1 新型厭氧反應(yīng)器及新工藝?yán)砟?/p>

　　實踐表明，一個成功的反應(yīng)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(zhì)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(zhì)。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(xué)兩方面入手，分析提高和保持反應(yīng)器內(nèi)微生物活性的可能措施，并與反應(yīng)器的設(shè)計相結(jié)合，全面提高反應(yīng)器的性能。

　　厭氧過程實質(zhì)是一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，其中的底物、各類中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物以及各種群的微生物之間相互作用，形成一個復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，類似于宏觀生態(tài)中的食物鏈關(guān)系，各類微生物間通過營養(yǎng)底物和代謝產(chǎn)物形成共生關(guān)系(symbiotic)或共營養(yǎng)關(guān)系(symtrophic)。因此，反應(yīng)器作為提供微生物生長繁殖的微型生態(tài)系統(tǒng)，各類微生物的平穩(wěn)生長、物質(zhì)和能量流動的高效順暢是保持該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的必要條件。如何培養(yǎng)和保持相關(guān)類微生物的平衡生長已經(jīng)成為新型反應(yīng)器的設(shè)計思路。

　　Lettinga教授[1]在展望未來厭氧反應(yīng)器發(fā)展動向時指出，現(xiàn)有的各類高效厭氧反應(yīng)器中，上流式污泥床(USB)系統(tǒng)是最受歡迎的，也是最有發(fā)展前途的，上流式厭氧污泥床(UASB)系統(tǒng)在全球范圍的風(fēng)行可以作為例證。USB系統(tǒng)的一個優(yōu)點是反應(yīng)器內(nèi)水流方向與產(chǎn)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(zhì)的充分接觸，也有助于形成顆粒污泥。關(guān)于新型高效反應(yīng)器，Lettinga在推薦膨脹顆粒污泥床反應(yīng)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(zhàn)性的新工藝，即分階段多相厭氧反應(yīng)器技術(shù)SMPA(Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor)[1]。

　　實際上SMPA并非特指某個反應(yīng)器，而是一種新工藝思想。據(jù)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(yīng)。

　　SMPA的理論思路是：

　　① 在各級分隔的單體中培養(yǎng)出合適的厭氧細(xì)菌群落，以適應(yīng)相應(yīng)的底物組分及環(huán)境因子(pH,H2分壓值等)；

　�、� 防止在各個單體中獨立發(fā)展形成的污泥互相混合；

　�、� 各個單體內(nèi)的產(chǎn)氣互相隔開；

　　④ 工藝流程更接近于推流式，系統(tǒng)因而擁有更高的去除率，出水水質(zhì)更好。

　　從上述的思路可以看出，SMPA的理論依據(jù)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(yīng)器既可是EGSB，也可是UASB。

　　2 折流式厭氧反應(yīng)器

　　折流式厭氧反應(yīng)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(yīng)器，其構(gòu)造如圖1。

　　反應(yīng)器特點是：內(nèi)置豎向?qū)Я靼�，將反�?yīng)器分隔成串聯(lián)的幾個反應(yīng)室，每個反應(yīng)室都是一個相對獨立的上流式污泥床(USB)系統(tǒng)，其中的污泥可以是以顆�；问交蛞孕鯛钚问酱嬖�。水流由導(dǎo)流板引導(dǎo)上下折流前進，逐個通過反應(yīng)室內(nèi)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(gòu)造上ABR可以看作是多個UASB反應(yīng)器的簡單串聯(lián)，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(yīng)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(fā)現(xiàn)ABR幾乎完美地實現(xiàn)了該工藝的思路要點。首先，擋板構(gòu)造在反應(yīng)器內(nèi)形成幾個獨立的反應(yīng)室，在每個反應(yīng)室內(nèi)馴化培養(yǎng)出與該處的環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物群落。例如ABR用以處理葡萄糖為基質(zhì)的廢水時，第一格反應(yīng)室經(jīng)過一段時間的馴化，將形成以酸化菌為主的高效酸化反應(yīng)區(qū)，葡萄糖在此轉(zhuǎn)化為低級脂肪酸(VFA)，而其后續(xù)反應(yīng)室將先后完成各類VFA到甲烷的轉(zhuǎn)化。通過熱力學(xué)分析可知，細(xì)菌對丙酸和丁酸降解只有在環(huán)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(chǎn)甲烷階段幾乎不產(chǎn)生H2。與單個UASB中酸化和產(chǎn)甲烷過程融合進行不同，ABR反應(yīng)器有獨立分隔的酸化反應(yīng)室，酸化過程產(chǎn)生的H2以產(chǎn)氣形式先行排除，因此有利于后續(xù)產(chǎn)甲烷階段中丙酸和丁酸的代謝過程在較低的H2分壓環(huán)境下順利進行，避免了丙酸、丁酸過度積累所產(chǎn)生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各個反應(yīng)室中的微生物相是隨流程逐級遞變的，遞變的規(guī)律與底物降解過程協(xié)調(diào)一致，從而確保相應(yīng)的微生物相擁有最佳的工作活性。其次，同傳統(tǒng)好氧工藝相比，厭氧反應(yīng)器的一個不足之處是系統(tǒng)出水水質(zhì)較差，通常需要經(jīng)過后續(xù)處理才能達(dá)標(biāo)排放。而ABR的推流式特性可確保系統(tǒng)擁有更優(yōu)的出水水質(zhì)，同時反應(yīng)器的運行也更加穩(wěn)定，對沖擊負(fù)荷以及進水中的有毒物質(zhì)具有更好的緩沖適應(yīng)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(fù)荷條件下與單級的UASB相比，ABR反應(yīng)器的第一格不得不承受遠(yuǎn)大于平均負(fù)荷的局部負(fù)荷。以擁有5格反應(yīng)室的ABR為例，其第一格的局部負(fù)荷為其系統(tǒng)平均負(fù)荷的5倍。如何降低局部負(fù)荷過載的不利影響還有待于深入探討。

　　3 ABR的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

　　目前關(guān)于ABR反應(yīng)器的研究尚處于實驗室階段。英國的一些研究機構(gòu)在反應(yīng)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(guān)。對于ABR的水力學(xué)特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey[3]和天津大學(xué)的郭靜[10]研究表明：ABR反應(yīng)器在沒有回流和攪拌的條件下，混合效果良好，死區(qū)百分率低。反應(yīng)死區(qū)可以分為生物死區(qū)和水力死區(qū)，生物死區(qū)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(qū)則可通過改善反應(yīng)器構(gòu)造設(shè)計而減小。在單個反應(yīng)室內(nèi)，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(fù)雜，二者均未能就其流態(tài)提出一個較好的數(shù)學(xué)模型。其水力死區(qū)的計算借用了化學(xué)反應(yīng)工程中反應(yīng)器的流態(tài)模型，其合理性尚待進一步考證。關(guān)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(jù)介紹，ABR反應(yīng)器運行時污泥床層(常為顆粒污泥)處于流化狀態(tài)，廢水中基質(zhì)的降解和微生物代謝產(chǎn)物的排除均須經(jīng)由顆粒污泥表面通過擴散作用完成。試驗中ABR的負(fù)荷可高達(dá)36 gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey[5]研究了ABR的啟動特性，結(jié)果表明，固定進水基質(zhì)濃度而逐步縮短HRT的啟動方式優(yōu)于固定HRT而逐漸增大進水基質(zhì)濃度的啟動方式。另外，ABR對水力負(fù)荷沖擊響應(yīng)迅速但恢復(fù)卻快于濃度負(fù)荷沖擊。在高水力負(fù)荷條件下，反應(yīng)器內(nèi)的短流現(xiàn)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(zhì)的ABR在穩(wěn)定狀態(tài)和沖擊負(fù)荷情況下的運行特性，系統(tǒng)分析了酸化過程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中間產(chǎn)物在不同運行狀態(tài)下沿流程的分布積累狀況。與其它反應(yīng)器在沖擊負(fù)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(fù)荷沖擊下，ABR均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能，因此有可能適用于工業(yè)廢水處理。S.Nachaiyasit[7]研究了低溫對ABR性能的影響，結(jié)果表明在中等負(fù)荷條件下，反應(yīng)器溫度由35 ℃降至25 ℃對COD去除率無明顯影響，當(dāng)溫度進一步降至15 ℃時，反應(yīng)器的效率明顯下降，主要原因是低溫降低了細(xì)菌的代謝速率，使VFAs的半飽和降解常數(shù)Ks增大，同時可溶性細(xì)胞代謝產(chǎn)物增加。此外沼氣產(chǎn)量減少也降低了基質(zhì)與微生物的接觸效率，但通過合理調(diào)整工藝設(shè)計，可明顯減小低溫對厭氧過程的負(fù)作用。T.Setiadi等人研究了出水回流對反應(yīng)器的影響，著重強調(diào)了回流比與系統(tǒng)中堿度及pH之間的關(guān)系。

　　此外，復(fù)合式(Hybrid)厭氧反應(yīng)器，即在反應(yīng)器內(nèi)的適當(dāng)部位增設(shè)填料也是目前的一個研究方向。復(fù)合式ABR(HABR)一般在反應(yīng)器內(nèi)各反應(yīng)室的上部空間架設(shè)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(fā)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(xì)菌有抑制或毒性的物質(zhì)時具有潛在的優(yōu)勢，關(guān)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(xué)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(xué)的戴友芝也正在進行利用ABR降解劇毒物質(zhì)氯酚的可行性研究，目前實驗結(jié)果已相當(dāng)不錯。

　　4 結(jié)語

　　綜上所述，ABR反應(yīng)器的特點為：結(jié)構(gòu)簡單、效率高、處理出水好、運行穩(wěn)定可靠，適用于各類中低濃度有機廢水的處理。

　　ABR反應(yīng)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(jié)合機理分析，以便更深入地了解其工藝特性。例如，關(guān)于反應(yīng)器水力特性的研究，關(guān)于反應(yīng)器構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計，如分隔數(shù)的確定、下向流導(dǎo)流板的尺寸大小、下向流區(qū)和上向流區(qū)間的寬度比例關(guān)系等，以及關(guān)于沿程各級反應(yīng)室微生物相的詳細(xì)遞變規(guī)律，工藝設(shè)計參數(shù)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(guī)模的中試和實際工程中的試驗。

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