彈性填料對ABR去除重金屬及顆粒污泥的影響

張超，師旭軍，張國珍，2，武福平，晏雯雯，黃星星

（1 蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅蘭州730070；2 寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅蘭州730070）

西北干旱地區(qū)農(nóng)灌水資源匱乏，農(nóng)田施肥導致面源污染加劇[1-3]。然而，該地區(qū)村鎮(zhèn)污水中部分重金屬含量超標，無法直接用于農(nóng)田灌溉，且該地區(qū)村鎮(zhèn)污水處理都以達標排放為目標，既提高了污水處理成本，又浪費了污水中的氮磷。氮磷作為農(nóng)作物生長所必需的營養(yǎng)元素[2]，2005年發(fā)布的《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》刪除了凱氏氮和總磷兩項指標。

厭氧折流板反應器（ABR）具有運行成本低、抗沖擊負荷能力強、水力條件好等優(yōu)點[4-7]。將ABR 作為村鎮(zhèn)污水農(nóng)灌利用的前處理工藝，不僅可以去除污水中大部分有機污染物和懸浮固體[8]，從而降低后續(xù)處理工藝的運行負荷，而且可以有效殺滅污水中的病原菌、充分保留污水中的氮磷[9]，從而降低化肥的用量、減少因施肥導致的面源污染、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

目前，國內(nèi)外學者對于ABR 及其與其他工藝耦合的啟動和運行工況進行了大量的研究[10-14]，但是針對彈性填料耦合ABR 去除重金屬及顆粒污泥的研究卻鮮有報道。本文針對上述情況，采用有彈性填料ABR 和無彈性填料ABR 進行對比，研究彈性填料對ABR 去除重金屬及顆粒污泥的影響，旨在為村鎮(zhèn)污水農(nóng)灌利用提供技術(shù)支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗采用兩組結(jié)構(gòu)和尺寸相同的ABR，由有機玻璃制成，分為4個隔室，長、寬和高分別為0.751m、0.18m 和0.5m，有效體積為49.6L。其中一個ABR 安裝彈性填料（成分：PE 中心繩+PP 彈性絲），另一個ABR不安裝彈性填料。兩組ABR都用保溫材料包裹，裝置示意及工藝流程如圖1所示。

1.2 實驗用水和方法

實驗用水采用校園生活污水，水力停留時間為24h，分別從兩組ABR各隔室的取水口和取泥口取樣測定。

1.3 分析項目與測定方法

重金屬，原子吸收分光光度計法；顆粒污泥粒徑，激光粒度儀；顆粒污泥表面形態(tài)，熱場發(fā)射掃描電鏡；顆粒污泥表面元素組成和比例，能譜儀（EDS）元素分析。

圖1 ABR裝置

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 彈性填料對重金屬去除的影響

圖2 ABR對重金屬的去除效果

圖3 兩組ABR對重金屬的去除率

兩組ABR對重金屬的去除效果如圖2和圖3所示。由圖2 和圖3 可以看出，進水中總汞、總砷、鉻（六價）和鉛的濃度分別為0.0086mg/L、0.0012 mg/L、0.033mg/L 和0.0027mg/L，而鎘（檢出下限為0.00006mg/L）沒有被檢出，進水中總砷、鉻（六價）、鉛和鎘的濃度較低，只有總汞的濃度超出農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準，這主要是因為進水為校園生活污水，沒有工業(yè)廢水的匯入。無彈性填料ABR 出水中總汞、總砷、鉻（六價）和鉛的濃度分別為0.0043mg/L、 0.00073mg/L、 0.011mg/L 和0.00026 mg/L，去除率分別為50.00%、39.17%、66.67%和90.37%，無彈性填料ABR 對4 種重金屬具有一定的去除效果，這主要是因為無彈性填料ABR 中的厭氧顆粒污泥表面粗糙多孔，且被大量的胞外聚合物含量所覆蓋，而組成胞外聚合物的主要物質(zhì)中含有很多官能團，這些官能團可以較好地吸附污水中的重金屬[15-19]。ABR 對4 種重金屬的去除率有所不同，這主要是因為生活污水中有多種重金屬共存，多種重金屬之間會爭奪胞外聚合物上的吸附點位，而胞外聚合物上的吸附點位有限，且胞外聚合物上對各種重金屬的專一的吸附點位數(shù)量各不相同。無彈性填料ABR 對鉛的去除率最高（超過90.00%），這主要是因為胞外聚合物對鉛的親和力最好。

而有彈性填料ABR 出水中總汞、總砷、鉻（六價）和鉛的濃度分別為0.0029mg/L、0.00085 mg/L、0.01mg/L 和0.0002mg/L，去除率分別為66.28%、29.17%、69.70%和92.59%，有彈性填料ABR 對總汞、鉻（六價）和鉛的去除率比無彈性填料ABR分別高出16.28%、3.03%和2.22%，這主要是因為彈性填料可以較好地去除生活污水呈懸浮態(tài)的重金屬。而有彈性填料ABR 對總砷的去除率比無彈性填料ABR 低10.00%，這可能是因為有彈性填料ABR 中厭氧顆粒污泥和彈性填料前期對總砷累積吸附和截留的量較多，導致后期對總砷的吸附點位較少。

兩組ABR各隔室對4種重金屬的去除率波動較大，且出現(xiàn)負值，這主要是因為兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥前期對4種重金屬的累積吸附量較多，導致后期出現(xiàn)解吸，一些厭氧微生物通過自溶和內(nèi)源呼吸也會釋放出重金屬；而兩組ABR 各隔室中pH 等因素的變化也會改變生活污水中重金屬的形態(tài)和胞外聚合物上的吸附位點，從而影響兩組ABR 各隔室中厭氧顆粒污泥對生活污水中重金屬的去除。雖然兩組ABR 進出水中總砷、鉻（六價）、鉛和鎘的濃度都低于農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準，但由于重金屬易于在土壤和農(nóng)作物中富集，故從長遠考慮，有必要進一步提高對生活污水中重金屬的去除率。雖然兩組ABR 出水中總汞的濃度都高于農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準，但由于ABR 的出水還需要經(jīng)過后續(xù)處理才用于農(nóng)田灌溉，故通過提高后續(xù)工藝對ABR 出水中總汞的去除率，使其出水中總汞的濃度低于農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準即可。總的來說，彈性填料有利于提高ABR 去除生活污水中的多數(shù)重金屬。

2.2 彈性填料對厭氧顆粒污泥粒徑的影響

兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑分布見表1。由表可以看出，無彈性填料ABR各隔室中的厭氧顆粒污泥體積密度分別為：第1隔室（＜0.5 mm 為9.04%、0.5～0.75mm 為12.25%、0.75～1.0 mm 為24.83%、1.0～1.25mm 為28.34%、＞1.25mm為25.55%）、第2隔室（＜0.5mm 為12.11%、0.5～0.75mm 為15.12%、0.75～1.0mm 為27.88%、1.0～1.25mm 為25.04%、＞1.25mm 為19.85%）、第3 隔室（＜0.5mm 為13.99%、0.5～0.75mm 為15.91%、0.75～1.0mm 為27.00%、1.0～1.25mm 為28.04%、＞1.25mm 為15.06%）、第4 隔室（＜0.5mm 為17.27%、0.5～0.75mm 為19.33%、0.75～1.0mm 為27.61%、 1.0～1.25mm 為24.49%、 ＞1.25mm 為11.30%），無彈性填料ABR各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑沿著水流方向逐漸減小，這主要是因為無彈性填料ABR 各隔室中的有機污染物濃度沿著水流方向逐漸降低，前面隔室中的厭氧顆粒污泥可以優(yōu)先利用生活污水中易于降解的有機污染物，有機污染物通過厭氧顆粒污泥表面的孔洞可以較深入地擴散到厭氧顆粒污泥內(nèi)部，從而被厭氧顆粒污泥內(nèi)部的微生物所利用，故前面隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑較大；而后面隔室中的有機污染物濃度較低且不易被降解，有機污染物擴散到厭氧顆粒污泥內(nèi)部的深度較淺，故后面隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑較小。

表1 兩組ABR各隔室厭氧顆粒污泥粒徑

而有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥體積密度分別為：第1 隔室（＜0.5mm 為10.73%、0.5～0.75mm 為12.09%、0.75～1.0mm 為25.25%、1.0～1.25mm 為28.09%、＞1.25mm 為23.84%）、第2 隔 室（＜0.5mm 為15.08%、 0.5～0.75mm 為17.92%、0.75～1.0mm 為22.91%、1.0～1.25mm 為27.19%、＞1.25mm 為16.90%）、第3 隔室（＜0.5 mm 為14.55%、0.5～0.75mm 為17.61%、0.75～1.0mm 為28.41%、1.0～1.25mm 為25.41%、＞1.25 mm 為14.02%）、第4 隔室（＜0.5mm 為19.12%、0.5～0.75mm 為21.23%、0.75～1.0mm 為25.76%、1.0～1.25mm 為23.54%、＞1.25mm 為10.35%），有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑也沿著水流方向逐漸減小，且略小于無彈性填料ABR各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑，這主要是因為有彈性填料ABR 各隔室中的生物量有所增加，其對COD的去除率高于無彈性填料ABR[20]，有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥獲得的有機污染物少于無彈性填料ABR，故有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑略小于無彈性填料ABR?？偟膩碚f，兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑多介于0.75～1.25mm 之間，厭氧顆粒污泥粒徑主要受進水水質(zhì)和運行條件的影響。

2.3 彈性填料對厭氧顆粒污泥表面形態(tài)的影響

圖4為手機拍攝的兩組ABR各隔室中的厭氧顆粒污泥，可以看出，兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥都為黑色，多數(shù)呈球狀、橢球狀以及一些不規(guī)則的形狀，相互之間易于分離，沒有出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，但肉眼難以觀察到兩組ABR 各隔室中厭氧顆粒污泥的差異所在。

兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面形態(tài)如圖5所示。由圖可以看出，兩組ABR第1隔室中的厭氧顆粒污泥表面粗糙、多孔，且孔洞較大。厭氧顆粒污泥粗糙的表面有利于其對生活污水中有機污染物和重金屬的吸附，而厭氧顆粒污泥表面較大的孔洞有利于生活污水中的營養(yǎng)物質(zhì)向厭氧顆粒污泥內(nèi)部擴散，從而保證厭氧顆粒污泥內(nèi)部微生物的生長和繁殖，而厭氧顆粒污泥內(nèi)部微生物的代謝產(chǎn)物也通過厭氧顆粒污泥表面的孔洞排出。厭氧顆粒污泥表面含有大量的絲狀菌交織纏繞在一起，而厭氧微生物分泌出大量的胞外聚合物將這些絲狀菌、少量的球菌和桿菌粘連在一起。這樣不僅可以較好地保持厭氧顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，從而抵抗外界不利因素（如水流剪切力、有毒有害物質(zhì)）的影響，而且有利于提高不同菌種之前的物質(zhì)交換和信息傳遞效率。而兩組ABR第2、3、4隔室中的厭氧顆粒污泥表面的絲狀菌顯著減少，但胞外聚合物的含量有所增加，這可能是進入第2、3、4隔室中的有機污染物濃度較低所導致的。

與無彈性填料ABR 相比，有彈性填料ABR各隔室中的厭氧顆粒污泥表面的絲狀菌有所減少，這可能是因為部分絲狀菌在彈性填料上附著生長，且有彈性填料ABR 各隔室中的生物量多于無彈性填料ABR[20]，故有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥所能獲得的有機污染物較少所導致的。

2.4 彈性填料對厭氧顆粒污泥表面元素組成和比例的影響

兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面元素組成和比例如圖6、圖7 所示。由圖可以看出，兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面元素的組成基本相同，但兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面元素的比例有所差異，這主要是因為進入兩組ABR 各隔室中的污水水質(zhì)不同所造成的。其中，C 的含量都是最高的，占比為38.52%～50.99%，O 的含量都是排第二，占比為34.42%～42.94%，N 的含量都是排第三，占比為4.68%～9.43%，這說明兩組ABR各隔室中的厭氧顆粒污泥表面最主要的元素為C、O 和N，它們的含量之和達到87.18%～92.59%，這主要是因為兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面的微生物主要由C、O和N 三種元素組成。兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面元素還包括Na、Al、P、Ca 和Fe，這些元素的含量雖然很少，但都是厭氧微生物生長和繁殖過程中不可或缺的。此外，兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面元素還包括As、Hg和Pb等重金屬元素，且Hg和Pb所占的比例大于其他重金屬元素，這主要是因為兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面吸附了生活污水中少量的重金屬所造成的。但兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面幾種重金屬元素所占的比例較小，且部分重金屬元素沒有被檢出，這主要是因為校園生活污水中幾種重金屬濃度較低，且能譜儀（EDS）元素分析只能選擇厭氧顆粒污泥表面一部分區(qū)域進行分析，而厭氧顆粒污泥表面這部分被分析的區(qū)域可能剛好不包含這些未被檢出的重金屬元素，但厭氧顆粒污泥內(nèi)部和表面其他區(qū)域可能含有這些未被檢出的重金屬元素。

圖4 兩組ABR各隔室厭氧顆粒污泥照片

與無彈性填料ABR 相比，有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面的重金屬元素含量有所減少，這主要是因為彈性填料可以較好地去除生活污水呈懸浮態(tài)的重金屬，從而減少了有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥對重金屬的吸附量。

3 結(jié)論

（1）彈性填料對ABR 去除生活污水中的多數(shù)重金屬具有促進作用。

圖5 兩組ABR各隔室厭氧顆粒污泥表面形態(tài)（7000倍）

（2）兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑沿著水流方向逐漸減小，有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥粒徑略小于無彈性填料ABR。

（3）兩組ABR第1隔室中的厭氧顆粒污泥表面含有大量的絲狀菌，第2～4 隔室中的厭氧顆粒污泥表面的絲狀菌顯著減少，但胞外聚合物的含量有所增加；有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面的絲狀菌數(shù)量少于無彈性填料ABR。

圖6 兩組ABR各隔室厭氧顆粒污泥表面元素組成

（4）兩組ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面最主要的元素為C、O和N，此外，還包括Na、Al、P、Ca、Fe、As、Hg 和Pb 等；有彈性填料ABR 各隔室中的厭氧顆粒污泥表面的重金屬元素含量少于無彈性填料ABR。

圖7 兩組ABR各隔室厭氧顆粒污泥表面元素比例