1 厭氧折流板反應(yīng)器及其理論研究

　　厭氧反應(yīng)器經(jīng)歷了三代發(fā)展[1]：*代反應(yīng)器與厭氧污泥*混合，以普通厭氧消化池為代表;第二代反應(yīng)器，可以將固體停留時間和水力停留時間分離，注重培養(yǎng)顆粒污泥，代表反應(yīng)器有上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB);第三代反應(yīng)器，在固體停留時間和水力停留時間相分離的前提下，既能保有大量污泥又能使廢水和活性污泥充分混合[2]。厭氧折流板式反應(yīng)器(ABR)屬于第三代厭氧反應(yīng)器，是20世紀(jì)80年代初由美國學(xué)者P. L. McCarty所開發(fā)的。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置了垂直于水流方向的導(dǎo)流板，可將整個反應(yīng)器分隔為幾個反應(yīng)室，廢水由導(dǎo)流板引導(dǎo)上下折流依次通過各個格室，每個格室又是相對獨立的上流式污泥床系統(tǒng)。

　　與此同時，厭氧消化兩階段理論演變?yōu)槿A段理論，兩階段理論把厭氧消化過程分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵過程，而三階段理論則由水解、酸化和產(chǎn)甲烷階段組成。目前，三階段理論被認為是研究厭氧消化方面的主要依據(jù)。參與三階段厭氧消化菌群的相關(guān)理論被歸納為四菌群學(xué)說，在*階段由水解菌、發(fā)酵菌將大分子的有機物分解為簡單的小分子有機物，如纖維素水解為小分子糖類，蛋白質(zhì)水解為氨基酸，脂肪水解為脂肪酸和甘油。第二階段中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和同型產(chǎn)乙酸菌將*階段的水解產(chǎn)物進一步轉(zhuǎn)化為乙酸、CO2和H2 等小分子物質(zhì)。在第三階段中產(chǎn)甲烷菌則利用前面兩個階段的產(chǎn)物將有機物降解為甲烷和二氧化碳氣體等。厭氧消化理論的發(fā)展引導(dǎo)了厭氧反應(yīng)器的研究和進展方向。

　　2 研究現(xiàn)狀

　　ABR是新型的厭氧處理工藝，它具有工藝簡單、操作方便、經(jīng)濟成本較低以及處理效能較高等優(yōu)點，適應(yīng)于多種廢水的處理。

　　2.1 ABR結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化

　　厭氧折流板反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)域被創(chuàng)造性地分隔為上流室與下流室，很多學(xué)者將ABR看作是多個連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)串聯(lián)組成的，這種特殊的折板型結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的污泥保有量。很多研究者就如何優(yōu)化ABR的結(jié)構(gòu)做了廣泛研究。

　　ABR的zui初結(jié)構(gòu)是由K. F. Fannin等[3]將豎向?qū)Я靼逄砑拥酵屏魇椒磻?yīng)器中得到的，研究結(jié)果表明，這樣的改變可以提高反應(yīng)器截留污泥的能力，提高厭氧處理的效率。P. Y. Yang等[4]提出了水平折板式厭氧反應(yīng)器(Horizontally Baffled Anaerobic Reactor，HBAR)，HBAR可以有效地實現(xiàn)固、液兩相分離并且具有占地面積小、操作簡單、成本低等優(yōu)點。

　　用ABR處理廢水時，由于上升的水流會將污泥帶出，使生物量減少，在一定程度上影響出水水質(zhì)，因此A. Tilehe等[5]對ABR做了較大的改動，首先在反應(yīng)器的末端增加沉降室來循環(huán)利用沉積于此的污泥;其次在各個格室上端附加填料可以有效地固定污泥防止其流失;zui后對每個格室產(chǎn)生的氣體進行單獨收集?；谖勰嗔康牧魇?，為保證反應(yīng)器內(nèi)能夠保留足量的污泥，1991年R. Boopathy等[6]對兩格室ABR結(jié)構(gòu)進行了改良，將反應(yīng)器一、二格室的體積比設(shè)計為2∶1。

　　多年來，各國學(xué)者所研究的ABR其形狀多為長方體，而1998年I. V. Skiadas等[7]設(shè)計的周期性折流式厭氧反應(yīng)器(PABR)由兩個同軸圓柱體組成，兩個圓柱之間的圓環(huán)體被豎向?qū)Я靼宸指魹槿舾蓚€扇形的格室，PABR結(jié)構(gòu)與大多數(shù)ABR*不同。

　　2002年S. Uyanik等[8]提出分隔室進水厭氧折流板反應(yīng)器(SFABR)，改進后各個格室按一定比例的流量同時進水，他們認為這樣的進水方式可以解決傳統(tǒng)的單側(cè)進水方式導(dǎo)致的反應(yīng)器中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的高低差異。

　　2.2 ABR的啟動方式

　　實驗中反應(yīng)器能否快速成功啟動是關(guān)乎整個實驗成敗的決定性條件，影響啟動成功的因素包括了反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素、接種污泥中微生物的活性和總量、COD容積負荷、水力停留時間等。

　　1995年S. Nachaiyasit等[9]采用了固定進水COD再逐步減小HRT的方法研究了ABR的運行效能，但由于沒能及時調(diào)節(jié)反應(yīng)器的運行參數(shù)致使反應(yīng)器發(fā)生了過度酸化，zui終啟動失敗。W. P. Barber等[10]則通過對比研究兩種啟動方式(COD固定，HRT逐漸減少;HRT固定，COD逐漸增加)，得出了固定進水COD的啟動方式在COD去除率、運行的穩(wěn)定性以及保持污泥衡量等方面均具有較大優(yōu)勢。

　　就不同格室數(shù)的ABR同時啟動的性能差別，何仕均等[11]同時研究了三格室和五格室ABR的啟動。結(jié)果表明，兩種反應(yīng)器表現(xiàn)出相似的處理效能。同時何仕均等研究啟動投加填料復(fù)合式反應(yīng)器，整個系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，很明顯這種復(fù)合式反應(yīng)器相較于普通厭氧折流板反應(yīng)器啟動成功所需時間更短。

　　林英姿等[12]通過研究采用好氧預(yù)掛膜法和低負荷啟動法兩種不同的啟動方法實現(xiàn)ABR的啟動。zui終得出好氧預(yù)掛膜啟動法的啟動時間短、COD去除率高且pH 穩(wěn)定、顆粒狀污泥生長情況較好的結(jié)論，說明這是一種可推廣的啟動方法。

　　2.3 ABR中微生物演替的研究

　　從生態(tài)學(xué)方面來看，試驗研究中不同的操作條件以及進水中有機物濃度、沿程pH和氧化還原電位(ORP)的變化等因素影響了系統(tǒng)內(nèi)部微生物的代謝生長，微生物群落會逐步在各個格室形成優(yōu)勢菌群，但優(yōu)勢菌群間不是的獨立，各格室之間有重疊部分。微生物在生態(tài)位上的分離與重疊正是ABR所*的優(yōu)點，這樣可以保證有機物在反應(yīng)器中充分降解，不同格室所獲得降解產(chǎn)物zui終不同。

　　ABR前面格室中有機負荷高、營養(yǎng)豐富，利于各種菌種的繁殖。李清雪等[13]利用電鏡掃描了污泥包含的微生物的形態(tài)，每個格室中存在短桿菌、長桿菌、弧菌、球菌和絲狀菌，前面格室內(nèi)的菌種含有較少產(chǎn)甲烷絲狀菌和桿菌以及產(chǎn)甲烷八疊球菌，越靠后的格室中產(chǎn)甲烷八疊球菌所占比例越大。

　　K. G. V. T. Gopala等[14]通過掃描電鏡觀察八格室ABR污泥微生物的形態(tài)時觀察到較多的產(chǎn)甲烷球菌，球菌的形態(tài)有大有小，*格室至第八格室中均存在微小的球菌，但是從第五格室起較大形態(tài)的球菌數(shù)量逐漸增多，并且出現(xiàn)了竹節(jié)狀菌群。通過掃描電鏡可以清楚地鑒別微生物群落的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及分布。

　　鄧遵等[15]在ABR的研究中發(fā)現(xiàn)，出水回流不僅提高了反應(yīng)器內(nèi)微生物種群的多樣性還使得微生物種群更加穩(wěn)定，與不回流反應(yīng)器相比，真菌的豐度約高出8.5%，古細菌則高出4.5%，而產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和耗氫產(chǎn)乙酸菌的豐度相對不回流反應(yīng)器也有一定比例的增高。

　　Jianfen Peng等[16]根據(jù)啟動五格室的ABR的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微生物群落在前面兩個格室產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、耗氫產(chǎn)乙酸菌是優(yōu)勢菌群，分別占19.7%和8.3%，而在ABR后面格室中古菌屬的產(chǎn)甲烷菌占有重要比率，同時產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和耗氫產(chǎn)乙酸菌所占比例則分別下降到6.6%和4.8%。

　　2.4 ABR處理不同類型污廢水的研究

　　表1對比了ABR對不同工業(yè)廢水的處理效果。

　　2.5 ABR處理人工模擬廢水的效能

　　李剛[25]研究了ABR在保持COD不變而調(diào)節(jié)進水流量條件下的處理效能，設(shè)計了七格室和八格室兩個不同的ABR，得出兩個反應(yīng)器的COD去除率都達到90%以上，但八格室反應(yīng)器處理效果略高于七格室的。加大反應(yīng)器容積條件就是加強活性污泥與廢水間傳質(zhì)，所以處理效果更加理想。

　　在李清雪等[13]的研究中，當(dāng)進水COD為7 000 mg/L時，COD去除率可達95.25%;提高COD至8 000 mg/L，COD的去除率相對有所升高，大約為98.5%;而將COD提高至9 000 mg/L時，COD的去除率下降至80.2%。由此可知水力負荷保持在1.0～1.5 m3/(m3·d)左右很好，太高的有機負荷不利于反應(yīng)器的運行。而后，他們又利用ABR處理人工配制的含有硫酸鹽的高濃度有機廢水，實驗結(jié)果表明，利用ABR處理含有硫酸鹽的廢水，調(diào)節(jié)COD/SO42-的比值能有效解決MPB與SRB之間的抑制影響，也是使各菌群發(fā)揮zui大優(yōu)勢的直接方法。

　　王磊[26]同時運行2個ABR，將聚丙烯酰胺和膨潤土的混合液添加到厭氧污泥中并接種到一個反應(yīng)器中，而另一個只接種厭氧污泥。研究證實了在ABR中添加聚丙烯酰胺和膨潤土對于顆粒污泥的形成起促進作用，并zui終提高了反應(yīng)器運行效果。

　　M. S. Khabbaz[27]研究得出了在序批式條件下循環(huán)流對ABR處理效能的影響，即水流上流速度為35 cm/min是ABR中生物氣產(chǎn)量和COD去除率均達到很好狀態(tài)的條件，這個上流速度也是設(shè)計和操控反應(yīng)器的zui適值。

　　為研究出水回流對ABR抗酸化性能的影響，鄧遵等[15]利用ABR處理模擬廢水，常溫下以高負荷方式啟動反應(yīng)器。研究發(fā)現(xiàn)，雖然回流對于反應(yīng)器去除COD的效果沒較大的影響，但整個系統(tǒng)的pH相比之前更加穩(wěn)定，VFA的累積量相對降低。提高反應(yīng)器的抗酸化性能對于高負荷條件下ABR的穩(wěn)定運作起關(guān)鍵作用。

　　Tingting Wu等[28]進行了聯(lián)合ABR—MEC耦合降解高濃度有機廢水的研究，在克服了發(fā)酵產(chǎn)氫障礙的同時成功降解了廢水中的有機物。

　　3 結(jié)語與展望

　　ABR具有以下優(yōu)點：良好的固體生物截留能力，使得各格室中的微生物種群擁有很好的工作活性;耐沖擊負荷，對毒性物質(zhì)有更好的緩沖適應(yīng)能力，擁有較優(yōu)的出水水質(zhì);易操作管理。雖然ABR可以廣泛處理多種類型的廢水，但對于成分復(fù)雜或含有毒性物質(zhì)的廢水在處理方面依舊存在不足，所以該反應(yīng)器沒有大范圍推廣。ABR處理容積負荷較高的廢水時，*格室酸化程度嚴(yán)重，而zui后一個格室則出現(xiàn)廢水COD較低且僅足以維持微生物正常生長的情況，廢水的處理效果不明顯，出水水質(zhì)很難達到排放標(biāo)準(zhǔn);在厭氧環(huán)境下微生物自身增殖緩慢導(dǎo)致世代周期過長，ABR啟動時間較長;ABR沒有攪拌裝置，反應(yīng)器內(nèi)存在的生物死區(qū)和水力死區(qū)也是影響處理效果的因素之一。

　　為了提高ABR實用性、系統(tǒng)穩(wěn)定性，建議未來的研究應(yīng)集中在以下幾個方面：首先，ABR結(jié)構(gòu)依然存在缺陷，增置回流結(jié)構(gòu)以及添加不同類型填料來改良反應(yīng)器，以提高處理過程中的傳質(zhì)效率;其次，ABR啟動時間相對較長，選擇合適的接種污泥以及的啟動方式以縮短啟動反應(yīng)器所花費的時間;第三，ABR處理各種成分復(fù)雜的廢水存在問題，因此可結(jié)合其他工藝同步參與處理過程，以提高處理效率。