董凌霄， 秦 寧

(陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

厭氧折流板反應(yīng)器(Anaerobic Baffled Reactor )簡稱ABR，是20世紀80年代由MaCarty開發(fā)的一種新型厭氧反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)特點是反應(yīng)器被垂直設(shè)置的擋板分割成幾個格室,廢水逐級經(jīng)過各格室,類似于多個UASB串聯(lián).與其它厭氧反應(yīng)器相比,該反應(yīng)器具有污泥沉降性能好、抗沖擊負荷能力強、對毒物適應(yīng)性強等優(yōu)點，此外它還有結(jié)構(gòu)簡單、無需三相分離器、造價低、無污泥堵塞、運行管理方便等優(yōu)點[1].

本實驗對ABR反應(yīng)器的啟動過程進行了研究，考察了整個啟動過程中pH及揮發(fā)性脂肪酸(VFA)以及堿度隨COD有機負荷的變化情況,并對啟動成功后污泥的特征和反應(yīng)器生物相進行了分析.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

圖1 實驗裝置示意圖

該厭氧折流板反應(yīng)器由8 mm厚的有機玻璃制成,反應(yīng)器分為六格室,每一格室又由上、下流室組成,上向流室與下向流室寬度比為3∶1, 通往上流室的擋板下部邊緣有45°傾角的導(dǎo)流板布水,便于將水送至上流室的中心,使泥水充分混合以維持較高的污泥濃度.每格室側(cè)壁上部設(shè)有污水取樣口,用于取樣監(jiān)測污水水質(zhì)；每格室側(cè)壁下部設(shè)有污泥取樣口，用于取樣監(jiān)測污泥；每格室頂部設(shè)有排氣孔，整個實驗中溫度由恒溫水浴鍋進行控制，反應(yīng)器長×寬×高為:524 mm ×170 mm×460 mm,有效容積為20 L.

1.2 實驗用水水質(zhì)

實驗用水為人工配制葡萄糖廢水,濃度為872～3 520 mg/L , 并按COD∶N∶P=250∶5∶1加入氯化銨和磷酸二氫鉀，同時加入一定量的微量元素Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等.

1.3 接種污泥

接種污泥取自西安鄧家村污水處理廠二沉池，污泥體積約為反應(yīng)器有效容積的1/3.此時, VSS/TSS=0.287左右.將此污泥在35 ℃的恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)兩周后投入反應(yīng)器接種,接種污泥量為7.5 L.

1.4 分析項目及方法

COD采用標準重鉻酸鉀法[2];VSS和TSS采用重量法[3]；VFA用直接蒸餾法[4];堿度用溴甲酚綠-甲基紅測定；溫度用恒溫水浴鍋控制.進水濃度分別為800、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 mg/L，再將COD固定在3 500 mg/L，逐步縮短HRT到12 h,以考察反應(yīng)器的抗沖擊負荷能力，連續(xù)運行67 d,考察每個格室的厭氧污泥、pH值、COD、VFA、堿度等指標的變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 ABR反應(yīng)器的啟動

實驗自2009年11月15日開始，啟動采用的控布參數(shù)如下:溫度控制為25～32 ℃.進水采用人工配置的葡萄糖廢水，并投加NaHCO3補充堿度.在啟動前期，堿度按COD/堿度=2/3投入，后期按COD/堿度=1.5/3投入.反應(yīng)器的啟動分為高負荷啟動和低負荷啟動，本實驗采用低負荷啟動的方式進行.啟動過程經(jīng)過了3個階段：第一階段保持HRT=24 h左右,逐步將進水濃度由800 mg/L提高到1 500 mg/L左右,主要考察進水濃度對反應(yīng)器運行性能的影響；第二階段將進水濃度由2 000 mg/L提升到3 500 mg/L,平均有機負荷為2.15～2.99 kg/m3·d；第三階段將HRT縮短到12 h，主要考察反應(yīng)器抗有機沖擊的性能.COD去除率達到93.3%左右,并且運行穩(wěn)定時，認為ABR啟動成功.

2.2 ABR啟動過程中COD的變化

2.2.1 ABR對COD的去除率

從圖2可以看出，每次負荷提升后，COD去除率均有所下降，主要是因為反應(yīng)器對污泥的淘洗作用使得出水的懸浮物濃度較高,COD去除率很低,只有59.2%左右，并有污泥上浮現(xiàn)象產(chǎn)生.但接下來幾天COD去除率逐步提高并趨于穩(wěn)定，這說明增加容積負荷后厭氧污泥的質(zhì)量濃度和活性不斷增加，污泥的生物吸附、絮凝、分解的有機物相應(yīng)增加，同時也說明ABR具有較強的抗沖擊負荷能力，具體表現(xiàn)為啟動前期COD去除率比較低，在59.2%左右.隨著運行時間的增加，微生物逐漸適應(yīng)了所處的環(huán)境，COD去除率逐步上升，當反應(yīng)器的容積負荷增加到1.17 kg/m3·d時，COD去除率達到了80.5 %；繼續(xù)增加負荷到1.78 kg/m3·d時，COD去除率可達84.2%;再增加負荷到2.24 kg/m3·d，去除率有所下降，降幅為3.7%；最后提升負荷到3.52 kg/m3·d，則由于負荷過高而使得去除率下降，但是經(jīng)過培養(yǎng)馴化后去除率可穩(wěn)定在93.3%.

圖2 COD去除率隨時間的變化情況 圖3 各格室COD的降解情況

由圖3可知，在改變負荷時，1、2號格室承受的原水波動的沖擊最大，因而COD變化也較大，它們對COD的降解起著主導(dǎo)作用，隨著格室的推移，它們對COD的降解基本趨于穩(wěn)定，反應(yīng)器COD總的去除率基本保持在82%～93.3%，有機負荷與去除負荷成正比，這與Akuna的研究一致[7]，表明ABR具有較強的耐沖擊負荷能力.

2.2.2 ABR啟動過程中堿度和pH的變化

堿度的意義在于為反應(yīng)提供足量的可供中和產(chǎn)酸階段生成的VFA的堿度，防止反應(yīng)器內(nèi)pH值的過度下降[5].在此反應(yīng)器啟動過程中，堿度是變化的，在啟動初期，有機物的酸化過程是消耗堿度的過程，而產(chǎn)甲烷的過程是恢復(fù)堿度的過程[6].但是對于一個運行良好的反應(yīng)器來說，堿度的調(diào)節(jié)是必不可少的，同時也為了更好的培養(yǎng)出顆粒污泥.在反應(yīng)初期，碳酸氫鈉的投加量按COD/堿度=2/3投入，后期按COD/堿度=1.5/3投入.

圖4 低負荷運行期間堿度、COD、pH的沿程變化 圖5 高負荷運行期間堿度、COD、pH的沿程變化

可以看出，在低負荷和高負荷運行條件下，各格室內(nèi)堿度和pH基本都呈一個升高趨勢.由圖4可見，堿度和pH的最低值都出現(xiàn)在第一格室內(nèi)，隨后都逐步升高，主要是因為在低負荷下微生物能夠及時將中間產(chǎn)物降解掉，轉(zhuǎn)化為甲烷，而產(chǎn)甲烷的過程是一個堿度恢復(fù)的過程，于是在運行穩(wěn)定的情況下堿度和pH均會升高.但是在較高負荷下，第一格室還不足以完成全部的酸化，葡萄糖的酸化過程在后續(xù)各格室內(nèi)持續(xù)進行，直至完成，因此堿度和pH的最低點也會相應(yīng)后移.在COD為3 500 mg/L,HRT為12 h,COD容積負荷為7.0 kg/m3·d時，堿度、COD、pH之間的關(guān)系如圖5所示.由圖5可見，堿度在第2格室最小，pH在第3格室最小.

2.2.3 ABR啟動過程中VFA的變化

圖6 進水COD與出水VFA的變化情況

在厭氧反應(yīng)器中，由于氫氧化物和碳酸氫鈉等緩沖物質(zhì)的存在，僅根據(jù)pH值難以判斷揮發(fā)酸的積累情況，而揮發(fā)酸的過度積累會直接影響產(chǎn)甲烷活性和產(chǎn)氣量，所以對出水VFA的測定有很重要的意義.由圖6可以看出在整個實驗過程中，隨著COD的逐漸升高VFA呈下降趨勢，但是會出現(xiàn)波動，即在COD有機負荷剛開始升高時出水的VFA會出現(xiàn)暫時性升高，這主要是因為負荷升高，中間產(chǎn)物累積，甲烷菌未能及時將VFA轉(zhuǎn)化為甲烷，所以才會出現(xiàn)暫時的升高，一旦微生物適應(yīng)該負荷后，去除效果提高，中間產(chǎn)物VFA累積量就會減少，這種現(xiàn)象足以說明ABR具有很高的抗沖擊負荷能力.

2.3 污泥顆粒化及生物相組成的研究

2.3.1 污泥顆?；?/p>

實驗過程中定期對顆粒污泥進行電鏡觀察，在啟動成功時，各格室污泥出現(xiàn)了不同程度的顆?；F(xiàn)象，特別是1、2、3格室經(jīng)過多天的培養(yǎng)馴化后污泥的活性得到了很重要的改善，反應(yīng)器啟動成功后各格室基本都布滿了顆粒污泥，平均粒徑為2～3 mm，并且各格室顆?；潭炔灰?，1號格室粒徑最大，最大可達4 mm,這主要是因為反應(yīng)器前端有機負荷高，營養(yǎng)豐富，有利于菌種的生長繁殖.反應(yīng)器中的顆粒污泥顏色也不一，如圖7和圖8所示污泥分別為低負荷和高負荷時1號格室的顆粒污泥形狀，可以看出高負荷下顏色呈灰色、灰白色，低負荷下呈黑色.

2.3.2 微生物組成

利用電鏡進行了污泥表面特征及主要菌種的觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1、2格室以絲狀菌、球菌、短桿菌為主，相互交織成網(wǎng)狀雜以鏈球菌，隨著格室的推移逐漸出現(xiàn)球菌、雙球菌、八疊球菌等，同時發(fā)現(xiàn)顆粒污泥表面有許多空隙和洞穴，在低負荷時空腔更為明顯，這主要是由于基質(zhì)不足而引起的細胞自溶[4].

在COD有機負荷為1.78 kg/m3·d，HRT=24 h時負荷較低，掃描電鏡照片如圖7所示，可以看出表面空隙很多，并有甲烷絲狀菌纏繞，由于此時微生物營養(yǎng)匱乏， 所以污泥表面會出現(xiàn)許多空腔，這是由于細胞自溶而導(dǎo)致的.當有機負荷為7 kg/m3·d，HRT=12 h時負荷較高，可以滿足微生物生長需要，從圖8可以看出此時顆粒污泥呈現(xiàn)白色或灰白色.

圖7 低負荷下污泥的掃描電鏡照片 圖8 高負荷下污泥的掃描電鏡照片

3 結(jié)論

(1)在25～32 ℃條件下, 經(jīng)歷67 d, 共3個階段成功地啟動了ABR反應(yīng)器, 進水COD容積負荷由0.82 kg/m3·d達到7.0 kg/m3·d , 出水的COD、 pH值等均未超出限度.

(2)VAF和pH值隨格室的變化說明ABR反應(yīng)器中存在產(chǎn)酸和產(chǎn)氣相的分離，這種相的分離是促進反應(yīng)器穩(wěn)定高速運行的重要條件，而ABR反應(yīng)器的折流板結(jié)構(gòu)正提供了這樣一種相分離所需要的工藝條件.

(3)鏡檢實驗表明，第一格室存在大量的優(yōu)勢的發(fā)酵細菌, 并有代謝乙酸的絲狀甲烷細菌，然后顆粒污泥中的微生物逐漸向以產(chǎn)甲烷細菌優(yōu)勢的菌群過渡.反應(yīng)器格室中的顆粒污泥形狀各異,表面凹凸不平,存在孔隙和洞穴，顆粒較大的污泥表面有空腔出現(xiàn).

(4)ABR具有良好的穩(wěn)定性和抗沖擊負荷能力，在改變沖擊負荷時，系統(tǒng)能在很短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定，并且去除效果良好.

參考文獻

[1] William Pbarber, David C Stuckey . The use of the anaerobic baffled reactor ABR for wastewater treatment: a rview[J]. Watet Res.,1999，33 (7): 1 559 -1 578.

[2] 國家環(huán)保局.廢水處理新技術(shù)—理論與應(yīng)用[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999.

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[4] 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.

[5] 黃永恒.折流式厭氧反應(yīng)器的水利特征性及工藝特性研究[D].北京:清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，1999.

[6] 唐 一.堿度與水力負荷等因素對UASB中顆粒污泥化影響的研究[D].北京:清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，1989.

[7] Akuna J C.Performance of a granular-bed anaerobic baffled reactor treating whisky distillery wastewater[J].Bioresouce Technology,2000,74:257-261.