厌氧生物处理新工艺——厌氧序批式反应器

李亚新，李玉瑛
太原理工大学环境工程系，山西太原030024

　　摘　要：形成颗粒污泥和可以在常温下处理低浓度废水是厌氧序批式反应器的两个基本特征。文中讨论了厌氧序批式反应器（ASBR）的进水时间与反应时间之比、碱度和温度对ASBR运行的影响以及ASBR一个运行周期中各时间段的确定。
　　关键词：污水处理生化处理；厌氧序批式反应器
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）01－0004－03

前言

　　在高效的废水处理工艺方面，各国学者相继开发了各种高效厌氧生物反应器，如厌氧生物滤池（AF）上流式厌氧污泥床（UASB）和厌氧流化床（AFB）等。美国教授Dague等人把好氧生物处理的序批式反应器(SBR）运用于厌氧处理，开发了厌氧序批式反应器（Anaerobic Sequencing Batch Reactor），简称为ASBR。Dague等人发现在ASBR中可以形成颗粒污泥，污泥沉降快且易于保留在反应器内，具有高SRT，低HRT。虽然ASBR运行上类似于厌氧接触法，但ASBR的固液分离在反应器内部进行，不需另设澄清池，不需真空脱气设备。出水时反应器内部生物气的分压使沉淀污泥不易上浮，沉降性能良好。另外，ASBR中不需UASB中的复杂的三相分离器。ASBR具有工艺简单、运行方式灵活、生化反应推动力大并耐冲击负荷等优点。本文将介绍ASBR的特点，运行条件及ASBR运行中各阶段所需时间的确定。

1 形成颗粒污泥是ASBR的基本特征

　　颗粒污泥中厌氧微生物邻近程度远小于絮状体污泥。厌氧消化成功的关键在于反应器中保持多种微生物之间的平衡，特别是能够保持低氢分压。从热力学上考虑，产乙酸菌把长链挥发酸转化为乙酸的反应只有在氢分压^-5低于101.325×10kPa情况下才能发生，这说明利用CO₂和H₂的产甲烷菌对产乙酸菌关系重大。厌氧颗粒污泥中不同菌种之间邻近的共生关系有利于厌氧消化过程的顺利进行，中间产物及H₂及时被不同菌种消耗掉可以使反应继续进行，这是颗粒污泥在机理上的优势。絮状体污泥尽管也发生H₂及中间产物的转化，但颗粒污泥中的微生物固定在颗粒上，使中间产物所需传送的距离远远要近于离散的絮状污泥。Mecart和Smith^[1]发现颗粒污泥与分散的絮状体污泥相比较，前者的氢分压低对。利用速率快，Thide等人对比研究了颗粒污泥与悬浮污泥运行的情况，结果发现以乙醇为基质时，颗粒污泥较悬浮污泥的基质转化率高75％，以甲酸为基质时，在颗粒污泥中基质转化速率为0.275／min。这充分证明颗粒污泥中厌氧微生物邻近度近于絮状体污泥，可以提高污泥活性。由于在ASBR中形成了颗粒污泥，使处理效果好，运行稳定，能够处理高浓度有机废水。
　　在接种成熟的颗粒污泥时，ASBR启动所需时间可以大大缩短，这就克服了普通厌氧法启动慢的缺点。

2 ASBR能在常温下处理低浓度废水

　　大多数高效厌氧反应器主要为中温消化。ASBR能够在常温时处理废水，温度低时基质去除率低，但ASBR出水中微生物流失量少，使反应器内可保持高的生物量，这可以抵消由于低温造成的基质去除率低的影响。
　　低浓度有机废水在总污水排放量中占很大的比重，甲烷化能力低，采用常规的厌氧消化处理技术难于奏效，好氧生物处理成本昂贵，ASBR能有效地处理低浓度有机废水。Ndon和Dague[3]1997年研究了ASBR处理CODCr为1000、800、600和400mg／L的人工合成废水，当温度为35－15℃、HRT为48h和24h时，各种进水浓度CODcr去除率超过了90％，在15℃低温下进水CODcr为600和400mg／L时，ASBR对CODcr的去除率仍然超过了85％。

3 影响ASBR运行的因素

3.1 进水时间（tf)与反应时间(tr）之比
　　ASBR艺过程是一个非稳定过程，反应器中有机物浓度是时间的函数。进水结束时达最高值，这说明充水时间影响着ASBR的工艺的处理效果。AS－BR工艺运行分为进水、反应、沉淀和排水4个阶段。沉淀和排水时间在同一反应中一般固定且时间短，而进水时间与反应时间是工艺运行的主要参数，其比值影响 ASBR艺的处理效率。过去曾有人认为快速进水可使相应的反应时间加长，且可提高反应速率。但是当基质浓度超过半饱和常数时，反应速率成零级反应，且在ASBR中不能以CODcr去除率作为唯一指标。快速进水由于产酸菌产生挥发性脂肪酸(VFA）速率高于产甲烷菌消耗有机酸的速率，使反应器中大量积累VFA，当负荷大于某一值时，甲烷化能力急剧下降。进水时间长，尽管反应速度慢，但中间产物VFA的及时消耗有利于ASBR顺利进行。在低负荷时tf／tr值对反应影响较小，高负荷情况下tf／tr造成的影响大。处理有毒有害废水时应适当控制tf/tr值。
3.2 碱度
　　ASBR运行时要求混合液具有一定的pH缓冲能力，启动初期颗粒污泥没有形成时，对pH值极为敏感，一旦pH值低于7.0产气不活跃。把pH值调为7.0－7.5时，产气明显增加，说明进水碱度对形成的颗粒污泥作用很关键，特别在低温时，混合液粘滞性大，使生物气泡附着于污泥上不容易释放，当附着的生物气泡越集越多时，容易造成污泥上浮使污泥大量流失。出现这种情况时不应增加污泥负荷，而应加人适当碱度使生物气泡释放出来，使沉降性能变好。操作稳定时，适于增大负荷，此时颗粒污泥生长加快，当颗粒污泥形成并稳定一段时间后，操作适当时不易解体。此时碱度可比启动阶段有所降低，但要保持足够的碱度，处理以碳水化合物为主的废水时，进水碱度与CODcr之比应大于3。
3.3 温度
　　ASBR能在 5～65℃范围内处理多种废水，为在低温和常温下廉价处理废水提供了可能性。但恒温对ASBR保持系统的稳定性有重要作用，不同种群产甲烷菌对生长的温度范围均有严格要求，从而需要保持恒温。不论何种原因导致温度的短期突变，均会对厌氧发酵过程产生明显的影响，高温发酵时最为敏感。

4 ASBR各阶段所需时间的确定

　　ASBR运行时每周期包括4个阶段，依次为进水、反应、沉淀和排水阶段。各个阶段的停留时间由操作条件和所需出水水质来决定。一个周期所需最短时间tmin是进水时间扒反应时间tr、沉淀时间ts和出水时间td的和，即

　　t_min=t_f+t_r+t_s+t_d 　　　　　　　（1）

4.1 进水时间
　　 进水时间由进水体积和进水速度决定，同时须考虑有毒有害物质的抑制影响进水速度视进水水质而定。进水体积由设计的HRT有机负荷及预定的沉淀特征确定。进水时间由下式求出：

　　t_f=V_f／Q_f　　　　（2）

　　式中：Vf－－进水体积，L；
　　　 　 Qf--进水速度，L/h。
4.2 反应时间
　　反应所需时间由废水水质和浓度、污染物的降解速率、所需出水水质、生物固体浓度和水温等因素决定。反应器中混合液体积从进水开始不断增加，直到进水结束达最大值门预定反应器总有效体积人进水时反应器中基质浓度不断增加，而反应阶段反应器中基质浓度不断减少，这表明ASBR是间歇进行的非稳态厌氧生物处理过程人SBR反应器在时间上为推流式反应器，在空间上为完全混合式反应器。从另一个角度出发，可以认为进水阶段为完全混合反应，反应阶段为推流式反应。
　　采用莫诺德动力学方程来描述反应器中基质浓度的变化情况时，基质去除率是按一级反应进行的：

　　dS/dt=-KXS/Ks+S (3)

　　式中：S--基质浓度，mg／L；
　　　　　X--污泥浓度，mg/L；
　　　　　K--最大比基质利用速率，l/d；
　　　　　Ks--半饱和常数，mg／L。
　　由于在厌氧反应器ASBR中污泥产率很低，同时反应器中保持有高污泥浓度，从而可以认为在进水阶段和反应阶段污泥量的变化可忽略不计，进水阶段完全混合时的物料平衡为下式：

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

　　式中：Vf为某时打共进水体积，为时间的函数。

　　　　

　　联合(4)式和(5）式可得出进水结束时的基质浓度，通常采用迭代法可解出，开始进水时间为t时的基质浓度由下式给出：
　　　S=（反应器中基质量)t/（反应器中混合液总体积)t　　 (6)
　　在时间为t+△t时基质浓度为：

　　

　　式中：St---时间为t时的基质浓度，mg／L；
　　　　　Vt----时间为t时的反应器中总体积，L；
　　　　　△t---计算时取得时间间隔；
　　　　　Vmin--进水开始时反应器中混合液体积，L。
　　在△t足够小时，t+△t时的基质浓度可认为与时间为t时基质浓度几乎相等把St代人(7)式可预测在进水结束时的基质浓度Sf，结合式(3）可取出反应所需时间如下：

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

　　式中：Se---设计的出水基质浓度，mg／L。
4.3 沉淀时间
　　沉淀阶段停止搅拌，为理想的静止沉淀。沉淀所需时间是污泥沉淀速度出所需排水体积Vd及反应器横截面积(A)的函数，即

　　　ts=Vd/vA 　　　　(9)

　　但沉淀时间不宜过长，通常为10－30min。沉淀时间过长时继续产出的生物气使已沉降的污泥重新悬浮起来。混合液悬浮固体浓度MLSS，进料量与污泥量之比（F／M）是影响污泥沉淀速率及出水浓度的重要因素。
4.4 节水时间
　　排水所需时间由所排放水的体积及出水流量Qd决定，通常为了保持反应器中混合液恒定体积，排水体积等于该周期进水体积，排水时间可由下式得出：

　　td=Vd/Qd 　　　　　(10)

5 结语

　　ASBR同其它厌氧反应器比较有如下特点：
　　①ASBR能形成颗粒污泥，同UASB和AF相比，在反应器底部不需要复杂且昂贵的配水系统，也不需要复杂的三组分离器。
　　②ASBR在动力学上有显著的优越性，F／M值高低交替变化，既保证了反应阶段的高去除率，又保证了沉淀阶段的良好沉淀效果。
　　③ASBR能够在较大的温度范围内(5～65℃)运行，可在低温和常温下处理各种高浓度、低浓度和特种有机废水。

参考文献：

　　[1] McCarty P L，Smith D P.Anaerobic Wastewater Treatment[J].En－vironmental Sci TeChnol，1986，20（12）：1200－1206.
　 ［2］Thiele J H，zeikus J G.Control of Interspecies Electron Flow DuringAnaerobic Digestion：Stpmcance of Formate Transfer Versus Hy－drogen Transfer During Syntrophic Methanogensis in Flocs[J].Ap－pl Environ Microbiol，1988，54（1）：20－29.
　　 [3] Ndon U J，Dague R R.Effects of Temperature and Hydraulic Reten－tion Time on Anaerobic Sequencing Batch Reactor Treatment ofLow--Strength Wastewater［J］.Water Research，1997，31（10）：2455—2466.

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　　作者简介：李亚新(1941--)，男，辽宁义县人，教授，博士，博士生导师，[email protected]