趙倩，褚艷玲，吳鋒

（深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳518055）

厭氣折流板反應(yīng)器（ABR）作為一種新型的厭氧反應(yīng)器［1］，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器中相分離［2］，但ABR的啟動(dòng)也因此存在一定難度：反應(yīng)器的第1隔室承受的負(fù)荷遠(yuǎn)大于反應(yīng)器承受的平均負(fù)荷，降低了啟動(dòng)過程中提高反應(yīng)器容積負(fù)荷的速度［3］。此外，有關(guān)啟動(dòng)過程里ABR反應(yīng)器中內(nèi)在處理規(guī)律的研究尚不充分，如啟動(dòng)過程中ABR各隔室降解規(guī)律、各隔室微生物分布的概況等［4－5］，但如果能加大對上述因素的研究，可更加了解ABR反應(yīng)器。

赤糖廢水中的主要營養(yǎng)物質(zhì)就是糖類［6－10］，所以其特點(diǎn)就是有機(jī)物含量高，可生化降解性好，是一種具有代表性的碳水化合物類的有機(jī)廢水。本試驗(yàn)通過ABR處理赤糖廢水的啟動(dòng)情況以及在啟動(dòng)階段不同進(jìn)水容積負(fù)荷對ABR的影響，分析了如何在較高的容積負(fù)荷下快速啟動(dòng)ABR反應(yīng)器。

1 材料與方法

1.1 儀器

反 應(yīng) 器 長、寬、高 分 別 為95cm、12cm、80cm，總有效容積為43.2L。反應(yīng)器共分5個(gè)隔室，其中，前4個(gè)隔室下部的邊緣設(shè)置的呈60°傾角布水導(dǎo)流板將每個(gè)隔室分成體積比約為4∶1的上升流區(qū)和下降流區(qū)。隔室5不僅是厭氧反應(yīng)室，也作為沉淀池，以降低反應(yīng)器的污泥流失。為使沉淀效果更好，隔室5的體積設(shè)計(jì)為其他隔室的2倍。

廢水經(jīng)蠕動(dòng)泵送入ABR第1隔室的下向流室，由導(dǎo)流板引流至上向流室的最底端，再經(jīng)上向流室流入第2隔室的下向流室；這樣廢水以推流方式依次進(jìn)入各隔室，最后經(jīng)第5隔室的上向流室排出反應(yīng)器。各隔室產(chǎn)生的發(fā)酵氣體，由集氣管導(dǎo)出，產(chǎn)氣量由水封后的濕式氣體計(jì)量表計(jì)量。試驗(yàn)過程中反應(yīng)器內(nèi)溫度始終控制在（35±1）℃。

1.2 材料

本次實(shí)驗(yàn)采用人工稀釋而制成的赤糖廢水為底物。這種廢水含糖量高有機(jī)物含量豐富，可生化降解性好，是一種具有代表性的碳水化合物類的有機(jī)廢水。供試接種污泥取自文昌污水處理廠二沉池活性污泥。由于經(jīng)過脫水處理，污泥內(nèi)含有大量絮凝劑，首先得去除污泥里的絮凝劑。接種污泥經(jīng)過濾、沉淀、淘洗等階段后，用人工配制的赤糖廢水間歇好氧培養(yǎng)一段時(shí)間，直至污泥顏色由以前的黑色或灰黑色變?yōu)辄S褐色，且污泥絮體沉降性能良好，此時(shí)的污泥才能接種到反應(yīng)器內(nèi)。接種污泥首先經(jīng)沉淀靜置后舍去上清液后，置入ABR反應(yīng)器內(nèi)，并注入試驗(yàn)用人工合成污水，進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)馴化［11－12］。第1隔室要承受更高的有機(jī)負(fù)荷，故其污泥接種量比其他隔室多，以避免因負(fù)荷過高發(fā)生反應(yīng)器酸化［13］。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

廢水配制時(shí)投加適量的復(fù)合肥，維持廢水中COD∶N∶P≈1000∶5∶1，以保證污泥里的微生物在生長過程中對N、P營養(yǎng)元素的需求。本實(shí)驗(yàn)用NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值，但NaHCO3的量不宜過多［14－15］。在ABR反應(yīng)器運(yùn)行過程中，通過對反應(yīng)器的溫度、pH值、COD等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測，對系統(tǒng)的運(yùn)行條件、污泥的馴化過程進(jìn)行分析。

1.4 分析方法

采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定COD、pH值和氧化還原電位（ORP），實(shí)驗(yàn)中需要測量的參數(shù)及測量方法見表1。

表1 主要分析項(xiàng)目

2 結(jié)果與討論

2.1 ABR啟動(dòng)方式

新建的系統(tǒng)接種馴化后的污泥，并且使反應(yīng)器達(dá)到設(shè)計(jì)承受有機(jī)負(fù)荷和COD處理效果的過程就是厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)過程［17］。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)負(fù)荷為6.00kg COD／（m3·d），當(dāng)反應(yīng)器在此負(fù)荷下COD去除率達(dá)到80%以上并保持穩(wěn)定，此時(shí)的反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)即是反應(yīng)器成功啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)［8］。

厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)的影響因素很多，如廢水的組成成分和濃度、環(huán)境條件、接種污泥量和活性［19－20］。當(dāng) 然，操 作 條 件（HRT、COD容 積 負(fù)荷）、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)也是影響反應(yīng)器啟動(dòng)的因素，而厭氧反應(yīng)器能否成功啟動(dòng)是反應(yīng)器是否能正常運(yùn)行的首要條件。如何啟動(dòng)反應(yīng)器取決于廢水水質(zhì)，而高濃度污泥有助于提高啟動(dòng)反應(yīng)器成功率。接種高濃度污泥是為了讓反應(yīng)器快速啟動(dòng)并在短期內(nèi)達(dá)到更高的COD去除率和較多的產(chǎn)氣量，并能加快污泥顆?；男纬闪浚?1］。

本實(shí)驗(yàn)采取固定水力停留時(shí)間，提高進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的方式啟動(dòng)。第一次啟動(dòng)時(shí)將最初進(jìn)水容積負(fù)荷保持在3kg COD／（m3·d），即進(jìn)水COD濃度3000mg／L。待運(yùn)行穩(wěn)定后逐步提高容積負(fù)荷，并且密切注意反應(yīng)器pH值的變化情況，反應(yīng)器出現(xiàn)酸化現(xiàn)象則及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。第二次啟動(dòng)時(shí)，降低最初進(jìn)水容積負(fù)荷至1kgCOD／（m3·d），進(jìn)水COD濃度1000mg／L。

實(shí)驗(yàn)過程參數(shù)見表2、表3。

表2 第一次反應(yīng)器啟動(dòng)過程參數(shù)控制

表3 第二次反應(yīng)器啟動(dòng)過程參數(shù)控制

2.2 第一次反應(yīng)器啟動(dòng)過程

第一次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)擬為80天，設(shè)定每20天增加進(jìn)水COD濃度，實(shí)驗(yàn)進(jìn)水的pH值由NaHCO3調(diào)節(jié)維持在7.5～8.0之間，反應(yīng)器設(shè)置了恒溫裝置，使溫度穩(wěn)定在35℃左右。進(jìn)水和出水的COD見圖1。

圖1 第一次啟動(dòng)期反應(yīng)器的進(jìn)水COD和出水COD

實(shí)驗(yàn)前3天，COD去除率較低，這屬正?，F(xiàn)象。但在啟動(dòng)20天后反應(yīng)器內(nèi)COD去除率仍較低，一直維持在50%左右。20天以后將COD濃度提高，去除效果仍較差。啟動(dòng)失敗。而反應(yīng)器中pH值的變化也較為明顯，反應(yīng)器啟動(dòng)初期，各隔室pH值較為穩(wěn)定，基本在6.5～7.0之間。隨著時(shí)間的增加，各隔室pH值開始下降，第1隔室pH值下降尤為明顯，最低時(shí)甚至達(dá)到4.0。這是由于啟動(dòng)初期高負(fù)荷的沖擊，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)污泥活性降低。

實(shí)驗(yàn)證明，在啟動(dòng)初期，較高負(fù)荷可能讓系統(tǒng)污泥活性降低，使反應(yīng)器pH值變化幅度過大，產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化較為敏感，而產(chǎn)酸菌對低pH值的耐受性較大，這就使產(chǎn)甲烷過程受到抑制，但產(chǎn)酸過程卻不受影響情況，由于產(chǎn)甲烷菌活性降低，不能降解產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性酸，反應(yīng)器酸性物質(zhì)大量積累，使得反應(yīng)器內(nèi)部最終酸化導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。所以在第一次啟動(dòng)失敗后，擬定較低的最初進(jìn)水容積負(fù)荷，進(jìn)行了第二次啟動(dòng)。

2.3 第二次反應(yīng)器啟動(dòng)過程

2.3.1 第二次反應(yīng)器啟動(dòng)階段進(jìn)出水COD變化

第二次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了70天，其他條件與第一次啟動(dòng)時(shí)保持不變，重新接種污泥。開始進(jìn)水的前10天，容積負(fù)荷設(shè)定在1.0kgCOD／（m3·d），HRT固定為24h。反應(yīng)器啟動(dòng)10天后逐漸提高進(jìn)水COD濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 第二次啟動(dòng)期反應(yīng)器的進(jìn)水COD和出水COD

實(shí)驗(yàn)開始的前3天，反應(yīng)器出水COD比進(jìn)水COD高，這就意味著此時(shí)反應(yīng)器COD的去除率為負(fù)值。經(jīng)查閱文獻(xiàn)分析認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)初期，反應(yīng)器中沉降性較差的污泥隨水流排出反應(yīng)器。這些污泥本身COD含量就比較高，從而導(dǎo)致出水COD值比進(jìn)水COD值高。反應(yīng)器有少量的污泥流失現(xiàn)象發(fā)生，但這屬正?，F(xiàn)象，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大，不用額外再往各隔室里添加污泥。7天后，反應(yīng)器COD去除率逐漸提高，這意味著反應(yīng)器內(nèi)污泥和微生物生長已趨于穩(wěn)定，污泥流失量有所減少。同時(shí)，反應(yīng)器前兩隔室的氣體流量計(jì)讀數(shù)有了明顯變化，說明反應(yīng)器開始產(chǎn)氣。反應(yīng)器的出水具有刺激性氣味，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)的啟動(dòng)初期，反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度低，反應(yīng)器COD去除率快速增加，在反應(yīng)器啟動(dòng)的第10天左右，去除率達(dá)到80%以上。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10天后，提高反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷。由圖2可以看出，每當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷開始提高，反應(yīng)器COD去除率在接下來的2～3天內(nèi)有所降低，隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定，COD去除率又開始上升。這表明反應(yīng)器中污泥需要一段時(shí)間適應(yīng)有機(jī)負(fù)荷的變化，一旦反應(yīng)器適應(yīng)了新的有機(jī)負(fù)荷，反應(yīng)器COD去除率就開始穩(wěn)定維持在80%以上，最高時(shí)甚至能超過95%。

實(shí)驗(yàn)第20～30天，有機(jī)負(fù)荷提升至4.00kg COD／（m3·d），過高的有機(jī)負(fù)荷導(dǎo)致反應(yīng)器COD去除率又開始下降，此時(shí)稍微調(diào)節(jié)降低進(jìn)水COD濃度，反應(yīng)器COD去除率開始緩慢提高。在第31天再次提高反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷，反應(yīng)器COD去除率又趨向穩(wěn)定維持在80%左右。

實(shí)驗(yàn)第41～50天，反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷反應(yīng)器COD提升至5000mg／L，反應(yīng)器COD去除率明顯下降，由85%下降至73%。但由于反應(yīng)器本身抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，反應(yīng)器適應(yīng)高負(fù)荷進(jìn)水后，COD去除率又開始趨向穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)最后階段，反應(yīng)器最終有機(jī)容積負(fù)荷提高6.00kgCOD／（m3·d）。由于反應(yīng)器已經(jīng)能適應(yīng)高負(fù)荷沖擊，所以COD去除率下降時(shí)間較短，很快反應(yīng)器去除率維持在80%以上。

2.3.2 反應(yīng)器啟動(dòng)階段各隔室COD變化

反應(yīng)器啟動(dòng)初期，前兩隔室對COD的去除其主要作用，其他隔室內(nèi)COD去除率均不足10%。隨著啟動(dòng)期反應(yīng)器運(yùn)行性能的穩(wěn)定，各隔室對COD的去處率也開始趨向于穩(wěn)定。但由于第1隔室承受較大的有機(jī)負(fù)荷沖擊，所以第1隔室COD去除率沒有其他隔室穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 第二次啟動(dòng)期反應(yīng)器內(nèi)各隔室COD變化

實(shí)驗(yàn)開始的前3天，各隔室對COD的去除不明顯。當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至7～10天時(shí)，反應(yīng)器已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)前的有機(jī)負(fù)荷，各隔室對COD的去除開始穩(wěn)定。

從圖3中可以看出，盡管通過增加進(jìn)水的COD增加反應(yīng)器容積負(fù)荷，會(huì)對反應(yīng)器產(chǎn)生一定影響，但反應(yīng)器獨(dú)特的構(gòu)型及推流特征決定了增加負(fù)荷時(shí)整個(gè)系統(tǒng)仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，COD去除率不會(huì)驟然下降，但是在負(fù)荷沖擊下，由于第1隔室承受的有機(jī)負(fù)荷遠(yuǎn)大于其他隔室，所以第1隔室在反應(yīng)器提高負(fù)荷時(shí)COD去除率波動(dòng)最大，其他各隔室對COD的去除率也有所降低。但在反應(yīng)器接種污泥時(shí)，考慮到第1隔室承擔(dān)了較大的有機(jī)負(fù)荷，其接種的污泥量比其他隔室多一半，所以在增加有機(jī)負(fù)荷時(shí)，第1隔室也能較快地適應(yīng)新的沖擊負(fù)荷。

2.3.3 啟動(dòng)過程中pH值和ORP的變化規(guī)律

在ABR反應(yīng)器啟動(dòng)過程中，pH值是一個(gè)重要的監(jiān)測參數(shù)。pH值受有機(jī)酸積累的影響較大，而對pH值十分敏感的產(chǎn)甲烷菌對反應(yīng)器的啟動(dòng)至關(guān)重要。在反應(yīng)器中，一旦pH值過低，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的活性迅速降低，這就對反應(yīng)器的運(yùn)行帶來不良影響；且產(chǎn)甲烷菌活性的恢復(fù)十分緩慢。所以，在啟動(dòng)過程中，需及時(shí)測量反應(yīng)器內(nèi)pH值。若pH值過低時(shí)，則說明反應(yīng)器開始出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，需采取手段對反應(yīng)器內(nèi)的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。本次實(shí)驗(yàn)是通過增加進(jìn)水堿度的方式調(diào)節(jié)反應(yīng)器pH值，氫氧化物和碳酸氫鈉都能調(diào)節(jié)堿度，但一般采用添加碳酸氫鈉來調(diào)節(jié)pH值。碳酸氫鈉的緩沖能力較強(qiáng)，而且添加碳酸氫鈉不會(huì)對反應(yīng)器內(nèi)CO2的含量產(chǎn)生影響。

由于本實(shí)驗(yàn)是采用固定水力停留時(shí)間的同時(shí)低負(fù)荷啟動(dòng)，啟動(dòng)初期進(jìn)水COD一直維持在1000mg／L。從pH值的對比來看，啟動(dòng)階段第1、第2隔室產(chǎn)酸現(xiàn)象比較明顯，pH值明顯低于其他隔室。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 啟動(dòng)期進(jìn)水pH值、各隔室pH值的變化

由圖4可看出，反應(yīng)器進(jìn)水pH值維持在7.0～8.0之間，保證進(jìn)水pH值在中性偏堿的范圍內(nèi)。啟動(dòng)初期，反應(yīng)器第1隔室和第2隔室pH值均低于其他隔室，變化范圍在5.5～6.0之間，但這只是輕度酸化；其他隔室的pH值一直維持在6.0以上，這是反應(yīng)器正常運(yùn)行的象征。在啟動(dòng)20天后，反應(yīng)器的各隔室的pH值都有所下降，這是因?yàn)樘岣哂袡C(jī)負(fù)荷，污泥對COD濃度的提高需要一段時(shí)間調(diào)整。每一次提高有機(jī)容積負(fù)荷，各隔室的pH值都呈先下降后上升的趨勢，跟COD去除率上升時(shí)間一致。反應(yīng)器啟動(dòng)初期，系統(tǒng)內(nèi)水解過程主要是由第1隔室來完成的，所以第1隔室pH值明顯低于其他隔室，且上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及其他隔室，其pH值從6.5逐漸降低到5.3。由于本試驗(yàn)是低負(fù)荷啟動(dòng)，反應(yīng)器啟動(dòng)初期進(jìn)水COD一直維持在1000mg／L，接種污泥活性較低，所以啟動(dòng)前20天，其污泥承受負(fù)荷能力較差，所以在反應(yīng)器啟動(dòng)初期系統(tǒng)抗酸能力較差。隨著污泥的逐漸馴化，反應(yīng)器的污泥負(fù)荷率逐漸降低，當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水容積負(fù)荷不變時(shí)，pH值變化也不大。隨著進(jìn)水COD濃度的提高，各隔室pH值均有所下降。在整個(gè)運(yùn)行過程中，第1隔室pH值的范圍在5.2～6.5之間，第2隔室pH值的范圍5.5～6.7之間，第3隔室pH值維持在5.7～7.0之間，第4隔室pH值維持在6.6～7.2之間。反應(yīng)器各隔室內(nèi)pH值都高于前一隔室。

ORP也是微生物的生存狀態(tài)的重要影響因子之一。反應(yīng)器內(nèi)不同微生物對厭氧生境的需求不同，其生長繁殖所需要的ORP也不相同。圖5反映了反應(yīng)器啟動(dòng)期ORP的變化情況。初期經(jīng)過2天的發(fā)酵，系統(tǒng)內(nèi)的溶解氧逐漸被系統(tǒng)中的微生物所消耗，這時(shí)兼性微生物的活性下降，由于第1隔室的污泥量較高，所以第1隔室的ORP最低。啟動(dòng)初期各隔室的ORP都呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，這可能是在啟動(dòng)期的初期，系統(tǒng)中的微生物消耗反應(yīng)器中的溶解氧，因此導(dǎo)致反應(yīng)初期系統(tǒng)內(nèi)溶解氧低。系統(tǒng)運(yùn)行到第20天以后，各隔室的ORP有所上升且變化不大，這說明系統(tǒng)已開始趨于穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷提高后前2天，各隔室ORP變化較為明顯；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷提高后運(yùn)行3天左右，各隔室ORP變化開始趨向平穩(wěn)，這充分體現(xiàn)了反應(yīng)器較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力以及ABR的穩(wěn)定特性。

圖5 啟動(dòng)期各隔室ORP的變化

3 結(jié) 論

（1）ABR反應(yīng)器在較高的容積負(fù)荷條件下啟動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)污泥活性較差，其承受沖擊負(fù)荷能力也較差，COD去除率較低，需要啟動(dòng)時(shí)間較長，而且啟動(dòng)過程極易失敗。

（2）以較低的進(jìn)水COD濃度來啟動(dòng)ABR反應(yīng)器，系統(tǒng)經(jīng)過70天后成功啟動(dòng)，此時(shí)，容積負(fù)荷 達(dá) 到6.00kgCOD／（m3·d），COD去 除 率 在80%以上。

（3）啟動(dòng)初期，反應(yīng)器對COD的去除率較低，除隔室1、隔室2對去除COD效果較好，其他隔室內(nèi)COD去除率均不足10%。啟動(dòng)中期，ABR開始逐漸顯現(xiàn)其優(yōu)良的運(yùn)行穩(wěn)定性，但在增加有機(jī)負(fù)荷時(shí)，COD的去除率會(huì)暫時(shí)降低；當(dāng)反應(yīng)器適應(yīng)新的容積負(fù)荷后，去除率又開始恢復(fù)到80%以上，并保持穩(wěn)定。

（4）由于ABR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)獨(dú)特，較易造成隔室中大量有機(jī)酸的積累，不易過快提升反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷，反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷提升應(yīng)為原負(fù)荷的1.2～1.5倍。每次提升反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷時(shí)，各隔室pH值都會(huì)在新負(fù)荷的沖擊下暫時(shí)下降，當(dāng)反應(yīng)器繼續(xù)運(yùn)行2～3天后，pH值又開始上升。

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