折流式厌氧反应器的工艺特性及其运用

黄永恒 王建龙 文湘华 钱易
(清华大学环境科学与工程系)

1 新型厌氧反应器及新工艺理念

　　实践表明，一个成功的反应器必须是：①具备良好的截留污泥的性能，以保证拥有足够的生物量；②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。同时，研究人员基于对各类化合物厌氧降解机理研究的进展，从厌氧底物降解途径和动力学两方面入手，分析提高和保持反应器内微生物活性的可能措施，并与反应器的设计相结合，全面提高反应器的性能。
　　厌氧过程实质是一系列复杂的生化反应，其中的底物、各类中间产物、最终产物以及各种群的微生物之间相互作用，形成一个复杂的微生态系统，类似于宏观生态中的食物链关系，各类微生物间通过营养底物和代谢产物形成共生关系(symbiotic)或共营养关系(symtrophic)。因此，反应器作为提供微生物生长繁殖的微型生态系统，各类微生物的平稳生长、物质和能量流动的高效顺畅是保持该系统持续稳定的必要条件。如何培养和保持相关类微生物的平衡生长已经成为新型反应器的设计思路。
　　Lettinga教授^[1]在展望未来厌氧反应器发展动向时指出，现有的各类高效厌氧反应器中，上流式污泥床(USB)系统是最受欢迎的，也是最有发展前途的，上流式厌氧污泥床(UASB)系统在全球范围的风行可以作为例证。USB系统的一个优点是反应器内水流方向与产气上升方向相一致，一方面减少堵塞的机会，另一方面加强了对污泥床层的搅拌作用，有利于微生物与进水基质的充分接触，也有助于形成颗粒污泥。关于新型高效反应器，Lettinga在推荐膨胀颗粒污泥床反应器EGSB(Expanded Granular Sludge Bed)的同时，提出了另一个极有前途，同时也是极富挑战性的新工艺，即分阶段多相厌氧反应器技术SMPA(Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor)^[1]。
　　实际上SMPA并非特指某个反应器，而是一种新工艺思想。据称，该工艺将适用于各类温度条件，从低温(<10 ℃)直到高温(>55℃均可运行，对于各种含抑制性化合物的化工废水也能适应。?
　　SMPA的理论思路是：
　　① 在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及环境因子(pH,H₂分压值等)；?
　　② 防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合；
　　③ 各个单体内的产气互相隔开；
　　④ 工艺流程更接近于推流式，系统因而拥有更高的去除率，出水水质更好。
　　从上述的思路可以看出，SMPA的理论依据来源于对厌氧降解机理的最新理解。Lettinga指出，组成SMPA的单体反应器既可是EGSB，也可是UASB。

2 折流式厌氧反应器

　　折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor)是Bachman和McCarty等人^[2]于1982年前后提出的一种新型高效厌氧反应器，其构造如图1。

　　反应器特点是：内置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床(USB)系统，其中的污泥可以是以颗粒化形式或以絮状形式存在。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，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。
　　虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB反应器的简单串联，但工艺上与单个UASB有显著不同。UASB可近似地看作是一种完全混合式反应器，而ABR则更接近于推流式工艺。与Lettinga提出的SMPA^[3]工艺对比，可以发现ABR几乎完美地实现了该工艺的思路要点。首先，挡板构造在反应器内形成几个独立的反应室，在每个反应室内驯化培养出与该处的环境条件相适应的微生物群落。例如ABR用以处理葡萄糖为基质的废水时，第一格反应室经过一段时间的驯化，将形成以酸化菌为主的高效酸化反应区，葡萄糖在此转化为低级脂肪酸(VFA)，而其后续反应室将先后完成各类VFA到甲烷的转化。通过热力学分析可知，细菌对丙酸和丁酸降解只有在环境H₂分压较低的情况下才能进行^[4]，而有机物酸化阶段是H₂的主要来源，产甲烷阶段几乎不产生H₂。与单个UASB中酸化和产甲烷过程融合进行不同，ABR反应器有独立分隔的酸化反应室，酸化过程产生的H₂以产气形式先行排除，因此有利于后续产甲烷阶段中丙酸和丁酸的代谢过程在较低的H₂分压环境下顺利进行，避免了丙酸、丁酸过度积累所产生的抑制作用。由此可以看出，在ABR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拥有最佳的工作活性。其次，同传统好氧工艺相比，厌氧反应器的一个不足之处是系统出水水质较差，通常需要经过后续处理才能达标排放。而ABR的推流式特性可确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器的运行也更加稳定，对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的缓冲适应能力。值得指出的是，ABR推流式特点也有其不利的一面，在同等的总负荷条件下与单级的UASB相比，ABR反应器的第一格不得不承受远大于平均负荷的局部负荷。以拥有5格反应室的ABR为例，其第一格的局部负荷为其系统平均负荷的5倍。如何降低局部负荷过载的不利影响还有待于深入探讨。

3 ABR的研究现状及应用前景

　　目前关于ABR反应器的研究尚处于实验室阶段。英国的一些研究机构在反应器的工艺特性方面做了较多的研究。
　　ABR的工艺特性与其水力特性紧密相关。对于ABR的水力学特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey^[3]和天津大学的郭静^[10]研究表明：ABR反应器在没有回流和搅拌的条件下，混合效果良好，死区百分率低。反应死区可以分为生物死区和水力死区，生物死区来源于污泥所占的体积以及污泥对水力条件的改变；水力死区则可通过改善反应器构造设计而减小。在单个反应室内，水力特性接近于完全混合式，而从整体效果上看，则近似于推流式。由于ABR的水力特性较复杂，二者均未能就其流态提出一个较好的数学模型。其水力死区的计算借用了化学反应工程中反应器的流态模型，其合理性尚待进一步考证。关于ABR的工艺特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人^[2]所做。
　　据介绍，ABR反应器运行时污泥床层(常为颗粒污泥)处于流化状态，废水中基质的降解和微生物代谢产物的排除均须经由颗粒污泥表面通过扩散作用完成。试验中ABR的负荷可高达36 gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey^[5]研究了ABR的启动特性，结果表明，固定进水基质浓度而逐步缩短HRT的启动方式优于固定HRT而逐渐增大进水基质浓度的启动方式。另外，ABR对水力负荷冲击响应迅速但恢复却快于浓度负荷冲击。在高水力负荷条件下，反应器内的短流现象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey?^[6]研究了以葡萄糖为基质的ABR在稳定状态和冲击负荷情况下的运行特性，系统分析了酸化过程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中间产物在不同运行状态下沿流程的分布积累状况。与其它反应器在冲击负荷条件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的电子受体。此外，无论是在水力或是在浓度负荷冲击下，ABR均表现出良好的稳定性能，因此有可能适用于工业废水处理。S.Nachaiyasit^[7]研究了低温对ABR性能的影响，结果表明在中等负荷条件下，反应器温度由35 ℃降至25 ℃对COD去除率无明显影响，当温度进一步降至15 ℃时，反应器的效率明显下降，主要原因是低温降低了细菌的代谢速率，使VFAs的半饱和降解常数Ks增大，同时可溶性细胞代谢产物增加。此外沼气产量减少也降低了基质与微生物的接触效率，但通过合理调整工艺设计，可明显减小低温对厌氧过程的负作用。T.Setiadi等人研究了出水回流对反应器的影响，着重强调了回流比与系统中碱度及pH之间的关系。
　　此外，复合式(Hybrid)厌氧反应器，即在反应器内的适当部位增设填料也是目前的一个研究方向。复合式ABR(HABR)一般在反应器内各反应室的上部空间架设填料，一方面利用原有的无效容积增加生物总量，更重要的是由于填料的存在，夹带污泥的气泡在上升过程中与之发生碰撞，加速了污泥与气泡的分离，从而降低了污泥的流失。
　　如前所述，ABR的推流特性使其在处理对细菌有抑制或毒性的物质时具有潜在的优势，关于这方面的实验室研究目前刚刚起步。C.J.Holt等人[8]利用ABR与HABR处理含酚废水，二者都取得很好的效果，其中HABR在进水酚浓度为1 192mg/L(COD)时的去除率为95%。同济大学的雷中方等^[9]试验了用ABR处理碱法草浆黑液的可能性。清华大学的戴友芝也正在进行利用ABR降解剧毒物质氯酚的可行性研究，目前实验结果已相当不错。

4 结语

　　综上所述，ABR反应器的特点为：结构简单、效率高、处理出水好、运行稳定可靠，适用于各类中低浓度有机废水的处理。
　　ABR反应器在实际工程中进一步推广之前，仍需要进行大量的试验，结合机理分析，以便更深入地了解其工艺特性。例如，关于反应器水力特性的研究，关于反应器构造的优化设计，如分隔数的确定、下向流导流板的尺寸大小、下向流区和上向流区间的宽度比例关系等，以及关于沿程各级反应室微生物相的详细递变规律，工艺设计参数的确定等，均有待于进一步深入探讨。目前尤为缺乏的是在较大规模的中试和实际工程中的试验。

参考文献

　　1 Lettinga G,Field J，Van J.Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future.Wat Sci & Tech,35(10):5～12
　　2 Andre Bachman,Virbinia L Beard,Perry L McCarty .Performance characteristics of the anaerobic baffled reactor.Water Res,1985
　　3 Grobicki A,Stuckey D C.Hydrodynamic Characteristics of the Anaerobic Baffled Reactor.1991
　　4 Perter N Hobson,Andrew D Wheatley.Anaerobic Digestion—Modern Theory and Practice.1994
　　5 William P Barber,David C Stuckey.Startup strategies for anaerobic baffled reactors treating a synthetic sucrose feed.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997;2
　　6 Grobicki A,Stuckey D C.Performance of the anaerobic baffled reactor under steady-state and shock loading conditions.Biotech and Bioeng,1991;37:344～355
　　7 Nachaiyasit S，Stuckey D C. Effect of low temperatures on the performance of an anaerobic baffled reactor (ABR).Journal Chem Tech Biotechnol,1997;69:276～284
　　8 Holt C J,Matthew R G S,Terzis E.A comparative study using the anaerobic baffled reactor to treat a phenolic wastewater.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997;2
　　9 雷中方.用厌氧折流板反应器处理碱法草浆黑液.上海环境科学，14(5):19～22
　　10 郭静，李清雪，马华年等.ABR反应器的性能及水力特性研究?中国给水排水，1997；13(4)：17～19

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　　作者通讯处：黄永恒 100084 北京市清华大学环境科学与工程系
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