ABR反應(yīng)器處理制糖廢水研究進展

趙 璐，彭方玥，曲 震，李永峰

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 前言

我國制糖行業(yè)發(fā)展十分迅速，在國際糖業(yè)界具有舉足輕重的地位[1]。制糖行業(yè)發(fā)展的同時也產(chǎn)生了大量的制糖廢水，由于采用的制糖原料和工藝不同，產(chǎn)生的廢水量也不同，但多數(shù)的制糖工廠每天排放的制糖廢水量都超過了10 000 t[2]。且制糖廢水由于處理量較大、酸度大、色度深、有機物含量多、污染負荷高等特點得到了研究者的關(guān)注，制糖廢水的處理問題也成為了人們研究的重點。我國的制糖廢水主要是甜菜或甘蔗加工過程產(chǎn)生并排出的廢水以及酒精車間廢水、斜槽廢水等。由于甜菜含水率較高，產(chǎn)生的甜菜制糖廢水首先考慮的是回收再循環(huán)利用，無法回收的制糖廢水需經(jīng)處理達標后再排放[3]。

國內(nèi)外多位研究者都對制糖廢水的處理問題進行了深入研究，如N.V.Pradeep采用DSFF來處理糖廢水[4]、Yongqiang Zhu采用ABR進行處理[5]、陳紅采用CSTR作為反應(yīng)裝置[6]、鐘國強對比了處理制糖廢水的兩種工藝[7]等等。目前制糖廢水的常用處理技術(shù)有物化法和生化法，而制糖廢水具有較強的可生化性，國內(nèi)外對該廢水的處理常采用生化法。在生化法中，采用ABR進行厭氧處理的方法因具有投資運營成本較低且產(chǎn)生的污泥量較少、能耗低等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用[8]。

1 ABR結(jié)構(gòu)及特點

斯坦福大學(xué)的McCarty等人在20世紀80年代第一次研究構(gòu)建了第三代厭氧生物反應(yīng)器—ABR反應(yīng)器(厭氧折流板反應(yīng)器)[9]，其特有的多格室結(jié)構(gòu)使其相較于第二代厭氧反應(yīng)器在污水處理效果以及產(chǎn)氫性能方面都得到了較大提升。

1.1 ABR的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多年的研究調(diào)整，ABR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了較大程度的優(yōu)化。ABR反應(yīng)器由數(shù)組內(nèi)置的垂直導(dǎo)流板分隔開，在其內(nèi)部形成數(shù)個串聯(lián)的反應(yīng)格室，每個格室相當于一個獨立的升流式厭氧污泥床系統(tǒng)，各格室有其獨立的集氣裝置以便單獨分析各個格室產(chǎn)生的氣體成分，這也有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定[10]。ABR系統(tǒng)內(nèi)的污泥經(jīng)過不斷馴化在各個格室內(nèi)形成適應(yīng)該格室環(huán)境條件的不同的微生物群落，使產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相得到有效分離，待處理的污水依次流經(jīng)各個格室與微生物充分接觸從而逐步得到降解。研究者們將反應(yīng)器起初上下折流板的相等間距調(diào)整成上流室寬下流室窄的構(gòu)造，使得上流室水流上升速度降低，并將底部折流板設(shè)計成轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計可以使得布水均勻，污泥與廢水進行充分的混合，且改善了之前易產(chǎn)生死區(qū)以及污泥流失等問題。鄭陽等在反應(yīng)器內(nèi)嵌入鵝卵石作為填料，使其與反應(yīng)器構(gòu)筑成新型的“活性污泥-生物膜”反應(yīng)器[11]，如圖1。

1.取樣口 2.出水口 3.排污口 4.導(dǎo)流板 5.氣體流量計 6.進水口 7.活性炭 8.廢水箱 9.橫流泵圖1 ABR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 水力特性

反應(yīng)器的水力條件對處理污水的效果以及反應(yīng)器產(chǎn)氫性能都有很大的影響。ABR內(nèi)部設(shè)置的折板結(jié)構(gòu)將每個格室分為上向流室和下向流室，污水沿程逐格室流經(jīng)反應(yīng)器，上下折流翻騰，因此在單獨的格室內(nèi)起到很好的混合作用，而折板也能有效阻止各個反應(yīng)格室的返混，使整體的水力流態(tài)呈現(xiàn)水平推流式。因此ABR反應(yīng)器的水力流態(tài)是介于水平的推流式(整體上)和混合流態(tài)(各格室)之間的復(fù)合流態(tài)模式。張壽通[12]等的研究表明，ABR反應(yīng)器的水力特性受到其結(jié)構(gòu)的影響。HRT的增加會導(dǎo)致反應(yīng)器由混合式向推流式轉(zhuǎn)變，即正常運行條件下，HRT越大，混合的程度就越強。此外，斜板式ABR反應(yīng)器相較于普通ABR而言可以增大死區(qū)的容積率，更有效地防止污泥的流失。許明[13]等的研究表明，反應(yīng)器有效容積一定時，將ABR的格室數(shù)量從3個增加到6個，反應(yīng)器的死區(qū)百分比相應(yīng)的由15. 51%下降到1. 87%，在實際操作中，可根據(jù)情況適當增加格室數(shù)量，格室越多，整體水力狀態(tài)越接近推流式，最佳反應(yīng)器格室數(shù)為4-5個。于少亭等[14]采用CFD與RTD技術(shù)分析反應(yīng)器的水力特性，確定最佳的上下流室寬度比為4∶1。

ABR反應(yīng)器的水力流態(tài)以及空間的利用程度對污水與微生物的接觸時間、反應(yīng)器的處理效率等都有較大的影響，因此對ABR反應(yīng)器的水力特性的探究仍在繼續(xù)，對于如何更有效地減少水力死區(qū)和生物死區(qū)、如何最大化的利用反應(yīng)器的容積、如何調(diào)控找到適合反應(yīng)器的水力流態(tài)等問題都有待進一步研究。

1.3 微生物相分離特性

在眾多的反應(yīng)器中，ABR反應(yīng)器完美利用了G.Lettinga教授提出的分階段多相厭氧工藝(SMPA)的思想。SMPA的主要思想就是將各個反應(yīng)區(qū)分隔開，在每個反應(yīng)區(qū)內(nèi)馴化出與該區(qū)域底物相適應(yīng)的微生物種群，使這些微生物與底物最大限度的接觸反應(yīng)，從而有效提高其反應(yīng)效率，且污泥之間不會發(fā)生混合。ABR反應(yīng)器的一個顯著優(yōu)點就是僅僅利用反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相的分離，有效降低成本[15]。在污水逐格室流經(jīng)反應(yīng)器時，各格室的優(yōu)勢種群發(fā)揮主要作用，而其他微生物則逐漸死亡。經(jīng)過不斷地淘汰和自然選擇，最終只有優(yōu)勢種群活躍在該反應(yīng)格室中，使得該格室內(nèi)反應(yīng)不受到其他微生物的干擾。但與此同時，折流板的結(jié)構(gòu)也帶來了一些弊端，如第一反應(yīng)格室所需要承受的負荷較其他格室更大，因此在實際運行中，第一格室的污泥投加量應(yīng)較其他格室更大。

1.4 顆粒污泥特性及截留污泥性能

研究表明，顆粒污泥在ABR反應(yīng)器的啟動運行過程中是可以形成的。如Boopathy[16]等人以糖漿廢水為底物啟動ABR反應(yīng)器，在30 d時，三個格室內(nèi)均出現(xiàn)平均粒徑0.55 mm的灰色球形顆粒污泥，且隨著反應(yīng)器的啟動運行，顆粒污泥的粒徑也在不斷增大。Baber等[17]人的研究表明，反應(yīng)器中間部分的顆粒污泥粒徑最大，且污泥的濃度越高，產(chǎn)氣率低的條件下污泥的粒徑會較大。但Holt等[18]人以含酚廢水為底物的研究則認為顆粒污泥粒徑是逐格室遞減的。沈耀良等[19]研究了幾種金屬離子對顆粒污泥形成及ABR反應(yīng)器運行的影響，結(jié)果表明，投加一定量Ca2+、Fe2+、Mg2+等重金屬離子對反應(yīng)器中顆粒污泥的活性產(chǎn)生一定影響，污水的處理效果也較之前更好。杜接弟[20]的研究表明當HRT由22 h降低至5 h時，顆粒污泥的粒徑逐漸增大且形態(tài)更加穩(wěn)定，且在反應(yīng)器前端分布的主要菌種為桿菌而后端格室則主要為絲狀菌，而球菌則分布較廣泛并出現(xiàn)在多個運行階段。

2 制糖廢水的處理方法

2.1 制糖廢水特性

制糖廢水是我國工業(yè)廢水的重要組成部分，是采用甜菜或甘蔗制糖過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水以及采用糖蜜廢水發(fā)酵制造酒精的過程產(chǎn)生的的廢水。制糖廢水包括低濃度的設(shè)備冷卻水、中濃度的甜菜洗滌廢水(懸浮物較多)、高濃度的泥漿和洗滌布水以及糖蜜酒精發(fā)酵廢水等重度污染的廢水。因含有大量的纖維素、蛋白質(zhì)以及糖分等有機物導(dǎo)致BOD及COD的值較高，且具有酸度較大，色度深、產(chǎn)量大等特點，因而受到重視。

2.2 制糖廢水處理技術(shù)

近年來制糖技術(shù)也在不斷發(fā)展，廢水的產(chǎn)生量隨之降低，但由于制糖廢水有機物含量高的特點，其處理方法也不能僅僅停留在簡單的物化法，有一些學(xué)者采用土地處理的方法對制糖廢水進行處理，但此方法受自然因素變化的影響較大，已有針對此方法的一些研究取得了初步成效。如張仲賓等[21]用制糖廢水灌溉甘蔗地，利用土地吸收降解廢水中的有機物，同時可以為甘蔗提供生長所需。但生物化學(xué)法仍然是制糖廢水處理的核心技術(shù)，采用生物化學(xué)法處理制糖廢水的工藝有很多種，包括厭氧處理工藝、好氧處理工藝以及將厭氧—好氧組合工藝。

好氧工藝的投資成本相對較低，且簡單易行，好氧工藝包括活性污泥法以及生物膜法?；钚晕勰喾ㄊ窃诤醚鯒l件下，通過活性污泥的吸附、凝聚、氧化、分解等作用，利用其中的微生物對廢水中有機物質(zhì)進行降解。胡亞萍等[8]在總結(jié)制糖廢水的處理方法時提到活性污泥法存在抗沖擊負荷能力弱、污泥易膨脹以及不穩(wěn)定等缺陷，而CASS工藝雖能較好地改善這些弊端，在運行管理中仍然存在參數(shù)調(diào)節(jié)等問題。同樣作為好氧工藝的生物膜法包括生物接觸氧化法、生物濾池和生物轉(zhuǎn)盤。生物膜法的耐沖擊性普遍較強，處理效率也相對較高，但也存在設(shè)計困難、固液分離效果差等弊端[22]。

制糖廢水由于有機物含量較高更適合采用厭氧生物處理的方法，其運行管理費用較好氧工藝更低，從而得到了廣泛應(yīng)用。上流室厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)作為第二代厭氧生物反應(yīng)器較早地被應(yīng)用到制糖廢水的處理中。史忠義等[23]采用UASB處理制糖廢水，實驗結(jié)果顯示UASB適合處理低濃度制糖廢水。張國強等[24]使用UASB處理制糖廢水時的COD去除率達到了80%，1 700 m3的反應(yīng)器日處理水量達到了1 000 m3。通過實際運行，UASB具有HRT較短、運行效率高以及成本低等優(yōu)點，但存在懸浮物難控制、耐沖擊負荷差導(dǎo)致出水水質(zhì)不達標等缺點，因此很少單獨使用。相對而言，第三代厭氧反應(yīng)器ABR因其獨特的分格室結(jié)構(gòu)而具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、抗沖擊負荷能力更強等優(yōu)點而得到重視。

好氧工藝與厭氧工藝單獨對制糖廢水進行處理都存在一定的弊端，因而目前厭氧-好氧組合的工藝逐漸引起研究者的重視。將高濃度的制糖廢水先經(jīng)過如UASB、EGSB、IC反應(yīng)器等厭氧工藝，出水再采用好氧工藝進一步處理。如張衛(wèi)軍等[25]使用UASB與SBR相結(jié)合的工藝對制糖廢水進行處理取得了較好的效果，該糖廠進水COD為115 000 mg/L,而出水COD僅為263 mg/L，出水水質(zhì)達到了二級標準。李桂榮等[26]采用UASB與A/O組合工藝處理糖廠廢水，運行效果較好，COD去除率達到95%以上，氨氮去除率也達到了94%，出水達到了國家一級標準且更優(yōu)。于永翠[27]采用EGSB與A/O組合工藝處理淀粉制糖廢水，總COD去除率也達到了90%以上。不同的處理方法都各有利弊，將各種處理方法相結(jié)合可以取長補短，達到對制糖廢水的最佳處理效果。

3 ABR處理制糖廢水研究

3.1 ABR處理制糖廢水效果研究

ABR作為第三代厭氧生物反應(yīng)器，延續(xù)了UASB的優(yōu)點，特殊的結(jié)構(gòu)及水力流態(tài)使其處理效果以及運行成本等方面都較第二代厭氧反應(yīng)器更有優(yōu)勢。對ABR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化以及其處理制糖廢水過程中的參數(shù)調(diào)控也得到了研究者們的重視。

目前，ABR處理制糖廢水已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到實際運行中，也有很多糖廠采用ABR處理工業(yè)廢水。何仕均等[28]在2006年就進行了用ABR處理甜菜制糖廢水的中試研究且取得了很好的效果，COD去除率達到了70 %以上，通過COD與HRT的同步調(diào)控實現(xiàn)了ABR的快速啟動，但在高負荷運行條件下，易出現(xiàn)反應(yīng)器過度酸化的情況。因此有一些學(xué)者針對ABR處理制糖廢水過程中出現(xiàn)的酸化進行一系列研究。如宿程遠等[29]研究了ABR處理制糖廢水過程中出現(xiàn)酸溺過程對系統(tǒng)pH值、COD去除率變化的影響及調(diào)控方法，實驗證明酸溺使得系統(tǒng)pH急劇下降，且污泥嚴重流失，COD去除率也大幅降低，僅為酸溺前的6.2%。他提出，可以采用降低負荷和增大堿度的方法對酸溺過程進行調(diào)整。趙倩等[30]研究了ABR處理紅糖廢水的啟動情況，研究表明高容積負荷啟動時間較長且不易成功，而以較低的負荷經(jīng)過70 d則成功啟動了反應(yīng)器，且在增加反應(yīng)器的有機負荷時不宜過快，提升到原來的1.2—1.5倍較為適宜，以免有機酸過度積累。羅艷[31]在普通ABR內(nèi)加入半軟性塑料纖維作為填料構(gòu)成了復(fù)合式ABR，并對比了二者的啟動過程，證明其啟動性能優(yōu)于普通ABR并推斷其高負荷運行的性能也更強。倪佳[32]采用四格室ABR反應(yīng)器處理高濃度制糖廢水，通過HRT及進水COD的調(diào)控達到反應(yīng)器系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的運行，實驗采用好氧污泥與厭氧污泥混合接種，在HRT為24 h，pH為7.0～8.2，溫度為35℃的條件下，將進水COD逐步由570 mg/L提高到5 000 mg/L，經(jīng)過93 d形成了乙醇型發(fā)酵，完成了ABR系統(tǒng)的啟動。劉曉曄等[33]以赤糖廢水為底物啟動復(fù)合型ABR反應(yīng)器 (HABR)，20 d即形成了乙醇型發(fā)酵體系，且在不同COD、HRT、pH條件下啟動的系統(tǒng)其產(chǎn)氫能力也不同，進水COD為6 500 mg/L時去除率達到最大值43.34%。

3.2 ABR及其組合工藝處理制糖廢水

盡管ABR反應(yīng)器相對其他厭氧生物處理反應(yīng)器而言處理效果更好，但由于制糖廢水的成分復(fù)雜，僅通過ABR處理無法達到標準水質(zhì)，因此需要將ABR與其他好氧工藝相結(jié)合，使兩種工藝協(xié)同作用，取得更好的處理效果。近年來，研究者們也將ABR與好氧工藝的聯(lián)合工藝處理制糖廢水作為研究的重點。

如韓彪等[34]設(shè)計了ABR—CASS聯(lián)合工藝用來處理甘蔗制糖廢水，用ABR先進行水解酸化處理，降低沖擊負荷后再使制糖廢水經(jīng)過CASS池，該過程實現(xiàn)了控制自動化，且最終處理效果達到了排放標準，生化需要量及氨氮去除率均達到了95%以上。孫玲玲[35]采用ABR與MBBR(移動床生物膜反應(yīng)器)組合工藝處理甜菜制糖廢水進行中試研究，表明ABR可以有效地對制糖廢水進行處理，平均COD去除率達到70%以上，而組合工藝對廢水的處理效果也很好，其平均COD去除率可以達到75%，達到排放標準。王立媛[36]則采用ABR—BAF(曝氣生物濾池)的聯(lián)合工藝對制糖廢水進行處理。BAF秉承了生物膜工藝的優(yōu)點，可以有效地去除水中的固體懸浮物，起到良好的過濾作用，將這種工藝與ABR相結(jié)合就無需二沉池工藝流程，大大降低了投資成本。該組合工藝也被廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)廢水的處理。宿程遠等[37]對ABR—BAF組合工藝處理制糖廢水過程中的影響因素進行研究，最終得到了該工藝的最佳控制參數(shù)，及ABR的HRT為24 h，BAF水力負荷1.59 m3/(m2·h)，溶解氧5.8 mg/L。該條件下，COD去除率較高且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。謝永新[38]設(shè)計了氧化塘—高密沉淀池—ABR—A/O—氣浮系統(tǒng)的工藝流程處理不穩(wěn)定的甜菜制糖工業(yè)廢水，糖廠水量為300 m3/h，雖然中途由于氧化溝的負荷過低導(dǎo)致污泥營養(yǎng)失調(diào)，處理效果不理想，但通過加入甲醇可使以上問題得到有效調(diào)節(jié)。氧化塘不僅可以有效沉積制糖廢水中泥沙以及其他固體顆粒物質(zhì)，在非生產(chǎn)季節(jié)也可以對其進行清理從而降低成本。江海[39]同樣在處理某廠制糖廢水時采用了ABR—A/O聯(lián)合工藝，經(jīng)過一年多的運行證明，使用該組合工藝處理制糖廢水是有效合理的，出水水質(zhì)可以達到排放標準。

4 發(fā)展方向

近年來ABR反應(yīng)器處理制糖廢水的研究在逐漸完善，目前相關(guān)研究包括ABR處理制糖廢水的效果即COD去除率以及處理后的出水水質(zhì)等的研究、快速啟動ABR反應(yīng)器的參數(shù)研究等。而對于在處理過程中的其他效能，如利用ABR反應(yīng)器處理制糖廢水過程產(chǎn)氫氣等的研究相對較少。另外，ABR與好氧工藝的組合工藝具有很大的發(fā)展?jié)摿?，除制糖廢水外也可對其他工業(yè)廢水進行處理，具有一定的研究意義。