張安龍， 吳冰華， 王家宏

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院, 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的迅速提高及生活條件的明顯改善，居民用水量日益加大，使得生活污水排放量不斷增加.生活污水主要包括沖廁污水、生活洗滌污水、廚房污水和人畜糞便污水等，其主要特征有：(1)污水日排放量較?。?2)間歇排放，水質(zhì)水量隨季節(jié)、晝夜變化大，日變化系數(shù)達到3.5～5.0；(3)基本不含重金屬和有毒有害物質(zhì)，但其中含有大量氮磷等污染物質(zhì)；(4)懸浮物濃度較高，有機物濃度低；(5)B/C在0.5左右，屬于易降解污水[1]；(6)管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全.若不加處理而直接排放，不但污染水體，增加市政管網(wǎng)建設(shè)的負(fù)擔(dān)，還浪費了大量的再生水水源.據(jù)統(tǒng)計，95%以上的生活污水或糞便廢水被直接排放到地下或江河湖泊[2].

目前，成熟的生活污水處理技術(shù)如序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)、生物膜反應(yīng)器等[3]，由于投資大、能耗高、運行費用高、管理難度大等原因，在農(nóng)村難以推廣應(yīng)用，因此尋求一種高效節(jié)能的廢水處理工藝十分必要.與傳統(tǒng)好氧工藝相比，厭氧工藝具有以下特點：(1)不需要曝氣系統(tǒng)，大大降低了造價和運行、維護費用；(2)水力條件良好，能有效降解有機物，具有污泥消化池的功能，剩余污泥產(chǎn)生量少，能實現(xiàn)污水、污泥一次處理.厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是MCCARTY及其合作者在厭氧生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改進開發(fā)出來的一種新型高效厭氧反應(yīng)器，由于分割多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)使其具有良好的水力特性、耐沖擊負(fù)荷及良好固體截留能力[4,5].近年國內(nèi)外對ABR的研究較為活躍，但一般局限于處理高濃度有機廢水的研究，對低濃度生活污水的研究在國內(nèi)報道很少，僅在國外有個別運行先例[6-9].Mahmoud N等的研究證明ABR在處理生活污水方面具有很好的效果[10].將厭氧處理和以人工濕地為代表的生態(tài)處理相結(jié)合，是因地制宜、經(jīng)濟合理的農(nóng)村廢水處理方法.ABR作為預(yù)處理單元，可以增強系統(tǒng)的抗沖擊能力，降低有機負(fù)荷和懸浮物濃度，從而提高后續(xù)生態(tài)處理系統(tǒng)的處理負(fù)荷，減緩堵塞問題，提高使用壽命.

本實驗采用厭氧折流板反應(yīng)器對生活污水進行預(yù)處理，研究了不同水力停留時間和有機負(fù)荷對反應(yīng)器出水水質(zhì)的影響，為其在實際工程中應(yīng)用提供理論性指導(dǎo).

1 實驗部分

1.1 試驗用水

試驗用水取自陜西科技大學(xué)生活區(qū)排放的生活污水，經(jīng)粗篩網(wǎng)過濾后作為試驗用水.試驗用水水質(zhì)情況如表1所示.

表1 試驗用水水質(zhì)情況

1.2 指標(biāo)測定方法

CODCr:重鉻酸鉀滴定法[11]；NH4-N：納氏試劑分光光度法[11]；TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[11]；TP:鉬酸銨分光光度法[11]；SS:干熱恒重法(105 ℃烘干稱重)[11]；溫度:水銀溫度計.

1.3 實驗裝置

厭氧折流板反應(yīng)器(ABR，Anaerobic Baffled Reactor)實驗裝置如圖1所示.ABR由有機玻璃制成，有效容積為21.6 L.反應(yīng)器分為3個隔室，每個隔室由上下流室組成，隔室下部的折板角度為135 °，以減少水流死角，實現(xiàn)布水均勻.反應(yīng)器上部進水，上部出水.反應(yīng)器安裝在恒溫水浴箱中，通過WMZK-01型溫度控制儀控制溫度在(35±1)℃.

圖1 實驗裝置圖

1.4 反應(yīng)器的啟動

ABR反應(yīng)器內(nèi)的接種污泥取自西安市某污水處理廠的厭氧池，污泥濃度MLSS為31.2 g·L-1，其中MLVSS占53.6%，在(35±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng).每隔兩天加一次新鮮營養(yǎng)液，同時每隔2 h攪拌一次，發(fā)現(xiàn)有大量氣泡產(chǎn)生時，則污泥培養(yǎng)成熟.污泥培養(yǎng)成熟后，將污泥量為反應(yīng)器體積1/10的成熟污泥加入到ABR反應(yīng)器中，其中第一隔室投放相對多些，剩余污泥均勻投入二三隔室，添加新鮮營養(yǎng)液，靜置1 d.

采用低負(fù)荷啟動方式.啟動初期間歇進水，固定水力停留時間為24 h，每天進水10 h， 20天后開始連續(xù)進水，廢水流量控制在1.5 L·h-1左右.40天后反應(yīng)器底部污泥呈灰白色，顯微鏡觀察到大量產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌.60天后，ABR反應(yīng)器的各隔室都形成穩(wěn)定的污泥床，污泥呈黑褐色，出水較清澈，CODCr的去除率穩(wěn)定在63%左右，說明此時ABR反應(yīng)器已經(jīng)成功啟動.

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳水力停留時間的確定及其容積負(fù)荷對處理效果的影響

在進水水質(zhì)保持不變的情況下，研究系統(tǒng)的最佳水力停留時間HRT，進而在最佳反應(yīng)條件下，考察不同容積負(fù)荷對生活污水處理效果的影響.

2.1.1 最佳水力停留時間的確定

不同水力停留時間的實驗結(jié)果如圖2和圖3所示.

從圖2可知，隨著水力停留時間的增加，出水CODCr濃度逐漸降低，CODCr的去除率逐漸提高.這主要是因為水力停留時間的延長，使微生物與水中的有機物充分接觸，從而有效降解水中有機污染物，達到出水CODCr濃度降低的效果.但當(dāng)HRT大于6 h時，CODCr去除率變化不大，基本穩(wěn)定，即厭氧反應(yīng)在一定程度上不受反應(yīng)時間的控制，這與厭氧的去除機理有關(guān)，在這一階段主要是相對分子質(zhì)量較大的有機污染物的分解過程，從形式上和性質(zhì)上發(fā)生變化，而在數(shù)量上變化較小[12].Yu[13]的研究結(jié)果表明，要達到去除SS的目的，HRT必須大于5 h.由圖3可知，當(dāng)HRT=6 h時，SS可以得到較好的去除，且隨著HRT的增加，去除率不斷增大.綜合考慮處理效果與投資費用，選取6 h為最佳水力停留時間.

圖2 水力停留時間對CODCr去除效果的影響

圖3 水力停留時間對SS去除效果的影響

2.1.2 容積負(fù)荷對處理效果的影響

水力停留時間固定為6 h，通過改變進水CODCr濃度，容積負(fù)荷隨之變化，實驗結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，提高進水有機物濃度對CODCr和SS去除率影響不大，說明ABR反應(yīng)器具有較強的抗沖擊負(fù)荷能力.這主要因為ABR獨特的隔室結(jié)構(gòu)，折流板迫使水流上下折流，改善了泥水接觸效果，提高了COD的去除率，更適合于低濃度有機廢水(如生活污水)的厭氧處理.

圖4 容積負(fù)荷對處理效果的影響

2.2 最佳工藝條件下連續(xù)運行時進出水水質(zhì)分析

在最佳工藝條件(水力停留時間為6 h)下，連續(xù)運行40 d，實驗結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所示.

2.2.1 對CODCr的去除效果

由圖5可知，生活污水進水CODCr波動較大(100～450 mg/L)，經(jīng)過ABR反應(yīng)器的預(yù)處理后，CODCr平均去除率穩(wěn)定在68.1%左右，說明該工藝對生活污水具有較好的預(yù)處理效果.

圖5 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中CODCr及其去除率的變化

2.2.2 對懸浮物SS的去除效果

ABR反應(yīng)器作為處理低濃度生活污水的預(yù)處理階段，對懸浮物SS的處理效果如圖6所示.由圖6可知，由于微生物對大分子物質(zhì)的吸附及降解作用，經(jīng)ABR反應(yīng)器的預(yù)處理后，水中SS得到較高的去除.雖然進水懸浮物的波動較大，但經(jīng)ABR預(yù)處理后，出水SS較低，且基本穩(wěn)定在40 mg·L-1以下.進水懸浮物SS質(zhì)量濃度越高，其去除率越高，由此可知，ABR系統(tǒng)對懸浮物SS具有良好的截留效果.

圖6 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中SS及其去除率的變化

2.2.3 對氨氮和總氮的去除效果

在最佳反應(yīng)條件下連續(xù)運行40 d，進出水氨氮及總氮的濃度均隔天測定，測定結(jié)果分別如圖7、圖8所示.

圖7 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中氨氮質(zhì)量濃度的變化

由圖7可知，ABR反應(yīng)器對氨氮基本沒有去除效果，氨氮濃度略微下降主要是由微生物的同化作用和厭氧氨氧化造成.ABR反應(yīng)器對氨氮的去除率甚至出現(xiàn)負(fù)值，主要由于水體中的有機氮在厭氧條件下通過厭氧菌的作用轉(zhuǎn)化為氨氮，從而使氨氮含量上升；而氨氮在無氧或缺氧條件下無法向NO2-和NO3-轉(zhuǎn)化，因而難以去除.

圖8 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中總氮質(zhì)量濃度的變化

由圖8可知，ABR反應(yīng)器對TN的去除效果很小，對TN的平均去除率僅為13.2%.總氮的去除主要是由微生物的同化作用合成自身蛋白質(zhì)及厭氧反硝化作用變?yōu)榈獨庠斐傻?

對有脫氮要求的生活污水處理系統(tǒng)，ABR必須與好氧處理單元聯(lián)用，組成厭氧-好氧處理系統(tǒng)才能有效除氮.

2.2.4 對總磷的去除效果

在最佳反應(yīng)條件下連續(xù)運行40 d，進出水總磷的濃度均隔天測定，測定結(jié)果和圖9所示.

圖9 最佳工藝條件下連續(xù)運行時ABR進、出水中總磷質(zhì)量濃度的變化

由圖9看出，ABR反應(yīng)器的除磷效果不好，去除率僅為4.3%左右，主要是由微生物的同化作用造成的.ABR同其他厭氧反應(yīng)器一樣，只能產(chǎn)生釋磷作用(將有機磷轉(zhuǎn)化為磷酸鹽)，對有除磷要求的生活污水處理系統(tǒng)，ABR也必須與好氧處理單元聯(lián)用，組成厭氧-好氧處理系統(tǒng)(含排泥過程)才能有效去除磷.

3 結(jié)束語

(1)隨著水力停留時間的延長，CODCr去除率逐漸提高，但當(dāng)HRT大于6 h時，CODCr去除率基本穩(wěn)定；當(dāng)HRT=6 h時，SS可以得到較好的去除，且隨著HRT的增加，去除率不斷增大.綜合考慮，ABR反應(yīng)器的最佳水力停留時間選為6 h.

(2)進水有機負(fù)荷的變化對CODCr、SS去除率的影響不大，說明ABR反應(yīng)器具有較強的抗沖擊負(fù)荷能力.

(3)在最佳工藝條件下，ABR作為生活污水的預(yù)處理單元，對生活污水中CODCr、SS的去除率分別穩(wěn)定在68.1%、88.3%左右，實現(xiàn)了較好的預(yù)處理效果，且與好氧處理工藝相比，大大降低了處理成本.但ABR處理系統(tǒng)的脫氮除磷作用很小，氮磷的去除主要是由水中微生物的同化作用合成自身蛋白質(zhì)造成的.

[1] 張彬彬，李艷菊，王開春，等.厭氧折流板反應(yīng)器-生物接觸氧化組合工藝處理生活污水研究[J].環(huán)境污染與防治，2012，34(8)：21-25.

[2] 鄭 戈，李景明，張蚰英，等.中小城鎮(zhèn)生活污水凈化沼氣工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對策研究[J].中國沼氣，2002,20(3)：28-30.

[3] 劉榮榮，楊 波，周建冬，等.厭氧顆粒污泥啟動復(fù)合式厭氧折流板反應(yīng)器的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2009，3(1)：103-107.

[4] 王建芳，沈耀良，宋小康.改進型厭氧折流板反應(yīng)器預(yù)處理農(nóng)村生活污水效能研究[J].水處理技術(shù)，2012，38(8)：69-72.

[5] Ji G D,Sun T H,Ni J R,et al.Anaerobic baffied reactor (ABR) for treating heavy oil produced water with high concentrations of salt and poor nutrient[J].Bioresource Technology,2009(100):1 108-1 114.

[6] 沈耀良，王寶貞.廢水生物處理新技術(shù)理論與應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2001：73.

[7] 王建龍，韓英健，錢 易.折流式厭氧反應(yīng)器(ABR)的研究進展[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2000，6(5)：490-498.

[8] 劉大銀，畢亞凡，李慶新，等.ABR反應(yīng)器處理生活污水的研究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，37(4)：514-517.

[9] 沈耀良.厭氧折流板反應(yīng)器在廢水處理中的研究與應(yīng)用[J]. 蘇州科技學(xué)院學(xué)報(工程技術(shù)版)，2003，16(2)：9-17.

[10] Mahmoud N,Zeeman G,Gijzen H,et al.Anaeroboic sewage treatment in a one-stage UASB reactor and a combined UASB-Digester system[J].Water Research,2004,38:2 348-2 358.

[11] 國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[12] 王 森，張安龍.草漿中段廢水水解酸化預(yù)處理的研究[J].中國造紙，2007，26(5)：25-28.

[13] Yu H,Anderson G K.Performance of a combined anaerobic reactor for municipal wastewater treatment at ambient temperature resource[J].Conservation and Recycling，1996，17：259-271.