1 厭氧折流板反應(yīng)器及其理論研究

　　厭氧反應(yīng)器經(jīng)歷了三代發(fā)展[1]：第一代反應(yīng)器，廢水 與厭氧污泥完全混合，以普通厭氧消化池為代表;第二代反應(yīng)器，可以將固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分離，注重培養(yǎng)顆粒污泥，代表反應(yīng)器有上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB);第三代反應(yīng)器，在固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間相分離的前提下，既能保有大量污泥又能使廢水和活性污泥充分混合[2]。厭氧折流板式反應(yīng)器(ABR)屬于第三代厭氧反應(yīng)器，是20世紀(jì)80年代初由美國學(xué)者P. L. McCarty所開發(fā)的。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置了垂直于水流方向的導(dǎo)流板，可將整個(gè)反應(yīng)器分隔為幾個(gè)反應(yīng)室，廢水由導(dǎo)流板引導(dǎo)上下折流依次通過各個(gè)格室，每個(gè)格室又是相對獨(dú)立的上流式污泥床系統(tǒng)。

　　與此同時(shí)，厭氧消化兩階段理論演變?yōu)槿A段理論，兩階段理論把厭氧消化過程分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵過程，而三階段理論則由水解、酸化和產(chǎn)甲烷階段組成。目前，三階段理論被認(rèn)為是研究厭氧消化方面的主要依據(jù)。參與三階段厭氧消化菌群的相關(guān)理論被歸納為四菌群學(xué)說，在第一階段由水解菌、發(fā)酵菌將大分子的有機(jī)物分解為簡單的小分子有機(jī)物，如纖維素水解為小分子糖類，蛋白質(zhì)水解為氨基酸，脂肪水解為脂肪酸和甘油。第二階段中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和同型產(chǎn)乙酸菌將第一階段的水解產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、CO2和H2 等小分子物質(zhì)。在第三階段中產(chǎn)甲烷菌則利用前面兩個(gè)階段的產(chǎn)物將有機(jī)物降解為甲烷和二氧化碳?xì)怏w等。厭氧消化理論的發(fā)展引導(dǎo)了厭氧反應(yīng)器的研究和進(jìn)展方向。

　　2 研究現(xiàn)狀

　　ABR是新型高效的厭氧處理工藝，它具有工藝簡單、操作方便、經(jīng)濟(jì)成本較低以及處理效能較高等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于多種廢水的處理。

　　2.1 ABR結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化

　　厭氧折流板反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)域被創(chuàng)造性地分隔為上流室與下流室，很多學(xué)者將ABR看作是多個(gè)連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)串聯(lián)組成的，這種特殊的折板型結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的污泥保有量。很多研究者就如何優(yōu)化ABR的結(jié)構(gòu)做了廣泛研究。

　　ABR的最初結(jié)構(gòu)是由K. F. Fannin等[3]將豎向?qū)Я靼逄砑拥酵屏魇椒磻?yīng)器中得到的，研究結(jié)果表明，這樣的改變可以提高反應(yīng)器截留污泥的能力，提高厭氧處理的效率。P. Y. Yang等[4]提出了水平折板式厭氧反應(yīng)器(Horizontally Baffled Anaerobic Reactor，HBAR)，HBAR可以有效地實(shí)現(xiàn)固、液兩相分離并且具有占地面積小、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　用ABR處理廢水時(shí)，由于上升的水流會將污泥帶出，使生物量減少，在一定程度上影響出水水質(zhì)，因此A. Tilehe等[5]對ABR做了較大的改動，首先在反應(yīng)器的末端增加沉降室來循環(huán)利用沉積于此的污泥;其次在各個(gè)格室上端附加填料可以有效地固定污泥防止其流失;最后對每個(gè)格室產(chǎn)生的氣體進(jìn)行單獨(dú)收集。基于污泥量的流失，為保證反應(yīng)器內(nèi)能夠保留足量的污泥，1991年R. Boopathy等[6]對兩格室ABR結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，將反應(yīng)器一、二格室的體積比設(shè)計(jì)為2∶1。

　　多年來，各國學(xué)者所研究的ABR其形狀多為長方體，而1998年I. V. Skiadas等[7]設(shè)計(jì)的周期性折流式厭氧反應(yīng)器(PABR)由兩個(gè)同軸圓柱體組成，兩個(gè)圓柱之間的圓環(huán)體被豎向?qū)Я靼宸指魹槿舾蓚€(gè)扇形的格室，PABR結(jié)構(gòu)與大多數(shù)ABR完全不同。

　　2002年S. Uyanik等[8]提出分隔室進(jìn)水厭氧折流板反應(yīng)器(SFABR)，改進(jìn)后各個(gè)格室按一定比例的流量同時(shí)進(jìn)水，他們認(rèn)為這樣的進(jìn)水方式可以解決傳統(tǒng)的單側(cè)進(jìn)水方式導(dǎo)致的反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的高低差異。

　　2.2 ABR的啟動方式

　　實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)器能否快速成功啟動是關(guān)乎整個(gè)實(shí)驗(yàn)成敗的決定性條件，影響啟動成功的因素包括了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素、接種污泥中微生物的活性和總量、COD容積負(fù)荷、水力停留時(shí)間等。

　　1995年S. Nachaiyasit等[9]率先采用了固定進(jìn)水COD再逐步減小HRT的方法研究了ABR的運(yùn)行效能，但由于沒能及時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)致使反應(yīng)器發(fā)生了過度酸化，最終啟動失敗。W. P. Barber等[10]則通過對比研究兩種啟動方式(COD固定，HRT逐漸減少;HRT固定，COD逐漸增加)，得出了固定進(jìn)水COD的啟動方式在COD去除率、運(yùn)行的穩(wěn)定性以及保持污泥衡量等方面均具有較大優(yōu)勢。

　　就不同格室數(shù)的ABR同時(shí)啟動的性能差別，何仕均等[11]同時(shí)研究了三格室和五格室ABR的啟動。結(jié)果表明，兩種反應(yīng)器表現(xiàn)出相似的處理效能。同時(shí)何仕均等研究啟動投加填料復(fù)合式反應(yīng)器，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，很明顯這種復(fù)合式反應(yīng)器相較于普通厭氧折流板反應(yīng)器啟動成功所需時(shí)間更短。

　　林英姿等[12]通過研究采用好氧預(yù)掛膜法和低負(fù)荷啟動法兩種不同的啟動方法實(shí)現(xiàn)ABR的啟動。最終得出好氧預(yù)掛膜啟動法的啟動時(shí)間短、COD去除率高且pH 穩(wěn)定、顆粒狀污泥生長情況較好的結(jié)論，說明這是一種可推廣的啟動方法。

　　2.3 ABR中微生物演替的研究

　　從生態(tài)學(xué)方面來看，試驗(yàn)研究中不同的操作條件以及進(jìn)水中有機(jī)物濃度、沿程pH和氧化還原電位(ORP)的變化等因素影響了系統(tǒng)內(nèi)部微生物的代謝生長，微生物群落會逐步在各個(gè)格室形成優(yōu)勢菌群，但優(yōu)勢菌群間不是絕對的獨(dú)立，各格室之間有重疊部分。微生物在生態(tài)位上的分離與重疊正是ABR所獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，這樣可以保證有機(jī)物在反應(yīng)器中充分降解，不同格室所獲得降解產(chǎn)物最終不同。

　　ABR前面格室中有機(jī)負(fù)荷高、營養(yǎng)豐富，利于各種菌種的繁殖。李清雪等[13]利用電鏡掃描了污泥包含的微生物的形態(tài)，每個(gè)格室中存在短桿菌、長桿菌、弧菌、球菌和絲狀菌，前面格室內(nèi)的菌種含有較少產(chǎn)甲烷絲狀菌和桿菌以及產(chǎn)甲烷八疊球菌，越靠后的格室中產(chǎn)甲烷八疊球菌所占比例越大。

　　K. G. V. T. Gopala等[14]通過掃描電鏡觀察八格室ABR污泥微生物的形態(tài)時(shí)觀察到較多的產(chǎn)甲烷球菌，球菌的形態(tài)有大有小，第一格室至第八格室中均存在微小的球菌，但是從第五格室起較大形態(tài)的球菌數(shù)量逐漸增多，并且出現(xiàn)了竹節(jié)狀菌群。通過掃描電鏡可以清楚地鑒別微生物群落的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及分布。

　　鄧遵等[15]在ABR的研究中發(fā)現(xiàn)，出水回流不僅提高了反應(yīng)器內(nèi)微生物種群的多樣性還使得微生物種群更加穩(wěn)定，與不回流反應(yīng)器相比，真菌的豐度約高出8.5%，古細(xì)菌則高出4.5%，而產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和耗氫產(chǎn)乙酸菌的豐度相對不回流反應(yīng)器也有一定比例的增高。

　　Jianfen Peng等[16]根據(jù)啟動五格室的ABR的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微生物群落在前面兩個(gè)格室產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌是優(yōu)勢菌群，分別占19.7%和8.3%，而在ABR后面格室中古菌屬的產(chǎn)甲烷菌占有重要比率，同時(shí)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和耗氫產(chǎn)乙酸菌所占比例則分別下降到6.6%和4.8%。

　　2.4 ABR處理不同類型污廢水的研究

　　表1對比了ABR對不同工業(yè)廢水的處理效果。

　　2.5 ABR處理人工模擬廢水的效能

　　李剛[25]研究了ABR在保持COD不變而調(diào)節(jié)進(jìn)水流量條件下的處理效能，設(shè)計(jì)了七格室和八格室兩個(gè)不同的ABR，得出兩個(gè)反應(yīng)器的COD去除率都達(dá)到90%以上，但八格室反應(yīng)器處理效果略高于七格室的。加大反應(yīng)器容積條件就是加強(qiáng)活性污泥與廢水間傳質(zhì)，所以處理效果更加理想。

　　在李清雪等[13]的研究中，當(dāng)進(jìn)水COD為7 000 mg/L時(shí)，COD去除率可達(dá)95.25%;提高COD至8 000 mg/L，COD的去除率相對有所升高，大約為98.5%;而將COD提高至9 000 mg/L時(shí)，COD的去除率下降至80.2%。由此可知水力負(fù)荷保持在1.0～1.5 m3/(m3·d)左右最佳，太高的有機(jī)負(fù)荷不利于反應(yīng)器的運(yùn)行。而后，他們又利用ABR處理人工配制的含有硫酸鹽的高濃度有機(jī)廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用ABR處理含有硫酸鹽的廢水，調(diào)節(jié)COD/SO42-的比值能有效解決MPB與SRB之間的抑制影響，也是使各菌群發(fā)揮最大優(yōu)勢的直接方法。

　　王磊[26]同時(shí)運(yùn)行2個(gè)ABR，將聚丙烯酰胺和膨潤土的混合液添加到厭氧污泥中并接種到一個(gè)反應(yīng)器中，而另一個(gè)只接種厭氧污泥。研究證實(shí)了在ABR中添加聚丙烯酰胺和膨潤土對于顆粒污泥的形成起促進(jìn)作用，并最終提高了反應(yīng)器運(yùn)行效果。

　　M. S. Khabbaz[27]研究得出了在序批式條件下循環(huán)流對ABR處理效能的影響，即水流上流速度為35 cm/min是ABR中生物氣產(chǎn)量和COD去除率均達(dá)到最佳狀態(tài)的條件，這個(gè)上流速度也是設(shè)計(jì)和操控反應(yīng)器的最適值。

　　為研究出水回流對ABR抗酸化性能的影響，鄧遵等[15]利用ABR處理模擬廢水，常溫下以高負(fù)荷方式啟動反應(yīng)器。研究發(fā)現(xiàn)，雖然回流對于反應(yīng)器去除COD的效果沒較大的影響，但整個(gè)系統(tǒng)的pH相比之前更加穩(wěn)定，VFA的累積量相對降低。提高反應(yīng)器的抗酸化性能對于高負(fù)荷條件下ABR的穩(wěn)定運(yùn)作起關(guān)鍵作用。

　　Tingting Wu等[28]進(jìn)行了聯(lián)合ABR—MEC耦合降解高濃度有機(jī)廢水的研究，在克服了發(fā)酵產(chǎn)氫障礙的同時(shí)成功降解了廢水中的有機(jī)物。

　　3 結(jié)語與展望

　　ABR具有以下優(yōu)點(diǎn)：良好的固體生物截留能力，使得各格室中的微生物種群擁有最佳的工作活性;耐沖擊負(fù)荷，對毒性物質(zhì)有更好的緩沖適應(yīng)能力，擁有較優(yōu)的出水水質(zhì);易操作管理。雖然ABR可以廣泛處理多種類型的廢水，但對于成分復(fù)雜或含有毒性物質(zhì)的廢水在處理方面依舊存在不足，所以該反應(yīng)器沒有大范圍推廣。ABR處理容積負(fù)荷較高的廢水時(shí)，第一格室酸化程度嚴(yán)重，而最后一個(gè)格室則出現(xiàn)廢水COD較低且僅足以維持微生物正常生長的情況，廢水的處理效果不明顯，出水水質(zhì)很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn);在厭氧環(huán)境下微生物自身增殖緩慢導(dǎo)致世代周期過長，ABR啟動時(shí)間較長;ABR沒有攪拌裝置，反應(yīng)器內(nèi)存在的生物死區(qū)和水力死區(qū)也是影響處理效果的因素之一。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　為了提高ABR實(shí)用性、系統(tǒng)穩(wěn)定性，建議未來的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面：首先，ABR結(jié)構(gòu)依然存在缺陷，增置回流結(jié)構(gòu)以及添加不同類型填料來改良反應(yīng)器，以提高處理過程中的傳質(zhì)效率;其次，ABR啟動時(shí)間相對較長，選擇合適的接種污泥以及高效的啟動方式以縮短啟動反應(yīng)器所花費(fèi)的時(shí)間;第三，ABR處理各種成分復(fù)雜的廢水存在問題，因此可結(jié)合其他工藝同步參與處理過程，以提高處理效率。

　　為了準(zhǔn)確評估ABR運(yùn)行中的經(jīng)濟(jì)因素，還應(yīng)對反應(yīng)器維持正常運(yùn)行所添加的堿度和保溫設(shè)備等使用情況精確計(jì)算。