ABR 反应器处理畜禽养殖废水中厌氧污泥颗粒化的研究

赵金安，雷英春，2

（1．太原工业学院 环境与安全工程系，山西 太原030008；2．中北大学 化工与环境学院，山西 太原030051）

0 引 言

畜禽养殖废水由于含有大量的N，P，是导致水体富营养化的根本原因；同时释放氨、硫化物、甲烷等恶臭有害气体，污染大气且危害人体健康．废水厌氧处理具有低污泥产量、低运行成本以及低能耗等特点，被公认是最经济的废水处理方式［1］，广泛应用于高浓度有机废水的处理．所以，国内外对于畜禽养殖废水的处理，均遵循厌氧＋好氧组合工艺的模式．其中厌氧段作为组合工艺的预处理单元，COD 及氨氮的去除率都能达到70%以上，承担废水中主要负荷的降低，充分发挥了高速厌氧反应器的作用．高速厌氧反应器的特点之一是提高反应器内生物量浓度，而提高生物量浓度则有两种途径：一种是加入载体（如厌氧过滤器、厌氧流化床等）使微生物附着在载体上生长，另一种是依靠微生物自身的能力形成颗粒生物体，即厌氧污泥颗粒化过程［2］．

自从Young和McCarty［3］首次观察到厌氧颗粒污泥以来，厌氧颗粒污泥始终是国内外学者研究的热点．上流式厌氧污泥床（UASB）是高速厌氧反应器中研究较充分，曾经一度成为应用最广泛的一种方法，它的运行效果极大程度地依赖于厌氧颗粒污泥的形成及性能．所以迄今为止，厌氧颗粒污泥的研究都以UASB 反应器为主［4－14］．但是，由于UASB 需要上流式操作，能耗大，并且三相分离器结构复杂，于是近年来ABR 作为一种能耗低、结构简单的高浓度有机废水的高效处理方法受到研究者的关注［15－17］，并用于低浓度废水的处理［18－19］．宫小燕等采用人工配水，COD 浓度为5 000mg·L－1，研究了不同温度和有机负荷对ABR 启动过程中胞外聚合物（EPS）产生的影响，以及各隔室优势菌种［15］．董凌霄等研究了污泥颗粒化［16］采用人工配制葡萄糖废水，浓度为872～3 529mg·L－1，各隔室中VFA，pH，碱度与COD 和有机负荷（OLR）之间的关系，并对污泥颗粒化现象进行了扫描电镜观察．F．Motteran等研究了污泥颗粒化［17］用ABR 与UASB 串联，处理COD 浓度高达26 000mg·L－1的猪场废水．该研究充分发挥了ABR 多个隔室依次排列形成的种群分布特点，缓冲了高浓度对UASB 的冲击．避免了高浓度废水对UASB 形成冲击负荷，造成UASB酸化而导致UASB 不可恢复的瘫痪的情形．该研究讨论了超高浓度下形成的颗粒污泥的操作条件，并对颗粒污泥进行了表征．

与UASB污泥颗粒化研究相比，关于ABR的污泥颗粒化研究报道很少．同时，考虑到我国畜禽养殖废水的具体特点，在CODCr的浓度达到10 000mg·L－1的废水处理过程中，形成颗粒污泥的研究报道几乎没有．本文对ABR－MSBR组合工艺进行了实验室小试研究，针对ABR 启动过程中厌氧污泥颗粒化的影响因素进行了单因素研究，并对颗粒污泥的形貌及产气特性进行了表征．

1 试 验

1．1 实验装置

ABR 结构简单，无需填料、三相分离器；对进水的水质特性要求不严，具有良好的水力特性、高的生物截留能力，良好的室间种群分布；同时运行灵活而稳定，维护简单，投资费用少．所以ABR 作为预处理单元，可有效地降低COD 浓度．厌氧反应池设计为连续进水，连续排水形式．污水经储水箱、提升泵、高位水箱、流量计、管道从ABR 下部进水，进水口距池底20mm，用穿孔管沿池宽均匀布水；在末端池壁上部设计溢流堰出水；反应器上部有机玻璃板上均匀开2个集气孔．

反应器为有机玻璃材质，形成4个大隔室．前端为进水隔室，依次为降流、升流交替的3 个隔室，如图1 所示．

图1 实验ABR 装置示意图Fig．1 Sketch of ABR

1．2 原水水质

模 拟 废 水 CODCr的 浓 度 为 1 000 ～10 000mg·L－1，配 料 为 葡 萄 糖，NH4HCO3，MgCl2，CoCl2，K2HPO4，CuSO4，FeSO4，MnSO4等，按营养比CODCr∶N∶P＝400∶5∶1配制．

1．3 研究方法

1．3．1 试验方法

接种污泥为太原市北郊污水处理厂二沉池回流污泥，采取培养驯化同步进行的方法启动，操作方式为连续进水、出水．控制进水的pH 值在7．1左右，温度25～35 ℃，流量为36mL·min－1，进水CODCr浓度为1 000mg·L－1，HRT 为0．7d，容积 负 荷NV为1．44 kg CODm－3·d－1，约1．152kg BODm－3·d－1．当CODCr去 除 率 达 到75%以上时增加负荷，增幅不超过50%．

1．3．2 分析方法

COD，重铬酸钾法；DO，膜电极法，JPB－607；pH，玻璃电极法，WTW inoLab；SS，重量法；产气量，气袋收集法；形貌，扫描电镜Hitachi H－2800．

2 结果与讨论

2．1 污泥颗粒形成过程

厌氧折板反应器颗粒污泥的形成过程历时101d，污泥形成过程的实验数据如图2 所示．

图2 废水pH 和CODCr随时间变化曲线Fig．2 Change of pH and CODCrof wastewater

从图2可以看出，随着进水CODCr浓度的增大，伴随着颗粒污泥的不断形成，无论进水端pH值如何波动，经过一段时间的适应与调整，出水pH 值始终稳定在7．0左右；达到设计负荷时，进水CODCr为10 000mg·L－1，此时CODCr的去除率仍能保持72%．启动试验和试运行阶段全称为调试运行或反应器的启动，两阶段的分界点为颗粒化初步形成时．试验进行至46d时，发现颗粒污泥形成，粒径约0．2 mm，此时进水CODCr为6 000mg·L－1左 右， 容 积 负 荷 为8．0kgCODm－3·d－1；随后，颗粒污泥形成速度加快，粒径变大，约73d时，反应器中颗粒污泥清晰可见，粒径依隔室不同而变化；启动结束时，约101d，容积负荷达到15．0kg CODm－3·d－1，产气率为0．36m3·kg－1，颗粒污泥形貌有规律，一般为球形或椭球形，第一隔室为灰白色，其余3室为黑色，粒径在0．2～4．5mm 之间．在自来水龙头下冲洗，用手搓捻，不会成为粉末，污泥有一定强度．

2．2 污泥形貌

取各室少量污泥，肉眼观察，均呈颗粒状，具体结果如表1 和图3 所示．

表1 厌氧折板反应器颗粒污泥性状Tab．1 Characteristics of sludge granule of ABR

图3 颗粒污泥实体照片Fig．3 Picture of sludge granules

扫描电镜结果如图4 所示．从图4 中可以看出，颗粒污泥的结构都比较紧密，表面分布较多的孔隙，基本呈球形，椭球形．由于隔室不同，形状略有差异．第1 隔室（如图4（a）），粒径较大，约4．5mm．原因是反应器前端有机负荷高，营养丰富，表面有孔隙，便于营养快速运输．粒径不均匀的原因是存在冲击负荷．第2 隔室（如图4（b）），平均粒径为2mm，呈球形，形貌规则，说明反应器负荷较稳定，同时由于负荷较前室低，导致颗粒较小．第3隔室（如图4（c）），颗粒更加富有变化，有的呈长椭圆形，有的呈球形，粒径的大小也不均匀，但颗粒的大小整体较前室更小．表明了菌群的多样性、复杂性，更低的负荷使颗粒更小．第4隔室（如图4（d）），出现优势菌种的趋势明显，但更小的有机负荷使颗粒更小，同时也更密实．同时，由于出水，密度较小的颗粒会被洗出，所以第4隔室中保留下来的颗粒密度较大．

图4 颗粒污泥扫描电镜图片Fig．4 SEM of sludge granule

取样制片后在光学显微镜下可看到，菌团周围混

杂着絮状的菌胶团，排列紧凑，说明结合得很紧密．菌团边缘非常清晰整齐，结构致密．

2．3 产气率

污泥产甲烷活性能够较好地反映出颗粒污泥的生物活性．由于废水中被去除的CODCr主要转化为甲烷，因此污泥产甲烷活性可以反映出污泥所能具有的去除CODCr及产生甲烷的潜力．从图5 中可以看出，产气率随容积负荷的提高而增加，最高容积产气率为0．36m3CH4／kgVS．

图5 产气量随时间的变化Fig．5 Effect of time to methane yield

2．4 影响污泥颗粒化的因素

2．4．1 有机底物

有机底物的质与量均对污泥颗粒化有重要影响．如果废水可生化性COD 含量高，则废水易酸化；同时调整水力停留时间，可以促进颗粒形成．

前端较高浓度的有机底物，形成了较大的浓度梯度，使体系具有较大的传质推动力，有机物可以渗透到较大颗粒污泥的深处．与此同时，在高负荷条件下，产气量很高，大量气泡的析出会带走细小污泥，这种选择性的污泥洗出，对污泥的颗粒化起到了明显的促进作用．

2．4．2 pH 值

在厌氧消化中，存在着水解细菌和酸化菌及产甲烷菌．产甲烷菌对pH 值的要求非常苛刻，通常要求其最佳范围是6．8～7．2．在实验运行稳定时，出水基本保持中性，测得4个室的pH 分别为6．73，6．84，6．94，6．91．

2．4．3 有机负荷

本文试验所采用的种泥是絮状污泥，进水CODCr的浓度为1 000mg·L－1，容积负荷NV为1．44kg CODm－3·d－1．如果进水CODcr的浓度为1 0000mg·L－1， 则 容 积 负 荷 NV为14．4kg CODm－3·d－1．接种初期的厌氧污泥活性较差，采用较高的有机负荷极易形成冲击负荷，挥发性脂肪酸大量积累，导致系统瘫痪．所以本研究采取较低负荷启动．进入颗粒污泥出现阶段后，有机负荷的改变对反应器的去除效率影响不大．

3 结 论

1）在25～35 ℃中温条件下，进水CODCr的浓 度 为1 000 mg·L－1，容 积 负 荷 NV为1．44kg CODm－3·d－1，逐步增加进水CODCr的浓度．在46d 时发现颗粒污泥形成，在73d时反应器中颗粒污泥清晰可见，粒径依隔室不同而变化；在启动结束时，约101 d，容积负荷达到15．0kgCODm－3·d－1，颗粒污泥的形貌有规律．

2）颗粒污泥的粒径分布为0．2～4．5mm，在低倍显微镜下观察到边缘非常整齐的菌团，呈球形、椭球形，表面有孔隙．主要菌种符合丝状产甲烷菌特征，产甲烷活性达到0．36m3CH4／kgVS．

3）在设计负荷下，CODCr去除率达到72%，出水需要后续好氧处理．

4）实验中颗粒污泥的形成过程中采取固定HRT，导致了污泥过度流失，不利于污泥颗粒化进程．

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