五格式凈糞池(FcPTR)啟動特性研究

楊延梅，羅勇,，譚偉，蔣進元*，赫昶鈞，李加加，陳可

1.重慶交通大學河海學院

2.中國環(huán)境科學研究院

發(fā)展中國家分散式居住地區(qū)，常采用三格式化糞池(TcST)處理生活污水[1-2]。但是TcST結(jié)構(gòu)簡單，污水傳質(zhì)性較差、生物量低、微生物活性差，出水仍含有較高濃度污染物，排放后對當?shù)丨h(huán)境造成較大污染，是一種低效的污水處理技術(shù)[3-4]。隨著污水處理技術(shù)不斷進步，高速厭氧反應(yīng)器因具有污水處理效率高、出水水質(zhì)好、病原菌截留率高等特點而得到廣泛應(yīng)用，如厭氧濾床(AF)和厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)等技術(shù)[5-6]。我國分散式居住地區(qū)普遍將黑水和灰水一同排入污水處理設(shè)施中，導(dǎo)致生活污水污染物濃度低，反應(yīng)器啟動較為困難，微生物對環(huán)境變化較為敏感，其中厭氧微生物生長周期長，增殖速率緩慢等問題，嚴重阻礙了反應(yīng)器正常運行[7]。Feng等[8]利用厭氧折流板(ABR)處理低濃度生活污水，25 ℃條件下，反應(yīng)器在130 d后完成啟動，啟動期最高CODCr去除率為52.3%。Krishna等[9]利用有效容積為10 L的ABR反應(yīng)器處理生活污水，在保持溫度為（30±1）℃、HRT為20 h情況下，反應(yīng)器在230 d后達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，CODCr的去除率達到90%。

廢水生物處理反應(yīng)器的快速啟動是為了在較短時間內(nèi)建立一個生物活性較高的反應(yīng)體系，在實際生物處理系統(tǒng)中，微生物生長的溫度、污染物負荷等條件的變化，都會增加反應(yīng)器快速啟動復(fù)雜性[10-11]，反應(yīng)器能否快速啟動是判斷反應(yīng)器性能的重要指標[12]。筆者基于厭氧濾床(AF)、厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)和強化內(nèi)源脫氮工藝，構(gòu)建以連續(xù)厭氧-好氧-缺氧（AOA）為運行方式的五格式凈糞池（FcPTR）反應(yīng)器，在相同運行條件下，對比TcST和FcPTR的CODCr去除率、pH、堿度和填料掛膜情況，以期為反應(yīng)器的快速啟動和低成本處理分散式生活污水提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由有機玻璃制成（圖1），F(xiàn)cPTR和TcST的有效容積均為90 L。TcST由缺氧池、厭氧池、沉淀池組成，其體積比為 2∶1∶3；FcPTR 由沉淀分離區(qū)、厭氧折流區(qū)、好氧區(qū)、缺氧過濾區(qū)串聯(lián)而成，其體積比為 3∶2∶1∶2。在 FcPTR 中，厭氧折流區(qū)分為1區(qū)、2區(qū)2個單元。在FcPTR中厭氧折流區(qū)和好氧區(qū)加入聚氨酯（PU）填料，缺氧過濾區(qū)加入火山巖填料，填料框與反應(yīng)器底部保持一定距離。FcPTR中厭氧折流區(qū)、好氧區(qū)填料框體積占所在區(qū)域有效容積的40%，缺氧過濾區(qū)占比為80%。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental setup diagram

1.2 填料

FcPTR選用PU填料和火山巖填料。PU填料是一種多孔的親水性高分子生物填料，該填料表面具有一些陽離子表面活性劑和親水基團（羥基），對微生物和酶具有較好固定效果[13-14]；火山巖填料孔隙率大，有利于微生物增殖生長，對氮、磷具有一定處理效果[15-16]。2種填料性質(zhì)及填充率見表1。

表1 PU填料和火山巖填料性質(zhì)及填充率Table 1 Properties and filling rate of PU filler and volcanic rock filler

1.3 接種污泥及進水水質(zhì)

取北京市某家屬小區(qū)生活污水作進水，其水質(zhì)參數(shù)：pH 為6.61～7.32、CODCr為135～314 mg/L、-N濃度為44～77 mg/L、TP濃度為3.0～5.5 mg/L、TN濃度為51～88 mg/L。接種污泥取自北京某污水處理廠厭氧池污泥和曝氣池污泥，接種污泥量為反應(yīng)器有效容積的30%。厭氧區(qū)接種污泥參數(shù)：混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）為3 643 mg/L，混合液懸浮固體濃度(MLSS)為5 279 mg/L。好氧區(qū)接種污泥參數(shù)：MLVSS為2 308 mg/L，MLSS為3 550 mg/L。

1.4 運行方式

如表2所示，試驗進行了46 d，操作分為階段Ⅰ(1～13 d)和階段Ⅱ(14～46 d)，待反應(yīng)器出水CODCr穩(wěn)定后，進入下一階段。農(nóng)村用水頻率較低，模擬農(nóng)村污水處理設(shè)施水力停留時間，F(xiàn)cPTR、TcST在階段Ⅰ和階段Ⅱ的HRT分別為80和36 h，F(xiàn)cPTR中厭氧折流區(qū)和好氧區(qū)在階段Ⅰ和階段Ⅱ的HRT分別為21、11和10、5 h。FcPTR中通過回流泵使缺氧過濾區(qū)的污泥回流到好氧區(qū)中，污泥回流量是進水流量的100%，通過減少HRT對FcPTR和TcST進行啟動。

表2 FcPTR和TcST運行參數(shù)Table 2 Operated parameters of FcPTR and TcST

1.5 分析方法

各項檢測指標的測定均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。其中，CODCr采用重鉻酸鉀-紫外分光光度法測定，-N濃度采用納氏試劑分光光度法測定，TP濃度采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法測定，TN濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，MLSS采用103～105 ℃重量法測定，MLVSS采用600 ℃重量法測定，pH采用雷磁便攜式pH計測定，DO濃度采用雷磁便攜式溶解氧儀測定。污泥及填料表面采用Hitachi SU-8010型掃描電鏡中觀察，堿度及揮發(fā)性脂肪酸（VFA）采用酸堿聯(lián)合滴定法。通過研究反應(yīng)器各隔室對CODCr的處理貢獻率，可以反映隔室的處理效能。CODCr去除率(η)及CODCr貢獻率(β)根據(jù)下式計算：

式中：m為CODCr的累計消耗量，mg/L；M為進水CODCr，mg/L；m'為反應(yīng)器每個處理單元 CODCr消耗量，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 FcPTR和TcST對CODCr的去除效果

如圖2所示，TcST和FcPTR在階段Ⅰ對CODCr的去除率分別下降至33%、49%，在階段Ⅱ?qū)ODCr的去除率分別升至61%、86%，第46天出水CODCr分別維持在93、35 mg/L。穩(wěn)定運行后，F(xiàn)cPTR反應(yīng)器整體性能高于TcST，且具有較好抗沖擊負荷能力。在階段Ⅰ，由于生活污水濃度較低，微生物還未適應(yīng)低有機負荷環(huán)境，其生長繁殖無法獲得充足養(yǎng)分，填料上生物膜尚未完全形成，反應(yīng)器適應(yīng)能力不強，導(dǎo)致部分微生物死亡，CODCr去除率不斷降低[17]。在階段Ⅱ，有機負荷增至0.13 kg/(m3·d)，接種污泥逐漸得到馴化，填料上生物膜逐漸形成，厭氧微生物開始適應(yīng)新的環(huán)境，CODCr去除率逐漸升高[18]。

圖2 FcPTR和TcST啟動期進出水CODCr及去除率Fig.2 CODCr and removal rate of inlet and outlet water during FcPTR and TcST startup

FcPTR各單元對CODCr的處理貢獻率見圖3。厭氧折流區(qū)對CODCr的處理貢獻率維持在75%左右，好氧區(qū)和缺氧過濾區(qū)對CODCr的處理貢獻率分別維持在6.5%和4.8%。在厭氧條件下，處理低濃度生活污水時，大多數(shù)復(fù)雜有機物，如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪，在發(fā)酵細菌分泌的胞外酶作用下被水解，得到更簡單的可溶性物質(zhì)，如氨基酸、糖、脂肪酸和甘油[19-20]。因此厭氧單元作為預(yù)處理單元，可以增加大分子有機物處理效果。

圖3 FcPTR各單元CODCr處理貢獻率Fig.3 Contribution rate of CODCr treatment of FcPTR units

2.2 FcPTR和TcST中的pH變化

酸化是厭氧反應(yīng)器將可溶性有機物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的第一步，隨之產(chǎn)生多種有機酸，如丁酸、乙酸、丙酸等[21]。Yu等[22]研究表明，相對于溫度來說，pH變化更能影響厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)酸過程。

厭氧反應(yīng)器中產(chǎn)酸菌最適宜pH為5.5～5.8，產(chǎn)甲烷菌的最適宜pH為6.6～7.5[23]。圖4為反應(yīng)器格室中pH變化。由圖4可知，TcST出水pH普遍大于FcPTR厭氧區(qū)，F(xiàn)cPTR厭氧區(qū)pH處于微生物生長較適宜范圍內(nèi)，TcST較高pH不利于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷菌生長繁殖。FcPTR中厭氧折流2區(qū)pH普遍大于厭氧折流1區(qū)。厭氧折流1區(qū)主要發(fā)生水解酸化反應(yīng)，水解菌和酸化菌將難降解大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)，并同時產(chǎn)生乙酸、碳酸、甲酸等物質(zhì)，導(dǎo)致厭氧折流1區(qū)pH降低。到厭氧折流2區(qū)產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌逐漸建立動態(tài)平衡。乙酸、碳酸、甲酸等被轉(zhuǎn)化成甲烷、二氧化碳等，致使厭氧折流2區(qū)pH升高，因此FcPTR厭氧區(qū)具有較好產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷分離特性，微生物生長均處于較為適宜酸堿環(huán)境中[24-25]。

圖4 FcPTR和TcST中pH變化Fig.4 Variation of pH in FcPTR and TcST

2.3 FcPTR和TcST中的VFA及堿度變化

厭氧消化第一階段為水解酸化，而發(fā)酵細菌酸化底物的速度是產(chǎn)甲烷菌消耗VFA速度的8倍，當反應(yīng)器中產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷未建立動態(tài)平衡時，會導(dǎo)致VFA的積累，系統(tǒng)對pH變化的緩沖能力降低，運行環(huán)境惡化[26-27]。

TcST出水及FcPTR厭氧區(qū)VFA濃度和堿度變化如圖5、圖6所示。當階段Ⅱ減少水力停留時間后，2個反應(yīng)器中VFA濃度均有所下降，而堿度濃度上升，堿度與VFA濃度成反比。相對于TcST來說，F(xiàn)cPTR中VFA濃度小于TcST，所以TcST出水CODCr相對高于FcPTR。FcPTR中厭氧折流1區(qū)的VFA普遍高于厭氧折流2區(qū)，厭氧折流1區(qū)主要發(fā)生水解酸化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的VFA。隨著水流推進，厭氧折流2區(qū)主要消耗厭氧折流1區(qū)產(chǎn)生的VFA用以產(chǎn)甲烷，該區(qū)VFA相應(yīng)減少[28]。根據(jù)Bodkhe等[29]的研究，反應(yīng)器正常運行的酸堿比要低于0.5，在運行階段Ⅰ FcPTR厭氧區(qū)酸堿比維持在0.6～0.7，到運行階段Ⅱ酸堿比降至0.12～0.20，說明FcPTR在啟動后期處于較好運行狀態(tài)。

圖5 FcPTR和TcST中VFA濃度變化Fig.5 Variation of VFA concentrations in FcPTR and TcST

圖6 FcPTR和TcST中堿度變化Fig.6 Variations of alkalinity in FcPTR and TcST

2.4 FcPTR啟動期填料掛膜情況

由于PU填料孔洞較多，比表面積大，增加了厭氧菌與填料之間的接觸面積，有利于微生物的附著生長和生物膜形成，使得污水中的有機物得到充分降解[30]。FcPTR厭氧區(qū)不同時期填料掛膜對比如圖7所示?？瞻捉M填料表面光滑，在反應(yīng)器啟動第4天填料上無絮狀污泥出現(xiàn)，此階段主要為微生物的附著生長期，微生物含量相對較少，少量微生物被吸附并在填料內(nèi)部生長，由于接種初期填料表面生物膜還未形成，填料上的微生物易被沖刷；在反應(yīng)器啟動第43天填料內(nèi)部聚集了大量的微生物，此階段為微生物的成熟期，微生物已經(jīng)適應(yīng)新環(huán)境并由填料內(nèi)部生長繁殖到填料外部，填料外部生物膜形成，使得微生物不易被沖刷。

圖7 FcPTR中厭氧區(qū)不同時期填料表觀的變化Fig.7 Apparent variation of filler in the anaerobic zone in FcPTR at different periods

為進一步研究填料掛膜情況，對空白填料和第43天的填料進行掃描電鏡觀察（圖8），發(fā)現(xiàn)空白組填料表面光滑，且由于PU填料為多孔結(jié)構(gòu)，所受水流的剪切力較小，便于微生物的附著生長。在第43天時填料附著的生物量比掛膜前明顯提高，填料表面出現(xiàn)明顯的生物聚集體，填料掛膜成功。第43天時填料上的生物量MLSS為1 720 mg/L，MLVSS為1 038 mg/L，MLVSS/MLSS為0.60，填料上生物濃度趨于正常水平。分別采用5 000、10 000、30 000倍對第43天FcPTR厭氧區(qū)污泥進行掃描電鏡觀察（圖9），發(fā)現(xiàn)厭氧區(qū)污泥中菌群分布較為均勻，以球狀菌為主，并且分布著少量短桿菌。

圖8 FcPTR厭氧區(qū)填料SEM圖Fig.8 SEM images of filler in the anaerobic zone of the FcPTR

圖9 第43天FcPTR厭氧區(qū)污泥SEM圖Fig.9 SEM images of sludge in the anaerobic area of FcPTR on the 43rd day

3 結(jié)論

(1) 通過46 d的啟動監(jiān)測，耦合了填料、折流板和好氧處理技術(shù)為一體的FcPTR對低濃度的生活污水具有較好處理效果。在FcPTR維持低曝氣(1.8 mg/L)情況下，出水 CODCr為35 mg/L，達到GB 18918——2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準。

(2) 對于低濃度的生活污水，通過降低HRT增加進水有機負荷，可以使反應(yīng)器快速進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。FcPTR相對于TcST對pH變化具有較好調(diào)節(jié)能力，當有機負荷由 0.06 kg/(m3·d)升至0.13 kg/(m3·d)后，F(xiàn)cPTR中酸堿比由0.6～0.7降到0.12～0.20，且FcPTR厭氧區(qū)存在產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷相分離特性，反應(yīng)器處于良好運行狀態(tài)之中。

(3) 經(jīng)過46 d的培養(yǎng)馴化，F(xiàn)cPTR中填料掛膜成功，填料上MLVSS/MLSS為0.60，填料上生物活性趨于良好狀況；FcPTR厭氧區(qū)污泥中以球狀菌為主，且分布著少量短桿菌。