ABR反应器处理制糖废水研究进展

赵 璐，彭方玥，曲 震，李永峰

(东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

0 前言

我国制糖行业发展十分迅速，在国际糖业界具有举足轻重的地位[1]。制糖行业发展的同时也产生了大量的制糖废水，由于采用的制糖原料和工艺不同，产生的废水量也不同，但多数的制糖工厂每天排放的制糖废水量都超过了10 000 t[2]。且制糖废水由于处理量较大、酸度大、色度深、有机物含量多、污染负荷高等特点得到了研究者的关注，制糖废水的处理问题也成为了人们研究的重点。我国的制糖废水主要是甜菜或甘蔗加工过程产生并排出的废水以及酒精车间废水、斜槽废水等。由于甜菜含水率较高，产生的甜菜制糖废水首先考虑的是回收再循环利用，无法回收的制糖废水需经处理达标后再排放[3]。

国内外多位研究者都对制糖废水的处理问题进行了深入研究，如N.V.Pradeep采用DSFF来处理糖废水[4]、Yongqiang Zhu采用ABR进行处理[5]、陈红采用CSTR作为反应装置[6]、钟国强对比了处理制糖废水的两种工艺[7]等等。目前制糖废水的常用处理技术有物化法和生化法，而制糖废水具有较强的可生化性，国内外对该废水的处理常采用生化法。在生化法中，采用ABR进行厌氧处理的方法因具有投资运营成本较低且产生的污泥量较少、能耗低等优势得到了广泛应用[8]。

1 ABR结构及特点

斯坦福大学的McCarty等人在20世纪80年代第一次研究构建了第三代厌氧生物反应器—ABR反应器(厌氧折流板反应器)[9]，其特有的多格室结构使其相较于第二代厌氧反应器在污水处理效果以及产氢性能方面都得到了较大提升。

1.1 ABR的结构

经过多年的研究调整，ABR反应器的结构已经得到了较大程度的优化。ABR反应器由数组内置的垂直导流板分隔开，在其内部形成数个串联的反应格室，每个格室相当于一个独立的升流式厌氧污泥床系统，各格室有其独立的集气装置以便单独分析各个格室产生的气体成分，这也有助于系统的稳定[10]。ABR系统内的污泥经过不断驯化在各个格室内形成适应该格室环境条件的不同的微生物群落，使产酸相与产甲烷相得到有效分离，待处理的污水依次流经各个格室与微生物充分接触从而逐步得到降解。研究者们将反应器起初上下折流板的相等间距调整成上流室宽下流室窄的构造，使得上流室水流上升速度降低，并将底部折流板设计成转角结构，这种设计可以使得布水均匀，污泥与废水进行充分的混合，且改善了之前易产生死区以及污泥流失等问题。郑阳等在反应器内嵌入鹅卵石作为填料，使其与反应器构筑成新型的“活性污泥-生物膜”反应器[11]，如图1。

1.取样口 2.出水口 3.排污口 4.导流板 5.气体流量计 6.进水口 7.活性炭 8.废水箱 9.横流泵图1 ABR反应器结构示意图

1.2 水力特性

反应器的水力条件对处理污水的效果以及反应器产氢性能都有很大的影响。ABR内部设置的折板结构将每个格室分为上向流室和下向流室，污水沿程逐格室流经反应器，上下折流翻腾，因此在单独的格室内起到很好的混合作用，而折板也能有效阻止各个反应格室的返混，使整体的水力流态呈现水平推流式。因此ABR反应器的水力流态是介于水平的推流式(整体上)和混合流态(各格室)之间的复合流态模式。张寿通[12]等的研究表明，ABR反应器的水力特性受到其结构的影响。HRT的增加会导致反应器由混合式向推流式转变，即正常运行条件下，HRT越大，混合的程度就越强。此外，斜板式ABR反应器相较于普通ABR而言可以增大死区的容积率，更有效地防止污泥的流失。许明[13]等的研究表明，反应器有效容积一定时，将ABR的格室数量从3个增加到6个，反应器的死区百分比相应的由15. 51%下降到1. 87%，在实际操作中，可根据情况适当增加格室数量，格室越多，整体水力状态越接近推流式，最佳反应器格室数为4-5个。于少亭等[14]采用CFD与RTD技术分析反应器的水力特性，确定最佳的上下流室宽度比为4∶1。

ABR反应器的水力流态以及空间的利用程度对污水与微生物的接触时间、反应器的处理效率等都有较大的影响，因此对ABR反应器的水力特性的探究仍在继续，对于如何更有效地减少水力死区和生物死区、如何最大化的利用反应器的容积、如何调控找到适合反应器的水力流态等问题都有待进一步研究。

1.3 微生物相分离特性

在众多的反应器中，ABR反应器完美利用了G.Lettinga教授提出的分阶段多相厌氧工艺(SMPA)的思想。SMPA的主要思想就是将各个反应区分隔开，在每个反应区内驯化出与该区域底物相适应的微生物种群，使这些微生物与底物最大限度的接触反应，从而有效提高其反应效率，且污泥之间不会发生混合。ABR反应器的一个显著优点就是仅仅利用反应器的结构实现产酸相与产甲烷相的分离，有效降低成本[15]。在污水逐格室流经反应器时，各格室的优势种群发挥主要作用，而其他微生物则逐渐死亡。经过不断地淘汰和自然选择，最终只有优势种群活跃在该反应格室中，使得该格室内反应不受到其他微生物的干扰。但与此同时，折流板的结构也带来了一些弊端，如第一反应格室所需要承受的负荷较其他格室更大，因此在实际运行中，第一格室的污泥投加量应较其他格室更大。

1.4 颗粒污泥特性及截留污泥性能

研究表明，颗粒污泥在ABR反应器的启动运行过程中是可以形成的。如Boopathy[16]等人以糖浆废水为底物启动ABR反应器，在30 d时，三个格室内均出现平均粒径0.55 mm的灰色球形颗粒污泥，且随着反应器的启动运行，颗粒污泥的粒径也在不断增大。Baber等[17]人的研究表明，反应器中间部分的颗粒污泥粒径最大，且污泥的浓度越高，产气率低的条件下污泥的粒径会较大。但Holt等[18]人以含酚废水为底物的研究则认为颗粒污泥粒径是逐格室递减的。沈耀良等[19]研究了几种金属离子对颗粒污泥形成及ABR反应器运行的影响，结果表明，投加一定量Ca2+、Fe2+、Mg2+等重金属离子对反应器中颗粒污泥的活性产生一定影响，污水的处理效果也较之前更好。杜接弟[20]的研究表明当HRT由22 h降低至5 h时，颗粒污泥的粒径逐渐增大且形态更加稳定，且在反应器前端分布的主要菌种为杆菌而后端格室则主要为丝状菌，而球菌则分布较广泛并出现在多个运行阶段。

2 制糖废水的处理方法

2.1 制糖废水特性

制糖废水是我国工业废水的重要组成部分，是采用甜菜或甘蔗制糖过程中产生的工业废水以及采用糖蜜废水发酵制造酒精的过程产生的的废水。制糖废水包括低浓度的设备冷却水、中浓度的甜菜洗涤废水(悬浮物较多)、高浓度的泥浆和洗涤布水以及糖蜜酒精发酵废水等重度污染的废水。因含有大量的纤维素、蛋白质以及糖分等有机物导致BOD及COD的值较高，且具有酸度较大，色度深、产量大等特点，因而受到重视。

2.2 制糖废水处理技术

近年来制糖技术也在不断发展，废水的产生量随之降低，但由于制糖废水有机物含量高的特点，其处理方法也不能仅仅停留在简单的物化法，有一些学者采用土地处理的方法对制糖废水进行处理，但此方法受自然因素变化的影响较大，已有针对此方法的一些研究取得了初步成效。如张仲宾等[21]用制糖废水灌溉甘蔗地，利用土地吸收降解废水中的有机物，同时可以为甘蔗提供生长所需。但生物化学法仍然是制糖废水处理的核心技术，采用生物化学法处理制糖废水的工艺有很多种，包括厌氧处理工艺、好氧处理工艺以及将厌氧—好氧组合工艺。

好氧工艺的投资成本相对较低，且简单易行，好氧工艺包括活性污泥法以及生物膜法。活性污泥法是在好氧条件下，通过活性污泥的吸附、凝聚、氧化、分解等作用，利用其中的微生物对废水中有机物质进行降解。胡亚萍等[8]在总结制糖废水的处理方法时提到活性污泥法存在抗冲击负荷能力弱、污泥易膨胀以及不稳定等缺陷，而CASS工艺虽能较好地改善这些弊端，在运行管理中仍然存在参数调节等问题。同样作为好氧工艺的生物膜法包括生物接触氧化法、生物滤池和生物转盘。生物膜法的耐冲击性普遍较强，处理效率也相对较高，但也存在设计困难、固液分离效果差等弊端[22]。

制糖废水由于有机物含量较高更适合采用厌氧生物处理的方法，其运行管理费用较好氧工艺更低，从而得到了广泛应用。上流室厌氧污泥床反应器(UASB)作为第二代厌氧生物反应器较早地被应用到制糖废水的处理中。史忠义等[23]采用UASB处理制糖废水，实验结果显示UASB适合处理低浓度制糖废水。张国强等[24]使用UASB处理制糖废水时的COD去除率达到了80%，1 700 m3的反应器日处理水量达到了1 000 m3。通过实际运行，UASB具有HRT较短、运行效率高以及成本低等优点，但存在悬浮物难控制、耐冲击负荷差导致出水水质不达标等缺点，因此很少单独使用。相对而言，第三代厌氧反应器ABR因其独特的分格室结构而具有结构简单、系统稳定、抗冲击负荷能力更强等优点而得到重视。

好氧工艺与厌氧工艺单独对制糖废水进行处理都存在一定的弊端，因而目前厌氧-好氧组合的工艺逐渐引起研究者的重视。将高浓度的制糖废水先经过如UASB、EGSB、IC反应器等厌氧工艺，出水再采用好氧工艺进一步处理。如张卫军等[25]使用UASB与SBR相结合的工艺对制糖废水进行处理取得了较好的效果，该糖厂进水COD为115 000 mg/L,而出水COD仅为263 mg/L，出水水质达到了二级标准。李桂荣等[26]采用UASB与A/O组合工艺处理糖厂废水，运行效果较好，COD去除率达到95%以上，氨氮去除率也达到了94%，出水达到了国家一级标准且更优。于永翠[27]采用EGSB与A/O组合工艺处理淀粉制糖废水，总COD去除率也达到了90%以上。不同的处理方法都各有利弊，将各种处理方法相结合可以取长补短，达到对制糖废水的最佳处理效果。

3 ABR处理制糖废水研究

3.1 ABR处理制糖废水效果研究

ABR作为第三代厌氧生物反应器，延续了UASB的优点，特殊的结构及水力流态使其处理效果以及运行成本等方面都较第二代厌氧反应器更有优势。对ABR反应器结构的进一步优化以及其处理制糖废水过程中的参数调控也得到了研究者们的重视。

目前，ABR处理制糖废水已经逐渐被应用到实际运行中，也有很多糖厂采用ABR处理工业废水。何仕均等[28]在2006年就进行了用ABR处理甜菜制糖废水的中试研究且取得了很好的效果，COD去除率达到了70 %以上，通过COD与HRT的同步调控实现了ABR的快速启动，但在高负荷运行条件下，易出现反应器过度酸化的情况。因此有一些学者针对ABR处理制糖废水过程中出现的酸化进行一系列研究。如宿程远等[29]研究了ABR处理制糖废水过程中出现酸溺过程对系统pH值、COD去除率变化的影响及调控方法，实验证明酸溺使得系统pH急剧下降，且污泥严重流失，COD去除率也大幅降低，仅为酸溺前的6.2%。他提出，可以采用降低负荷和增大碱度的方法对酸溺过程进行调整。赵倩等[30]研究了ABR处理红糖废水的启动情况，研究表明高容积负荷启动时间较长且不易成功，而以较低的负荷经过70 d则成功启动了反应器，且在增加反应器的有机负荷时不宜过快，提升到原来的1.2—1.5倍较为适宜，以免有机酸过度积累。罗艳[31]在普通ABR内加入半软性塑料纤维作为填料构成了复合式ABR，并对比了二者的启动过程，证明其启动性能优于普通ABR并推断其高负荷运行的性能也更强。倪佳[32]采用四格室ABR反应器处理高浓度制糖废水，通过HRT及进水COD的调控达到反应器系统稳定、高效的运行，实验采用好氧污泥与厌氧污泥混合接种，在HRT为24 h，pH为7.0～8.2，温度为35℃的条件下，将进水COD逐步由570 mg/L提高到5 000 mg/L，经过93 d形成了乙醇型发酵，完成了ABR系统的启动。刘晓晔等[33]以赤糖废水为底物启动复合型ABR反应器 (HABR)，20 d即形成了乙醇型发酵体系，且在不同COD、HRT、pH条件下启动的系统其产氢能力也不同，进水COD为6 500 mg/L时去除率达到最大值43.34%。

3.2 ABR及其组合工艺处理制糖废水

尽管ABR反应器相对其他厌氧生物处理反应器而言处理效果更好，但由于制糖废水的成分复杂，仅通过ABR处理无法达到标准水质，因此需要将ABR与其他好氧工艺相结合，使两种工艺协同作用，取得更好的处理效果。近年来，研究者们也将ABR与好氧工艺的联合工艺处理制糖废水作为研究的重点。

如韩彪等[34]设计了ABR—CASS联合工艺用来处理甘蔗制糖废水，用ABR先进行水解酸化处理，降低冲击负荷后再使制糖废水经过CASS池，该过程实现了控制自动化，且最终处理效果达到了排放标准，生化需要量及氨氮去除率均达到了95%以上。孙玲玲[35]采用ABR与MBBR(移动床生物膜反应器)组合工艺处理甜菜制糖废水进行中试研究，表明ABR可以有效地对制糖废水进行处理，平均COD去除率达到70%以上，而组合工艺对废水的处理效果也很好，其平均COD去除率可以达到75%，达到排放标准。王立媛[36]则采用ABR—BAF(曝气生物滤池)的联合工艺对制糖废水进行处理。BAF秉承了生物膜工艺的优点，可以有效地去除水中的固体悬浮物，起到良好的过滤作用，将这种工艺与ABR相结合就无需二沉池工艺流程，大大降低了投资成本。该组合工艺也被广泛应用于其他工业废水的处理。宿程远等[37]对ABR—BAF组合工艺处理制糖废水过程中的影响因素进行研究，最终得到了该工艺的最佳控制参数，及ABR的HRT为24 h，BAF水力负荷1.59 m3/(m2·h)，溶解氧5.8 mg/L。该条件下，COD去除率较高且系统运行稳定。谢永新[38]设计了氧化塘—高密沉淀池—ABR—A/O—气浮系统的工艺流程处理不稳定的甜菜制糖工业废水，糖厂水量为300 m3/h，虽然中途由于氧化沟的负荷过低导致污泥营养失调，处理效果不理想，但通过加入甲醇可使以上问题得到有效调节。氧化塘不仅可以有效沉积制糖废水中泥沙以及其他固体颗粒物质，在非生产季节也可以对其进行清理从而降低成本。江海[39]同样在处理某厂制糖废水时采用了ABR—A/O联合工艺，经过一年多的运行证明，使用该组合工艺处理制糖废水是有效合理的，出水水质可以达到排放标准。

4 发展方向

近年来ABR反应器处理制糖废水的研究在逐渐完善，目前相关研究包括ABR处理制糖废水的效果即COD去除率以及处理后的出水水质等的研究、快速启动ABR反应器的参数研究等。而对于在处理过程中的其他效能，如利用ABR反应器处理制糖废水过程产氢气等的研究相对较少。另外，ABR与好氧工艺的组合工艺具有很大的发展潜力，除制糖废水外也可对其他工业废水进行处理，具有一定的研究意义。