黃永恒 王建龍 文湘華 錢易
(清華大學環境科學與工程系)

1 新型厭氧反應器及新工藝理念

　　實踐表明，一個成功的反應器必須是：①具備良好的截留污泥的性能，以保證擁有足夠的生物量；②生物污泥能夠與進水基質充分混合接觸，以保證微生物能夠充分利用其活性降解水中的基質。同時，研究人員基于對各類化合物厭氧降解機理研究的進展，從厭氧底物降解途徑和動力學兩方面入手，分析提高和保持反應器內微生物活性的可能措施，并與反應器的設計相結合，全面提高反應器的性能。
　　厭氧過程實質是一系列復雜的生化反應，其中的底物、各類中間產物、最終產物以及各種群的微生物之間相互作用，形成一個復雜的微生態系統，類似于宏觀生態中的食物鏈關系，各類微生物間通過營養底物和代謝產物形成共生關系(symbiotic)或共營養關系(symtrophic)。因此，反應器作為提供微生物生長繁殖的微型生態系統，各類微生物的平穩生長、物質和能量流動的高效順暢是保持該系統持續穩定的必要條件。如何培養和保持相關類微生物的平衡生長已經成為新型反應器的設計思路。
　　Lettinga教授^[1]在展望未來厭氧反應器發展動向時指出，現有的各類高效厭氧反應器中，上流式污泥床(USB)系統是最受歡迎的，也是最有發展前途的，上流式厭氧污泥床(UASB)系統在全球范圍的風行可以作為例證。USB系統的一個優點是反應器內水流方向與產氣上升方向相一致，一方面減少堵塞的機會，另一方面加強了對污泥床層的攪拌作用，有利于微生物與進水基質的充分接觸，也有助于形成顆粒污泥。關于新型高效反應器，Lettinga在推薦膨脹顆粒污泥床反應器EGSB(Expanded Granular Sludge Bed)的同時，提出了另一個極有前途，同時也是極富挑戰性的新工藝，即分階段多相厭氧反應器技術SMPA(Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor)^[1]。
　　實際上SMPA并非特指某個反應器，而是一種新工藝思想。據稱，該工藝將適用于各類溫度條件，從低溫(<10 ℃)直到高溫(>55℃均可運行，對于各種含抑制性化合物的化工廢水也能適應。?
　　SMPA的理論思路是：
　　① 在各級分隔的單體中培養出合適的厭氧細菌群落，以適應相應的底物組分及環境因子(pH,H₂分壓值等)；?
　　② 防止在各個單體中獨立發展形成的污泥互相混合；
　　③ 各個單體內的產氣互相隔開；
　　④ 工藝流程更接近于推流式，系統因而擁有更高的去除率，出水水質更好。
　　從上述的思路可以看出，SMPA的理論依據來源于對厭氧降解機理的最新理解。Lettinga指出，組成SMPA的單體反應器既可是EGSB，也可是UASB。

2 折流式厭氧反應器

　　折流式厭氧反應器(Anaerobic Baffled Reactor)是Bachman和McCarty等人^[2]于1982年前后提出的一種新型高效厭氧反應器，其構造如圖1。

　　反應器特點是：內置豎向導流板，將反應器分隔成串聯的幾個反應室，每個反應室都是一個相對獨立的上流式污泥床(USB)系統，其中的污泥可以是以顆粒化形式或以絮狀形式存在。水流由導流板引導上下折流前進，逐個通過反應室內的污泥床層，進水中的底物與微生物充分接觸而得以降解去除。
　　雖然在構造上ABR可以看作是多個UASB反應器的簡單串聯，但工藝上與單個UASB有顯著不同。UASB可近似地看作是一種完全混合式反應器，而ABR則更接近于推流式工藝。與Lettinga提出的SMPA^[3]工藝對比，可以發現ABR幾乎完美地實現了該工藝的思路要點。首先，擋板構造在反應器內形成幾個獨立的反應室，在每個反應室內馴化培養出與該處的環境條件相適應的微生物群落。例如ABR用以處理葡萄糖為基質的廢水時，第一格反應室經過一段時間的馴化，將形成以酸化菌為主的高效酸化反應區，葡萄糖在此轉化為低級脂肪酸(VFA)，而其后續反應室將先后完成各類VFA到甲烷的轉化。通過熱力學分析可知，細菌對丙酸和丁酸降解只有在環境H₂分壓較低的情況下才能進行^[4]，而有機物酸化階段是H₂的主要來源，產甲烷階段幾乎不產生H₂。與單個UASB中酸化和產甲烷過程融合進行不同，ABR反應器有獨立分隔的酸化反應室，酸化過程產生的H₂以產氣形式先行排除，因此有利于后續產甲烷階段中丙酸和丁酸的代謝過程在較低的H₂分壓環境下順利進行，避免了丙酸、丁酸過度積累所產生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各個反應室中的微生物相是隨流程逐級遞變的，遞變的規律與底物降解過程協調一致，從而確保相應的微生物相擁有最佳的工作活性。其次，同傳統好氧工藝相比，厭氧反應器的一個不足之處是系統出水水質較差，通常需要經過后續處理才能達標排放。而ABR的推流式特性可確保系統擁有更優的出水水質，同時反應器的運行也更加穩定，對沖擊負荷以及進水中的有毒物質具有更好的緩沖適應能力。值得指出的是，ABR推流式特點也有其不利的一面，在同等的總負荷條件下與單級的UASB相比，ABR反應器的第一格不得不承受遠大于平均負荷的局部負荷。以擁有5格反應室的ABR為例，其第一格的局部負荷為其系統平均負荷的5倍。如何降低局部負荷過載的不利影響還有待于深入探討。

3 ABR的研究現狀及應用前景

　　目前關于ABR反應器的研究尚處于實驗室階段。英國的一些研究機構在反應器的工藝特性方面做了較多的研究。
　　ABR的工藝特性與其水力特性緊密相關。對于ABR的水力學特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey^[3]和天津大學的郭靜^[10]研究表明：ABR反應器在沒有回流和攪拌的條件下，混合效果良好，死區百分率低。反應死區可以分為生物死區和水力死區，生物死區來源于污泥所占的體積以及污泥對水力條件的改變；水力死區則可通過改善反應器構造設計而減小。在單個反應室內，水力特性接近于完全混合式，而從整體效果上看，則近似于推流式。由于ABR的水力特性較復雜，二者均未能就其流態提出一個較好的數學模型。其水力死區的計算借用了化學反應工程中反應器的流態模型，其合理性尚待進一步考證。關于ABR的工藝特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人^[2]所做。
　　據介紹，ABR反應器運行時污泥床層(常為顆粒污泥)處于流化狀態，廢水中基質的降解和微生物代謝產物的排除均須經由顆粒污泥表面通過擴散作用完成。試驗中ABR的負荷可高達36 gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey^[5]研究了ABR的啟動特性，結果表明，固定進水基質濃度而逐步縮短HRT的啟動方式優于固定HRT而逐漸增大進水基質濃度的啟動方式。另外，ABR對水力負荷沖擊響應迅速但恢復卻快于濃度負荷沖擊。在高水力負荷條件下，反應器內的短流現象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey?^[6]研究了以葡萄糖為基質的ABR在穩定狀態和沖擊負荷情況下的運行特性，系統分析了酸化過程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中間產物在不同運行狀態下沿流程的分布積累狀況。與其它反應器在沖擊負荷條件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的電子受體。此外，無論是在水力或是在濃度負荷沖擊下，ABR均表現出良好的穩定性能，因此有可能適用于工業廢水處理。S.Nachaiyasit^[7]研究了低溫對ABR性能的影響，結果表明在中等負荷條件下，反應器溫度由35 ℃降至25 ℃對COD去除率無明顯影響，當溫度進一步降至15 ℃時，反應器的效率明顯下降，主要原因是低溫降低了細菌的代謝速率，使VFAs的半飽和降解常數Ks增大，同時可溶性細胞代謝產物增加。此外沼氣產量減少也降低了基質與微生物的接觸效率，但通過合理調整工藝設計，可明顯減小低溫對厭氧過程的負作用。T.Setiadi等人研究了出水回流對反應器的影響，著重強調了回流比與系統中堿度及pH之間的關系。
　　此外，復合式(Hybrid)厭氧反應器，即在反應器內的適當部位增設填料也是目前的一個研究方向。復合式ABR(HABR)一般在反應器內各反應室的上部空間架設填料，一方面利用原有的無效容積增加生物總量，更重要的是由于填料的存在，夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之發生碰撞，加速了污泥與氣泡的分離，從而降低了污泥的流失。
　　如前所述，ABR的推流特性使其在處理對細菌有抑制或毒性的物質時具有潛在的優勢，關于這方面的實驗室研究目前剛剛起步。C.J.Holt等人[8]利用ABR與HABR處理含酚廢水，二者都取得很好的效果，其中HABR在進水酚濃度為1 192mg/L(COD)時的去除率為95%。同濟大學的雷中方等^[9]試驗了用ABR處理堿法草漿黑液的可能性。清華大學的戴友芝也正在進行利用ABR降解劇毒物質氯酚的可行性研究，目前實驗結果已相當不錯。

4 結語

　　綜上所述，ABR反應器的特點為：結構簡單、效率高、處理出水好、運行穩定可靠，適用于各類中低濃度有機廢水的處理。
　　ABR反應器在實際工程中進一步推廣之前，仍需要進行大量的試驗，結合機理分析，以便更深入地了解其工藝特性。例如，關于反應器水力特性的研究，關于反應器構造的優化設計，如分隔數的確定、下向流導流板的尺寸大小、下向流區和上向流區間的寬度比例關系等，以及關于沿程各級反應室微生物相的詳細遞變規律，工藝設計參數的確定等，均有待于進一步深入探討。目前尤為缺乏的是在較大規模的中試和實際工程中的試驗。

參考文獻

　　1 Lettinga G,Field J，Van J.Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future.Wat Sci & Tech,35(10):5～12
　　2 Andre Bachman,Virbinia L Beard,Perry L McCarty .Performance characteristics of the anaerobic baffled reactor.Water Res,1985
　　3 Grobicki A,Stuckey D C.Hydrodynamic Characteristics of the Anaerobic Baffled Reactor.1991
　　4 Perter N Hobson,Andrew D Wheatley.Anaerobic Digestion—Modern Theory and Practice.1994
　　5 William P Barber,David C Stuckey.Startup strategies for anaerobic baffled reactors treating a synthetic sucrose feed.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997;2
　　6 Grobicki A,Stuckey D C.Performance of the anaerobic baffled reactor under steady-state and shock loading conditions.Biotech and Bioeng,1991;37:344～355
　　7 Nachaiyasit S，Stuckey D C. Effect of low temperatures on the performance of an anaerobic baffled reactor (ABR).Journal Chem Tech Biotechnol,1997;69:276～284
　　8 Holt C J,Matthew R G S,Terzis E.A comparative study using the anaerobic baffled reactor to treat a phenolic wastewater.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997;2
　　9 雷中方.用厭氧折流板反應器處理堿法草漿黑液.上海環境科學，14(5):19～22
　　10 郭靜，李清雪，馬華年等.ABR反應器的性能及水力特性研究?中國給水排水，1997；13(4)：17～19

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