有色金属科学与工程  2011, Vol. 2 Issue (6): 34-38
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邱廷省, 王频, 袁香, 赵永红. ABR反应器改进及常温启动的性能研究[J]. 有色金属科学与工程, 2011, 2(6): 34-38.
QIU Ting-sheng, WANG Pin, YUAN Xiang, ZHAO Yong-hong. Research on the improvement and start-up of anaerobic baffled reactor at normal temperatures[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2011, 2(6): 34-38.
ABR反应器改进及常温启动的性能研究[PDF全文]
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
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51064007)
作者简介：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
收稿日期：2011-11-02
摘要：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.
关键词：ABR反应器    常温    低负荷启动    
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
Abstract: 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.
Key words: anaerobic baffled reactor    normal temperature    low load startup    

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.

图 1 改进型ABR试验装置图

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.

图 2 不同时间下进出水COD浓度、去除率与HRT变化情况

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.

图 3 平均温度与COD平均去除率的关系图

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
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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.

图 4 累积产甲烷量与时间的关系

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.

图 5 各隔室污泥显微镜观察结果

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.

图 6 各隔室污泥内部电镜扫面图

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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邱廷省 , 王频 , 袁香 , 赵永红