ABR 反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水中厭氧污泥顆?；难芯?/h1>

2015-03-11 14:05:18趙金安雷英春

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關(guān)鍵詞：隔室顆?；?/a>反應(yīng)器

趙金安，雷英春，2

（1．太原工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原030008；2．中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原030051）

0 引 言

畜禽養(yǎng)殖廢水由于含有大量的N，P，是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的根本原因；同時(shí)釋放氨、硫化物、甲烷等惡臭有害氣體，污染大氣且危害人體健康．廢水厭氧處理具有低污泥產(chǎn)量、低運(yùn)行成本以及低能耗等特點(diǎn)，被公認(rèn)是最經(jīng)濟(jì)的廢水處理方式［1］，廣泛應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理．所以，國內(nèi)外對(duì)于畜禽養(yǎng)殖廢水的處理，均遵循厭氧＋好氧組合工藝的模式．其中厭氧段作為組合工藝的預(yù)處理單元，COD 及氨氮的去除率都能達(dá)到70%以上，承擔(dān)廢水中主要負(fù)荷的降低，充分發(fā)揮了高速厭氧反應(yīng)器的作用．高速厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)之一是提高反應(yīng)器內(nèi)生物量濃度，而提高生物量濃度則有兩種途徑：一種是加入載體（如厭氧過濾器、厭氧流化床等）使微生物附著在載體上生長(zhǎng)，另一種是依靠微生物自身的能力形成顆粒生物體，即厭氧污泥顆粒化過程［2］．

自從Young和McCarty［3］首次觀察到厭氧顆粒污泥以來，厭氧顆粒污泥始終是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)．上流式厭氧污泥床（UASB）是高速厭氧反應(yīng)器中研究較充分，曾經(jīng)一度成為應(yīng)用最廣泛的一種方法，它的運(yùn)行效果極大程度地依賴于厭氧顆粒污泥的形成及性能．所以迄今為止，厭氧顆粒污泥的研究都以UASB 反應(yīng)器為主［4－14］．但是，由于UASB 需要上流式操作，能耗大，并且三相分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，于是近年來ABR 作為一種能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高濃度有機(jī)廢水的高效處理方法受到研究者的關(guān)注［15－17］，并用于低濃度廢水的處理［18－19］．宮小燕等采用人工配水，COD 濃度為5 000mg·L－1，研究了不同溫度和有機(jī)負(fù)荷對(duì)ABR 啟動(dòng)過程中胞外聚合物（EPS）產(chǎn)生的影響，以及各隔室優(yōu)勢(shì)菌種［15］．董凌霄等研究了污泥顆?；?6］采用人工配制葡萄糖廢水，濃度為872～3 529mg·L－1，各隔室中VFA，pH，堿度與COD 和有機(jī)負(fù)荷（OLR）之間的關(guān)系，并對(duì)污泥顆?；F(xiàn)象進(jìn)行了掃描電鏡觀察．F．Motteran等研究了污泥顆?；?7］用ABR 與UASB 串聯(lián)，處理COD 濃度高達(dá)26 000mg·L－1的豬場(chǎng)廢水．該研究充分發(fā)揮了ABR 多個(gè)隔室依次排列形成的種群分布特點(diǎn)，緩沖了高濃度對(duì)UASB 的沖擊．避免了高濃度廢水對(duì)UASB 形成沖擊負(fù)荷，造成UASB酸化而導(dǎo)致UASB 不可恢復(fù)的癱瘓的情形．該研究討論了超高濃度下形成的顆粒污泥的操作條件，并對(duì)顆粒污泥進(jìn)行了表征．

與UASB污泥顆?；芯肯啾?，關(guān)于ABR的污泥顆粒化研究報(bào)道很少．同時(shí)，考慮到我國畜禽養(yǎng)殖廢水的具體特點(diǎn)，在CODCr的濃度達(dá)到10 000mg·L－1的廢水處理過程中，形成顆粒污泥的研究報(bào)道幾乎沒有．本文對(duì)ABR－MSBR組合工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室小試研究，針對(duì)ABR 啟動(dòng)過程中厭氧污泥顆粒化的影響因素進(jìn)行了單因素研究，并對(duì)顆粒污泥的形貌及產(chǎn)氣特性進(jìn)行了表征．

1 試 驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置

ABR 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需填料、三相分離器；對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)特性要求不嚴(yán)，具有良好的水力特性、高的生物截留能力，良好的室間種群分布；同時(shí)運(yùn)行靈活而穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用少．所以ABR 作為預(yù)處理單元，可有效地降低COD 濃度．厭氧反應(yīng)池設(shè)計(jì)為連續(xù)進(jìn)水，連續(xù)排水形式．污水經(jīng)儲(chǔ)水箱、提升泵、高位水箱、流量計(jì)、管道從ABR 下部進(jìn)水，進(jìn)水口距池底20mm，用穿孔管沿池寬均勻布水；在末端池壁上部設(shè)計(jì)溢流堰出水；反應(yīng)器上部有機(jī)玻璃板上均勻開2個(gè)集氣孔．

反應(yīng)器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，形成4個(gè)大隔室．前端為進(jìn)水隔室，依次為降流、升流交替的3 個(gè)隔室，如圖1 所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)ABR 裝置示意圖Fig．1 Sketch of ABR

1．2 原水水質(zhì)

模 擬 廢 水 CODCr的 濃 度 為 1 000 ～10 000mg·L－1，配 料 為 葡 萄 糖，NH4HCO3，MgCl2，CoCl2，K2HPO4，CuSO4，F(xiàn)eSO4，MnSO4等，按營(yíng)養(yǎng)比CODCr∶N∶P＝400∶5∶1配制．

1．3 研究方法

1．3．1 試驗(yàn)方法

接種污泥為太原市北郊污水處理廠二沉池回流污泥，采取培養(yǎng)馴化同步進(jìn)行的方法啟動(dòng)，操作方式為連續(xù)進(jìn)水、出水．控制進(jìn)水的pH 值在7．1左右，溫度25～35 ℃，流量為36mL·min－1，進(jìn)水CODCr濃度為1 000mg·L－1，HRT 為0．7d，容積 負(fù) 荷NV為1．44 kg CODm－3·d－1，約1．152kg BODm－3·d－1．當(dāng)CODCr去 除 率 達(dá) 到75%以上時(shí)增加負(fù)荷，增幅不超過50%．

1．3．2 分析方法

COD，重鉻酸鉀法；DO，膜電極法，JPB－607；pH，玻璃電極法，WTW inoLab；SS，重量法；產(chǎn)氣量，氣袋收集法；形貌，掃描電鏡Hitachi H－2800．

2 結(jié)果與討論

2．1 污泥顆粒形成過程

厭氧折板反應(yīng)器顆粒污泥的形成過程歷時(shí)101d，污泥形成過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2 所示．

圖2 廢水pH 和CODCr隨時(shí)間變化曲線Fig．2 Change of pH and CODCrof wastewater

從圖2可以看出，隨著進(jìn)水CODCr濃度的增大，伴隨著顆粒污泥的不斷形成，無論進(jìn)水端pH值如何波動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間的適應(yīng)與調(diào)整，出水pH 值始終穩(wěn)定在7．0左右；達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，進(jìn)水CODCr為10 000mg·L－1，此時(shí)CODCr的去除率仍能保持72%．啟動(dòng)試驗(yàn)和試運(yùn)行階段全稱為調(diào)試運(yùn)行或反應(yīng)器的啟動(dòng)，兩階段的分界點(diǎn)為顆粒化初步形成時(shí)．試驗(yàn)進(jìn)行至46d時(shí)，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥形成，粒徑約0．2 mm，此時(shí)進(jìn)水CODCr為6 000mg·L－1左 右， 容 積 負(fù) 荷 為8．0kgCODm－3·d－1；隨后，顆粒污泥形成速度加快，粒徑變大，約73d時(shí)，反應(yīng)器中顆粒污泥清晰可見，粒徑依隔室不同而變化；啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，約101d，容積負(fù)荷達(dá)到15．0kg CODm－3·d－1，產(chǎn)氣率為0．36m3·kg－1，顆粒污泥形貌有規(guī)律，一般為球形或橢球形，第一隔室為灰白色，其余3室為黑色，粒徑在0．2～4．5mm 之間．在自來水龍頭下沖洗，用手搓捻，不會(huì)成為粉末，污泥有一定強(qiáng)度．

2．2 污泥形貌

取各室少量污泥，肉眼觀察，均呈顆粒狀，具體結(jié)果如表1 和圖3 所示．

表1 厭氧折板反應(yīng)器顆粒污泥性狀Tab．1 Characteristics of sludge granule of ABR

圖3 顆粒污泥實(shí)體照片F(xiàn)ig．3 Picture of sludge granules

掃描電鏡結(jié)果如圖4 所示．從圖4 中可以看出，顆粒污泥的結(jié)構(gòu)都比較緊密，表面分布較多的孔隙，基本呈球形，橢球形．由于隔室不同，形狀略有差異．第1 隔室（如圖4（a）），粒徑較大，約4．5mm．原因是反應(yīng)器前端有機(jī)負(fù)荷高，營(yíng)養(yǎng)豐富，表面有孔隙，便于營(yíng)養(yǎng)快速運(yùn)輸．粒徑不均勻的原因是存在沖擊負(fù)荷．第2 隔室（如圖4（b）），平均粒徑為2mm，呈球形，形貌規(guī)則，說明反應(yīng)器負(fù)荷較穩(wěn)定，同時(shí)由于負(fù)荷較前室低，導(dǎo)致顆粒較?。?隔室（如圖4（c）），顆粒更加富有變化，有的呈長(zhǎng)橢圓形，有的呈球形，粒徑的大小也不均勻，但顆粒的大小整體較前室更小．表明了菌群的多樣性、復(fù)雜性，更低的負(fù)荷使顆粒更?。?隔室（如圖4（d）），出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)菌種的趨勢(shì)明顯，但更小的有機(jī)負(fù)荷使顆粒更小，同時(shí)也更密實(shí)．同時(shí)，由于出水，密度較小的顆粒會(huì)被洗出，所以第4隔室中保留下來的顆粒密度較大．

圖4 顆粒污泥掃描電鏡圖片F(xiàn)ig．4 SEM of sludge granule

取樣制片后在光學(xué)顯微鏡下可看到，菌團(tuán)周圍混

雜著絮狀的菌膠團(tuán)，排列緊湊，說明結(jié)合得很緊密．菌團(tuán)邊緣非常清晰整齊，結(jié)構(gòu)致密．

2．3 產(chǎn)氣率

污泥產(chǎn)甲烷活性能夠較好地反映出顆粒污泥的生物活性．由于廢水中被去除的CODCr主要轉(zhuǎn)化為甲烷，因此污泥產(chǎn)甲烷活性可以反映出污泥所能具有的去除CODCr及產(chǎn)生甲烷的潛力．從圖5 中可以看出，產(chǎn)氣率隨容積負(fù)荷的提高而增加，最高容積產(chǎn)氣率為0．36m3CH4／kgVS．

圖5 產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化Fig．5 Effect of time to methane yield

2．4 影響污泥顆粒化的因素

2．4．1 有機(jī)底物

有機(jī)底物的質(zhì)與量均對(duì)污泥顆?；兄匾绊懀绻麖U水可生化性COD 含量高，則廢水易酸化；同時(shí)調(diào)整水力停留時(shí)間，可以促進(jìn)顆粒形成．

前端較高濃度的有機(jī)底物，形成了較大的濃度梯度，使體系具有較大的傳質(zhì)推動(dòng)力，有機(jī)物可以滲透到較大顆粒污泥的深處．與此同時(shí)，在高負(fù)荷條件下，產(chǎn)氣量很高，大量氣泡的析出會(huì)帶走細(xì)小污泥，這種選擇性的污泥洗出，對(duì)污泥的顆?；鸬搅嗣黠@的促進(jìn)作用．

2．4．2 pH 值

在厭氧消化中，存在著水解細(xì)菌和酸化菌及產(chǎn)甲烷菌．產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH 值的要求非常苛刻，通常要求其最佳范圍是6．8～7．2．在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，出水基本保持中性，測(cè)得4個(gè)室的pH 分別為6．73，6．84，6．94，6．91．

2．4．3 有機(jī)負(fù)荷

本文試驗(yàn)所采用的種泥是絮狀污泥，進(jìn)水CODCr的濃度為1 000mg·L－1，容積負(fù)荷NV為1．44kg CODm－3·d－1．如果進(jìn)水CODcr的濃度為1 0000mg·L－1， 則 容 積 負(fù) 荷 NV為14．4kg CODm－3·d－1．接種初期的厭氧污泥活性較差，采用較高的有機(jī)負(fù)荷極易形成沖擊負(fù)荷，揮發(fā)性脂肪酸大量積累，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓．所以本研究采取較低負(fù)荷啟動(dòng)．進(jìn)入顆粒污泥出現(xiàn)階段后，有機(jī)負(fù)荷的改變對(duì)反應(yīng)器的去除效率影響不大．

3 結(jié) 論

1）在25～35 ℃中溫條件下，進(jìn)水CODCr的濃 度 為1 000 mg·L－1，容 積 負(fù) 荷 NV為1．44kg CODm－3·d－1，逐步增加進(jìn)水CODCr的濃度．在46d 時(shí)發(fā)現(xiàn)顆粒污泥形成，在73d時(shí)反應(yīng)器中顆粒污泥清晰可見，粒徑依隔室不同而變化；在啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，約101 d，容積負(fù)荷達(dá)到15．0kgCODm－3·d－1，顆粒污泥的形貌有規(guī)律．

2）顆粒污泥的粒徑分布為0．2～4．5mm，在低倍顯微鏡下觀察到邊緣非常整齊的菌團(tuán)，呈球形、橢球形，表面有孔隙．主要菌種符合絲狀產(chǎn)甲烷菌特征，產(chǎn)甲烷活性達(dá)到0．36m3CH4／kgVS．

3）在設(shè)計(jì)負(fù)荷下，CODCr去除率達(dá)到72%，出水需要后續(xù)好氧處理．

4）實(shí)驗(yàn)中顆粒污泥的形成過程中采取固定HRT，導(dǎo)致了污泥過度流失，不利于污泥顆?；M(jìn)程．

［1］Lim S J，Kim T H．Applicability and trends of anaerobic granular sludge treatment processes［J］．Biomass and Bioenergy，2014，60：189－202．

［2］徐富，繆恒鋒，任洪艷，等．廢水處理中厭氧污泥顆?；芯窟M(jìn)展［J］．上海環(huán)境科學(xué)，2013，32（2）：47－51．Xu Fu，Miao Hengfeng，Ren Hongyan，et al．Progress in research on the granulation of anaerobic sludge formed in wastewater treatment process［J］．Shanghai Environmental Sciences，2013，32（2）：47－51．（in Chinese）

［3］Yong Z C．McCarty P L．The anaerobic filter for waste treatment［J］．Water Pollute Control Federation，1969，41（5）：160－173．

［4］Liu Yiwen，Zhang Yaobin，Quan Xie，et al．Applying an electric field in a built－in zero valent iron－anaerobic reactor for enhancement of sludge granulation［J］．Water Research，2011，45（3）：1258－1266．

［5］She Zonglian，Wu Jian，F(xiàn)u Xiaohui，et al．Study on granulation of anaerobic sludge in UASB reactor adding cationic polymer treating low strength wastewater at room temperature［J］．Applied Mechanics and Materials，2011，71－78：2974－2977．

［6］Ahmad A，Ghufran R，Wahid Z A．Role of calcium oxide in sludge granulation and methanogenesis for the treatment of palm oil mill effluent using UASB reactor［J］．Journal of Hazardous Materials，2011，198：40－48．

［7］Habeeb S A．A review on granules initiation and development inside UASB Reactor and the main factors affecting granules formation process［J］．International Journal of Energy and Environment，2011，2（2）：311－320．

［8］Lu Huifeng，Zheng Ping，Ji Qixing，et al．The structure，density and settlability of anammox granular sludge in high－rate reactors［J］．Bioresource Technology，2012，123：312－317．

［9］Subramanyam R．Physicochemical and morphological characteristics of granular sludge in upflow anaerobic sludge blanket reactors［J］．Environmental Engineering Science，2013，30（5）：201－212．

［10］Subramanyama R，Mishrab I M．Characteristics of methanogenic granules grown on glucose in an upflow anaerobic sludge blanket reactor［J］．Biosystems Engineering，2013，114（2）：113－123．

［11］Hao Tianwei，Wei Li，Lu Hui，et al．Characterization of sulfate－reducing granular sludge in the SANI（R）process［J］．Water Research，2013，47（19）：7042－7052．

［12］Yu Luji，Wang Huiying，Song Hongjie，et al．Performance of a pilot－scale hydrolysis acidification and improved UASB process for the treatment of alcohol wastewater：sludge granulation and treatment efficiency［J］．Advanced Materials Research，2013，726－731：2246－2251．

［13］Li Jin，Yu Lian，Yu Deshuang，et al．Performance and granulation in an upflow anaerobic sludge blanket（UASB）reactor treating saline sulfate wastewater［J］．Biodegradation，2014，25（1）：127－136．

［14］Zhang Ying，Liu Yang，Hu Miao，et al．Acclimation of the trichloroethylene－degrading anaerobic granular sludge and the degradation characteristics in an upflow anaerobic sludge blanket reactor［J］．Water Science ＆Technology，2014，69（1）：120－127．

［15］宮小燕，宋瑞平，李國學(xué)，等．不同溫度下有機(jī)負(fù)荷對(duì)厭氧折流板反應(yīng)器污泥顆?；挠绊懀跩］．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（5）：839－843．Gong Xiaoyan，Song Ruiping，Li Guoxue，et al．Effect of organic load on sludge granulation in anaerobic baffled reactors at different temperatures［J］．Chinese Jounlal of Environmental Engineering，2009，3（5）：839－843．（in Chinese）

［16］董凌霄，秦寧．厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）的啟動(dòng)研究［J］．陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（4）：56－60．Dong Lingxiao，Qin Ning．Research on the start－up of anaerobic baffled reactor［J］．Journal of Shanxi University of Science ＆Technology，2010，28（4）：56－60．（in Chinese）

［17］Motteran F，Pereira E L，Campos C M M．The behaviour of an anaerobic baffled reactor（ABR）as the first stage in the biological treatment of hog farming effluents［J］．Brazilian Journal of Chemical Engineer－ing，2013，30（2）：299－310．

［18］趙來利，佘宗蓮，高孟春．常溫下ABR 處理低濃度廢水性能及污泥特性［J］．環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4（4）：761－766．Zhao Laili，She Zonglian，Gao Mengchun．Treatment of low strength wastewater and sludge characteristics in anaerobic baffled reactor at normal temperatures［J］．Chinese Journal of Environmental Engineering，2010，4（4）：761－766．（in Chinese）

［19］王建芳，沈耀良，宋小康．改進(jìn)型厭氧折流板反應(yīng)器預(yù)處理農(nóng)村生活污水效能研究［J］．水處理技術(shù)，2012，38（8）：69－72．Wang Jianfang，Shen Yaoliang，Song Xiaokang．Efficiency of improved anaerobic baffled reactor（ABR）for pretreating rural domestic sewage［J］．Technology of Water Treatment，2012，38（8）：69－72．（in Chinese）

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