李亞新，李玉瑛
太原理工大學(xué)環(huán)境工程系，山西太原030024

　　摘　要：形成顆粒污泥和可以在常溫下處理低濃度廢水是厭氧序批式反應(yīng)器的兩個(gè)基本特征。文中討論了厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）的進(jìn)水時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間之比、堿度和溫度對(duì)ASBR運(yùn)行的影響以及ASBR一個(gè)運(yùn)行周期中各時(shí)間段的確定。
　　關(guān)鍵詞：污水處理生化處理；厭氧序批式反應(yīng)器
　　中圖分類號(hào)：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2002）01－0004－03

前言

　　在高效的廢水處理工藝方面，各國(guó)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(guó)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（Anaerobic Sequencing Batch Reactor），簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)單、運(yùn)行方式靈活、生化反應(yīng)推動(dòng)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(shí)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(zhǎng)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(shuō)明利用CO₂和H₂的產(chǎn)甲烷菌對(duì)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(shí)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(shì)。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^[1]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(duì)。利用速率快，Thide等人對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，ASBR啟動(dòng)所需時(shí)間可以大大縮短，這就克服了普通厭氧法啟動(dòng)慢的缺點(diǎn)。

2 ASBR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(shí)處理廢水，溫度低時(shí)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(shí)，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(shí)，ASBR對(duì)CODcr的去除率仍然超過了85％。

3 影響ASBR運(yùn)行的因素

3.1 進(jìn)水時(shí)間（tf)與反應(yīng)時(shí)間(tr）之比
　　ASBR藝過程是一個(gè)非穩(wěn)定過程，反應(yīng)器中有機(jī)物濃度是時(shí)間的函數(shù)。進(jìn)水結(jié)束時(shí)達(dá)最高值，這說(shuō)明充水時(shí)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(gè)階段。沉淀和排水時(shí)間在同一反應(yīng)中一般固定且時(shí)間短，而進(jìn)水時(shí)間與反應(yīng)時(shí)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(shí)間加長(zhǎng)，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(shí)，反應(yīng)速率成零級(jí)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(shí)，甲烷化能力急劇下降。進(jìn)水時(shí)間長(zhǎng)，盡管反應(yīng)速度慢，但中間產(chǎn)物VFA的及時(shí)消耗有利于ASBR順利進(jìn)行。在低負(fù)荷時(shí)tf／tr值對(duì)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(shí)應(yīng)適當(dāng)控制tf/tr值。
3.2 堿度
　　ASBR運(yùn)行時(shí)要求混合液具有一定的pH緩沖能力，啟動(dòng)初期顆粒污泥沒有形成時(shí)，對(duì)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(shí)，產(chǎn)氣明顯增加，說(shuō)明進(jìn)水堿度對(duì)形成的顆粒污泥作用很關(guān)鍵，特別在低溫時(shí)，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(shí)，容易造成污泥上浮使污泥大量流失。出現(xiàn)這種情況時(shí)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(lái)，使沉降性能變好。操作穩(wěn)定時(shí)，適于增大負(fù)荷，此時(shí)顆粒污泥生長(zhǎng)加快，當(dāng)顆粒污泥形成并穩(wěn)定一段時(shí)間后，操作適當(dāng)時(shí)不易解體。此時(shí)堿度可比啟動(dòng)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(shí)，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(jià)處理廢水提供了可能性。但恒溫對(duì)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(duì)生長(zhǎng)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?huì)對(duì)厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生明顯的影響，高溫發(fā)酵時(shí)最為敏感。

4 ASBR各階段所需時(shí)間的確定

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

　　t_min=t_f+t_r+t_s+t_d 　　　　　　　（1）

4.1 進(jìn)水時(shí)間
　　 進(jìn)水時(shí)間由進(jìn)水體積和進(jìn)水速度決定，同時(shí)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(jì)的HRT有機(jī)負(fù)荷及預(yù)定的沉淀特征確定。進(jìn)水時(shí)間由下式求出：

　　t_f=V_f／Q_f　　　　（2）

　　式中：Vf－－進(jìn)水體積，L；
　　　 　 Qf--進(jìn)水速度，L/h。
4.2 反應(yīng)時(shí)間
　　反應(yīng)所需時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述反應(yīng)器中基質(zhì)濃度的變化情況時(shí)，基質(zhì)去除率是按一級(jí)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(shí)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(jì)，進(jìn)水階段完全混合時(shí)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(shí)打共進(jìn)水體積，為時(shí)間的函數(shù)。

　　　　

　　聯(lián)合(4)式和(5）式可得出進(jìn)水結(jié)束時(shí)的基質(zhì)濃度，通常采用迭代法可解出，開始進(jìn)水時(shí)間為t時(shí)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(shí)間為t+△t時(shí)基質(zhì)濃度為：

　　

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

　　tr=Ks/KX[ln(Sf/Se+(Sf-Se)/Ks] 　　　　　(8)　　　　

　　式中：Se---設(shè)計(jì)的出水基質(zhì)濃度，mg／L。
4.3 沉淀時(shí)間
　　沉淀階段停止攪拌，為理想的靜止沉淀。沉淀所需時(shí)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(shí)間不宜過長(zhǎng)，通常為10－30min。沉淀時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)繼續(xù)產(chǎn)出的生物氣使已沉降的污泥重新懸浮起來(lái)。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(shí)間
　　排水所需時(shí)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(shí)間可由下式得出：

　　td=Vd/Qd 　　　　　(10)

5 結(jié)語(yǔ)

　　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(dòng)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。

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　　作者簡(jiǎn)介：李亞新(1941--)，男，遼寧義縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，liyax@tyut.edu.cn