厭氧生物處理新工藝之厭氧序批式反應(yīng)器的探討

前言

在高效的廢水處理工藝方面，各國學(xué)者相繼開發(fā)了各種高效厭氧生物反應(yīng)器，如厭氧生物濾池（AF）上流式厭氧污泥床（UASB）和厭氧流化床（AFB）等。美國教授Dague等人把好氧生物處理的序批式反應(yīng)器(SBR）運(yùn)用于厭氧處理，開發(fā)了厭氧序批式反應(yīng)器（AnaerobicSequencingBatchReactor），簡稱為ASBR。Dague等人發(fā)現(xiàn)在ASBR中可以形成顆粒污泥，污泥沉降快且易于保留在反應(yīng)器內(nèi)，具有高SRT，低HRT。雖然ASBR運(yùn)行上類似于厭氧接觸法，但ASBR的固液分離在反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行，不需另設(shè)澄清池，不需真空脫氣設(shè)備。出水時反應(yīng)器內(nèi)部生物氣的分壓使沉淀污泥不易上浮，沉降性能良好。另外，ASBR中不需UASB中的復(fù)雜的三相分離器。ASBR具有工藝簡單、運(yùn)行方式靈活、生化反應(yīng)推動力大并耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。本文將介紹ASBR的特點(diǎn)，運(yùn)行條件及ASBR運(yùn)行中各階段所需時間的確定。

1形成顆粒污泥是ASBR的基本特征

顆粒污泥中厭氧微生物鄰近程度遠(yuǎn)小于絮狀體污泥。厭氧消化成功的關(guān)鍵在于反應(yīng)器中保持多種微生物之間的平衡，特別是能夠保持低氫分壓。從熱力學(xué)上考慮，產(chǎn)乙酸菌把長鏈揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化為乙酸的反應(yīng)只有在氫分壓-5低于101.325×10kPa情況下才能發(fā)生，這說明利用CO2和H2的產(chǎn)甲烷菌對產(chǎn)乙酸菌關(guān)系重大。厭氧顆粒污泥中不同菌種之間鄰近的共生關(guān)系有利于厭氧消化過程的順利進(jìn)行，中間產(chǎn)物及H2及時被不同菌種消耗掉可以使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，這是顆粒污泥在機(jī)理上的優(yōu)勢。絮狀體污泥盡管也發(fā)生H2及中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，但顆粒污泥中的微生物固定在顆粒上，使中間產(chǎn)物所需傳送的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)要近于離散的絮狀污泥。Mecart和Smith發(fā)現(xiàn)顆粒污泥與分散的絮狀體污泥相比較，前者的氫分壓低對。利用速率快，Thide等人對比研究了顆粒污泥與懸浮污泥運(yùn)行的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以乙醇為基質(zhì)時，顆粒污泥較懸浮污泥的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率高75%，以甲酸為基質(zhì)時，在顆粒污泥中基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率為0.275/min。這充分證明顆粒污泥中厭氧微生物鄰近度近于絮狀體污泥，可以提高污泥活性。由于在ASBR中形成了顆粒污泥，使處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠處理高濃度有機(jī)廢水。

在接種成熟的顆粒污泥時，ASBR啟動所需時間可以大大縮短，這就克服了普通厭氧法啟動慢的缺點(diǎn)。

2ASBR能在常溫下處理低濃度廢水

大多數(shù)高效厭氧反應(yīng)器主要為中溫消化。ASBR能夠在常溫時處理廢水，溫度低時基質(zhì)去除率低，但ASBR出水中微生物流失量少，使反應(yīng)器內(nèi)可保持高的生物量，這可以抵消由于低溫造成的基質(zhì)去除率低的影響。

低濃度有機(jī)廢水在總污水排放量中占很大的比重，甲烷化能力低，采用常規(guī)的厭氧消化處理技術(shù)難于奏效，好氧生物處理成本昂貴，ASBR能有效地處理低濃度有機(jī)廢水。Ndon和Dague[3]1997年研究了ASBR處理CODCr為1000、800、600和400mg/L的人工合成廢水，當(dāng)溫度為35－15℃、HRT為48h和24h時，各種進(jìn)水濃度CODcr去除率超過了90%，在15℃低溫下進(jìn)水CODcr為600和400mg/L時，ASBR對CODcr的去除率仍然超過了85%。同時可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

3影響ASBR運(yùn)行的因素

3.1進(jìn)水時間（tf)與反應(yīng)時間(tr）之比

ASBR藝過程是一個非穩(wěn)定過程，反應(yīng)器中有機(jī)物濃度是時間的函數(shù)。進(jìn)水結(jié)束時達(dá)最高值，這說明充水時間影響著ASBR的工藝的處理效果。AS－BR工藝運(yùn)行分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水4個階段。沉淀和排水時間在同一反應(yīng)中一般固定且時間短，而進(jìn)水時間與反應(yīng)時間是工藝運(yùn)行的主要參數(shù)，其比值影響ASBR藝的處理效率。過去曾有人認(rèn)為快速進(jìn)水可使相應(yīng)的反應(yīng)時間加長，且可提高反應(yīng)速率。但是當(dāng)基質(zhì)濃度超過半飽和常數(shù)時，反應(yīng)速率成零級反應(yīng)，且在ASBR中不能以CODcr去除率作為唯一指標(biāo)。快速進(jìn)水由于產(chǎn)酸菌產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA）速率高于產(chǎn)甲烷菌消耗有機(jī)酸的速率，使反應(yīng)器中大量積累VFA，當(dāng)負(fù)荷大于某一值時，甲烷化能力急劇下降。進(jìn)水時間長，盡管反應(yīng)速度慢，但中間產(chǎn)物VFA的及時消耗有利于ASBR順利進(jìn)行。在低負(fù)荷時tf/tr值對反應(yīng)影響較小，高負(fù)荷情況下tf/tr造成的影響大。處理有毒有害廢水時應(yīng)適當(dāng)控制tf/tr值。

3.2堿度

ASBR運(yùn)行時要求混合液具有一定的pH緩沖能力，啟動初期顆粒污泥沒有形成時，對pH值極為敏感，一旦pH值低于7.0產(chǎn)氣不活躍。把pH值調(diào)為7.0－7.5時，產(chǎn)氣明顯增加，說明進(jìn)水堿度對形成的顆粒污泥作用很關(guān)鍵，特別在低溫時，混合液粘滯性大，使生物氣泡附著于污泥上不容易釋放，當(dāng)附著的生物氣泡越集越多時，容易造成污泥上浮使污泥大量流失。出現(xiàn)這種情況時不應(yīng)增加污泥負(fù)荷，而應(yīng)加人適當(dāng)堿度使生物氣泡釋放出來，使沉降性能變好。操作穩(wěn)定時，適于增大負(fù)荷，此時顆粒污泥生長加快，當(dāng)顆粒污泥形成并穩(wěn)定一段時間后，操作適當(dāng)時不易解體。此時堿度可比啟動階段有所降低，但要保持足夠的堿度，處理以碳水化合物為主的廢水時，進(jìn)水堿度與CODcr之比應(yīng)大于3。

3.3溫度

ASBR能在5～65℃范圍內(nèi)處理多種廢水，為在低溫和常溫下廉價處理廢水提供了可能性。但恒溫對ASBR保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要作用，不同種群產(chǎn)甲烷菌對生長的溫度范圍均有嚴(yán)格要求，從而需要保持恒溫。不論何種原因?qū)е聹囟鹊亩唐谕蛔儯鶗捬醢l(fā)酵過程產(chǎn)生明顯的影響，高溫發(fā)酵時最為敏感。

4ASBR各階段所需時間的確定

ASBR運(yùn)行時每周期包括4個階段，依次為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水階段。各個階段的停留時間由操作條件和所需出水水質(zhì)來決定。一個周期所需最短時間tmin是進(jìn)水時間扒反應(yīng)時間tr、沉淀時間ts和出水時間td的和，即

tmin=tf+tr+ts+td　（1）

4.1進(jìn)水時間
進(jìn)水時間由進(jìn)水體積和進(jìn)水速度決定，同時須考慮有毒有害物質(zhì)的抑制影響進(jìn)水速度視進(jìn)水水質(zhì)而定。進(jìn)水體積由設(shè)計的HRT有機(jī)負(fù)荷及預(yù)定的沉淀特征確定。進(jìn)水時間由下式求出：

tf=Vf/Qf（2）

式中：Vf－－進(jìn)水體積，L；
Qf--進(jìn)水速度，L/h。

4.2反應(yīng)時間

反應(yīng)所需時間由廢水水質(zhì)和濃度、污染物的降解速率、所需出水水質(zhì)、生物固體濃度和水溫等因素決定。反應(yīng)器中混合液體積從進(jìn)水開始不斷增加，直到進(jìn)水結(jié)束達(dá)最大值門預(yù)定反應(yīng)器總有效體積人進(jìn)水時反應(yīng)器中基質(zhì)濃度不斷增加，而反應(yīng)階段反應(yīng)器中基質(zhì)濃度不斷減少，這表明ASBR是間歇進(jìn)行的非穩(wěn)態(tài)厭氧生物處理過程人SBR反應(yīng)器在時間上為推流式反應(yīng)器，在空間上為完全混合式反應(yīng)器。從另一個角度出發(fā)，可以認(rèn)為進(jìn)水階段為完全混合反應(yīng)，反應(yīng)階段為推流式反應(yīng)。
采用莫諾德動力學(xué)方程來描述反應(yīng)器中基質(zhì)濃度的變化情況時，基質(zhì)去除率是按一級反應(yīng)進(jìn)行的：

dS/dt=-KXS/Ks+S(3)

式中：S--基質(zhì)濃度，mg/L；
　X--污泥濃度，mg/L；
　K--最大比基質(zhì)利用速率，l/d；
　Ks--半飽和常數(shù)，mg/L。
由于在厭氧反應(yīng)器ASBR中污泥產(chǎn)率很低，同時反應(yīng)器中保持有高污泥濃度，從而可以認(rèn)為在進(jìn)水階段和反應(yīng)階段污泥量的變化可忽略不計，進(jìn)水階段完全混合時的物料平衡為下式：

dS/dt=Q/[(Vmin+Vf)](S0-S)-KXS/Ks+S(4)

式中：Vf為某時打共進(jìn)水體積，為時間的函數(shù)。

聯(lián)合(4)式和(5）式可得出進(jìn)水結(jié)束時的基質(zhì)濃度，通常采用迭代法可解出，開始進(jìn)水時間為t時的基質(zhì)濃度由下式給出：
　S=（反應(yīng)器中基質(zhì)量)t/（反應(yīng)器中混合液總體積)t(6)
在時間為t+△t時基質(zhì)濃度為：

式中：St---時間為t時的基質(zhì)濃度，mg/L；
　Vt----時間為t時的反應(yīng)器中總體積，L；
　△t---計算時取得時間間隔；
　Vmin--進(jìn)水開始時反應(yīng)器中混合液體積，L。
在△t足夠小時，t+△t時的基質(zhì)濃度可認(rèn)為與時間為t時基質(zhì)濃度幾乎相等把St代人(7)式可預(yù)測在進(jìn)水結(jié)束時的基質(zhì)濃度Sf，結(jié)合式(3）可取出反應(yīng)所需時間如下：

tr=Ks/KX[ln(Sf/Se+(Sf-Se)/Ks]　(8)

式中：Se---設(shè)計的出水基質(zhì)濃度，mg/L。
4.3沉淀時間
沉淀階段停止攪拌，為理想的靜止沉淀。沉淀所需時間是污泥沉淀速度出所需排水體積Vd及反應(yīng)器橫截面積(A)的函數(shù)，即

　ts=Vd/vA(9)

但沉淀時間不宜過長，通常為10－30min。沉淀時間過長時繼續(xù)產(chǎn)出的生物氣使已沉降的污泥重新懸浮起來。混合液懸浮固體濃度MLSS，進(jìn)料量與污泥量之比（F/M）是影響污泥沉淀速率及出水濃度的重要因素。


4.4節(jié)水時間

排水所需時間由所排放水的體積及出水流量Qd決定，通常為了保持反應(yīng)器中混合液恒定體積，排水體積等于該周期進(jìn)水體積，排水時間可由下式得出：

td=Vd/Qd　(10)

5結(jié)語

ASBR同其它厭氧反應(yīng)器比較有如下特點(diǎn)：
①ASBR能形成顆粒污泥，同UASB和AF相比，在反應(yīng)器底部不需要復(fù)雜且昂貴的配水系統(tǒng)，也不需要復(fù)雜的三組分離器。
②ASBR在動力學(xué)上有顯著的優(yōu)越性，F(xiàn)/M值高低交替變化，既保證了反應(yīng)階段的高去除率，又保證了沉淀階段的良好沉淀效果。
③ASBR能夠在較大的溫度范圍內(nèi)(5～65℃)運(yùn)行，可在低溫和常溫下處理各種高濃度、低濃度和特種有機(jī)廢水。來源：中國環(huán)保頻道