两套A2BR仅靠生物膜对生活污水的试验研究

杨海英，周 丽，朱静平，张馨文，高 鑫

(1.四川省绵阳市环境监测中心站，四川绵阳 621000;2.四川省绵阳市江油市环境监测站，四川江油 621700;3.西南科技大学环境工程自控技术四川省高等学校重点实验室，四川绵阳 621010)

在20世纪80年代中期，基于厌氧生物转盘技术，Bachman和 McCarty研发出厌氧折流板反应器，其低耗高效的特点能满足污水处理工艺的需要［1，2］。

近年来，为了增加反应器中微生物和污染物之间的接触面积，同时实现布水均匀的目的，各种填料已广泛应用于废水处理中［3］。例如，Elmitwalli等人［4］的研究表明，聚氨酯泡沫塑料作为厌氧生物膜反应器的载体填料处理生活污水，其对CODCr和SS有较好的去除效果。袁煦等人［5］采用陶粒作为曝气生物滤池的载体填料处理低浓度生活污水，研究表明，在进水CODCr浓度为30.8～184.8mg/L时，出水CODCr和SS的去除率均达80%以上。曹文平等［6］采用填充竹丝的生物反应器处理化粪池出水，结果显示，其对污水中CODCr和 SS的平均去除率分别超过85.4% 和90%。杨海英等［7］采用填充悬浮球填料和组合填料的兼氧/厌氧折流板反应器 (A2/BR)处理生活污水，结果表明，在环境温度为25℃ ～35℃，进水流量为0.40m3/d，HRT为24h，运行65d后运行稳定，此时，填充悬浮球填料的A2/BR对污水中CODCr和SS的平均去除率分别为66.5% 和90.9%，填充组合填料的A2/BR对污水中CODCr和 SS的平均去除率分别为70.1%和 92.0%。

本文采用塑料材质且填充不同填料的两套A2BR作处理系统，探讨了低温环境仅靠填料表面生物膜对生活污水中污染物的去除效果，旨在为采用A2BR和生物膜结合技术处理我国农村生活污水的推广应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验装置

实验所用ABR由有效体积约为0.2m3的塑料桶加工改造而成，其直径50cm，高100cm，每个反应器被竖直折流板分成2个隔室。沿反应器高度设有4个取样口，取样口间距离均为200mm。实验所用两套系统均由兼氧ABR和厌氧ABR串联组成。A2BRX:兼氧ABR(内置悬浮球型填料)+厌氧ABR(内置悬浮球，悬浮球中填装有陶粒)，其中悬浮球型填料 Φ80mm;A2BRZ:兼氧 ABR(内置组合填料)+厌氧ABR(内置组合填料)，其中组合填料Φ150mm。厌氧反应器加盖密封，盖上开有小孔并设有水封装置。ABR实验装置如图1所示。

图1 实验装置Fig.1 The experiment device schemes

1.1.2 试验用水

试验采用西南科技大学污水处理厂细格栅出水，该污水主要来自学生食堂和教职工生活污水及学校周边居民生活排水，其水质与农村生活污水相类似，具体情况如下表所示。

表 试验用水水质特征Tab.Characteristics of the domestic wastewater used in the experiment (mg/L)

1.2 试验方法

1.2.1 反应器运行条件

两套处理系统在运行期间，环境温度为2℃ ～15℃，HRT=24h，采用约0.4m3/d的恒定流量连续运行。当两套系统启动成功且运行稳定后，排掉其系统底部的活性污泥。

1.2.2 分析项目与测定方法［8］

CODCr:重铬酸钾法;pH:pH计;SS:重量法;形貌:扫描电子显微镜(SEM)。

2 结果与讨论

2.1 两套A2BR系统中pH值得变化

图2 A2BRX各处理单元中pHFig.2 pH of each processing unit of A2BRX

图3 A2BRZ各处理单元中pHFig.3 pH of each processing unit of A2BRZ

在厌氧处理系统中，pH值是影响兼氧、厌氧单元正常运行的重要因素，产酸细菌适宜pH一般在4.5～8.0之间，而产甲烷细菌要求的pH值为6.8～7.2。在厌氧生物法处理废水的应用中，为避免积累过多的酸而破坏其平衡，常保持反应器内的pH 为 6.8 ～7.2［9］。

在较低温度运行过程中，A2BRX和A2BRZ各处理单元中pH值的变化分别如图2、图3所示。

从图2、图3可知，在运行过程中，A2BRX和A2BRZ进水的pH值范围为7.21～7.38。A2BRX的兼氧ABR和厌氧ABR混合液中pH值范围分别为7.20～7.38 和7.19 ～7.37;A2BRZ的兼氧 ABR 和厌氧ABR中混合液的pH值分别保持在7.15～7.38和7.17～7.37的范围内。由此可得，A2BRX和A2BRZ各处理单中的pH值变化较小，且其混合液pH值基本在兼氧、厌氧微生物适宜生长的范围内。

2.2 两套A2BR系统对CODCr的去除效果

图4 A2BRX对CODCr的去除率Fig.4 CODCrremoval efficiencies of A2BRX

图5 A2BRZ对CODCr的去除率Fig.5 CODCrremoval efficiencies of A2BRZ

两套A2BR运行过程中，进水CODCr浓度的变化范围为197mg/L～456mg/L，A2BRX运行期间兼氧ABR、厌氧ABR对CODCr去除率及A2BRX对CODCr总去除率如图4所示，A2BRZ运行期间单级兼氧 ABR、单级厌氧 ABR对 CODCr去除率及A2BRZ对CODCr总去除率如图5所示。

根据图4、图5可以看出，A2BRx和A2BRZ对CODCr去除率均随兼氧去除率的增减而呈增减趋势。在反应系统运行的第1～第19d，两系统的运行还处在排泥后的适应阶段，当进水CODCr浓度为239mg/L～456mg/L时，A2BRX和A2BRZ对CODCr的平均去除率分别为33.7%、28.3%。第20～第41d，系统对CODCr的去除效果明显提高。当进水CODCr浓度在197mg/L～412 mg/L之间时，A2BRX对CODCr的去除率高达40.3%，A2BRZ对CODCr的去除率高达 34.7%。在第 42～第 57d，当进水CODCr浓度范围为271mg/L～416mg/L，A2BRX出水CODCr的浓度在102mg/L～132mg/L之间，其对CODCr的平均去除率为62.6%，A2BRZ出水CODCr浓度在122mg/L～170mg/L之间，其对CODCr的平均去除率53.3%。

从图4和图5可知，除个别点外，A2BRX和A2BRZ的兼氧ABR对CODCr的去除率均高于厌氧ABR对 CODCr的去除率，其可能原因为经兼氧ABR处理后的污水中有机物量降低，使厌氧ABR中微生物生长所需的营养物质随之减少。从生物膜长势来看，厌氧ABR中填料上生物膜的长势较兼氧ABR中的差，如图6(a)和图6(b)所示。A2BRX兼氧、厌氧ABR对CODCr的平均去除率分别为38.5%、11.5%，A2BRZ兼氧、厌氧ABR对CODCr的平均去除率分别为27.2%和10.1%。

A2BR2BR图6 X和AZ中生物膜的长势Fig.6 Biofilms of A2BRXand A2BRZ

2.3 两套A2BR系统对SS的去除效果

图7 A2BRX对SS的去除率Fig.7 SS removal efficiencies of A2BRX

图8 A2BRZ对SS的去除率Fig.8 SS removal efficiencies of A2BRZ

在两套A2BR系统运行过程中，进水 SS为82mg/L～150mg/L，A2BRX运行期间单级兼氧、单级厌氧ABR及其A2BRX对SS去除效果如图7所示，A2BRZ运行过程中单级兼氧、单级厌氧ABR及其A2BRZ对SS去除效果如图8所示。

由图7可知，A2BRX运行的第1～第41d，兼氧ABR、厌氧ABR对SS去除率分别为39.8% ～70.0% 和 43.2% ～76.2%。在第 42 ～57d，兼氧ABR、厌氧 ABR对 SS去除率分别为 40.2% ～71.8%、45.2% ～77.6%。在整个运行过程中，A2BRX对SS的平均去除率为83.8%，其出水SS保持在10mg/L～27mg/L范围内。

由图8可得，A2BRZ运行的第1～第41d，兼氧ABR对 SS去除率的变化范围为 42.3% ～69.3%，厌氧 ABR对 SS的去除率在 34.1% ～64.8%之间。第42～第57d，A2BRZ的兼氧ABR、厌氧 ABR对 SS去除率范围分别为 37.8% ～70.9%、40.6% ～74.5%。在整个运行过程中，A2BRZ对SS总去除率在81.9%，且其出水SS在13mg/L～27mg/L之间。

显然，在整个运行过程中，A2BRX比A2BRZ对SS有较好的去除效果。然而，杨海英等人［7］的研究表明，当环境温度为25℃ ～35℃，A2BRX和A2BRZ对 SS的平均去除率分别为 90.9%和92.0%。

2.4 两套A2BR中生物膜微生物相分析

兼氧或厌氧生物反应器中的生物膜是由多菌种组成的复杂生态系统。当环境温度在2℃ ～15℃范围内，两套 A2BR系统排泥后的第 58d，提取A2BRX和A2BRZ各处理单元中填料表面的生物膜进行扫描电镜观察，扫描电镜照片分别见图9、图10。

图9 A2BRX生物膜电镜照片 (×10000)Fig.9 SEM photographs of biofilm A2BRX(×10000)

图10 A2BRZ填料表面生物膜电镜照片 (×10000)Fig.10 SEM photographs of biofilm A2BRZ(×10000)

由图9可看出，兼氧ABR中悬浮球填料表面的生物膜内球菌的数量及其分布占主导地位，同时还有少量的双球菌和杆菌;厌氧ABR中陶粒表面的微生物以杆菌为主，且分布很密集，还有一定量较分散的球菌和丝状菌。由图10可知，兼氧ABR组合填料上的杆菌和球菌的数量相当，杆菌分布得比较集中，而球菌比较分散;厌氧ABR中组合填料表面生物膜中球菌分布集中且数量较多，杆菌较少且较分散。由此可知，不同类型填料及同种类型填料在不同环境条件下，其生物种类、数量及其分布情况存在较大的差异。

低温 (2℃ ～15℃)条件下，从膜的长势来看(图6)，A2BRX和A2BRZ各处理单元中膜的长势均较好。从填料表面的生物膜扫描电镜可知，A2BRX和A2BRZ各处理单元中填料上的微生物数量较多 (图9、图10)。但A2BRX对CODCr、SS的去除率比A2BRZ的好。这与环境温度 (25℃ ～35℃)条件下的情况相反。其原因可能是虽A2BRZ中填料上膜的长势较好，微生物丰富，但低温下其微生物的活性较低，而A2BRX悬浮球填料中的填充物对污水中 CODCr、SS有一定的吸附、截留作用。故环境温度 (2℃ ～15℃)条件下，A2BRX对CODCr、SS的去除效果较好。

3 结论

3.1 当A2BRX和A2BRZ两处理系统启动成功且稳定运行后，排掉两系统底部的悬浮活性污泥。在环境温度为2℃ ～15℃，经过58d的连续运行，两套系统对 CODCr和 SS的去除效果均趋于稳定，A2BRX和 A2BRZ对 CODCr的平均去除率分别为62.6%和53.3%，其对 SS的平均去除率分别为83.8%和81.9%。然而与环境温度为25℃ ～35℃相比，低温下 A2BRX和 A2BRZ两处理系统对CODCr和SS的去除效果较差。

3.2 通过对填料表面生物膜的扫描电镜观察，发现生物膜上有球菌、杆菌等存在。但采用不同填料类型及同种填料类型在不同的环境条件下，其生物膜中生长的微生物数量及分布情况存在差异。

［1］ 王妮娜，郑立柱.农村生活污水处理技术［J］.广州环境科学，2011，26(2):46-48.

［2］ 杨 琦，尚海涛.ABR工艺处理生活污水研究［J］.中国沼气，2006，24(1):9-14.

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［5］ 袁 煦，沈耀良.瓷粒和陶粒填料曝气生物滤池处理低浓度生活污水的试验研究［J］.给水排水，2007，33(5):142-145.

［6］ 曹文平，张 君，宫秀学，李 正，刘春阳，赵春燕.复合式竹丝填料生物反应器处理化粪池出水［J］.中国给水排水，2010，26(3):106-108.

［7］ 杨海英，朱静平，虢清伟.两套组合ABR系统处理生活污水的启动运行［J］.水处理技术，2012，3(10):118-121.

［8］ 国家环境环保总局.水和废水监测分析方法(第四版)［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［9］ 朱静平，王中琪.污水处理工程实践［M］.成都:西南交通大学出版社，2010.