李亞新，李玉瑛
太原理工大學環境工程系，山西太原030024

　　摘　要：形成顆粒污泥和可以在常溫下處理低濃度廢水是厭氧序批式反應器的兩個基本特征。文中討論了厭氧序批式反應器（ASBR）的進水時間與反應時間之比、堿度和溫度對ASBR運行的影響以及ASBR一個運行周期中各時間段的確定。
　　關鍵詞：污水處理生化處理；厭氧序批式反應器
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009－2455（2002）01－0004－03

前言

　　在高效的廢水處理工藝方面，各國學者相繼開發了各種高效厭氧生物反應器，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器(SBR）運用于厭氧處理，開發了厭氧序批式反應器（Anaerobic Sequencing Batch Reactor），簡稱為ASBR。Dague等人發現在ASBR中可以形成顆粒污泥，污泥沉降快且易于保留在反應器內，具有高SRT，低HRT。雖然ASBR運行上類似于厭氧接觸法，但ASBR的固液分離在反應器內部進行，不需另設澄清池，不需真空脫氣設備。出水時反應器內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中的復雜的三相分離器。ASBR具有工藝簡單、運行方式靈活、生化反應推動力大并耐沖擊負荷等優點。本文將介紹ASBR的特點，運行條件及ASBR運行中各階段所需時間的確定。

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小于絮狀體污泥。厭氧消化成功的關鍵在于反應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。從熱力學上考慮，產乙酸菌把長鏈揮發酸轉化為乙酸的反應只有在氫分壓^-5低于101.325×10kPa情況下才能發生，這說明利用CO₂和H₂的產甲烷菌對產乙酸菌關系重大。厭氧顆粒污泥中不同菌種之間鄰近的共生關系有利于厭氧消化過程的順利進行，中間產物及H₂及時被不同菌種消耗掉可以使反應繼續進行，這是顆粒污泥在機理上的優勢。絮狀體污泥盡管也發生H₂及中間產物的轉化，但顆粒污泥中的微生物固定在顆粒上，使中間產物所需傳送的距離遠遠要近于離散的絮狀污泥。Mecart和Smith^[1]發現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行的情況，結果發現以乙醇為基質時，顆粒污泥較懸浮污泥的基質轉化率高75％，以甲酸為基質時，在顆粒污泥中基質轉化速率為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，運行穩定，能夠處理高濃度有機廢水。
　　在接種成熟的顆粒污泥時，ASBR啟動所需時間可以大大縮短，這就克服了普通厭氧法啟動慢的缺點。

2 ASBR能在常溫下處理低濃度廢水

　　大多數高效厭氧反應器主要為中溫消化。ASBR能夠在常溫時處理廢水，溫度低時基質去除率低，但ASBR出水中微生物流失量少，使反應器內可保持高的生物量，這可以抵消由于低溫造成的基質去除率低的影響。
　　低濃度有機廢水在總污水排放量中占很大的比重，甲烷化能力低，采用常規的厭氧消化處理技術難于奏效，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，當溫度為35－15℃、HRT為48h和24h時，各種進水濃度CODcr去除率超過了90％，在15℃低溫下進水CODcr為600和400mg／L時，ASBR對CODcr的去除率仍然超過了85％。

3 影響ASBR運行的因素

3.1 進水時間（tf)與反應時間(tr）之比
　　ASBR藝過程是一個非穩定過程，反應器中有機物濃度是時間的函數。進水結束時達最高值，這說明充水時間影響著ASBR的工藝的處理效果。AS－BR工藝運行分為進水、反應、沉淀和排水4個階段。沉淀和排水時間在同一反應中一般固定且時間短，而進水時間與反應時間是工藝運行的主要參數，其比值影響 ASBR藝的處理效率。過去曾有人認為快速進水可使相應的反應時間加長，且可提高反應速率。但是當基質濃度超過半飽和常數時，反應速率成零級反應，且在ASBR中不能以CODcr去除率作為唯一指標。快速進水由于產酸菌產生揮發性脂肪酸(VFA）速率高于產甲烷菌消耗有機酸的速率，使反應器中大量積累VFA，當負荷大于某一值時，甲烷化能力急劇下降。進水時間長，盡管反應速度慢，但中間產物VFA的及時消耗有利于ASBR順利進行。在低負荷時tf／tr值對反應影響較小，高負荷情況下tf／tr造成的影響大。處理有毒有害廢水時應適當控制tf/tr值。
3.2 堿度
　　ASBR運行時要求混合液具有一定的pH緩沖能力，啟動初期顆粒污泥沒有形成時，對pH值極為敏感，一旦pH值低于7.0產氣不活躍。把pH值調為7.0－7.5時，產氣明顯增加，說明進水堿度對形成的顆粒污泥作用很關鍵，特別在低溫時，混合液粘滯性大，使生物氣泡附著于污泥上不容易釋放，當附著的生物氣泡越集越多時，容易造成污泥上浮使污泥大量流失。出現這種情況時不應增加污泥負荷，而應加人適當堿度使生物氣泡釋放出來，使沉降性能變好。操作穩定時，適于增大負荷，此時顆粒污泥生長加快，當顆粒污泥形成并穩定一段時間后，操作適當時不易解體。此時堿度可比啟動階段有所降低，但要保持足夠的堿度，處理以碳水化合物為主的廢水時，進水堿度與CODcr之比應大于3。
3.3 溫度
　　ASBR能在 5～65℃范圍內處理多種廢水，為在低溫和常溫下廉價處理廢水提供了可能性。但恒溫對ASBR保持系統的穩定性有重要作用，不同種群產甲烷菌對生長的溫度范圍均有嚴格要求，從而需要保持恒溫。不論何種原因導致溫度的短期突變，均會對厭氧發酵過程產生明顯的影響，高溫發酵時最為敏感。

4 ASBR各階段所需時間的確定

　　ASBR運行時每周期包括4個階段，依次為進水、反應、沉淀和排水階段。各個階段的停留時間由操作條件和所需出水水質來決定。一個周期所需最短時間tmin是進水時間扒反應時間tr、沉淀時間ts和出水時間td的和，即

　　t_min=t_f+t_r+t_s+t_d 　　　　　　　（1）

4.1 進水時間
　　 進水時間由進水體積和進水速度決定，同時須考慮有毒有害物質的抑制影響進水速度視進水水質而定。進水體積由設計的HRT有機負荷及預定的沉淀特征確定。進水時間由下式求出：

　　t_f=V_f／Q_f　　　　（2）

　　式中：Vf－－進水體積，L；
　　　 　 Qf--進水速度，L/h。
4.2 反應時間
　　反應所需時間由廢水水質和濃度、污染物的降解速率、所需出水水質、生物固體濃度和水溫等因素決定。反應器中混合液體積從進水開始不斷增加，直到進水結束達最大值門預定反應器總有效體積人進水時反應器中基質濃度不斷增加，而反應階段反應器中基質濃度不斷減少，這表明ASBR是間歇進行的非穩態厭氧生物處理過程人SBR反應器在時間上為推流式反應器，在空間上為完全混合式反應器。從另一個角度出發，可以認為進水階段為完全混合反應，反應階段為推流式反應。
　　采用莫諾德動力學方程來描述反應器中基質濃度的變化情況時，基質去除率是按一級反應進行的：

　　dS/dt=-KXS/Ks+S (3)

　　式中：S--基質濃度，mg／L；
　　　　　X--污泥濃度，mg/L；
　　　　　K--最大比基質利用速率，l/d；
　　　　　Ks--半飽和常數，mg／L。
　　由于在厭氧反應器ASBR中污泥產率很低，同時反應器中保持有高污泥濃度，從而可以認為在進水階段和反應階段污泥量的變化可忽略不計，進水階段完全混合時的物料平衡為下式：

　　dS/dt=Q/[(Vmin+Vf)](S0-S)-KXS/Ks+S (4)

　　式中：Vf為某時打共進水體積，為時間的函數。

　　　　

　　聯合(4)式和(5）式可得出進水結束時的基質濃度，通常采用迭代法可解出，開始進水時間為t時的基質濃度由下式給出：
　　　S=（反應器中基質量)t/（反應器中混合液總體積)t　　 (6)
　　在時間為t+△t時基質濃度為：

　　

　　式中：St---時間為t時的基質濃度，mg／L；
　　　　　Vt----時間為t時的反應器中總體積，L；
　　　　　△t---計算時取得時間間隔；
　　　　　Vmin--進水開始時反應器中混合液體積，L。
　　在△t足夠小時，t+△t時的基質濃度可認為與時間為t時基質濃度幾乎相等把St代人(7)式可預測在進水結束時的基質濃度Sf，結合式(3）可取出反應所需時間如下：

　　tr=Ks/KX[ln(Sf/Se+(Sf-Se)/Ks] 　　　　　(8)　　　　

　　式中：Se---設計的出水基質濃度，mg／L。
4.3 沉淀時間
　　沉淀階段停止攪拌，為理想的靜止沉淀。沉淀所需時間是污泥沉淀速度出所需排水體積Vd及反應器橫截面積(A)的函數，即

　　　ts=Vd/vA 　　　　(9)

　　但沉淀時間不宜過長，通常為10－30min。沉淀時間過長時繼續產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 節水時間
　　排水所需時間由所排放水的體積及出水流量Qd決定，通常為了保持反應器中混合液恒定體積，排水體積等于該周期進水體積，排水時間可由下式得出：

　　td=Vd/Qd 　　　　　(10)

5 結語

　　ASBR同其它厭氧反應器比較有如下特點：
　　①ASBR能形成顆粒污泥，同UASB和AF相比，在反應器底部不需要復雜且昂貴的配水系統，也不需要復雜的三組分離器。
　　②ASBR在動力學上有顯著的優越性，F／M值高低交替變化，既保證了反應階段的高去除率，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(5～65℃)運行，可在低溫和常溫下處理各種高濃度、低濃度和特種有機廢水。

參考文獻：

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　　 [3] Ndon U J，Dague R R.Effects of Temperature and Hydraulic Reten－tion Time on Anaerobic Sequencing Batch Reactor Treatment ofLow--Strength Wastewater［J］.Water Research，1997，31（10）：2455—2466.

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　　作者簡介：李亞新(1941--)，男，遼寧義縣人，教授，博士，博士生導師，liyax@tyut.edu.cn