厭氧折流板反應(yīng)器處理工業(yè)廢水的研究進展

張 娣，丁江濤

(1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000；2.北京時代桃源環(huán)境科技股份有限公司，北京 100096)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的廢水也越來越多。其中工業(yè)廢水因排放量大，有毒性，對環(huán)境的危害大，造成其處理難度大，處理工藝復(fù)雜，處理成本高，是廢水處理的難點[1,2]。近幾十年來，各國學(xué)者在工業(yè)廢水厭氧生物處理領(lǐng)域開展了科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)，尤其是對厭氧反應(yīng)器的開發(fā)投入了大量的精力，也取得了很多成果。其中ABR由于其獨特的推流式結(jié)構(gòu)和相分離特征，是廢水厭氧反應(yīng)器的研究熱點。ABR具有獨特的污泥截留能力，即使在較低的水力停留時間下，也能保持很高的微生物停留時間，甚至在不生成厭氧顆粒污泥的情況下，也能使廢水得到高效處理[3]，而且反應(yīng)器可將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷過程分離，可顯著提高反應(yīng)器的抗沖擊能力和處理效率[4,5]。

2 ABR的結(jié)構(gòu)特點

20世紀80年代，McCarty等開發(fā)了ABR。該反應(yīng)器結(jié)合了生物膜反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器的特點，充分體現(xiàn)了多相厭氧反應(yīng)器(Stage Multiphase Anaerobic Reactor,SMAR)的思想[6,7]。結(jié)構(gòu)上ABR是在一個矩形反應(yīng)器內(nèi)安裝一系列垂直的折流板，反應(yīng)器被折流板分隔成為不同的隔室，當(dāng)廢水沿折流板上下流動時，折流板的分離作用和反應(yīng)器整體的推流特征可將厭氧過程中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌分開，不同處理階段的廢水在推流過程中與各隔室污泥充分接觸發(fā)生厭氧消化反應(yīng)，去除污染物[8]；與此同時，各隔室的污泥接觸不同處理階段的廢水，也形成各自的特點，表現(xiàn)出明顯的生物相分離特征[9]。

Peng等[10]研究了厭氧折流板反應(yīng)器中微生物群落的分布情況。他們在中溫下采用自配葡萄糖廢水啟動和運行五隔室的ABR，運行穩(wěn)定后采用聚合酶鏈式反應(yīng)的變性梯度凝膠電泳法分析了各隔室內(nèi)的微生物種類，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)酸發(fā)酵細菌主要分布在第一、二隔室，產(chǎn)甲烷細菌主要分布在第四、五隔室，證明反應(yīng)器前后隔室出現(xiàn)了明顯的功能區(qū)劃分。

與其他的厭氧反應(yīng)器相比，ABR具有很多優(yōu)點，如表1所示[11]。

表1 ABR的優(yōu)點

3 ABR在工業(yè)廢水處理上的應(yīng)用研究

ABR由于其良好的固體截留能力及生物相分離特征[12]，適合不同濃度廢水的處理。在處理各種廢水時，采用合適運行方式可以極大的提高處理效率。表2[13]列出了ABR處理不同類型廢水時應(yīng)該注意的問題。

3.1 ABR處理低濃度廢水

處理低濃度廢水時，為提高處理效率，可采取較低的水力停留時間和較低的溫度。Gopala Krishna等[14]用8隔室，總體積為10 L的ABR處理低濃度的混合廢水(自制的葡萄糖與溶膠廢水，COD為500 mg/L)。在反應(yīng)溫度為20～32 ℃，水力停留時間分別為20、15、10、8、6 h的條件下，COD的去除率均達到88%以上，采用較低的水力停留時間和溫度，可提高廢水處理量和處理能耗。

表2 ABR處理不同廢水時應(yīng)注意的問題

對較后隔室可能出現(xiàn)的營養(yǎng)不足問題，為此吳春篤等[15]研究了分段進水對ABR運行的影響。他們采用六隔室，總體積為32.5 L的ABR進行實驗，溫度為25～30 ℃，進水為自制廢水(成分為葡萄糖、尿素和磷酸，COD濃度為400～600 mg/L，其中C∶N∶P=200∶5∶1，各隔室從前至后按5∶4∶3∶2∶1的量進水。這種進水方式有效降低了第1隔室的有機負荷，同時向較后隔室提供了充足的營養(yǎng)，啟動運行效果較好。

3.2 ABR處理高濃度有毒廢水

ABR獨特的隔室結(jié)構(gòu)和推流流態(tài)，能夠利用反應(yīng)器結(jié)構(gòu)保護較后隔室內(nèi)敏感度更大的產(chǎn)甲烷菌，所以對高濃度和有毒廢水有較好的處理能力，因而在某些難降解的工業(yè)廢水的處理上有很大的優(yōu)勢，許多學(xué)者進行了研究。

Ji等[17]利用ABR對重油生產(chǎn)過程中的含鹽廢水進行了處理。此廢水COD∶TN∶TP=1200∶15∶1，鹽濃度為1.15%～1.46%，反應(yīng)器啟動成功后在常溫，有機負荷為0.2 kg COD/(m3/d)的條件下運行，COD和重油的去除率分別達到了65%和88%。在沖擊測試中，進水COD濃度提升到原來的2.5倍時反應(yīng)器依然能夠穩(wěn)定運行，說明ABR對含油含鹽廢水有很強的耐受能力，而且抗沖擊能力強。

3.3 ABR處理高固含量廢水

ABR具有良好的固體截留能力，因此具有較長的固體停留時間，這使得ABR在處理高固含量廢水時有很好的效果[18]。Fernanda M.Ferraz等[19]采用四隔室，總體積為4 L的ABR處理木薯廢水，進水COD濃度為2000～7000 mg/ L，固含量為5～8 mg/L。用UASB反應(yīng)器的顆粒污泥做接種物，在水力停留時間為3.5 d，有機負荷從0.5 g COD/(L·d)逐漸上升到2.0 g COD/(L·d)，穩(wěn)定后COD去除效率可以達83%～92%，固體截留能力在60%以上。

4 組合式ABR在廢水處理中的研究應(yīng)用

由于厭氧工藝污染物降解程度的限制，厭氧過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，如溶解性微生物產(chǎn)物(Soluble Microbial Products,SMP)[20,21]較難進一步降解，所以一般單一厭氧處理的廢水很難達到排放標準。基于此，ABR與其他處理工藝耦合的方法被越來越多的研究和應(yīng)用。耦合式ABR的形式多種多樣，包括隔室負載型ABR，厭氧好氧組合式工藝等，通過結(jié)合各種工藝的優(yōu)勢，可以使廢水得到更好的凈化處理。

王建龍等[22]研究了在ABR各隔室上部添加填料對處理自配葡萄糖廢水啟動性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入填料的ABR在啟動第14 d COD去除率接近80%，第28 d COD去除率在95%以上，而未加填料的ABR啟動63 d后，系統(tǒng)出水COD仍然保持較高，且穩(wěn)定性也不如加入填料后的ABR。作者認為增設(shè)的填料不但充分利用了反應(yīng)器上部的無效空間，而且顯著提高了反應(yīng)器的污泥截留能力和泥、水、氣三相分離的效果。

Wei等[23]采用ABR+序批式活性污泥法(sequencing batch reactor,SBR)的組合工藝進行了制革廢水處理的研究。他們首先采用ABR處理廢水，除去部分易降解的污染物，出水進入SBR，通過消化和反消化作用去除剩余的污染物。整個工藝的COD去除率可穩(wěn)定在64%～72%之間。和普通的活性污泥法相比，此工藝能明顯提高COD去除率，出水水質(zhì)能達到國家二級排放標準。胡志強[24]等采用ABR-SBR組合工藝對餐飲廢水進行了處理。試驗結(jié)果表明：進水COD濃度為2000～3000 mg/L，水力停留時間為14 h時，即使在冬季低溫條件下(10～15 ℃)，采用ABR-SBR組合工藝對餐飲廢水也有良好的處理效果。COD、NH3-N、TP、TN去除率分別達到86%、92%、85%和75%，出水水質(zhì)達到國家一級排放標準。

黃繼國等[25]采用ABR+生物接觸氧化工藝對低COD/N的生活污水進行了處理研究，發(fā)現(xiàn)在進水COD/N為2～7范圍內(nèi)，當(dāng)HRT=10 h，R= 2.5、T=30 ℃時，系統(tǒng)對TN的去除效果良好，出水TN質(zhì)量濃度小于15 mg/L。王顯勝[26]等采用ABR+接觸氧化+化學(xué)氧化組合工藝對垃圾滲濾液進行了處理。在進水有機負荷小于10 kgCOD/(m3/d)時，ABR+接觸氧化組合的去除率可以穩(wěn)定在80%～85%；好氧池出水經(jīng)過Fenton氧化處理，出水COD小于100 mg/L。

5 結(jié)論

ABR的結(jié)構(gòu)使其對工業(yè)廢水具有很好的適應(yīng)性和處理效果，其耐毒性、抗沖擊負荷能力對工業(yè)廢水，特別是有毒工業(yè)廢水的處理有很好的應(yīng)用前景，在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用會日益增加。但ABR工藝也存在厭氧處理工藝共同的缺點，就是直接處理的廢水很難達到較高的排放標準[27]，需進一步處理，實際工程中應(yīng)將ABR與其他工藝聯(lián)合運用。結(jié)合ABR的分段特點，可以將ABR工藝與好氧工藝集成為一個聯(lián)合反應(yīng)器，這對諸如煤化工廢水、石油化工廢水及制革廢水等難降解廢水的處理，有良好的應(yīng)用價值。