河南某化工厂所产生的硝化棉废水主要来自生产残余液体。在棉短绒的碱法蒸煮、次氯酸钠漂白、压榨驱水以及混合酸硝化洗涤等工序中会产生酸性废水和高浓度有机废水。其中，高浓度有机废水中含有蛋白质、脂肪、果胶质、单宁、半维生素、木质素等大分子物质，纤维素硝酸酯、纤维素硫酸酯、纤维素硝酸混合酯等酯类物质，以及亚硝酸盐、硝酸盐与硫酸盐等无机物^〔1〕，具有高COD、高SS及生物难降解的特点，处理较为困难。

厌氧序批式反应器(ASBR)是将好氧序批式反应器模式应用于厌氧生物处理，可以保持较长的污泥停留时间，使泥水完全混合。该反应器适于处理有机物浓度较高的污水^〔2〕。基于分相多阶段系统的厌氧折流板反应器(ABR)运用挡板构造在反应器内形成多个独立的反应器，可实现分相多阶段缺氧，其流态以推流为主，对冲击负荷及进水中的有毒物质具有很好的缓冲适应能力^〔3-4〕。串联ASBR反应器则结合了以上2种反应器的优点，其采取间歇进水的方式，内置搅拌装置，在空间上可实现泥水完全混合，同时设置多个隔室在时间上可实现产酸相与产甲烷相的分离。

为了更好地了解串联ASBR反应器的运行特性，便于对实际生产做出技术指导，本研究以河南某化工厂硝化棉高浓度有机废水为处理目标，研究了启动过程中，串联ASBR反应器对有机物的去除效果及性能。

串联ASBR反应器由厚5 mm的有机玻璃板制成，长×宽×高为500 mm×100 mm×300 mm。反应器由竖直隔板分为5个相等的隔室，总有效容积为10 L。每个隔室设1个导流板，使水从底部进入，以使微生物和底物充分接触。每个隔室侧壁上部设取水口，底部设取泥口。每个隔室底部放有1枚转子，利用磁力搅拌器进行搅拌。反应器采用周期运行方式，每周期进水2 h、反应21.5 h、沉淀0.5 h，共24 h，进水的同时向外排水。串联ASBR反应器在有机负荷为0.2 kgCOD/(m³·d)、HRT为10 d、进水流量为1 L/d的条件下启动，待COD去除率稳定达到40%以上时，逐渐增加进水浓度提高负荷至2 kgCOD/(m³·d)，启动结束。试验以COD为主要控制指标，同时以出水挥发性脂肪酸VFA和pH为辅助控制指标。试验采用的串联ASBR反应器如图1所示。

试验废水为河南某化工厂硝化棉高浓度有机废水，该废水呈乳白色，有酒精味，水中含有较大的纤维状物质，COD为28 000~30 000 mg/L，SS达1 300 mg/L。故先采用混凝沉淀法对废水进行预处理，去除大部分悬浮物和部分有机物。处理后的出水作为串联ASBR反应器的试验用水，试验用水水质见表1。

反应器接种污泥取自邯郸市某污水处理厂厌氧池污泥。将其在恒温箱(35 ℃)内培养驯化3周，然后投加到厌氧反应器的5个隔室中。接种量为反应器有效容积的25%^〔5〕。

COD采用重铬酸钾法测定；BOD₅采用稀释与接种法测定；pH采用数字pH计测定；碱度和挥发性脂肪酸采用碳酸氢盐碱度和VFA的联合滴定法测定；沼气含量采用液体置换法测定^〔6〕，为了排除CO₂的影响，采用15 g/L的NaOH溶液置换气体。

串联ASBR反应器采用低负荷启动方式^〔7〕，启动过程历时146 d。启动过程中保持HRT为10 d，逐步提高进水负荷，进水COD从2 000 mg/L逐步提高到20 000 mg/L。启动期间COD的变化如图2所示。

由图2可以看出，启动初期，随着进水COD的提高，COD去除率有所升高，达55%左右。这说明在不断增加进水COD的过程中，反应器中的微生物逐步适应了该废水水质，污泥稳定性增加，活性逐渐增强。当进水COD提高到10 000 mg/L及以上时，COD去除率呈下降趋势，最终维持在40%左右。每次提高进水COD后，COD去除率都会有所下降，但在5 d之后会开始升高并稳定在一定范围内。从启动开始到结束，反应器的COD去除率呈现先增高后降低的趋势，但最终稳定在40%以上，表明串联ASBR反应器具有较强的抗冲击负荷的能力。

启动试验分为7个周期进行，每个周期的进水COD分别为2 000、2 500、3 500、5 000、10 000、15 000、20 000 mg/L。在不同运行周期下，串联ASBR反应器每个隔室的COD相对去除率(即每个隔室COD去除率占总COD去除率的百分比)如图3所示。

由图3可知，整个启动过程中，第1隔室的COD相对去除率较低，始终维持在13%左右，这是由于进水中的有机物浓度太高，对第1隔室中微生物的代谢活性产生了抑制作用。第2隔室的COD相对去除率最高，这是由于第2隔室内废水中的有机物易被生物降解，大部分有机物被污泥吸附，污泥活性进一步增强^〔8〕。在启动初期，由于大部分可直接利用的有机物在第2隔室被消耗，故后面3个隔室的有机物浓度相对较低，COD去除率相对不高。随着进水COD的提高，第2隔室COD相对去除率呈下降趋势，第3、4、5隔室COD相对去除率呈上升趋势，这是由于随着进水COD的不断升高，第1隔室的COD去除率已达到最大，致使第2隔室的负荷增加，发挥了第1隔室的作用，而后面隔室中的有机物浓度增加，污泥活性逐渐增强，COD去除率逐渐升高。

在厌氧处理中，pH的变化对产甲烷菌的活性影响较大，其最适pH为6.8~7.2^〔9〕。由于废水pH在4.5~5.5，为避免抑制产甲烷菌的活性，本试验通过投加碳酸氢钠调节进水pH为6.8~7.2。出水pH和VFA的变化如图4所示。

由图4可以看出，在启动的前10天，出水VFA和pH均波动较大，出水VFA最高达350 mg/L，pH最低达5.4，反应器面临酸化危险。这是由于启动初期进水COD不高，使用NaOH调节进水pH，并未投加NaHCO₃，反应器没有缓冲能力来中和水解发酵产生的各种酸性物质，致使pH一直降低。之后开始投加NaHCO₃，出水pH开始回升，VFA浓度开始降低。随着试验的进行，污泥趋于稳定，平均出水VFA为123 mg/L，平均出水pH为7.2。在每次提高进水COD时，VFA浓度都会升高，pH都会下降，这是由于突然提高进水负荷，对污泥造成一定的冲击，使VFA积累所致，pH的变化滞后于VFA的变化，且下降趋势较为明显。在不同进水负荷下，出水VFA都在130 mg/L以下，表明反应器运行良好，未出现酸化现象。

废水经厌氧处理后，部分有机物转化为细胞物质，大部分有机物则转化为沼气。沼气中的甲烷含量在一定程度上可以反映出反应器的运行状况，因此测定甲烷产量可以判断反应器的厌氧效率，并及时对反应器进行调控。各隔室产甲烷量的变化如图5所示。

由图5可以看出，第5隔室产甲烷量最多，其次是第4隔室和第3隔室，第1隔室产甲烷量最少。第2隔室产生的CO₂和甲酸、乙酸等脂肪酸在后面的隔室被产甲烷菌利用，产生大量的甲烷气体，使产酸相与产甲烷相沿程得到分离。随着进水有机负荷的提高，各隔室产甲烷量均呈递增趋势。当进水COD＜5 000 mg/L时，第4隔室产甲烷量较多且增长较快。当进水COD＞10 000 mg/L时，第3、4隔室产甲烷量趋于稳定，而第5隔室的产甲烷量一直呈递增趋势。由此可看出，第1、2隔室中的污泥主要为产酸相，第3、4隔室为过渡相，第5隔室主要为产甲烷相。随着进水COD的提高，产酸相和产甲烷相沿程向后推迟，使厌氧反应后延，与前述COD去除情况相符。

启动阶段完成后，保持进水COD为20 000 mg/L左右，通过缩短HRT提高有机负荷，探讨有机物的去除情况。不同HRT下进出水COD的变化如图6所示。

从图6可以看出，每次缩短HRT后，COD去除率都会有所下降，几天之后又开始回升。在HRT从10 d到8 d的变化过程中，COD去除率呈先降低后增高的变化趋势，待运行稳定后COD去除率可维持在40%以上，这说明HRT缩短为8 d后，污泥活性并未受到抑制，产气量增加，但污泥稳定性并未被破坏，污泥仍能较多地吸附水中的有机物。在HRT从8 d到6 d的变化过程中，COD去除率下降幅度较大，之后虽有回升，但始终在35%以下，且变化范围大，不稳定。HRT缩短为6 d后，产气量明显增加，污泥稳定性变差，造成部分污泥上浮并随出水流出^〔10〕。污泥流失造成反应器内污泥负荷增加，污泥活性受到抑制。

考察了启动过程中出水可生化性的变化情况，结果见图7。

结果表明，在启动过程中出水B/C整体呈递增趋势。启动初期，出水B/C相对稳定，变化不大。主要是因为初期阶段污泥处于对废水的适应期，污泥活性不高，不能将难降解的大分子有机物及时转化为易生物降解的小分子物质。随后，出水B/C逐渐升高，说明污泥活性逐步增强，水中微生物的代谢能力逐渐增强，废水中的难降解物质被分解转化，从而提高了出水的可生化性。启动结束时，出水B/C高达0.72。

在工程上，该化工厂的生产废水包括硝化棉高浓度有机废水与酸性废水，其中高浓度有机废水水量小、COD高，酸性废水水量大、COD低。将酸性废水中和后与高浓度有机废水混合，混合后废水COD在250~300 mg/L，B/C＜0.3，直接用好氧生物法处理难以达到预期效果。而将硝化棉高浓度有机废水经串联ASBR反应器处理后再行混合，B/C＞0.4，显著改善了其可生化性，为后续处理打下了基础。

(1)采用串联ASBR反应器处理硝化棉高浓度有机废水，保持水温35 ℃，将进水COD从2 000 mg/L逐步提高到20 000 mg/L，HRT从10 d缩短为8 d，经过146 d，COD去除率可稳定在40%以上，实现反应器成功启动。

(2)反应器启动期间，出水VFA大部分保持在130 mg/L以下，平均出水pH为7.2，反应器总体运行良好，未出现酸化现象。

(3)启动过程中，各隔室COD相对去除率大小顺序为第2隔室>第5隔室>第3、4隔室>第1隔室。各隔室产甲烷量大小顺序为第5隔室>第3、4隔室>第2隔室>第1隔室。第1、2隔室主要为产酸相，第3、4隔室为过渡相，第5隔室为产甲烷相。

(4)经过串联ASBR反应器处理，硝化棉高浓度有机废水的B/C由进水的0.3提高到0.72，废水可生化性改善明显，为后续处理打下了基础。