（模式识别与智能系统专业论文）人工填料abr处理有机废水的研究.pdf

摘要 摘要 厌氧折流板反应器( a b r ) 是一类源于分阶段多相厌氧反应器( s t a g e d m u l t i p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r , s m p a ) 理论的第三代新型厌氧反应器。作为一种 新型高效的水处理工艺，它一经问世便成为环境科研工作者的研究热点。 但在a b r 反应器中，颗粒污泥的形成与反应器单格内液体上升流速有密切 关系。颗粒污泥的形成需要有较高的水力负荷，这与厌氧反应需要较长的h r t 相矛盾。为了解决污泥存在状态与上升水力条件之间的矛盾，本文采用加入人工 填料的方式运行a b r 反应器，以五个反应柱串联相接的方式来模拟a b r 反应器 的反应流程，在环境温度( 1 l 2 7 ) 和进水c o d 浓度变化幅度较小的条件下 ( 1 2 0 0 m g l 左右) 通过逐步减少水力停留时间的方法来提高容积负荷，对a b r 反应器的运行规律进行研究。研究表明： 1 ) 在a b r 反应器中加入填料，成功的实现了微生物量的保持，以初始容积 负荷0 5 5k g c o d ( m 3 d ) 来运行反应器，经过2 0 天培养驯化后，反应器的c o d 去 除率基本稳定在6 5 ，实现了a b r 反应器的快速启动。 2 ) a b r 反应器各格室c o d 的去除率研究表明，a b r 反应器各室对c o d 的去除效率同容积负荷有关。当容积负荷较低时，第1 格室对c o d 的去除贡献 最大，随着负荷的增加，各格室对c o d 的去除贡献逐渐增加。各格室的去除率 沿反应器流程方向逐级递减。随容积负荷增加，厌氧过程中的水解产酸阶段有后 移的现象。 3 ) 人工填料a b r 反应器，改进了传统a b r 反应器颗粒污泥难以培养、反 应器启动周期长的缺点，解决了污泥存在状态与上升水力条件之间的矛盾。 4 ) 沿着水流方向格室的p h 均为先降低后升高。对不同的水力停留时间而 言，上述变化趋势在各隔室中的分布则是不同的，h r t 较短( 容积负荷较高) 时产酸作用将后移，p h 的升高也后退。反应器进水碱度在5 0 0 - 5 5 0 m g l 范围内， 容积负荷为o 5 5 2 4 5k g c o d m 3 d 时，出水p h 值基本稳定在6 8 7 2 之间，说 明该反应器具有定的p h 值缓冲能力，能够保证反应器的稳定运行。 关键词：厌氧折流板反应器( a b r ) ，填料，有机废水，生物相 北京丁业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t a n a e r o b i cb a m e dr e a c t o r ( a b r ) i st h et h i r d g e n e r a t i o nn e wa n a e r o b i c a p p a r a t u sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs t a g e dm u l t i - p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r ( s m p a ) a san e w e 瓶c i e n tt r e a t m e n tp r o c e s s ，a b rb e c a m et h er e s e a r c hh o t s p o tf o r e n v i r o n m e n t a ls c i e n t i s t st h em i n u t ei ta r o u s e d t h e r ea r ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e ng r a n u l a rs l u d g ea n du p f l o wv e l o c i t yi nt h e r e a c t o li nt h i sr e s e a r c h ，w es t a r t u pt h er e a c t o rw i t ha r t i f i c i a lf i l l e r s ，b a s e do nt h e o p e r a t i o no f a na b rw i t h5c o m p a r t m e n t s i nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ( 1 1 2 7 ) a n di n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nc h a n g e si nas m a l lr a n g eo fc o n d i t i o n ( a r o u n d 12 0 0 m g l ) ，v i ad e c r e a s i n gh r tt oc h a n g et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s 硼1 er e s u l tc o u l d b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) w h e nt h er e a c t o rw a ss t a r t e du s i n ga r t i f i c i a lf l l e r s ，t h er e a c t o rr e a c h e dt o b i o m a s sa c c u m u l a t i o ns u c c e s s f u l v l rc o n t r o l l e da t 0 5 5k g c o d m j d t h e r ea r es o m e g r a n u l a rs l u d g ea p p e a r e da f t e rr u n n i n g2 0d a y s 刃i ec o dr e m o v a le f f i c i e n c yw a s h i g h e rt h a n6 5 a n ds t e a d yw h e nt h er e a c t o r ss t a r t u pf i n i s h e d 2 ) 1 1 1 es t u d yo fa b rr e a c t o rc h a m b e rc o dr e m o v a lr a t ei n d i c a t e dt h a tt h ec o d r e m o v a le m c i e n c yr e l a t e st ov o l u m e1 0 a d w h e nt h ev o l u m el o a di sl o w , t h ef i r s t c h a m b e rc o n t r i b u t e dt h em o s tt ot h er e m o v a lo fc o d ，a st h e1 0 a di n c r e a s e s ，c h a m b e r r e m o v a la l o n gt h er e a c t o ri n c r e a s eg r a d u a l l y c h a m b e rc o dr e m o v a lr a t ed e c r e a s e a l o n gt h er e a c t o r 3 ) 1 1 1 er e a c t o rf i l l e dw i t ha r t i f i c i a lf i l l e r s ，i m p r o v e dt h ec u l t u r eo fg r a n u l a rs l u d g e i nt h et r a d i t i o n a lr e a c t o r , t i l i sr e s e a r c ho f f e r e de n g i n e e r i n gc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e sf o r a b rs y s t e m d i s c l o s e dt h er e g u l a t i o no fm i c r o b i a lc o m m u n i t ya l t e r n a t i o na n d c o m m u n i t ys u c c e s s i o n ，a l s oi ts t u d i e do nt h ea p p l i e dt e c h n o l o g y , c o a lb eg u i d eo f t h e o r ya n dt e c h n o l o g yt oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 4 ) i nd i f f e r e n tv o l u m el o a dc o n d i t i o n s t h ed i r e c t i o no fp ha l o n gt h ec h a m b e ri s g e t t i n gl o w e rf i r s ta n dt h e ni n c r e a s i n g t od i f f e r e n th i 汀，t h et r e n di nt h ec h a m b e ra t t h ed i s t r i b u t i o ni sd i f f e r e n t ，w h e nt h eh r ti ss h o r t ( h i g h e rv o l u m el o a d ) a c i d p r o d u c t i o nw i l lb ea f t e rt h es h i f t ，r e s u l t i n gi nv f ag o e sb a c k w a r d ，a n dt h ei n c r e a s eo f p h i sa l s ob a c k w h e nt h ea l k a l i n i t ye f n u e n ti s5 0 0 5 5 0m g l v o l u m e1 0 a di s0 5 5 2 4 5k g c o d m 3 d ，t h ee f f l u e n tp hv a l u ei sb e t w e e n6 8t o7 2i nt h eb a s i cs t a b i l i t y ， w h i c hs h o w st h a tt h er e a c t o rh a sap hv a l u eb u f f e ra b i l i t yt oe n s u r es t a b l eo p e r a t i o n k e y w o r d - a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ，f i l l e r , o r g a n i cw a s t e w a t e r , b i o f a c i e s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：耍数吼盘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：妥蕴凌导师签名：才望垒日期：罐 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 厌氧生物处理技术的研究与发展 1 1 1 厌氧的基本原理及影响因素 废水的厌氧生物处理是指在无氧的条件下，利用厌氧微生物( 包括兼氧微生 物) 的代谢作用，将废水中的各种复杂有机物转化为小分子的有机物和无机物以 及细胞物质的过程，也称为厌氧消化。厌氧生物处理过程十分复杂，涉及到众多 的微生物种群，各种生物种群都有相应的营养底物，并且产生各自的代谢产物； 这些微生物种群通过直接和间接的共营关系，互相影响，互相制约，组成一个复 杂的共生系统，称为微生态系统。 厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学反应过程，主要依靠三大类群的细 菌，即水解酸化细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。可将厌氧 过程分为如下三个阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。如下 图卜l 所示。第一阶段为水解酸化阶段，复杂的大分子、不溶性有机物在细菌胞 外酶的水解作用下转化为小分子的、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产 生挥发性脂肪酸( v f a ) 、醇类、醛类等。与此同时，发酵细菌也利用部分物质 合成新的细胞物质。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸菌的作用下，在第一阶段产生的 各种有机酸被分解转化为乙酸和h 2 。在降解奇数碳素有机酸时还形成c 0 2 。第 三阶段为产甲烷阶段。 这一阶段，产甲烷细菌通过以下两个途径之一，将乙酸、乙酸盐、c 0 2 、h 2 、 甲酸和甲醇等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。其一是在二氧化碳存在时 利用氢气生成甲烷；其二是利用乙酸生成甲烷。在一般的厌氧反应器中，约7 0 的甲烷是由乙酸分解而来，3 0 由氢气还原二氧化碳而来。利用乙酸： c h 3 c o o h - - c h 4 + c 0 2 ；利用氢气和二氧化碳：h 2 + c 0 2 _ c h 4 + h 2 0 以上三个阶段的反应速度依废水的性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶 和脂类等污染物为主的废水中，水解难易程度成为速度限制步骤：简单的糖类、 淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废 水，产甲烷过程易成为限速阶段。 虽然从理论上讲，厌氧消化过程分为上述三个阶段，但是在常规的厌氧反应 器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡，这种动态平衡一旦 北京t 业大学丁学硕十学位论文 被p h 值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到 抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，并导致整个厌氧 消化过程停滞。分为的三个阶段可见下图1 1 ： 复杂黝 i 简蝴陛揪 i 月徽醇类 1，产一一弋、 h ：、0 ) 2 l 。町堋 | 乙酸 。产未太纛 m 、 图1 - 1厌氧生物代谢的三个阶段 f i g1 1 t h et h r e ep h r a s e so fa n a e r o b i cl i v i n gt h i n g sm e t a b o l i z e s 参与第一阶段的微生物包括细菌、原生动物和真菌，统称为水解与发酵细菌 大多数为专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌。参与第二阶段厌氧消化的微生物是 产氢产乙酸菌以及同型产乙酸菌。国内外一些学者己经从消化污泥中分离出产氢 产乙酸菌的菌株，其中有专性厌氧菌和兼性厌氧菌。他们能够在厌氧条件下，将 丙酮酸以及其他脂肪酸转化为乙酸和c 0 2 ，同时放出h 2 。同型产乙酸菌能够将 c 0 2 ，h 2 转为乙酸，也能够将甲酸、甲醇转化为乙酸。由于同型产乙酸菌的存在， 可促进乙酸的甲烷化过程。 参与厌氧消化的第三阶段的菌种是甲烷菌或称为产甲烷菌，是甲烷发酵阶段 的主要细菌，属于绝对厌氧细菌，主要代谢产物是甲烷。产甲烷菌常见的有四种， 分别为：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌和甲烷螺旋菌。 影响厌氧处理的主要因素【l 】有以下几个方面：温度：温度是厌氧生物处理 的一个重要影响因素。厌氧生物过程与所有的生物和化学反应一样都受到温度和 温度波动的影响。在厌氧反应器中，厌氧微生物通过不停地进行代谢活动以维持 自身种群发展需要的能量，同时也产生维持厌氧环境所需的能量，如甲烷。厌氧 生物的温度适应范围比好氧微生物宽得多，但是就某一具体厌氧生物而言，其温 度适应范围仍然是较窄。厌氧微生物可分为嗜冷微生物、嗜温微生物和嗜热微生 物。各类厌氧菌的温度范围见表1 1 。以这三类微生物为优势种群的厌氧处理工 艺分别称为低温厌氧、中温厌氧和高温厌氧【l 】。 2 第1 章绪论 表1 1 表1 1各类厌氧菌的温度范围 t a b l el lt h et e m p e r a t u r er a n g eo f a n a e r o b i cb a c t e r i ao f a l lk i n d s 细菌种类生长的温度范围最适温度 低温菌 1 0 3 01 0 2 0 中温菌 3 0 4 03 5 3 8 高温菌 5 m 石o5 l 5 3 当厌氧反应器运行在低温区( 1 0 3 4 ) 、中温区( 3 5 - - 4 0 ) 和高温区( 5 0 5 5 ) 时，并不是三种情况都能达到同样的代谢速率。在低温厌氧反应器中，只是因为 这个区域的温度适合于嗜冷微生物，相比之下，即使嗜冷微生物处在其最适的生 长温度，它的代谢速率也会低于中温厌氧反应器。在大多数厌氧反应器中，都基 本符合温度每增加l o 反应速率增加l 倍的规律。 p h 值：环境p h 值的变化可以引起细胞膜电荷的改变，从而影响微生物对 营养物质的吸收，影响代谢过程中酶的活性；改变营养物质的可给性和有毒物质 的毒性。介质的p h 值不仅影响微生物的生长，甚至影响微生物的形态。 微生物对p h 值有一个适应的范围，并且对p h 值的波动十分敏感。一般而 言，微生物对p h 值的变化适应要比对其温度变化的适应慢得多。产酸菌自身对 环境p h 值的变化有一定的影响，而产酸菌对环境p h 值的适应范围相对较宽， 一些产酸菌可以在p h = 5 5 8 5 范围内生长良好，有时甚至可以在p h 值为5 0 以 下环境中生长。产甲烷菌的最适p h 值随甲烷菌种类的不同略有差异，适宜范围 大致是6 6 - - 7 5 。p h 值的变化将自接影响甲烷菌的生存与活动，一般来说，反应 器的p h 值应维持在6 5 7 8 范围内，最佳范围在p h 值为6 8 7 2 左右。 氧化还原电位：研究表明，产酸发酵细菌氧化还原电位可以为 - 4 0 0 - 1 0 0 m v 培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于- 3 2 0m v 。而严格的 厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，可以用氧化还原电位表示厌氧反 应器中含氧浓度。 基质的营养比例：为了满足厌氧发酵微生物的营养要求，需要一定的营养 物质，在工程中主要是控制进入厌氧反应器原料的碳、氮、磷的比例。一般来说， 处理含天然有机物的废水时不用调节，在处理化工废水时特别要注意使用进料中 的碳、氮、磷保持一定的比例。大量研究表明，厌氧处理的碳：氮：磷控制为 ( 2 0 0 3 0 0 ) ：5 ：1 为宜。在装置启动时，稍微增加氮素，有利于微生物的增殖， 有利于提高反应器的缓冲能力。 基质微生物比( c o d v s s ) ：与好氧生物处理相似，厌氧生物处理过程中 的基质微生物比对其进程影响很大，在实用中常以有机负荷( c o d v s s ) 表示， 单位为k g ( k g d ) 。在有机负荷、处理程度和产气量三者之间，存在着平衡关系。 一般来说，较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低。由于厌氧 消化过程中产酸阶段的反应速率比产甲烷阶段的反应速率高得多，必须十分谨慎 3 北京工业大学工学硕士学位论文 地选择有机负荷，使挥发酸的生成及消耗不致失调，形成挥发酸的积累。为保持 系统的平衡，有机负荷的绝对值不宜太高。随着反应器中生物量( 厌氧污泥浓度) 的增加，有可能在保持相对较低污泥负荷的条件下得到较高的容积负荷，这样， 能够在满足一定处理程度的同时，缩短消化时间，减少反应器容积【2 3 】。总的来 说，厌氧生物处理c o d 容积负荷率可以达到5 1 0k g ( m 3 - d ) ，有的甚至达5 0 k g ( m 3 d ) 。 毒性物质：与其他生物系统一样，厌氧处理系统也应当避免有毒物质进入。 一些含有特殊基团或者活性键的化合物对某些未经驯化的微生物常常是有毒的， 但这些有毒的有机化合物本身也是可以厌氧生物降解的，如三氯甲烷、三氯乙烯 等。由于微生物对各种基质的适应能力是有一定程度的，一些化学物质超过一定 浓度，对厌氧发酵就产生抑制作用，甚至完全破坏厌氧过程【4 】。 1 1 2 厌氧反应器的发展 厌氧反应器的发展己经历了三个阶段1 5 j 。第一代反应器，以厌氧消化池为代 表，废水与厌氧污泥完全混合，属低负荷系统。第二代反应器，可以将固体停留 时间和水力停留时间分离，能保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，并注重培 养颗粒污泥，属高负荷系统。第三代反应器，在将固体停留时间和水力停留时间 相分离的前提下，使固、液两相充分接触，从而既能保持大量污泥又能使废水和 活性污泥之间充分混合、接触，达到高效处理的目的。 1 ) 第一代厌氧反应器：从1 8 8 1 年法国( ( c o s m o s ) ) 杂志报道应用厌氧生物技术 处理市政污水中的大量易腐败有机物起，厌氧生物处理技术已经有了百余年的历 史1 6 。1 8 9 6 年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，所产生的沼气 用于照明。随后的几十年中，厌氧处理技术迅速发展并得到广泛应用。最初的厌 氧反应器采用污泥与废水完全混合的模式，污泥停留时间( s r t ) 与水力停留时间 ( h r t ) 相同，厌氧微生物浓度低，处理效果差。s c h r o e p f e r 7 j 在2 0 世纪5 0 年代开 发了厌氧接触反应器，在连续搅拌反应器基础上，在出水沉淀池中增设了污泥回 流装置，使厌氧污泥在反应器中的停留时间第一次大于水力停留时间，从而提高 了有机负荷率与处理效率。第一代厌氧反应器主要用于污泥和粪肥的消化，以及 生活污水的处理。 2 ) 第二代厌氧反应器：随着人们对厌氧生物处理技术研究的深入，以提高系统 内生物量、强化传质作用、延长s r t ，缩短h r t 为基础的第二代高速厌氧反应 器( h i g h r a t ea n a e r o b i cr e a c t o r ) 相继出现，典型代表包括厌氧滤器( a n a e r o b i c f i l t e r ，简称a f ) ，厌氧流化床( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d ，简称a f b ) 反应器、上流 式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ，简称u a s b ) 反应器等【8 。1 。 a f 是由y o u n g 和m c c a r t y 于1 9 6 9 年i l z j 开发成功的，厌氧滤池( a f ) 是一 4 第1 章绪论 种内部填充有微生物载体的厌氧生物反应器。厌氧微生物部分附着生长在填料 上，形成厌氧生物膜，另一部分在填料空隙间处于悬浮状态。a f 采用生物固定 化技术延长了s r t ，把s r t 和h r t 分别对待的思想是厌氧反应器发展史上的一 个里程碑。其结构和工作原理类似于好氧生物滤床，厌氧菌在填充材料上附着生 长形成生物膜，不仅增加了系统内的总生物量，同时也实现了s r t 和h r t 的分 离控制。a f 一般采用上流式，厌氧污泥浓度可达1 0 2 0 9 v s s l ，在负荷较低时， 能够取得良好的处理效果。但a f 在运行中常出现堵塞和短流现象，且需要大量 的填料和对填料进行定期清洗，增加了处理成本，这是厌氧滤池工艺不能迅速推 广的主要原因。 a f b 依靠在惰性的填料微粒表面形成的生物膜来截留厌氧污泥【1 3 4 1 。填料在 较高的上升流速下处于流化状态，克服了a f 易发生堵塞的缺点，且能使厌氧污 泥与废水充分混合，提高了处理效率。i z a 等【l5 j 发现，用a f b 反应器处理酒厂废 水，有机负荷可达3 8 0k g c o d ( m 3 d ) 。a f b 对易降解有机毒物质的去除也有较 大潜力1 16 1 。然而，对于a f b ，其填料微粒流化态的稳定控制比较困难，为取得 高的升流速度以保证流态化，流化床反应器需要大量的回流水，这样导致投资和 运行费用加大，因此至今没有生产规模的厌氧流化床反应器的应用报道1 1 7 1 。 u a s b 是由荷兰农业大学环境系l e t t i n g a 等人l l 引在2 0 世纪7 0 年代开发的， u a s b 反应器一出现很快便获得广泛的关注与认可，并在世界范围内得到广泛的 应用。是目前最为成功的厌氧生物处理工艺。u a s b 反应器主体部分由反应区和 气、液、固三相分离区组成，在反应区下部是大量具有良好沉降性能与高比产甲 烷活性的厌氧颗粒污泥所形成的污泥床。废水从污泥床底部进入后与污泥接触， 微生物分解废水中的有机物产生沼气，气、水、泥的混合液上升至三相分离器内， 气体进入集气室排出，污泥和水进入沉淀室，在重力作用下实现泥、水分离。污 泥沿斜壁返回反应区，上清液从沉淀区上部排走。u a s b 反应器有机负荷高， h r t 短，且无填料、无污泥回流装置、无搅拌装置，大大降低了运行成本。但 大多数的u a s b 反应器出水水质还达不到传统二级处理工艺的出水水质，在处 理固体悬浮物浓度较高的废水时易引起堵塞和短流。同时，初次启动和形成稳定 颗粒污泥用时较长。此外，还需要设计合理的三相分离器。 3 ) 第三代厌氧反应器：虽然第二代厌氧生物反应器在应用中取得了很大的成功， 但为了解决u a s b 在运行中出现的短流、死角和堵塞等一些问题，进一步增强 厌氧微生物与废水的混合与接触，提高负荷及处理效率，扩大适用范围，人们在 第二代厌氧反应器基础上继续研究和开发了第三代反应器。主要有厌氧颗粒污泥 膨胀床( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ，简称e g s b ) ，厌氧内循环反应器( i n s i d e c y c l i n g ，简称i c ) ，厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a m e dr e a c t o r ，简称a b r ) ， 厌氧序列式反应器( a n a e r o b i cs e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ，简称a s b r ) ，厌氧膜 生物系统( a n a e r o b i cm e m b r a n eb i o s y s t e m ，简称a m b s ) p j 。 5 北京t 业大学工学硕士学位论文 e g s b 是荷兰w a g e n i n g e n 农业大学环境在2 0 世纪8 0 年代开始研究的新型 厌氧反应器【l 引。该工艺实质上是固体流态化技术在有机废水生物处理领域的应 用。它实际上是一种改进型的u a s b 反应器，不同之处是e g s b 采用更大的高 径比和增加了出水回流，上升流速高达2 5 6 0 m h ，远大于u a s b 采用的 o 5 2 5 m h 。因此e g s b 反应器中的颗粒污泥床处于部分或全部膨化状态，再加 上产气的搅拌作用，使进水与颗粒污泥充分接触，传质效果更好，可处理较高浓 度的有机废水。同时，e g s b 反应器采用较大的出水循环比对原水中毒性物质有 一定的稀释作用，在处理含有有毒物质和难降解物质的有机废水上具有较好的优 势。 i c 由荷兰p a q u e s 公司于2 0 世纪8 0 年代中期推出的1 2 0 1 。该反应器在结构 上如同两个u a s b 上下重叠串联。在底部高负荷区，通过三相分离器实现出水 内循环：上部为低负荷区，废水在这里得到进一步处理。i c 系统相当于两级u a s b 工艺的串联运行，处理效果好，出水水质较为稳定。 a s b r 是2 0 世纪9 0 年代由美国i o w a 州立大学d a g u e 等人研究开发的新型 高速厌氧反应器【2 。它通过采用单个反应器完成进水、反应、沉降和出水的序列 操作，所需体积比连续流工艺要大，但不需单独设立沉淀池及布水和回流系统， 也不会出现短流现象。a s b r 在运行过程中可根据废水水质、水量的变化调整一 个运行周期中各工序的时间而满足出水水质要求，具有很强的运行操作灵活性和 处理效果稳定性。同时，a s b r 中易培养出世代时间长、产甲烷活性高、沉降性 好的颗粒污泥。 a m b s 的研究大都是把膜技术作为生物系统出水过滤的末端处理单元【2 2 j 即 在常规厌氧处理过程中串联膜处理装置，从而强化处理效果。 a b r 反应器是一类源于s m p a 理论的第三代新型厌氧反应器，是2 0 世纪 8 0 年代中期，由美国s t a n f o r d 大学的m c c a r t y 及其合作者在厌氧生物转盘反应 器的基础上改进开发而成【2 3 j 。其实质是一系列升流式污泥悬浮反应器，由于其具 有结构简单，生物截留能力强，处理效果好，运行管理方便等优点。该反应器一 经问世即引起了广大研究者的注意，2 0 多年来对它的研究一直没有间断过，近 年来更是成为厌氧反应器研究的热点之一。 1 2a b r 反应器在厌氧生物处理中的应用 1 2 1a b r 反应器的理论基础及工作原理 l e t t i n g a 教授【2 4 】在预测未来反应器发展动向时，提出了一个极具挑战力和潜 力的工艺思想一分阶段多相厌氧反应器( s t a g e dm u l t i - p h a s ea n a e r o b i cr e a c t o r , 6 第1 章绪论 s m p a ) 。s m p a 并非特指某个反应器，而是一种新工艺思想，其理论思路如下t 将传统的厌氧反应器分隔成多个串联的格室，或将多个独立的厌氧反应器串 联，并在各级分隔的单体中培养出相应的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分 及环境因子，如p h 值、h 2 分压等：在运行中，应防止各个单体中独立发展而 形成污泥的互相混合；将各个单体或隔室内的产气互相隔开；整体工艺的运 行，更接近于推流式，以追求系统更高的去除率和更好的出水水质。s m p a 可以 保证厌氧反应器具有以下几个特点： ( 1 ) 良好的污泥截留性能，以保证拥有足够的生物量。厌氧微生物的世代时 间较长，代谢水平远低于好氧微生物。因此，较高的污泥保有量是保证微生物转 化总量，即厌氧生物处理效率的基础和前提。 ( 2 ) 良好的水力流态。局部的完全混合使生物污泥能够与进水基质充分混合 接触，以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的基质；而整体的推流式运行， 在各格室或单体间可形成一定的底物浓度梯度，有利于提高出水水质。 ( 3 ) 良好的微生物功能分区，即相分离特性。具有提供不同类型微生物所适 宜的不同的生长环境条件的功能，以使不同种群的厌氧微生物在最优环境条件下 发挥功能、稳定运行【z 引。 根据参与厌氧消化过程的不同微生物类群对生态因子要求的不同，进行两相 及多相工艺研究，以及根据反应器的混合要求进行复合流态工艺的研究，已成为 开发和研制第三代新型厌氧处理工艺技术的主导方向。而s m p a 理论是对厌氧微 生物降解机理与反应器水力学特性的最新诠释和应用。 a b r 就是一类源于s m p a 理论的第三代新型厌氧反应器。其工作原理是在 反应器内设置一系列垂直的折流挡板使废水在反应器内沿折流板上下折流运动， 依次通过每个格室的污泥床直至出口。在此过程中，废水中的有机物与厌氧活性 污泥充分接触而逐步得到去除。虽然在构造上a b r 可以看作是多个u a s b 反应 器的简单串联，但工艺上与单个u a s b 有显著不同。首先，u a s b 可近似看作是 一种完全混合式反应器，而a b r 是一种复杂混合型水力流态，且更接近于推流 式反应器；其次，u a s b 中酸化和产甲烷两类不同的微生物相交织在一起，不能 很好适应相应的底物组分及环境因子( p h ，h 2 分压值等) ，而在a b r 中各个反 应室中的微生物相是随流程逐级递变的，递变的规律与底物降解过程协调一致， 从而确保相应的微生物相有最佳的工作活性。从a b r 构造及工作原理上可以发 现，a b r 几乎完美的实现了s m p a 工艺思想的要点，是一种很有发展前途的高 效厌氧反应器。 1 2 2a b r 反应器在废水处理中的研究现状 自厌氧折流板反应器开发以来，国内外研究者们分别对a b r 反应器的结构、 7 北京t 业大学t 学硕十学位论文 水力学特性、颗粒污泥的形成、微生物种群分布、处理不同水质废水的可行性等 方面的进行了大量的研究与分析。 ( 1 ) a b r 结构的研究：b a c h m a n n 等人【2 6 】进行了减少降流区宽度及增加导 流折板角度对反应器性能影响的研究，结果表明：经过改造后，虽然其处理效 率和甲烷的产率都得到了提高，但产生的沼气中甲烷含量却减少了：减少降流 区宽度可以使更多的微生物集中到主反应区的升流区内，有利于厌氧污泥停留在 上向流中，使反应器成为上向流式污泥床，其优点是水流方向与产气上升方向一 致，一方面减少了堵塞的机会，另一方面加强了对污泥床的搅拌作用，有利于微 生物与进水基质的充分混合，也有助于形成颗粒污泥；折板边缘折起，将进水 引向上向流室中心，实现了布水的均匀性，同时还可增加水力搅拌作用。 为了提高厌氧污泥平均停留时间以有效地处理高浓度废水，t i c h e 和y a n g 等人【2 1 7 】于1 9 8 7 年对a b r 做了较大的改动，主要体现在：最后1 格室后增加 了一个沉淀池，流出反应器的污泥可沉积于此，再被循环使用，清华大学的戴友 芝等【2 8 】处理五氯酚废水用的a b r 即为此种类型：在每个格室顶部加入复合填 料，防止污泥流失，通常将此种反应器称复合式厌氧折流板反应器( h a b r ) ； 气体被分隔室单独收集，便于分别研究每个格室的工作情况，通过保护共生菌加 强反应器运行稳定性。 b o o p a t h y 和s i v e r s 2 9 】在利用a b r 处理养猪废水时，设计了一种2 格室的 a b r 。为了限制水流的上升流速，以降低污泥的流失，第1 格室的体积是第2 格室的2 倍。第1 格室的体积的增加不仅可以减少水流的上升流速，而且还可以 促进水中悬浮物尽可能多的沉积于此，增加了悬浮物的停留时间，b o o p a t h y 将 这种改造后的a b r 与另一等体积的3 格室a b r 进行了对比研究，结果表明，改 造后的2 格室a b r 污泥流失量大大减少，但处理效率却不升反降。 此外，目前也有很多研究将集气室分隔独立设置，利于产气成分的分析及 运行稳定性的控制，主要是由于a b r 前端隔室以产酸为主，其产气中含有较多 的h 2 和c 0 2 ，独立收集可以减少各隔室的h 2 分压和c 0 2 分压，利于p h 的控制， 防止酸化以及减小氢分压对物质转化过程的影响1 2 引。 ( 2 ) a b r 系统微生物特性研究： a b r 独特的结构使各格室可以持有特征性的微生物群落。各格室的微生物 组成主要取决于各格室的基质类型和浓度，还包括p h 值、温度等环境因素的影 响。按照废水流经a b r 的过程而言，通常认为，a b r 的前端格室产酸菌数量较 多，后端格室的产甲烷菌数量较多，但在实际废水处理中，产酸菌和产甲烷菌的 分布规律与反应器的运行条件有关。 很多学者认为 2 7 , 3 0 1 ，a b r 反应器内主要存在两种乙酸分解菌，即产甲烷八 叠球菌( m e t h a n o s a r c i n a ) 和甲烷丝状菌( m e t h a n o s a e t a ) ，甲烷八叠球菌要比甲烷 丝状菌生长的快( 前者的世代期为1 5 d ，后者的为4 d ) 。在乙酸浓度较高时，主要 8 第l 章绪论 以甲烷八叠球菌为主：在乙酸浓度较低时，主要以甲烷丝状菌为主。1 9 8 7 年， t i c h e 和y a n g 2 7 1 将厌氧滤池与a b r 中的细菌进行了比较，试验条件是厌氧滤池 的负荷为1 0 5 k g c o d m 3 - d 。a b r 负荷为5 5 k g c o d m 3 d 底物为糖蜜废水。其研 究发现，在a b r 前面格室中，甲烷八叠球菌浓度最高，用荧光显微镜在a b r 前面格室内能观察到嗜氢甲烷菌，到反应器的后面格室转化为以甲烷丝状菌为 主，且发酵气中的甲烷含量可达7 0 。b a c h m a n 3 q 处理糖蜜废水的研究中发现， 第1 格室的甲烷活性最大，最后一个格室的甲烷活性最小；o r o z c o 3 2 】在研究一个 具有1 1 格室的a b r 时发现，1 7 格室的甲烷活性最大( 1 4 3g c o d c h d m 3 ) ， 8 1 1 格室的甲烷活性较小( 0 7 2g c o d c h 4 m 3 ) 。x i n g 3 3 】等人通过分析a t p 来确 定反应器中活性最强的甲烷菌位置。试验用a b r 体积为1 5 0l ( 6 格室) ，底物 为糖蜜废水，有机负荷为2 0k g c o d m 3 d ，从反应器顶部、中部和底部取样进行 分析。结果表明，第l 格室的产甲烷活性最高，而该格室至少有8 5 的产甲烷活 性物质来自反应器的底部。分析认为，在a b r 的第1 格室的乙酸浓度较高，同 时拥有较高的氢分压，因此使嗜氢甲烷菌大量孽生，甲烷产量较高。而在后面格 室中，乙酸浓度要比第l 格室的低l o 倍，这与甲烷丝状菌的k s 值( k s = 3 0 m g l ) 相接近，所以有利于其生长，故甲烷丝状菌在后面的格室中占主导地位。甲烷丝 状菌与甲烷八叠球菌相比，生长缓慢，而且对低p h 值较敏感，这将有利于产酸 菌的生长，从而导致后面格室的产甲烷活性和发酵气中甲烷含量降低。 a b a c h m a n n 、j x i n g 和r b o o p a t h y 2 9 , 3 1 - ；3 1 的研究表明，各格室污泥的活性沿水 流方向逐步降低。 s n a c h a i y a s i t 等【3 4 】研究表明，a b r 反应器的第1 格室中以产丁酸菌为主， 而在较后的格室中则以甲烷菌为主。戴友芝等1 2 8 】采用扫描电镜观察a b r ( 5 格室) 各室污泥微生物形态时发现，l ，2 格室以丝状菌、球菌、短杆菌为主，相互交织 成网状，杂以链球菌，第4 、5 室以竹节杆菌为主。李清雪等人1 35 j 的研究指出， a b r 各格室内可以观察到短杆菌、长杆菌、弧菌、丝状菌和球菌等各种微生物， 其中产甲烷菌以丝状菌和杆菌为主。 可见，不同研究者对a b r 系统内的微生物群落分析结果存在较大差异，不 同的水质和运行控制条件是导致这一现象的直接原因。尽管如此，以上研究均证 明，在a b r 系统中，各格室的生物相结构是不同的，沿水流方向存在着显著的 微生物群落更迭现象。 ( 3 ) a b r 系统颗粒污泥的研究 高效厌氧反应器最大的特点就是形成沉降性能良好、甲烷菌活性高的颗粒 污泥。厌氧颗粒污泥的形成，使反应器拥有较高的生物量和较丰富的生物相，从 而确保厌氧生化过程能够稳定高效运行。b o o p a t h y 和t i t h e l 2 7 , 驯启动h a b r 时， 各格室大约在一个月以后出现0 5 m m 的颗粒污泥，三个月后长到3 5m m 。a b r 系统中颗粒污泥的形成与其结构和运行特点相关，折流板阻挡作用，污泥有效地 9 北京工业大学工学硕十学位论文 被截留在反应器中，污泥流失减少，同时水流和气流的扰动作用，促进了颗粒污 泥的形成和成长。颗粒污泥的粒径和形状主要取决于基质的类型，国内外许多研 究表明，a b r 反应器中的颗粒污泥粒径沿水流方向逐渐降低【2 7 2 8 ，3 4 ，3 6 1 。在处理高 浓度糖浆废水时，沿反应器方向颗粒污泥的粒径逐渐减小，第1 格室污泥的粒径 是5 4 m m ，最后一个格室污泥的粒径是1 5 m m 。在处理低浓度废水时发现中间格 室的污泥粒径最大，往后逐渐减小。通过显微镜观察颗粒污泥基本上是由利用乙 酸的甲烷菌组成，t i c h e 和y a n g 等【2 7 】发现在基质浓度较高的前面格室中主要是 光滑的甲烷八叠球菌絮体形成的颗粒污泥，颗粒污泥的体积较大，密度较小。 ( 4 ) a b r 水力学特性研究： a b r 的流态是介于推流与完全混合流态之间，这种优良的水力条件，使其 具有稳定的处理效能。a b r 上向流室中的产气和较高的上升水流速度，使整个 格室呈完全混合流态，这种流态有利于废水与厌氧污泥之间的充分接触，加速基 质从废水中向微生物细胞传递，提高反应器的容积利用率；a b r 死区体积较小， 在空反应器中小于8 ，在运行中小于3 7 ，而厌氧滤池的死区体积高达5 0 9 3 ， 另外这种流态有利于颗粒污泥的形成。g r o b i c k i 和s t u c k e y l 3 7 】以锂为示踪剂对 a b r 的水动力学规律进行研究时发现，不同运行条件下a b r 的死区容积分数 v d ( 其中v d 为死区容积，v 为反应器容积) 平均值为9 8 ，远小于厌氧滤池和 传统消化池( c s t r ) 。郭静、沈耀良等人 3 8 3 9 分别采用示踪方法对a b r 反应器的 水力死区进行测算，得出其流态介于完全混合式和推流式之间的结论。 ( 5 ) a b r 运行性能的研究： w e i l a n d 和r o z z i 4 0 】在讨论高效厌氧反应器的启动问