厌氧折流板反应器处理废水方法

Posted 2023-01-13 反应器

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　　1 厌氧折流板反应器及其理论研究

　　厌氧反应器经历了三代发展[1]：第一代反应器，废水与厌氧污泥完全混合，以普通厌氧消化池为代表;第二代反应器，可以将固体停留时间和水力停留时间分离，注重培养颗粒污泥，代表反应器有上流式厌氧污泥床反应器(UASB);第三代反应器，在固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下，既能保有大量污泥又能使废水和活性污泥充分混合[2]。厌氧折流板式反应器(ABR)属于第三代厌氧反应器，是20世纪80年代初由美国学者P. L. McCarty所开发的。反应器内设置了垂直于水流方向的导流板，可将整个反应器分隔为几个反应室，废水由导流板引导上下折流依次通过各个格室，每个格室又是相对独立的上流式污泥床系统。

　　与此同时，厌氧消化两阶段理论演变为三阶段理论，两阶段理论把厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵过程，而三阶段理论则由水解、酸化和产甲烷阶段组成。目前，三阶段理论被认为是研究厌氧消化方面的主要依据。参与三阶段厌氧消化菌群的相关理论被归纳为四菌群学说，在第一阶段由水解菌、发酵菌将大分子的有机物分解为简单的小分子有机物，如纤维素水解为小分子糖类，蛋白质水解为氨基酸，脂肪水解为脂肪酸和甘油。第二阶段中产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌将第一阶段的水解产物进一步转化为乙酸、CO2和H2 等小分子物质。在第三阶段中产甲烷菌则利用前面两个阶段的产物将有机物降解为甲烷和二氧化碳气体等。厌氧消化理论的发展引导了厌氧反应器的研究和进展方向。

　　2 研究现状

　　ABR是新型高效的厌氧处理工艺，它具有工艺简单、操作方便、经济成本较低以及处理效能较高等优点，适应于多种废水的处理。

　　2.1 ABR结构的发展变化

　　厌氧折流板反应器的反应区域被创造性地分隔为上流室与下流室，很多学者将ABR看作是多个连续搅拌槽式反应器(CSTR)串联组成的，这种特殊的折板型结构可以提高系统的污泥保有量。很多研究者就如何优化ABR的结构做了广泛研究。

　　ABR的最初结构是由K. F. Fannin等[3]将竖向导流板添加到推流式反应器中得到的，研究结果表明，这样的改变可以提高反应器截留污泥的能力，提高厌氧处理的效率。P. Y. Yang等[4]提出了水平折板式厌氧反应器(Horizontally Baffled Anaerobic Reactor，HBAR)，HBAR可以有效地实现固、液两相分离并且具有占地面积小、操作简单、成本低等优点。

　　用ABR处理废水时，由于上升的水流会将污泥带出，使生物量减少，在一定程度上影响出水水质，因此A. Tilehe等[5]对ABR做了较大的改动，首先在反应器的末端增加沉降室来循环利用沉积于此的污泥;其次在各个格室上端附加填料可以有效地固定污泥防止其流失;最后对每个格室产生的气体进行单独收集。基于污泥量的流失，为保证反应器内能够保留足量的污泥，1991年R. Boopathy等[6]对两格室ABR结构进行了改良，将反应器一、二格室的体积比设计为2∶1。

　　多年来，各国学者所研究的ABR其形状多为长方体，而1998年I. V. Skiadas等[7]设计的周期性折流式厌氧反应器(PABR)由两个同轴圆柱体组成，两个圆柱之间的圆环体被竖向导流板分隔为若干个扇形的格室，PABR结构与大多数ABR完全不同。

　　2002年S. Uyanik等[8]提出分隔室进水厌氧折流板反应器(SFABR)，改进后各个格室按一定比例的流量同时进水，他们认为这样的进水方式可以解决传统的单侧进水方式导致的反应器中营养物质浓度的高低差异。

　　2.2 ABR的启动方式

　　实验中反应器能否快速成功启动是关乎整个实验成败的决定性条件，影响启动成功的因素包括了反应器的结构、环境因素、接种污泥中微生物的活性和总量、COD容积负荷、水力停留时间等。

　　1995年S. Nachaiyasit等[9]率先采用了固定进水COD再逐步减小HRT的方法研究了ABR的运行效能，但由于没能及时调节反应器的运行参数致使反应器发生了过度酸化，最终启动失败。W. P. Barber等[10]则通过对比研究两种启动方式(COD固定，HRT逐渐减少;HRT固定，COD逐渐增加)，得出了固定进水COD的启动方式在COD去除率、运行的稳定性以及保持污泥衡量等方面均具有较大优势。

　　就不同格室数的ABR同时启动的性能差别，何仕均等[11]同时研究了三格室和五格室ABR的启动。结果表明，两种反应器表现出相似的处理效能。同时何仕均等研究启动投加填料复合式反应器，整个系统运行状态稳定，很明显这种复合式反应器相较于普通厌氧折流板反应器启动成功所需时间更短。

　　林英姿等[12]通过研究采用好氧预挂膜法和低负荷启动法两种不同的启动方法实现ABR的启动。最终得出好氧预挂膜启动法的启动时间短、COD去除率高且pH 稳定、颗粒状污泥生长情况较好的结论，说明这是一种可推广的启动方法。

　　2.3 ABR中微生物演替的研究

　　从生态学方面来看，试验研究中不同的操作条件以及进水中有机物浓度、沿程pH和氧化还原电位(ORP)的变化等因素影响了系统内部微生物的代谢生长，微生物群落会逐步在各个格室形成优势菌群，但优势菌群间不是绝对的独立，各格室之间有重叠部分。微生物在生态位上的分离与重叠正是ABR所独具的优点，这样可以保证有机物在反应器中充分降解，不同格室所获得降解产物最终不同。

　　ABR前面格室中有机负荷高、营养丰富，利于各种菌种的繁殖。李清雪等[13]利用电镜扫描了污泥包含的微生物的形态，每个格室中存在短杆菌、长杆菌、弧菌、球菌和丝状菌，前面格室内的菌种含有较少产甲烷丝状菌和杆菌以及产甲烷八叠球菌，越靠后的格室中产甲烷八叠球菌所占比例越大。

　　K. G. V. T. Gopala等[14]通过扫描电镜观察八格室ABR污泥微生物的形态时观察到较多的产甲烷球菌，球菌的形态有大有小，第一格室至第八格室中均存在微小的球菌，但是从第五格室起较大形态的球菌数量逐渐增多，并且出现了竹节状菌群。通过扫描电镜可以清楚地鉴别微生物群落的形态结构以及分布。

　　邓遵等[15]在ABR的研究中发现，出水回流不仅提高了反应器内微生物种群的多样性还使得微生物种群更加稳定，与不回流反应器相比，真菌的丰度约高出8.5%，古细菌则高出4.5%，而产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌的丰度相对不回流反应器也有一定比例的增高。

　　Jianfen Peng等[16]根据启动五格室的ABR的研究结果发现，微生物群落在前面两个格室产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌是优势菌群，分别占19.7%和8.3%，而在ABR后面格室中古菌属的产甲烷菌占有重要比率，同时产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌所占比例则分别下降到6.6%和4.8%。

　　2.4 ABR处理不同类型污废水的研究

　　表1对比了ABR对不同工业废水的处理效果。

　　2.5 ABR处理人工模拟废水的效能

　　李刚[25]研究了ABR在保持COD不变而调节进水流量条件下的处理效能，设计了七格室和八格室两个不同的ABR，得出两个反应器的COD去除率都达到90%以上，但八格室反应器处理效果略高于七格室的。加大反应器容积条件就是加强活性污泥与废水间传质，所以处理效果更加理想。

　　在李清雪等[13]的研究中，当进水COD为7 000 mg/L时，COD去除率可达95.25%;提高COD至8 000 mg/L，COD的去除率相对有所升高，大约为98.5%;而将COD提高至9 000 mg/L时，COD的去除率下降至80.2%。由此可知水力负荷保持在1.0～1.5 m3/(m3·d)左右最佳，太高的有机负荷不利于反应器的运行。而后，他们又利用ABR处理人工配制的含有硫酸盐的高浓度有机废水，实验结果表明，利用ABR处理含有硫酸盐的废水，调节COD/SO42-的比值能有效解决MPB与SRB之间的抑制影响，也是使各菌群发挥最大优势的直接方法。

　　王磊[26]同时运行2个ABR，将聚丙烯酰胺和膨润土的混合液添加到厌氧污泥中并接种到一个反应器中，而另一个只接种厌氧污泥。研究证实了在ABR中添加聚丙烯酰胺和膨润土对于颗粒污泥的形成起促进作用，并最终提高了反应器运行效果。

　　M. S. Khabbaz[27]研究得出了在序批式条件下循环流对ABR处理效能的影响，即水流上流速度为35 cm/min是ABR中生物气产量和COD去除率均达到最佳状态的条件，这个上流速度也是设计和操控反应器的最适值。

　　为研究出水回流对ABR抗酸化性能的影响，邓遵等[15]利用ABR处理模拟废水，常温下以高负荷方式启动反应器。研究发现，虽然回流对于反应器去除COD的效果没较大的影响，但整个系统的pH相比之前更加稳定，VFA的累积量相对降低。提高反应器的抗酸化性能对于高负荷条件下ABR的稳定运作起关键作用。

　　Tingting Wu等[28]进行了联合ABR—MEC耦合降解高浓度有机废水的研究，在克服了发酵产氢障碍的同时成功降解了废水中的有机物。

　　3 结语与展望

　　ABR具有以下优点：良好的固体生物截留能力，使得各格室中的微生物种群拥有最佳的工作活性;耐冲击负荷，对毒性物质有更好的缓冲适应能力，拥有较优的出水水质;易操作管理。虽然ABR可以广泛处理多种类型的废水，但对于成分复杂或含有毒性物质的废水在处理方面依旧存在不足，所以该反应器没有大范围推广。ABR处理容积负荷较高的废水时，第一格室酸化程度严重，而最后一个格室则出现废水COD较低且仅足以维持微生物正常生长的情况，废水的处理效果不明显，出水水质很难达到排放标准;在厌氧环境下微生物自身增殖缓慢导致世代周期过长，ABR启动时间较长;ABR没有搅拌装置，反应器内存在的生物死区和水力死区也是影响处理效果的因素之一。。

　　为了提高ABR实用性、系统稳定性，建议未来的研究应集中在以下几个方面：首先，ABR结构依然存在缺陷，增置回流结构以及添加不同类型填料来改良反应器，以提高处理过程中的传质效率;其次，ABR启动时间相对较长，选择合适的接种污泥以及高效的启动方式以缩短启动反应器所花费的时间;第三，ABR处理各种成分复杂的废水存在问题，因此可结合其他工艺同步参与处理过程，以提高处理效率。

　　为了准确评估ABR运行中的经济因素，还应对反应器维持正常运行所添加的碱度和保温设备等使用情况精确计算。