不同温度下弹性填料对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)

西北干旱地区生态稳定性差，农灌水资源匮乏[1-3]，农村污水处理应考虑作为灌溉水源。而地区污水处理以达标排放为主，导致处理成本的升高，氮磷作为农作物生长的营养元素被浪费[2]。厌氧折流板反应器(ABR)运行成本低、水力条件好[4-7]，能去除大部分悬浮物和有机物[8]，降低后续工艺的运行负荷，且2005年发布的农田灌溉水质标准中对凯氏氮和总磷两项指标进行了删除，充分保留的氮和磷[9]，降低了农田施肥用量。国内外学者对ABR的大量研究中对挂膜的研究很少[10-15]，故采用有弹性填料ABR和无弹性填料ABR对比研究，旨在为西北农村污水回用提供技术支持。

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；校园生活污水，水质参数见表1。

表1 污水水质Table 1 Sewage water quality

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

由有机玻璃制成两组结构和尺寸相同的ABR，有效体积为49.6 L，设计为4个隔室，其高、长和宽分别是0.5 m、0.751 m和0.18 m。ABR的其中一个挂有弹性填料(HABR)，而另一个不挂弹性填料(ABR)。HABR和ABR外观都包裹保温材料，流程示意图装置见图1。

图1 HABR装置示意图Fig.1 Schematic of HABR

将水力停留时间固定为24 h，调控HABR和ABR的温度分别为35，25，16 ℃，每个温度工况各运行14 d，水样每2 d取样测定1次，分析项目与测定方法见表2。

表2 水质分析项目及方法Table 2 Water quality analysis projects and methods

2 结果与讨论

2.1 温度对两组ABR的COD去除效果的影响

由图2可知，在T=35 ℃条件下运行14 d，进水平均有机负荷为0.241 kg/(m3·d)，COD浓度为204.68～279.93 mg/L，平均浓度为241.02 mg/L，ABR出水COD范围为90.30～111.37 mg/L，对应的去除率为41.91%～67.74%，平均去除率为56.94%；相对应HABR的COD出水浓度为84.28～111.28 mg/L，对应的去除率为56.08%～63.86%，平均去除率为58.93%；HABR对COD的平均去除率较ABR高出2.0个百分点。这主要是由于HABR中的弹性填料能很好的截留污水中的悬浮固体，同时也对污泥床中受水流冲击而漂浮起的絮状污泥起到了拦截的作用。同时，填料上附着了一部分微生物，使得有机物与HABR内的微生物充分接触而被降解，因此与未挂弹性填料的ABR相比较，HABR系统内微生物量相对增加[16]。因此，在T=35 ℃微生物相对适宜生长的条件下，HABR对COD的去除率要好于ABR。

T=25 ℃条件下运行15～28 d，进水平均有机负荷为0.259 kg/(m3·d)，COD浓度为215.22～299.50 mg/L，平均浓度为258.65 mg/L，ABR的COD出水浓度为87.29～144.88 mg/L，对应去除率为40.20%～65.00%，平均去除率为52.02%，相对应的HABR的COD出水浓度为85.79～158.03 mg/L，对应去除率为45.71%～66.11%，平均去除率为54.79%，HABR对COD的去除率同ABR相比高出了2.77个百分点，温度25 ℃同35 ℃相比较，HABR和ABR对COD的去除率的差值又高出了0.77个百分点。因此，在温度降低的条件下，HABR与未挂填料的ABR相比较，HABR对COD去除促进作用比较明显。

维持温度至T=16 ℃运行第29～41 d，平均有机负荷为0.227 kg/(m3·d)，进水COD浓度为171.57～267.89 mg/L，COD平均浓度为 227.47 mg/L，HABR的COD出水浓度为87.29～127.92 mg/L，对应去除率为47.80%～60.67%，平均去除率为54.61%，相对ABR的COD出水浓度为94.82～155.02 mg/L，对应去除率为35.22%～55.94%，平均去除率为46.07%，与ABR相比，HABR对COD的去除率较之高出了8.54个百分点。

随着温度的降低，ABR对COD的去除率出现了较为明显的下降，这主要是低温会影响微生物的活性，进而影响厌氧消化，导致对COD的降解能力变弱；温度由35 ℃调控至25 ℃过程中，对应COD的去除率下降为4.92个百分点，而温度由 25 ℃ 调控至 16 ℃ 对应COD的去除率下降5.95个百分点，后者对COD的去除率的影响较为显著，原因可能是温度在大幅度降低时，导致温度低于微生物适宜的生长温度，使其生长代谢缓慢，因为在ABR中占优势的厌氧微生物大多是中温菌[17]，因此，COD的去除率出现了较大的波动。而相比较ABR而言，HABR在低温下对COD的去除率依然保持优势，具有一定的抗低温能力。

总的来说，不同温度下，HABR对COD的平均去除率都高于ABR，说明在ABR中挂弹性填料有助于对COD去除率的提高，且能提高ABR的抗低温性能。

图2 两组ABR对COD的去除效果Fig.2 The removal effect of two groups of ABR on COD

2.2 温度对两组ABR的SS去除效果的影响

由图3可知，在运行前14 dT=35 ℃条件下，SS进水浓度为115.80～159.37 mg/L，ABR的出水SS为19.08～36.68 mg/L，对应的去除率为73.81%～88.02%，平均去除率为80.04%，而HABR出水SS浓度为14.11～24.91 mg/L，去除率为14.11%～24.91%，平均去除率为86.42%，HABR对SS的平均去除率较ABR高出6.38个百分点，这主要是由于HABR中的弹性填料可以截留固体悬浮物以及漂浮的絮状污泥[16]。

运行第15～28 d，T=25 ℃条件下，SS的进水浓度为107.91～150.63 mg/L，ABR的出水SS浓度为27.82 ～38.74 mg/L，去除率为67.99%～81.29%，平均去除率为74.01%，而HABR的出水SS的浓度为16.90 ～26.64 mg/L，去除率为77.10%～84.80%，平均去除率为82.07%；运行第29～41 d，T=16 ℃条件下，SS的进水浓度为102.82～106.48 mg/L，ABR的出水SS浓度为15.20 ～39.96 mg/L，去除率为64.61%～87.98%，平均去除率为73.54%，而HABR的出水SS的浓度为14.59 ～29.76 mg/L，去除率为72.88%～86.54%，平均去除率为80.55%；可知，随着温度的降低，HABR和ABR对SS的去除率也随之降低，这主要是由于微生物的活性受到了低温的影响，在低温条件下，微生物对污水中悬浮物的吸附截留能力降低[18]，部分污泥可能出现轻微的解体而使得絮状污泥增加，但在T=25 ℃下HABR对SS的去除率较ABR依然高出8.06个百分点，在T=16 ℃下HABR对SS的去除率较ABR依然高出7.01个百分点，而在T=35 ℃时，HABR对SS的去除率较ABR高出6.38个百分点，说明在低温的环境下，HABR对SS去除的优势比较明显，即HABR对SS的去除有促进作用，为后续工艺(人工快速渗滤系统)减轻减缓了堵塞的情况。

图3 两组ABR对SS的去除效果Fig.3 The removal effect of two groups of ABR on SS

2.3 温度对两组ABR的总氮去除效果的影响

不同温度条件下两组ABR对TN的去除效果见图4。在运行前14 dT=35 ℃时，TN进水浓度为49.18～69.60 mg/L，ABR的出水TN为48.52～62.63 mg/L，对应的去除率为-3.90%～13.95%，平均去除率为5.09%，而HABR出水TN为47.73～63.46 mg/L，对应去除率为-2.46%～17.53%，平均去除率为5.39%，HABR与ABR对TN的去除率都很低，且两者对TN的平均去除率相差很小，这主要是由于厌氧条件下，氨化反应很难进行且硝化反应几乎没有，而厌氧微生物的生长繁殖对于氮的摄取很少，进水中的有机氮在氨化细菌作用下发生微弱的氨化反应而转化为氨氮，但厌氧的环境进一步阻碍了后续的硝化反应，因此传统的脱氮流程在反应器内很难进行。HABR和ABR对TN的去除率出现了负值，这可能是由于存在的微弱的氨化反应中，微生物将进水中的部分有机氮化合物分解成了氨氮[19]，同时部分厌氧微生物能通过自溶也能释放出氨氮[20]。

运行第15～28 d，T=25 ℃条件下，TN的进水浓度为43.12～61.88 mg/L，ABR的出水TN浓度为40.22～58.89 mg/L，去除率为-5.82%～10.33%，平均去除率为3.86%，而HABR的出水TN的浓度为40.97～57.23 mg/L，去除率为-2.39%～11.20%，平均去除率为3.83%；运行第29～41 d，T=16 ℃ 条件下，TN的进水浓度为34.58 ～55.32 mg/L，ABR的出水TN浓度为36.24 ～54.83 mg/L，去除率为-4.80%～11.59%，平均去除率为2.99%，HABR的出水TN的浓度为36.24～52.83 mg/L，去除率为-5.08%～12.46%，平均去除率为3.57%；随着温度的降低，HABR和ABR对TN的平均去除率很低且均出现了下降，这主要是由于低温的条件下，微生物的活性受到了影响，部分微生物可能出现了短暂的休眠，因此而无法维持微生物对有机物的传递作用，对氮的同化作用减弱，且低温使得一些厌氧微生物产生了内源呼吸，导致释放出氨氮[20]，而使去除率偶尔出现负值。

总体而言，不同温度下，HABR和ABR对总氮的平均去除率低，且相差小，说明ABR中挂弹性填料对于总氮去除率有很小的影响，因此污水中的氮被保留，这有利于出水用于农田灌溉。

图4 两组ABR对总氮的去除效果Fig.4 The removal effect of two groups of ABR on TN

2.4 温度对两组ABR的总磷去除效果的影响

不同温度条件下两组ABR对TP的去除效果见图5。

图5 两组ABR对总磷的去除效果Fig.5 The removal effect of two groups of ABR on TP

在运行前14 d，T=35 ℃时，TP进水浓度为4.19～5.85 mg/L，ABR的出水TP为3.69～4.79 mg/L，对应的去除率为5.49%～22.04%，平均去除率为16.34%，而HABR出水TP为3.94～4.91 mg/L，对应去除率为4.22%～20.26%，平均去除率为14.60%，ABR和HABR对TP的平均去除率都比较低且相差较小，这主要是由于厌氧的条件下，两组反应器内释磷吸磷的传统流程受到了限制，且微生物通过同化作用所摄取的磷很少，因此对磷的去除率的贡献有限，ABR和HABR在TP的去除过程中，去除率出现负值可能是由于厌氧条件下聚磷菌释放出了部分磷[19]，一定范围内有机负荷的提高可促进了厌氧微生物的生长和繁殖，T=35，25，16 ℃对应的进水平均有机负荷分别为0.241，0.259，0.227 kg/(m3·d)，随着进水有机负荷的波动，ABR和HABR对TP的去除率也出现了波动，但这种同化作用对除磷的贡献很有限，

运行第15～28 d，T=25 ℃条件下，TP的进水浓度为3.53～6.18 mg/L，ABR的出水TP浓度为3.23～5.60 mg/L，去除率为-2.78%～21.35%，平均去除率为8.71%，而HABR的出水TP的浓度为3.39～5.55 mg/L，去除率为0.00～15.46%，平均去除率为8.02%；运行第29～41 d，T=16 ℃条件下，TP的进水浓度为2.12～4.12 mg/L，ABR的出水TP浓度为1.92～4.04 mg/L，去除率为-0.54%～19.17%，平均去除率为7.21%，HABR的出水TP的浓度为1.99～3.89 mg/L，去除率为2.71%～20.41%，平均去除率为8.85%；随着温度的降低，ABR和HABR对磷的去除率都出现了下降，这主要是低温条件下，微生物的活性降低，对磷的摄取也随之减少，且较低的温度下厌氧微生物可能出现了内源呼吸，导致磷的去除率偶尔出现负值的情况。

总体而言，不同温度下，HABR和ABR对TP的平均去除率低，且相差较小，说明ABR中挂弹性填料对于TP去除率有较小的影响，因此污水中的磷被保留，这有利于出水的农田灌溉。

3 结论

(1)研究不同温度下弹性填料对ABR处理生活污水的影响，采用挂有弹性填料的ABR和不挂弹性填料的ABR进行对比，随着温度的降低，两组ABR对COD和SS的去除率均出现下降；在不同的温度下，HABR对COD和SS的平均去除率均高于ABR，弹性填料有助于ABR提高COD和SS的去除率和抗低温性能，COD和SS出水满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)

(2)随着温度的降低，HABR和ABR对TN和TP的去除率均出现下降，总体来看，在不同温度下，基于微生物的摄取同化作用有限，两组ABR对TN和TP去除率很低，且相差很小，保留氮磷用于农灌肥料，经济上的可行性促使反应器在西北农村推广应用价值的提升。