不同有机负荷下弹性填料对ABR处理生活污水的影响

师旭军，张国珍,2，张超，武福平，晏雯雯，黄星星

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730070)

中国西北属于典型的干旱半干旱地区，低的年降雨量导致水资源匮乏，农田灌溉水源短缺，但目前污水处理都以达标排放为目标，直接增加污水处理成本的同时又导致污水中的氮磷等农作物生长所需元素被浪费，为保障产量，大量的施肥又进一步加剧了地区的面源污染[1-3]。

厌氧折流板反应器(ABR)作为完全的厌氧反应器，避免了曝气设备运行带来的高额运行成本，同时具有对进水负荷较强的适应能力，装置的独特构造又带来了水利条件好的优点[4-7]。因此，ABR作为处理生活污水用于农灌的前处理工艺，可去除进水中的大部分悬浮物和有机物[8-9]，进而减轻了后续工艺的处理负荷，同时完全的厌氧反应器间接保留了进水中的氮磷元素，有助于降低农田施肥的用量。

目前，ABR在发展中，虽然国内外学者对其启动运行研究的同时，也对ABR与其他耦合工艺进行了大量的研究[10-15]，但对于弹性填料ABR在不同有机负荷的条件下的特性鲜有研究，因此，实验将对ABR和装有弹性填料的ABR对比研究，旨在为该地区污水资源化提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硫酸银、硫酸汞、硫酸、盐酸、氢氧化钠、抗坏血酸、钼酸铵均为分析纯；过硫酸钾，优级纯。

5B-1B型COD快速测定仪；FA1004分析电子天平；202-00A电热恒温干燥箱；DGL-50B立式蒸汽灭菌器；UV-2800A型紫外可见分光光度计。

1.2 实验方法

实验加工了两组相同的ABR，采用透明的有机玻璃材料，池壁外面包裹一层保温海绵，每组ABR的有效容积为50 L，共分隔为4个隔室，每个隔室的长为0.75 m、宽为0.18 m、高为0.5 m，在一个ABR中装有弹性填料，另一个ABR作为对比进行研究弹性填料对ABR的影响，装置见图1。

图1 ABR装置示意

实验用水采用校园生活污水，并添加适量的葡萄糖调整其COD浓度，进水温度为18.5～25 ℃，COD为204.68～493.64 mg/L，TN为34.58～67.73 mg/L、TP为2.91～6.49 mg/L，SS为52.21～189.58 mg/L。

水力停留时间固定为24 h，通过逐渐增加COD浓度提高进水有机负荷，使有机负荷分别为0.259，0.322,0.420 kg/(m3·d)，每个有机负荷运行14 d，每2 d取样测定1次。COD(重铬酸钾法)、总氮(紫外分光光度法)、总磷(钼锑抗分光光度法)、SS(重量法)。

2 结果与讨论

2.1 COD的去除效果

不同有机负荷下两组ABR对COD的去除效果见图2。

图2 ABR对COD的去除效果

由图2可知，在第0～14 d，进水COD为204.68～299.50 mg/L，平均进水COD为258.65 mg/L，平均有机负荷为0.259 kg/(m3·d)，无弹性填料ABR的出水COD为87.29～179.10 mg/L，COD去除率为32.87%～65.09%，平均COD去除率为52.02%；有弹性填料ABR的出水COD为91.81～158.03 mg/L，COD去除率为43.43%～66.11%，平均COD去除率为54.79%，比无弹性填料ABR的平均COD去除率高出2.77%，这主要是因为弹性填料对污水中的悬浮固体和絮状污泥有很好的截留作用，且有弹性填料ABR内弹性填料上附着生长了一定量的微生物，与无弹性填料ABR相比，有弹性填料ABR内生物量有所增加，故其对COD的去除率高于无弹性填料ABR[16]。

在第14～28 d，进水COD为261.87～368.73 mg/L，平均进水COD为322.29 mg/L，平均有机负荷为0.322 kg/(m3·d)，无弹性填料ABR的出水COD为115.89～257.36 mg/L，COD去除率为30.20%～65.63%，其平均COD去除率为52.36%；有弹性填料ABR的出水COD为94.82～260.37 mg/L，COD去除率为29.39%～71.88%，其平均COD去除率为58.14%，比无弹性填料ABR的平均COD去除率高出4.78%，这说明在此有机负荷下，弹性填料对ABR去除COD的促进作用更加明显。

在第28～42 d，进水COD为365.72～493.64 mg/L，平均进水COD为419.90 mg/L，平均有机负荷为0.420 kg/(m3·d)，无弹性填料ABR的出水COD为135.45～267.89 mg/L，COD去除率为35.66%～69.82%，其平均COD去除率为55.95%；有弹性填料ABR的出水COD为105.35～251.34 mg/L，COD去除率为35.27%～71.19%，其平均COD去除率为58.90%，比无弹性填料ABR的平均COD去除率高出2.95%。总的来说，随着有机负荷的提高，两组ABR的平均COD去除率不仅没有下降，反而有所上升，这不同于刘梦林[17]和李慧莉[18]的研究结果，这主要是因为本实验进水为低浓度生活污水，通过投加葡萄糖提高进水有机负荷，而葡萄糖易于被微生物降解，且进水有机负荷提高的幅度不大，从而避免了有机酸过度积累对微生物的抑制作用，故两组ABR受到有机负荷冲击的影响较小。

总的来说，不同有机负荷下，有弹性填料ABR的平均COD去除率都高于无弹性填料ABR，这说明弹性填料有利于提高ABR的COD去除率，从而降低后续处理工艺的运行负荷。

2.2 总氮的去除效果

不同有机负荷下两组ABR对总氮的去除效果见图3。

图3 ABR对总氮的去除效果

由图3可知，在第0～14 d，进水总氮为43.12～61.88 mg/L，无弹性填料ABR的出水总氮为40.22～58.89 mg/L，总氮去除率为-5.82%～10.33%，平均总氮去除率为3.86%；有弹性填料ABR的出水总氮为40.97～57.23 mg/L，总氮去除率为-2.39%～11.20%，平均总氮去除率为3.83%。两组ABR的总氮去除率较低，这主要是因为厌氧微生物自身生长繁殖对氮的需求很少，且进水中的氮以有机氮和氨氮为主，有机氮在氨化细菌的作用下转化为氨氮，而两组ABR内的厌氧环境阻碍了氨氮进一步转化为亚硝态氮和硝态氮，导致传统的硝化反硝化和新型的厌氧氨氧化脱氮流程在ABR内无法顺利进行。两组ABR的总氮去除率出现负值，这可能是因为进水中的有机含氮化合物被分解转化为氨氮[19]，且一些厌氧微生物通过自溶和内源呼吸也会释放出氨氮[20]。

在第14～28 d，进水总氮为34.58～66.78 mg/L，无弹性填料ABR的出水总氮为33.83～65.61 mg/L，总氮去除率为-0.27%～11.55%，平均总氮去除率为4.37%；而有弹性填料ABR的出水总氮为33.25～67.94 mg/L，总氮去除率为-2.73%～15.12%，平均总氮去除率为3.97%。在第28～42 d，进水总氮为52.21～67.73 mg/L，无弹性填料ABR的出水总氮为46.44～62.54 mg/L，总氮去除率为-1.21%～15.33%，平均总氮去除率为8.78%；而有弹性填料ABR的出水总氮为46.49～64.04 mg/L，总氮去除率为-3.63%～15.33%，平均总氮去除率为8.02%。随着有机负荷的提高，两组ABR的平均总氮去除率都有所提高，但提高的幅度并不大，这主要是因为一定范围内有机负荷的提高促进了厌氧微生物的生长和繁殖，导致其对氨氮的需求量增加，但这种需求量增加的幅度是很有限的。

总的来说，不同有机负荷下，两组ABR的平均总氮去除率很低，且相差很小，这说明弹性填料对ABR总氮去除率的影响很小，这样充分保留了污水中的氮，有利于处理后的出水用于农田灌溉。

2.3 总磷的去除效果

不同有机负荷下两组ABR对总磷的去除效果见图4。

图4 ABR对总磷的去除效果

由图4可知，在第0～14 d，进水总磷为3.53～6.18 mg/L，无弹性填料ABR的出水总磷为3.23～5.60 mg/L，总磷去除率为-6.75%～21.35%，平均总磷去除率为8.15%；有弹性填料ABR的出水总磷为3.39～5.55 mg/L，总磷去除率为0～15.46%，平均总磷去除率为8.02%。两组ABR的总磷去除率较低，这主要是因为厌氧微生物自身生长繁殖对磷的需求很少，且两组ABR内的厌氧环境导致传统的除磷流程无法顺利进行。两组ABR的总磷去除率出现负值，这可能是因为聚磷菌在厌氧条件下释放出磷[19]，且一些厌氧微生物通过自溶和内源呼吸也会释放出磷。

在第14～28 d，进水总磷为2.91～5.92 mg/L，无弹性填料ABR的出水总磷为2.68～4.19 mg/L，总磷去除率为7.89%～29.28%，平均总磷去除率为16.50%；有弹性填料ABR的出水总磷为2.72 ～4.36 mg/L，总磷去除率为-1.11%～28.98%，平均总磷去除率为8.02%。在第28～42 d，进水总磷为4.06～6.49 mg/L，无弹性填料ABR的出水总磷为2.74～5.81 mg/L，总磷去除率为10.36%～45.08%，平均总磷去除率为30.23%；有弹性填料ABR的出水总磷为2.82～4.70 mg/L，总磷去除率为11.75%～43.31%，平均总磷去除率为32.18%。随着有机负荷的提高，两组ABR的平均总磷去除率都逐渐增加，这主要是因为一定范围内有机负荷的提高促进了厌氧微生物的生长和繁殖，导致其对磷的需求量增加。

总的来说，不同有机负荷下，两组ABR的平均总磷去除率相差不大，这说明弹性填料对ABR总磷去除率的影响很小，这样充分保留了污水中的磷，有利于处理后的出水用于农田灌溉。

2.4 SS的去除效果

不同有机负荷下两组ABR对SS的去除效果见图5。

图5 ABR对SS的去除效果

由图5可知，在第0～14 d，进水SS为52.21～171.26 mg/L，无弹性填料ABR的出水SS为13.02～38.74 mg/L，SS去除率为67.99%～83.54%，平均SS去除率为74.79%；有弹性填料ABR的出水SS为14.11～26.61 mg/L，SS去除率为72.98%～85.80%，平均SS去除率为81.95%，比无弹性填料ABR的平均SS去除率高出7.16%，这主要是因为弹性填料对污水中的悬浮固体和絮状污泥有很好的截留作用[16]。

在第14～28 d，进水SS为66.78～187.03 mg/L，无弹性填料ABR的出水SS为22.85～38.02 mg/L，SS去除率为59.60%～80.00%，平均SS去除率为70.04%；有弹性填料ABR的出水SS为13.62～35.47 mg/L，SS去除率为73.16%～84.76%，平均SS去除率为78.82%。在第28～42 d，进水SS为96.02～189.58 mg/L，无弹性填料ABR的出水SS为21.63～60.10 mg/L，SS去除率为56.87%～77.47%，平均SS去除率为69.48%；有弹性填料ABR的出水SS为18.11～51.36 mg/L，SS去除率为60.75%～88.72%，平均SS去除率为74.34%。随着有机负荷的提高，两组ABR的平均SS去除率都逐渐降低，这可能是因为本实验通过投加葡萄糖提高进水有机负荷，而葡萄糖易于被微生物降解，故厌氧微生物在生长和繁殖过程中优先利用葡萄糖，从而减少了对SS的降解。

总的来说，不同有机负荷下，有弹性填料ABR的平均SS去除率都高于无弹性填料ABR，这说明弹性填料有利于提高ABR的SS去除率，从而减缓了后续处理工艺(人工快速渗滤系统)的堵塞。

3 结论

(1)研究不同有机负荷下有弹性填料ABR和无弹性填料ABR对ABR处理生活污水的影响。随着有机负荷的提高，两组ABR的平均COD去除率都有所上升；平均SS去除率都逐渐降低。不同有机负荷下，有弹性填料ABR的平均COD去除率和平均SS去除率都高于无弹性填料ABR，弹性填料有利于提高ABR的COD去除率和SS去除率。

(2)随着有机负荷的提高，两组ABR的平均总氮去除率都有所提高，但提高的幅度并不大；平均总磷去除率都逐渐增加。不同有机负荷下，两组ABR的平均总氮去除率很低，且相差很小；平均总磷去除率相差不大。