ABR反应器改进及常温启动的性能研究

邱廷省， 王 频， 袁 香， 赵永红

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

ABR反应器改进及常温启动的性能研究

邱廷省， 王 频， 袁 香， 赵永红

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

为了加强处理系统的效果及稳定性，试验通过加大第1和第4隔室长度的方式，对传统ABR反应器做出了改进.在常温(18～32℃)下采用HRT逐步减小而有机负荷逐步提高的方式启动ABR系统，结果表明，启动第一阶段有机负荷保持在0.5～0.55 kg/(m3·d)，第二、三阶段负荷逐步增加，系统COD去除率高，当容积负荷为1.8 kg/(m3·d)时，COD去除率高达85.2%以上，改进后的反应器表现出了良好的抗冲击能力，说明常温下采用低负荷方式启动ABR是可行的.

ABR反应器；常温；低负荷启动

厌氧折流板反应器 (ABR)作为分阶段多相厌氧反应器(SMPA)技术的典型代表[1]，其结构特点使反应器具备培养大量高活性厌氧颗粒污泥的能力[2-4]，并且具有结构简单、能耗低、运行管理方便、抗冲击负荷能力强、无需填料及实现生物相的多级分离等优点[5-7].

ABR废水处理研究多数是在中温 (35～40℃)下进行的，这对于常低温废水来说，就大大增加了运行成本[8-9].因此，能在常温下有效启动并运行ABR是极具意义的.本次实验的目的是确定常温下快速启动ABR的条件及其运行性能，并且研究反应器各隔室内微生物的基本特性.

1 材料与方法

1.1 实验装置

反应器采用有机玻璃，有效容积为38.8 L.反应器设置4个隔室，各隔室升流区和降流区宽度比为4∶1，且均设有上下两个取样口，分别取污水样和污泥样，顶部气孔排放的气体用碱液进行吸收，并采用排水法收集甲烷气体.

ABR反应器改进如下：①考虑到第1隔室承受的有机负荷较大，为防止出水污泥流失，故加大第1隔室的体积，最后一个次之，4个隔室长度分别为225 mm、150 mm、150 mm、175 mm；②反应器侧面设置2个进水口，实现布水均匀以及泥水的充分接触.ABR实验装置如图1所示.

1.2 实验用水及接种污泥

实验采用人工配置葡萄糖废水，废水浓度范围为 350～1500 mg/L， 按照 COD∶N∶P=200∶5∶1 的比例营养元素加入KH2PO4、NH4Cl及一定量的微量元素，调节pH在6.5～7.5之间.

实验采用某污水厂厌氧消化污泥和某啤酒厂UASB颗粒污泥所构成的混合污泥，其中80%为灰黑色的小颗粒污泥.

1.3 分析测试方法

COD采用重铬酸钾标准滴定法；总悬浮物(SS)及挥发性悬浮固体(VSS)采用重量法；pH值采用PHS-2型酸度计测定[10-11].

2 结果与讨论

2.1 启动条件的确定

一般厌氧反应器启动要用8～12周[12]，因此，反应器能否成功地快速启动是决定反应器性能的先决条件.对ABR在常温下处理低浓度废水 (COD浓度＜2000 mg/L)的启动特性进行研究.实验水温在18～32℃范围内，接种所用混合污泥VSS=15.2 g/L，VSS/SS=0.6，SVI=29.0 mL/g.采用HRT递减而进水浓度递增的方式启动[13-15]，启动分为3个阶段：

第 1阶段(1～18 d)：在 HRT为 18 h的条件下，控制进水浓度在350 mg/L左右，以低负荷方式开始启动.

第2阶段(19～28 d)：污泥经第1阶段驯化后，系统COD降解率达到43.5%左右，此时提高有机负荷至1～1.5倍，保持HRT为14 h不变并提高进水浓度的方式启动.

第3阶段(29～54 d)：污泥颗粒大量增加，系统COD降解率达到69.1%，保持HRT为10 h并提高有机负荷至1～1.5倍，当COD降解率达到85%左右时，保持HRT为6 h不变，反应器进入负荷强化提高阶段.

2.2 启动运行中系统COD总去除情况

不同运行条件下ABR初次启动运行对有机物的去除效果如图2所示.

启动第1阶段进水COD控制在350 mg/L左右，前7天出水COD浓度较高，COD去除率有下降趋势，这是因为在初期接种污泥尚未适应废水环境，污泥活性受到一定的抑制.之后，COD去除率逐渐上升并达到57.4%，这表明污泥活性有所恢复.

启动第2、3阶段，容积负荷逐渐增强，水力搅拌加强，污泥上流速度加快，有少量絮状污泥从反应器中洗出，但这有利于颗粒污泥的成长，且COD去除率呈上升趋势.第31天之后，COD去除率达到75%以上，到第40天，进水浓度大幅提高，有机负荷增强也最为明显，此时出水浓度稍有上升，COD降解率虽有波动，但去除率较高且总体趋于稳定，这说明ABR反应器启动成功.

2.2.1 不同有机负荷下COD去除效果

启动第1阶段有机负荷保持在0.5～0.55 kg/(m3·d)，低负荷启动有利于污泥成长及其活性的恢复及反应器的稳定运行.启动第2、3阶段负荷逐步增加，系统COD总去除率高，当容积负荷为1.8 kg/(m3·d)左右时，去除率高达85.2%以上.从图2可知，每次提高负荷之后，COD去除率都会有所下降，这是因为污泥的洗出使出水悬浮物浓度高，COD去除率降低，但之后COD去除率总体上逐渐上升并趋于稳定，这说明采用逐步提高有机负荷方式的启动是行之有效的.

2.2.2 不同水力停留时间下COD去除效果

在系统COD去除率达到预定值时，HRT由18 h逐步降为14 h、10 h和6 h，并在各阶段保持该值不变，如图2所示.总体上，HRT越小，COD去除效果越好.HRT为10 h时，COD去除率较高.当HRT降到6 h之后，去除率有波动但总体趋于稳定，这可能是由于水力负荷提升幅度过大，污泥受到冲击而引起系统性能出现波动.也可能是由于HRT太短，导致污泥与废水基质接触不够充分而引起的.

2.2.3 不同温度下COD去除效果

厌氧反应器按照运行温度的不同可分为低温(16～25 ℃)、中温(30～40 ℃)及高温(50～60 ℃)反应器.通常温度每增加10℃，反应速度可增加一倍[16].3个阶段的平均水温与COD平均去除率之间的关系如图3，第1、2阶段COD去除率随温度上升而增加，到第三阶段温度降低，去除率也有所下降，但降幅不大.当HRT为6 h，有机负荷大于2.5 kg/(m3·d)，水温在27℃左右时，COD去除率仍然可以高达85%以上.由于实验温度在中温与低温之间，且接种污泥已具备一定的颗粒化程度，经启动驯化之后，颗粒污泥大量生长并成熟，ABR反应器因此对温度变化表现出较好的适应性.这说明温度在一定范围内并不是影响ABR启动和活性污泥颗粒化的主要因素，并且常温下启动的ABR系统抗温度冲击能力较强.

2.2.4 各隔室COD去除情况

ABR反应器水力流态属于推流式，各隔室容积负荷沿水力流程方向逐渐减小，第1与第4隔室负荷差别较大，且COD去除主要发生在第1、2隔室，去除率在20%～45%之间，而第3、4隔室内负荷均低于反应器整体负荷，COD去除率也都在10%以下.这表明在实验有机负荷下，第1、2隔室中微生物营养充足，有利于其生长并提高活性，所以前两隔室COD去除率高，占总去除率的65%～90%.第4隔室COD去除率虽然不高，但它在很大程度上稳定了出水水质.因此对于加大ABR反应器前后2个隔室体积的改造，在提高系统COD去除率和稳定性方面还是有很大作用的.

2.3 反应器内污泥性质研究

2.3.1 各隔室污泥浓度及SVI

各隔室的污泥浓度 (SS、VSS)和污泥沉降指数(SVI)的测定结果如表1所示，在进水浓度和HRT都较小的情况下连续运行之后，后面隔室中的污泥浓度基本上要比前两个隔室低很多，VSS/SS值也逐渐减小，第4隔室仅为0.75，这表明沿水流推流方向，各隔室中污泥的无机物含量逐渐增加，活性微生物含量逐渐减少.这是因为在低浓度进水水流下，大多数COD被前面的隔室去除，导致后面隔室中污泥营养缺乏.但总体来说，各隔室VSS/SS值都在0.7以上，说明污泥中微生物含量显著增加，污泥活性增强.

表1 污泥浓度(SS、VSS)及SVI值

2.3.2 启动实验中的产甲烷量

选取第 19、29、39、49 天连续运行 14 h，并测定产气排出的碱液量，计算出累计产甲烷量，结果如图4所示.启动第1阶段产气量较少，随着实验的进行，后期产气量总体呈上升趋势，这说明实验运行中产甲烷菌数量逐渐增多.随着时间的推移，同一天的产气量逐渐增加，且前8 h的产气量与时间几乎呈正比增加，之后增幅有所减小.虽然第49天负荷与第39天相比要高很多，但其前6 h的产甲烷速率却比第39天低，之后虽略有提高，但14 h的累计产气量仍低于后者.这可能是因为随着时间的推移，反应器的产甲烷活性逐渐发生了改变.

2.3.3 颗粒污泥形态

污泥颗粒化不仅可以改善污泥的沉降性能，还可以有效提高微生物的截留率，并增强微生物对废水环境的抵抗性和适应能力[17].实验末期对各隔室底部污泥进行拍照并观察污泥表观形态，如图5所示.

各隔室颗粒污泥表观大多呈球形或椭圆形，第1隔室出现黑白相间的椭圆形颗粒污泥，但大多为灰黑色，少数为灰白，污泥表面很黏并有白色胶状物包裹，污泥紧密.根据微生物形态特征推测，此类污泥以产甲烷球菌为主；第2隔室污泥形态与第1隔室相似，但颜色更深些，污泥表面较为光滑；第3、4隔室颗粒污泥为灰褐色，污泥较为松散，表面粗糙.同时，沿水流程方向，反应器的污泥沉降性能逐渐降低，这与污泥颗粒化程度有关，第1隔室内粒径大多在3～4 mm之间，少数可达到5～6 mm；第2、3隔室污泥颗粒化次之，但也有一部分粒径达到3～4 mm；第4隔室中粒径多数为2～3 mm.这说明ABR前2隔室颗粒污泥较为成熟稳定，后面隔室污泥处于由絮状污泥向颗粒污泥转化的过程.

为了分析污泥性质，进行了污泥电镜扫描，结果如图6所示.第1隔室污泥微生物以产甲烷球菌为主；第2隔室颗粒内部菌种复杂，没有明显的优势菌，但杆菌数量较第1隔室多；第3、4隔室污泥有较多的空隙，主要以甲烷丝菌为主.这是由于各隔室的环境条件（如有机负荷、pH）不同而使得其内部颗粒污泥微生物也存在着差异性.

3 结 论

（1）第1、2隔室有机负荷较高，COD去除比例明显比后两个隔室高，但第4隔室对稳定出水水质有重要作用，可见通过改造，加大第1和第4隔室的长度对系统运行有积极作用.

（2）常温下采用低负荷启动ABR反应器是行之有效的.启动第一阶段控制有机负荷在0.50 kg/(m3·d)左右，之后逐步提高有机负荷，系统COD总去除率逐渐上升并达到87.2%.

（3）通过对反应器中污泥特性研究发现，第4隔室的污泥浓度及污泥颗粒化程度比前面3个隔室低，这说明低浓度进水对ABR反应器后面隔室中的污泥成长及性能有很大影响.

（4）通过对颗粒污泥观察发现，不同隔室中的优势菌也不同，这表明ABR反应器的推流式流态，可以有效实现生物相分离，从而有利于产酸和产甲烷过程的分离.

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Research on the improvement and start-up of anaerobic baffled reactor at normal temperatures

QIU Ting-sheng,WANG Pin,YUAN Xiang,ZHAO Yong-hong

(School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

To improve the disposal effect and stability of traditional anaerobic baffled reactor,the first and fourth compartments were increased.Started ABR by decreasing HRT and increasing organic load at normal temperature(18～32 ℃),it turned out that load was maintained at 0.5～0.55 kg/(m3·d)in the first stage of start-up period,then it was increased gradually in the second and third stages,when it reached 1.8 kg/(m3·d),the removal rate of COD was above 85.2%.Advanced reactor showed a good surge withstand capability,this meant that starting ABR with loworganic loading at normal temperature is feasible.

anaerobic baffled reactor;normal temperature;low load startup

X703.1

A

1674-9669（2011）06-0034-05

2011-11-02

国家自然科学基金资助项目（51064007）

邱廷省（1962－ ），男，教授，主要从事矿物加工及环境相关研究，E－mail:qiutingsheng@163.com.