兩套A2BR僅靠生物膜對(duì)生活污水的試驗(yàn)研究

楊海英，周 麗，朱靜平，張馨文，高 鑫

(1.四川省綿陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川綿陽(yáng) 621000;2.四川省綿陽(yáng)市江油市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川江油 621700;3.西南科技大學(xué)環(huán)境工程自控技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621010)

在20世紀(jì)80年代中期，基于厭氧生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)，Bachman和 McCarty研發(fā)出厭氧折流板反應(yīng)器，其低耗高效的特點(diǎn)能滿足污水處理工藝的需要［1，2］。

近年來(lái)，為了增加反應(yīng)器中微生物和污染物之間的接觸面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)布水均勻的目的，各種填料已廣泛應(yīng)用于廢水處理中［3］。例如，Elmitwalli等人［4］的研究表明，聚氨酯泡沫塑料作為厭氧生物膜反應(yīng)器的載體填料處理生活污水，其對(duì)CODCr和SS有較好的去除效果。袁煦等人［5］采用陶粒作為曝氣生物濾池的載體填料處理低濃度生活污水，研究表明，在進(jìn)水CODCr濃度為30.8～184.8mg/L時(shí)，出水CODCr和SS的去除率均達(dá)80%以上。曹文平等［6］采用填充竹絲的生物反應(yīng)器處理化糞池出水，結(jié)果顯示，其對(duì)污水中CODCr和 SS的平均去除率分別超過(guò)85.4% 和90%。楊海英等［7］采用填充懸浮球填料和組合填料的兼氧/厭氧折流板反應(yīng)器 (A2/BR)處理生活污水，結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為25℃ ～35℃，進(jìn)水流量為0.40m3/d，HRT為24h，運(yùn)行65d后運(yùn)行穩(wěn)定，此時(shí)，填充懸浮球填料的A2/BR對(duì)污水中CODCr和SS的平均去除率分別為66.5% 和90.9%，填充組合填料的A2/BR對(duì)污水中CODCr和 SS的平均去除率分別為70.1%和 92.0%。

本文采用塑料材質(zhì)且填充不同填料的兩套A2BR作處理系統(tǒng)，探討了低溫環(huán)境僅靠填料表面生物膜對(duì)生活污水中污染物的去除效果，旨在為采用A2BR和生物膜結(jié)合技術(shù)處理我國(guó)農(nóng)村生活污水的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用ABR由有效體積約為0.2m3的塑料桶加工改造而成，其直徑50cm，高100cm，每個(gè)反應(yīng)器被豎直折流板分成2個(gè)隔室。沿反應(yīng)器高度設(shè)有4個(gè)取樣口，取樣口間距離均為200mm。實(shí)驗(yàn)所用兩套系統(tǒng)均由兼氧ABR和厭氧ABR串聯(lián)組成。A2BRX:兼氧ABR(內(nèi)置懸浮球型填料)+厭氧ABR(內(nèi)置懸浮球，懸浮球中填裝有陶粒)，其中懸浮球型填料 Φ80mm;A2BRZ:兼氧 ABR(內(nèi)置組合填料)+厭氧ABR(內(nèi)置組合填料)，其中組合填料Φ150mm。厭氧反應(yīng)器加蓋密封，蓋上開(kāi)有小孔并設(shè)有水封裝置。ABR實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The experiment device schemes

1.1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)采用西南科技大學(xué)污水處理廠細(xì)格柵出水，該污水主要來(lái)自學(xué)生食堂和教職工生活污水及學(xué)校周邊居民生活排水，其水質(zhì)與農(nóng)村生活污水相類似，具體情況如下表所示。

表 試驗(yàn)用水水質(zhì)特征Tab.Characteristics of the domestic wastewater used in the experiment (mg/L)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 反應(yīng)器運(yùn)行條件

兩套處理系統(tǒng)在運(yùn)行期間，環(huán)境溫度為2℃ ～15℃，HRT=24h，采用約0.4m3/d的恒定流量連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)兩套系統(tǒng)啟動(dòng)成功且運(yùn)行穩(wěn)定后，排掉其系統(tǒng)底部的活性污泥。

1.2.2 分析項(xiàng)目與測(cè)定方法［8］

CODCr:重鉻酸鉀法;pH:pH計(jì);SS:重量法;形貌:掃描電子顯微鏡(SEM)。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩套A2BR系統(tǒng)中pH值得變化

圖2 A2BRX各處理單元中pHFig.2 pH of each processing unit of A2BRX

圖3 A2BRZ各處理單元中pHFig.3 pH of each processing unit of A2BRZ

在厭氧處理系統(tǒng)中，pH值是影響兼氧、厭氧單元正常運(yùn)行的重要因素，產(chǎn)酸細(xì)菌適宜pH一般在4.5～8.0之間，而產(chǎn)甲烷細(xì)菌要求的pH值為6.8～7.2。在厭氧生物法處理廢水的應(yīng)用中，為避免積累過(guò)多的酸而破壞其平衡，常保持反應(yīng)器內(nèi)的pH 為 6.8 ～7.2［9］。

在較低溫度運(yùn)行過(guò)程中，A2BRX和A2BRZ各處理單元中pH值的變化分別如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可知，在運(yùn)行過(guò)程中，A2BRX和A2BRZ進(jìn)水的pH值范圍為7.21～7.38。A2BRX的兼氧ABR和厭氧ABR混合液中pH值范圍分別為7.20～7.38 和7.19 ～7.37;A2BRZ的兼氧 ABR 和厭氧ABR中混合液的pH值分別保持在7.15～7.38和7.17～7.37的范圍內(nèi)。由此可得，A2BRX和A2BRZ各處理單中的pH值變化較小，且其混合液pH值基本在兼氧、厭氧微生物適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

2.2 兩套A2BR系統(tǒng)對(duì)CODCr的去除效果

圖4 A2BRX對(duì)CODCr的去除率Fig.4 CODCrremoval efficiencies of A2BRX

圖5 A2BRZ對(duì)CODCr的去除率Fig.5 CODCrremoval efficiencies of A2BRZ

兩套A2BR運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水CODCr濃度的變化范圍為197mg/L～456mg/L，A2BRX運(yùn)行期間兼氧ABR、厭氧ABR對(duì)CODCr去除率及A2BRX對(duì)CODCr總?cè)コ嗜鐖D4所示，A2BRZ運(yùn)行期間單級(jí)兼氧 ABR、單級(jí)厭氧 ABR對(duì) CODCr去除率及A2BRZ對(duì)CODCr總?cè)コ嗜鐖D5所示。

根據(jù)圖4、圖5可以看出，A2BRx和A2BRZ對(duì)CODCr去除率均隨兼氧去除率的增減而呈增減趨勢(shì)。在反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行的第1～第19d，兩系統(tǒng)的運(yùn)行還處在排泥后的適應(yīng)階段，當(dāng)進(jìn)水CODCr濃度為239mg/L～456mg/L時(shí)，A2BRX和A2BRZ對(duì)CODCr的平均去除率分別為33.7%、28.3%。第20～第41d，系統(tǒng)對(duì)CODCr的去除效果明顯提高。當(dāng)進(jìn)水CODCr濃度在197mg/L～412 mg/L之間時(shí)，A2BRX對(duì)CODCr的去除率高達(dá)40.3%，A2BRZ對(duì)CODCr的去除率高達(dá) 34.7%。在第 42～第 57d，當(dāng)進(jìn)水CODCr濃度范圍為271mg/L～416mg/L，A2BRX出水CODCr的濃度在102mg/L～132mg/L之間，其對(duì)CODCr的平均去除率為62.6%，A2BRZ出水CODCr濃度在122mg/L～170mg/L之間，其對(duì)CODCr的平均去除率53.3%。

從圖4和圖5可知，除個(gè)別點(diǎn)外，A2BRX和A2BRZ的兼氧ABR對(duì)CODCr的去除率均高于厭氧ABR對(duì) CODCr的去除率，其可能原因?yàn)榻?jīng)兼氧ABR處理后的污水中有機(jī)物量降低，使厭氧ABR中微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨之減少。從生物膜長(zhǎng)勢(shì)來(lái)看，厭氧ABR中填料上生物膜的長(zhǎng)勢(shì)較兼氧ABR中的差，如圖6(a)和圖6(b)所示。A2BRX兼氧、厭氧ABR對(duì)CODCr的平均去除率分別為38.5%、11.5%，A2BRZ兼氧、厭氧ABR對(duì)CODCr的平均去除率分別為27.2%和10.1%。

A2BR2BR圖6 X和AZ中生物膜的長(zhǎng)勢(shì)Fig.6 Biofilms of A2BRXand A2BRZ

2.3 兩套A2BR系統(tǒng)對(duì)SS的去除效果

圖7 A2BRX對(duì)SS的去除率Fig.7 SS removal efficiencies of A2BRX

圖8 A2BRZ對(duì)SS的去除率Fig.8 SS removal efficiencies of A2BRZ

在兩套A2BR系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水 SS為82mg/L～150mg/L，A2BRX運(yùn)行期間單級(jí)兼氧、單級(jí)厭氧ABR及其A2BRX對(duì)SS去除效果如圖7所示，A2BRZ運(yùn)行過(guò)程中單級(jí)兼氧、單級(jí)厭氧ABR及其A2BRZ對(duì)SS去除效果如圖8所示。

由圖7可知，A2BRX運(yùn)行的第1～第41d，兼氧ABR、厭氧ABR對(duì)SS去除率分別為39.8% ～70.0% 和 43.2% ～76.2%。在第 42 ～57d，兼氧ABR、厭氧 ABR對(duì) SS去除率分別為 40.2% ～71.8%、45.2% ～77.6%。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，A2BRX對(duì)SS的平均去除率為83.8%，其出水SS保持在10mg/L～27mg/L范圍內(nèi)。

由圖8可得，A2BRZ運(yùn)行的第1～第41d，兼氧ABR對(duì) SS去除率的變化范圍為 42.3% ～69.3%，厭氧 ABR對(duì) SS的去除率在 34.1% ～64.8%之間。第42～第57d，A2BRZ的兼氧ABR、厭氧 ABR對(duì) SS去除率范圍分別為 37.8% ～70.9%、40.6% ～74.5%。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，A2BRZ對(duì)SS總?cè)コ试?1.9%，且其出水SS在13mg/L～27mg/L之間。

顯然，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，A2BRX比A2BRZ對(duì)SS有較好的去除效果。然而，楊海英等人［7］的研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃ ～35℃，A2BRX和A2BRZ對(duì) SS的平均去除率分別為 90.9%和92.0%。

2.4 兩套A2BR中生物膜微生物相分析

兼氧或厭氧生物反應(yīng)器中的生物膜是由多菌種組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度在2℃ ～15℃范圍內(nèi)，兩套 A2BR系統(tǒng)排泥后的第 58d，提取A2BRX和A2BRZ各處理單元中填料表面的生物膜進(jìn)行掃描電鏡觀察，掃描電鏡照片分別見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 A2BRX生物膜電鏡照片 (×10000)Fig.9 SEM photographs of biofilm A2BRX(×10000)

圖10 A2BRZ填料表面生物膜電鏡照片 (×10000)Fig.10 SEM photographs of biofilm A2BRZ(×10000)

由圖9可看出，兼氧ABR中懸浮球填料表面的生物膜內(nèi)球菌的數(shù)量及其分布占主導(dǎo)地位，同時(shí)還有少量的雙球菌和桿菌;厭氧ABR中陶粒表面的微生物以桿菌為主，且分布很密集，還有一定量較分散的球菌和絲狀菌。由圖10可知，兼氧ABR組合填料上的桿菌和球菌的數(shù)量相當(dāng)，桿菌分布得比較集中，而球菌比較分散;厭氧ABR中組合填料表面生物膜中球菌分布集中且數(shù)量較多，桿菌較少且較分散。由此可知，不同類型填料及同種類型填料在不同環(huán)境條件下，其生物種類、數(shù)量及其分布情況存在較大的差異。

低溫 (2℃ ～15℃)條件下，從膜的長(zhǎng)勢(shì)來(lái)看(圖6)，A2BRX和A2BRZ各處理單元中膜的長(zhǎng)勢(shì)均較好。從填料表面的生物膜掃描電鏡可知，A2BRX和A2BRZ各處理單元中填料上的微生物數(shù)量較多 (圖9、圖10)。但A2BRX對(duì)CODCr、SS的去除率比A2BRZ的好。這與環(huán)境溫度 (25℃ ～35℃)條件下的情況相反。其原因可能是雖A2BRZ中填料上膜的長(zhǎng)勢(shì)較好，微生物豐富，但低溫下其微生物的活性較低，而A2BRX懸浮球填料中的填充物對(duì)污水中 CODCr、SS有一定的吸附、截留作用。故環(huán)境溫度 (2℃ ～15℃)條件下，A2BRX對(duì)CODCr、SS的去除效果較好。

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)A2BRX和A2BRZ兩處理系統(tǒng)啟動(dòng)成功且穩(wěn)定運(yùn)行后，排掉兩系統(tǒng)底部的懸浮活性污泥。在環(huán)境溫度為2℃ ～15℃，經(jīng)過(guò)58d的連續(xù)運(yùn)行，兩套系統(tǒng)對(duì) CODCr和 SS的去除效果均趨于穩(wěn)定，A2BRX和 A2BRZ對(duì) CODCr的平均去除率分別為62.6%和53.3%，其對(duì) SS的平均去除率分別為83.8%和81.9%。然而與環(huán)境溫度為25℃ ～35℃相比，低溫下 A2BRX和 A2BRZ兩處理系統(tǒng)對(duì)CODCr和SS的去除效果較差。

3.2 通過(guò)對(duì)填料表面生物膜的掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)生物膜上有球菌、桿菌等存在。但采用不同填料類型及同種填料類型在不同的環(huán)境條件下，其生物膜中生長(zhǎng)的微生物數(shù)量及分布情況存在差異。

［1］ 王妮娜，鄭立柱.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)［J］.廣州環(huán)境科學(xué)，2011，26(2):46-48.

［2］ 楊 琦，尚海濤.ABR工藝處理生活污水研究［J］.中國(guó)沼氣，2006，24(1):9-14.

［3］ 王 瓊，孟慶俊.不同填料在廢水處理中的應(yīng)用［J］.環(huán)?？萍迹?009，15(1):36-38.

［4］ Elmitwalli T A，Van Dun M，Bruning H，Zeeman G，et al.The role of filter media in removing suspended and colloidal particles in an anaerobic reactor treating domestic sewage［J］.Bioresource Technology，2000，72:235-240.

［5］ 袁 煦，沈耀良.瓷粒和陶粒填料曝氣生物濾池處理低濃度生活污水的試驗(yàn)研究［J］.給水排水，2007，33(5):142-145.

［6］ 曹文平，張 君，宮秀學(xué)，李 正，劉春陽(yáng)，趙春燕.復(fù)合式竹絲填料生物反應(yīng)器處理化糞池出水［J］.中國(guó)給水排水，2010，26(3):106-108.

［7］ 楊海英，朱靜平，虢清偉.兩套組合ABR系統(tǒng)處理生活污水的啟動(dòng)運(yùn)行［J］.水處理技術(shù)，2012，3(10):118-121.

［8］ 國(guó)家環(huán)境環(huán)?？偩?水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［9］ 朱靜平，王中琪.污水處理工程實(shí)踐［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2010.