ABR反應(yīng)器污泥減量化的研究

王儀超，呂順亮，許海輝，徐炎華，趙賢廣（南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211816）

ABR反應(yīng)器污泥減量化的研究

王儀超，呂順亮，許海輝，徐炎華，趙賢廣
（南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211816）

采用ABR+生物接觸氧化組合工藝處理甲醇模擬廢水，通過測定COD、SVI、MLSS、MLVSS等指標(biāo)，對比考察了ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器處理有機(jī)廢水過程中的污泥性能和減量效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ABR與常規(guī)厭氧反應(yīng)器相比，其對廢水有著更好的處理能力，且抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)，ABR中厭氧污泥的沉降性能更穩(wěn)定。另外，ABR在穩(wěn)定運(yùn)行過程中的無機(jī)泥比例更高，能夠更好地實(shí)現(xiàn)污泥減量化，其中ABR 3#隔室以產(chǎn)甲烷為主的特點(diǎn)使其對污泥的減量化最明顯。

厭氧折流反應(yīng)器；污泥特性；無機(jī)泥；污泥減量化

厭氧生物處理技術(shù)具有負(fù)荷率高、能耗低、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)〔1-2〕，在廢水處理中得到廣泛應(yīng)用。但在采用厭氧生物處理技術(shù)處理廢水的過程中，會產(chǎn)生大量的剩余污泥，傳統(tǒng)的污泥處理與處置成本高〔3〕，能力有限，若處置不當(dāng)會造成嚴(yán)重的二次污染。因此，有效減少污泥的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)污泥減量化具有重要意義。

厭氧折流反應(yīng)器（anaerobic baffled reactor，ABR）〔4〕作為第三代厭氧反應(yīng)器，自問世以來受到廣泛關(guān)注，其對高濃度有機(jī)廢水具有很好的處理效果。在采用ABR處理廢水時(shí)，ABR上流室功能相當(dāng)于一個(gè)UASB〔5〕，借助廢水的流動和氣體上升的作用，反應(yīng)器中的污泥可作上下運(yùn)動，由于擋板阻隔和污泥自身的沉降性能，大部分厭氧污泥能被截留在上流室中；另外，水平方向上多個(gè)隔室串聯(lián)的構(gòu)造又能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的分離，實(shí)現(xiàn)厭氧消化的過程，也為污泥從源頭上的減量化提供了可能性。本研究對ABR處理有機(jī)廢水的效果進(jìn)行了考察，同時(shí)考察了其在污泥減量方面的獨(dú)特優(yōu)勢。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

ABR和生物接觸氧化裝置示意如圖1所示。

圖1　ABR+生物接觸氧化實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中所用的反應(yīng)器均用10mm厚的有機(jī)玻璃自制而成。ABR尺寸為44.2 cm×12 cm×50 cm，有效容積8.5 L，被豎直折流板分成3個(gè)隔室，第1隔室有效容積為4.5 L，第2隔室有效容積為2.5 L，第3隔室有效容積為1.5 L。每個(gè)隔室又分上流室和下流室，其長度比約為4.5∶1，折流板折角為45°，能起到緩沖水流和均勻布水的作用。每個(gè)隔室均設(shè)有取樣口、取泥口。常規(guī)厭氧反應(yīng)器為單隔室反應(yīng)器，有效容積為4.2 L。

生物接觸氧化反應(yīng)器尺寸為17 cm×12 cm× 37.5 cm，有效容積3.5 L。生物接觸氧化反應(yīng)器池底設(shè)有進(jìn)水口、進(jìn)氣口及排泥口，池內(nèi)設(shè)有支撐板。下支撐板的作用主要是承托填料，上支撐板的作用主要是防止懸浮型的填料隨水流走。調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的進(jìn)氣量可以控制進(jìn)入裝置的氣體量，從而控制生物接觸氧化系統(tǒng)中的溶解氧含量。

1.2實(shí)驗(yàn)水樣及接種污泥

實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用配制的模擬廢水，分別以甲醇、氯化銨、磷酸二氫鉀作為碳源、氮源、磷源，m（COD）∶m（NH3-N）∶m（P）=200∶5∶1。本研究中，原水中的氮和磷等營養(yǎng)元素均很充足，不構(gòu)成污泥生長的限制性因素。將進(jìn)水pH調(diào)節(jié)至7.5左右。

厭氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器接種的污泥均為南京市某水務(wù)公司二次沉淀池的污泥。接種前先將污泥曝氣2～3 d，待恢復(fù)活性后再接種到實(shí)驗(yàn)裝置中，接種污泥體積約為反應(yīng)器總?cè)莘e的1/3。

1.3實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程

本實(shí)驗(yàn)分2個(gè)階段，連續(xù)運(yùn)行65 d，第1階段為1～31 d，第2階段為32～65 d。各階段的運(yùn)行條件見表1。

表1　工藝運(yùn)行條件

1.4分析方法

COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀滴定法測定，MLSS、MLVSS采用重量法測定。SVI是指污泥泥水混合液靜置30min后，單位重量的污泥所占的體積數(shù)，用mL/g表示。

2　結(jié)果與討論

為考察ABR處理有機(jī)物過程中的污泥減量效果，將常規(guī)厭氧反應(yīng)器（機(jī)械攪拌）作為對比研究對象，同時(shí)各自在厭氧段后面加上生物接觸氧化器作為一套完整的工藝流程。本實(shí)驗(yàn)以ABR+生物接觸氧化作為工藝Ⅰ，常規(guī)厭氧反應(yīng)器（機(jī)械攪拌）+生物接觸氧化作為工藝Ⅱ。

2.1不同工藝對COD的去除效果

2種工藝對廢水COD的去除效果如圖2所示。

圖2　2種工藝對廢水COD的去除效果

由圖2可知，在表1的運(yùn)行條件下，工藝Ⅰ、工藝Ⅱ的COD去除率都很高，并且相差不大。ABR的COD去除率一開始就達(dá)到了80.8%，而常規(guī)厭氧反應(yīng)器的COD去除率只有47.5%。運(yùn)行30 d后，ABR的COD去除率穩(wěn)定達(dá)到95%，比常規(guī)厭氧反應(yīng)器高了17%左右。當(dāng)進(jìn)水COD提高到3 200mg/L左右時(shí)，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的提升導(dǎo)致常規(guī)厭氧反應(yīng)器的COD去除率下降了14%左右；而ABR的COD去除率變化不大。ABR對廢水COD的總體處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)厭氧反應(yīng)器。

甲醇可生化性較高、易降解，因此在厭氧階段可去除廢水中大部分的COD，剩余的有機(jī)物經(jīng)過生物接觸氧化段得到進(jìn)一步降解，使得工藝Ⅰ與工藝Ⅱ的COD去除率最終能穩(wěn)定在97.5%以上。ABR多級分布隔室結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢可以有效地抵抗有機(jī)負(fù)荷帶來的沖擊，在高的有機(jī)負(fù)荷下，第2隔室和第3隔室可有效地起到緩沖有機(jī)負(fù)荷沖擊作用。由于ABR可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相的分離，使不同種群微生物在各自適宜的環(huán)境條件下生存，顯著地提高了處理效率。所以，相比于常規(guī)厭氧反應(yīng)器，ABR可以在更高的有機(jī)負(fù)荷下運(yùn)行，并達(dá)到良好的處理效果。

2.2ABR各隔室對COD的去除效果

在表1的運(yùn)行條件下，考察了ABR各隔室對廢水COD的去除效果，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在前10 d，ABR各個(gè)隔室的COD去除率都有不同程度的提升，初期階段，2#隔室的COD去除率要高于1#隔室，之后隨著1#隔室中微生物的逐漸適應(yīng)，1#隔室的COD去除率進(jìn)一步提高，絕大多數(shù)的有機(jī)物在1#隔室得到了降解。在第31天提高進(jìn)水濃度后，有機(jī)負(fù)荷的增高導(dǎo)致了初期1#隔室來不及降解大量COD，COD去除率驟降到66.5%，但由于進(jìn)入后面隔室的底物濃度的增多，2#、3#隔室的COD去除率隨之上升，總的COD去除率并沒有受到容積負(fù)荷太大的影響，表明了ABR分隔室的構(gòu)造具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力，后面隔室能起到很好的緩沖作用。

圖3　ABR各隔室對廢水COD的去除效果

2.3厭氧污泥SVI

在表1的運(yùn)行條件下，對比考察了ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器SVI值的變化趨勢，結(jié)果見圖4。

圖4　ABR和常規(guī)厭氧的SVI值隨時(shí)間的變化

從圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)初期階段，常規(guī)厭氧反應(yīng)器的SVI值很高，最高時(shí)超過145mL/g，沉降性能差，有發(fā)生污泥膨脹的現(xiàn)象。這主要是由于啟動階段的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較高，此時(shí)常規(guī)厭氧反應(yīng)器中的污泥抗沖擊負(fù)荷能力較弱，細(xì)菌吸附了大量有機(jī)物，來不及代謝，在胞外積貯大量高黏性的多糖物質(zhì)，使得表面附著物大量增加，很難沉淀壓縮。相比之下，ABR各隔室的污泥容積指數(shù)變化幅度明顯小得多，且ABR的SVI值在初期遠(yuǎn)低于常規(guī)厭氧反應(yīng)器，說明ABR的污泥有很好的凝聚性和沉降性。ABR分隔室的特點(diǎn)利于形成各自獨(dú)立優(yōu)勢菌群，菌種之間能各司其職，有利于維持系統(tǒng)生物態(tài)的穩(wěn)定，因而提高負(fù)荷并不會對ABR的SVI值帶來明顯變化。ABR各隔室污泥的體積指數(shù)隨水流方向呈上升趨勢，其原因是前面隔室的營養(yǎng)物質(zhì)充足，顆粒污泥能得到很好的生長，提高了污泥的凝聚能力，因此1#隔室的SVI值最低。而常規(guī)厭氧反應(yīng)器由于需要機(jī)械攪拌來保證泥水混合均勻，容易造成污泥松散和顆粒破裂，較難培養(yǎng)出粒徑大、具有良好沉降性能的污泥。

3　污泥減量研究分析

ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器在運(yùn)行過程中難免會有污泥隨出水流向后面的生物接觸氧化反應(yīng)器；另外，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，實(shí)驗(yàn)過程中難以準(zhǔn)確有效地測定出各工藝厭氧段的污泥流失量。故選取運(yùn)行穩(wěn)定之后的生化系統(tǒng)作為研究對象，對比研究ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器在處理廢水過程中的污泥減量效果。由圖2可知，ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器在運(yùn)行了50 d后都達(dá)到了平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)。運(yùn)行穩(wěn)定后，對ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器中的MLSS、MLVSS進(jìn)行了測定（多次測量，取平均值），結(jié)果見表2。

表2　運(yùn)行穩(wěn)定后反應(yīng)器處理廢水的污泥減量效果

由表2可知，常規(guī)厭氧反應(yīng)器中的MLVSS/ MLSS值要高于ABR各個(gè)隔室，說明污泥中揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)比例相對較高，但其COD去除率卻比ABR低了6.5%。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)厭氧反應(yīng)器為單一隔室，各菌種混合生長，生存環(huán)境不穩(wěn)定，一定程度上會影響有機(jī)物的去除效果。而ABR分隔室的構(gòu)造可以讓各隔室內(nèi)底物條件不同，從而可很好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的分相功能。一般認(rèn)為兩相厭氧工藝通過產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的分離，兩大類厭氧菌群可以各自生長在最適宜的環(huán)境條件下，這樣有利于充分發(fā)揮厭氧菌群的活性，提高系統(tǒng)的處理效果和運(yùn)行穩(wěn)定性〔6〕，另外，兩相工藝中產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的活性要分別比單相運(yùn)行工藝高出4倍〔7〕，并可使不同微生物種群在各自合適的條件下生存。因此，雖然常規(guī)厭氧反應(yīng)器中揮發(fā)性有機(jī)物較多，但其對有機(jī)物的降解能力反而弱于ABR。

由表2還可以看出，ABR中的無機(jī)泥比例要高于常規(guī)厭氧反應(yīng)器，表明ABR中有更多的活性污泥發(fā)生著自我降解，其中無機(jī)泥比例最高的為3#隔室，達(dá)到了48.0%。與常規(guī)厭氧反應(yīng)器相比，多降解生成的無機(jī)泥占到常規(guī)厭氧反應(yīng)器中無機(jī)泥的54.8%，說明ABR能夠更好地實(shí)現(xiàn)污泥減量化。ABR 3個(gè)隔室中的無機(jī)泥比例由大到小依次為3#隔室>2#隔室>1#隔室，3#隔室以產(chǎn)甲烷為主，甲烷化的進(jìn)行能夠?qū)⒂袡C(jī)物轉(zhuǎn)化生成CH4和CO2，從而能夠很好地實(shí)現(xiàn)污泥消解。可見，ABR中產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的分離有助于更好地實(shí)現(xiàn)污泥的減量化。

4　厭氧污泥的表觀特征

對ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器中的厭氧污泥進(jìn)行了SEM表征，結(jié)果見圖5。

圖5　ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器中污泥表面細(xì)菌形態(tài)

SEM表征結(jié)果表明，顆粒污泥表面都存在縫隙和孔洞，這些孔隙一方面能夠使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入顆粒污泥內(nèi)部，促進(jìn)其生長，另外也是微生物代謝廢棄物的通道，以及產(chǎn)生氣體的釋放渠道〔8〕。ABR 1#隔室污泥表面以桿狀菌居多，主要是以利用氫的產(chǎn)甲烷短桿菌為主，屬于專性厭氧微生物；2#隔室局部仍有桿狀菌，但數(shù)量明顯比前面隔室少，并開始出現(xiàn)一定數(shù)量甲烷球菌；3#隔室則明顯以甲烷八疊球菌占絕對的優(yōu)勢。常規(guī)厭氧反應(yīng)器污泥表面也可以觀察到圓球狀的產(chǎn)甲烷菌，但優(yōu)勢菌種并不明顯。ABR的特殊結(jié)構(gòu)使得不同的厭氧微生物菌種能夠在不同隔室生長，反應(yīng)器前端以產(chǎn)甲烷短桿菌為優(yōu)勢菌，后面的隔室則以甲烷八疊球菌為優(yōu)勢菌。分析原因可能是前面隔室揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）濃度高，氫濃度很高，產(chǎn)甲烷短桿菌能從氧化H2的過程中獲得代謝所需的能量〔9〕，到后面隔室VFA在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下能夠很好地轉(zhuǎn)化成乙酸，而甲烷八疊球菌比短桿菌對乙酸的親和力高〔10〕，且專屬性更強(qiáng)，因此甲烷八疊球菌更多地出現(xiàn)在后面隔室，同時(shí)也體現(xiàn)了ABR能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離的特點(diǎn)〔11〕。

5　結(jié)論

分別采用ABR+生物接觸氧化（工藝Ⅰ）、常規(guī)厭氧反應(yīng)器（機(jī)械攪拌）+生物接觸氧化（工藝Ⅱ）的組合工藝處理甲醇模擬廢水，通過測定COD、SVI、MLSS、MLVSS等指標(biāo)，對比考察了ABR和常規(guī)厭氧反應(yīng)器處理有機(jī)廢水過程中的污泥性能和減量效果。結(jié)果表明：

（1）工藝Ⅰ、工藝Ⅱ?qū)U水COD都有非常高的去除率，穩(wěn)定后都能達(dá)到97.5%以上。ABR對COD的去除效果優(yōu)于常規(guī)厭氧反應(yīng)器，且ABR的耐沖擊負(fù)荷能力明顯更強(qiáng)。ABR降解有機(jī)物的過程主要發(fā)生在1#隔室，后面的隔室可以起到很好的緩沖作用。

（2）在處理廢水的過程中，ABR各隔室的SVI值波動較小，且SVI值沿流程方向逐漸減小。另外，ABR中污泥的凝聚性和沉降性能都優(yōu)于常規(guī)厭氧反應(yīng)器。

（3）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，ABR中的無機(jī)泥比例要高于常規(guī)厭氧反應(yīng)器，表明ABR在污泥減量方面優(yōu)于常規(guī)厭氧反應(yīng)器；同時(shí)ABR 3#隔室中的無機(jī)泥比例最高，說明ABR產(chǎn)甲烷過程比產(chǎn)酸過程的污泥減量化效果更明顯。

［1］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.

［2］彭舉威，韓相奎，康春莉，等.多點(diǎn)分區(qū)進(jìn)水厭氧折流板反應(yīng)器運(yùn)行效能研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30（9）：2625-2629.

［3］潘碌亭，王鍵，束玉寶，等.污泥減量化與資源化研究進(jìn)展［J］.環(huán)境污染與防治，2008，30（4）：73-77.

［4］Lettinga G，F(xiàn)ield J，Van L J，etal.Advanced anaerobic wastewater treatmentin thenear future［J］.Water Scienceand Technology，1997，35（10）：5-12.

［5］邱波，郭靜，邵敏，等.ABR反應(yīng)器處理制藥廢水的啟動運(yùn)行［J］.中國給水排水，2000，16（8）：42-44.

［6］蘆佳娟.ABR的啟動、顆粒污泥特征及處理染料廢水的研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2005.

［7］趙丹，王承武，沈耀良.污泥減量化與資源化研究進(jìn)展［J］.環(huán)境工程，2014，19（2）：12-15.

［8］周莉莉.化工合成制藥廢水的高效厭氧生物處理技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［9］徐金蘭，黃廷林，王志盈.ABR中厭氧顆粒污泥的微生物學(xué)特性［J］.中國給水排水，2004，20（10）：49-51.

［10］張旭棟，劉燕，曾次元.厭氧膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)［J］.工業(yè)用水與廢水，2005，36（6）：5-10.

［11］楊百忍.ABR反應(yīng)器顆粒污泥的培養(yǎng)及運(yùn)行特性的研究［D］.青島：中國海洋大學(xué)，2005.

Study on the sludge reduction ofABR reactor

Wang Yichao，LüShunliang，Xu Haihui，Xu Yanhua，Zhao Xianguang
（College of Environmental Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

The combined process，ABR-biological contactoxidation，has been used for treating simulatedmethanol wastewater.Through determining the indexes，such asCOD，SVI，MLSS，MLVSS，etc.，the sludge characteristics and reduction effectof ABR reactor and conventional anaerobic reactor in the process of treating organic wastewater are contrasted and investigated.The experimental resultsshow thatcontrasted with conventionalanaerobic reactor，ABR hasbetter treatment capacity forwastewater，and stronger stock resistance load capacity.The settleability of anaerobic sludge in ABR ismore stable.In addition，the inorganic sludge proportion of ABR in the stably running process is higher，being able to achieve better sludge reduction，in which the sludge reduction resulted from themain characteristicsofmethane-production in the third compartmentof ABR is themostobvious.

anaerobic baffled reactor；characteristicsofsludge；inorganic sludge；reduction ofsludge

X703

A

1005-829X（2016）10-0032-05

王儀超（1990—），碩士研究生。E-mail：1158820690@ qq.com。

2016-08-08（修改稿）