有機(jī)負(fù)荷對ABR系統(tǒng)運(yùn)行特征及效能的影響

李建政，倪 佳，鄭國臣，邰曉輝，張 巖

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，ljz6677@163.com)

有機(jī)負(fù)荷對ABR系統(tǒng)運(yùn)行特征及效能的影響

李建政，倪 佳，鄭國臣，邰曉輝，張 巖

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，ljz6677@163.com)

為提高厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)的處理效能，采用有效容積為28.75 L的4格室ABR，通過進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和水力停留時間(HRT)的調(diào)控，探討有機(jī)負(fù)荷率(OLR)的改變對系統(tǒng)運(yùn)行特征和效能的影響.結(jié)果表明，在OLR為4.0～5.4 kg·m－3·d－1范圍內(nèi)，通過進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和HRT的調(diào)控，可使參與厭氧消化過程的各功能菌群在ABR系統(tǒng)中的分布更加有序，可有效提高系統(tǒng)的處理效能和運(yùn)行穩(wěn)定性.在進(jìn)水 COD 為8 000 mg·L－1、HRT為48 h，即 OLR 為4 kg·m－3·d－1的條件下，ABR 對 COD 的去除率可穩(wěn)定在90%以上.

厭氧折流板反應(yīng)器;運(yùn)行效能;有機(jī)負(fù)荷;COD;水力停留時間

厭氧生物處理技術(shù)被認(rèn)為是高質(zhì)量濃度有機(jī)廢水處理最為經(jīng)濟(jì)有效的方法.其中，厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)以其良好的污泥截留性能、獨(dú)特的水力流態(tài)和明顯的生物相分離特性，表現(xiàn)出處理效果好、水力停留時間(HRT)短、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)勢，受到越來越多的關(guān)注［1］.然而，關(guān)于ABR啟動后，如何通過工程調(diào)控措施提高其效能的報道較少，在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用［2］.在工程應(yīng)用中，廢水處理系統(tǒng)的控制除了溫度、pH或堿度外，有機(jī)負(fù)荷(OLR)的控制簡單易行.本文在前期成功啟動一個4格室ABR的基礎(chǔ)上，通過對進(jìn)水COD和HRT的調(diào)控，考察了OLR對ABR去除效能的影響并分析了其運(yùn)行特征.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用ABR為4格室結(jié)構(gòu)［2］，由有機(jī)玻璃制成，規(guī)格為74 cm×56 cm×11 cm，總有效容積為28.75 L;每個格室各有一個下向流室和一個上向流室，寬度分別為2.5 cm和11.5 cm.每個格室頂部設(shè)有排氣管與水封相連，發(fā)酵氣產(chǎn)量采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量.反應(yīng)器外表纏有電熱絲，通過溫控裝置控制ABR內(nèi)部溫度為(35±1)℃.源水由計(jì)量泵泵入反應(yīng)器第1格室，以上下折流形式先后流經(jīng)后續(xù)各格室，最后從第4格室上部流出.

1.2 實(shí)驗(yàn)廢水

實(shí)驗(yàn)廢水采用甜菜制糖廠的廢糖蜜加水稀釋而成，配水時投加少量NH4Cl和KH2PO4，使廢水m(COD)∶m(N)∶m(P)=200 ～500∶5∶1 左右，并投加小蘇打調(diào)整進(jìn)水pH在8左右.

1.3 ABR的基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)

在本研究開始前，所采用的ABR已經(jīng)啟動運(yùn)行了 120 d，基本完成了污泥馴化，并在 HRT 24 h、進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為6 000 mg·L－1(OLR 6 kg·m－3·d－1)、pH 8、(35 ±1)℃等條件下達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，此時各格室的生物量MLVSS分別為8.3、8.5、10.1、9.2 g·L－1.在運(yùn)行的最后 20 d，ABR所達(dá)到的COD平均去除率為61%，其他主要運(yùn)行特征指標(biāo)如表1所示.

表1 ABR在調(diào)控前的基本運(yùn)行特征

1.4 ABR的運(yùn)行控制

在如1.3所述的ABR運(yùn)行基礎(chǔ)上，采用調(diào)節(jié)進(jìn)水COD和HRT的方法，考察了OLR對ABR去除效能的影響.如表2所示，根據(jù)HRT或進(jìn)水COD的改變，ABR的控制運(yùn)行分為4個階段，每一次運(yùn)行條件的改變均在上一階段達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行.其中，溫度(35℃)和進(jìn)水pH(8)與1.3所述的基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)保持一致，而穩(wěn)定期是指ABR及其各格室的COD質(zhì)量濃度和去除率達(dá)到相對穩(wěn)定后的運(yùn)行時間.

表2 ABR的調(diào)控運(yùn)行階段及主要控制參數(shù)

1.5 分析項(xiàng)目及測定方法

COD、pH、堿度(ALK，以 CaCO3計(jì))、MLSS、MLVSS等均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定［3］;發(fā)酵氣產(chǎn)量采用濕式氣體流量計(jì)(LML－ 1，長春汽車濾清器有限責(zé)任公司)計(jì)量;發(fā)酵氣成分及體積分?jǐn)?shù)、廢水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)和乙醇均采用氣相色譜測定［4］.

2 結(jié)果與分析

2.1 COD去除率

如圖1所示，在ABR進(jìn)水COD從基礎(chǔ)狀態(tài)的6 000 mg·L－1降低到第1階段的4 000 mg·L－1，即 OLR 從 6 kg·m－3·d－1降低為4 kg·m－3·d－1時，ABR 的COD 去除率呈現(xiàn)出顯著上升趨勢.當(dāng)重新達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定時(12～17 d)，ABR的COD去除率由基礎(chǔ)狀態(tài)的62%上升到了74%左右.經(jīng)檢測，在該階段的穩(wěn)定期(12～17 d)，ABR各格室的生物量分別為8.5、8.69、10.5和9.27 g·L－1，較基礎(chǔ)狀態(tài)時變化不大，說明進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的降低有效提高了厭氧活性污泥的活性.在運(yùn)行的第2階段初期，ABR對COD的去除率顯著增加，但隨后又逐漸回落并維持在第1階段穩(wěn)定期的水平，在該階段的穩(wěn)定期(26～31 d)，其COD平均去除率為77%.在ABR運(yùn)行的第3階段，將進(jìn)水COD和OLR分別提高到8 000 mg·L－1和 5.4 kg·m－3·d－1，系統(tǒng)再一次達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(60～65 d)，其COD平均去除率增加到81.6%.在第4運(yùn)行階段，將HRT延長為 48 h(OLR 4 kg·m－3·d－1)后，系統(tǒng)對 COD的去除效率再一次呈現(xiàn)出上升趨勢，最終穩(wěn)定在90%上下(78～83 d)，效果比較理想.以上結(jié)果說明，較長的HRT、較高的有機(jī)物質(zhì)量濃度有利于系統(tǒng)微生物群落活性的提高.

圖1 ABR系統(tǒng)的COD質(zhì)量濃度變化及總?cè)コ?/p>

2.2 產(chǎn)氣速率及氣體組分

如表3所示，對于OLR均為4.0 kg·m－3·d－1的第1、2、4階段，在HRT從24 h逐步延長到36 h和48 h時，ABR的平均產(chǎn)氣總量從33.3 L·d－1分步提高到39.7和52 L·d－1.這一結(jié)果同樣表明，在OLR不變的情況下，適當(dāng)延長HRT有助于各類厭氧微生物菌群代謝活性的發(fā)揮.從各格室的產(chǎn)氣量變化趨勢分析，這種良性刺激的強(qiáng)度表現(xiàn)為從前端格室到后端格室逐級增強(qiáng).

由于第3階段的OLR顯著高于第1、2、4階段，ABR在相應(yīng)穩(wěn)定期所表現(xiàn)出的產(chǎn)氣量最高，平均為55.4 L·d－1.值得關(guān)注的是，在此階段，對ABR總產(chǎn)氣量的主要貢獻(xiàn)者是第2和第3格室，分別為14.5和14.9 L·d－1，而第1、4格室的產(chǎn)氣量卻較其他運(yùn)行階段略有下降.分析認(rèn)為，在ABR前2個格室中以產(chǎn)酸發(fā)酵菌群占據(jù)優(yōu)勢，污泥形態(tài)多為絮狀結(jié)構(gòu)，在HRT或上升流速一定的情況下，其懸浮絮狀污泥的保有量是一定的，在OLR從4.0 kg·m－3·d－1提高到5.4 kg·m－3·d－1后，進(jìn)水中原有的有機(jī)物就會有更多的剩余從第1格室進(jìn)入后續(xù)格室，這無疑會增強(qiáng)后者的產(chǎn)酸發(fā)酵作用而削弱其產(chǎn)甲烷作用.另外，比較表3中第3階段各格室的甲烷體積分?jǐn)?shù)可知，OLR提高對ABR系統(tǒng)造成的影響在第2格室最為顯著，第3和第4格室次之.從ABR各格室發(fā)酵氣的組成分析，在各運(yùn)行階段，第1至第4格室發(fā)酵氣中的氫氣體積分?jǐn)?shù)逐級下降，而甲烷趨勢相反，說明包括同型產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌在內(nèi)的耗氫菌群得到了逐級強(qiáng)化.尤其是產(chǎn)甲烷菌群的強(qiáng)化，為ABR系統(tǒng)高效去除有機(jī)污染物提供了保障.

表3 ABR在各運(yùn)行階段穩(wěn)定期的平均產(chǎn)氣量及其組分

2.3 液相末端發(fā)酵產(chǎn)物

液相末端發(fā)酵產(chǎn)物(EFP)在總量和成分上的變化反映了發(fā)酵系統(tǒng)微生物菌群的代謝活性和群落構(gòu)成的改變［5］.在整個調(diào)控運(yùn)行期間，EFP在ABR第2格室的總量始終顯著高于第1格室，而其后的第3和第4格室則逐級迅速下降(表4).這一現(xiàn)象表明，在ABR的前2個格室是產(chǎn)酸發(fā)酵菌群占據(jù)優(yōu)勢，而消耗VFAs的菌群則從第3格開始成為優(yōu)勢微生物.如表4所示，在維持OLR 4.0 kg·m－3·d－1不變的條件下，當(dāng) HRT 從 24 h延長為36 h后，ABR第1和第2格室的EFP總量升高，產(chǎn)酸發(fā)酵微生物活性顯著增強(qiáng)，而第3和第4格室EFP總量相應(yīng)降低，說明后兩個格室中VFAs的微生物代謝活性同樣得到了提升.

在ABR運(yùn)行的第3階段，OLR升高后，第1格室的EFP總量稍有增加，在第2、3格室則大幅提高，而第4格室的 EFP總量卻從變化前的825 mg·L－1下降為 684 mg·L－1;維持進(jìn)水 COD質(zhì)量濃度8 000 mg·L－1不變，將HRT從36 h延長為 48 h，使 ABR的 OLR再一次回歸到4.0 kg·m－3·d－1后，由于基質(zhì)總量的減少，各格室EFP的總量都較第3階段有顯著降低.但與OLR相同的第1和第2運(yùn)行階段相比，系統(tǒng)最終出水(第4格室)的 EFP總量大幅下降，僅為347 mg·L－1，說明ABR系統(tǒng)對有機(jī)污染物的去除效能得到了顯著加強(qiáng).

通過表4的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各格室EFP中的各種VFAs和乙醇質(zhì)量濃度，均隨OLR的改變而發(fā)生了變化，這可能與系統(tǒng)中的微生物群落演替有關(guān)，后文將對此進(jìn)行深入分析.

表4 ABR在各階段穩(wěn)定期的平均末端發(fā)酵產(chǎn)物與pH

2.4 生物量

經(jīng)檢測，ABR在第1階段的穩(wěn)定期，第1至第4格室的生物量MLVSS分別為8.5、8.7、10.5和9.3 g·L－1.在第2階段的穩(wěn)定期，MLVSS分別上升為9.4、10.2、11.4 和9.7 g·L－1.可見，在OLR相同的情況下，較長的HRT有利于微生物代謝活性和有機(jī)物降解率的提高，因而促進(jìn)了厭氧活性污泥微生物的增殖.在ABR運(yùn)行的第3階段依此規(guī)律繼續(xù)增殖，且此時ABR系統(tǒng)的厭氧活性污泥已經(jīng)顆粒化.在ABR中，顆粒污泥物理結(jié)構(gòu)和理化特征是影響其良好性能的關(guān)鍵［6］.當(dāng)ABR在運(yùn)行的第4階段OLR回歸為4.0 kg·m－3·d－1后，第1至第4格室在穩(wěn)定期的MLVSS分別為9.8、11.8、14.5 和16.1 g·L－1，除了第1 格室的 MLVSS回落到與第3階段穩(wěn)定期相當(dāng)?shù)乃酵猓渌鞲袷业腗LVSS沒有出現(xiàn)顯著的衰減.較高的生物持有量為ABR厭氧廢水處理系統(tǒng)的有效穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ).

3 討論

與單相厭氧生物處理反應(yīng)器相比，ABR具有明顯的生物相分離特性，即產(chǎn)酸發(fā)酵菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群等，沿程分布于各格室并呈現(xiàn)不同的優(yōu)勢度，逐級將有機(jī)物分解為甲烷和二氧化碳等［7］.對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、代謝速度快的產(chǎn)酸相微生物類群(產(chǎn)酸發(fā)酵菌群)位于ABR的前端格室，可以極大削弱有機(jī)負(fù)荷沖擊對后端格室微生物類群的影響，尤其是對環(huán)境變化敏感的產(chǎn)甲烷菌群起到了保護(hù)作用.進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和HRT的變化都會對ABR造成負(fù)荷沖擊，進(jìn)而可能影響到各類功能菌群在各格室分布的優(yōu)勢度，使ABR表現(xiàn)出不同的運(yùn)行特征.

在ABR 4個調(diào)控運(yùn)行階段的穩(wěn)定期，第1和第2格室均呈現(xiàn)出顯著的VFAs累積現(xiàn)象(表4)，其發(fā)酵氣中的甲烷質(zhì)量濃度最多也未超過38%(表3)，說明產(chǎn)酸發(fā)酵菌群在這兩個格室中占據(jù)優(yōu)勢.VFAs從第3格室開始出現(xiàn)顯著的衰減，尤其是乙酸質(zhì)量濃度的大幅下降(表4)和發(fā)酵氣中甲烷質(zhì)量濃度的顯著提高(表3)，表明產(chǎn)甲烷菌群在后端格室逐漸占據(jù)優(yōu)勢.ABR在第1運(yùn)行階段的穩(wěn)定期，其出水(第4格室)中包括乙醇和VFAs在內(nèi)的EFP總量達(dá)1 060 mg·L－1，說明在 HRT 24 h 條件下，ABR 前端格室對廢水中有機(jī)物的產(chǎn)酸發(fā)酵代謝并不充分，導(dǎo)致后端格室仍然表現(xiàn)出一定程度的產(chǎn)酸發(fā)酵作用.在ABR運(yùn)行的第2階段，雖然OLR與第1階段相同，但由于HRT延長到36 h，系統(tǒng)出水中的EFP降低到825 mg·L－1(表4)，而第3和第4格室發(fā)酵氣中的甲烷質(zhì)量濃度也分別從第1階段的47.1%和48.3%提高到了52%和54.7%(表3).這一結(jié)果一方面表明前端格室厭氧活性污泥中產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的優(yōu)勢得到了加強(qiáng)，同時說明后端格室中代謝乙醇和VFAs的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群優(yōu)勢也得到了壯大.第3階段的OLR提高和第4階段的HRT進(jìn)一步延長，有效刺激了各類厭氧菌群的活性，使ABR系統(tǒng)的產(chǎn)酸發(fā)酵菌群和產(chǎn)甲烷菌群的相分離特征更加明顯，系統(tǒng)出水中的EFP分別降低為684和347 mg·L－1，第3和第4格室發(fā)酵氣中的甲烷質(zhì)量濃度在第3和第4運(yùn)行階段分別達(dá)46.5%、53%和51%、58.9%.

產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的營養(yǎng)生態(tài)位位于產(chǎn)酸發(fā)酵菌群和產(chǎn)甲烷菌群之間，它們將產(chǎn)酸發(fā)酵菌群代謝產(chǎn)生的乙醇、丙酸和丁酸等轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳，為產(chǎn)甲烷菌提供了可以直接利用的營養(yǎng)底物.由表4可以看出，在ABR 4個運(yùn)行階段的穩(wěn)定期，乙醇質(zhì)量濃度始終在第1格室最高，并表現(xiàn)出逐格室沿程降低的趨勢，而丁酸和丙酸降解則主要發(fā)生在后端2個格室，尤其突出表現(xiàn)在第4格室.可見，氧化乙醇的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌在生態(tài)位上與產(chǎn)酸發(fā)酵菌群更為接近，而氧化丁酸和丙酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群則與產(chǎn)甲烷菌群的生態(tài)位重疊更多.研究表明［8］，乙醇、丙酸和丁酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸過程主要受控于反應(yīng)系統(tǒng)的氫分壓(pH2)，其中pH2對乙醇產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸代謝的抑制作用最弱，而對丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸代謝的抑制作用最強(qiáng).從表3可以看出，在4個運(yùn)行階段穩(wěn)定期，第1至第4格室發(fā)酵氣中的氫氣體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)逐格室下降的態(tài)勢.因此，在ABR系統(tǒng)中，乙醇的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用可以出現(xiàn)在前端格室，而丁酸和丙酸的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用只能發(fā)生在pH2較低的后端格室中.

在產(chǎn)酸發(fā)酵菌群和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的代謝過程中，均有大量的氫氣產(chǎn)生.系統(tǒng)中的低pH2條件需要消耗氫氣的菌群代謝才能得以維持，這類菌群主要包括同型產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群.從ABR第1至第4格室發(fā)酵氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)的逐級降低以及CO2體積分?jǐn)?shù)同步下降這一變化規(guī)律分析，各格室都有耗氫菌群的存在，而從乙酸在第1和第2格室的積累以及在第3和第4格室的消減規(guī)律分析，同型產(chǎn)乙酸菌群應(yīng)該主要分布于前端2個格室，而產(chǎn)甲烷菌群則主要分布于后端2個格室.

綜上所述，ABR在運(yùn)行過程中，可以在各格室出現(xiàn)不同的優(yōu)勢菌群，各格室的厭氧微生物群落呈現(xiàn)出沿程更迭的變化規(guī)律.這一生物相分離特征會受OLR的影響，即進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和HRT的改變，將導(dǎo)致ABR系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，并最終影響到系統(tǒng)的運(yùn)行特征和效能.

4 結(jié)論

1)通過進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和HRT的調(diào)控，可使參與厭氧消化過程的各功能菌群在ABR系統(tǒng)中的分布更加有序，分布于前端格室中的產(chǎn)酸發(fā)酵菌群有效保護(hù)了后端格室中的環(huán)境敏感菌群(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌等)的代謝活性，可有效提高系統(tǒng)的處理效能和運(yùn)行穩(wěn)定性.

2)氫分壓對ABR系統(tǒng)中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用具有明顯的反饋抑制作用，其中，對乙醇產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸代謝的抑制作用最弱，而對丙酸代謝的抑制最強(qiáng)，這在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的群落演替方向和各個功能格室的頂級群落結(jié)構(gòu).

3)通過適當(dāng)延長HRT、提高進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的運(yùn)行方式，可提高ABR的廢水處理效能.在有機(jī)負(fù)荷為4 kg·m－3·d－1、HRT 為48 h 的條件下，COD去除率可穩(wěn)定在90%以上.

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Impact of organic loading rate on the performance and pollutant removal efficiency in an ABR

LI Jian－zheng，NI Jia，ZHENG Guo－chen，TAI Xiao－h(huán)ui，ZHANG Yan

(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，ljz6677@163.com)

To improve the pollutant removal efficiency of anaerobic baffled reactor(ABR)，the influence of organic loading rate(OLR)on the treatment system was investigated based on adjustment of influent COD concentration and hydraulic retention time(HRT).The available volume of the ABR was 28.75 L.The results indicated that the adjustment of influent COD and HRT with the OLR ranged from 4 to 5.4 kg·m－3·d－1could make all kinds of function flora that participated the anaerobic digestion process distribute more orderly in the ABR system，and the pollutant removal efficiency and the stability of the reactor were improved effectively.A COD removal rate above 90%can be achieved in the ABR when OLR is 4 kg·m－3·d－1，the influent COD is 8 000 mg·L－1and HRT is 48 h.

anaerobic baffled reactor(ABR);removal efficiency;organic load rate(OLR);COD concentration;hydraulic retention time(HRT)

X703

A

0367－6234(2011)08－0050－05

2010－05－09.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA05Z19);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07207－005－02);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2009RFXXS004).

李建政(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 劉 彤)