厌氧折流板的工艺设计特征及研究报告应用

厌氧折流板的工艺特征及研究应用
摘要:在能源的日趋紧X及新的工艺理念层出不穷的今天，厌氧折流板反应器(ABR)作为新型高效厌氧反应器是一种极具开发应用前景的废水生物处理新术。

本文对ABR的工艺特性和研究应用及存在的不足,进行了详细地分析,并指出了该工艺今后的研究、发展方向。

关键词：厌氧折流板；工艺特征；研究应用
Characteristics of the aerobic baffled reactor(ABR)and research and applicability
DING Shao-Lan, QIN Ning
(College of Resource & Environment, Shaanxi University of Science&TechnoLogy,
Xi’an, 710021, China)
Abstract:With the growing tension in the energy and the new concept of an endless stream of today's technology,Reactor (ABR) is a novel anaerobic digester and a new waste water treatment process with bright development prospectand a new biological wastewater treatment technique.The paper states and analyzes its technical characteristics and research and applicability,aswell as its disadvantages existed. Finally the development direction of ABR has been pointed out .
Keywords: anaerobic baffled reactor；technology characteristics；research and applicability 随着世界能源的日益短缺和废水污染负荷的提高, 及废水中污染物种类的日趋复杂化,废水厌氧生物处理技术以其投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、耐冲击负荷等诸多优点, 而再次受到环保界人士的重视。

同时, 随着对厌氧消化机理及厌氧处理工艺研究的不断深入, 厌氧生物处理技术的应
用前景十分光明。

荷兰Wageningen 农业大学的Lettinga教授认为, 厌氧处理技术是资源与环境保护技术的一项核技术。

1厌氧折流板反应器的特征
1.1结构特征
厌氧折流板反应器(ABR) 是美国著名教授McCarty于1982年开发出来的一种高效节能厌氧装置。

反应器内置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，其上流室的功能相当于一个上流式污泥床(UASB)，运行时水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，就像若干个UASB反应器的串联,每个反应室都是一个相对独立的UASB系统，这种整体上为推流式（PF），局部区域为完全混合式（CSTR）的多个反应器串联的工艺对有机物的降解速率和处理效果无疑是高于单个CSTR 反应器的[1]。

ABR反应器在处理高浓度有机废水方面有着良好的应用前景，正成为厌氧反应器的一个研究热点。

1.2水力特征
ABR反应器内的流体动力学特性和混合程度,强烈地影响着基质和微生物的接触程度,控制着物质传输,因而水力特性是反应器性能的一个重要方面,它影响着
该工艺处理效果的好坏。

有关对ABR反应器水力流态的研究表明,在不同污泥浓度和不同水力停留时间(HRT)且稳定运行的条件下,ABR反应器中的死区容积分数(Vd/V)与HRT无明显的相关性,即清洁反应器中的水力停留时间分布(RTD)状况,
与接触污泥的反应器中的RTD是基本一致的,污泥浓度对反应器的RTD没有太多
的影响。

研究还表明, ABR反应器中的死区容积分数,要比其它类型的厌氧反应器低得多,说明ABR反应器的容积利用率很高。

1.3工艺特征
(1)良好的水力条件
反应器的水力条件是影响处理效果的主要因素。

ABR中的死区容积分数要比其他类型的厌氧反应器低得多，D.C.Stuckey等[2]的研究表明，ABR反应器死区体积较低，在空反应器中小于8%，在运行过程中小于37%，而厌氧滤池死区体积高达50～93％；另外这种流态有利于颗粒污泥的形成．亦即ABR的容积利用率是很高的。

原因在于ABR相当于把一个反应器内的污泥分配到了多个隔室的反应小区内，倘若反应器的分隔数为n，则每个隔室内的污泥量为反应器内污泥总量的
1/n，因此，强化了污泥与被处理污水的接触和混合程度，从而提高了反应器的容积利用率。

(2)稳定的生物固体截留能力
ABR 能在高负荷条件下有效的截留活性微生物固体，这主要表现在它对水
中高浓度的SS具有很强的适应性和处理效能。

反应器内折流板的阻挡作用及折流板间距的合理设置，有利于活性污泥与被处理废水间的良好混合接触，也为污泥的截留和沉降创造了一个良好的条件。

郭静等人对人工合成葡萄糖废水的处理研究结果表明，由于反应器内折流板良好的阻滞作用，污泥浓度可达79g/L以上。

(3)易于形成颗粒污泥
颗粒污泥的形成与废水水质、运行条件及ABR的构造等因素有关。

Boopathy[3]的研究发现，在初始负荷为0.97kg/(m3·d)，上升流速小于0.46m/h的条件下启动ABR，一个月后，每一反应器都出现了粒径为0.5mm的颗粒污泥，三个月后，颗粒污泥长大至3.5mm左右。

ABR处理豆制品废水试验，采用低负荷高去除率启动方式，驯化和培养颗粒化活性污泥，CODcr负荷X围在0.72~1.9kg/(m3·d)，经过50多天，反应器内形成大量密实、亮黑色的颗粒污泥，CODcr去除率和废
水产气率都很高[4]。

(4)微生物种群的分布
在位于反应器前端的隔室中，主要以水解和产酸菌为主，而在较后的隔室中以产甲烷菌为主。

随隔室的推移，由甲烷八叠球菌为优势种群逐渐向甲烷丝状菌属、异养甲烷菌属和脱硫弧菌属等转变。

这种微生物的逐室递变，使优势种群得以良好的生长，这与有机底物在各司其职的微生物种群作用下的逐步降解和转化过程相一致。

2 工艺的研究应用
2.1ABR的研究现状
2.1.1ABR的国内研究状况
我国有关ABR反应器的研究还处于起步阶段，研究重点主要集中在ABR反应器的应用处理方面，1991年周鉴良在XX交通大学学报发表《连续流隔板式反应器对高浓度有机废水处理研究》一文，标志着我国已开始涉足厌氧折流板反应器这一研究领域，但在很长一段时间内并未引起人们的注意，雷方中等(1994)对ABR 反应器处理草浆黑液进行了试验研究;沈耀良(1999)等用ABR反应器处理垃圾渗滤液，将ABR反应器控制在水解酸化阶段，明显改善和提高垃圾渗滤液的可生化性;陈洪斌(1999)等对厌氧折流板反应器处理豆制品废水进行了研究，试验结果表明ABR反应器的容积负荷与去除负荷呈正相关，有较高的去除效果;戴友芝等(2000)采用ABR处理无氯酚钠有毒废水的过程中，得出ABR反应器对无氯酚钠有毒废水有很强的适应性，各隔室形成沉降性良好的颗粒污泥，并在颗粒污泥表面及内部观察到大量的菌丝;邱波(2000)等对ABR反应器处理制药废水的启动运行进行研究;表明ABR反应器具有启动时间短，处理效率高的特点;鞠宇平等(2003)
采用ABR一SBR组合工艺对电泳涂膜废水进行处理，分析了ABR的反应时间、温度对COD去除率及废水可生化性的影响。

近年来国内也出现了一些ABR反应器的实际废水处理工艺，强绍杰(2003)采用ABR一接触氧化工艺处理漂染废水，废水进入ABR以提高其可生化性，出水再经悬浮填料接触氧化池和二沉池处理后达标排放;龚敏等(2002)设计ABR工艺，对木薯酒糟废水进行预处理，工程实际应用表明，强化ABR预处理工序是保证后续处理设施能否正常运性的关键。

2.1.2ABR的国外研究状况
目前国内外对ABR反应器的结构型式[5-7]及反应器的启动[8]、反应器水力特性[9-11]、反应器耐冲击负荷的稳定性、所处理废水的类型、厌氧颗粒污泥与微生物的特性[12]ABR处理难降解有机物[13-15]强动力学模型等方面进行了研究，近年来也有一些关于实际工程应用的研究，但仅对其中某一个方面进行初步研究，缺乏大量的试验资料对其进行系统的研究，有关其运行控制方面的研究工作还未见有报道，因而须通过进一步研究，提出ABR反应器运行过程的控制要点，本论文将从这一角度对ABR反应器进行深入的研究，以期为ABR反应器的实际应用设计提供一定的依据。

2.2ABR在废水处理中的应用
2.2.1低温废水的处理能力
在处理低温废水时，分阶段式反应器比完全混合反应器有更多的优点．一般情况下温度每增加10℃，按Van’t Hoff定律生物化学反应的速度会增加一倍．对于普通的厌氧反应器，温度降低，最明显的特征是反应器的pH值立即降低，出水中的VFA 浓度升高，停止产气，出水中悬浮固体也会增高，C0D去除率明显下降．Nachaiyasit研究表明，ABR反应器在系统达到稳定后两个月，温度从35℃降
到25℃时，ABR反应器的C0D去除率降低5℃左右，进一步将温度降到15℃时，C0D 的去除率降低20%，长期在低温下运行(12周)会增加中间产物的浓度，使溶解性微生物产物(SMP)增多．主要原因是：温度降低，使前面隔室的生物降解速率降低，使产酸推移到后面隔室中提高了后面隔室的效率，但总的去除率却没有很大改变；低温条件下微生物产生的胞外多聚物会增加，使出水中的SMP增多．2.2.2低浓度废水的处理
根据Monnod酶促反应动力学理论，由于厌氧微生物生长速度较慢，因而厌氧生物处理工艺大多仅应用于高浓度有机废水的处理（因为低浓度废水中有机底物浓度较低，不利于在微生物与底物之间形成较大的传质推动力，生物活性会大大降低，因而处理效果往往并不理想）。

应用ABR处理低浓度废水的研究表明，反应器中的优势甲烷菌为发酵甲烷细菌（如甲烷螺旋菌）。

Hassouna和Stuckey发表的研究表明，处理低浓度牛奶废水的ABR中，在整个反应器池长方向上均以产酸菌为优势菌群[16]这表明该反应器用于处理低浓度废水时，无明显的生物菌群选择性分布。

2.2.3高SS浓度废水的处理
高SS浓度废水是指物体形态上介于固体废弃物和液体之间的流动或半流动的废水（如养猪场废水）。

处理这类废水的传统工艺是CSTR反应器,目前也有将UASB 用于此类废水的研究，但当废水的COD/SS低于0.5时,不仅影响颗粒污泥的形成从而影响处理效果，还将造成反应器的堵塞.与此相比，由于废水中的SS主要截留在前端隔室，并不影响后面隔室的处理，因而ABR比UASB具有对进水冲击更强的适应性。

笔者及伦世仪等的研究[17-18]表明了这一点。

1991年Boopathy等开展了应用2隔室和3隔室HABR处理高浓度养猪废水的研究。

当容积负荷为4KgCOD/m3.d及水力停留
时间为15d泥龄20d时，2隔室和3隔室反应器的去除率分别为70%和80%，SS的去除率分别为60%,和74%。

研究发现，固体中的蛋白质部分仍大量留在反应器里，而动、植物纤维的含量却大大降低.
2.2.4难降解有机废水的处理能力
由于折流板的阻挡作用，阻止了各隔室的返混，因而就整个反应器而言，具有水平推流(PF)的流态，且分隔数越多，PF越明显。

另外，ABR反应器对颗粒的截留能力很强，污泥龄较长，根据Boopathy和Sievers[19]对高浓度的有机悬浮固体废水研究污泥龄长达42d，污泥龄长有利于世代期较长的细菌繁殖生长，促使系统形成复杂的生物菌群．ABR的这种特性使其对难降解、有毒废水的处理具有潜在的优势，关于这方面的实验室研究刚刚起步．贾洪斌等采用ABR处理印染废水，用ABR水解酸化来改善废水的可生化性，研究表明可生化性提高了两倍，对后续的生化处理极为有利．沈耀良等用ABR处理垃圾渗滤液，将ABR控制在水解酸化阶段，废水可生化性从0.2～0.665提高到0.37～0.68，进水的可生化性越低，其提高幅度越大．戴友芝用ABR处理五氯酚钠有毒废水，研究表明ABR对毒物冲击有很强的适应能力．
2.2.5其他废水
Foxc观察ABR反应器处理含硫制药废水时硫的减少过程，C0D的去除率为
5O%，硫的去除率达到95%,在第一隔室中硫酸盐转化为硫化物，沿反应器长度方向硫化物浓度逐渐增高，说明了硫酸盐被硫酸盐还原菌(简称SBR)作为电子受体加以利用,使硫酸盐还原为硫化氢，发生了反硫化过程．研究表明：(1)当COD：
SO
4=150：1变到COD：SO
4
=24：1时，硫酸盐的去除率从95降到5O，可见COD：SO
4
的值对处理效果的影响很大；(2)有硫酸盐存在时，COD的去除率较低，出水中的
VFA主要是乙酸，主要因为硫化物对利用乙酸的甲烷菌有毒害作用，使利用乙酸的甲烷菌的活性受到抑制．
3 ABR反应器的不足之处
尽管已经对ABR反应器进行了如前面所述的研究和实践,并且已取得了许多研究成果,但在理论、实验研究、工程应用等方,都还存在许多不足之处,还需要做更多的研究工作。

主要体现在:
(1) 目前, 关于ABR反应器所做的研究都集中于一个或少数几个方面,还没有研究者在其研究中对ABR反应器作系统全面地研究分析,因而不能得出准确全面的评价,不利于在实际中的应用和推广。

(2) 目前, 对常温条件下厌氧消化的研究日渐关注, 这是一个新的、非常有实用意义的研究点, ABR反应器在这方面的研究目前还几乎没有。

(3) 模拟可溶性微生物产物的SMPs、固体、中间产物、COD 的去除率的演变;营养物的需求;有毒废水的处理(例如, 多氯脂肪族化合物, 含氮有机物, 表面活性剂等) 等方面的研究, 还需要进行或者加强。

(4) ABR反应器中颗粒污泥的形成条件、反应器内污泥持有量的合适X围、控制厌氧微生物生态的因素。

(5) ABR 反应器是一种多隔室结构,不同的水质和运行条件下,各隔室内的降解行为并不相同,影响数学描述的因素很多,如反应器的结构、沟流现象、不同水质的限速阶段不同等。

目前,有关ABR反应器内有机物降解和微生物生长动力学方面的研究,进行得很少,大部分实验研究结果,未上升到理论高度进行系统分析, 未能得出可以应用于生产规模的工艺参数,不足以指导ABR反应器的实际运行,而生产规模的反应器对降解模型有迫切的需要。

因此,关于ABR反应器的数字模型, 是一个
亟待研究的领域。

4结语
ABR反应器的工艺设计由原来的简单的推流式或完全混合式水力流态发展
到了一个复杂的混合式水力流态，反应器内的微生物由一个混合菌群向各级单一菌群的协同作用发展，因而使构造的花费大大降低，ABR反应器在高流率和低温下可以运行，从而降低了废水处理的运行费。

但是为使反应器在实际工程中更多的应用，还有待对以下方面作进一步的研究：(1)对ABR反应器不同条件下的水力流态及其对工艺运行的影响作进一步研究，以获得更为合理的工艺设计参数。

(2)对ABR反应器的相分离及其有关的控钢条件作进一步研究，以利于该工艺针对不同废水的特性进行合理的控制。

(3)ABR 处理难降解废水时对可生化性的改进及其控制研究。

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