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外文翻译ASBR
厌氧序批式反应器预处理焦化废水
李冰1，孙英兰1，李玉瑛2
（中国海洋大学环境科学和工程学院，中国青岛266003）
（五邑大学化学和环境工程学院，中国江门529020）
邮箱：
lilibing188@
2005年5月19日发表，2005年9月9日修订版
[摘要]实验室规模的厌氧序批式活性污泥法（ASBR）过去常常用于预处理焦化废水。
接种厌氧颗粒物质被驯化到225d的焦化废水，然后检测出驯化粒状物质--焦化废水的生物化学甲烷势（BMP）。
与此同时，一些基本技术因素，如流入时间和反应时间比（tf/tr），混合强度和间歇混合模式，影响到焦化废水厌氧预处理ASBR反应，这些基本技术因素通过正交试验评价。
当有机负荷率为0.37—0.54KgCOD/（m3*d），在适宜的条件因子（tf/tr）下和间歇搅拌混合强度模式下，稳定处理系统中，COD的去除率可达38%—50%。
另外，焦化废水的生物降解能力明显的增加当预处理完成后使用厌氧序批式活性污泥法（ASBR）。
在实验的最后，用扫描电子显微镜（SEM）和荧光检测器在ASBR反应器中观察到了微生物形式的颗粒状污泥。
实验结果表明，在颗粒状污泥微生物中占据主要地位的细菌是甲烷鬃毛菌，而不是在接种的颗粒状污泥微生物中占主要地位的甲烷八叠球菌属。
[关键词]厌氧序批式活性污泥法（ASBR）焦化废水厌氧预处理
[文献标识码]:
A[中图分类号]:
X703.1
引言
焦化废水产生于焦炭生产、煤气、焦油和焦炭等副产品。
焦化废水包括无机污染物例如氨、氰、硫氰化物、杂环化合物和多环芳烃化合物如苯酚、油类、萘、嘧啶、喹啉、无烟煤，这些物质在有氧条件下通常是难以生物降解的（Ganczarczyk，1972）。
焦化废水排放对环境造成严重污染，也威胁到人类的正常生活，因此要对焦化废水做处理，以减少对环境的危害。
传统焦化废水生物处理效率并不足以满足所需的质量标准。
（Sotton等人，1999年；于某等人，1997年）。
通过加入特定的微生物和固定的微生物，废水处理相当成功地实现了实验室规模的焦化废水处理（黄某等人，1995年；王某等人，2002年）。
然而，维持优势种群的生物活性和定期添加固定化微生物在实际应用中仍然是一个问题，并需确认其可行性。
预处理通常用于使焦化废水更适合于生物处理方法（Ganczarczyk,1980年），通常的预处理方法包括调节和存储、氨化、氯化以及气浮。
最近，在难生物降解的废水的处理问题上，通过厌氧和好氧处理技术的结合，达到了既高效又经济的效果，A/O工艺和A2/0工艺就是其中主要的处理方法。
在这些系统中，厌氧预处理工艺用做部分难降解有机化合物的预处理，以降低后续好氧和厌氧处理工艺的负荷。
目前，A/O工艺和A2/0工艺在焦化废水的处理中越来越流行（张某等人，1998；文某等人1991；李某等人2001；2003）。
研究表明，厌氧处理能大大改善生物降解焦化废水的效果，为后续的好氧处理创造良好的条件。
ASBR工艺是由lowa州立大学（USPat.No.5185079）的Dague及其同事们（Dague等人，1992；Sung和Dague,1992）一起开发的一种高效率的厌氧工艺。
该工艺最有前景的特征是可以实现活性污泥微生物的颗粒化，这样，在反应器中就可以保持较高的生物量，并且生物固体停留时间（SRT）长。
有很多关于ASBR的研究报告（Herum和Dague，1993；Wirtz和Dague，1966；1970），但他们很少用于实际废水的处理（Timur和Ozturk，1997；1999）。
本文的主要目的是研究用ASBR反应器对焦化废水的预处理，并通过正交试验讨论ASBR反应过程的优化运行参数，如流入时间与反应时间的比值tf/tr，混合强度MI，以及间歇混合模式IMM等。
为了详尽说明实验方案，在这个实验中，我们用正交试验的方法，用三个因素来研究三个层次的内容。
材料和方法
焦化废水
该研究中所使用的焦化废水取自中国太原焦煤公司的废水处理厂。
废水的特征归纳于表1.样品存放于4℃密封容器并尽可能使容器顶部空间最小，以防止有氧反应降解。
表1焦化废水的特征
参数（Parameter）
浓度（Values）
生化需氧量COD（mg/l）
400—1300
总酚量Totalphenols（mg/l）
170—232
氰化物Cyanide（mg/l）
30—35
总凯氏氮TKN（mg/l）
253—714
氨氮NH3—N（mg/l）
230—668
硫化物Sulfides（mg/l）
65—78
pH
7.2—8.6
实验程序
1.ASBR反应器系统
本研究实验都是利用实验规模的ASBR反应器进行，其总容积为14L，该容积分为两部分:
有效容积12L，顶部空间的容积为2L。
圆柱堆反应器内径14.8厘米，内有液体深度69.8厘米。
在反应器周围分布着几个直径为12毫米的口，以入料和污水的取样。
ASBR反应器安装在一个350C的恒温箱内，并附有气洗装置。
以图1来表示ASBR反应系统的组成。
通过设置在ASBR反应器底部的扩散装置使沼气循环来完成混合过程。
沼气通过国内生产的泵驱动，并通过反应器顶部的一个直径为12毫米的孔而循环。
而且，在反应器顶部空间附有一个8L的气囊袋，以使气体在排放时可用。
为了防止由于固体物质的反应所携带的反应物堵塞污水扩散器，设置了一个泡沫分离瓶。
正如在以前的论文（Sung和Daque，1992）中所论述的一样，有关ASBR反应器的运行原理相对比较简单。
反应操作包括四个步骤:
进水、反应、静置和排放。
在进水和反应阶段，通过沼气的循环实现反应器内的间歇混合。
在静置沉淀阶段，混合被终止，以实现生物固体的分离。
排放阶段在大量生物固体分离以后进行。
排放污水的量与进入反应器的量相等。
图1ASBR组成
在初步试验时，向ASBR反应器中投入5L厌氧颗粒微生物接种，加入7L浓度为7200mg/L的蔗糖溶液，以及适量的N、P营养元素，并满足COD：
N：
P=300：
7：
1的比例关系，这样使反应器中的微生物浓度为21.5gMLVSS/L。
系统在如下的条件下运行20天：
PH=7—8，并以24h为循环周期进入浓度为7200mg/L的5L蔗糖溶液（4h流入时间，19h的反应时间，0.5h的静置时间，0.5h的排放时间）。
2.颗粒状微生物菌种的驯化
当厌氧颗粒状微生物用高浓度的蔗糖合成废水培育时，驯化就需要诱使接种微生物适应含有不易降解化合物的焦化废水。
在驯化的过程中，焦化废水与蔗糖的比例随着总进水浓度的降低而相应地增加，直到进水中的焦化废水中不再有蔗糖。
在这期间，沉淀效果很差，以致一丁点污泥都随水流出反应器。
而且在这种情况下，随水流失的微生物不会由新的微生物来取代，以致于沉淀静置时间从0.5小时延长到2.0小时。
当出流中的污泥很少，而在反应器中仍然有一定的生物量的时候，驯化过程结束，这时，污泥有比较好的沉降性能和稳定的处理能力。
总共的驯化时间持续225天。
3.BMP（生化沼气潜力）的检测：
在焦化废水驯化后期进行（生化沼气潜力）BMP的测试，BMP反映了废水中潜在的能够通过厌氧反应被转化为沼气的有机污染物的量。
因此，（生化沼气潜力）BMP能够被用来评价厌氧处理过程的效率。
BMP是在35℃下确定的。
在厌氧情况下将100毫升驯化厌氧颗粒状微生物和350毫升焦化废水（含有800mg/l的COD）加入到一只500毫升的血清瓶中，并清除CO2和氮气。
并将少许无机性的营养物质加入到密封（含有橡皮碗）的血清瓶中（Speece和McCarty，1964）（表2）。
为了消除由于气体产生的自我厌氧分解所带来的误差，进行对照实验以纠正所产生的误差。
对照实验的步骤与上所叙述的步骤一样，只是其中没有另加焦化废水和厌氧颗粒状微生物。
在厌氧反应器中产生的气体包括CO2和CH4，由于CO2不代表COD在厌氧条件下的消耗，因此有必要排除CO2。
在研究中，0.1mol/l的Na（OH）溶液作为CO2的吸收剂，因此，在厌氧反应器中产生的气体只含有CH4。
所有瓶中的气体产物均在35℃条件下定期通过液体移位法测出。
表2在BMP实验中加入的无机营养背景浓度
组分
反应器中浓度（mg/l）
NH4Cl
400
MgSO4·7H2O
400
KCl
400
Na2S·9H2O
300
CaCl2·2H2O
50
（NH4）2HPO4
80
FeCl2·4H2O
40
CoCl2·6H2O
10
KI
10
（NaPO3）6
10
MnCl2·4H2O
0.5
NH4VO3
0.5
CuCl2·2H2O
0.5
ZnCl2
0.5
AlCl3·6H2O
0.5
NaMoO4·2H2O
0.5
H3BO3
0.5
NiCl2·6H2O
0.5
NaWO4·2H2O
0.5
Na2SeO3
0.5
CySteine半胱氨酸
10
NaHCO3
6000
4.正交试验
在驯化过程中得到的经验数据显示COD去除效率有三大影响因素:
流入时间与反应时间的比值tf/tr、混合强度MI、间歇混合模式IMM。
为了选出ASBR反应系统的最佳运行参数，正交试验在驯化后完成。
在正交试验中，其操作运行周期、静置阶段和排放阶段分别为24，2.0、0.5h，进水PH值调整到7.0—8.0。
在典型的ASBR操作运行中，短的进水时间（Dague等人，1992；Sung和Dague，1992）导致低的进水时间和反应时间比值（tf/tr）。
但根据Suthaker等人观察，这种操作策略可能导致酸的形成问题。
考虑到焦化废水的毒性和由于快进水而产生的酸问题对驯化的影响，进水时间可以适当延长，在该研究中，tf/tr的三个水平值设定为：
0.3、0.5、1.0。
至于混合强度，应该设置足够的混合强度，保证反应器中的一致的条件以及废水同颗粒状微生物的充分接触，从而达到改善传质的效果。
然而过强的混合强度可能会是厌氧颗粒状微生物絮体破碎，并导致较差的泥水分离效果。
通常是由沼气搅拌或机械搅拌（当沼气搅拌无法提供足够的混合强度时）（Sung和Dague，1995；Zaiat等人，2001；Rodrigues等人，2003）回流来实现混合过程。
据报道，间歇性而非持续搅拌混合性能更优越（Dague等人，1970）。
因此，用沼气间歇搅拌回流适用于该研究的混合过程。
在试验方案中我们用正交试验测试三个层次的三个因素。
某个层次指影响因素对应的值。
表3列出了本研究中的几个因素和各个相应层次的研究任务。
正交阵列L9（34）表4显示9行相应的选择一些实验和第4列的三个层次。
表3几个因素和相应层次的研究任务
层次Levels
因素Factors
tf/tr
MI
IMM
1
0.3
0.017
30s/20min
2
0.5
0.025
30s/30min
3
1.0
0.033
100s/45min
tf/tr：
流入时间与反应时间比值；IMM：
间歇混合模式；MI：
混合强度（L气体/L反应器每分容积）
表4本实验的正交阵列L9（34）
L9（34）test
tf/tr
MI
IMM
Blank
1
0.3
0.017
30s/20min
1
2
0.3
0.025
30s/30min
2
3
0.3
0.033
100s/45min
3
4
0.5
0.017
30s/30min
3
5
0.5
0.025
100s/45min
1
6
0.5
0.033
30s/20min
2
7
1.0
0.017
100s/45min
2
8
1.0
0.025
30s/20min
3
9
1.0
0.033
30s/30min
1
5.ASBR反应器的稳定运行
在正交试验中选择的最佳条件对ASBR反应器的稳定运行来说同样适用。
而且，反应器内的生物量以及进水和出水的BOD5/COD值取决于稳定运行阶段。
分析方法
可溶性的COD、BOD5的分析按以下标准方法（美国公共卫生协会，1992），产品样本无SS（悬浮固体）。
ASBR反应的生物测定采用重量法。
通过在湿筛在有机玻璃缸圆筒筛板（Φ65mm×100mm）中实现大小的分类。
用微小矿物填料和将样品置于上部后，用氮气冲洗。
根据它们的大小在轻柔的间歇颗粒解决通过筛板。
结果与讨论
BMP的检测
当检测试验瓶和空白对照试验瓶中没有沼气产生时，BMP的检测结束。
BMP的检测研究结果如图2所示。
表明:
沼气的净产量为46.3ml等于检测试验产气量减去空白对照试验产气量。
BMP是参照样本体积量（m3CH4/m3样本）或样本质量（m3CH4/kg样本）或样本有机含量（m3CH4/kgCOD）（Oven等人，1979）。
后者允许直接将有机质转化为甲烷。
由于在35℃时，395ml甲烷相当于从废水中通过厌氧去除1gCOD，从而有一个化学计算的方程式用于计算液相COD减少量。
在BMP测试样本中，350ml含有100ml厌氧颗粒状接种微生物的焦化废水被检测。
在接种了130天后，总共产生248.6ml甲烷。
至于对照试验，共有100ml厌氧颗粒状接种微生物，而没有另加的焦化废水。
在刚刚接种了58d后，产气结束，总共产生了202.3ml甲烷气。
因此，净的甲烷产量为46.3ml，BMP的结果为0.165m3CH4/kgCOD。
理论上，在35℃的厌氧条件下，根据上面所叙述的计量关系，用于检测BMP的350ml含有COD值为800mg/L的焦化废水应该产生110.6ml甲烷气体。
因此，焦化废水转化成甲烷的百分比为41.9%。
BMP气体产量曲线如图2所示，图2表明，在前58天，空白对照试验中所产生的甲烷气体量高于用于检测试验样品所产生的甲烷量。
这表明，焦化废水对厌氧微生物有抑制作用，但是厌氧微生物会在较长的驯化后逐渐适应焦化废水。
驯化225天以后所检测的BMP表明，甲烷气产率依然很低。
产气持续130天，远长于BMP检测所建议的30—60天。
从BMP的检测结果可以作出结论:
焦化废水生化降解率相当低。
因此，对焦化废水处理来说，实施厌氧颗粒状微生物接种并进行长期的驯化是十分必要的。
正交试验
表5给出了正交试验的9组结果，这9组结果代表了各种因素水平对COD去除效率的影响。
每组测试在各组的测试条件下都运行了15天。
表5的最后几行是最后几天COD的平均去除率。
在正交试验中，反应变量（COD去除率）的误差因进水焦化废水浓度而波动。
表5中列出了3个层次各自的因素。
每个层次发生3次，因而总共进行了9次测试。
表5可用于分析每个要素的最佳水平。
对于因素tf/tr、K12>K13>K11表明对于tf/tr2级（tf/tr=0.5）是最佳水平。
对于因素MI、K22>K23>K21表明对于混合强度2级（混合强度为0.025L沼气/单位分钟内反应器体积）是最佳水平。
对于因素IMM、K33>K32>K31表明对于间歇混合模式3级（间歇混合模式为100s/min）是最佳水平。
表5中，Sj是二次离散因素j的总和，我们可以从Sj确定不同因素的重要性。
因此，S1>S3>S2这个关系表明，tf/tr是影响处理效率的最重要的因素。
另外，从Rj到Kj1，以及Rj的值反映j因素的重要性，这里，R1>R3>R2显示tf/tr这个因素是影响废水处理效率的最重要的因素。
通过用Sj（二次离散因素）分析，可以得到同样的分析结果，因此，我们有理由相信该正交实验的结果是可信的。
至于间歇混合模式，100s/45min是三个值（30s/20min，30s/30min和100s/45min）中的最大值。
在进一步的研究中，使用了更高的IMM值，该研究揭示了反应器中活性污泥较差的沉淀效果。
因此，正交试验最佳的条件是：
tf/tr=0.5，混合强度MI为0.025LCH4/L（反映器容积），间歇混合模式IMM为100s/45min。
表5正交实验COD的去除率
实验
1
2
3
4
Yj（平均值
tf/tr
MI
IMM
Blank
COD去除率
1
0.3
0.017
30s/20min
1
16.6
2
0.3
0.025
30s/30min
2
15.7
3
0.3
0.033
100s/45min
3
15.9
4
0.5
0.017
30s/30min
3
25.2
5
0.5
0.025
100s/45min
1
35.5
6
0.5
0.033
30s/20min
2
227.0
7
1.0
0.017
100s/45min
2
20.4
8
1.0
0.025
30s/20min
3
19.3
9
1.0
0.033
30s/30min
1
25.0
Kj1
48.2
62.2
62.9
77.1
K=200.6
Kj2
87.7
70.5
65.9
63.1
P=4471.2
Kj3
64.7
67.9
71.8
60.4
Rj
39.5
8.3
8.9
16.7
Qj
4733.5
4483.3
4484.8
4524.7
Q=4812.7
Sj
262.3
12.1
13.6
53.5
ST=341.5
tf/tr：
流入时间与反应时间比值；MI：
混合强度（L沼气/L反应器·min）；IMM：
间歇混合模式；Kj1：
根据在第j行的特殊水平的三个结果总值，这里l代表代表水平，j代表某行。
在表中，例如：
K11=Y1+Y2+Y3，K23=Y3+Y6+Y9，等等；K=
Kj1+Kj2+Kj3，P=1/9K2，Qj=1/3（Kj12+Kj22+Kj32），Sj=Qj-P，Q=∑9i=1Yj2，ST=Q-P，Rj=max（Kjl，l=1，2，3）-min（Kjl，l=1，2，3）
ASBR反应器的稳定运行
根据正交试验，随着间歇混合时间从30s/30min增加到100s/45min，COD去除率也相应地增加。
因此我们估计，COD去除率会随着间歇混合时间的增加而增加。
然而，在120s/45min间歇混合时间的条件下所进行的20天的试验表明：
在ASBR反应器中存在着生物量的下降；出水中的悬浮污泥增加是由于混合时间过长所引起。
因此，选择最佳的间歇混合时间为100s/45min。
接下来的3个月的稳定运行都是在上述的条件下进行的。
在ASBR反应器中，当进水中焦化废水的COD浓度为796—1304mg/L时，进水中氨氮的浓度为230—668mg/L，进水pH为7.2—8.6，COD去除率能够稳定地达到38%—50%，这与BMP的测试结果是相一致的。
另外，测定了进入和流出ASBR反应器中的焦化废水的BOD5和COD，在稳定运行时，样本中的BOD5与COD的测定不包括SS。
BOD5/COD的比值、COD去除率以及活性污泥微生物浓度如表6所示。
结果表明，进水的BOD5/COD的平均值为0.27，而出水的BOD5/COD的平均值却可以高达0.58，这显示焦化废水经过ASBR反应器做预处理后，其可生化性大大提高。
在稳定运行期间，由于保持了较高的活性污泥浓度和多余150d的较长的泥龄，因此从反应器中流出的活性污泥微生物很少。
在ASBR反应器的稳定运行阶段，即使在进入的焦化废水水质发生波动的情况下，COD去除率仍持续保持在较高的水平（38%—50%）。
由表6可知，可生化比（BOD5/COD）的值显著增加。
所有这些结果都是由于在ASBR反应器中保持了较高的颗粒状活性污泥微生物浓度，这些生物颗粒具有良好的降解性能，从而保证了较长的泥龄，这对处理效率有重要作用。
颗粒状污泥中的微生物比悬浮污泥上的微生物更分散，而且能够适度代谢反应的中间产物。
表6ASBR运行结果
时间d
COD去除率%
进水BOD5/COD
出水BOD5/COD
生物量g/l
出水SSmg/l
水力停留时间d
7
41.3
0.28
0.54
23.5
152
154.6
14
42.5
0.29
0.60
23.8
145
164.1
21
39.6
0.32
0.54
23.2
136
169.1
28
41.0
0.31
0.59
23.4
143
163.1
35
44.6
0.31
0.61
23.8
139
171.2
42
50.3
0.29
0.61
23.6
143
165.0
49
45.7
0.23
0.57
23.7
147
161.2
56
44.6
0.23
0.58
24.0
151
158.9
63
45.1
0.26
0.62
24.1
160
150.6
70
43.5
0.27
0.60
23.9
144
166.0
77
38.6
0.29
0.55
23.7
145
163.4
84
42.9
0.28
0.56
23.6
138
171.0
91
45.8
0.27
0.57
23.8
143
166.4
颗粒状微生物
在ASBR反应器中所接种的颗粒状厌氧微生物具有相对较大的粒度，其中大部分是1.0—3.0mm，超过3mm的有9.6%。
在颗粒状的微生物被驯化以适应焦化废水后，其形状变成近似球形，其粒度大大减小到0.5—2.0mm，其中没有粒度超过3mm的。
一些大的颗粒由较小的颗粒粘结在一起而成，这些颗粒状微生物的显著特征是：
柔软、坚韧和富有粘度。
附着在这些接种的颗粒状污泥表面和内部的主要的微生物是甲烷八叠球菌属（Tian，2001）。
在ASBR反应器完成对焦化废水的预处理后，用扫描电子显微镜和荧光检测的方法可以观察到颗粒状污泥上的微生物。
在颗粒状污泥上表面长满了许多洞（图3a），这是由于内部细菌和入口基层所产生的气体的释放所造成的。
所观察到的结果显示了在颗粒状污泥中心部位的主要颗粒微生物是甲烷鬃毛菌（图3b）。
另外，在颗粒状污泥外部的孔口出观察到了少量的甲烷八叠球菌（图3c）。
在图3b和图3c是图片放大后的情况。
甲烷八叠球菌和甲烷鬃毛菌有不同的生化降解特征（μmax和ks），甲烷鬃毛菌有相对较低的基质亲和力。
在该研究中，我们观察到，在进入到ASBR反应器的焦化废水中的物质保持了较好的生化降解性能，进水的浓度也比较低，这对甲烷鬃毛菌细菌来说是有利的，而不是对ASBR反应器中占主导的甲烷八叠球菌有利。
结论
以下结果是根据以上所描述的试验推出：
在该研究中，驯化持续225天。
要使微生物在不干扰颗粒状污泥微生物的活性的前提下适应焦化废水，对接种的颗粒状厌氧微生物做长时间的驯化是十分必要的。
对BMP的检测显示：
0.165m3CH4/kgCOD在厌氧条件下于焦化废水中被转化成甲烷。
BMP的检测结果表明，焦化废水在厌氧条件下最高的转化率为41.9%。
正交试验的分析结果表明：
当用ASBR法对焦化废水做预处理的最佳tf/tr值、混合强度以及间歇混合模式分别为0.5，0.025LCH4/L（反映器容积），100s/45min。
ASBR反应器的循环运行时间为24h，其中进水时间为7.17h，反应时间
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