工艺技术 解析：厌氧折流板反应器[ABR]的原理及发展

随着工业的飞速发展和人口的不断增加，能源，资源和环境等问题日趋严重，近30年来，能源的短缺变的突出。采用传统的好氧生物处理方法处理废水要消耗大量能源，发达国家用于废水的能耗已占到了全国总电耗的1%左右。废水好氧生物处理方法的实质是利用电能的消耗型来达到改善废水品质使其符合水域环境质量要求的一种技术措施。所以，废水好氧生物处理是耗能型的废水处理技术。在众多的废水生物处理工艺中，人们又重新认识采用厌氧生物处理工艺处理有机废水和有机废物技术。


1、废水厌氧生物处理概述

1．1厌氧消化的基本原理

有机物厌氧消化产甲烷过程是一个非常复杂的由多种微生物共同作用的生化过程。M.P.Bryany（1979）根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了三阶段理论。

第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌孢外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类；蛋白质转化成较简单的氨基酸；脂类转化成脂肪酸和甘油等。参与这个阶段的水解发酵菌重要是厌氧菌和兼性厌氧菌。

第二阶段为产氢蚕乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以为的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸，和醇类等转化成乙酸和兼性厌氧菌。

第三阶段为产甲烷阶段。在高阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2、和CO2等转化为甲烷。

1.2厌氧处理工艺的发展概况

废水厌氧生物处理技术发展至今，已有120多年的了。早在1860年法国人LouisMouras把简易沉淀池改进为污水污泥处理构筑物使用。

1890年，Scoot-Moncereff第一个初步的厌氧滤池建造了一个底部空，上边铺一层石子的消化池。这也是第一个初步的厌氧滤池。

1899年Harry W.Clark设计了一个分离的消化器，先把污水沉淀后在厌氧发酵。

1956年Schroefer等人开发成功了厌氧接触法。标志着现代废水厌氧生物工艺的诞生。

1970年Wageningen农业大学的G.lettinga等人成功的开发了升流式厌氧污泥层（UASB）。该反应器具有很高的处理效能，获得广泛应用，对废水厌氧生物处理具有划时代的意义。

1982年McCarty等人认为厌氧生物转盘的转动与否对处理效果影响不大，与是开发了厌氧折流板反应器（ABR）。

这些新颖厌氧处理工艺的不断被开发出来，打破了过去认为厌氧处理工艺处理效能低，需要较高温度、较高废水浓度和较长停留时间的传统观念，厌氧处理是高效能的，可适应不同的温度和不同浓度。

本文将对McCarty等人开发的厌氧折流板反应器详细阐述。

2、ABR反应器

2.1 ABR反应器的工作原理及特点

ABR反应器是由美国Sstanford大学的McCarty等人[2,3]于80年初提出的一种高效新型厌氧反应器.如图1所示,ABR反应器内设置若干竖向导流板,将反应器分隔成串联的几个反应室,每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床系统(简称USB),废水进入反应器后沿导流板上下折流前进,依次通过每个反应室的污泥床,废水中的有机基质通过与微生物充分的接触而得到去除[4]。借助于废水流动和沼气上升的作用,反应室中的污泥上下运动,但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能,污泥在水平方向的流速极其缓慢,从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中[5,6]。由此可见,虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB的简单串联,但在工艺上与单个UASB有着显著的不同,ABR更接近于推流式工艺[4]。ABR反应器独特的分格式结构及推流式流态使得每个反应室中可以驯化培养出与流至该反应室中的污水水质、环境条件相适应的微生物群落[4,6],从而导致厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到分离,使ＡＢＲ反应器在整体性能上相当于一个两相厌氧处理系统[5]。一般认为,两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的分离,两大类厌氧菌群可以各自生长在最适宜的环境条件下,有利于充分发挥厌氧菌群的活性,提高系统的处理效果和运行的稳定性[7]。Letting教授在预测未来厌氧反应器的发展动向时提出了一个极具潜力和挑战性的新工艺思想,即分阶段多相厌氧工艺(简称SMPA)。




清华大学的黄永恒认真比较分析了SMPA工艺和ABR反应器的性能特点,认为ABR反应器完美的实现了SMPA工艺的思想要点,是一种很有发展前途的高效厌氧反应器。总的来说,ABR反应器具有构造简单、能耗低、抗冲击负荷能力强、处理效率高等一系列优点[5,8,9]。当然,ABR反应器也有其不利的方面。首先,为了保证一定的水流和产气上升速度,ABRR反应器不能太深。其次,进水如何均匀分布也是一个问题[10]。再有,与单级UASB反应器相比,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,这可能会导致处理效率的下降[4]。

2.2 开发ABR工艺的理论基础

微生态系统理论厌氧处理实际上是借助于不同微生物种群间的协同作用并通过水解酸化(产酸及产乙酸)产甲烷等一系列生物反应将有机无底物转化为无机物的过程(图2)。在此过程中,不仅各类型的微生物对环境条件的要求不同,而且它们通过对不同底物的利用而形成类似于生态系统中的食物链的营养关系,即微生态系统。因而,为使厌氧处理系统持续稳定的运行,需创造适合于不同微生物种群生长的环境条件,使反应过程中物质的转化及能量的流动顺利地进行。因而,两相及多相厌氧反应器(SMPAR,可由一个反应器或多个反应器串联实现,因而它并非特指某个反应器)技术的研究已成为开发新型厌氧反应器技术的生态学基础。

第二阶段为产氢蚕乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以为的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸，和醇类等转化成乙酸和兼性厌氧菌。

第三阶段为产甲烷阶段。在高阶段中，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2、和CO2等转化为甲烷。

1.2厌氧处理工艺的发展概况

废水厌氧生物处理技术发展至今，已有120多年的了。早在1860年法国人LouisMouras把简易沉淀池改进为污水污泥处理构筑物使用。

1890年，Scoot-Moncereff第一个初步的厌氧滤池建造了一个底部空，上边铺一层石子的消化池。这也是第一个初步的厌氧滤池。

1899年Harry W.Clark设计了一个分离的消化器，先把污水沉淀后在厌氧发酵。

1956年Schroefer等人开发成功了厌氧接触法。标志着现代废水厌氧生物工艺的诞生。

1970年Wageningen农业大学的G.lettinga等人成功的开发了升流式厌氧污泥层（UASB）。该反应器具有很高的处理效能，获得广泛应用，对废水厌氧生物处理具有划时代的意义。

1982年McCarty等人认为厌氧生物转盘的转动与否对处理效果影响不大，与是开发了厌氧折流板反应器（ABR）。

这些新颖厌氧处理工艺的不断被开发出来，打破了过去认为厌氧处理工艺处理效能低，需要较高温度、较高废水浓度和较长停留时间的传统观念，厌氧处理是高效能的，可适应不同的温度和不同浓度。

本文将对McCarty等人开发的厌氧折流板反应器详细阐述。

2、ABR反应器

2.1 ABR反应器的工作原理及特点

ABR反应器是由美国Sstanford大学的McCarty等人[2,3]于80年初提出的一种高效新型厌氧反应器.如图1所示,ABR反应器内设置若干竖向导流板,将反应器分隔成串联的几个反应室,每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床系统(简称USB),废水进入反应器后沿导流板上下折流前进,依次通过每个反应室的污泥床,废水中的有机基质通过与微生物充分的接触而得到去除[4]。借助于废水流动和沼气上升的作用,反应室中的污泥上下运动,但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能,污泥在水平方向的流速极其缓慢,从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中[5,6]。由此可见,虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB的简单串联,但在工艺上与单个UASB有着显著的不同,ABR更接近于推流式工艺[4]。ABR反应器独特的分格式结构及推流式流态使得每个反应室中可以驯化培养出与流至该反应室中的污水水质、环境条件相适应的微生物群落[4,6],从而导致厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到分离,使ＡＢＲ反应器在整体性能上相当于一个两相厌氧处理系统[5]。一般认为,两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的分离,两大类厌氧菌群可以各自生长在最适宜的环境条件下,有利于充分发挥厌氧菌群的活性,提高系统的处理效果和运行的稳定性[7]。Letting教授在预测未来厌氧反应器的发展动向时提出了一个极具潜力和挑战性的新工艺思想,即分阶段多相厌氧工艺(简称SMPA)。




2.3 ABR反应器的类型

ABR反应器自从80年代初诞生以来,科研人员为了进一步提高它的性能或者处理某些特别难降解的废水,对它进行了不同形式的优化改造。各种形式的ABR反应器见图2。

ABR反应器自从80年代初诞生以来,科研人员为了进一步提高它的性能或者处理某些特别难降解的废水,对它进行了不同形式的优化改造.各种形式的ABR反应器见图2。1981年, Fannin等人[11]为了提高推流式反应器截留产甲烷菌群的能力,在推流式反应器中增加了一些竖向挡板,从而得到了ABR反应器的最初形式(图2(B)).结果表明,增加了挡板后,在COD容积负荷PT=1.6kg\m-3d-1的条件下,产气中甲烷的含量由30%提高到了55%。Bachmann和McCary[2]研究了图2(A)所示反应器的性能。 Bachmann等人分别研究了减少降流区宽度及导流板增加折角对反应器性能的影响。研究发现,虽然经过改造后,其处理效率和甲烷的产率都得到了提高,但是产生的沼气中甲烷的含量却减少了。一般认为,减少降流区宽度可以使更多的微生物集中到主反应区-升流区内,而导流板增加折角可以使水流流向升流区的中心部分,从而增加水力搅拌作用。






为了提高细胞平均停留时间以有效的处理高浓度废水, Tilche和Yang等人[12]于1987年对ABR反应器做了较大的改动(图2(Ｃ)),主要体现在:1.最后一格反应室后增加了一个沉降室,流出反应器的污泥可以沉积于此,再被循环利用;2.在每格反应室顶部加入复合填料,防止污泥的流失;3.气体被分格单独收集,便于分别研究每格反应室的工作情况,同时也保证产酸阶段所产生的H2不会影响产甲烷菌的活性。 Boopathy和Sieber[13]在利用ABR反应器处理养猪场废水时,为了降低水流的上升速度,从而减少污泥的流失,设计了一种两格的ABR反应器(图2(D)),其第一格的体积是第二格的两倍。第一格体积的增大不仅可以减少水流的上升速度,而且还可以使进水中的悬浮物尽可能多的沉积于此,增加了悬浮物的停留时间。Boopathy将这种经过改造的ABR反应器与另一种等体积的三格ABR反应器进行了对比研究。结果表明,改造后的两格ABR反应器的污泥流失量大大减少,但处理效率却不升反降。

水平折板式厌氧反应器是由Yang和Chou[14]于1985年提出的一种新型ABR反应器(图2(Ｅ))。Yang等人对水平折板式厌氧反应器处理养猪场废水进行了研究。研究发现,此种反应器可以有效的实现固液两相的分离并且具有占地面积小、操作简单、成本低等特点,适合处理养猪场废水这类悬浮固体浓度高的有机废水。最新型的ABR反应器是由Skiadas和Lyberatos[15]于1998年开发出的周期性折流式厌氧反应器(简称PABR)。PABR的结构见图2(F)所示(图2(F)-a为PABR的三维轴测图,图2(F)-b为PABR的俯视图)。PABR由两个同轴圆柱体构成,内外圆柱体之间的圆环体区域被竖向导流板分隔成若干横截面为扇形的封闭式反应区(俯视图中两条粗黑线所夹的扇形区域),每个反应区由底部连通的升流区(⊙)和降流区(×○)组成,相邻的区域通过外部的配水管相连。下面将结合图2(F)说明ＰABR的工作情况。若区域A为进水区,区域D为出水区,则阀门1、3、6、9、11开启,2、4、5、7、8、10、12关闭,进水先由1进入区域Ａ的降流区,再从底部进入区域B的升流区,出来后流经3进入区域B,再依次经由6、C、9、D,最后从11流出。若区域B为进水区,则区域A为出水区,阀门4、6、9、12、2开启,阀门5、7、8、10、11、1、3关闭,水流经过的路线可同理得出。PABR实际工作时,通过周期性的切换各阀门的启和闭,则A、B、C、D四个区域交替作为进水区和出水区。在一个操作周期T内,若反应区数为N,则每个反应区作为进水区和出水区得时间分别为T/N。考虑两个极端情况。若操作周期Ｔ为无穷大(不切换),则PABR就是一个普通的ABR反应器;若操作周期Ｔ为0(极其频繁的切换),则PABR变成了一个UASB反应器。因此,Skiadas等人认为PABR最大优点是它的操作灵活性,即可以根据进水浓度和流量的变化来选择不同的操作周期,使PABR工作在最适合的状态下,以达到最佳的处理效果。不同形式的ABR反应器极大的丰富了ABR研究的内容,实际研究工作时可以根据各自的需要选择合适的ABR反应器。

2.4 ABR反应器特点

2.4.1 ABR反应器的水力特性

反应器的水力特性及其内部的混合程度决定着废水中基质与反应器中微生物的接触情况,从而影响整个反应器的处理效果。不同的研究成果均说明了ABR反应器具有良好的水利条件及较低的死区百分率。Grobick和Stuchey[16]利用示踪响应方法研究了不同水力停留时间、不同污泥浓度、不同分格数的ABR反应器的水力特性和死区百分率。结果表明,在清水条件下ABR反应器的死区百分率(水力死区)非常低,通常在1%～18%范围内;实际运行条件下,ABR反应器死区百分率(水力死区+生物死区)的范围在5%～20%之间。实际运行时,反应器的死区空间可以分为水力死区和生物死区。水力死区随着水力停留时间及反应器结构的不同而变化, 水力停留时间减少则水力死区增加。生物死区与污泥浓度、气体产率及水力停留时间有关。水力停留时间减少则生物死区也随之减少。水力死区和生物死区随水力停留时间相反的变化关系表明:死区百分率与水力停留时间无明显的相关关系。 Grobick等人认为ABR反应器可以看作一系列串联的完全混合反应器(CSTRｓ)的组合,并且各级之间基本不存在返混现象。在单个反应室内,ABR的水力特性接近于完全混合式,但从整体上看则近似于推流式,且分格数越多,ABR的水力特性越接近于推流式。

天津大学的郭静等人[17]在污泥浓度为定值时测定了ABR反应器在不同水力停留时间下的水力特性。结果表明,随着水力停留时间的减少,ABR内的死区百分率也随之减少。郭静等认为这主要是生物死区减少的结果。通过对离散数D/μL的计算,得出下列结论:ABR反应器介于理想推流式和完全混合式之间,且随着水力停留时间的增大,离散数减小,ABR向理想推流式过渡。郭静等人的结果与Grobick等人[16]的结果有矛盾的地方。清华大学的黄永恒[18]对ABR的水力特性进行了较为系统的研究。黄永恒认为Levenspiel方法不适于定量计算ABR反应器的死区百分率,但Levenspiel方法可作为一种定性的方法来反映ABR反应器死区百分率的相对大小。黄永恒还用数值方法完成了CSTRｓ模型、近似推流模型G和模型D以及Levenspiel模型的液龄分布分析,指出近似推流模型G可以较好的模拟ABR反应器在实际运行状态下的流态。目前关于ABR反应器水力特性的研究还远远不够,一些很重要的因素还没有被考虑进去,如产气速率的影响、污泥颗粒大小的影响以及由于细胞外部聚合物的生成而带来的粘度的影响等。

2.4.2 良好的微生物种群分布

ABR反应器中不同隔室内的厌氧微生物易呈现出良好的种群分布和处理功能的配合,不同隔室中生长适应流入该隔室废水水质的优势微生物种群,从而有利于形成良好的微生态系统。例如,在位于反应器前端的隔室中,主要以水解和产酸菌为主(McCarty和Nachaiyasit的研究表明,在ABR的第一个隔室中以产丁酸菌为主),而在较后的隔室中则以甲烷菌为主。其中随隔室的推移,由甲烷八叠球菌为优势种群逐渐向甲烷丝菌属、异养甲烷菌和脱硫弧菌属等转变。这种微生物种群的逐室变化,使优势种群得以良好地生长,并使废水中污染物得到逐级转化并在各司其职的微生物种群作用下得到稳定的降解。笔者利用ABR反应器处理城市垃圾填埋场渗滤液与城市污水混合废水的研究亦观察到相同的结果。

2.4.3 工艺简单,投资少,运行费用较低　　

ABR法设计简单,没有活动部件,同传统的厌氧消化池相比,无需机械搅拌装置,也不需额外的澄清沉淀池。同UASB和FA相比,ABR法不需要昂贵的进水系统,也不需要设计复杂的三相分离器。因此,ABR法的投资少,运行费用较低。

2.4.4 耐冲击负荷,适应性强　　

由于折流板良好的滞留微生物的能力和污泥良好的沉降性能,再有ABR中的微生物环境具有良好的生物级配,ABR对冲击负荷的适应性很强。D.C.Stuckey的研究表明,不论是对水力冲击负荷还是对有机冲击负荷,ABR均有良好的适应性。因此ABR法对于处理流量和浓度变化较大的工业废水有很好的应用前景。

2.4.5固液分离效果好,出水水质好　　

厌氧生物团絮凝同好氧活性污泥法的模式类似,是由细菌对基质的有限浓度引起,F/M值对其有重要影响。低F/M值有利于生物絮凝,沉降加快,出水悬浮固体浓度低。ABR的分格构造和水流的推流状态,使得F/M随水流逐渐降低,在最后一隔室内F/M最低,且产气量最小,最有利于固液分离,所以能够保证有良好的出水水质。

2.4.6 运行稳定,操作灵活　　

由于ABR反应器特有的挡板构造,大大减小了堵塞和污泥床膨胀等现象发生的可能性,可长时间稳定运行。并且ABR法可根据水质、水量的不同,通过改变挡板间距,调节HRT,甚至还可以进行间歇操作,来满足出水水质的要求。ABR法还可在适当的隔室进行好氧操作,以达到在同一反应器内除氮的目的。

2.4.7 对有毒物质适应性强　　

由于隔板将反应器各格分隔开,所以有毒物质对反应器的影响主要集中在ABR反应器前部,对后部的危害较小。这使得只有少数微生物暴露在有毒物质的影响下,有利于整个反应器系统的驯化并能在较短时间恢复到正常的水平。

2.4.8 良好的生物固体截留能力　　

由于折流板的阻挡作用及通过对折流板间距的合理设置(水流在上向流室上升流速相对较小)为污泥的沉降和截留创造了一个良好的条件,因而ＡＢＲ反应器内能截留大量的微生物,其微生物质量浓度可达到72.08g/l。

2.5 ABR的启动和研究现状

2.5.1 ABR的启动

一个厌氧反应器能否成功地快速启动是决定该反应器运行成败的先决条件。影响厌氧反应器启动的因素很多,包括废水的组成及浓度、接种污泥的数量和活性、环境条件、微量元素的补充、操作条件(COD容积负荷、水力停留时间)和反应器的结构尺寸等诸多因素。Weiland和Rozzi在讨论高效厌氧反应器的启动问题时特别提到了以下需要注意的方面:1.为了丰富污泥中产甲烷菌的种类,接种污泥最好用几种不同来源的厌氧污泥混合而成;2.温度应在33～37℃或50～55℃范围内,ｐＨ值应在7.2～7.6范围内,以保证产甲烷菌的最大活性;3.质量比COD:N:P=10010～1)5～1),NH3-N<1000ｍｇ/Ｌ;4.微量金属元素,尤其是Fe、Ni、Co、Mo,对厌氧系统的启动也非常重要。Henze等人则建议启动的初始COD容积负荷应低一些(Pt<1.2kgｍ-3ｄ-1),并且低COD容积负荷所引起的低产气率和低水流上升速度有利于厌氧活性污泥的生长。

Nachaiyasit和Stuckey[21]于1995年初步研究了ABR反应器的启动情况。启动方式是固定进水COD浓度,HRT由80h逐步减小到60h、40h,最后稳定在20h。但是,最后反应器发生了过度酸化,启动失败了。 Nachaiyasit和Stuckey认为这是接种污泥活性低和初始COD污泥负荷(pt=0.75kgkg-1d-1)高的缘故。随后,Nachaiyasit降低了COD污泥负荷(pt=0.07kgkg-1d-1),启动获得了成功。Boopathy和Tiche研究了复合式ABR反应器处理糖浆废水中试的启动情况。在30d内,HABR的COD容积负荷就达到了4.33 kgm-3d-1(p(COD)=115.771g/l,HRT=27d),并且在d30,每个反应室内都出现了颗粒污泥,COD的去初率达到89%。 Stuckey[5]认为这是在COD容积负荷比较高的情况下成功启动的一个好例子。Boopathy和Tiche没有分析为什么会出现这种情况,笔者怀疑有可能是HABR中的填料对启动负荷的提高有帮助作用。Batber和Stuckey[21]系统地研究了ABR的启动特性。 Batber等人采取了两种启动方式:1.固定HRT(20h),逐步提高进水基质浓度(p(COD)(1→2→4g/l);2.固定进水基质浓度(p(COD)=4g/l),逐步缩短HRT(80→40→20h)。结果表明,采用方式2启动的反应器不论是从COD去初率、运行的稳定性,还是从污泥的流失量方面衡量均优于采用方式1启动的反应器。

2.5.2ABR的研究现状

一些学者开展了用ABR反应器处理低浓度废水的研究,并获得了较好的效果(见表1).Stuckey认为,处理低浓度废水时,由于传质速率和微生物活性都不会很高,生物相的沿程变化就不会很明显,尤其产酸菌的数量沿程基本不便。并且处理低浓度废水时,低水力停留时间所带来的污泥流失问题可以被低的产气速率抵消,并且缩短HTR还可以增加水力搅拌作用,从而提高处理效率。




反应器内的水力条件和混合程度是影响反应器性能的一个重要条件。通过使用示踪剂对反应器内水力停留时间分布情况的测定,可分析其死区容积分数(Vd/V)和离散数(D/μL)。D.C.Stuckey等的研究表明,ABR的容积利用率要远高于其他的厌氧反应器,ABR的Vｄ/V为7%~20%,平均为9.8%。而厌氧滤池的Vｄ/V为50%~93%,传统消化池(CSTR)的Vｄ/V大于80%。此外,研究表明,随着HRT的降低,各隔室的离散数(扩散或混合程度,以Peclect数统计)增大,反应器的反混程度增加。但反应器内的折流板阻挡了各隔室间的反混作用,强化了各隔室内的混合作用,所以隔室越多,D/μL越低,反混程度减小,说明ABR反应器的水力流态是局部为完全混合式(CSTR)流态,整体为推流(PF)流态的一种复杂水力流态型反应器。

和完全混合式的反应器比较,ABR对温度的适应范围较广。D.C.Stuckey等人的研究表明,当温度由35℃降到25℃时,COD去除率无明显变化,当降到15℃时,COD去除率有较大下降,但仍在75%~83%。这是由于反应器后面几格微生物的缓冲作用,使得ABR可以适应较大的温度变化。据文献报道,ABR可在13℃的条件下运行。

回流对于ABR有两方面的影响。D.P.Chynoweth等研究发现,回流20%出水,甲烷产量上升了30%。此外,回流还可缓解过多的挥发性酸引起反应器前部的PH值偏低。在TjandraSetiadi等人应用ABR工艺处理棕榈油厂废水的研究中同样发现,当回流大于15%时,不需加碱,系统PH值即可保持在6.8以上。回流还可以稀释进水中的有毒物质,并降低微生物对基质的不适应程度。然而回流会增加生物的流失,并引起死区的增大。S.Nachaiyasit的研究表明,当回流由0%增到2%时,死区体积增大一倍,达到了40%。并且,回流引起的混合导致反应器向单相状态转变,部分丧失了产酸相和产甲烷相分区的优点。A.Bachmann等研究发现,当有回流时,产甲烷菌在反应器内的分布是均匀的,这就导致清除性细菌(如鬃毛甲烷菌)曝露在反应器前部。这里的较低的PH值,较高的氢气分压和基质浓度会使这些细菌失去活性。而产酸菌由于回流被冲到了反应器后部,会由于有机质少而处于饥饿状态。S.Nachaiyasit也发现回流比增大时,反应器的产气量和甲烷含量均有下降。

应用ABR反应器处理高浓度有机废水是ＡＢＲ反应器应用前景最为广阔的一个方面(见表2)。

目前,对于ABR处理各种废水的研究应用日趋增多。R.Boopathy将ABR应用于酒厂废水,其进水COD可达51.6g/l,COD容积负荷为3.5kg/(ｍ3·ｄ)时,COD去除率可达90%,产气甲烷体积分数在65%~75%。在J.C.Akunna对ABR处理酒厂废水的研究中,当进水COD为9500ｍｇ/l,HRT为4ｄ,COD容积负荷为2.73kg/(ｍ3·ｄ)时,效果最好,COD去除率达到了92.25%。当COD容积负荷为4.75kg/(ｍ3·ｄ)时,产气量达到了22l/d,甲烷体积分数在60%~0%。




R.Boopathy等在反应器上部添加填料对其加以改进。改进后的ABR反应器在处理制糖废水时,COD容积负荷可达20kg/(ｍ3·ｄ),COD去除率在70%以上,产气量达到了5倍反应器体积,甲烷体积分数为75%。在高负荷下,污泥流失很少,第一隔室的vss为72.08ｇ/l。这与污泥良好的沉降性能和填料的应用有关。

应用厌氧折流板反应器处理豆制品废水的研究发现,ABR处理豆制品废水具有启动快、易培养出颗粒化的活性污泥的特点。稳定运行时,COD容积负荷可达到14.3kg/(ｍ3·ｄ),COD去除率能保持在80%以上,具有良好的抗冲击负荷和抗低pH值的能力。沈耀良应用ABR法处理垃圾渗滤混合废水的研究发现,ABR可获得明显的水解酸化作用,提高废水的可生化性。混合废水的BOD5/COD为0.2、0.665时,经ABR反应器处理后出水的BOD5/COD值可提高到0.37、0.68,且进水的BOD5/COD越低,其提高幅度越大。

2.6、ABR反应器的应用前景

随着我国经济建设的发展,废水排放量逐年增加,水环境受到严重污染,急需建设大批水处理设施,但却面临着资金和技术上的困难。ABR作为一种新型高效厌氧处理工艺,结合了第二代反应器的优点,克服了某些不足之处,如厌氧滤池所需的成本较高的滤料和UASB所需的工艺复杂的三相分离器,因而ABR具有工艺简单,造价较低的优点。另外,ABR还具有生物截留能力强,运行管理方便,性能可靠等优点。因此,ABR在我国高浓度工业有机废水(如酿造、造纸、制革废水等)的污染控制中有很好的研究开发价值和推广应用前景。目前已有少数工程应用实例。在美国哥伦比亚市Tenjo镇污水处理厂采用ABR处理生活污水。福建某生化厂采用ABR处理制药废水和福建长乐市侨胜纺织印染有限公司应用ABR工艺处理毛巾印染废水,均取得了令人满意的处理效果。但对于ABR的试验研究目前还主要处在实验室阶段,所以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,以便深入地了解其工艺特性。例如,关于反应器构造的优化设计研究,以及反应器内生物的分布状况还需要进一步深入探讨。目前尤为缺乏的是ABR法处理高浓度工业有机废水较大规模的中试和在实际工程中的示范试验。

从以上的介绍、分析可以看出,ABR反应器是一种新型高效厌氧反应器,具有结构简单、投资少、运行稳定、抗冲击负荷能力强、处理效率高等一系列优点,适于处理各种浓度的废水,并且在COD容积负荷ρｔ=0.4～28ｋｇｍ-3ｄ-1的条件下都有令人满意的处理效果。但是对ＡＢＲ反应器的研究仍有许多工作要做,例如:如何解决高COD容积负荷下污泥的过度酸化问题;关于各种中间产物的生成过程及代谢机理的研究;与其它工艺联用(好氧或厌氧)处理特种废水的研究;ABR反应器中颗粒污泥的形成条件和机理的研究;大规模应用中工艺设计参数的确定,等等。目前在我国有关ABR反应器的研究还很少,也罕见有实际工程中的应用。因此,我国应加快该项目的研究步伐,使这一新工艺能尽快在生产实践中推广,为我国的废水治理再辟一条新的发展途径。