不同溫度下彈性填料對(duì)ABR處理生活污水的影響

師旭軍，張國(guó)珍，2，張超，武福平，晏雯雯，黃星星

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)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)生態(tài)穩(wěn)定性差，農(nóng)灌水資源匱乏[1-3]，農(nóng)村污水處理應(yīng)考慮作為灌溉水源。而地區(qū)污水處理以達(dá)標(biāo)排放為主，導(dǎo)致處理成本的升高，氮磷作為農(nóng)作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素被浪費(fèi)[2]。厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)運(yùn)行成本低、水力條件好[4-7]，能去除大部分懸浮物和有機(jī)物[8]，降低后續(xù)工藝的運(yùn)行負(fù)荷，且2005年發(fā)布的農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)凱氏氮和總磷兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了刪除，充分保留的氮和磷[9]，降低了農(nóng)田施肥用量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)ABR的大量研究中對(duì)掛膜的研究很少[10-15]，故采用有彈性填料ABR和無彈性填料ABR對(duì)比研究，旨在為西北農(nóng)村污水回用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硫酸銀、硫酸汞、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、抗壞血酸、鉬酸銨均為分析純；過硫酸鉀，優(yōu)級(jí)純；校園生活污水，水質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 污水水質(zhì)Table 1 Sewage water quality

5B-1B型COD快速測(cè)定儀；FA1004分析電子天平；202-00A電熱恒溫干燥箱；DGL-50B立式蒸汽滅菌器；UV-2800A型紫外可見分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

由有機(jī)玻璃制成兩組結(jié)構(gòu)和尺寸相同的ABR，有效體積為49.6 L，設(shè)計(jì)為4個(gè)隔室，其高、長(zhǎng)和寬分別是0.5 m、0.751 m和0.18 m。ABR的其中一個(gè)掛有彈性填料(HABR)，而另一個(gè)不掛彈性填料(ABR)。HABR和ABR外觀都包裹保溫材料，流程示意圖裝置見圖1。

圖1 HABR裝置示意圖Fig.1 Schematic of HABR

將水力停留時(shí)間固定為24 h，調(diào)控HABR和ABR的溫度分別為35，25，16 ℃，每個(gè)溫度工況各運(yùn)行14 d，水樣每2 d取樣測(cè)定1次，分析項(xiàng)目與測(cè)定方法見表2。

表2 水質(zhì)分析項(xiàng)目及方法Table 2 Water quality analysis projects and methods

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)兩組ABR的COD去除效果的影響

由圖2可知，在T=35 ℃條件下運(yùn)行14 d，進(jìn)水平均有機(jī)負(fù)荷為0.241 kg/(m3·d)，COD濃度為204.68～279.93 mg/L，平均濃度為241.02 mg/L，ABR出水COD范圍為90.30～111.37 mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率為41.91%～67.74%，平均去除率為56.94%；相對(duì)應(yīng)HABR的COD出水濃度為84.28～111.28 mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率為56.08%～63.86%，平均去除率為58.93%；HABR對(duì)COD的平均去除率較ABR高出2.0個(gè)百分點(diǎn)。這主要是由于HABR中的彈性填料能很好的截留污水中的懸浮固體，同時(shí)也對(duì)污泥床中受水流沖擊而漂浮起的絮狀污泥起到了攔截的作用。同時(shí)，填料上附著了一部分微生物，使得有機(jī)物與HABR內(nèi)的微生物充分接觸而被降解，因此與未掛彈性填料的ABR相比較，HABR系統(tǒng)內(nèi)微生物量相對(duì)增加[16]。因此，在T=35 ℃微生物相對(duì)適宜生長(zhǎng)的條件下，HABR對(duì)COD的去除率要好于ABR。

T=25 ℃條件下運(yùn)行15～28 d，進(jìn)水平均有機(jī)負(fù)荷為0.259 kg/(m3·d)，COD濃度為215.22～299.50 mg/L，平均濃度為258.65 mg/L，ABR的COD出水濃度為87.29～144.88 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為40.20%～65.00%，平均去除率為52.02%，相對(duì)應(yīng)的HABR的COD出水濃度為85.79～158.03 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為45.71%～66.11%，平均去除率為54.79%，HABR對(duì)COD的去除率同ABR相比高出了2.77個(gè)百分點(diǎn)，溫度25 ℃同35 ℃相比較，HABR和ABR對(duì)COD的去除率的差值又高出了0.77個(gè)百分點(diǎn)。因此，在溫度降低的條件下，HABR與未掛填料的ABR相比較，HABR對(duì)COD去除促進(jìn)作用比較明顯。

維持溫度至T=16 ℃運(yùn)行第29～41 d，平均有機(jī)負(fù)荷為0.227 kg/(m3·d)，進(jìn)水COD濃度為171.57～267.89 mg/L，COD平均濃度為 227.47 mg/L，HABR的COD出水濃度為87.29～127.92 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為47.80%～60.67%，平均去除率為54.61%，相對(duì)ABR的COD出水濃度為94.82～155.02 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為35.22%～55.94%，平均去除率為46.07%，與ABR相比，HABR對(duì)COD的去除率較之高出了8.54個(gè)百分點(diǎn)。

隨著溫度的降低，ABR對(duì)COD的去除率出現(xiàn)了較為明顯的下降，這主要是低溫會(huì)影響微生物的活性，進(jìn)而影響厭氧消化，導(dǎo)致對(duì)COD的降解能力變?nèi)酰粶囟扔?5 ℃調(diào)控至25 ℃過程中，對(duì)應(yīng)COD的去除率下降為4.92個(gè)百分點(diǎn)，而溫度由 25 ℃ 調(diào)控至 16 ℃ 對(duì)應(yīng)COD的去除率下降5.95個(gè)百分點(diǎn)，后者對(duì)COD的去除率的影響較為顯著，原因可能是溫度在大幅度降低時(shí)，導(dǎo)致溫度低于微生物適宜的生長(zhǎng)溫度，使其生長(zhǎng)代謝緩慢，因?yàn)樵贏BR中占優(yōu)勢(shì)的厭氧微生物大多是中溫菌[17]，因此，COD的去除率出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。而相比較ABR而言，HABR在低溫下對(duì)COD的去除率依然保持優(yōu)勢(shì)，具有一定的抗低溫能力。

總的來說，不同溫度下，HABR對(duì)COD的平均去除率都高于ABR，說明在ABR中掛彈性填料有助于對(duì)COD去除率的提高，且能提高ABR的抗低溫性能。

圖2 兩組ABR對(duì)COD的去除效果Fig.2 The removal effect of two groups of ABR on COD

2.2 溫度對(duì)兩組ABR的SS去除效果的影響

由圖3可知，在運(yùn)行前14 dT=35 ℃條件下，SS進(jìn)水濃度為115.80～159.37 mg/L，ABR的出水SS為19.08～36.68 mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率為73.81%～88.02%，平均去除率為80.04%，而HABR出水SS濃度為14.11～24.91 mg/L，去除率為14.11%～24.91%，平均去除率為86.42%，HABR對(duì)SS的平均去除率較ABR高出6.38個(gè)百分點(diǎn)，這主要是由于HABR中的彈性填料可以截留固體懸浮物以及漂浮的絮狀污泥[16]。

運(yùn)行第15～28 d，T=25 ℃條件下，SS的進(jìn)水濃度為107.91～150.63 mg/L，ABR的出水SS濃度為27.82 ～38.74 mg/L，去除率為67.99%～81.29%，平均去除率為74.01%，而HABR的出水SS的濃度為16.90 ～26.64 mg/L，去除率為77.10%～84.80%，平均去除率為82.07%；運(yùn)行第29～41 d，T=16 ℃條件下，SS的進(jìn)水濃度為102.82～106.48 mg/L，ABR的出水SS濃度為15.20 ～39.96 mg/L，去除率為64.61%～87.98%，平均去除率為73.54%，而HABR的出水SS的濃度為14.59 ～29.76 mg/L，去除率為72.88%～86.54%，平均去除率為80.55%；可知，隨著溫度的降低，HABR和ABR對(duì)SS的去除率也隨之降低，這主要是由于微生物的活性受到了低溫的影響，在低溫條件下，微生物對(duì)污水中懸浮物的吸附截留能力降低[18]，部分污泥可能出現(xiàn)輕微的解體而使得絮狀污泥增加，但在T=25 ℃下HABR對(duì)SS的去除率較ABR依然高出8.06個(gè)百分點(diǎn)，在T=16 ℃下HABR對(duì)SS的去除率較ABR依然高出7.01個(gè)百分點(diǎn)，而在T=35 ℃時(shí)，HABR對(duì)SS的去除率較ABR高出6.38個(gè)百分點(diǎn)，說明在低溫的環(huán)境下，HABR對(duì)SS去除的優(yōu)勢(shì)比較明顯，即HABR對(duì)SS的去除有促進(jìn)作用，為后續(xù)工藝(人工快速滲濾系統(tǒng))減輕減緩了堵塞的情況。

圖3 兩組ABR對(duì)SS的去除效果Fig.3 The removal effect of two groups of ABR on SS

2.3 溫度對(duì)兩組ABR的總氮去除效果的影響

不同溫度條件下兩組ABR對(duì)TN的去除效果見圖4。在運(yùn)行前14 dT=35 ℃時(shí)，TN進(jìn)水濃度為49.18～69.60 mg/L，ABR的出水TN為48.52～62.63 mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率為-3.90%～13.95%，平均去除率為5.09%，而HABR出水TN為47.73～63.46 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為-2.46%～17.53%，平均去除率為5.39%，HABR與ABR對(duì)TN的去除率都很低，且兩者對(duì)TN的平均去除率相差很小，這主要是由于厭氧條件下，氨化反應(yīng)很難進(jìn)行且硝化反應(yīng)幾乎沒有，而厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖對(duì)于氮的攝取很少，進(jìn)水中的有機(jī)氮在氨化細(xì)菌作用下發(fā)生微弱的氨化反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為氨氮，但厭氧的環(huán)境進(jìn)一步阻礙了后續(xù)的硝化反應(yīng)，因此傳統(tǒng)的脫氮流程在反應(yīng)器內(nèi)很難進(jìn)行。HABR和ABR對(duì)TN的去除率出現(xiàn)了負(fù)值，這可能是由于存在的微弱的氨化反應(yīng)中，微生物將進(jìn)水中的部分有機(jī)氮化合物分解成了氨氮[19]，同時(shí)部分厭氧微生物能通過自溶也能釋放出氨氮[20]。

運(yùn)行第15～28 d，T=25 ℃條件下，TN的進(jìn)水濃度為43.12～61.88 mg/L，ABR的出水TN濃度為40.22～58.89 mg/L，去除率為-5.82%～10.33%，平均去除率為3.86%，而HABR的出水TN的濃度為40.97～57.23 mg/L，去除率為-2.39%～11.20%，平均去除率為3.83%；運(yùn)行第29～41 d，T=16 ℃ 條件下，TN的進(jìn)水濃度為34.58 ～55.32 mg/L，ABR的出水TN濃度為36.24 ～54.83 mg/L，去除率為-4.80%～11.59%，平均去除率為2.99%，HABR的出水TN的濃度為36.24～52.83 mg/L，去除率為-5.08%～12.46%，平均去除率為3.57%；隨著溫度的降低，HABR和ABR對(duì)TN的平均去除率很低且均出現(xiàn)了下降，這主要是由于低溫的條件下，微生物的活性受到了影響，部分微生物可能出現(xiàn)了短暫的休眠，因此而無法維持微生物對(duì)有機(jī)物的傳遞作用，對(duì)氮的同化作用減弱，且低溫使得一些厭氧微生物產(chǎn)生了內(nèi)源呼吸，導(dǎo)致釋放出氨氮[20]，而使去除率偶爾出現(xiàn)負(fù)值。

總體而言，不同溫度下，HABR和ABR對(duì)總氮的平均去除率低，且相差小，說明ABR中掛彈性填料對(duì)于總氮去除率有很小的影響，因此污水中的氮被保留，這有利于出水用于農(nóng)田灌溉。

圖4 兩組ABR對(duì)總氮的去除效果Fig.4 The removal effect of two groups of ABR on TN

2.4 溫度對(duì)兩組ABR的總磷去除效果的影響

不同溫度條件下兩組ABR對(duì)TP的去除效果見圖5。

圖5 兩組ABR對(duì)總磷的去除效果Fig.5 The removal effect of two groups of ABR on TP

在運(yùn)行前14 d，T=35 ℃時(shí)，TP進(jìn)水濃度為4.19～5.85 mg/L，ABR的出水TP為3.69～4.79 mg/L，對(duì)應(yīng)的去除率為5.49%～22.04%，平均去除率為16.34%，而HABR出水TP為3.94～4.91 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為4.22%～20.26%，平均去除率為14.60%，ABR和HABR對(duì)TP的平均去除率都比較低且相差較小，這主要是由于厭氧的條件下，兩組反應(yīng)器內(nèi)釋磷吸磷的傳統(tǒng)流程受到了限制，且微生物通過同化作用所攝取的磷很少，因此對(duì)磷的去除率的貢獻(xiàn)有限，ABR和HABR在TP的去除過程中，去除率出現(xiàn)負(fù)值可能是由于厭氧條件下聚磷菌釋放出了部分磷[19]，一定范圍內(nèi)有機(jī)負(fù)荷的提高可促進(jìn)了厭氧微生物的生長(zhǎng)和繁殖，T=35，25，16 ℃對(duì)應(yīng)的進(jìn)水平均有機(jī)負(fù)荷分別為0.241，0.259，0.227 kg/(m3·d)，隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)，ABR和HABR對(duì)TP的去除率也出現(xiàn)了波動(dòng)，但這種同化作用對(duì)除磷的貢獻(xiàn)很有限，

運(yùn)行第15～28 d，T=25 ℃條件下，TP的進(jìn)水濃度為3.53～6.18 mg/L，ABR的出水TP濃度為3.23～5.60 mg/L，去除率為-2.78%～21.35%，平均去除率為8.71%，而HABR的出水TP的濃度為3.39～5.55 mg/L，去除率為0.00～15.46%，平均去除率為8.02%；運(yùn)行第29～41 d，T=16 ℃條件下，TP的進(jìn)水濃度為2.12～4.12 mg/L，ABR的出水TP濃度為1.92～4.04 mg/L，去除率為-0.54%～19.17%，平均去除率為7.21%，HABR的出水TP的濃度為1.99～3.89 mg/L，去除率為2.71%～20.41%，平均去除率為8.85%；隨著溫度的降低，ABR和HABR對(duì)磷的去除率都出現(xiàn)了下降，這主要是低溫條件下，微生物的活性降低，對(duì)磷的攝取也隨之減少，且較低的溫度下厭氧微生物可能出現(xiàn)了內(nèi)源呼吸，導(dǎo)致磷的去除率偶爾出現(xiàn)負(fù)值的情況。

總體而言，不同溫度下，HABR和ABR對(duì)TP的平均去除率低，且相差較小，說明ABR中掛彈性填料對(duì)于TP去除率有較小的影響，因此污水中的磷被保留，這有利于出水的農(nóng)田灌溉。

3 結(jié)論

(1)研究不同溫度下彈性填料對(duì)ABR處理生活污水的影響，采用掛有彈性填料的ABR和不掛彈性填料的ABR進(jìn)行對(duì)比，隨著溫度的降低，兩組ABR對(duì)COD和SS的去除率均出現(xiàn)下降；在不同的溫度下，HABR對(duì)COD和SS的平均去除率均高于ABR，彈性填料有助于ABR提高COD和SS的去除率和抗低溫性能，COD和SS出水滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005)

(2)隨著溫度的降低，HABR和ABR對(duì)TN和TP的去除率均出現(xiàn)下降，總體來看，在不同溫度下，基于微生物的攝取同化作用有限，兩組ABR對(duì)TN和TP去除率很低，且相差很小，保留氮磷用于農(nóng)灌肥料，經(jīng)濟(jì)上的可行性促使反應(yīng)器在西北農(nóng)村推廣應(yīng)用價(jià)值的提升。