高负荷厌氧新工艺——厌氧序批式反应器

李亚新， 田扬捷
（太原理工大学环境与市政工程系，山西 太原 030024）

　　摘 要： 介绍了厌氧序批式反应器(ASBR)工艺的基本操作方式，高负荷运行的机理及国外关于污泥颗粒化和利用ASBR技术的最新研究进展。
　　关键词： ASBR； 污泥颗粒化； 污水处理
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：B
　　文章编号： 1000-4602(2000)09-0024-03

　　近年来，美国Dague教授及其合作者对一种新型厌氧反应器进行了研究，这种新型厌氧反应器正是将SBR工艺应用于厌氧生物处理，并正式命名为“厌氧序批式反应器”(AnaerobicSequen-cing Batch Reactor)，简称ASBR(美国专利号：5 185 079)。ASBR工艺对于克服厌氧污泥流失问题是一种具有创新性的解决办法。除此之外，还因为投资省、操作灵活、能够生成颗粒污泥，从而具有较高的去除效率和工艺稳定性，并能适应常温下处理低浓度废水等优点而越来越引起人们的重视。

　　1 基本操作

　　ASBR工艺的运行以间歇操作为主要特征。每个ASBR池的运行操作在时间上是按次序排列的 ，一般可按运行次序分为四个阶段，即进水、反应、沉淀和排水阶段，称为一个运行周期( 见图1)。

　　进水阶段：废水进入ASBR反应器，同时进行搅拌，基质浓度迅速增加，根据Monod动力学方 程，微生物代谢速率也相应增大，直到进水完毕达到最大值。进水体积的确定基于许多因素，包括预先设定的水力停留时间(HRT)、有机负荷率(OLR)以及污泥的沉淀性能。
　　反应阶段：该阶段是有机物转化为生物气的关键步骤，反应所需时间取决于几个因素，包括 废水成分和浓度、要求达到的水质、活性污泥浓度、搅拌效果以及温度。其中，搅拌对于均化环境条件(温度、pH值、基质浓度等)是很重要的。但是Dague教授认为，过强的搅拌会剪 碎污泥絮体，从而导致较差的沉淀效果。同时在研究中发现：间歇搅拌(2min/h)与连续搅 拌相比，COD去除率基本不变，而污泥沉降性能得到改善，产气增多。由此Dague认为，间 歇搅拌比连续搅拌更加优越。
　　沉淀阶段：停止搅拌，ASBR池此时的功能和沉淀池相同，以达到充分的固液分离。所需的沉 淀时间有所不同，取决于污泥的沉降能力，典型值在10～30 min范围内。反应器内的MLSS浓 度是影响污泥沉降速度和待排上清液澄清程度的一个重要变量，另一个重要变量是F∶M(食 料∶微生物)值。
排水阶段：经过充分的固液分离后进行排水，排水体积一般与本周期进水体积相等，排水时 间由排水体积和排水流量确定。一旦排水结束，即可进行下一周期的操作^［1］。

　　2 工艺分析

　　2.1 固液分离
　　ASBR工艺与普通厌氧活性污泥法的一个显著差别在于固液分离过程是在反应器内部进行，这 种内部澄清过程免去了对出水的脱气处理。而目前的普通厌氧活性污泥法一般需要对出水进 行脱气，以利于后继的沉淀过程，原因是出水排出反应器进入大气后，生物气的分压会大大 降低，从而导致CO?2等气体逸出，使得污泥易于上浮。ASBR工艺则可避免这种情况的发生 ，因为在反应器内生物气的分压是恒定的。这种内部沉降的方式可以使污泥迅速沉降，从而 有能力既维持较长的污泥停留时间(SRT)，又可处理更多的废水(较短的水力停留时间HRT)^［1］。
　　2.2 有机负荷(F/M)
　　Dague和Mckinney报道了厌氧活性污泥具有类似于好氧活性污泥的生物絮凝现象，而有机负荷正是影响厌氧生物絮凝的重要参数。当F/M值较低时，污泥絮凝较好，且沉降迅速，使得 出水悬浮物较低^［1］。这就提出了一个问题：“如何才能维持较低的F/M值以 获得高效的絮凝和固液分离，同时仍然在高负荷下运行”。较低的F/M值可通过降低食料浓度(F)和(或)增加微生物量(M)来达到，而反应器中的微生物量是有一定限度的，受到固液分 离效果的制约。另一个变量是食料浓度(F)，在连续流反应器中，基质的降解处于稳态，即 微生物周围的食料浓度是恒定的；相反，在ASBR反应器中，进水阶段完成后，食料浓度达到 最高，然后开始下降，沉淀时达到最小值。沉淀时的基质浓度低于连续进水系统的任何时侯，所以，ASBR工艺能够获得比连续进水的普通厌氧活性污泥法更高效的生物絮凝(甚至颗粒化)和固液分离效果。
　　上述现象是ASBR工艺的一项关键特征。在反应器内任何确定的MLSS浓度下，进水结束瞬间的F∶M值较高，为微生物的代谢过程提供了较大的推动力。其基质浓度的变化在时间上是一个 理想的推流过程，这使得ASBR工艺具有较高的效率。
　　2.3 污泥颗粒化
　　ASBR工艺的一个重要特征是反应器内的絮状污泥能够逐渐转变为沉降好、活性高的颗粒污泥 。颗粒化是由于微生物互相吸附或者吸附在惰性载体上，形成坚实、致密的颗粒。在排水时 施加一定的选择压，ASBR工艺能够加速颗粒化进程，排水时洗出沉淀性能差的絮体和分散态 有机物，留下较重的、沉降迅速的微生物聚集体，这样经过一段时间后，颗粒污泥在反应器 中逐渐占据主导地位，使得反应器内污泥的沉降性能强、系统稳定性高，从而能够达到较高 的处理负荷^［2］。
　　加快反应器中污泥颗粒化的速度能够大大缩短达到一定负荷率所耗费的启动时间。Wirtz等研究了不同的方法以加速颗粒化进程，这些方法包括：投加粉状活性炭(PAC)、颗粒活性 炭(GAC)、石榴石、硅砂、非离子聚合物、三氯化铁、阳离子絮凝剂等。结果阳离子 絮凝剂的效果最好，与未采用任何辅助方法的ASBR反应器相比，颗粒化时间能缩短75%，启 动后一个月内即出现颗粒，2个月左右负荷率即达到6 g/(L·d)；其次是GAC，能缩短颗粒化时间约1.5～2个月；PAC能缩短颗粒化时间1个月；至于其他方法，均未观察到明显的效果^［2］。

　　3 试验研究

　　Dague等人在美国Iowa州立大学利用一系列ASBR反应器进行了处理脱脂奶粉模拟废水的试验研究。在?HRT分别为48、24、12 h的条件下，COD负荷率从2g/(L·d)增至12 g/(L·d)，溶解性COD(SCOD)去除率均超过90%。同时还发现，反应器的高径比(H/D)对 污泥絮凝、颗粒化及沉淀速度影响很大，测定结果表明，当反应器内MLSS浓度相同时，H/D值越大，反应器内区域沉淀速度越大，形成的颗粒污泥粒径也越大^［1］。
　　将厌氧工艺应用于常温下处理低浓度废水是当前的一个研究热点。ASBR工艺能够做到这一点，其理论根据是：由于生物絮凝/颗粒化和沉淀阶段的低产气速率，ASBR反应器能够高效率 地保持活性污泥不流失，如果在低温下运行，活性污泥的内源呼吸速率也相应降低，从而使反应器内的污泥浓度增加，抵消了温度下降带来的影响。
　　Ndon等人在1997年的试验中发现：在35、25、20、15 ℃的不同温度下，用ASBR工艺处理COD浓度分别为1000、800、600、400mg/L的人工合成废水，均取得了80%～90%的去除率 。 这一发现说明了ASBR工艺能够在常温下处理低浓度废水，这要比运行费用昂贵、污泥产率高 的好氧处理法明显优越^［3］。
　　Dague等人在1998年试验中进一步证实了上述发现，试验结果显示：在20℃和25℃时，HRT分别为24、16、12、8和6h时，用ASBR工艺处理COD为600 mg/L的人工合成废水，SCOD和BOD₅的去除率均超过90%；在温度仅为5 ℃、HRT为6h的条件下，SCOD和BOD₅去除率分别为62%和75%；在5～20℃之间的不同温度和不同HRT条件下，SCOD去除率在62%～90%之间，BOD₅去除率在75%～90%之间^［4］。

　　4 结语

　　由ASBR的基本操作方式和工艺特点可以看出，ASBR工艺与现在广泛应用的连续流厌氧工艺相比，具有如下特点：
　　① 由于反应器间歇进水，因此不会产生短流或断流等问题，反应器底部也不必像UASB和AF 那样需要复杂的配水装置。
　　② 活性污泥通过内部沉降而保留，不需另建单独的沉淀池，也不需要脱气和回流设备。 而且由于静沉，沉淀效率高，反应器内能维持较高的MLSS浓度。同样条件下，较高的MLSS浓度能降低F/M值，因此具有更强的耐冲击负荷和处理有毒或高浓度有机废水的能力。
　　③ 与连续流工艺相比，ASBR工艺在动力学上具有显著的优越性，F/M值的高低交替变化， 即保证了反应期间高的去除率，又导致了沉淀阶段的高沉降效率。
　　④ ASBR反应器中能够形成颗粒污泥，使ASBR达到较高的负荷率，操作运行也更加可靠稳定 ，同时也为人工培养颗粒污泥提供了一条新途径。
　　ASBR法的工艺特性顺应了当代污水处理所要求的简易、高效、节能、灵活的发展趋势，是一 种非常适合我国国情的污水处理工艺，尤其适合于食品、医药、啤酒类中小型企业高浓度废 水的处理。

　　参考文献：
　　［1］ Sung S，Dague R R.Laboratory studies on the anaerobic sequencing batch reactor［J］.Water Environment Research,1995,67(3):294-301.
　　［2］ Wirtz R A，Dague R R.Enhancement of granulation and start-up in the anaerobic sequencing batch reactor［J］.Water Environment Research,1996,68( 5):883-892.
　　［3］Ndon U J，Dague R R.Effects of temperature and hydraulic ret ent ion time on anaerobic sequencing batch reactor treatment of low-strength wastewa ter［J］.Water Reserch,1997,31(10):2455-2466.
　　［4］ Dague R R,Banik G C，Ellis T G.Anaerobic sequencing bat ch reactor treatment of dilute wastewater at psychrophilic temperatures［J］.Wa ter Environment Research,1998,70(2):155-160.
　　［5］ 彭永臻.SBR法的五大优点［J］.中国给水排水，1993，9(2)：29-31.

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收稿日期：2000-05-11