ABR反應(yīng)器改進及常溫啟動的性能研究

邱廷省， 王 頻， 袁 香， 趙永紅

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

ABR反應(yīng)器改進及常溫啟動的性能研究

邱廷省， 王 頻， 袁 香， 趙永紅

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

為了加強處理系統(tǒng)的效果及穩(wěn)定性，試驗通過加大第1和第4隔室長度的方式，對傳統(tǒng)ABR反應(yīng)器做出了改進.在常溫(18～32℃)下采用HRT逐步減小而有機負(fù)荷逐步提高的方式啟動ABR系統(tǒng)，結(jié)果表明，啟動第一階段有機負(fù)荷保持在0.5～0.55 kg/(m3·d)，第二、三階段負(fù)荷逐步增加，系統(tǒng)COD去除率高，當(dāng)容積負(fù)荷為1.8 kg/(m3·d)時，COD去除率高達85.2%以上，改進后的反應(yīng)器表現(xiàn)出了良好的抗沖擊能力，說明常溫下采用低負(fù)荷方式啟動ABR是可行的.

ABR反應(yīng)器；常溫；低負(fù)荷啟動

厭氧折流板反應(yīng)器 (ABR)作為分階段多相厭氧反應(yīng)器(SMPA)技術(shù)的典型代表[1]，其結(jié)構(gòu)特點使反應(yīng)器具備培養(yǎng)大量高活性厭氧顆粒污泥的能力[2-4]，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、運行管理方便、抗沖擊負(fù)荷能力強、無需填料及實現(xiàn)生物相的多級分離等優(yōu)點[5-7].

ABR廢水處理研究多數(shù)是在中溫 (35～40℃)下進行的，這對于常低溫廢水來說，就大大增加了運行成本[8-9].因此，能在常溫下有效啟動并運行ABR是極具意義的.本次實驗的目的是確定常溫下快速啟動ABR的條件及其運行性能，并且研究反應(yīng)器各隔室內(nèi)微生物的基本特性.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

反應(yīng)器采用有機玻璃，有效容積為38.8 L.反應(yīng)器設(shè)置4個隔室，各隔室升流區(qū)和降流區(qū)寬度比為4∶1，且均設(shè)有上下兩個取樣口，分別取污水樣和污泥樣，頂部氣孔排放的氣體用堿液進行吸收，并采用排水法收集甲烷氣體.

ABR反應(yīng)器改進如下：①考慮到第1隔室承受的有機負(fù)荷較大，為防止出水污泥流失，故加大第1隔室的體積，最后一個次之，4個隔室長度分別為225 mm、150 mm、150 mm、175 mm；②反應(yīng)器側(cè)面設(shè)置2個進水口，實現(xiàn)布水均勻以及泥水的充分接觸.ABR實驗裝置如圖1所示.

1.2 實驗用水及接種污泥

實驗采用人工配置葡萄糖廢水，廢水濃度范圍為 350～1500 mg/L， 按照 COD∶N∶P=200∶5∶1 的比例營養(yǎng)元素加入KH2PO4、NH4Cl及一定量的微量元素，調(diào)節(jié)pH在6.5～7.5之間.

實驗采用某污水廠厭氧消化污泥和某啤酒廠UASB顆粒污泥所構(gòu)成的混合污泥，其中80%為灰黑色的小顆粒污泥.

1.3 分析測試方法

COD采用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)滴定法；總懸浮物(SS)及揮發(fā)性懸浮固體(VSS)采用重量法；pH值采用PHS-2型酸度計測定[10-11].

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動條件的確定

一般厭氧反應(yīng)器啟動要用8～12周[12]，因此，反應(yīng)器能否成功地快速啟動是決定反應(yīng)器性能的先決條件.對ABR在常溫下處理低濃度廢水 (COD濃度＜2000 mg/L)的啟動特性進行研究.實驗水溫在18～32℃范圍內(nèi)，接種所用混合污泥VSS=15.2 g/L，VSS/SS=0.6，SVI=29.0 mL/g.采用HRT遞減而進水濃度遞增的方式啟動[13-15]，啟動分為3個階段：

第 1階段(1～18 d)：在 HRT為 18 h的條件下，控制進水濃度在350 mg/L左右，以低負(fù)荷方式開始啟動.

第2階段(19～28 d)：污泥經(jīng)第1階段馴化后，系統(tǒng)COD降解率達到43.5%左右，此時提高有機負(fù)荷至1～1.5倍，保持HRT為14 h不變并提高進水濃度的方式啟動.

第3階段(29～54 d)：污泥顆粒大量增加，系統(tǒng)COD降解率達到69.1%，保持HRT為10 h并提高有機負(fù)荷至1～1.5倍，當(dāng)COD降解率達到85%左右時，保持HRT為6 h不變，反應(yīng)器進入負(fù)荷強化提高階段.

2.2 啟動運行中系統(tǒng)COD總?cè)コ闆r

不同運行條件下ABR初次啟動運行對有機物的去除效果如圖2所示.

啟動第1階段進水COD控制在350 mg/L左右，前7天出水COD濃度較高，COD去除率有下降趨勢，這是因為在初期接種污泥尚未適應(yīng)廢水環(huán)境，污泥活性受到一定的抑制.之后，COD去除率逐漸上升并達到57.4%，這表明污泥活性有所恢復(fù).

啟動第2、3階段，容積負(fù)荷逐漸增強，水力攪拌加強，污泥上流速度加快，有少量絮狀污泥從反應(yīng)器中洗出，但這有利于顆粒污泥的成長，且COD去除率呈上升趨勢.第31天之后，COD去除率達到75%以上，到第40天，進水濃度大幅提高，有機負(fù)荷增強也最為明顯，此時出水濃度稍有上升，COD降解率雖有波動，但去除率較高且總體趨于穩(wěn)定，這說明ABR反應(yīng)器啟動成功.

2.2.1 不同有機負(fù)荷下COD去除效果

啟動第1階段有機負(fù)荷保持在0.5～0.55 kg/(m3·d)，低負(fù)荷啟動有利于污泥成長及其活性的恢復(fù)及反應(yīng)器的穩(wěn)定運行.啟動第2、3階段負(fù)荷逐步增加，系統(tǒng)COD總?cè)コ矢?，?dāng)容積負(fù)荷為1.8 kg/(m3·d)左右時，去除率高達85.2%以上.從圖2可知，每次提高負(fù)荷之后，COD去除率都會有所下降，這是因為污泥的洗出使出水懸浮物濃度高，COD去除率降低，但之后COD去除率總體上逐漸上升并趨于穩(wěn)定，這說明采用逐步提高有機負(fù)荷方式的啟動是行之有效的.

2.2.2 不同水力停留時間下COD去除效果

在系統(tǒng)COD去除率達到預(yù)定值時，HRT由18 h逐步降為14 h、10 h和6 h，并在各階段保持該值不變，如圖2所示.總體上，HRT越小，COD去除效果越好.HRT為10 h時，COD去除率較高.當(dāng)HRT降到6 h之后，去除率有波動但總體趨于穩(wěn)定，這可能是由于水力負(fù)荷提升幅度過大，污泥受到?jīng)_擊而引起系統(tǒng)性能出現(xiàn)波動.也可能是由于HRT太短，導(dǎo)致污泥與廢水基質(zhì)接觸不夠充分而引起的.

2.2.3 不同溫度下COD去除效果

厭氧反應(yīng)器按照運行溫度的不同可分為低溫(16～25 ℃)、中溫(30～40 ℃)及高溫(50～60 ℃)反應(yīng)器.通常溫度每增加10℃，反應(yīng)速度可增加一倍[16].3個階段的平均水溫與COD平均去除率之間的關(guān)系如圖3，第1、2階段COD去除率隨溫度上升而增加，到第三階段溫度降低，去除率也有所下降，但降幅不大.當(dāng)HRT為6 h，有機負(fù)荷大于2.5 kg/(m3·d)，水溫在27℃左右時，COD去除率仍然可以高達85%以上.由于實驗溫度在中溫與低溫之間，且接種污泥已具備一定的顆粒化程度，經(jīng)啟動馴化之后，顆粒污泥大量生長并成熟，ABR反應(yīng)器因此對溫度變化表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性.這說明溫度在一定范圍內(nèi)并不是影響ABR啟動和活性污泥顆?；闹饕蛩?，并且常溫下啟動的ABR系統(tǒng)抗溫度沖擊能力較強.

2.2.4 各隔室COD去除情況

ABR反應(yīng)器水力流態(tài)屬于推流式，各隔室容積負(fù)荷沿水力流程方向逐漸減小，第1與第4隔室負(fù)荷差別較大，且COD去除主要發(fā)生在第1、2隔室，去除率在20%～45%之間，而第3、4隔室內(nèi)負(fù)荷均低于反應(yīng)器整體負(fù)荷，COD去除率也都在10%以下.這表明在實驗有機負(fù)荷下，第1、2隔室中微生物營養(yǎng)充足，有利于其生長并提高活性，所以前兩隔室COD去除率高，占總?cè)コ实?5%～90%.第4隔室COD去除率雖然不高，但它在很大程度上穩(wěn)定了出水水質(zhì).因此對于加大ABR反應(yīng)器前后2個隔室體積的改造，在提高系統(tǒng)COD去除率和穩(wěn)定性方面還是有很大作用的.

2.3 反應(yīng)器內(nèi)污泥性質(zhì)研究

2.3.1 各隔室污泥濃度及SVI

各隔室的污泥濃度 (SS、VSS)和污泥沉降指數(shù)(SVI)的測定結(jié)果如表1所示，在進水濃度和HRT都較小的情況下連續(xù)運行之后，后面隔室中的污泥濃度基本上要比前兩個隔室低很多，VSS/SS值也逐漸減小，第4隔室僅為0.75，這表明沿水流推流方向，各隔室中污泥的無機物含量逐漸增加，活性微生物含量逐漸減少.這是因為在低濃度進水水流下，大多數(shù)COD被前面的隔室去除，導(dǎo)致后面隔室中污泥營養(yǎng)缺乏.但總體來說，各隔室VSS/SS值都在0.7以上，說明污泥中微生物含量顯著增加，污泥活性增強.

表1 污泥濃度(SS、VSS)及SVI值

2.3.2 啟動實驗中的產(chǎn)甲烷量

選取第 19、29、39、49 天連續(xù)運行 14 h，并測定產(chǎn)氣排出的堿液量，計算出累計產(chǎn)甲烷量，結(jié)果如圖4所示.啟動第1階段產(chǎn)氣量較少，隨著實驗的進行，后期產(chǎn)氣量總體呈上升趨勢，這說明實驗運行中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量逐漸增多.隨著時間的推移，同一天的產(chǎn)氣量逐漸增加，且前8 h的產(chǎn)氣量與時間幾乎呈正比增加，之后增幅有所減小.雖然第49天負(fù)荷與第39天相比要高很多，但其前6 h的產(chǎn)甲烷速率卻比第39天低，之后雖略有提高，但14 h的累計產(chǎn)氣量仍低于后者.這可能是因為隨著時間的推移，反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷活性逐漸發(fā)生了改變.

2.3.3 顆粒污泥形態(tài)

污泥顆粒化不僅可以改善污泥的沉降性能，還可以有效提高微生物的截留率，并增強微生物對廢水環(huán)境的抵抗性和適應(yīng)能力[17].實驗?zāi)┢趯Ω鞲羰业撞课勰噙M行拍照并觀察污泥表觀形態(tài)，如圖5所示.

各隔室顆粒污泥表觀大多呈球形或橢圓形，第1隔室出現(xiàn)黑白相間的橢圓形顆粒污泥，但大多為灰黑色，少數(shù)為灰白，污泥表面很黏并有白色膠狀物包裹，污泥緊密.根據(jù)微生物形態(tài)特征推測，此類污泥以產(chǎn)甲烷球菌為主；第2隔室污泥形態(tài)與第1隔室相似，但顏色更深些，污泥表面較為光滑；第3、4隔室顆粒污泥為灰褐色，污泥較為松散，表面粗糙.同時，沿水流程方向，反應(yīng)器的污泥沉降性能逐漸降低，這與污泥顆?；潭扔嘘P(guān)，第1隔室內(nèi)粒徑大多在3～4 mm之間，少數(shù)可達到5～6 mm；第2、3隔室污泥顆粒化次之，但也有一部分粒徑達到3～4 mm；第4隔室中粒徑多數(shù)為2～3 mm.這說明ABR前2隔室顆粒污泥較為成熟穩(wěn)定，后面隔室污泥處于由絮狀污泥向顆粒污泥轉(zhuǎn)化的過程.

為了分析污泥性質(zhì)，進行了污泥電鏡掃描，結(jié)果如圖6所示.第1隔室污泥微生物以產(chǎn)甲烷球菌為主；第2隔室顆粒內(nèi)部菌種復(fù)雜，沒有明顯的優(yōu)勢菌，但桿菌數(shù)量較第1隔室多；第3、4隔室污泥有較多的空隙，主要以甲烷絲菌為主.這是由于各隔室的環(huán)境條件（如有機負(fù)荷、pH）不同而使得其內(nèi)部顆粒污泥微生物也存在著差異性.

3 結(jié) 論

（1）第1、2隔室有機負(fù)荷較高，COD去除比例明顯比后兩個隔室高，但第4隔室對穩(wěn)定出水水質(zhì)有重要作用，可見通過改造，加大第1和第4隔室的長度對系統(tǒng)運行有積極作用.

（2）常溫下采用低負(fù)荷啟動ABR反應(yīng)器是行之有效的.啟動第一階段控制有機負(fù)荷在0.50 kg/(m3·d)左右，之后逐步提高有機負(fù)荷，系統(tǒng)COD總?cè)コ手饾u上升并達到87.2%.

（3）通過對反應(yīng)器中污泥特性研究發(fā)現(xiàn)，第4隔室的污泥濃度及污泥顆粒化程度比前面3個隔室低，這說明低濃度進水對ABR反應(yīng)器后面隔室中的污泥成長及性能有很大影響.

（4）通過對顆粒污泥觀察發(fā)現(xiàn)，不同隔室中的優(yōu)勢菌也不同，這表明ABR反應(yīng)器的推流式流態(tài)，可以有效實現(xiàn)生物相分離，從而有利于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過程的分離.

[1]胡細(xì)全，李兆華，蔡鶴生.ABR處理低濃度廢水的啟動研究[J].湖北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，27(2)：180-183.

[2]Lettinga G，F(xiàn)ield J，Van Lier J，et al.Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future[J].Wat Sci Teah，2001，35(10)：5-12.

[3]劉敏敏，楊學(xué)軍.厭氧折流板反應(yīng)器在廢水處理中的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)用水與廢水，2010，41(3)：5-8.

[4]耿亞鴿，張 翔，張浩勤.ABR反應(yīng)器工程設(shè)計的技術(shù)探討[J].水處理技術(shù)，2009，35(2)：103-107.

[5]Barber W P，Stuckey D C.The use of anaerobic baffled reactor(ABR)for wastewater treatment：a review[J].Water Res，1999，33(7)：1559-1578.

[6]Sallis P J，Uyanik S.Granule development in a split-feed anaerobic baffled reactor[J].Bioresour Technol，2003，89(3)：255-265.

[7]Song T H，Zhao Y S，Cui Y B，et al.Study on acidate bacteria activity in anaerobic baffled reactor[J].Journal of jilin University，2006，36(3)：429-432.

[8]宮小燕，宋瑞平，李國學(xué)，等.不同溫度下有機負(fù)荷對厭氧折流板反應(yīng)器污泥顆?；挠绊慬J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3(5)：839-843.

[9]Feng H J，Hu L F，Mahmood Q，et al.Anaerobic domestic wastewater

treatment with bamboo carrier anaerobic baffled[J].International Biodeterioration Bioderadation，2008，62：232-238.

[10]賀延齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1998.

[11]俞毓馨，吳國慶，孟憲庭.環(huán)境工程微生物檢驗手冊[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

[12]高艷嬌，王柯菲，戴紅軍，等.厭氧折流板反應(yīng)器啟動問題探討[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2006，26(1)：60-62.

[13]Manariotis I D，Grigoropouls S G.Low strength wastewater treatment using an anaerobic baffled reactor[J].Water Environment Research，2002，74(2)：170-176.

[14]NachaiyasitS.The effectofprocess parameters on reactor performance in an anaerobic baffled reactor[J].Wat Sci Tech，2005，12(13)：12-18.

[15]趙來利，佘宗蓮，高孟春.ABR處理低濃度廢水性能及污泥特性[J].環(huán)境工程學(xué)報，2010，4(4)：761-766.

[16]徐金蘭，王志盈，楊永哲，等.ABR的啟動與顆粒污泥形成特征[J].環(huán)境工程學(xué)報，2003，23(5)：575-581.

[17]ZONG Lian-she,XIA Lai-zheng,BAI Ren-yang,et al.Granule development and performance in sucrose fed anaerobic baffled reactors[J].Journal of Biotechnology，2006，112：198-208.

Research on the improvement and start-up of anaerobic baffled reactor at normal temperatures

QIU Ting-sheng,WANG Pin,YUAN Xiang,ZHAO Yong-hong

(School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

To improve the disposal effect and stability of traditional anaerobic baffled reactor,the first and fourth compartments were increased.Started ABR by decreasing HRT and increasing organic load at normal temperature(18～32 ℃),it turned out that load was maintained at 0.5～0.55 kg/(m3·d)in the first stage of start-up period,then it was increased gradually in the second and third stages,when it reached 1.8 kg/(m3·d),the removal rate of COD was above 85.2%.Advanced reactor showed a good surge withstand capability,this meant that starting ABR with loworganic loading at normal temperature is feasible.

anaerobic baffled reactor;normal temperature;low load startup

X703.1

A

1674-9669（2011）06-0034-05

2011-11-02

國家自然科學(xué)基金資助項目（51064007）

邱廷?。?962－ ），男，教授，主要從事礦物加工及環(huán)境相關(guān)研究，E－mail:qiutingsheng@163.com.