ABR工艺处理生活污水研究

中国招气China Biogas 2006,24(1))ABR工艺处理生活污水研究杨琦,尚海涛(中国地质大学水资源与环境学院，北京10083)摘要: 本文对折流挡板厌氧反应器处理生活污水进行了研究。反应器沿流向分为三格,实验温度为25 C,水力停留时间12小时,pH在7~7.6。实验结果表明:COD的去除率可维持在70%左右,产气主要含有甲烷、二氧化碳和氢气,每格最大产甲烷活性依次为211 mLCH.*g5S-'d-,314 mLCH4 . gVSS-'d-',319 mLCH.gVSS-'d-';出水产物为乙酸和丙酸;每格优势菌种依次为杆菌球菌甲烷丝状菌和甲烷八叠球菌。填料挂膜量(湿重)沿著流向逐渐降低,平均为4.27 g"cm~3。关键词:厌氧挡板反应器;产甲浣活性;生活污水中图分类号: S216.4; X703文献标识码: A文章编号: 1000 - 1662006)01 - 090 - 06The Study oo Anaerobic BaMed Reactor Treating Municipal Wastewater / YANG Qi, SHANG Hai-ta0/(School of waterResources & Environment, Chnina University of Gesienees, Beijing 10083, China)Ahstract: In this study the anaerobic bafled reactor (ABR) was used to treat municipal wastcwater. ABR was separated to threesequential urits, and worked at the condition of pH 7.0~ 7.6, lemperature 25 C, HRT 12 h, and glucose as substrate. The re-sults indicated: COD renoral eficiency could remain at 70% , the product gas was mainly composed of methanc, carbon dioxideand hyrogen, the maximal methane producing acininy senuenially were 211 mLCH *gVSS-'d-' ,314 mLCH."gVSS-ld-1 ,319mLCH, . gVSS ~'d-1 ;The main components of efluent were acctic acid uand propanoic acid; The dominant microrguisus sequen-tally were Bailus，Cocus ，Methanothrix and Methanosaet. The mass of allached bio- menbrane decreased along the flow, andthe avenge mass o atached bio membrane in terms of wet weight was 4.27 g*cm~ 3 .Key words; Anaerobic bafled reactor; Methane producing activity; Municipal wastewater污泥以葡萄糖为基质条件下的产甲烷活性,以及污1前言泥对不同基质条件下所表现出来的产甲烷活性的区城市生活污水的处理方法有很多种,生物处理别,探讨ABR反应器处理生活污水的可能性。同时法以其运行管理费用低廉及较好的处理效果,在污对厌氧反应器挂膜生物量进行了考察。水(尤其是生活污水)处理领域中一直占主导地位。2研究方法，ABR反应器具有许多独特的优点,如结构简单,系统的稳定性好,耐冲击负荷,出水水质好等,但国内2.1 试验工艺流程外对ABR反应器处理生活污水的研究较少。此外，ABR反应器装置如图1所示。反应器的制作材对于反应器的构造,工艺流程,设计参数,运行控制料为有机玻璃,反应器有效容积为218.5L,平分为3参数等方面的研究还有待于深人。特别是ABR反格,反应区填充一种称为三维立体蝉窝状填料的介应器所特有的推流式特性,以及由此所引起的微生质。为便于试验操作,反应器盖板未与反应器粘合。物分相特性的研究尚属空白。因此，研究反应器内当需要测定气体产量时,可用玻璃胶将盖板与反应部微生物相的生态分布,种群演变,代谢活性等,已器密封为- -体。进水由蠕动泵注人反应器,以折流成为一个有待解决的重要课题。同时,这方面的研方式通过反应区,原水中的有机物被填料上的生物究也有助于加深对厌氧降解机理的认识。膜在厌氧条件下水解酸化、产甲烷。本文通过研究ABR反应器处理生活污水沿程2.2试验 基质各类挥发酸(VFA)组成变化,产气组成的变化,每格中国煤化工D浓度:300 mg*fYHCNMHG收稿日期: 2005-07-19修回日期: 205-11-20作者简介:杨琦(1966- ),男,删教授,主要从事水污染防治研究。Fiail:;q@ cugb. edu.cn10中国沼气China Biogas 2006,24(1)热导池(TCD)。挥发性有机酸:检测项目包括乙酸、进水出水丙酸、丁酸,所用的仪器为北京分析仪器厂的SP -2305A型气相色谱仪检测器为FID。填料层.3结果与讨论3.1 COD 去除效果污泥床图2,3,4,5表示反应器运行稳定后,在水力停图1 ABR 反应器装置示意图留时间12小时条件下,连续运行期间监测的有机物L-' ,500 mg:L-1,700 mg"L', 900 mg.L-'其水质见去除情况。即当进水C0Dc分别为300 mg'L-'(污表1,其中主要营养元素BOD3:N:P= 200:5:1。所泥负荷为0.06 kg COD. kgMLSS-'d1),500 mg*L-I有配水均为自来水。自来水为地下水,硬度较高,具(污泥负荷为0. 10 kg COD kgMLSS-+d-I), 700 mg.有较高的钙镁离子浓度。因自来水本身的碱度约L-(污泥负荷为0.14 kg COD kgMISS-'d-1) ,900 mg250 mg* L'(本实验中碱度均以碳酸钙计),而厌氧(污泥负荷为0.18 kg C0OD kgMLSS-'d-')时反工艺要求的碱度-般为1500 mg'L-', 因此,在配水应器的去除效率和出水值。当COD浓度较低时,其中加入碳酸钠来提高碱度,以保证实验的顺利进行。处理效率在70% ~ 80%之间,当COD浓度较高时，每克碳酸钠碱度相当于0.943克碳酸钙。基质中的其处理效率在60% ~ 70%之间。N元素由氯化铵供给,P元素由磷酸二氢钾供给。00厂此外,根据实验进行情况,不定时添加各种微量元素E 80780和各种维生素以及各种氨基酸。各种微量元素包60-460括:铁、镁、钙等离子;各种氨基酸和维生素的来源:一+山水coD酵母蛋白、胰蛋白胨、牛肉膏等。40 4表1ABR厌氧反应器配水水质s 20--+去除率-20300mgCOD-I.-mgCOD-L-1 mgCOD.L- mgCOD-L.-1 .组成100L水含的100L水含的 100L水含的 100L 水含的时间(d)成分(8)_成分(2)__ 成分(g)... 战分(B)日2 进水COD为300 mg*L-'时去除效果葡萄糖2541.4758.3375淀粉22.537.552.567.5200p00KHPQ,7.911.0814.2Ne2CO,16.6723.333: 150NH,Cl1931.6744.33-60 三画100-MgS0, .7H2O5.939.8813.8417.79+出水COD)FeSO,.7H2O0.030.050.070.09CaC).2H00.570.951.331.7150-十去除率20言硫脲6.679.33蛋白胨3.33.675°牛肉青_4.67图3进水COD为500 mg*L 1时去除效果2.3 检测项目与方法350|] 100在反应器运行过程中主要检测项目包括:C0D,。 3018。250BOD,NH' -N, TP, MISS, MLVSS,均采用标准方法进200行测定。气体产量及气体组分:取-定体积的反应起150器混合液,以排液法测定反应器的产气量。为保证一- 去除率产气量不因溶解而发生误差,所用溶液为20%的中国煤化工NaOH溶液(被NaCl饱和)。试验中用自行设计的集气管收集各反应室气样。气样的组分分析用北京分YHCNMHG析仪器厂的SP-2304A型气相色谱仪测定,检测器为图4进水COD为700 mg:L~'时去除效果中国招气China Biogas 2006,24(1)11S00一10024^ 400H8E 300-60言16200-40相a2+出水 COD十去除率8 100123456789101112时间(d)图5进水COD。为900 rmg'L-'时去除效果图7进水COD为900 mg*[-'时产甲烷情况. 3.2 产甲烷量其中:W=Xx Vr图6,7表示进水CODc分别为700 mg*L-',900式中,U为最大比产甲烷速率(mLCH,.mg*L" I时反应器产甲烷量随时间的变化情况。gVSS-ld-');K为产甲烷曲线上直线段斜率(mLCH4污泥产甲烷活性是指单位重量的污泥(以VSs.hr-');X为污泥浓度(gVSS'L-);Vr为反应区容计)在单位时间内的所产生的甲烷量,反映污泥所能积(L);To为标态绝对温度(273 K); n为测试时室具有的去除COD的潜力，是污泥品质的重要参数。温绝对温度(K)。.反应器内各格污泥对基质葡萄糖的产甲烷性能存在已匆: K1=1.94 mLCH4. hr-', K2= 2.25 mLCH4.明显的递变规律。总体上沿程各格的最大比甲烷产hr-', K3=1.91 mLCH4.hr~';MLSS\= I9.6g"L-',率逐渐增大。污泥首先将葡萄糖分解为各类中间产MLSS=l5.2g"L-',M.SSy=l2.7g-L"I;W;=0.196 g,物,当中间产物组成达到最佳浓度时,污泥的比甲烷W2=0.152 g, W3=0.127 g,C0D=900 mg*L~'。产率达到最大。第一、二格不存在类似的延迟作用，则:第-格: Umx.cn, =211 mLCH,'gVSS-'d-';显示这两格污泥对葡萄糖基质完全适应。第二格:Umx cH, = 314 mlCH4"gVSS-'d"';在各类基质中,第三格污泥对以第二格出水为第三格:Umx.cH, = 319 mLCH4"gSS-'d-1基质的比产甲烷速率最大.这说明ABR反应器中各格污泥经过较长时间的驯化培养,已完全适应了相众所周知,污水酸化水解时问一般在2小时左应位置的基质条件,这从一个方面证实了分阶段多右,通过产甲烷活性的测定我们可以知道,第一格的相厌氧处理工艺技术上的可行性。停留时间在4小时左右,因此产甲烷活性较低,而第上述结果显示, ABR的各格污泥产甲烷活性是二格和第三格产甲烷活性较高。原因是,虽然沿着不一样的,第三格污泥的产甲烷活性最高,第一格污废水流向,由于营养的减少使得反应器中厌氧污泥泥产甲烷活性最低。总体上,污泥产甲烷活性随着的浓度逐渐降低,产甲烷量会受到- -定影响，表现为反应器污泥的成熟和负荷的提高而明显改善。前高后低;但是,如果换算为单位质量厌氧污泥的产甲烷量(即比产甲烷速率),虽然第三格中产甲烷量20少,但是污泥浓度小，所以计算出的产甲烷速率反而_16最大,反映了第三格具有最好的污泥活性。3.3ABR沿程各格溶液中VFA组成的变化.在反应运行稳定期,检测葡萄糖厌氧降解过程主要中间产物为各类挥发酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、0123时间(d678910丁酸等。ABR沿程各格内挥发酸的组成如图8。关于葡萄糖在ABR中的降解中间产物,众所周图6进水 COD为700 mg:L-时产甲烷情况知，葡萄糖以乙酸发酵和丙酸发酵途径为主，产物以对Unm.cH的计算:乙酸斗中国煤化工上。 反应器沿程Umx.CH, =24. To.K(1)各格YHCNMH(三衣度较丁酸高,但VT仍远只应器的前两格内。12中国沼气China Biogas 2006, 24(1)350可能的原因有二。其一为反应器第-格内尚未达到00完全酸化,产甲烷菌仍然能够大量生长，电镜扫描图口总挥发酸50-口丙酸片证实第- -格内生长了大量的索氏产甲烷丝菌。其2000丁酸二可能是第一格内存在大量以H和CO2为基质合成solCH4的产甲烷菌活动。有文献报道,利用氢的产甲烷E 100菌对酸化过程pH等条件的变化承受能力较强。第一格第二格第三格0|50f图8 COD 为900 mg'L-'沿程各格VFA变化0r口甲烷厌氧反应器中葡萄糖酵解产物中各类VFA的比例■二氧化碳0叶口氢气差别很大,酵解途径对各类环境因子敏感,易随基20-质、pH、电位、温度等因素的变化而变化。酵解过程of显然与参与的微生物的类群有关,因此,接种污泥的性质可能也会对影响到酵解途径。-般认为,以乙图9 C0D= 900 mgL-时,沿程各格产气组分酸酵解途径为主时反应器可以保持在较高的效率下3.5 ABR 微生物相的探讨运行,而以丙酸酵解途径为主时，从动力学角度分析反应器启动阶段完成时,ABR沿程各格污泥的不利于反应器性能的提高。关于是否存在人工条件表观性质差异明显 ,且表现出一-定的规律性。当反控制酵解途径以趋利避害的可能性,还需要进一步应进人稳定期后,为进一步了解污泥微生物相的构研究。成,对各格污泥取样做电镜扫描,以观察组成颗粒污3.4 沿程各格气体组分分析泥的微生物形态,进而深入分析探讨现象发生的条各格的气体组分测定结果如图9所示。图中显件与机理。示,产气中氢气的比例沿程逐渐减小，甲烷的比例逐各污泥样品在不同放大倍数下的电镜扫描图像格提高。显然葡萄糖的酸化过程主要是在第一格内见图10,11, 12,13。35 倍放大图像可以清晰地观察完成的。但在第一格内仍然有大量的甲烷气产生,到各格污泥颗粒化的情况(图10A)。.A.颗粒污泥形态B.污泥杆菌C.球荫D.丝状菌图10第一格颗粒污泥形态及优势菌群电镜图图11第-格颗粒污泥电镜图图12第三格颗粒污泥电中国煤化工镜(索氏产甲烷丝状菌)(产甲烷八叠球荫二菌)YHCNMHG5000倍照片可以清晰显示颗粒污泥表面细菌的形态、大小等特征。照片显示,颗粒污泥的主体是中国沼气China Biogas 2006,24(1)13由各类细菌构成的，组成细菌形态各异,有丝状菌、索氏产甲烷丝菌占绝对优势,并且常成束地生长在杆菌、球菌、链球菌、弧菌,以及一些螺旋菌(如图一起。污泥表面某些部位丝状菌生长较少,这些部10,11,12,13)。位可以看见其它类型的细菌生长,主要以一些零星比较各单元污泥照片,其中的差异十分明显。生长的球菌为主。从第三格开始,颗粒污泥表面的第一格污泥样品的颗粒结构较好,粒度较均匀,形状丝状菌数量明显减少,微生物相组成中甲烷八叠球以球形和杆状水解细菌为主。污泥颗粒表面的细菌菌细菌为优势菌种,整体上看细菌的数量明显少于生长良好。从形态，上判断,优势菌有两类,一为杆前两格污泥。菌,一为丝状菌。杆菌长约1.0 pum,直径约0.4 pum,电镜扫描图像虽然仅能提供颗粒污泥表面的微杆菌端头为半球形,从形态上判断应该是梭状芽孢生物相情况,但从上面的分析可以看到,ABR的启杆菌( Clotridium p. )。梭状芽孢杆菌广泛存在于以动过程实质.上是各格反应区建立微生态平衡的一个葡萄糖为基质的酸化相中,是常见的优势发酵细菌过程。总体上看,在启动结束时ABR各格内的颗粒类群。不同的梭状芽孢杆菌,葡萄糖的发酵产物也污泥还远未达到成熟,尤其以反应器后端颗粒污泥不同。例如，巴氏梭状芽孢杆菌的葡萄糖发酵产物上的微生物量偏少,颗粒污泥形态结构与成熟颗粒.以乙酸占绝对优势,而丁酸梭状芽孢杆菌的发酵产污泥有明显差别。这主要是因为ABR的分相特性物则以丁酸为主。丝状菌形态特点突出,丝状体为致使颗粒污泥的发育成熟过程较慢,另一个原因是短竹节状的圆杆连接而成,端头平整,杆径约0.5由于负荷较低,反应器的后端微生物所能获得的营μm能形成极长的菌体。丝状菌可分散或成束生长。养源不足,微生物的生长速度受到限制，延迟了颗粒根据形态推断,该菌应为索氏产甲烷丝菌。此外,电污泥的成熟。镜也观察到少量弧菌和球菌的存在。电镜还观察到3.6折流式厌氧生物反应器运行结束后挂摸情况一种与索氏产甲烷丝菌明显属于不同类型的丝状菌折流式厌氧生物反应器运行结束后挂摸情况生长。该菌丝状体不分节,直径稍大,约0.7 pum。(湿重)见表2。众所周知，索氏产甲烷丝菌革兰氏染色阴性,能表2折流式厌氧生物反应 器运行结束后挂膜情况生长在含有乙酸盐为唯一-有机成份的矿物盐培养基号填料体积填料原重挂膜后湿重 单位体 积韭膜量中。在低乙酸浓度基质时,索氏产甲烷丝菌的生长(em')(g)(B)(g*uan~3)第一格535.7487.533405.33在动力学和生理特性上优于甲烷八叠球菌细菌。电第二格538.0489.627824.26镜观察表明,第一格污泥颗粒表面丝状菌相互交错.s04.2458.820803.22缠绕在一起形成网状构造,而其它的细菌如杆菌、注:1.填料体积:指填料的实体体积,而非填充体积:2.单位体积拉球菌则附着在该网上生长。第一格颗粒污泥的发育膜量计算中没有考虑填料的吸水率,膜含水率9.6%。成长过程中丝状菌显然起着重要的作用。从微生物从挂膜量来看,最后一格挂膜量较少第-格挂观点上看,丝状微生物象其它生物一样,形态结构与膜量最多。主要是因为第一格营养较充足,最后一功能密切相关,长丝状的形态有利于附着生长,具有格营养较少。填料的平均挂膜量为4.27 g. cm-3。比其它形态细菌更大的比表面积,有利于摄取低浓4结论度底物,在低底物浓度时比其它类型细菌更快的增殖速率。ABR反应器用于处理生活污水可取得良好效第-格污泥电镜观察结果数据表明,低负荷条果。件下第一格生长了大量的发酵性细菌,葡萄糖的酵(1)COD的去除率可维持在70%左右;解以乙酸为主要产物,产生的沼气中含大量的氢气。(2)产气量中气体成分甲烷占70%左右、其次在pH为5.8-6.2间,乙酸浓度200~ 300 mg.L-'为二氧化碳和氢气;时,索氏产甲烷丝菌在第-格内大量生长,代谢乙(3)出水中含有乙酸最多,其次是丙酸;酸,产生甲烷。因此,在低负荷下第- -格除完成葡萄” 中国煤化工格优势南为产甲糖的酸化外,还进行了大量的产甲烷过程,产气组分烷丝t八叠球菌和发硫中甲烷气的比例相当高。丝状菌TYHCNMHG'第二格污泥电镜观察结果显示,微生物组成中(5)填料湿重挂膜量平均为第一格5.33 g.14中国沼气China Biogas 2006,24(1)cmn-3 ,第二格4.26 g*cm-3,,第三格3.22 g'cm- :。[5] W P Barber, D C Stuckey, The UIse of The Anarobic Bfled三格平均为4.27 g'cm-3。Reuctor(ABR) for Wastecwater Treatment: A Reriew[J] WatRcs, 199, 33 (7):1559 - 1578.参考文献:[6]沈耀良. 新型厌氧处理工艺一厌氧折流板反应器[J].重庆环境科学, 1994,16(5):36- 38.[1] C Lttinga, J Field, J van Lier, G Zeeman, L W Hulsho[7] 严月根,钱易.两相厌氧工艺的理论基础及实际应用Pol. Advanced Anaerobic Wastewater Treatment in The Near[J].中国招气, 1989, 7(4):1- 6.Future[J]. Wat Sci Tech, 1997, 35(10):5- 12.? ] A Bachmann, V L Beard, P L McCarty. Comparison of Fixed[8] A Grobicki, D C Stuckey. Perfornance of the Anarobic Baf-fled Reactor under Steady - State and Shock Loading Condi-Film Reactors with a Modified Slundge Blanket Reactor[J].tions[J]. Biote. Bioeng, 1991, 37(4):344- 355.Pollution Technology Reriew, 1983,(10):384 - 402.[9] T Setiadi Husairi, A Diajadiningrat, Palm 0il Mill Efluent[3] A Bachmann, V L Beard, P L McCarty. Perfornance Char-Treatment by Anaerobie Bafled Reactors: Receycle Ffectsacteristics of the Anaerobic Bifled Reactor[J]. Wat Res,and Biokinetic Parameters[J]. Wat Sei Tech, 1996, 341985,19 (1):99- 106.(11):59-66.[4] 黄永恒，王建龙，文湘华,钱易.折流式厌氧反应器的工艺特性及其运用[J].中国给水排水，199, 15[10] A Tlche, SM . Vieira. Discussion Report on Reactor De-sign of Anaerobic Filters and Sludge Bed Reactors[J]. Wat.(7):18- 20.Sei. Technol, 1991, 24(8): 193 - 206.(上接第5页)车辆燃料资源化现状及发展前景[J].城市环境与城[8]Reinhart D R, Towmsend T G. Landill bioreactor design and市生态, 200,13(2):14-16.operation[M]. Boca Raton, Floid: CRC Press LLC，[14] Eden RE, Smith R. Guidance on best practice faring of1998.61~84.landfil gas in the UK[ A]. Sardiria' 99, 7th Inecmational[9]McBean E A, F A Rovens,G J Farquhar. Solid Waste Land-Waste Management and LandfIl Symposium[C].Caglian, 1-f63l Engineering and Desigo[M]. New Jersey: Prentice Hall,taly, 1999 .499 ~ 506.1995. 73~80.[1S] Barlaz M A, Green R B, Chanton JP, et al. Eraluation of[10] U S Amy Corps of Engincers. Landil Of-Cas Collectiona biologically active cover for mitigation of landfill gas emnis-and Teatment Systems[R]. Washngton: U S Amy Corpssions[J]. Environmental Science & Technology ,2004，38:of Engineers(EIL 110- 1- 160).1995,A- 19~A-20.4891 ~ 4899.[1] 任勇，田春秀,李霞.中国如何应对《京都议定书》 [16] 7ach A, Huner M, Goniscek T,et al. An aprach to a[EB/0L]. htp://wwww cenews. com. cn/news/2005 - 04lowemission landi1 [A]. Sardinia' 99, 7th Intemational- 12/44761. php.Waste Managenent and Landfil1 Sympoium[C]. 1999,[12] US FEPA. Tuning a Libility into an Asset: A Landfll GasCagliani, Ihaly, 301 - 308.- to Energy Prijet Development Handbook[R]. US: EPA[17] 何若，沈东升,朱荫湄.生物反应器填埋场处理生活(430-B- 96 - 004).1996,5-4~5-30 .垃圾的研究进展[J].浙江大学学报(农业与生命科学[13] 陈家军,于艳新，董晓光,等.垃圾填埋气(LFC)用作版), 2004, 30(3): 252 ~ 258.(上接第8页)1052- 1060.[6]Liu Y, et al. Mechanismns and models for anecrobice granula [10] 李克勤, 等.水力作用对颗粒污泥形成的影响[J].中tion in uplow anaembic sludge blanket reactor [J]. Wat国沼气,2003,21(1):12- 14.Res, 2003,37; 661 - 673.[11] Uyanik s, et al. The efet of polymer adition on ganula-[7] 陆柱,蔡兰坤.水处理药剂[M].北京:化学工业出版tion in an anaembic bffled reactor( ABR) . Part I : process社,2002.perfomance [J]. Wat Res, 2002, 36: 933 - 943.8]YuH Q, et al. Erbanced sludge granulation in uplow [12]。 FIMmmoumiR. 时a Infnenreof syntbetic and natualanaerobic sludge blanket (UASB) reactor by aluminum chlo-中国煤化工o pees[. Wat sainide [J]. Chemnosphere, 2001, 44: 31 - 36. .YHCNMHG7.9]YuHQ, et al. The rolces of caleium in sludge ganulation[13]"郭晓磊，胡勇有.低浓度污水厌氧污泥颗粒化促进技during UASB reactor start-up [J]. Wat Res, 2001, 35<4): .术研究[J].中国给水排水,2002, 18(4):19-22.