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复合式厌氧折流板反应器处理印染废水试验研究 黄瑞敏刘欣黄春梅周海滨 华南理工大学环境科学与工程学院， 广州 510006 摘要 通过在 ABR 反应格室上部增设组合填料， 下部投加粒状惰性载体填料形成复合式厌氧折流板反应器 HABR ， 并用以处理印染废水， 研究了反应器的启动特点，水力停留时间 HRT 、 污泥回流比对 HABR 处理印染废水的的影响 以及反应器各格室的运行情况。结果表明复合式厌氧折流板反应器 HABR 对印染废水具有更高的处理效率， 当 HRT 为 11 ～ 12 h， 污泥回流比为 0. 3 时， HABR 对印染废水 COD、 色度的去除率可达 47 和 56 ， 且生物相呈现明显 的种群配合和良好的沿程分布。 关键词 厌氧折流板反应器; 印染废水; 组合填料; 惰性载体 EXPERIMENT STUDY ON THE TREATMENT OF PRINTING AND DYEING WASTEWATER BY HYBRID ANAEROBIC BAFFLED REACTOR Huang RuiminLiu XinHuang ChunmeiZhou Haibin College of Environmental Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China AbstractIn this work，the printing and dyeing wastewater was treated by a pilot-scale HABR which was modified from general ABR by adding combined packing in the upper part of each compartment and adding inert carrier at the bottom of the reactor. The start-up characteristics of the reactor，the effect of HRT and sludge return ratio on the treatment of printing and dyeing wastewater by HABR and the running characteristics of each compartment were researched. The results show that the HABR has a higher efficiency in treating printing and dyeing wastewater with higher COD and color removal rate. while the hydraulic retention time HRTwere taken for 12 ～ 13 hours and the sludge return ratio was 0. 3，the average COD and color removal rates tends to reach 47 and 56 respectively and the anaerobic bacteria in each compartment developed good based on their available substrates and specific environmental conditions. Keywordsanaerobic baffled reactor;printing and dyeing wastewater;combined packing;inert carrier 0引言 印染废水是一种较难处理的工业有机废水， 其特 点是色度高， 成分复杂， 可生化性较差， 而厌氧处理通 过微生物的水解酸化作用， 使得废水中难降解的有机 物及其发色基团解体、 被取代或裂解， 转化为可生物降 解的小分子有机物， 从而提高废水的可生化性， 同时脱 除色度， 与混凝、 好氧工艺组合后可将废水处理至达标 排放， 因此在印染废水处理中得到广泛的研究和应用。 ABR 反应器是由美国 Stanford 大学的 McCarty 等人 ［ 1］ 于 20 世纪 80 年代初提出的一种高效新型厌氧反应 器， 其工艺简单、 启动容易、 投资少， 且较好的体现了先 进的多阶段分相 SMPA 废水处理的思想 ［ 2］， 近来被应 用于多种工业废水处理。本研究采用经改进的复合式 厌氧折流板反应器 HABR 处理某印染厂印染废水， 研究了反应器运行特性及影响因素。 1试验材料与方法 1. 1废水来源及水质 试验所用废水来自广东东莞某大型针织印染厂 废水调节池， 其生产所用染料为活性染料、 直接染料 以及少量硫化染料， 其水质情况见表 1。 表 1废水的水质 水质pHρ COD / mg L － 1 ρ BOD5 / mg L － 1 ρ SS / mg L － 1 色度 /倍ρ S2 － / mg L － 1 数值8. 5 ～ 9. 5500 ～ 600150 ～ 180200 ～ 300600 ～ 80020 ～ 30 11 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 1. 2工艺流程与试验设备 废水从调节池被泵至 ABR 反应器进行厌氧处 理。ABR 反应器由 PVC 板制成， 正面采用透明 PE 板， 可以观察反应器污泥床情况， 呈长方体形， 其规格 为4000 mm 500 mm 3 300 mm， 总 有 效 容 积 为 6 000 L， 内分为 5 个反应室 由进水端到出水端依次 编号为 1 ～ 5 ， 在 1 号格室下部用穿孔管均匀进水， 后四个格室由一个上流室和一个下流室组成， 二者宽 度为 3∶ 1。上流室挡板下部边缘设 45导流板布水， 便于将水送至上流室中心， 使泥水充分接触。合理分 布五个上流室面积， 使其上升流速之比为 1∶ 1∶ 0. 87∶ 0. 87∶ 0. 62， 利于污泥在反应器末端沉降， 减少污泥流 失。每格室由上至下设 3 个采样口， 用于采集水样和 污泥。其改装措施见后文分析， 结构见图 1。 图 1复合厌氧折流板反应器简图 1. 3分析项目和方法 COD 重铬酸钾法; pH pHB － 3 型 pH 计; 色度 目视比色法; SS 和 VSS 重量法; DO JPB － 607 型溶 氧仪 ［ 3］。 1. 4试验方法 1. 4. 1ABR 运行中的问题及改进 ABR 作为一种高效的厌氧生物反应器， 主要原 因就是独特的分格式结构及推流式流态， 使得每个反 应室中可以驯化培养出与流至该反应室中的污水水 质、 环境条件相适应的微生物群落， 使微生物种群得 以合理分布 ［ 1， 4- 5］， 同时上下流的水流形态又使污泥 与废水充分接触， 具有较强的耐冲击负荷能力 ［ 6］。 但是在利用 ABR 处理印染废水的工程应用和实验研 究中也发现， 普通 ABR 反应器中反应室污泥床层的 膨胀高度受污泥流失的限制， 反应室上部空间微生物 量较少， 空间利用率不足; 同时由于印染废水可生化 性较差， COD 相对较低， 故较难形成颗粒污泥， 即使 接种时采用颗粒污泥， 在运行过程中也易受到冲击而 絮解。而在厌氧处理系统中， 大量颗粒污泥的形成， 以及污泥和废水的充分混合接触是保证取得良好厌 氧效果的重要因素 ［ 7］， 因此上述情况影响了 ABR 反 应器的效能。针对这些问题， 本研究对 ABR 反应器 作了改进， 如图 1。在格室上部增设组合双环填料， 约占格室体积的 1 /3， 形成填料层， 提高容积利用率; 同时在前四个格室的下部空间投加粒径为 0. 5 ～ 1 mm的改性橡胶粒作为惰性载体， 以利于颗粒污泥 的形成和保存。另外增设污泥回流装置， 一方面可以 补充前面格室流失的污泥， 另一方面， 可以加大上升 流速， 提高污泥与废水混合程度。从而形成复合式厌 氧折流板反应器 HABR 。 1. 4. 2试验过程 复合式厌氧折流板反应器 HABR 启动后， 通过 调控流量考察 HRT、 污泥回流比对其运行的影响， 并 考察 各 格 室 运 行 特 性。设 置 同 样 大 小 和 样 式 的 ABR， 同时启动运行， 以作对比。由于印染废水本身 温度较高， 试验中水温一直保持在 28 ～ 35 ℃ ， 因此不 设控温措施。 2结果与讨论 2. 1污泥接种驯化与反应器的启动 复合厌氧折流板反应器 HABR 接种污泥取自 该厂原有水解酸化池污泥， 接种进入的污泥量占反应 器容积的 1 /2 以湿污泥体积计 ， 其污泥浓度 VSS 为 18 g/L， VSS/TSS 为 0. 56。污泥接种进入反应器后， 配制 营 养 液 加 入 到 反 应 器 中。营 养 液 按 葡 萄 糖 600 mg/L的浓度进行配制， 并按 m COD ∶ m N ∶ m P 200∶ 5∶ 1加入氯化铵和磷酸二氢钠， 同时加入 一定量的微量元素保证微生物生长的需要。加入接 种污泥及营养液后开动污泥内循环， 搅动污泥， 持续 5d。然后每天停止搅动 1 h， 污泥沉降， 抽出一定量的 上清液， 抽入等量的印染废水， 同时添加营养物料。 按照同样的方法接种污泥到 ABR 反应器。污泥经营 养液和印染废水联合驯化 10 d 后， 可发现松散的水 解污泥变为沉降性能良好的絮状污泥， 而后采取固定 进水浓度， 逐步缩短停留时间的方式 ［ 8- 9］对 HABR 和 ABR 进行启动。 印染废水的流量慢慢从∶ 增加到400L/h 分六个 阶段 120， 150， 180， 240， 300， 400 L/h ， 即水力停留 时间从50 h缩短到15 h。 测定进出水 COD， 当 COD 去 除率较稳定时， 进入下一个阶段， 如图 2 所示。 21 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 图 2反应器启动阶段 COD 去除率 由图 2 可知， 在启动初期， HABR 和 ABR 对印染 废水 COD 去除率均缓缓上升， 两者相差不大， 但启动 进入 40 d 后， 随着 HABR 中颗粒污泥逐渐形成以及 填料逐渐挂膜， COD 去除率由显著上升， 75 d 左右， HRT 为 25h 时 HABR 对 COD 去除率达到 48 左右， 而后继续缩短 HRT， 反应器受冲击后恢复较快， 耐冲 击负荷能力增强， 且随着 HRT 的减小 COD 去除率有 降低的趋势， 可认为 75 d 反应器启动成功， 污泥基本 成熟。此时观察 HABR 反应器底部的粒状惰性载体 上覆盖了生物体， 其中较大颗粒上形成了生物膜， 较 小颗粒则作为核心促进了颗粒污泥的形成， 粒径为 0. 5 ～ 3 mm， 各格室污泥颗粒颜色由前到后逐渐变 深， 由灰白色变为黑色， 且第 1、 2 格室数量较多， 后面 格室数量较少， 可能是由于前面的隔室已经将大部分 的有机负荷消耗， 剩下的已经不能满足后面隔室的生 长需要所致; 同时在上升水流的带动下， 一些细小的 污泥被带出污泥床层， 被反应器上部填料的维纶丝所 截住， 并通过微生物所分泌的物质吸附在维纶丝上， 使组合填料表面形成了 2 ～ 3 mm厚生物膜。而 ABR 反应器由于不需挂膜， 60 d 左右反应器运行比较稳 定， 受冲击负荷影响较小， 可认为启动成功， 但 COD 去除率较低， 仅为 30 左右， 且反应器内没有形成粒 状污泥， 污泥呈黑色絮状。 2. 2水力停留时间 HRT 对反应器运行的影响 水力停留时间 HRT 是厌氧反应的一个重要参 数之一， 也是影响 ABR 处理效果的关键因素， 并直接 决定工程应用的投资。在试验中调节进水流量， 考查 不同 HRT 对 HABR 和 ABR 处理印染废水效果的影 响， 每组参数进行 7 d 的试验， 结果取平均值， 如图 3 所示。HABR 和 ABR 对印染废水 COD 去除率随着 水力停留时间的增加而增大， 12h 后 HABR 对 COD 的去除率可达到 45 左右， 而在相同停留时间内， 普 通 ABR 对印染废水 COD 的去除率只能达到 28 。 HABR 对废水的色度也有较好的脱除作用， 当 HRT 为 12 h 时， 废水的色度去除率就达到 50 以上。这 是因为活性染料分子是属于杂环化合物， 含有多环芳 烃， 而厌氧微生物， 特别是水解酸化菌具有易于诱导， 较为多样化的健全开环酶体系， 这就为多环芳烃和杂 环化合物的厌氧酸化降解提供了客观保证， 使它们易 于开环裂解， 顺利通过生物化学反应而得到有效的降 解。开环裂解破坏了活性染料以及发色基团， 从而降 低废水的色度。 图 3HRT 对 ABR 和 HABR 处理效果的影响 继续增大水力停留时间， HABR 对废水 COD 和 色度的去除率增长缓慢， 分析原因， 一方面可能是因 为水力停留时间较长时， 反应室水流上升速度较低， 降低了污泥和废水的混合程度， 从而影响了处理效率 的提高; 另一方面因为印染废水中本身存在一些难以 被生物降解的物质， 而且有一些大分子染料通过一段 时间的厌氧裂解后形成的小分子物质也难以继续被 厌氧微生物降解， 所以 COD 和色度去除效果降低。 可见， 综合考虑经济等因素， HABR 处理活性染料为 主的印染废水， HRT 为 11 ～ 12 h比较合适。 HABR 和 ABR 对废水处理效果的比较也表明 ABR 经改进后， 弥补了上层污泥浓度较低的不足， 又 促进了颗粒污泥的形成和保存， 从而促进了反应器处 理效率的提高， 缩短了所需的水力停留时间， 有利于 节省工程投资。 2. 3污泥回流比对 HABR 运行效果的影响 在本试验的 HABR 反应装置中， 前几格室中废 水上升流速相对较高， 仍存在少量的污泥流失， 而最 后一格因上升流速相对较低利于污泥沉降而流失较 少， 为了补偿前几格室中污泥流失， HABR 中增设了 31 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 污泥回流装置， 污泥回流还有利于在水力停留时间不 变的情况下提高废水上升流速， 提高污泥床层的膨胀 高度， 促进废水和污泥的混和及增长接触时间。固定 进水流量使水力停留时间保持为12 h， 调节污泥回流 比， 考察在不同污泥回流比下 HABR 对废水 COD 和 色度的平均去除率， 结果如图 4 所示。 图 4污泥回流比对 HABR 处理效果的影响 由图 4 可见逐渐增大回流比， HABR 的运行效果 有所提升， 当回流比过高时 大于 0. 3 ， 因为格室内 上升流速过大冲刷生物膜和污泥， 使污泥流失严重， 反而影响了反应器的运行效果， 对废水 COD 和色度 的去除率均迅速下降。 2. 4HABR 各格室运行情况分析 生物相有明显的种群配合和良好的沿程分布是 厌氧折流板反应器的一个重要特点和优点。在不同 的水力停留时间 HRT 下， 考察 HABR 反应器各个 格室中 pH 的变化情况以及对 COD、 色度等的去除情 况， 可以间接反映 HABR 处理印染废水过程中生物 相及污染降解的沿程分布， 结果如图 5 所示。 图 5不同 HRT 下各隔室 pH 的变化 由图 5 可知， 各格室出水平均 pH 可以体现该格 室的酸化程度 ［ 10］， 废水进入反应器后， 大分子有机物 在占优势的水解酸化菌的作用下生成小分子物质及 大量有 机 酸， 使 pH 迅 速 降 低。当 水 力 停 留 时 间 HRT 为12 h以上， 后几个格室出水 pH 逐渐回升， 可以推测后几格室产甲烷作用逐渐形成优势， 甲烷菌 利用前段格室中产生的酸为基质进行了产气反应， 有 机酸得以消耗。而当水力停留时间较短时 HRT 6 h ， 各格室 pH 沿程逐渐降低， 产酸作用后移， 整个 反应器处于水解酸化阶段。从 COD 和色度的去除情 况看， 如图 6 所示， 当水力停留时间较长， 色度主要集 中在前几格室内去除， 而后段格室对色度基本无去除 作用， 这是因为较长水力停留时间利于反应器各格室 中形成适合本格室废水特征的微生物种群， 而对活性 染料具有开环脱色作用的水解酸化菌主要集中在前 几格室。COD 的去除也表现出相似的规律， 大部分 较易降解物质在前几格室被污泥吸附， 并在水解酸化 菌以及少量代谢乙酸的丝状甲烷菌的作用下去除。 不同 HRT 下， 各格室运行情况也证明了水力停留时 间对 HABR 处理印染废水有较大的影响， 充分发挥 HABR 的作用需要保证足够的水力停留时间， 以满足 甲烷菌的生长。 图 6不同 HRT 下各隔室 COD 和色度去除率沿程变化 3结论 1 通过在反应器格室上部增设组合填料， 下部 投加惰性载体填料将普通厌氧折流板反应器改进为 复合式厌氧折流板反应器， 提高了反应器的空间利用 率， 促进颗粒污泥的形成和保存， 有效提高了反应器 的性能。 2 随着水力停留时间的增加， HABR 对印染废水 COD 和色度去除率不断增加， 当水力停留时间为 11 ～ 12 h 时， COD 和 色度去除率分别可达 45 和 41 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期 55 左右， 从经济性考虑， HABR 处理印染废水 HRT 为11 ～ 12 h较为合适。 3 污泥回流可补偿反应器前端格室的污泥流失 并提高上升流速， 适当的污泥回流比可提高 HABR 对印染废水的处理效率。当 HRT 为12 h， 回流比为 0. 3 时， COD 和色度去除率最高， 分别可达 47 和 56 左右。 4 反应器各格室运行情况表明 HABR 中微生物 形成了良好的沿程种群分布， 反应器前端发生明显的 产酸反应， 易降解的大分子物质在前端格室被水解酸 化， 后段格室中有机酸被产甲烷微生物降解。 参考文献 ［1 ］ Bachman NA，BeardVL， McCartyPL.Perance characteristics of the anaerobic baffled reactor［J］ .Wat Res， 1985，19 1 99- 106. ［2 ］ Lettinga G. 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ABR 反应器的碱度变化及调控 研究［J］ . 环境科学，2006，27 10 2024- 2027. 作者通信处刘欣510730广州市黄浦区穗东街南基工业区西小 区 11， 12， 13 栋 E- mailliulin750 163. com 2009 － 11 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 3 页 化反应的正常进行。一级接触氧化罐内 DO 控制在 1. 5 ～ 2 mg/L， 二、 三级接触氧化罐内 DO 可适当提 高， 但不能超过3. 5 mg/L。 接触氧化罐内附着在填料 表面的生物膜与呈悬浮态的微生物呈竞争关系， 悬浮 性微生物过度繁殖会竞争吸收营养物质制约附着生 物膜的生长， 导致系统 SS 偏高， 通过排泥缩短污泥龄 可以改善系统出水效果。在调试30 d后， 接触氧化罐 内生物相十分活跃， 有较多钟虫、 轮虫出现， 生物膜逐 渐成熟。经过 2 个月的调试运行， 系统的出水各项参 数指标达到排放标准要求。 参考文献 ［1 ］ 梁波， 朱卫国. 铕配合物红色电致发光材料的合成及其电致发 光器件的研究［D］ . 湘潭 湘潭大学，2003. ［2 ］ 刘大为， 黄继国. 小型废水处理设施运行、 调试与设计 研究 ［D］ . 长春 吉林大学， 2009. ［3 ］ 杨健， 杨嬗. 微电解预处理提高酒精废水可生化性的试验研究 ［J］ . 环境科学与技术， 2004， 27 6 39- 41. ［4 ］ 高艳娇， 黄继国. 生物接触氧化 － 电凝聚复合工艺处理垃圾渗 滤液［J］ . 环境科学与技术， 2006， 3 4 46- 48. ［5 ］ 聂艳秋. 二相厌氧 － 混凝法处理制浆造纸综合废水的工艺设计 及调试［J］ . 环境污染治理技术与设备， 2002， 3 6 62- 64. ［6 ］ 柴晓煜， 金建华. 水解酸化生物接触氧化法处理印钞废水的 试验研究［D］ . 武汉 武汉理工大学，2006 15- 18. ［7 ］ 罗旌生， 曾抗美， 左晶莹， 等. 铁碳微电解法处理染料生产废水 ［J］ . 水处理技术， 2005， 31 11 67- 70. ［8 ］ 于宏兵， 杜军， 李景新， 等. 水解酸化 － 二段式接触氧化处理生 物制药废水［J］ . 环境工程， 2005， 23 2 9- 11. ［9 ］ 丁春生， 王敏尔， 高延红， 等. 混凝 － 水解酸化 － 二级接触氧化 处理高浓度精细化工废水中试研究［J］ . 给水排水， 2004， 30 7 53- 55. ［ 10］ 李跃迁， 詹技灵， 孙巍， 等. 金城造纸厂综合污水处理工程调试 运行［J］ . 环境工程， 2009， 27 1 8- 10. 作者通信处黄继国130026吉林大学环境与资源学院环境工程系 E- mailhuangjg jlu. edu. cn 2010 － 03 － 29 收稿 51 环境工程 2010 年 12 月第 28 卷第 6 期