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.中國環境科學研究院
發展中國家分散式居住地區，常采用三格式化糞池(TcST)處理生活污水[1-2]。但是TcST結構簡單，污水傳質性較差、生物量低、微生物活性差，出水仍含有較高濃度污染物，排放后對當地環境造成較大污染，是一種低效的污水處理技術[3-4]。隨著污水處理技術不斷進步，高速厭氧反應器因具有污水處理效率高、出水水質好、病原菌截留率高等特點而得到廣泛應用，如厭氧濾床(AF)和厭氧折流板反應器(ABR)等技術[5-6]。我國分散式居住地區普遍將黑水和灰水一同排入污水處理設施中，導致生活污水污染物濃度低，反應器啟動較為困難，微生物對環境變化較為敏感，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反應器處理生活污水，在保持溫度為（30±1）℃、HRT為20 h情況下，反應器在230 d后達到穩定運行狀態，CODCr的去除率達到90%。
廢水生物處理反應器的快速啟動是為了在較短時間內建立一個生物活性較高的反應體系，在實際生物處理系統中，微生物生長的溫度、污染物負荷等條件的變化，都會增加反應器快速啟動復雜性[10-11]，反應器能否快速啟動是判斷反應器性能的重要指標[12]。筆者基于厭氧濾床(AF)、厭氧折流板反應器(ABR)和強化內源脫氮工藝，構建以連續厭氧-好氧-缺氧（AOA）為運行方式的五格式凈糞池（FcPTR）反應器，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，以期為反應器的快速啟動和低成本處理分散式生活污水提供參考。
1.1 試驗裝置
試驗裝置由有機玻璃制成（圖1），FcPTR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、厭氧折流區、好氧區、缺氧過濾區串聯而成，其體積比為 3∶2∶1∶2。在 FcPTR 中，厭氧折流區分為1區、2區2個單元。在FcPTR中厭氧折流區和好氧區加入聚氨酯（PU）填料，缺氧過濾區加入火山巖填料，填料框與反應器底部保持一定距離。FcPTR中厭氧折流區、好氧區填料框體積占所在區域有效容積的40%，缺氧過濾區占比為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種填料性質及填充率見表1。
表1 PU填料和火山巖填料性質及填充率Table 1 Properties and filling rate of PU filler and volcanic rock filler
1.3 接種污泥及進水水質
取北京市某家屬小區生活污水作進水，其水質參數：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，接種污泥量為反應器有效容積的30%。厭氧區接種污泥參數：混合液揮發性懸浮固體濃度（MLVSS）為3 643 mg/L，混合液懸浮固體濃度(MLSS)為5 279 mg/L。好氧區接種污泥參數：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)，待反應器出水CODCr穩定后，進入下一階段。農村用水頻率較低，模擬農村污水處理設施水力停留時間，FcPTR、TcST在階段Ⅰ和階段Ⅱ的HRT分別為80和36 h，FcPTR中厭氧折流區和好氧區在階段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的污泥回流到好氧區中，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，堿度及揮發性脂肪酸（VFA）采用酸堿聯合滴定法。通過研究反應器各隔室對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"為反應器每個處理單元 CODCr消耗量，mg/L。
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對CODCr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。穩定運行后，FcPTR反應器整體性能高于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，微生物還未適應低有機負荷環境，其生長繁殖無法獲得充足養分，填料上生物膜尚未完全形成，反應器適應能力不強，導致部分微生物死亡，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新的環境，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。厭氧折流區對CODCr的處理貢獻率維持在75%左右，好氧區和缺氧過濾區對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，大多數復雜有機物，如碳水化合物、蛋白質和脂肪，在發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，如氨基酸、糖、脂肪酸和甘油[19-20]。因此厭氧單元作為預處理單元，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
酸化是厭氧反應器將可溶性有機物轉化為甲烷和二氧化碳的第一步，隨之產生多種有機酸，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器的產酸過程。
厭氧反應器中產酸菌最適宜pH為5.5～5.8，產甲烷菌的最適宜pH為6.6～7.5[23]。圖4為反應器格室中pH變化。由圖4可知，TcST出水pH普遍大于FcPTR厭氧區，FcPTR厭氧區pH處于微生物生長較適宜范圍內，TcST較高pH不利于產酸和產甲烷菌生長繁殖。FcPTR中厭氧折流2區pH普遍大于厭氧折流1區。厭氧折流1區主要發生水解酸化反應，水解菌和酸化菌將難降解大分子物質轉化為易生物降解的小分子物質，并同時產生乙酸、碳酸、甲酸等物質，導致厭氧折流1區pH降低。到厭氧折流2區產酸菌與產甲烷菌逐漸建立動態平衡。乙酸、碳酸、甲酸等被轉化成甲烷、二氧化碳等，致使厭氧折流2區pH升高，因此FcPTR厭氧區具有較好產酸產甲烷分離特性，微生物生長均處于較為適宜酸堿環境中[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，而發酵細菌酸化底物的速度是產甲烷菌消耗VFA速度的8倍，當反應器中產酸和產甲烷未建立動態平衡時，會導致VFA的積累，系統對pH變化的緩沖能力降低，運行環境惡化[26-27]。
TcST出水及FcPTR厭氧區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，FcPTR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區的VFA普遍高于厭氧折流2區，厭氧折流1區主要發生水解酸化反應，產生大量的VFA。隨著水流推進，厭氧折流2區主要消耗厭氧折流1區產生的VFA用以產甲烷，該區VFA相應減少[28]。根據Bodkhe等[29]的研究，反應器正常運行的酸堿比要低于0.5，在運行階段Ⅰ FcPTR厭氧區酸堿比維持在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。
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厭氧區不同時期填料掛膜對比如圖7所示。空白組填料表面光滑，在反應器啟動第4天填料上無絮狀污泥出現，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；
在反應器啟動第43天填料內部聚集了大量的微生物，此階段為微生物的成熟期，微生物已經適應新環境并由填料內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），發現空白組填料表面光滑，且由于PU填料為多孔結構，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厭氧區污泥進行掃描電鏡觀察（圖9），發現厭氧區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厭氧區污泥SEM圖Fig.9 SEM images of sludge in the anaerobic area of FcPTR on the 43rd day
(1) 通過46 d的啟動監測，耦合了填料、折流板和好氧處理技術為一體的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，可以使反應器快速進入穩定運行狀態。FcPTR相對于TcST對pH變化具有較好調節能力，當有機負荷由 0.06 kg/(m3·d)升至0.13 kg/(m3·d)后，FcPTR中酸堿比由0.6～0.7降到0.12～0.20，且FcPTR厭氧區存在產酸產甲烷相分離特性，反應器處于良好運行狀態之中。
(3) 經過46 d的培養馴化，FcPTR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厭氧區污泥中以球狀菌為主，且分布著少量短桿菌。