有機負荷對ABR系統運行特征及效能的影響

李建政，倪 佳，鄭國臣，邰曉輝，張 巖

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，ljz6677@163.com)

有機負荷對ABR系統運行特征及效能的影響

李建政，倪 佳，鄭國臣，邰曉輝，張 巖

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，ljz6677@163.com)

為提高厭氧折流板反應器(ABR)的處理效能，采用有效容積為28.75 L的4格室ABR，通過進水COD質量濃度和水力停留時間(HRT)的調控，探討有機負荷率(OLR)的改變對系統運行特征和效能的影響.結果表明，在OLR為4.0～5.4 kg·m－3·d－1范圍內，通過進水COD質量濃度和HRT的調控，可使參與厭氧消化過程的各功能菌群在ABR系統中的分布更加有序，可有效提高系統的處理效能和運行穩定性.在進水 COD 為8 000 mg·L－1、HRT為48 h，即 OLR 為4 kg·m－3·d－1的條件下，ABR 對 COD 的去除率可穩定在90%以上.

厭氧折流板反應器;運行效能;有機負荷;COD;水力停留時間

厭氧生物處理技術被認為是高質量濃度有機廢水處理最為經濟有效的方法.其中，厭氧折流板反應器(ABR)以其良好的污泥截留性能、獨特的水力流態和明顯的生物相分離特性，表現出處理效果好、水力停留時間(HRT)短、耐沖擊負荷強等優勢，受到越來越多的關注［1］.然而，關于ABR啟動后，如何通過工程調控措施提高其效能的報道較少，在一定程度上限制了其推廣應用［2］.在工程應用中，廢水處理系統的控制除了溫度、pH或堿度外，有機負荷(OLR)的控制簡單易行.本文在前期成功啟動一個4格室ABR的基礎上，通過對進水COD和HRT的調控，考察了OLR對ABR去除效能的影響并分析了其運行特征.

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗所用ABR為4格室結構［2］，由有機玻璃制成，規格為74 cm×56 cm×11 cm，總有效容積為28.75 L;每個格室各有一個下向流室和一個上向流室，寬度分別為2.5 cm和11.5 cm.每個格室頂部設有排氣管與水封相連，發酵氣產量采用濕式氣體流量計計量.反應器外表纏有電熱絲，通過溫控裝置控制ABR內部溫度為(35±1)℃.源水由計量泵泵入反應器第1格室，以上下折流形式先后流經后續各格室，最后從第4格室上部流出.

1.2 實驗廢水

實驗廢水采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋而成，配水時投加少量NH4Cl和KH2PO4，使廢水m(COD)∶m(N)∶m(P)=200 ～500∶5∶1 左右，并投加小蘇打調整進水pH在8左右.

1.3 ABR的基礎運行狀態

在本研究開始前，所采用的ABR已經啟動運行了 120 d，基本完成了污泥馴化，并在 HRT 24 h、進水COD質量濃度為6 000 mg·L－1(OLR 6 kg·m－3·d－1)、pH 8、(35 ±1)℃等條件下達到穩定運行，此時各格室的生物量MLVSS分別為8.3、8.5、10.1、9.2 g·L－1.在運行的最后 20 d，ABR所達到的COD平均去除率為61%，其他主要運行特征指標如表1所示.

表1 ABR在調控前的基本運行特征

1.4 ABR的運行控制

在如1.3所述的ABR運行基礎上，采用調節進水COD和HRT的方法，考察了OLR對ABR去除效能的影響.如表2所示，根據HRT或進水COD的改變，ABR的控制運行分為4個階段，每一次運行條件的改變均在上一階段達到運行穩定后進行.其中，溫度(35℃)和進水pH(8)與1.3所述的基礎運行狀態保持一致，而穩定期是指ABR及其各格室的COD質量濃度和去除率達到相對穩定后的運行時間.

表2 ABR的調控運行階段及主要控制參數

1.5 分析項目及測定方法

COD、pH、堿度(ALK，以 CaCO3計)、MLSS、MLVSS等均采用國家標準方法測定［3］;發酵氣產量采用濕式氣體流量計(LML－ 1，長春汽車濾清器有限責任公司)計量;發酵氣成分及體積分數、廢水中的揮發性脂肪酸(VFAs)和乙醇均采用氣相色譜測定［4］.

2 結果與分析

2.1 COD去除率

如圖1所示，在ABR進水COD從基礎狀態的6 000 mg·L－1降低到第1階段的4 000 mg·L－1，即 OLR 從 6 kg·m－3·d－1降低為4 kg·m－3·d－1時，ABR 的COD 去除率呈現出顯著上升趨勢.當重新達到運行穩定時(12～17 d)，ABR的COD去除率由基礎狀態的62%上升到了74%左右.經檢測，在該階段的穩定期(12～17 d)，ABR各格室的生物量分別為8.5、8.69、10.5和9.27 g·L－1，較基礎狀態時變化不大，說明進水COD質量濃度的降低有效提高了厭氧活性污泥的活性.在運行的第2階段初期，ABR對COD的去除率顯著增加，但隨后又逐漸回落并維持在第1階段穩定期的水平，在該階段的穩定期(26～31 d)，其COD平均去除率為77%.在ABR運行的第3階段，將進水COD和OLR分別提高到8 000 mg·L－1和 5.4 kg·m－3·d－1，系統再一次達到穩定運行時(60～65 d)，其COD平均去除率增加到81.6%.在第4運行階段，將HRT延長為 48 h(OLR 4 kg·m－3·d－1)后，系統對 COD的去除效率再一次呈現出上升趨勢，最終穩定在90%上下(78～83 d)，效果比較理想.以上結果說明，較長的HRT、較高的有機物質量濃度有利于系統微生物群落活性的提高.

圖1 ABR系統的COD質量濃度變化及總去除率

2.2 產氣速率及氣體組分

如表3所示，對于OLR均為4.0 kg·m－3·d－1的第1、2、4階段，在HRT從24 h逐步延長到36 h和48 h時，ABR的平均產氣總量從33.3 L·d－1分步提高到39.7和52 L·d－1.這一結果同樣表明，在OLR不變的情況下，適當延長HRT有助于各類厭氧微生物菌群代謝活性的發揮.從各格室的產氣量變化趨勢分析，這種良性刺激的強度表現為從前端格室到后端格室逐級增強.

由于第3階段的OLR顯著高于第1、2、4階段，ABR在相應穩定期所表現出的產氣量最高，平均為55.4 L·d－1.值得關注的是，在此階段，對ABR總產氣量的主要貢獻者是第2和第3格室，分別為14.5和14.9 L·d－1，而第1、4格室的產氣量卻較其他運行階段略有下降.分析認為，在ABR前2個格室中以產酸發酵菌群占據優勢，污泥形態多為絮狀結構，在HRT或上升流速一定的情況下，其懸浮絮狀污泥的保有量是一定的，在OLR從4.0 kg·m－3·d－1提高到5.4 kg·m－3·d－1后，進水中原有的有機物就會有更多的剩余從第1格室進入后續格室，這無疑會增強后者的產酸發酵作用而削弱其產甲烷作用.另外，比較表3中第3階段各格室的甲烷體積分數可知，OLR提高對ABR系統造成的影響在第2格室最為顯著，第3和第4格室次之.從ABR各格室發酵氣的組成分析，在各運行階段，第1至第4格室發酵氣中的氫氣體積分數逐級下降，而甲烷趨勢相反，說明包括同型產乙酸菌和產甲烷菌在內的耗氫菌群得到了逐級強化.尤其是產甲烷菌群的強化，為ABR系統高效去除有機污染物提供了保障.

表3 ABR在各運行階段穩定期的平均產氣量及其組分

2.3 液相末端發酵產物

液相末端發酵產物(EFP)在總量和成分上的變化反映了發酵系統微生物菌群的代謝活性和群落構成的改變［5］.在整個調控運行期間，EFP在ABR第2格室的總量始終顯著高于第1格室，而其后的第3和第4格室則逐級迅速下降(表4).這一現象表明，在ABR的前2個格室是產酸發酵菌群占據優勢，而消耗VFAs的菌群則從第3格開始成為優勢微生物.如表4所示，在維持OLR 4.0 kg·m－3·d－1不變的條件下，當 HRT 從 24 h延長為36 h后，ABR第1和第2格室的EFP總量升高，產酸發酵微生物活性顯著增強，而第3和第4格室EFP總量相應降低，說明后兩個格室中VFAs的微生物代謝活性同樣得到了提升.

在ABR運行的第3階段，OLR升高后，第1格室的EFP總量稍有增加，在第2、3格室則大幅提高，而第4格室的 EFP總量卻從變化前的825 mg·L－1下降為 684 mg·L－1;維持進水 COD質量濃度8 000 mg·L－1不變，將HRT從36 h延長為 48 h，使 ABR的 OLR再一次回歸到4.0 kg·m－3·d－1后，由于基質總量的減少，各格室EFP的總量都較第3階段有顯著降低.但與OLR相同的第1和第2運行階段相比，系統最終出水(第4格室)的 EFP總量大幅下降，僅為347 mg·L－1，說明ABR系統對有機污染物的去除效能得到了顯著加強.

通過表4的檢測結果，發現各格室EFP中的各種VFAs和乙醇質量濃度，均隨OLR的改變而發生了變化，這可能與系統中的微生物群落演替有關，后文將對此進行深入分析.

表4 ABR在各階段穩定期的平均末端發酵產物與pH

2.4 生物量

經檢測，ABR在第1階段的穩定期，第1至第4格室的生物量MLVSS分別為8.5、8.7、10.5和9.3 g·L－1.在第2階段的穩定期，MLVSS分別上升為9.4、10.2、11.4 和9.7 g·L－1.可見，在OLR相同的情況下，較長的HRT有利于微生物代謝活性和有機物降解率的提高，因而促進了厭氧活性污泥微生物的增殖.在ABR運行的第3階段依此規律繼續增殖，且此時ABR系統的厭氧活性污泥已經顆?；?在ABR中，顆粒污泥物理結構和理化特征是影響其良好性能的關鍵［6］.當ABR在運行的第4階段OLR回歸為4.0 kg·m－3·d－1后，第1至第4格室在穩定期的MLVSS分別為9.8、11.8、14.5 和16.1 g·L－1，除了第1 格室的 MLVSS回落到與第3階段穩定期相當的水平外，其他各格室的MLVSS沒有出現顯著的衰減.較高的生物持有量為ABR厭氧廢水處理系統的有效穩定運行奠定了基礎.

3 討論

與單相厭氧生物處理反應器相比，ABR具有明顯的生物相分離特性，即產酸發酵菌群、產氫產乙酸菌群和產甲烷菌群等，沿程分布于各格室并呈現不同的優勢度，逐級將有機物分解為甲烷和二氧化碳等［7］.對環境適應性強、代謝速度快的產酸相微生物類群(產酸發酵菌群)位于ABR的前端格室，可以極大削弱有機負荷沖擊對后端格室微生物類群的影響，尤其是對環境變化敏感的產甲烷菌群起到了保護作用.進水COD質量濃度和HRT的變化都會對ABR造成負荷沖擊，進而可能影響到各類功能菌群在各格室分布的優勢度，使ABR表現出不同的運行特征.

在ABR 4個調控運行階段的穩定期，第1和第2格室均呈現出顯著的VFAs累積現象(表4)，其發酵氣中的甲烷質量濃度最多也未超過38%(表3)，說明產酸發酵菌群在這兩個格室中占據優勢.VFAs從第3格室開始出現顯著的衰減，尤其是乙酸質量濃度的大幅下降(表4)和發酵氣中甲烷質量濃度的顯著提高(表3)，表明產甲烷菌群在后端格室逐漸占據優勢.ABR在第1運行階段的穩定期，其出水(第4格室)中包括乙醇和VFAs在內的EFP總量達1 060 mg·L－1，說明在 HRT 24 h 條件下，ABR 前端格室對廢水中有機物的產酸發酵代謝并不充分，導致后端格室仍然表現出一定程度的產酸發酵作用.在ABR運行的第2階段，雖然OLR與第1階段相同，但由于HRT延長到36 h，系統出水中的EFP降低到825 mg·L－1(表4)，而第3和第4格室發酵氣中的甲烷質量濃度也分別從第1階段的47.1%和48.3%提高到了52%和54.7%(表3).這一結果一方面表明前端格室厭氧活性污泥中產酸發酵菌群的優勢得到了加強，同時說明后端格室中代謝乙醇和VFAs的產氫產乙酸菌群和產甲烷菌群優勢也得到了壯大.第3階段的OLR提高和第4階段的HRT進一步延長，有效刺激了各類厭氧菌群的活性，使ABR系統的產酸發酵菌群和產甲烷菌群的相分離特征更加明顯，系統出水中的EFP分別降低為684和347 mg·L－1，第3和第4格室發酵氣中的甲烷質量濃度在第3和第4運行階段分別達46.5%、53%和51%、58.9%.

產氫產乙酸菌群的營養生態位位于產酸發酵菌群和產甲烷菌群之間，它們將產酸發酵菌群代謝產生的乙醇、丙酸和丁酸等轉化為乙酸、氫氣和二氧化碳，為產甲烷菌提供了可以直接利用的營養底物.由表4可以看出，在ABR 4個運行階段的穩定期，乙醇質量濃度始終在第1格室最高，并表現出逐格室沿程降低的趨勢，而丁酸和丙酸降解則主要發生在后端2個格室，尤其突出表現在第4格室.可見，氧化乙醇的產氫產乙酸菌在生態位上與產酸發酵菌群更為接近，而氧化丁酸和丙酸的產氫產乙酸菌群則與產甲烷菌群的生態位重疊更多.研究表明［8］，乙醇、丙酸和丁酸的產氫產乙酸過程主要受控于反應系統的氫分壓(pH2)，其中pH2對乙醇產氫產乙酸代謝的抑制作用最弱，而對丙酸產氫產乙酸代謝的抑制作用最強.從表3可以看出，在4個運行階段穩定期，第1至第4格室發酵氣中的氫氣體積分數均呈現逐格室下降的態勢.因此，在ABR系統中，乙醇的產氫產乙酸作用可以出現在前端格室，而丁酸和丙酸的產氫產乙酸作用只能發生在pH2較低的后端格室中.

在產酸發酵菌群和產氫產乙酸菌群的代謝過程中，均有大量的氫氣產生.系統中的低pH2條件需要消耗氫氣的菌群代謝才能得以維持，這類菌群主要包括同型產乙酸菌群和產甲烷菌群.從ABR第1至第4格室發酵氣中氫氣體積分數的逐級降低以及CO2體積分數同步下降這一變化規律分析，各格室都有耗氫菌群的存在，而從乙酸在第1和第2格室的積累以及在第3和第4格室的消減規律分析，同型產乙酸菌群應該主要分布于前端2個格室，而產甲烷菌群則主要分布于后端2個格室.

綜上所述，ABR在運行過程中，可以在各格室出現不同的優勢菌群，各格室的厭氧微生物群落呈現出沿程更迭的變化規律.這一生物相分離特征會受OLR的影響，即進水COD質量濃度和HRT的改變，將導致ABR系統微生物群落結構的變化，并最終影響到系統的運行特征和效能.

4 結論

1)通過進水COD質量濃度和HRT的調控，可使參與厭氧消化過程的各功能菌群在ABR系統中的分布更加有序，分布于前端格室中的產酸發酵菌群有效保護了后端格室中的環境敏感菌群(產氫產乙酸菌和產甲烷菌等)的代謝活性，可有效提高系統的處理效能和運行穩定性.

2)氫分壓對ABR系統中產氫產乙酸作用具有明顯的反饋抑制作用，其中，對乙醇產氫產乙酸代謝的抑制作用最弱，而對丙酸代謝的抑制最強，這在很大程度上決定了整個系統的群落演替方向和各個功能格室的頂級群落結構.

3)通過適當延長HRT、提高進水COD質量濃度的運行方式，可提高ABR的廢水處理效能.在有機負荷為4 kg·m－3·d－1、HRT 為48 h 的條件下，COD去除率可穩定在90%以上.

［1］KRISHNA G，KUMAR G V T.Treatment of low strength complex wastewater using an anaerobic baffled reactor(ABR)［J］.Bioresour Technol，doi:10.1016/j.biortech.2008.03.016.

［2］HENZE M，HARREMOES P.Anaerobic treatment of wastewater in fixed film reactors:aliterature review［J］.Wat Sci Tech， 2005，15(8/9):100－111.

［3］國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法［M］.4版.北京:中國環境科學出版社，2002.

［4］LI Jianzheng，LI Baikun，ZHU Gefu，et al．Hydrogen production from diluted molasses by fermentative mixed microbe flora culture in an anaerobic baffled reactor(ABR)［J］.Int J Hydrogen Energy， 2007，28(6):3274 －3283.

［5］REN Nanqi，ZHAO Dan，CHEN Xiaolei，et al．Mechanism and controlling strategy of the production and accumulation of propionic acid for anaerobic wastewater treatment［J］.Science in China，Series B:Chemistry， 2002，45(3):319－327.

［6］WILéN B M，JINA B，LANTA P.Impact of structural characteristics on activated sludge floc stability［J］.Water Res， 2003，37:3632 －3645.

［7］楊建，李東偉，李斗，等.厭氧折流板反應器的相分離現象實驗研究［J］.重慶建筑大學學報， 2008，30(2):121－145.

［8］胡繼萃.廢水厭氧生物處理理論與技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003:30－51.

Impact of organic loading rate on the performance and pollutant removal efficiency in an ABR

LI Jian－zheng，NI Jia，ZHENG Guo－chen，TAI Xiao－hui，ZHANG Yan

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，ljz6677@163.com)

To improve the pollutant removal efficiency of anaerobic baffled reactor(ABR)，the influence of organic loading rate(OLR)on the treatment system was investigated based on adjustment of influent COD concentration and hydraulic retention time(HRT).The available volume of the ABR was 28.75 L.The results indicated that the adjustment of influent COD and HRT with the OLR ranged from 4 to 5.4 kg·m－3·d－1could make all kinds of function flora that participated the anaerobic digestion process distribute more orderly in the ABR system，and the pollutant removal efficiency and the stability of the reactor were improved effectively.A COD removal rate above 90%can be achieved in the ABR when OLR is 4 kg·m－3·d－1，the influent COD is 8 000 mg·L－1and HRT is 48 h.

anaerobic baffled reactor(ABR);removal efficiency;organic load rate(OLR);COD concentration;hydraulic retention time(HRT)

X703

A

0367－6234(2011)08－0050－05

2010－05－09.

國家高技術研究發展計劃資助項目(2006AA05Z19);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07207－005－02);哈爾濱市科技創新人才研究專項資金項目(2009RFXXS004).

李建政(1965—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 劉 彤)