ABR反應器污泥減量化的研究

王儀超，呂順亮，許海輝，徐炎華，趙賢廣（南京工業大學環境科學與工程學院，江蘇南京211816）

ABR反應器污泥減量化的研究

王儀超，呂順亮，許海輝，徐炎華，趙賢廣
（南京工業大學環境科學與工程學院，江蘇南京211816）

采用ABR+生物接觸氧化組合工藝處理甲醇模擬廢水，通過測定COD、SVI、MLSS、MLVSS等指標，對比考察了ABR和常規厭氧反應器處理有機廢水過程中的污泥性能和減量效果。實驗結果表明：ABR與常規厭氧反應器相比，其對廢水有著更好的處理能力，且抗沖擊負荷能力更強，ABR中厭氧污泥的沉降性能更穩定。另外，ABR在穩定運行過程中的無機泥比例更高，能夠更好地實現污泥減量化，其中ABR 3#隔室以產甲烷為主的特點使其對污泥的減量化最明顯。

厭氧折流反應器；污泥特性；無機泥；污泥減量化

厭氧生物處理技術具有負荷率高、能耗低、運行成本低等特點〔1-2〕，在廢水處理中得到廣泛應用。但在采用厭氧生物處理技術處理廢水的過程中，會產生大量的剩余污泥，傳統的污泥處理與處置成本高〔3〕，能力有限，若處置不當會造成嚴重的二次污染。因此，有效減少污泥的產生，實現污泥減量化具有重要意義。

厭氧折流反應器（anaerobic baffled reactor，ABR）〔4〕作為第三代厭氧反應器，自問世以來受到廣泛關注，其對高濃度有機廢水具有很好的處理效果。在采用ABR處理廢水時，ABR上流室功能相當于一個UASB〔5〕，借助廢水的流動和氣體上升的作用，反應器中的污泥可作上下運動，由于擋板阻隔和污泥自身的沉降性能，大部分厭氧污泥能被截留在上流室中；另外，水平方向上多個隔室串聯的構造又能實現產酸相和產甲烷相的分離，實現厭氧消化的過程，也為污泥從源頭上的減量化提供了可能性。本研究對ABR處理有機廢水的效果進行了考察，同時考察了其在污泥減量方面的獨特優勢。

1　實驗部分

1.1實驗裝置

ABR和生物接觸氧化裝置示意如圖1所示。

圖1　ABR+生物接觸氧化實驗裝置

實驗中所用的反應器均用10mm厚的有機玻璃自制而成。ABR尺寸為44.2 cm×12 cm×50 cm，有效容積8.5 L，被豎直折流板分成3個隔室，第1隔室有效容積為4.5 L，第2隔室有效容積為2.5 L，第3隔室有效容積為1.5 L。每個隔室又分上流室和下流室，其長度比約為4.5∶1，折流板折角為45°，能起到緩沖水流和均勻布水的作用。每個隔室均設有取樣口、取泥口。常規厭氧反應器為單隔室反應器，有效容積為4.2 L。

生物接觸氧化反應器尺寸為17 cm×12 cm× 37.5 cm，有效容積3.5 L。生物接觸氧化反應器池底設有進水口、進氣口及排泥口，池內設有支撐板。下支撐板的作用主要是承托填料，上支撐板的作用主要是防止懸浮型的填料隨水流走。調節進氣口的進氣量可以控制進入裝置的氣體量，從而控制生物接觸氧化系統中的溶解氧含量。

1.2實驗水樣及接種污泥

實驗進水采用配制的模擬廢水，分別以甲醇、氯化銨、磷酸二氫鉀作為碳源、氮源、磷源，m（COD）∶m（NH3-N）∶m（P）=200∶5∶1。本研究中，原水中的氮和磷等營養元素均很充足，不構成污泥生長的限制性因素。將進水pH調節至7.5左右。

厭氧反應器和好氧反應器接種的污泥均為南京市某水務公司二次沉淀池的污泥。接種前先將污泥曝氣2～3 d，待恢復活性后再接種到實驗裝置中，接種污泥體積約為反應器總容積的1/3。

1.3實驗運行過程

本實驗分2個階段，連續運行65 d，第1階段為1～31 d，第2階段為32～65 d。各階段的運行條件見表1。

表1　工藝運行條件

1.4分析方法

COD采用標準重鉻酸鉀滴定法測定，MLSS、MLVSS采用重量法測定。SVI是指污泥泥水混合液靜置30min后，單位重量的污泥所占的體積數，用mL/g表示。

2　結果與討論

為考察ABR處理有機物過程中的污泥減量效果，將常規厭氧反應器（機械攪拌）作為對比研究對象，同時各自在厭氧段后面加上生物接觸氧化器作為一套完整的工藝流程。本實驗以ABR+生物接觸氧化作為工藝Ⅰ，常規厭氧反應器（機械攪拌）+生物接觸氧化作為工藝Ⅱ。

2.1不同工藝對COD的去除效果

2種工藝對廢水COD的去除效果如圖2所示。

圖2　2種工藝對廢水COD的去除效果

由圖2可知，在表1的運行條件下，工藝Ⅰ、工藝Ⅱ的COD去除率都很高，并且相差不大。ABR的COD去除率一開始就達到了80.8%，而常規厭氧反應器的COD去除率只有47.5%。運行30 d后，ABR的COD去除率穩定達到95%，比常規厭氧反應器高了17%左右。當進水COD提高到3 200mg/L左右時，進水有機負荷的提升導致常規厭氧反應器的COD去除率下降了14%左右；而ABR的COD去除率變化不大。ABR對廢水COD的總體處理效果明顯優于常規厭氧反應器。

甲醇可生化性較高、易降解，因此在厭氧階段可去除廢水中大部分的COD，剩余的有機物經過生物接觸氧化段得到進一步降解，使得工藝Ⅰ與工藝Ⅱ的COD去除率最終能穩定在97.5%以上。ABR多級分布隔室結構上的優勢可以有效地抵抗有機負荷帶來的沖擊，在高的有機負荷下，第2隔室和第3隔室可有效地起到緩沖有機負荷沖擊作用。由于ABR可實現產酸相與產甲烷相的分離，使不同種群微生物在各自適宜的環境條件下生存，顯著地提高了處理效率。所以，相比于常規厭氧反應器，ABR可以在更高的有機負荷下運行，并達到良好的處理效果。

2.2ABR各隔室對COD的去除效果

在表1的運行條件下，考察了ABR各隔室對廢水COD的去除效果，結果見圖3。

由圖3可知，在前10 d，ABR各個隔室的COD去除率都有不同程度的提升，初期階段，2#隔室的COD去除率要高于1#隔室，之后隨著1#隔室中微生物的逐漸適應，1#隔室的COD去除率進一步提高，絕大多數的有機物在1#隔室得到了降解。在第31天提高進水濃度后，有機負荷的增高導致了初期1#隔室來不及降解大量COD，COD去除率驟降到66.5%，但由于進入后面隔室的底物濃度的增多，2#、3#隔室的COD去除率隨之上升，總的COD去除率并沒有受到容積負荷太大的影響，表明了ABR分隔室的構造具有良好的抗沖擊負荷能力，后面隔室能起到很好的緩沖作用。

圖3　ABR各隔室對廢水COD的去除效果

2.3厭氧污泥SVI

在表1的運行條件下，對比考察了ABR和常規厭氧反應器SVI值的變化趨勢，結果見圖4。

圖4　ABR和常規厭氧的SVI值隨時間的變化

從圖4可以看出，在實驗初期階段，常規厭氧反應器的SVI值很高，最高時超過145mL/g，沉降性能差，有發生污泥膨脹的現象。這主要是由于啟動階段的進水有機負荷較高，此時常規厭氧反應器中的污泥抗沖擊負荷能力較弱，細菌吸附了大量有機物，來不及代謝，在胞外積貯大量高黏性的多糖物質，使得表面附著物大量增加，很難沉淀壓縮。相比之下，ABR各隔室的污泥容積指數變化幅度明顯小得多，且ABR的SVI值在初期遠低于常規厭氧反應器，說明ABR的污泥有很好的凝聚性和沉降性。ABR分隔室的特點利于形成各自獨立優勢菌群，菌種之間能各司其職，有利于維持系統生物態的穩定，因而提高負荷并不會對ABR的SVI值帶來明顯變化。ABR各隔室污泥的體積指數隨水流方向呈上升趨勢，其原因是前面隔室的營養物質充足，顆粒污泥能得到很好的生長，提高了污泥的凝聚能力，因此1#隔室的SVI值最低。而常規厭氧反應器由于需要機械攪拌來保證泥水混合均勻，容易造成污泥松散和顆粒破裂，較難培養出粒徑大、具有良好沉降性能的污泥。

3　污泥減量研究分析

ABR和常規厭氧反應器在運行過程中難免會有污泥隨出水流向后面的生物接觸氧化反應器；另外，由于實驗室條件有限，實驗過程中難以準確有效地測定出各工藝厭氧段的污泥流失量。故選取運行穩定之后的生化系統作為研究對象，對比研究ABR和常規厭氧反應器在處理廢水過程中的污泥減量效果。由圖2可知，ABR和常規厭氧反應器在運行了50 d后都達到了平穩運行的狀態。運行穩定后，對ABR和常規厭氧反應器中的MLSS、MLVSS進行了測定（多次測量，取平均值），結果見表2。

表2　運行穩定后反應器處理廢水的污泥減量效果

由表2可知，常規厭氧反應器中的MLVSS/ MLSS值要高于ABR各個隔室，說明污泥中揮發性有機質比例相對較高，但其COD去除率卻比ABR低了6.5%。這是因為常規厭氧反應器為單一隔室，各菌種混合生長，生存環境不穩定，一定程度上會影響有機物的去除效果。而ABR分隔室的構造可以讓各隔室內底物條件不同，從而可很好地實現產酸菌和產甲烷菌的分相功能。一般認為兩相厭氧工藝通過產酸相和產甲烷相的分離，兩大類厭氧菌群可以各自生長在最適宜的環境條件下，這樣有利于充分發揮厭氧菌群的活性，提高系統的處理效果和運行穩定性〔6〕，另外，兩相工藝中產酸菌和產甲烷菌的活性要分別比單相運行工藝高出4倍〔7〕，并可使不同微生物種群在各自合適的條件下生存。因此，雖然常規厭氧反應器中揮發性有機物較多，但其對有機物的降解能力反而弱于ABR。

由表2還可以看出，ABR中的無機泥比例要高于常規厭氧反應器，表明ABR中有更多的活性污泥發生著自我降解，其中無機泥比例最高的為3#隔室，達到了48.0%。與常規厭氧反應器相比，多降解生成的無機泥占到常規厭氧反應器中無機泥的54.8%，說明ABR能夠更好地實現污泥減量化。ABR 3個隔室中的無機泥比例由大到小依次為3#隔室>2#隔室>1#隔室，3#隔室以產甲烷為主，甲烷化的進行能夠將有機物轉化生成CH4和CO2，從而能夠很好地實現污泥消解?？梢?，ABR中產酸菌和產甲烷菌的分離有助于更好地實現污泥的減量化。

4　厭氧污泥的表觀特征

對ABR和常規厭氧反應器中的厭氧污泥進行了SEM表征，結果見圖5。

圖5　ABR和常規厭氧反應器中污泥表面細菌形態

SEM表征結果表明，顆粒污泥表面都存在縫隙和孔洞，這些孔隙一方面能夠使營養物質進入顆粒污泥內部，促進其生長，另外也是微生物代謝廢棄物的通道，以及產生氣體的釋放渠道〔8〕。ABR 1#隔室污泥表面以桿狀菌居多，主要是以利用氫的產甲烷短桿菌為主，屬于專性厭氧微生物；2#隔室局部仍有桿狀菌，但數量明顯比前面隔室少，并開始出現一定數量甲烷球菌；3#隔室則明顯以甲烷八疊球菌占絕對的優勢。常規厭氧反應器污泥表面也可以觀察到圓球狀的產甲烷菌，但優勢菌種并不明顯。ABR的特殊結構使得不同的厭氧微生物菌種能夠在不同隔室生長，反應器前端以產甲烷短桿菌為優勢菌，后面的隔室則以甲烷八疊球菌為優勢菌。分析原因可能是前面隔室揮發性脂肪酸（VFAs）濃度高，氫濃度很高，產甲烷短桿菌能從氧化H2的過程中獲得代謝所需的能量〔9〕，到后面隔室VFA在產氫產乙酸菌的作用下能夠很好地轉化成乙酸，而甲烷八疊球菌比短桿菌對乙酸的親和力高〔10〕，且專屬性更強，因此甲烷八疊球菌更多地出現在后面隔室，同時也體現了ABR能實現產酸相和產甲烷相分離的特點〔11〕。

5　結論

分別采用ABR+生物接觸氧化（工藝Ⅰ）、常規厭氧反應器（機械攪拌）+生物接觸氧化（工藝Ⅱ）的組合工藝處理甲醇模擬廢水，通過測定COD、SVI、MLSS、MLVSS等指標，對比考察了ABR和常規厭氧反應器處理有機廢水過程中的污泥性能和減量效果。結果表明：

（1）工藝Ⅰ、工藝Ⅱ對廢水COD都有非常高的去除率，穩定后都能達到97.5%以上。ABR對COD的去除效果優于常規厭氧反應器，且ABR的耐沖擊負荷能力明顯更強。ABR降解有機物的過程主要發生在1#隔室，后面的隔室可以起到很好的緩沖作用。

（2）在處理廢水的過程中，ABR各隔室的SVI值波動較小，且SVI值沿流程方向逐漸減小。另外，ABR中污泥的凝聚性和沉降性能都優于常規厭氧反應器。

（3）穩定運行時，ABR中的無機泥比例要高于常規厭氧反應器，表明ABR在污泥減量方面優于常規厭氧反應器；同時ABR 3#隔室中的無機泥比例最高，說明ABR產甲烷過程比產酸過程的污泥減量化效果更明顯。

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Study on the sludge reduction ofABR reactor

Wang Yichao，LüShunliang，Xu Haihui，Xu Yanhua，Zhao Xianguang
（College of Environmental Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

The combined process，ABR-biological contactoxidation，has been used for treating simulatedmethanol wastewater.Through determining the indexes，such asCOD，SVI，MLSS，MLVSS，etc.，the sludge characteristics and reduction effectof ABR reactor and conventional anaerobic reactor in the process of treating organic wastewater are contrasted and investigated.The experimental resultsshow thatcontrasted with conventionalanaerobic reactor，ABR hasbetter treatment capacity forwastewater，and stronger stock resistance load capacity.The settleability of anaerobic sludge in ABR ismore stable.In addition，the inorganic sludge proportion of ABR in the stably running process is higher，being able to achieve better sludge reduction，in which the sludge reduction resulted from themain characteristicsofmethane-production in the third compartmentof ABR is themostobvious.

anaerobic baffled reactor；characteristicsofsludge；inorganic sludge；reduction ofsludge

X703

A

1005-829X（2016）10-0032-05

王儀超（1990—），碩士研究生。E-mail：1158820690@ qq.com。

2016-08-08（修改稿）