考察，同时考察了其在污泥减量方面的独特优势。

1　实验部分

1.1实验装置

ABR和生物接触氧化装置示意如图1所示。

图1　ABR+生物接触氧化实验装置

实验中所用的反应器均用10mm厚的有机玻璃自制而成。ABR尺寸为44.2 cm×12 cm×50 cm，有效容积8.5 L，被竖直折流板分成3个隔室，第1隔室有效容积为4.5 L，第2隔室有效容积为2.5 L，第3隔室有效容积为1.5 L。每个隔室又分上流室和下流室，其长度比约为4.5∶1，折流板折角为45°，能起到缓冲水流和均匀布水的作用。每个隔室均设有取样口、取泥口。常规厌氧反应器为单隔室反应器，有效容积为4.2 L。

生物接触氧化反应器尺寸为17 cm×12 cm× 37.5 cm，有效容积3.5 L。生物接触氧化反应器池底设有进水口、进气口及排泥口，池内设有支撑板。下支撑板的作用主要是承托填料，上支撑板的作用主要是防止悬浮型的填料随水流走。调节进气口的进气量可以控制进入装置的气体量，从而控制生物接触氧化系统中的溶解氧含量。

1.2实验水样及接种污泥

实验进水采用配制的模拟废水，分别以甲醇、氯化铵、磷酸二氢钾作为碳源、氮源、磷源，m（COD）∶m（NH3-N）∶m（P）=200∶5∶1。本研究中，原水中的氮和磷等营养元素均很充足，不构成污泥生长的限制性因素。将进水pH调节至7.5左右。

厌氧反应器和好氧反应器接种的污泥均为南京市某水务公司二次沉淀池的污泥。接种前先将污泥曝气2～3 d，待恢复活性后再接种到实验装置中，接种污泥体积约为反应器总容积的1/3。

1.3实验运行过程

本实验分2个阶段，连续运行65 d，第1阶段为1～31 d，第2阶段为32～65 d。各阶段的运行条件见表1。

表1　工艺运行条件

1.4分析方法

COD采用标准重铬酸钾滴定法测定，MLSS、MLVSS采用重量法测定。SVI是指污泥泥水混合液静置30min后，单位重量的污泥所占的体积数，用mL/g表示。

2　结果与讨论

为考察ABR处理有机物过程中的污泥减量效果，将常规厌氧反应器（机械搅拌）作为对比研究对象，同时各自在厌氧段后面加上生物接触氧化器作为一套完整的工艺流程。本实验以ABR+生物接触氧化作为工艺Ⅰ，常规厌氧反应器（机械搅拌）+生物接触氧化作为工艺Ⅱ。

2.1不同工艺对COD的去除效果

2种工艺对废水COD的去除效果如图2所示。

图2　2种工艺对废水COD的去除效果

由图2可知，在表1的运行条件下，工艺Ⅰ、工艺Ⅱ的COD去除率都很高，并且相差不大。ABR的COD去除率一开始就达到了80.8%，而常规厌氧反应器的COD去除率只有47.5%。运行30 d后，ABR的COD去除率稳定达到95%，比常规厌氧反应器高了17%左右。当进水COD提高到3 200mg/L左右时，进水有机负荷的提升导致常规厌氧反应器的COD去除率下降了14%左右；而ABR的COD去除率变化不大。ABR对废水COD的总体处理效果明显优于常规厌氧反应器。

甲醇可生化性较高、易降解，因此在厌氧阶段可去除废水中大部分的COD，剩余的有机物经过生物接触氧化段得到进一步降解，使得工艺Ⅰ与工艺Ⅱ的COD去除率最终能稳定在97.5%以上。ABR多级分布隔室结构上的优势可以有效地抵抗有机负荷带来的冲击，在高的有机负荷下，第2隔室和第3隔室可有效地起到缓冲有机负荷冲击作用。由于ABR可实现产酸相与产甲烷相的分离，使不同种群微生物在各自适宜的环境条件下生存，显著地提高了处理效率。所以，相比于常规厌氧反应器，ABR可以在更高的有机负荷下运行，并达到良好的处理效果。

2.2ABR各隔室对COD的去除效果

在表1的运行条件下，考察了ABR各隔室对废水COD的去除效果，结果见图3。

由图3可知，在前10 d，ABR各个隔室的COD去除率都有不同程度的提升，初期阶段，2#隔室的COD去除率要高于1#隔室，之后随着1#隔室中微生物的逐渐适应，1#隔室的COD去除率进一步提高，绝大多数的有机物在1#隔室得到了降解。在第31天提高进水浓度后，有机负荷的增高导致了初期1#隔室来不及降解大量COD，COD去除率骤降到66.5%，但由于进入后面隔室的底物浓度的增多，2#、3#隔室的COD去除率随之上升，总的COD去除率并没有受到容积负荷太大的影响，表明了ABR分隔室的构造具有良好的抗冲击负荷能力，后面隔室能起到很好的缓冲作用。

图3　ABR各隔室对废水COD的去除效果

2.3厌氧污泥SVI

在表1的运行条件下，对比考察了ABR和常规厌氧反应器SVI值的变化趋势，结果见图4。

图4　ABR和常规厌氧的SVI值随时间的变化

从图4可以看出，在实验初期阶段，常规厌氧反应器的SVI值很高，最高时超过145mL/g，沉降性能差，有发生污泥膨胀的现象。这主要是由于启动阶段的进水有机负荷较高，此时常规厌氧反应器中的污泥抗冲击负荷能力较弱，细菌吸附了大量有机物，来不及代谢，在胞外积贮大量高黏性的多糖物质，使得表面附着物大量增加，很难沉淀压缩。相比之下，ABR各隔室的污泥容积指数变化幅度明显小得多，且ABR的SVI值在初期远低于常规厌氧反应器，说明ABR的污泥有很好的凝聚性和沉降性。ABR分隔室的特点利于形成各自独立优势菌群，菌种之间能各司其职，有利于维持系统生物态的稳定，因而提高负荷并不会对ABR的SVI值带来明显变化。ABR各隔室污泥的体积指数随水流方向呈上升趋势，其原因是前面隔室的营养物质充足，颗粒污泥能得到很好的生长，提高了污泥的凝聚能力，因此1#隔室的SVI值最低。而常规厌氧反应器由于需要机械搅拌来保证泥水混合均匀，容易造成污泥松散和颗粒破裂，较难培养出粒径大、具有良好沉降性能的污泥。

3　污泥减量研究分析

ABR和常规厌氧反应器在运行过程中难免会有污泥随出水流向后面的生物接触氧化反应器；另外，由于实验室条件有限，实验过程中难以准确有效地测定出各工艺厌氧段的污泥流失量。故选取运行稳定之后的生化系统作为研究对象，对比研究ABR和常规厌氧反应器在处理废水过程中的污泥减量效果。由图2可知，ABR和常规厌氧反应器在运行了50 d后都达到了平稳运行的状态。运行稳定后，对ABR和常规厌氧反应器中的MLSS、MLVSS进行了测定（多次测量，取平均值），结果见表2。

表2　运行稳定后反应器处理废水的污泥减量效果

由表2可知，常规厌氧反应器中的MLVSS/ MLSS值要高于ABR各个隔室，说明污泥中挥发性有机质比例相对较高，但其COD去除率却比ABR低了6.5%。这是因为常规厌氧反应器为单一隔室，各菌种混合生长，生存环境不稳定，一定程度上会影响有机物的去除效果。而ABR分隔室的构造可以让各隔室内底物条件不同，从而可很好地实现产酸菌和产甲烷菌的分相功能。一般认为两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的分离，两大类厌氧菌群可以各自生长在最适宜的环境条件下，这样有利于充分发挥厌氧菌群的活性，提高系统的处理效果和运行稳定性〔6〕，另外，两相工艺中产酸菌和产甲烷菌的活性要分别比单相运行工艺高出4倍〔7〕，并可使不同微生物种群在各自合适的条件下生存。因此，虽然常规厌氧反应器中挥发性有机物较多，但其对有机物的降解能力反而弱于ABR。

由表2还可以看出，ABR中的无机泥比例要高于常规厌氧反应器，表明ABR中有更多的活性污泥发生着自我降解，其中无机泥比例最高的为3#隔室，达到了48.0%。与常规厌氧反应器相比，多降解生成的无机泥占到常规厌氧反应器中无机泥的54.8%，说明ABR能够更好地实现污泥减量化。ABR 3个隔室中的无机泥比例由大到小依次为3#隔室>2#隔室>1#隔室，3#隔室以产甲烷为主，甲烷化的进行能够将有机物转化生成CH4和CO2，从而能够很好地实现污泥消解。可见，ABR中产酸菌和产甲烷菌的分离有助于更好地实现污泥的减量化。

4　厌氧污泥的表观特征

对ABR和常规厌氧反应器中的厌氧污泥进行了SEM表征，结果见图5。

图5　ABR和常规厌氧反应器中污泥表面细菌形态

SEM表征结果表明，颗粒污泥表面都存在缝隙和孔洞，这些孔隙一方面能够使营养物质进入颗粒污泥内部，促进其生长，另外也是微生物代谢废弃物的通道，以及产生气体的释放渠道〔8〕。ABR 1#隔室污泥表面以杆状菌居多，主要是以利用氢的产甲烷短杆菌为主，属于专性厌氧微生物；2#隔室局部仍有杆状菌，但数量明显比前面隔室少，并开始出现一定数量甲烷球菌；3#隔室则明显以甲烷八叠球菌占绝对的优势。常规厌氧反应器污泥表面也可以观察到圆球状的产甲烷菌，但优势菌种并不明显。ABR的特殊结构使得不同的厌氧微生物菌种能够在不同隔室生长，反应器前端以产甲烷短杆菌为优势菌，后面的隔室则以甲烷八叠球菌为优势菌。分析原因可能是前面隔室挥发性脂肪酸（VFAs）浓度高，氢浓度很高，产甲烷短杆菌能从氧化H2的过程中获得代谢所需的能量〔9〕，到后面隔室VFA在产氢产乙酸菌的作用下能够很好地转化成乙酸，而甲烷八叠球菌比短杆菌对乙酸的亲和力高〔10〕，且专属性更强，因此甲烷八叠球菌更多地出现在后面隔室，同时也体现了ABR能实现产酸相和产甲烷相分离的特点〔11〕。

5　结论

分别采用ABR+生物接触氧化（工艺Ⅰ）、常规厌氧反应器（机械搅拌）+生物接触氧化（工艺Ⅱ）的组合工艺处理甲醇模拟废水，通过测定COD、SVI、MLSS、MLVSS等指标，对比考察了ABR和常规厌氧反应器处理有机废水过程中的污泥性能和减量效果。结果表明：

（1）工艺Ⅰ、工艺Ⅱ对废水COD都有非常高的去除率，稳定后都能达到97.5%以上。ABR对COD的去除效果优于常规厌氧反应器，且ABR的耐冲击负荷能力明显更强。ABR降解有机物的过程主要发生在1#隔室，后面的隔室可以起到很好的缓冲作用。

（2）在处理废水的过程中，ABR各隔室的SVI值波动较小，且SVI值沿流程方向逐渐减小。另外，ABR中污泥的凝聚性和沉降性能都优于常规厌氧反应器。

（3）稳定运行时，ABR中的无机泥比例要高于常规厌氧反应器，表明ABR在污泥减量方面优于常规厌氧反应器；同时ABR 3#隔室中的无机泥比例最高，说明ABR产甲烷过程比产酸过程的污泥减量化效果更明显。

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Study on the sludge reduction ofABR reactor

Wang Yichao，LüShunliang，Xu Haihui，Xu Yanhua，Zhao Xianguang
（College of Environmental Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

The combined process，ABR-biological contactoxidation，has been used for treating simulatedmethanol wastewater.Through determining the indexes，such asCOD，SVI，MLSS，MLVSS，etc.，the sludge characteristics and reduction effectof ABR reactor and conventional anaerobic reactor in the process of treating organic wastewater are contrasted and investigated.The experimental resultsshow thatcontrasted with conventionalanaerobic reactor，ABR hasbetter treatment capacity forwastewater，and stronger stock resistance load capacity.The settleability of anaerobic sludge in ABR ismore stable.In addition，the inorganic sludge proportion of ABR in the stably running process is higher，being able to achieve better sludge reduction，in which the sludge reduction resulted from themain characteristicsofmethane-production in the third compartmentof ABR is themostobvious.

anaerobic baffled reactor；characteristicsofsludge；inorganic sludge；reduction ofsludge

X703

A

1005-829X（2016）10-0032-05

王仪超（1990—），硕士研究生。E-mail：1158820690@ qq.com。

2016-08-08（修改稿）