解析厭氧序批式反應(yīng)器ASBR的基本原理
厭氧序批式反應(yīng)器是20世紀(jì)90年代美國Iowa州立大學(xué)RidRDague教授提出并發(fā)展起來的一種新型高效厭氧反應(yīng)器，它能使污泥在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間SRT大大延長，增加反應(yīng)的污泥濃度，并能夠進(jìn)行充分的泥水混合，從而提高了厭氧污泥的處理能力，越來越受到各國學(xué)者的關(guān)注。
ASBR的基本操作
厭氧序批式反應(yīng)器的操作過程包括進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水4個(gè)階段。也有設(shè)置空轉(zhuǎn)階段，系指本周起出水結(jié)束到下一周期進(jìn)水開始質(zhì)檢的時(shí)間間隔，可根據(jù)具體水質(zhì)及處理要去進(jìn)行取舍。
進(jìn)水階段：廢水進(jìn)入ASBR反應(yīng)器，同時(shí)由生物氣、液體再循環(huán)攪拌或機(jī)械進(jìn)行攪拌，基質(zhì)濃度迅速增加，根據(jù)Monod動(dòng)力學(xué)方程，微生物代謝速率也相應(yīng)增大，直到進(jìn)水完畢達(dá)到最大值。進(jìn)水體積由下列因素決定：設(shè)計(jì)的HRT、有機(jī)負(fù)荷OLR及預(yù)料的污泥床沉降特性等。
反應(yīng)階段：該階段是有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物氣的關(guān)鍵步驟，所需時(shí)間由下列參數(shù)決定：基質(zhì)特征及濃度，要求的出水質(zhì)量、污泥的濃度，反應(yīng)的環(huán)境溫度等，其中攪拌對COD去除率及甲烷產(chǎn)量的影響，在顆粒成長過程中的有重要作用。
沉淀階段：停止攪拌，讓生物團(tuán)在禁止的條件下沉降，形成低懸浮固體的上清液。反應(yīng)器此時(shí)變成澄清器，沉降時(shí)間可根據(jù)生物團(tuán)的沉降特性確定，典型時(shí)間在10~30min間變化，沉降時(shí)間不能過長，否則因生物氣繼續(xù)產(chǎn)出會(huì)造成沉降顆粒重新懸浮。混合液懸浮固體濃度（MLSS）、進(jìn)料量與生物團(tuán)量之比(F/M)是影響生物團(tuán)沉降速率及排除液清澈程度的重要可變因素。
排水階段：充分的液固分離完成后，將上清液排出，排水體積等于進(jìn)水體積。排水時(shí)間由每次循環(huán)排水的總體積和排水速率決定。排水結(jié)束后，反應(yīng)器將進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，對于的生物團(tuán)定期排出。
ASBR的基本特征
ASBR相對于其他厭氧反應(yīng)器來說有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）工藝簡單，占地面積少，建設(shè)費(fèi)用低
ASBR法的主題工藝設(shè)備，只有一個(gè)或幾個(gè)間歇反應(yīng)器，同傳統(tǒng)的厭氧工藝相比，此反應(yīng)器集混合、反應(yīng)、沉降等功能于一體，不需額外的澄清沉淀池，不需要液體或污泥回流裝置，同UASB和AF相比，該反應(yīng)器的地步不需要昂貴的進(jìn)水系統(tǒng)，具有工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，建設(shè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
（2）耐沖擊、適應(yīng)性強(qiáng)
完全混合式反應(yīng)器比推流式反應(yīng)器具有較強(qiáng)耐沖擊負(fù)荷及處理有毒或高濃度有機(jī)廢水的能力。ASBR反應(yīng)器在反應(yīng)期內(nèi)本身的混合狀態(tài)屬典型的完全混合式，加之反應(yīng)器內(nèi)有較高M(jìn)LSS濃度，進(jìn)而使F/M值降低，因此具有反應(yīng)推動(dòng)力大、耐沖擊負(fù)荷及適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
（3）布局簡單、易于設(shè)計(jì)、運(yùn)行
在UASB、AF等工藝中，布水設(shè)計(jì)的好壞直接影響到厭氧工藝的成功與否，因?yàn)樵O(shè)計(jì)難度大，而ASBR工藝中水是批式進(jìn)水，無需復(fù)雜的布水系統(tǒng)，也就不會(huì)產(chǎn)生斷流、短流的問題，降低了設(shè)計(jì)難度，保證了處理的效果。
（4）運(yùn)行操作靈活
ASBR反應(yīng)器在運(yùn)行操作過程中，可根據(jù)廢水水量、水質(zhì)的變化，通過調(diào)整一個(gè)運(yùn)行周期中各個(gè)工序的運(yùn)行時(shí)間及HRT、SRT而滿足出水水質(zhì)的要求，具有很強(qiáng)的操作靈活性。
（5）固液分離效果好，出水澄清
固液分離在反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行，是ASBR工藝不同于其他厭氧工藝的一個(gè)顯著特征。首先，厭氧生物團(tuán)絮凝同好氧活性污泥法的模式類似，是由細(xì)菌對基質(zhì)的有限濃度引起，F(xiàn)/M值對其有重要影響。低F/M值，有利于生物絮凝，沉降快，出水懸浮固體低。一個(gè)連續(xù)進(jìn)料完全混合的厭氧反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，F(xiàn)/M是一定值，而間歇操作的ASBR反應(yīng)器進(jìn)水后為高F/M，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)/M逐漸降低，反應(yīng)結(jié)束排水時(shí)，F(xiàn)/M最低，且產(chǎn)氣量最小，易于固液分離。因此，從固液分離效果講，ASBR法的間歇操作模式要優(yōu)于其他厭氧法的連續(xù)操作模式。
（6）污泥性能好，處理能力強(qiáng)
由于ASBR出水時(shí)容易將沉淀性能不好的污泥隨水排出，而將沉淀性能較好的污泥保留下來，所以系統(tǒng)中的污泥整體沉降性能較好。同時(shí)，顆粒化過程較短，大大提高了處理廢水的能力。
前言
在高效的廢水處理工藝方面，各國學(xué)者相繼開發(fā)了各種高效厭氧生物反應(yīng)器，如厭氧生物濾池（AF）上流式厭氧污泥床（UASB）和厭氧流化床（AFB）等。美國教授Dague等人把好氧生物處理的序批式反應(yīng)器(SBR）運(yùn)用于厭氧處理，開發(fā)了厭氧序批式反應(yīng)器（AnaerobicSequencingBatchReactor），簡稱為ASBR。Dague等人發(fā)現(xiàn)在ASBR中可以形成顆粒污泥，污泥沉降快且易于保留在反應(yīng)器內(nèi)，具有高SRT，低HRT。雖然ASBR運(yùn)行上類似于厭氧接觸法，但ASBR的固液分離在反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行，不需另設(shè)澄清池，不需真空脫氣設(shè)備。出水時(shí)反應(yīng)器內(nèi)部生物氣的分壓使沉淀污泥不易上浮，沉降性能良好。另外，ASBR中不需UASB中的復(fù)雜的三相分離器。ASBR具有工藝簡單、運(yùn)行方式靈活、生化反應(yīng)推動(dòng)力大并耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。本文將介紹ASBR的特點(diǎn)，運(yùn)行條件及ASBR運(yùn)行中各階段所需時(shí)間的確定。
1形成顆粒污泥是ASBR的基本特征
顆粒污泥中厭氧微生物鄰近程度遠(yuǎn)小于絮狀體污泥。厭氧消化成功的關(guān)鍵在于反應(yīng)器中保持多種微生物之間的平衡，特別是能夠保持低氫分壓。從熱力學(xué)上考慮，產(chǎn)乙酸菌把長鏈揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化為乙酸的反應(yīng)只有在氫分壓-5低于101.325×10kPa情況下才能發(fā)生，這說明利用CO2和H2的產(chǎn)甲烷菌對產(chǎn)乙酸菌關(guān)系重大。厭氧顆粒污泥中不同菌種之間鄰近的共生關(guān)系有利于厭氧消化過程的順利進(jìn)行，中間產(chǎn)物及H2及時(shí)被不同菌種消耗掉可以使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，這是顆粒污泥在機(jī)理上的優(yōu)勢。絮狀體污泥盡管也發(fā)生H2及中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，但顆粒污泥中的微生物固定在顆粒上，使中間產(chǎn)物所需傳送的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)要近于離散的絮狀污泥。Mecart和Smith發(fā)現(xiàn)顆粒污泥與分散的絮狀體污泥相比較，前者的氫分壓低對。利用速率快，Thide等人對比研究了顆粒污泥與懸浮污泥運(yùn)行的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以乙醇為基質(zhì)時(shí)，顆粒污泥較懸浮污泥的基質(zhì)轉(zhuǎn)化率高75%，以甲酸為基質(zhì)時(shí)，在顆粒污泥中基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率為0.275/min。這充分證明顆粒污泥中厭氧微生物鄰近度近于絮狀體污泥，可以提高污泥活性。由于在ASBR中形成了顆粒污泥，使處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠處理高濃度有機(jī)廢水。
在接種成熟的顆粒污泥時(shí)，ASBR啟動(dòng)所需時(shí)間可以大大縮短，這就克服了普通厭氧法啟動(dòng)慢的缺點(diǎn)。
2ASBR能在常溫下處理低濃度廢水
大多數(shù)高效厭氧反應(yīng)器主要為中溫消化。ASBR能夠在常溫時(shí)處理廢水，溫度低時(shí)基質(zhì)去除率低，但ASBR出水中微生物流失量少，使反應(yīng)器內(nèi)可保持高的生物量，這可以抵消由于低溫造成的基質(zhì)去除率低的影響。
低濃度有機(jī)廢水在總污水排放量中占很大的比重，甲烷化能力低，采用常規(guī)的厭氧消化處理技術(shù)難于奏效，好氧生物處理成本昂貴，ASBR能有效地處理低濃度有機(jī)廢水。Ndon和Dague[3]1997年研究了ASBR處理CODCr為1000、800、600和400mg/L的人工合成廢水，當(dāng)溫度為35－15℃、HRT為48h和24h時(shí)，各種進(jìn)水濃度CODcr去除率超過了90%，在15℃低溫下進(jìn)水CODcr為600和400mg/L時(shí)，ASBR對CODcr的去除率仍然超過了85%。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
3影響ASBR運(yùn)行的因素
3.1進(jìn)水時(shí)間（tf)與反應(yīng)時(shí)間(tr）之比
ASBR藝過程是一個(gè)非穩(wěn)定過程，反應(yīng)器中有機(jī)物濃度是時(shí)間的函數(shù)。進(jìn)水結(jié)束時(shí)達(dá)最高值，這說明充水時(shí)間影響著ASBR的工藝的處理效果。AS－BR工藝運(yùn)行分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水4個(gè)階段。沉淀和排水時(shí)間在同一反應(yīng)中一般固定且時(shí)間短，而進(jìn)水時(shí)間與反應(yīng)時(shí)間是工藝運(yùn)行的主要參數(shù)，其比值影響ASBR藝的處理效率。過去曾有人認(rèn)為快速進(jìn)水可使相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間加長，且可提高反應(yīng)速率。但是當(dāng)基質(zhì)濃度超過半飽和常數(shù)時(shí)，反應(yīng)速率成零級反應(yīng)，且在ASBR中不能以CODcr去除率作為唯一指標(biāo)。快速進(jìn)水由于產(chǎn)酸菌產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(VFA）速率高于產(chǎn)甲烷菌消耗有機(jī)酸的速率，使反應(yīng)器中大量積累VFA，當(dāng)負(fù)荷大于某一值時(shí)，甲烷化能力急劇下降。進(jìn)水時(shí)間長，盡管反應(yīng)速度慢，但中間產(chǎn)物VFA的及時(shí)消耗有利于ASBR順利進(jìn)行。在低負(fù)荷時(shí)tf/tr值對反應(yīng)影響較小，高負(fù)荷情況下tf/tr造成的影響大。處理有毒有害廢水時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制tf/tr值。
3.2堿度
ASBR運(yùn)行時(shí)要求混合液具有一定的pH緩沖能力，啟動(dòng)初期顆粒污泥沒有形成時(shí)，對pH值極為敏感，一旦pH值低于7.0產(chǎn)氣不活躍。把pH值調(diào)為7.0－7.5時(shí)，產(chǎn)氣明顯增加，說明進(jìn)水堿度對形成的顆粒污泥作用很關(guān)鍵，特別在低溫時(shí)，混合液粘滯性大，使生物氣泡附著于污泥上不容易釋放，當(dāng)附著的生物氣泡越集越多時(shí)，容易造成污泥上浮使污泥大量流失。出現(xiàn)這種情況時(shí)不應(yīng)增加污泥負(fù)荷，而應(yīng)加人適當(dāng)堿度使生物氣泡釋放出來，使沉降性能變好。操作穩(wěn)定時(shí)，適于增大負(fù)荷，此時(shí)顆粒污泥生長加快，當(dāng)顆粒污泥形成并穩(wěn)定一段時(shí)間后，操作適當(dāng)時(shí)不易解體。此時(shí)堿度可比啟動(dòng)階段有所降低，但要保持足夠的堿度，處理以碳水化合物為主的廢水時(shí)，進(jìn)水堿度與CODcr之比應(yīng)大于3。
3.3溫度
ASBR能在5～65℃范圍內(nèi)處理多種廢水，為在低溫和常溫下廉價(jià)處理廢水提供了可能性。但恒溫對ASBR保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要作用，不同種群產(chǎn)甲烷菌對生長的溫度范圍均有嚴(yán)格要求，從而需要保持恒溫。不論何種原因?qū)е聹囟鹊亩唐谕蛔儯鶗?huì)對厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生明顯的影響，高溫發(fā)酵時(shí)最為敏感。
4ASBR各階段所需時(shí)間的確定
ASBR運(yùn)行時(shí)每周期包括4個(gè)階段，依次為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水階段。各個(gè)階段的停留時(shí)間由操作條件和所需出水水質(zhì)來決定。一個(gè)周期所需最短時(shí)間tmin是進(jìn)水時(shí)間扒反應(yīng)時(shí)間tr、沉淀時(shí)間ts和出水時(shí)間td的和，即
tmin=tf+tr+ts+td（1）
4.1進(jìn)水時(shí)間
進(jìn)水時(shí)間由進(jìn)水體積和進(jìn)水速度決定，同時(shí)須考慮有毒有害物質(zhì)的抑制影響進(jìn)水速度視進(jìn)水水質(zhì)而定。進(jìn)水體積由設(shè)計(jì)的HRT有機(jī)負(fù)荷及預(yù)定的沉淀特征確定。進(jìn)水時(shí)間由下式求出：
tf=Vf/Qf（2）
式中：Vf－－進(jìn)水體積，L；
Qf--進(jìn)水速度，L/h。
4.2反應(yīng)時(shí)間
反應(yīng)所需時(shí)間由廢水水質(zhì)和濃度、污染物的降解速率、所需出水水質(zhì)、生物固體濃度和水溫等因素決定。反應(yīng)器中混合液體積從進(jìn)水開始不斷增加，直到進(jìn)水結(jié)束達(dá)最大值門預(yù)定反應(yīng)器總有效體積人進(jìn)水時(shí)反應(yīng)器中基質(zhì)濃度不斷增加，而反應(yīng)階段反應(yīng)器中基質(zhì)濃度不斷減少，這表明ASBR是間歇進(jìn)行的非穩(wěn)態(tài)厭氧生物處理過程人SBR反應(yīng)器在時(shí)間上為推流式反應(yīng)器，在空間上為完全混合式反應(yīng)器。從另一個(gè)角度出發(fā)，可以認(rèn)為進(jìn)水階段為完全混合反應(yīng)，反應(yīng)階段為推流式反應(yīng)。
采用莫諾德動(dòng)力學(xué)方程來描述反應(yīng)器中基質(zhì)濃度的變化情況時(shí)，基質(zhì)去除率是按一級反應(yīng)進(jìn)行的：
dS/dt=-KXS/Ks+S(3)
式中：
S--基質(zhì)濃度，mg/L；
X--污泥濃度，mg/L；
K--最大比基質(zhì)利用速率，l/d；
Ks--半飽和常數(shù)，mg/L。
由于在厭氧反應(yīng)器ASBR中污泥產(chǎn)率很低，同時(shí)反應(yīng)器中保持有高污泥濃度，從而可以認(rèn)為在進(jìn)水階段和反應(yīng)階段污泥量的變化可忽略不計(jì)，進(jìn)水階段完全混合時(shí)的物料平衡為下式：
dS/dt=Q/[(Vmin+Vf)](S0-S)-KXS/Ks+S(4)
式中：Vf為某時(shí)打共進(jìn)水體積，為時(shí)間的函數(shù)。
聯(lián)合(4)式和(5）式可得出進(jìn)水結(jié)束時(shí)的基質(zhì)濃度，通常采用迭代法可解出，開始進(jìn)水時(shí)間為t時(shí)的基質(zhì)濃度由下式給出：
S=（反應(yīng)器中基質(zhì)量)t/（反應(yīng)器中混合液總體積)t(6)
在時(shí)間為t+△t時(shí)基質(zhì)濃度為：
式中：
St---時(shí)間為t時(shí)的基質(zhì)濃度，mg/L；
Vt----時(shí)間為t時(shí)的反應(yīng)器中總體積，L；
△t---計(jì)算時(shí)取得時(shí)間間隔；
Vmin--進(jìn)水開始時(shí)反應(yīng)器中混合液體積，L。
在△t足夠小時(shí)，t+△t時(shí)的基質(zhì)濃度可認(rèn)為與時(shí)間為t時(shí)基質(zhì)濃度幾乎相等把St代人(7)式可預(yù)測在進(jìn)水結(jié)束時(shí)的基質(zhì)濃度Sf，結(jié)合式(3）可取出反應(yīng)所需時(shí)間如下：
tr=Ks/KX[ln(Sf/Se+(Sf-Se)/Ks](8)
式中：Se---設(shè)計(jì)的出水基質(zhì)濃度，mg/L。
4.3沉淀時(shí)間
沉淀階段停止攪拌，為理想的靜止沉淀。沉淀所需時(shí)間是污泥沉淀速度出所需排水體積Vd及反應(yīng)器橫截面積(A)的函數(shù)，即
ts=Vd/vA(9)
但沉淀時(shí)間不宜過長，通常為10－30min。沉淀時(shí)間過長時(shí)繼續(xù)產(chǎn)出的生物氣使已沉降的污泥重新懸浮起來。混合液懸浮固體濃度MLSS，進(jìn)料量與污泥量之比（F/M）是影響污泥沉淀速率及出水濃度的重要因素。
4.4節(jié)水時(shí)間
排水所需時(shí)間由所排放水的體積及出水流量Qd決定，通常為了保持反應(yīng)器中混合液恒定體積，排水體積等于該周期進(jìn)水體積，排水時(shí)間可由下式得出：
td=Vd/Qd(10)
5結(jié)語
ASBR同其它厭氧反應(yīng)器比較有如下特點(diǎn)：
①ASBR能形成顆粒污泥，同UASB和AF相比，在反應(yīng)器底部不需要復(fù)雜且昂貴的配水系統(tǒng)，也不需要復(fù)雜的三組分離器。
②ASBR在動(dòng)力學(xué)上有顯著的優(yōu)越性，F(xiàn)/M值高低交替變化，既保證了反應(yīng)階段的高去除率，又保證了沉淀階段的良好沉淀效果。
③ASBR能夠在較大的溫度范圍內(nèi)(5～65℃)運(yùn)行，可在低溫和常溫下處理各種高濃度、低濃度和特種有機(jī)廢水。
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