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使用厌氧折流板反应器（ABR）处理低浓度可溶性废水
摘要：使用8隔室厌氧折流板反应器（ABR）研究低浓度可溶性废水（CODasymp;500 mg / L）的处理。在假稳态（PSS）下，8 h水力停留时间（HRT）下的平均总COD和可溶性COD值（CODT和CODS）分别为50和40 mg / L左右，而在10小时时，HRT平均CODT和CODS值分别为47和37mg / L。COD和BOD（3天，27oC）平均去除率超过90％。废水符合为BOD规定的印度标准（低于30mg/L）。反应器流出物特征表现出非常低的标准偏差值，表明在PSS方面出色的反应器稳定性就流出物特性而言。根据质量平衡计算，超过60％的原始废水COD估计在气相中可以回收为CH4。隔室方式表明，大部分BOD和COD仅在最初的隔室中减少。由于酸生成和乙酸生成，在第一室中观察到pH（7.8~6.7）的突然下降和挥发性脂肪酸（VFA）的形成（53~85mg / L）。反应器中的pH值增加并且VFA浓度纵向下降。停留时间分布（RTD）研究表明，ABR中的流动模式既不完全是活塞流动，也不完全混合。来自扫描电子显微照片（SEM）的观察表明在ABR中发生不同的相分离。
1.介绍
厌氧处理废水引起了研究人员和卫生工程师的广泛关注，这主要是因为传统有氧方法的经济优。主要优点是：（a）零氧需求，从而降低成本和能源需求;（b）非常低的剩余污泥产量，这降低了污泥处理，稳定化和最终处理的成本;（c）生产沼气可用作燃料的良好能量含量。高速厌氧处理方法的出现，其中在较低的水力停留时间内长期保持固体很长时间，这是在厌氧处理的历史当中出现的（Hulshoff Pol等人，2004）。在低反应器体积下生物质与基质之间的良好接触通过生物固体颗粒化将生物质固定化来确保的。
近年来，已经构想了处理各种废水的几种反应器系统/构造。其中上流式厌氧污泥床（UASB）反应器已成为特别在中、热带气候的发展中国家非常流行。 1989年在印度坎普尔成立了第一座全尺寸UASBR污水处理厂（STP），处理能力为5ML / d（Seghezzo等，1998）。这次首次安装的经济、技术和效率研究显示出巨大的应用潜力，并在全球许多地方引发了新的安装趋势。
厌氧折流板反应器（ABR）也已经开发用于由McCarty及其同事处理废水(McCarty，1981）。它可以被描述为一系列UASB反应（巴伯和斯塔基，1999年）。 它使用一系列垂直挡板，迫使废水从进口流向出口时在其下方流动。由于每个隔室内的流动特性和气体产量，反应器内的细菌会缓慢上升并沉降。可能最重要的优势是其纵向分离酸化和甲烷生成的能力，使得反应器可以表现为两相系统，而没有相关的控制问题和高成本问题。反应器设计简单，无需移动部件或机械混合，因此构建起来相对便宜。 污泥产生量低而SRT高，间歇操作也是可能的，这有助于季节性废水的处理。
一份来自Orozco（1988）分析报告表明对于相同的COD去除效率，ABR要求比UASBR少39％的HRT。Bae等人（1997年）通过增加有机负荷率来比较UASBR和ABR的COD去除率。 随着OLR增加到10kg COD / m3d，UASBR的COD去除效率缓慢下降到76％，并且在15kg COD / m3d时突然恶化到50％以下。 另一方面，ABR的COD去除效率一般高于UASBR，即使在20kg COD / m3d的OLR下也被发现为72％。作者的结论是，这种差异可能是由于ABR的构造型式比UASBR提供了更明显的相分离。
- 来自（Hutnan等人，1999）实验研究进行了比较UASBR和ABR同时在37oC使用COD为6000mg/L的合成废水的性能。有机负荷率从最初的0.5到15 kg / m3d逐渐增加。ABR获得的分散数量比UASBR获得的分散数量低两倍。 从反应器的性能比较来看，ABR产生的最低生物量洗出量可在UASBR中，观察到显着的生物质清除6kg/m3d，而在ABR中没有发生显著的洗脱，甚至在15kg/m3d。可忽略不计pH和VFA浓度梯度沿着UASBR观察到中心的情况下ABR，沿反应器观察到的差异是显着的。厌氧过程的所有四个阶段在UASBR中同时进行。然而相反的是，ABR的分区设计被认为是理想的分离厌氧过程的阶段。在ABR中也观察到更快的生物量颗粒。虽然奥罗斯科（1997）详细的经济研究没有提出ABR的建设成本比在哥伦比亚的UASB反应器的环境温度下低20％，比小型城镇的传统活性污泥厂低5倍。UASBR在印度、巴西和哥伦比亚等热带国家广泛应用于生活污水处理。仅印度就有超过25个污水处理厂（STPS）目前正在成功处理每天超过1000 ML的废水。印度热带气候和对简单经济系统的需求有利于其使用（Sato等，2006）。在UASBR和支持性气候成功的背景下，其中ABR在配置上还比较简单，价格也比UASBR表现更好，在印度的环境条件下具有应用潜力。
考虑到这些因素，研究人员已经开展了一项研究，以研究在不同的OLR（或HRTS）上处理低浓度可溶性废水时ABR的性能。目前的研究也旨在整合各方面的内容（a）在相当长的一段时间内稳定运行、（b）反应器的性能、（c）各种参数的分室变化、（d）反应器的流体动力学和（e）细胞的腔室形态和细粒化。
2.材料和方法
2.1 实验设置和馈送
实验室规模的ABR（图1）使用透明玻璃板制造。悬挂挡板的下部弯曲45°以将流体引导至上流室的中心，从而实现进料和生物固体的更好的接触和更大的混合（巴赫曼等人，1985年）。ABR的总液体体积为10L，每个下流和上流室的液体体积分别为0.31和0.93L。将反应器置于保持在30℃的温度控制室中。然而，由于冬季和夏季饲料温度的变化，研究期间反应器内的温度从23℃变化到31℃）。使用泵为ABR供应500 mg / L COD的合成废水。该废水由450mg蔗糖COD / L和50mg蛋白胨COD / L组成。所用缓冲液和微量元素的组成（mg / L）如下（Singh等人，1996）：
NaHCO3，326; NH4Cl，175; （NH4）2HPO4，40; KH2PO4，7.2; CoC12 6H2O，1.2; Na2Mo42H2O，1.0; FeCl3，5.0; CuSO45H2O，5.0; MgSO47H2O，39.0; MnSO44H2O，13.9; CaCl2H2O, 36.8。
2.2 污泥接种
该反应器最初用UASB反应器收集的絮状厌氧污泥接种工作在位于
图1. 10L容量台式连续进料厌氧折流板反应器（ABR）
印度Saharanpur的38 mL / d容量UASBR的STP中。将来自污泥的大颗粒和碎屑通过美国材料试验协会（ASTM）筛16号（1.18mm），然后将其均匀地引入到ABR的所有8个隔室中。每个1.25L隔室含有固体浓度为39g悬浮固体（SS）/ L和19g挥发性SS（VSS）/ L的0.625L污泥，在反应器中总共产生95g VSS。该值（反应器体积9.5 g VSS / L）与其他关于ABR的研究中使用的初始VSS值一致（巴伯和斯塔基，1999年）。每个隔室的其余部分最初用蔗糖水填充。接种后，密封反应器，每个隔室上方的顶部空间用无氧氮气冲洗，以便从系统中排出残余空气。在开始连续进料之前使反应器稳定72小时。
2.3 反应器操作
Barber和Stuckey（1998）建议最初使用长时间的停留时间（80小时）来启动ABR并逐步减少ABR，同时保持不变的进入底物浓度。它提供了更大的反应器稳定性和更高的反应器性能。因此，在整个研究期间（544天），饲料浓度保持恒定在500mg COD / L，有机负荷率（OLR）通过降低或增加水力停留时间（HRT）而变化。反应器以20小时HRT（相应的OLR 0.6kg COD / m3d）开始。 它在第54、73、95和80天逐步改变为16、12、8、6和10小时。在运行60、28、44、1122和64个周期。相应的OLR分别为0.75、1、1.5、2和1.2kg COD / m3d。仅在8小时和10小时的HRT下才获得假稳态（PSS）条件。一般来说，当连续几天获得的出水COD值变化不明显时，认为PSS条件已经达到。在获得PSS后进行详细分析，讨论的结果均来源于PSS收集的数据。
2.4 分析
每天监测反应器的pH值、温度、COD和沼气。每周测量挥发性脂肪酸（VFA）、氨氮、总磷、BOD（27℃，3天）、TSS和VSS。在8小时和10小时HRT达到PSS后，还定期收集样品以从ABR的不同隔室分析。所有参数根据标准方法（APHA，1998），挥发性脂肪酸（VFA）除外。根据所建议的程序确定VFA和碱度DiLallo和艾伯森（1961）。在COD消化器（型号45600，HACH，USA）中进行消化。使用分光光度计型号DR 4000（HACH，USA）以规定波长记录样品的COD、氨氮和磷的吸光度，而体积用水置换法测量。沼气中的甲烷含量通过使总沼气通过3％NaOH溶液并测量被置换的NaOH量来定期测量。
2.5 流体动力学流动特性
进行停留时间分布（RTD）研究以分析在8小时和10小时的HRT下反应器的流体动力学，通过向反应器添加脉冲的惰性示踪剂（氯化锂），浓度为10mg Li/ L的反应器体积。加入脉冲后从反应器出口取样至少3次HRT，并使用基于微处理器的火焰光度计（型号TMF 45，Toshniwal，印度）分析锂浓度。在1小时的定期间隔内收集流出物样品，除了在从0.6倍HRT到1次HRT的时间范围之间。 在此期间，采样间隔减少至0.5 h。
2.6 生物量的检查
在第540天（HRT10小时）从PSS的每个隔室取出污泥样品，并且使用扫描电子显微镜（SEM）检查生物质。首先将样品在4oC与2.5％（w / v）戊二醛的磷酸盐缓冲液中浸泡1小时。然后通过分级系列的丙酮水混合物（10、25、50、75、90和100％）使污泥脱水。在每种混合物中使样品达到平衡10分钟，最后在用金颗粒溅射涂覆之前通过临界点干燥方法干燥。然后使用SEM（LEO 435 VP）检查样品。显微照片的放大倍数在10倍到30000倍之间。
3.结果与讨论
3.1 PSS的整体在ABR中的表现
在20小时HRT（OLR 0.6kg COD / m3d）下，可溶性COD进料浓度为500mg / L时开始进料（图2a）。从一开始，COD去除效率在50~60％的范围内，并且在启动后的50天内，其提高到70~80％（图2c）。在54和73天后，流量增加了1.25和1.67倍，使HRT分别降低到16和12小时。观察到的COD去除率约为80％。没有尽可能在20、16和12小时HRT实现PSS。HRT在第96天进一步降低至8小时。其导致COD从第96天减少至约130天。而此后，反应器性能逐渐改善，ABR在第251天达到PSS。ABR在PSS相当长时间（第251~469天）（图2b）。HRT在第469天进一步降低至6小时，并且由于它导致固体逸出和COD去除效率降低，在第485天HRT增加至10小时。ABR在第490天在10小时HRT达到PSS。其在PSS从第490天到第544天。
根据出水COD值的波动以及COD去除百分比，过程的稳定性看起来相当好。图2b和图2c期间HRT为8h（第251~469天）和10h（第490~544天）的PSS条件下。反应器在8小时和10小
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