折流式厌氧反应器；印染废水；水解酸化

折流式厌氧反应器；印染废水；水解酸化
        印染废水含有剩余染料、助剂及纤维上被去除的各种天然的、人工合成的有机污染物，水质、水量变化大，有机物含量高，且大多为芳烃和杂环化合物，生化性差。如果大量未经处理或处理不达标的废水排放到地表水体，将会造成严重的环境污染和生态破坏。
    厌氧折流板反应器（ABR）是1982年由斯坦福大学P L McCarty教授等共同研究开发的一种新型厌氧反应器。ABR使用一系列垂直安装的折流板，将反应器分割成串联的几个反应室，使废水沿着折流板作上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，借助于处理过程中的产气，使微生物在各个格室内做上下膨胀和沉淀运动，使进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。整个反应器内的水流则以较缓慢的速度进行水平流动。自ABR反应器问世以来，由于其独特的结构特征而备受人们关注。ABR反应器对处理中、高含量有机废水有其独特的作用，且其耐冲击负荷能力比较强[1]。
    ABR能否稳定启动关系到整个运行过程的成败。本研究在试验基础上，探讨低负荷启动ABR过程中印染废水的处理效果，以及不同格室的变化规律，以期为ABR处理印染废水的研究与应用提供依据。
    1·材料与方法
    1.1试验装置
    试验装置采用多格室ABR，由厚5 mm的有机玻璃制成，长、宽、高分别为600、250、400 mm，有效高度300 mm，有效容积为45 L。反应器被竖直折流板分为5个格室，每格室由1个升流区和1个降流区组成，2者的宽度比为4:1。通往上流室的折板下端有45°倒角的导流板，便于将水送至上流室的中心，使泥水充分混合。每个格室顶部设有取样口，底部设有排泥口。整个反应器外设水浴保温层，可以由加热棒保温。印染废水通过计量泵输入ABR，依次经过5个格室后，出水由第5格室排出。
    1.2试验水质
    试验用水取自江苏省常熟市某印染企业排出的综合废水，水质情况见表1。
            
    由表1可知，原水水质波动较大，pH偏碱性，色度变化大，废水可生化性差。
    1.3测试项目与方法
    采用常规水质分析方法[2]：COD，重铬酸钾法；BOD5，稀释接种法；NH3-N，纳氏试剂比色法；色度，稀释倍数法；MLSS、MLVSS含量，称量法；pH、氧化还原电位（ORP），PHS-3C型精密pH计。
    1.4接种污泥   接种污泥为混合厌氧污泥，分别取自江苏省常熟市某工业园区污水处理厂厌氧水解池内的厌氧污泥，和江苏省无锡市某纸业废水处理工程的内循环厌氧（IC）反应器，2种污泥按4:5的比例混合后作为接种污泥，其质量浓度约为36.5 g·L-1，m(VSS)/m(SS)=0.51。将污泥分别投入ABR 5个格室的升流区，其中第1格室投放的相对多一些，其余污泥均匀投入其它4个格室。   1.5启动过程
    ABR的启动方式有高负荷和低负荷2种，影响反应器启动的因素包括废水的组成、含量，接种污泥的数量、活性、环境条件（如pH、温度）、微量元素的组成、操作条件（如HRT、有机负荷），反应器的尺寸、结构等[3]。
    试验采用低负荷启动方式，进水采用印染废水与葡萄糖按一定比例混合配水，COD控制在1 000mg·L-1左右，逐渐加大印染废水的比例。HRT从32 h过渡到24 h，COD平均启动负荷为0.97 kg·m-·3d-1。反应器运行前3 d，未取水监测，通过观察可以发现，各格室水面漂浮有褐色絮状污泥。
    随着ABR反应器的运行，微生物逐渐适应新环境，水力冲刷作用将一些活性差的微生物排出反应器。进水中加入了葡萄糖，比较容易被微生物降解，通过观察各个格室的液面，有大量细小气泡出现。通过反应器后，废水色度从暗红色逐渐变成粉红色，直至微红。当出水中漂浮和悬浮的污泥微粒显著减少，出水污染物含量逐渐降低，直至稳定时，反应器启动完成。
    2·结果与讨论
    2.1 COD去除
    废水经过布水器均匀布水进入ABR，使泥水充分混合，控制较长的HRT，有机物与污泥接触时间长，有利于厌氧菌和兼性菌对有机物的降解。
    如图1所示，在反应器启动初期，HRT为32 h，进水COD控制在1 000 mg·L-1，废水提供的COD占20%。在刚启动的5 d内COD去除率较高，达60%以上，原因是葡萄糖较容易被降解。随着进水中印染废水的比例越来越高，HRT控制在24 h，出水COD有所上升直至稳定，COD去除率逐渐下降至40%，运行到第27天时，突然增加葡萄糖，将COD逐渐提高至1 200、1 500 mg·L-1，出水依然稳定，反应器运行正常，这表明系统具备了一定的抗冲击能力。之后逐渐再次减少葡萄糖，只进印染废水，COD去除率近40%，反应器进入污泥稳定阶段，水解酸化过程改变了污染物的分子结构，即将难降解的环状和长链大分子物质转化成短链小分子物质，提高了废水的可生化性，为后续好氧处理创造了良好条件。
           
    2.2色度去除
    印染废水大多呈现各种各样的颜色，反应器进水色度波动较大，这是因为印染废水中的成分，特别是染料、助剂经常随生产订单而变化。试验中，进水平均色度300倍左右，最高500倍，最低200倍；出水平均色度105倍左右，最高150倍，最低40倍，平均去除率约为63.4%。由图2可见，ABR反应器对色度的去除效果是比较明显的，当进水色度在一定范围内波动时，可保持相对稳定的处理效果，表明反应器对进水色度有一定的抗冲击性。
             
    2.3氨氮的去除
    进水氨氮的质量浓度在12.8～54.36 mg·L-1，变化幅度较大，平均为36.91 mg·L-1。由图3可见，在试验的HRT下，出水氨氮含量不但没有降低反而略有升高的现象，这可能是由于该印染废水中包含偶氮染料成分，偶氮染料在缺氧或厌氧条件下，由偶氮还原酶作用断裂偶氮键，生成2个带－NH2的胺分子[4]：R1－N N=R2+4e-+4H+→R1－NH2+R2－NH2。
    在缺氧环境中，偶氮键断裂后生成胺类化合物，胺在氢化酶和水解酶的作用下会生成NH3，并影响反应器的出水pH。
            
    2.4格室稳定运行期的去除效果
    2.4.1 COD
    在第32天后为稳定运行期，HRT=24 h，ABR各格室COD均值及COD的平均去除率见表2。
             
    由表2可以看出，第1格室的COD去除率最高，约为25.4%，占总去除率的64.3%；其次为第2格室，约占总去除率的21%。这是由于废水流经第1格室，与其中的微生物充分混合，可被直接利用的小分子污染物有效得到降解，而非溶解态的COD也可被污泥吸附，这也与接种的污泥量有关。当废水流入后部的格室时，大部分可直接利用的物质已经被消耗，污染物在后面格室内主要发生水解酸化，COD去除率不高。
    2.4.2色度
    表3为稳定运行期色度及其去除率的变化。
            
    从表3可以看出，ABR对色度的去除也是主要在第1格室，约46.3%，为总去除率的71%；其次为第2格室，约为总去除率的30%。同时，试验中发现，当进水色度变化很大时，第1格室也能保持稳定的去除效果。这是因为进水流经第1格室时，含发色基团的大分子污染物首先被污泥颗粒吸附，进而在水解酸化菌的作用下得到降解脱色，这是物理吸附、生物吸附与生物降解的联合作用过程。
    为进一步考察印染废水色度的降解程度及其结构组分的变化，在稳定运行期，对反应器的进水以及各个格室进行了紫外-可见吸收光谱扫描，见图4。
            
    由图4可见，ABR反应器进水的吸光度较高，经厌氧处理后，每一格室的吸光度得到一定程度地降低，这是因为在厌氧菌和兼性菌的作用下，染料分子结构发生了开环、断键、裂解、基团取代和还原等反应，发色基团被打开，废水组分也相应发生了变化[5]。
    2.4.3 pH和ORP
    pH是影响厌氧水解的重要因素，产甲烷菌的最适pH为6.8～7.2，这也是厌氧处理常常控制的pH范围。因为在厌氧体系中，其他非产甲烷菌（如产酸菌等）对pH的变化不如产甲烷菌敏感，在pH发生较大变化时，这些细菌受到的影响较小，它们继续将进水中的有机物转化为脂肪酸等。
            
    如图5所示，进水pH在7.05～8.79，反应器具有一定的pH缓冲能力。经过各格室后pH均有不同程度的降低，并且第1格室pH下降最为明显，主要因为在第1格室内发生的是水解酸化反应，基质首先由不溶性大分子转化为可溶性小分子，然后再被产酸菌进一步降解为低分子脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等。各个格室内pH平均依次为6.99、7.10、7.16、7.19、7.24，呈现先降低后上升的趋势，原因是进入2～4格室后，由于挥发性脂肪酸和溶解的含氮化合物进一步分解为氨、胺、碳酸盐和部分CO2、CH4、H2。pH的变化为甲烷菌的活动创造了适宜的环境条件，有利于提高系统的稳定性和处理效果。
    微生物都有其适宜的ORP，生化反应也需一定的ORP。好氧微生物在ORP为100 mV以上时能生长，而厌氧微生物只能在ORP为100mV以下时才能生长，兼性微生物在ORP为100 mV以上时进行有氧呼吸，在ORP为100 mV以下时进行无氧呼吸[6]。试验中，ORP随格室的变化见图6。
              
    由图6可知，ORP随格室依次下降，除第2组测试数据外，ABR的5个格室的ORP均在-200 mV以下，反应器处于深度厌氧状态。
    2.5出水可生化性的变化
    印染废水进水平均BOD5/COD为0.2，可生化性较差。在HRT=24 h的稳定运行期，对ABR反应器的出水BOD5/COD进行测定，均值为0.39，提高了0.19。
    3·结论
    采用ABR处理难降解印染废水，启动过程试验结果表明，当ABR进水平均COD在650mg·L-1、HRT24 h时，COD在第1格室中的降解幅度最大。ABR对色度去除效果显著，色度去除率达63.4%。出水氨氮含量较进水均有所增加，5个格室呈现先下降后上升的趋势；各格室pH呈先下降后上升趋势；ORP则随格室依次下降。
    经过ABR的处理，印染废水BOD5/COD由进水的0.2提高到出水的0.39，废水可生化性改善明显，为后续好氧处理打下基础。
折流式厌氧反应器；印染废水；水解酸化