不同溫度下彈性填料對ABR處理生活污水的影響

師旭軍，張國珍，2，張超，武福平，晏雯雯，黃星星

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.寒旱地區水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730070)

西北干旱地區生態穩定性差，農灌水資源匱乏[1-3]，農村污水處理應考慮作為灌溉水源。而地區污水處理以達標排放為主，導致處理成本的升高，氮磷作為農作物生長的營養元素被浪費[2]。厭氧折流板反應器(ABR)運行成本低、水力條件好[4-7]，能去除大部分懸浮物和有機物[8]，降低后續工藝的運行負荷，且2005年發布的農田灌溉水質標準中對凱氏氮和總磷兩項指標進行了刪除，充分保留的氮和磷[9]，降低了農田施肥用量。國內外學者對ABR的大量研究中對掛膜的研究很少[10-15]，故采用有彈性填料ABR和無彈性填料ABR對比研究，旨在為西北農村污水回用提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硫酸銀、硫酸汞、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、抗壞血酸、鉬酸銨均為分析純；過硫酸鉀，優級純；校園生活污水，水質參數見表1。

表1 污水水質Table 1 Sewage water quality

5B-1B型COD快速測定儀；FA1004分析電子天平；202-00A電熱恒溫干燥箱；DGL-50B立式蒸汽滅菌器；UV-2800A型紫外可見分光光度計。

1.2 實驗方法

由有機玻璃制成兩組結構和尺寸相同的ABR，有效體積為49.6 L，設計為4個隔室，其高、長和寬分別是0.5 m、0.751 m和0.18 m。ABR的其中一個掛有彈性填料(HABR)，而另一個不掛彈性填料(ABR)。HABR和ABR外觀都包裹保溫材料，流程示意圖裝置見圖1。

圖1 HABR裝置示意圖Fig.1 Schematic of HABR

將水力停留時間固定為24 h，調控HABR和ABR的溫度分別為35，25，16 ℃，每個溫度工況各運行14 d，水樣每2 d取樣測定1次，分析項目與測定方法見表2。

表2 水質分析項目及方法Table 2 Water quality analysis projects and methods

2 結果與討論

2.1 溫度對兩組ABR的COD去除效果的影響

由圖2可知，在T=35 ℃條件下運行14 d，進水平均有機負荷為0.241 kg/(m3·d)，COD濃度為204.68～279.93 mg/L，平均濃度為241.02 mg/L，ABR出水COD范圍為90.30～111.37 mg/L，對應的去除率為41.91%～67.74%，平均去除率為56.94%；相對應HABR的COD出水濃度為84.28～111.28 mg/L，對應的去除率為56.08%～63.86%，平均去除率為58.93%；HABR對COD的平均去除率較ABR高出2.0個百分點。這主要是由于HABR中的彈性填料能很好的截留污水中的懸浮固體，同時也對污泥床中受水流沖擊而漂浮起的絮狀污泥起到了攔截的作用。同時，填料上附著了一部分微生物，使得有機物與HABR內的微生物充分接觸而被降解，因此與未掛彈性填料的ABR相比較，HABR系統內微生物量相對增加[16]。因此，在T=35 ℃微生物相對適宜生長的條件下，HABR對COD的去除率要好于ABR。

T=25 ℃條件下運行15～28 d，進水平均有機負荷為0.259 kg/(m3·d)，COD濃度為215.22～299.50 mg/L，平均濃度為258.65 mg/L，ABR的COD出水濃度為87.29～144.88 mg/L，對應去除率為40.20%～65.00%，平均去除率為52.02%，相對應的HABR的COD出水濃度為85.79～158.03 mg/L，對應去除率為45.71%～66.11%，平均去除率為54.79%，HABR對COD的去除率同ABR相比高出了2.77個百分點，溫度25 ℃同35 ℃相比較，HABR和ABR對COD的去除率的差值又高出了0.77個百分點。因此，在溫度降低的條件下，HABR與未掛填料的ABR相比較，HABR對COD去除促進作用比較明顯。

維持溫度至T=16 ℃運行第29～41 d，平均有機負荷為0.227 kg/(m3·d)，進水COD濃度為171.57～267.89 mg/L，COD平均濃度為 227.47 mg/L，HABR的COD出水濃度為87.29～127.92 mg/L，對應去除率為47.80%～60.67%，平均去除率為54.61%，相對ABR的COD出水濃度為94.82～155.02 mg/L，對應去除率為35.22%～55.94%，平均去除率為46.07%，與ABR相比，HABR對COD的去除率較之高出了8.54個百分點。

隨著溫度的降低，ABR對COD的去除率出現了較為明顯的下降，這主要是低溫會影響微生物的活性，進而影響厭氧消化，導致對COD的降解能力變弱；溫度由35 ℃調控至25 ℃過程中，對應COD的去除率下降為4.92個百分點，而溫度由 25 ℃ 調控至 16 ℃ 對應COD的去除率下降5.95個百分點，后者對COD的去除率的影響較為顯著，原因可能是溫度在大幅度降低時，導致溫度低于微生物適宜的生長溫度，使其生長代謝緩慢，因為在ABR中占優勢的厭氧微生物大多是中溫菌[17]，因此，COD的去除率出現了較大的波動。而相比較ABR而言，HABR在低溫下對COD的去除率依然保持優勢，具有一定的抗低溫能力。

總的來說，不同溫度下，HABR對COD的平均去除率都高于ABR，說明在ABR中掛彈性填料有助于對COD去除率的提高，且能提高ABR的抗低溫性能。

圖2 兩組ABR對COD的去除效果Fig.2 The removal effect of two groups of ABR on COD

2.2 溫度對兩組ABR的SS去除效果的影響

由圖3可知，在運行前14 dT=35 ℃條件下，SS進水濃度為115.80～159.37 mg/L，ABR的出水SS為19.08～36.68 mg/L，對應的去除率為73.81%～88.02%，平均去除率為80.04%，而HABR出水SS濃度為14.11～24.91 mg/L，去除率為14.11%～24.91%，平均去除率為86.42%，HABR對SS的平均去除率較ABR高出6.38個百分點，這主要是由于HABR中的彈性填料可以截留固體懸浮物以及漂浮的絮狀污泥[16]。

運行第15～28 d，T=25 ℃條件下，SS的進水濃度為107.91～150.63 mg/L，ABR的出水SS濃度為27.82 ～38.74 mg/L，去除率為67.99%～81.29%，平均去除率為74.01%，而HABR的出水SS的濃度為16.90 ～26.64 mg/L，去除率為77.10%～84.80%，平均去除率為82.07%；運行第29～41 d，T=16 ℃條件下，SS的進水濃度為102.82～106.48 mg/L，ABR的出水SS濃度為15.20 ～39.96 mg/L，去除率為64.61%～87.98%，平均去除率為73.54%，而HABR的出水SS的濃度為14.59 ～29.76 mg/L，去除率為72.88%～86.54%，平均去除率為80.55%；可知，隨著溫度的降低，HABR和ABR對SS的去除率也隨之降低，這主要是由于微生物的活性受到了低溫的影響，在低溫條件下，微生物對污水中懸浮物的吸附截留能力降低[18]，部分污泥可能出現輕微的解體而使得絮狀污泥增加，但在T=25 ℃下HABR對SS的去除率較ABR依然高出8.06個百分點，在T=16 ℃下HABR對SS的去除率較ABR依然高出7.01個百分點，而在T=35 ℃時，HABR對SS的去除率較ABR高出6.38個百分點，說明在低溫的環境下，HABR對SS去除的優勢比較明顯，即HABR對SS的去除有促進作用，為后續工藝(人工快速滲濾系統)減輕減緩了堵塞的情況。

圖3 兩組ABR對SS的去除效果Fig.3 The removal effect of two groups of ABR on SS

2.3 溫度對兩組ABR的總氮去除效果的影響

不同溫度條件下兩組ABR對TN的去除效果見圖4。在運行前14 dT=35 ℃時，TN進水濃度為49.18～69.60 mg/L，ABR的出水TN為48.52～62.63 mg/L，對應的去除率為-3.90%～13.95%，平均去除率為5.09%，而HABR出水TN為47.73～63.46 mg/L，對應去除率為-2.46%～17.53%，平均去除率為5.39%，HABR與ABR對TN的去除率都很低，且兩者對TN的平均去除率相差很小，這主要是由于厭氧條件下，氨化反應很難進行且硝化反應幾乎沒有，而厭氧微生物的生長繁殖對于氮的攝取很少，進水中的有機氮在氨化細菌作用下發生微弱的氨化反應而轉化為氨氮，但厭氧的環境進一步阻礙了后續的硝化反應，因此傳統的脫氮流程在反應器內很難進行。HABR和ABR對TN的去除率出現了負值，這可能是由于存在的微弱的氨化反應中，微生物將進水中的部分有機氮化合物分解成了氨氮[19]，同時部分厭氧微生物能通過自溶也能釋放出氨氮[20]。

運行第15～28 d，T=25 ℃條件下，TN的進水濃度為43.12～61.88 mg/L，ABR的出水TN濃度為40.22～58.89 mg/L，去除率為-5.82%～10.33%，平均去除率為3.86%，而HABR的出水TN的濃度為40.97～57.23 mg/L，去除率為-2.39%～11.20%，平均去除率為3.83%；運行第29～41 d，T=16 ℃ 條件下，TN的進水濃度為34.58 ～55.32 mg/L，ABR的出水TN濃度為36.24 ～54.83 mg/L，去除率為-4.80%～11.59%，平均去除率為2.99%，HABR的出水TN的濃度為36.24～52.83 mg/L，去除率為-5.08%～12.46%，平均去除率為3.57%；隨著溫度的降低，HABR和ABR對TN的平均去除率很低且均出現了下降，這主要是由于低溫的條件下，微生物的活性受到了影響，部分微生物可能出現了短暫的休眠，因此而無法維持微生物對有機物的傳遞作用，對氮的同化作用減弱，且低溫使得一些厭氧微生物產生了內源呼吸，導致釋放出氨氮[20]，而使去除率偶爾出現負值。

總體而言，不同溫度下，HABR和ABR對總氮的平均去除率低，且相差小，說明ABR中掛彈性填料對于總氮去除率有很小的影響，因此污水中的氮被保留，這有利于出水用于農田灌溉。

圖4 兩組ABR對總氮的去除效果Fig.4 The removal effect of two groups of ABR on TN

2.4 溫度對兩組ABR的總磷去除效果的影響

不同溫度條件下兩組ABR對TP的去除效果見圖5。

圖5 兩組ABR對總磷的去除效果Fig.5 The removal effect of two groups of ABR on TP

在運行前14 d，T=35 ℃時，TP進水濃度為4.19～5.85 mg/L，ABR的出水TP為3.69～4.79 mg/L，對應的去除率為5.49%～22.04%，平均去除率為16.34%，而HABR出水TP為3.94～4.91 mg/L，對應去除率為4.22%～20.26%，平均去除率為14.60%，ABR和HABR對TP的平均去除率都比較低且相差較小，這主要是由于厭氧的條件下，兩組反應器內釋磷吸磷的傳統流程受到了限制，且微生物通過同化作用所攝取的磷很少，因此對磷的去除率的貢獻有限，ABR和HABR在TP的去除過程中，去除率出現負值可能是由于厭氧條件下聚磷菌釋放出了部分磷[19]，一定范圍內有機負荷的提高可促進了厭氧微生物的生長和繁殖，T=35，25，16 ℃對應的進水平均有機負荷分別為0.241，0.259，0.227 kg/(m3·d)，隨著進水有機負荷的波動，ABR和HABR對TP的去除率也出現了波動，但這種同化作用對除磷的貢獻很有限，

運行第15～28 d，T=25 ℃條件下，TP的進水濃度為3.53～6.18 mg/L，ABR的出水TP濃度為3.23～5.60 mg/L，去除率為-2.78%～21.35%，平均去除率為8.71%，而HABR的出水TP的濃度為3.39～5.55 mg/L，去除率為0.00～15.46%，平均去除率為8.02%；運行第29～41 d，T=16 ℃條件下，TP的進水濃度為2.12～4.12 mg/L，ABR的出水TP濃度為1.92～4.04 mg/L，去除率為-0.54%～19.17%，平均去除率為7.21%，HABR的出水TP的濃度為1.99～3.89 mg/L，去除率為2.71%～20.41%，平均去除率為8.85%；隨著溫度的降低，ABR和HABR對磷的去除率都出現了下降，這主要是低溫條件下，微生物的活性降低，對磷的攝取也隨之減少，且較低的溫度下厭氧微生物可能出現了內源呼吸，導致磷的去除率偶爾出現負值的情況。

總體而言，不同溫度下，HABR和ABR對TP的平均去除率低，且相差較小，說明ABR中掛彈性填料對于TP去除率有較小的影響，因此污水中的磷被保留，這有利于出水的農田灌溉。

3 結論

(1)研究不同溫度下彈性填料對ABR處理生活污水的影響，采用掛有彈性填料的ABR和不掛彈性填料的ABR進行對比，隨著溫度的降低，兩組ABR對COD和SS的去除率均出現下降；在不同的溫度下，HABR對COD和SS的平均去除率均高于ABR，彈性填料有助于ABR提高COD和SS的去除率和抗低溫性能，COD和SS出水滿足《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2005)

(2)隨著溫度的降低，HABR和ABR對TN和TP的去除率均出現下降，總體來看，在不同溫度下，基于微生物的攝取同化作用有限，兩組ABR對TN和TP去除率很低，且相差很小，保留氮磷用于農灌肥料，經濟上的可行性促使反應器在西北農村推廣應用價值的提升。