1 厭氧折流板反應器及其理論研究

　　厭氧反應器經歷了三代發展[1]：第一代反應器，廢水 與厭氧污泥完全混合，以普通厭氧消化池為代表;第二代反應器，可以將固體停留時間和水力停留時間分離，注重培養顆粒污泥，代表反應器有上流式厭氧污泥床反應器(UASB);第三代反應器，在固體停留時間和水力停留時間相分離的前提下，既能保有大量污泥又能使廢水和活性污泥充分混合[2]。厭氧折流板式反應器(ABR)屬于第三代厭氧反應器，是20世紀80年代初由美國學者P. L. McCarty所開發的。反應器內設置了垂直于水流方向的導流板，可將整個反應器分隔為幾個反應室，廢水由導流板引導上下折流依次通過各個格室，每個格室又是相對獨立的上流式污泥床系統。

　　與此同時，厭氧消化兩階段理論演變為三階段理論，兩階段理論把厭氧消化過程分為酸性發酵和堿性發酵過程，而三階段理論則由水解、酸化和產甲烷階段組成。目前，三階段理論被認為是研究厭氧消化方面的主要依據。參與三階段厭氧消化菌群的相關理論被歸納為四菌群學說，在第一階段由水解菌、發酵菌將大分子的有機物分解為簡單的小分子有機物，如纖維素水解為小分子糖類，蛋白質水解為氨基酸，脂肪水解為脂肪酸和甘油。第二階段中產氫產乙酸菌和同型產乙酸菌將第一階段的水解產物進一步轉化為乙酸、CO2和H2 等小分子物質。在第三階段中產甲烷菌則利用前面兩個階段的產物將有機物降解為甲烷和二氧化碳氣體等。厭氧消化理論的發展引導了厭氧反應器的研究和進展方向。

　　2 研究現狀

　　ABR是新型高效的厭氧處理工藝，它具有工藝簡單、操作方便、經濟成本較低以及處理效能較高等優點，適應于多種廢水的處理。

　　2.1 ABR結構的發展變化

　　厭氧折流板反應器的反應區域被創造性地分隔為上流室與下流室，很多學者將ABR看作是多個連續攪拌槽式反應器(CSTR)串聯組成的，這種特殊的折板型結構可以提高系統的污泥保有量。很多研究者就如何優化ABR的結構做了廣泛研究。

　　ABR的最初結構是由K. F. Fannin等[3]將豎向導流板添加到推流式反應器中得到的，研究結果表明，這樣的改變可以提高反應器截留污泥的能力，提高厭氧處理的效率。P. Y. Yang等[4]提出了水平折板式厭氧反應器(Horizontally Baffled Anaerobic Reactor，HBAR)，HBAR可以有效地實現固、液兩相分離并且具有占地面積小、操作簡單、成本低等優點。

　　用ABR處理廢水時，由于上升的水流會將污泥帶出，使生物量減少，在一定程度上影響出水水質，因此A. Tilehe等[5]對ABR做了較大的改動，首先在反應器的末端增加沉降室來循環利用沉積于此的污泥;其次在各個格室上端附加填料可以有效地固定污泥防止其流失;最后對每個格室產生的氣體進行單獨收集。基于污泥量的流失，為保證反應器內能夠保留足量的污泥，1991年R. Boopathy等[6]對兩格室ABR結構進行了改良，將反應器一、二格室的體積比設計為2∶1。

　　多年來，各國學者所研究的ABR其形狀多為長方體，而1998年I. V. Skiadas等[7]設計的周期性折流式厭氧反應器(PABR)由兩個同軸圓柱體組成，兩個圓柱之間的圓環體被豎向導流板分隔為若干個扇形的格室，PABR結構與大多數ABR完全不同。

　　2002年S. Uyanik等[8]提出分隔室進水厭氧折流板反應器(SFABR)，改進后各個格室按一定比例的流量同時進水，他們認為這樣的進水方式可以解決傳統的單側進水方式導致的反應器中營養物質濃度的高低差異。

　　2.2 ABR的啟動方式

　　實驗中反應器能否快速成功啟動是關乎整個實驗成敗的決定性條件，影響啟動成功的因素包括了反應器的結構、環境因素、接種污泥中微生物的活性和總量、COD容積負荷、水力停留時間等。

　　1995年S. Nachaiyasit等[9]率先采用了固定進水COD再逐步減小HRT的方法研究了ABR的運行效能，但由于沒能及時調節反應器的運行參數致使反應器發生了過度酸化，最終啟動失敗。W. P. Barber等[10]則通過對比研究兩種啟動方式(COD固定，HRT逐漸減少;HRT固定，COD逐漸增加)，得出了固定進水COD的啟動方式在COD去除率、運行的穩定性以及保持污泥衡量等方面均具有較大優勢。

　　就不同格室數的ABR同時啟動的性能差別，何仕均等[11]同時研究了三格室和五格室ABR的啟動。結果表明，兩種反應器表現出相似的處理效能。同時何仕均等研究啟動投加填料復合式反應器，整個系統運行狀態穩定，很明顯這種復合式反應器相較于普通厭氧折流板反應器啟動成功所需時間更短。

　　林英姿等[12]通過研究采用好氧預掛膜法和低負荷啟動法兩種不同的啟動方法實現ABR的啟動。最終得出好氧預掛膜啟動法的啟動時間短、COD去除率高且pH 穩定、顆粒狀污泥生長情況較好的結論，說明這是一種可推廣的啟動方法。

　　2.3 ABR中微生物演替的研究

　　從生態學方面來看，試驗研究中不同的操作條件以及進水中有機物濃度、沿程pH和氧化還原電位(ORP)的變化等因素影響了系統內部微生物的代謝生長，微生物群落會逐步在各個格室形成優勢菌群，但優勢菌群間不是絕對的獨立，各格室之間有重疊部分。微生物在生態位上的分離與重疊正是ABR所獨具的優點，這樣可以保證有機物在反應器中充分降解，不同格室所獲得降解產物最終不同。

　　ABR前面格室中有機負荷高、營養豐富，利于各種菌種的繁殖。李清雪等[13]利用電鏡掃描了污泥包含的微生物的形態，每個格室中存在短桿菌、長桿菌、弧菌、球菌和絲狀菌，前面格室內的菌種含有較少產甲烷絲狀菌和桿菌以及產甲烷八疊球菌，越靠后的格室中產甲烷八疊球菌所占比例越大。

　　K. G. V. T. Gopala等[14]通過掃描電鏡觀察八格室ABR污泥微生物的形態時觀察到較多的產甲烷球菌，球菌的形態有大有小，第一格室至第八格室中均存在微小的球菌，但是從第五格室起較大形態的球菌數量逐漸增多，并且出現了竹節狀菌群。通過掃描電鏡可以清楚地鑒別微生物群落的形態結構以及分布。

　　鄧遵等[15]在ABR的研究中發現，出水回流不僅提高了反應器內微生物種群的多樣性還使得微生物種群更加穩定，與不回流反應器相比，真菌的豐度約高出8.5%，古細菌則高出4.5%，而產氫產乙酸菌和耗氫產乙酸菌的豐度相對不回流反應器也有一定比例的增高。

　　Jianfen Peng等[16]根據啟動五格室的ABR的研究結果發現，微生物群落在前面兩個格室產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌是優勢菌群，分別占19.7%和8.3%，而在ABR后面格室中古菌屬的產甲烷菌占有重要比率，同時產氫產乙酸菌和耗氫產乙酸菌所占比例則分別下降到6.6%和4.8%。

　　2.4 ABR處理不同類型污廢水的研究

　　表1對比了ABR對不同工業廢水的處理效果。

　　2.5 ABR處理人工模擬廢水的效能

　　李剛[25]研究了ABR在保持COD不變而調節進水流量條件下的處理效能，設計了七格室和八格室兩個不同的ABR，得出兩個反應器的COD去除率都達到90%以上，但八格室反應器處理效果略高于七格室的。加大反應器容積條件就是加強活性污泥與廢水間傳質，所以處理效果更加理想。

　　在李清雪等[13]的研究中，當進水COD為7 000 mg/L時，COD去除率可達95.25%;提高COD至8 000 mg/L，COD的去除率相對有所升高，大約為98.5%;而將COD提高至9 000 mg/L時，COD的去除率下降至80.2%。由此可知水力負荷保持在1.0～1.5 m3/(m3·d)左右最佳，太高的有機負荷不利于反應器的運行。而后，他們又利用ABR處理人工配制的含有硫酸鹽的高濃度有機廢水，實驗結果表明，利用ABR處理含有硫酸鹽的廢水，調節COD/SO42-的比值能有效解決MPB與SRB之間的抑制影響，也是使各菌群發揮最大優勢的直接方法。

　　王磊[26]同時運行2個ABR，將聚丙烯酰胺和膨潤土的混合液添加到厭氧污泥中并接種到一個反應器中，而另一個只接種厭氧污泥。研究證實了在ABR中添加聚丙烯酰胺和膨潤土對于顆粒污泥的形成起促進作用，并最終提高了反應器運行效果。

　　M. S. Khabbaz[27]研究得出了在序批式條件下循環流對ABR處理效能的影響，即水流上流速度為35 cm/min是ABR中生物氣產量和COD去除率均達到最佳狀態的條件，這個上流速度也是設計和操控反應器的最適值。

　　為研究出水回流對ABR抗酸化性能的影響，鄧遵等[15]利用ABR處理模擬廢水，常溫下以高負荷方式啟動反應器。研究發現，雖然回流對于反應器去除COD的效果沒較大的影響，但整個系統的pH相比之前更加穩定，VFA的累積量相對降低。提高反應器的抗酸化性能對于高負荷條件下ABR的穩定運作起關鍵作用。

　　Tingting Wu等[28]進行了聯合ABR—MEC耦合降解高濃度有機廢水的研究，在克服了發酵產氫障礙的同時成功降解了廢水中的有機物。

　　3 結語與展望

　　ABR具有以下優點：良好的固體生物截留能力，使得各格室中的微生物種群擁有最佳的工作活性;耐沖擊負荷，對毒性物質有更好的緩沖適應能力，擁有較優的出水水質;易操作管理。雖然ABR可以廣泛處理多種類型的廢水，但對于成分復雜或含有毒性物質的廢水在處理方面依舊存在不足，所以該反應器沒有大范圍推廣。ABR處理容積負荷較高的廢水時，第一格室酸化程度嚴重，而最后一個格室則出現廢水COD較低且僅足以維持微生物正常生長的情況，廢水的處理效果不明顯，出水水質很難達到排放標準;在厭氧環境下微生物自身增殖緩慢導致世代周期過長，ABR啟動時間較長;ABR沒有攪拌裝置，反應器內存在的生物死區和水力死區也是影響處理效果的因素之一。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。

　　為了提高ABR實用性、系統穩定性，建議未來的研究應集中在以下幾個方面：首先，ABR結構依然存在缺陷，增置回流結構以及添加不同類型填料來改良反應器，以提高處理過程中的傳質效率;其次，ABR啟動時間相對較長，選擇合適的接種污泥以及高效的啟動方式以縮短啟動反應器所花費的時間;第三，ABR處理各種成分復雜的廢水存在問題，因此可結合其他工藝同步參與處理過程，以提高處理效率。

　　為了準確評估ABR運行中的經濟因素，還應對反應器維持正常運行所添加的堿度和保溫設備等使用情況精確計算。