厌氧折流板反应器ABR简介

厌氧折流板反应器ABR简介

1、什么是ABR反应器？

ABR被称为第三代厌氧反应器，其不仅生物固体截留能力强，而且水力混合条件好。随着厌氧技术的发展，其工艺的水力设计已由简单的推流式或完全混合式发展到了混合型复杂水力流态。第三代厌氧反应器所具有的特点包括：反应器具有良好的水力流态，这些反应器通过构造上的改进，使其中的水流大多呈推流与完全混合流相结合的复合型流态，因而具有高的反应器容积利用率，可获得较强的处理能力；具有良好的生物固体的截留能力，并使一个反应器内微生物在不同的区域内生长，与不同阶段的进水相接触，在一定程度上实现生物相的分离，从而可稳定和提高设施的处理效果；通过构造上改进，延长水流在反应器内的流径，从而促进废水与污水的接触。

厌氧折流反应器是在UASB基础上开发出的一种新型高效厌氧反应器，厌氧折流反应器（ABR）的优点：

2、ABR反应器的基本原理及其工艺构造：

ABR反应器中使用一系列垂直安装的折流板使被处理的废水在反应器内沿折流板作上下流动，借助于处理过程中反应器内产生的沼气应器内的微生物固体在折流板所形成的各个隔室内作上下膨胀和沉淀运动，而整个反应器内的水流则以较慢的速度作水平流动。由于污水在折流板的作用下，水流绕折流板流动而使

水流在反应器内的流径的总长度增加，再加之折流板的阻挡及污泥的沉降作用，生物固体被有效地截留在反应器内。

由此可见，虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB的简单串联，但在工艺上与单个UASB有着显著的不同，UASB可近似看作是一种完全混合式反应器，ABR 则由于上下折流板的阻挡和分隔作用，使水流在不同隔室中的流态呈完全混合态（水流的上升及产气的搅拌作用），而在反应器的整个流程方向则表现为推流态。在反应动力学的角度，这种完全混合与推流相结合的复合型流态十分利于保证反应器的容积利用率、提高处理效果及促进运行的稳定性，是一种极佳的流态形式。同时，在一定处理能力下，这个复合型流态所需的反应器容积也比单个完全混合式的反应器容积低很多。

ABR工艺在反应器中设置了上下折流板而在水流方向形成依次串联的隔室，从而使其中的微生物种群沿长度方向的不同隔室实现产酸和产甲烷相的分离，在单个反应器中进行两相或多相的运行。也就是说，ABR工艺可在一个反应器内实现一体化的两相或多相处理过程。

在结构构造上，ABR比UASB更为简单，不需要结构较为复杂的三相分离器，每个隔室的产气可单独收集以分析各隔室的降解效果、微生物对有机物的分解途径、机理及其中的微生物类型，也可将反应器内的产气一起集中收集。

ABR反应器有两种不同的构造型式。图一为改进前的ABR反应器构造型式。这种反应器中的折流板是等间距均匀设置的，折板上不设转角。这种构造型式的ABR反应器所存在的不足是，由于均匀地设置了上下折流板，加之进水一般为下向流形式的，因而容易产生短流、死区及生物固体的流失等问题。图二为改进后的ABR反应器构造型式。改进后的ABR反应器中，其折流板的设置间距是不均等的，且每一块折流板的末端都带有一定角度的转角。

3、ABR反应器的改进研究：

图三不同型式的ABR反应器改进型

（A）统一集气；（B）独立设置集气室；（C）等间距折流板；（D）混合折流板；（E）设置填料和沉淀区的混合型；（F）等间距敞口式；（G）扩大第一隔室；（H-J）增设填料的不同形式

符号：W—废水；B—沼气；E—出水；S—污泥

ABR反应器改进研究主要集中于以下方面：

（1）图三中（A）、（B）、（E）、（G-J）：减少下流室的宽度，增加上流室的宽度，是污泥集中在上流室，以此增加泥水的接触，并利于污泥的截留。

（2）图三中（A）、（B）、（E）、（G-J）：折流板边缘设置倾角（常为40—45度），

使废水通过下流室，从上流室的底部中心进入，提高隔室进水的均匀性。

（3）图三中（E）、（F）、（H-J）：在各隔室的上、中部或整体增设填料，或同时在ABR的末端增设沉淀室，以拦截并贮存在高负荷条件下因大量产气的剧烈混合带出的污泥，强化污泥截留能力，称为复合型ABR。

（4）图三中（G）：采用两隔室结构，增加第一隔室的容积，以减小其上升流速，使进水中的SS和反应器内的污泥截留在第一隔室，利于处理高SS浓度的废水。（5）图三中（B）、（C）、（E）、（G）：将集气室分割独立设置，利于产气成分的分析及运行稳定性的控制，主要是由于ABR前端隔室以产酸为主，其产气中含有较多的H2和CO2，独立收集可以减少各隔室的H2分压和CO2分压，利于PH值的控制，防止酸化以及减少氢分压对物质转化过程的影响。

（6）图三中（A）、（B）、（F-J）：它与原有反应器构造的不同之处还在于，改进后的ABR中一方面采用了上向流室加宽、下向流室变在窄的结构形式，由于上向流室中水流的上升流速较小而可使大量微生物固体被截留在各上向流室内；另一方面在上向流室的进水一侧折流板的下部设置了一个角度约为45度的转角以避免水流进入该室时产生的冲击作用，起到缓冲水流和均匀布水的作用，从而利于对微生物固体的有效截留利用、利于微生物的生长并保证处理效果。这种构造形式的反应器能在各个隔室（主要是上向流室）中形成性能稳定、种群配合良好的微生物链，以适应于流经不同隔室的水流水质情况，有机物被不同隔室中的不同类型微生物降解。

4、ABR反应器的工艺特征：

（1）良好的水力条件：

反应器内的水力条件是影响处理效果的重要因素之一。通过使用示踪剂对反应器内水流停留时间分布，可分析其死区容积分数和混合状态。研究表明，ABR 的容积利用率要高于其他型式的反应器。随处理水量的增加，产气量提高，促进了返混作用，但同时由于折流板的阻挡作用，阻止了各间隔室间的混合作用，因而就整个反应器而言，具有推流式的流态，且分隔室越多，越趋于推流态。因此，可把运行中的ABR看作一个由一系列混合良好的CSTR的串联反应器，因而具有较强的处理能力，如图：

图四

（2）稳定的生物固体截留能力：

ABR具有对生物固体的良好而稳定的截留能力。ABR反应器中80%的生物固体集中在上向流室内形成高浓度的污泥层，其浓度可高达50-80g/l。污泥具有良好的沉降性能，不受进水量的变化而影响产气。但UASB则可能在高的水力负荷条件下发生污泥流失问题。ABR的生物固体截留能力是由上述良好的水力流态造成的。因此，ABR的运行是稳定可靠的。

（3）良好的颗粒污泥形成及微生物种群的分布：

ABR中，上向流室中的水流类似于UASB。虽然颗粒污泥的形成并不是ABR工艺的关键，但它可确实形成颗粒污泥。形成颗粒污泥的甲烷菌在ABR中具有良好的分布，而在不同隔室中以优势种群存在。如在前端隔室中主要以八叠球菌属为主；在中间隔室中以甲烷丝菌属为主；在后端隔室中则存在异氧甲烷菌和脱硫弧菌等。这种分布使ABR具有稳定而高效的处理效果。

（4）良好而稳定的处理效果：

ABR反应器处理工艺能很有效地处理不同中高浓度有机废水

5、ABR反应器数学模型的研究

（1）ABR反应器混合流态理论

废水厌氧生物处理反应器通常是以连续的方式运行，因而其中物料的混合状况反应了进水基质在反应器内停留的时间（HRT）的分布状况，常将这种具有不同HRT的物料之间的混合称之为返混。理论上把反应器内完全不存在物料间返混流态称作推流（PF），并将反应器称之为推流式反应器（CPFR）；把反应器内不同物料间存在最大限度返混的流态称之为完全混合流，该反应器称之为完全混合反应器（CSTR）。

CSTR 和CPFR 是理想流态生物反应器的两种典型代表。这两种不同的流动特性与反应器中所进行的反应本身的动力学密切相关。由生物反应动力学米—门（M-M ）方程可知，对于无抑制单一底物的生化反应，在相同反应条件下达到相同的有机底物去除率时，CSTR 和CPFR 两者所需的反应器容积比可用下式表示。

CPFR

m CPFR CSTR CSTR m CSTR CPFR CSTR n S K S K V V μμμμμ-+-+=11)1(00 式中：V CSTR —CSTR 所需的容积；

V CPFR —CPFR 所需的容积；

μCSTR —CSTR 中底物最大降解速率；

μCPFR —CPFR 中底物最大降解速率；

K m —饱和常数；

S 0—有机底物初始浓度。

由上式可知，为达到相同有机底物降解效果，CSTR 所需的容积比CPFR 所需的大，或前者比后需要更多的生物量（污泥），并且所要求达到的去除率越高，两者所需的容积差异越大。这说明，所要求的处理率越高，则返混作用的影响愈明显。因而为获得既经济合理又良好的处理效果，应采用CPFR 流态的反应器运行方式及相应的构造形式。此外，随着K m /Cs 0值由零逐渐向无穷大过渡时，反应速率与反应物浓度的关系由零级变为一级，相应两种反应器所需的容积比增大，反之则减小。这说明，在低的底物浓度下，返混作用对处理效果的影响将变得十分明显，而在高的底物浓度下，返混的影响将削弱。

显然，理想推流和理想完全混合是反应器内返混情况的两个极端，实际生物反应器内流体的返混状况往往介于上述两种情况之间，为非理想流态。

实际反应器中混合流态可通过寿命停留时间分布（Retention Time Distribution —RTD ）的方法加于研究。物料粒子在反应器中的RTD 是一个随机过程，通常可用概率分布的方法，即RTD 密度函数E （t ）来加于描述。E （t ）的含义为：在同时进入反应器的N 个粒子中，其中停留时间在介于t 和t+dt 之

间的流体粒子所占的百分率定义为E （t ）dt （如图2所示）根据E （t ）的定义，有：E （t ）=0（t ＜0）

E （t ）≥0（t ≥0）

0()1E t dt ∞

=?

E(t)

图2 反应器的RTD 密度函数

RTD 通常采用示踪应答实验方法测定，其中最常用的是脉冲法。计算公式如下：

00()()tc t t

t c t t

∞∞?=?∑∑

2200()()()t t c t t t c t t

δ∞∞?=-?∑∑

其中：()t 为平均停留时间；

方差2t δ表示均值的离散程度；

C(t)表示时间t 时测定的示踪剂质量浓度，mg/L ；

t ?表示示踪剂测定取样时间间隔。

实际工程运行中，根据废水厌氧处理的要求，往往有数个反应器或将一个反

应器分隔为数个隔室串联运行，因而研究串联系统中流体或生物处理反应器中的混合状况并由此对处理工艺进行优化设计和运行控制，需要了解个反应器的混合状况及最优的反应器或分隔数，因而需要对系统的混合模式加于考察。其中模型参数N 和反映反应器轴向混合的毕克列准数（Peclet ）是两个重要参数。N 是表示用N 个串联的完全混合反应器来模拟一个实际反应器的混合流态；Pez 准数表示反应器中对流流动和轴向扩散传递的相对大小，即返混程度。当Pez 趋于0时，对流扩散速率较之扩散速率要慢得多，为完全混合流；当Pez 趋于∞时，扩散速率相对于对流扩散速率可忽略不计，即为PF 。

因而Pez 是一个重要的反应轴向扩散模型参数。N 和Pez 计算公式如下：

21

t N δ=

ez uL P Dz ==对流传递速率扩散传递速率 1221121)ez P t ez ez

e P P δ-=?-（）-（）（ 目前，混合流态的研究对反应器工艺优化设计的重要性在新型废水处理反应器，尤其是厌氧处理工艺的研究开发中正得到日益的重视。

（2）ABR 反应器的动力学模型研究

一切生化反应，如同化学反应一样，都是在恒定的容器(即反应器)内进行的。在反应过程中，参与反应的组分在不断变化，但是它们的总量是恒定的，故可以根据质量守恒定律对其进行物料衡算。根据假设，可进行单隔室物料衡算，图3为动力学分析示意图。

S X V

H

i 、i

图六 Q 为进、出反应器的流量，Sio ，Sii 分别为入流、出流的COD 的浓度，hi 为污泥床高度，Vi 为隔室容积，Vxi 为污泥床有效容积，Hi 为反应器隔室高度。

在整个运行过程中，反应器内无物料积累，处于稳定状态，则物料衡算式为: 基质的变化量 = 基质的流入量 — 基质的流出量 + 基质的降解量。

即:

(

)i io ii s dS Vi QS QS Vr dt

=-+------------------------------------------------------------（1） 又因为稳定状态下: ()0i dS Vi dt = 故由上式为: ()io ii s Q S S r V -=io ii i

S S T -= -----------------------------------------（2） (Ti 为水力停留时间Vi/Q)

对于等温反应(本试验温度在35℃左右)，可以由物料衡算式结合反应动力学式来推导生物降解的数学模式，供废水处理系统的设计和运行之用。基于基质的去除和微生物增长的表述有很多动力学模型，目前应用最多的是Monod 模式:

max s +S

V S V K = ---------------------------------------------------------------------------(3) 式中:S 为基质浓度(mg/L);V 为基质比去除速率(d -1)，即单位微生物量的基质去除率/dS dt W

(W 为反应器内微生物浓度);V max 为最大比去除速率(d -1);K s 为饱和常数。

在处理低浓度的生活污水时，反应器内微生物浓度W 和污泥床内污泥浓度X 呈正比，故用隔室污泥浓度代替微生物浓度，则公式(3)变为公式(4)

max s /1()+S i io ii i s i i i

V S dS dt dS dS V r K X X dt X -===- ---------------------------------------（4） 所以由式(2)、(4)求出各隔室出水计算模式:

max +S i ii ii io i i si ii

V S S S X T K =- ---------------------------------------------------------------（5） 虽然Monod 模式应用很广，但有其局限性:(1)Monod 关系式是根据单一基质

试验得出的，对其影响因素考虑不够全面;(2)如果用水质指标COD 来测量基质浓度，会影响各个动力学常数;(3)由于影响反应器运行的主要参数有流量，进水基质浓度，反应器容积，污泥床浓度，污泥床高度，水力停留时间，污泥停留时间，容积负荷，污泥负荷，水力负荷，运行温度，运行时间。对恒温反应过程，可以不考虑温度影响，在其它的影响因素中污泥负荷公式包含的参数最多。

0004()()0.8()14X X QS QS S R h h XV X V XT H H

===+ ---------------------------------------（6） 其中:S0为进水基质，Vx 为污泥床有效容积，又因为该实验上、下向流室宽度为4∶1，故Vx=(4(/1+4))V=0.8V 。另外，试验过程中，反应器内的污泥在运行过程中各隔室表现的一些特征现象，所以要考虑单位污泥对处理效果的影响。

综上，所以用Rx 代替公式(5)的S o ，即改良后的各隔室出水动力学模型为: max +i Xi ii io i i si Xi

V R S S X T K R =- --------------------------------------------------------------（7）

6. ABR 反应器的放大：

由于ABR 反应器自身的特点，目前并无文献明确说明其放大工艺，只能参照其他生物反应器的放大模式。生物反应器的放大也主要涉及生物反应动力学及反应器中存在的动量、热量及质量传递过程。但由于生物反应器中菌体细胞的生长繁殖、适应能力、衰变特征及剪切敏感性等复杂因素的存在，使其比一般化学反应器的放大要困难得多。大体方法可概括为经验法、缩小放大法和数学模型法。其中经验放大法费时费力，往往不能获得满意的结果；缩小－放大法体现了生物反应器放大的总体战略；数学模型法虽有很多难题要解决，但已显示其潜在优势。

7、结论：

综上所述，ABR 反应器的特点为：结构简单、效率高、处理出水好、运行稳定可靠，适用于各类中低浓度有机废水的处理。

ABR 反应器在实际工程中进一步推广之前，仍需要进行大量的试验，结合机理分析，以便更深入地了解其工艺特性。例如，关于反应器水力特性的研究，关于反应器构造的优化设计，如分隔数的确定、下向流导流板的尺寸大小、下向流

区和上向流区间的宽度比例关系等，以及关于沿程各级反应室微生物相的详细递变规律，工艺设计参数的确定等，均有待于进一步深入探讨。目前尤为缺乏的是在较大规模的中试和实际工程中的试验。

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。

5、应用方面：

研究表明，ABR对低浓度、高浓度、含高浓度固体、含硫酸盐废水、豆制品废水、草浆黑液、柠檬酸废水、糖蜜废水、印染废水等均能够有效地处理。

ABR反应器推流式有其不利的一面，在同等的总负荷条件下与单级的厌氧反应器相比，反应器第一隔室要承受的负荷远大于平均负荷，造成局部负荷过载；对中试和生产规模的折板反应器的不利之处在于需修建浅的反应器才可以保持可接受的液体和气体上流速度；另一个问题是保持入流分布均匀。另外，反应器也有厌氧反应器的共同的弱点，及出水COD浓度较高，较难达到排放标准。

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