厌氧折流板反应器预处理生活污水研究

张安龙， 吴冰华， 王家宏

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院, 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

近年来，随着经济的迅速发展，人民生活水平的迅速提高及生活条件的明显改善，居民用水量日益加大，使得生活污水排放量不断增加.生活污水主要包括冲厕污水、生活洗涤污水、厨房污水和人畜粪便污水等，其主要特征有：(1)污水日排放量较小；(2)间歇排放，水质水量随季节、昼夜变化大，日变化系数达到3.5～5.0；(3)基本不含重金属和有毒有害物质，但其中含有大量氮磷等污染物质；(4)悬浮物浓度较高，有机物浓度低；(5)B/C在0.5左右，属于易降解污水[1]；(6)管网收集系统不健全.若不加处理而直接排放，不但污染水体，增加市政管网建设的负担，还浪费了大量的再生水水源.据统计，95%以上的生活污水或粪便废水被直接排放到地下或江河湖泊[2].

目前，成熟的生活污水处理技术如序批式活性污泥反应器(SBR)、生物膜反应器等[3]，由于投资大、能耗高、运行费用高、管理难度大等原因，在农村难以推广应用，因此寻求一种高效节能的废水处理工艺十分必要.与传统好氧工艺相比，厌氧工艺具有以下特点：(1)不需要曝气系统，大大降低了造价和运行、维护费用；(2)水力条件良好，能有效降解有机物，具有污泥消化池的功能，剩余污泥产生量少，能实现污水、污泥一次处理.厌氧折流板反应器(ABR)是MCCARTY及其合作者在厌氧生物转盘反应器的基础上改进开发出来的一种新型高效厌氧反应器，由于分割多级串联结构使其具有良好的水力特性、耐冲击负荷及良好固体截留能力[4,5].近年国内外对ABR的研究较为活跃，但一般局限于处理高浓度有机废水的研究，对低浓度生活污水的研究在国内报道很少，仅在国外有个别运行先例[6-9].Mahmoud N等的研究证明ABR在处理生活污水方面具有很好的效果[10].将厌氧处理和以人工湿地为代表的生态处理相结合，是因地制宜、经济合理的农村废水处理方法.ABR作为预处理单元，可以增强系统的抗冲击能力，降低有机负荷和悬浮物浓度，从而提高后续生态处理系统的处理负荷，减缓堵塞问题，提高使用寿命.

本实验采用厌氧折流板反应器对生活污水进行预处理，研究了不同水力停留时间和有机负荷对反应器出水水质的影响，为其在实际工程中应用提供理论性指导.

1 实验部分

1.1 试验用水

试验用水取自陕西科技大学生活区排放的生活污水，经粗筛网过滤后作为试验用水.试验用水水质情况如表1所示.

表1 试验用水水质情况

1.2 指标测定方法

CODCr:重铬酸钾滴定法[11]；NH4-N：纳氏试剂分光光度法[11]；TN:碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[11]；TP:钼酸铵分光光度法[11]；SS:干热恒重法(105 ℃烘干称重)[11]；温度:水银温度计.

1.3 实验装置

厌氧折流板反应器(ABR，Anaerobic Baffled Reactor)实验装置如图1所示.ABR由有机玻璃制成，有效容积为21.6 L.反应器分为3个隔室，每个隔室由上下流室组成，隔室下部的折板角度为135 °，以减少水流死角，实现布水均匀.反应器上部进水，上部出水.反应器安装在恒温水浴箱中，通过WMZK-01型温度控制仪控制温度在(35±1)℃.

图1 实验装置图

1.4 反应器的启动

ABR反应器内的接种污泥取自西安市某污水处理厂的厌氧池，污泥浓度MLSS为31.2 g·L-1，其中MLVSS占53.6%，在(35±1)℃恒温培养箱中培养.每隔两天加一次新鲜营养液，同时每隔2 h搅拌一次，发现有大量气泡产生时，则污泥培养成熟.污泥培养成熟后，将污泥量为反应器体积1/10的成熟污泥加入到ABR反应器中，其中第一隔室投放相对多些，剩余污泥均匀投入二三隔室，添加新鲜营养液，静置1 d.

采用低负荷启动方式.启动初期间歇进水，固定水力停留时间为24 h，每天进水10 h， 20天后开始连续进水，废水流量控制在1.5 L·h-1左右.40天后反应器底部污泥呈灰白色，显微镜观察到大量产酸细菌和产甲烷细菌.60天后，ABR反应器的各隔室都形成稳定的污泥床，污泥呈黑褐色，出水较清澈，CODCr的去除率稳定在63%左右，说明此时ABR反应器已经成功启动.

2 结果与讨论

2.1 最佳水力停留时间的确定及其容积负荷对处理效果的影响

在进水水质保持不变的情况下，研究系统的最佳水力停留时间HRT，进而在最佳反应条件下，考察不同容积负荷对生活污水处理效果的影响.

2.1.1 最佳水力停留时间的确定

不同水力停留时间的实验结果如图2和图3所示.

从图2可知，随着水力停留时间的增加，出水CODCr浓度逐渐降低，CODCr的去除率逐渐提高.这主要是因为水力停留时间的延长，使微生物与水中的有机物充分接触，从而有效降解水中有机污染物，达到出水CODCr浓度降低的效果.但当HRT大于6 h时，CODCr去除率变化不大，基本稳定，即厌氧反应在一定程度上不受反应时间的控制，这与厌氧的去除机理有关，在这一阶段主要是相对分子质量较大的有机污染物的分解过程，从形式上和性质上发生变化，而在数量上变化较小[12].Yu[13]的研究结果表明，要达到去除SS的目的，HRT必须大于5 h.由图3可知，当HRT=6 h时，SS可以得到较好的去除，且随着HRT的增加，去除率不断增大.综合考虑处理效果与投资费用，选取6 h为最佳水力停留时间.

图2 水力停留时间对CODCr去除效果的影响

图3 水力停留时间对SS去除效果的影响

2.1.2 容积负荷对处理效果的影响

水力停留时间固定为6 h，通过改变进水CODCr浓度，容积负荷随之变化，实验结果如图4所示.由图4可知，提高进水有机物浓度对CODCr和SS去除率影响不大，说明ABR反应器具有较强的抗冲击负荷能力.这主要因为ABR独特的隔室结构，折流板迫使水流上下折流，改善了泥水接触效果，提高了COD的去除率，更适合于低浓度有机废水(如生活污水)的厌氧处理.

图4 容积负荷对处理效果的影响

2.2 最佳工艺条件下连续运行时进出水水质分析

在最佳工艺条件(水力停留时间为6 h)下，连续运行40 d，实验结果如图5、图6、图7、图8和图9所示.

2.2.1 对CODCr的去除效果

由图5可知，生活污水进水CODCr波动较大(100～450 mg/L)，经过ABR反应器的预处理后，CODCr平均去除率稳定在68.1%左右，说明该工艺对生活污水具有较好的预处理效果.

图5 最佳工艺条件下连续运行时ABR进、出水中CODCr及其去除率的变化

2.2.2 对悬浮物SS的去除效果

ABR反应器作为处理低浓度生活污水的预处理阶段，对悬浮物SS的处理效果如图6所示.由图6可知，由于微生物对大分子物质的吸附及降解作用，经ABR反应器的预处理后，水中SS得到较高的去除.虽然进水悬浮物的波动较大，但经ABR预处理后，出水SS较低，且基本稳定在40 mg·L-1以下.进水悬浮物SS质量浓度越高，其去除率越高，由此可知，ABR系统对悬浮物SS具有良好的截留效果.

图6 最佳工艺条件下连续运行时ABR进、出水中SS及其去除率的变化

2.2.3 对氨氮和总氮的去除效果

在最佳反应条件下连续运行40 d，进出水氨氮及总氮的浓度均隔天测定，测定结果分别如图7、图8所示.

图7 最佳工艺条件下连续运行时ABR进、出水中氨氮质量浓度的变化

由图7可知，ABR反应器对氨氮基本没有去除效果，氨氮浓度略微下降主要是由微生物的同化作用和厌氧氨氧化造成.ABR反应器对氨氮的去除率甚至出现负值，主要由于水体中的有机氮在厌氧条件下通过厌氧菌的作用转化为氨氮，从而使氨氮含量上升；而氨氮在无氧或缺氧条件下无法向NO2-和NO3-转化，因而难以去除.

图8 最佳工艺条件下连续运行时ABR进、出水中总氮质量浓度的变化

由图8可知，ABR反应器对TN的去除效果很小，对TN的平均去除率仅为13.2%.总氮的去除主要是由微生物的同化作用合成自身蛋白质及厌氧反硝化作用变为氮气造成的.

对有脱氮要求的生活污水处理系统，ABR必须与好氧处理单元联用，组成厌氧-好氧处理系统才能有效除氮.

2.2.4 对总磷的去除效果

在最佳反应条件下连续运行40 d，进出水总磷的浓度均隔天测定，测定结果和图9所示.

图9 最佳工艺条件下连续运行时ABR进、出水中总磷质量浓度的变化

由图9看出，ABR反应器的除磷效果不好，去除率仅为4.3%左右，主要是由微生物的同化作用造成的.ABR同其他厌氧反应器一样，只能产生释磷作用(将有机磷转化为磷酸盐)，对有除磷要求的生活污水处理系统，ABR也必须与好氧处理单元联用，组成厌氧-好氧处理系统(含排泥过程)才能有效去除磷.

3 结束语

(1)随着水力停留时间的延长，CODCr去除率逐渐提高，但当HRT大于6 h时，CODCr去除率基本稳定；当HRT=6 h时，SS可以得到较好的去除，且随着HRT的增加，去除率不断增大.综合考虑，ABR反应器的最佳水力停留时间选为6 h.

(2)进水有机负荷的变化对CODCr、SS去除率的影响不大，说明ABR反应器具有较强的抗冲击负荷能力.

(3)在最佳工艺条件下，ABR作为生活污水的预处理单元，对生活污水中CODCr、SS的去除率分别稳定在68.1%、88.3%左右，实现了较好的预处理效果，且与好氧处理工艺相比，大大降低了处理成本.但ABR处理系统的脱氮除磷作用很小，氮磷的去除主要是由水中微生物的同化作用合成自身蛋白质造成的.

[1] 张彬彬，李艳菊，王开春，等.厌氧折流板反应器-生物接触氧化组合工艺处理生活污水研究[J].环境污染与防治，2012，34(8)：21-25.

[2] 郑 戈，李景明，张蚰英，等.中小城镇生活污水净化沼气工程产业化发展对策研究[J].中国沼气，2002,20(3)：28-30.

[3] 刘荣荣，杨 波，周建冬，等.厌氧颗粒污泥启动复合式厌氧折流板反应器的研究[J].环境工程学报，2009，3(1)：103-107.

[4] 王建芳，沈耀良，宋小康.改进型厌氧折流板反应器预处理农村生活污水效能研究[J].水处理技术，2012，38(8)：69-72.

[5] Ji G D,Sun T H,Ni J R,et al.Anaerobic baffied reactor (ABR) for treating heavy oil produced water with high concentrations of salt and poor nutrient[J].Bioresource Technology,2009(100):1 108-1 114.

[6] 沈耀良，王宝贞.废水生物处理新技术理论与应用[M].北京：中国环境科学出版社，2001：73.

[7] 王建龙，韩英健，钱 易.折流式厌氧反应器(ABR)的研究进展[J].应用与环境生物学报，2000，6(5)：490-498.

[8] 刘大银，毕亚凡，李庆新，等.ABR反应器处理生活污水的研究[J].华中师范大学学报(自然科学版)，2003，37(4)：514-517.

[9] 沈耀良.厌氧折流板反应器在废水处理中的研究与应用[J]. 苏州科技学院学报(工程技术版)，2003，16(2)：9-17.

[10] Mahmoud N,Zeeman G,Gijzen H,et al.Anaeroboic sewage treatment in a one-stage UASB reactor and a combined UASB-Digester system[J].Water Research,2004,38:2 348-2 358.

[11] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

[12] 王 森，张安龙.草浆中段废水水解酸化预处理的研究[J].中国造纸，2007，26(5)：25-28.

[13] Yu H,Anderson G K.Performance of a combined anaerobic reactor for municipal wastewater treatment at ambient temperature resource[J].Conservation and Recycling，1996，17：259-271.