高效陶粒固定化复合厌氧菌群处理生活污水的研究

陈 铃 容

(宁德职业技术学院，福建 福安 355000)

0 引言

我国人均淡水占有总量不足世界平均占有量的25%，排名全球第88位。近年来，我国相继出现了严重的生活用水困难问题，在我国全国600多个城市中，超过一半的城市相继出现了缺水现象，并造成超过7 000万人口的生活用水困难。造成这一问题的原因并不完全由于人均水资源的匮乏。由于人口的城市化进程的不断加快，环境水污染的问题也日益严重，造成国内众多的江河、湖泊以及水库等地的水质迅速下降，对我国居民用水的安全造成一定威胁。

固定化微生物技术通过物理或化学手段将微生物的活动范围限制在固定空间内，并保持其活性从而便于反复连续使用[1]。本研究的内容主要是通过使用陶粒作为微生物载体将其固定，并在此基础上借助于厌氧生活污水处理技术达到污水处理的目的。采用陶粒作为污水浓度的处理填料，本文主要考察了CODcr去除率与水力停留时间的定量关系，并讨论低浓度生活污水处理效率问题。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

(1)塔式AF反应器一台，高度1 000mm、外径100mm、内径90mm，反应器的下端支撑于布水器顶部，通过筛孔板板材料控制，各级级配的卵石按照从大到小的顺序从下部开始逐渐往上填充，从而能起到再布水的作用。试验用的陶粒装于塔内，其填充高度为615mm，填水体积为2.3L，与陶粒基本持平。塔的顶端设置出气口，水样的采集口与出水口分别设置在塔体的410mm与720mm处，以方便试验取出水样。

(2)流量计以及湿式气体流量计。其中流量计采用振兴流量仪器厂生产的LZB-4型玻璃转子式流量计，其计量的有效范围为1～10L；气体流量计采用上海煤气表具股份有限公司生产的BSD0.6型湿式气体流量计，其工作的环境温度为5～35℃，压力位3 000Pa，公称流量为0.5m3/h，误差为1%。

(3)数字式温度测控仪。采用由上海医用仪表厂生产的WMK402型数字式温度测控仪，其温控的范围为0～99.9℃。

1.2 方法与流程

本试验所用的升流式厌氧生物滤池(AF)如图1所示。其中，T与AR分别代表温度测控点与分析取样点，图中1～11号标识依次分别代表污水处理贮槽、污水泵、污水高位槽、转子流量计、厌氧滤池、恒温箱、温度控制仪、加热器、水封、贮水槽以及湿式气体流量计[2]。

试验中污水处理过程产生的主要气体是二氧化碳与甲烷，均由塔顶溢出，气体通过湿式气体流量计后经奥氏气体分析仪对其成分进行测定后再对外排放。试验的进水方式为间歇进水，衡量标准采用CODcr去除率指标。采用四种不同挂膜方案，并比较升流式厌氧生物滤池采取不同挂膜方案后的污水处理效果[3]。

四种处理：(1)普通污泥与功能化高效陶粒挂膜；(2)未功能化高效陶粒与普通污泥挂膜；(3)普通污泥与纳米改性陶粒挂膜；(4)复合菌群CHFH-1与功能化高效陶粒挂膜。试验后期将对比上述四种不同的挂膜方式对污水处理效果的影响，并研究高效陶粒固定化微生物在厌氧反应器中的反应机理及其污水处理机制，为高效陶粒及复合厌氧菌的污水处理方式研究提供参考。

2 高效陶粒固定化复合厌氧菌群处理试验的机理及工艺条件

2.1 试验原理

本试验采用升流式厌氧生物滤池(AF)作为试验所需的厌氧生物滤床。在试验过程中，污水中所含有机物在与污泥以及生物膜上的微生物接触后，将被其吸附并逐渐消解[4]。通过升流式厌氧生物滤池对溶解性废水进行处理时，系统的处理负荷最高可以达到5～15kgCOD/(m3/h)，部分试验甚至可以达到50kgCOD/(m3/h)。

试验中的反应器主要由位于池底的进水布水系统和污泥层、生物填料系统、池面出水补水系统、沼气收集系统五个部分组成。厌氧生物滤池与反应器及其他厌氧生物处理构筑物相比，具有以下几个方面的优点[1]：第一，由于存在较高的生物固定浓度，因而其有机负荷能够达到较高的水平；第二，启动迅速，一旦出现中断，也能迅速启动；第三，耐冲击负荷的能力较强，由于微生物固体能够保持较长的保留时间，因而可大大缩短污水所停留的时间，提高处理效率；第四，处理过程污泥数量少，无需回流，节约投资，简化了系统，有利于运行管理；第五，处理负荷的剧烈变化对系统稳定运行造成的冲击不大。

2.2 工艺条件

试验的工艺条件主要包括温度、营养、有毒物质、pH值以及厌氧环境等因素[5]。

(1)营养及pH值条件。

试验工艺中所需的条件环境中，由于细菌对含碳及氮有机物的要求较高，同时还包括部分无机磷化物等。系统实验的营养环境一般取定厌氧生物的处理工艺，BOD5与N、P的比例为100∶5∶1。试验中所取生活污水中，由于本身含有较高的营养成分，在采取生物膜反应器进行处理时，往往并不需要添加额外的营养源；另一方面，由于各种厌氧菌群对于其环境pH值的要求各有不同，甲烷菌的要求相对较高，一般为6.8～7.8之间，其中最理想的pH值为6.8～7.2之间。本次试验的pH值维持于7.2左右。

(2)温度环境。

环境温度对于厌氧菌微生物生长速率的作用主要通过影响微生物细胞内酶的活性来实现。当试验中的反应器内部温度比微生物所适应温度的上限还要高时，将会造成微生物的死亡。而当环境温度过高或者高温环境的持续时间过长，即使温度能够恢复到正常水平，试验微生物的活性也很难再达到正常水平。当环境温度低于微生物适宜温度的下限值时，通常微生物不会马上死亡，但其活性会逐渐减退甚至停止代谢活动，一旦外界温度恢复到正常水平，其活性才能够逐渐恢复。

因而，对本实验来讲，环境温度的骤然变动必然对微生物的活性造成不利影响，甚至造成试验体系的崩溃，从而导致试验失败。

(3)搅拌。

对于本次试验来讲，对试验物料的充分搅拌有利于提高其传质，以提升反应器内部的反应速率及反应率，因而，系统内的适当搅拌是有利的。但过于剧烈的连续搅拌往往会对反应器内部的剪切力产生影响，从而影响到系统中产乙酸微生物与产甲烷微生物间的共生关系。本次试验中的搅拌充分利用自然力因素，采取上流式的连续进水方式能够充分利用上升水流以及沼气产生过程的自然力，为系统节约资源的同时提高了消化率。

(4)毒害物质。

对厌氧微生物来说，环境中的有毒物质对其有抑制作用。污水中往往会含有一定量的毒害物质，包括重金属、有毒有机物以及部分离子等。在本次试验中，我们将对试验用污水进行预处理，严格控制水中的Ca2+、Mg2+以及NH3等物质含量。

3 结果及讨论

3.1 陶粒挂膜试验

对挂膜特性的评价是衡量生物废水处理方式填料特性的主要方式。首先需要完成反应器内部污泥的增殖与驯化，这时厌氧生物滤池的挂膜才能启动[6]。本研究试验将挂膜的启动过程分为水力筛选和微生物繁殖两个阶段。

(1)水力筛选阶段。

将2.3L陶粒、500mL污泥依次从反应器的顶部加入，最后放入营养液，直至淹没填充料到溢流口处，上文中已经对营养液的指标进行了说明。先静置24h，并在此后每天置换1/4的溶液。在启动初期，厌氧污泥主要以悬浮状态存在于反应器中，而这期间主要通过小水量缓慢间歇进水的方式，借助水力将附着性较差的絮状菌体通过水流冲出反应器，而将那些具有较好吸附性并能够沉降的微生物菌体截留并保存于填料之上。这一方式能够充分保障微生物群的营养需求，最大限度地降低内部竞争。经过选择，微生物在反应器中的分布将更加趋于合理。

(2)微生物大量繁殖阶段。

在微生物的培养阶段，经筛选，水质较为透明，逐步将系统的出水负荷增加，使得系统中的微生物能够以较为均衡的速度增长。这时反应器中的处理效率将不断提高，并逐步达到试验要求的负荷水平。试验的挂膜启动过程采取高浓度进，逐步加大有机负荷的方式，这样能够满足厌氧微生物繁殖对于营养物质的需求，也能够同时提升装置的池容产气率，并达到增强搅拌功能促进系统稳定运行的目的。

试验中采用纳米改性的陶粒作为反应容器的填充料与普通污泥挂膜，试验中挂膜的启动时间大约需要经过12d；采用普通污泥与未功能化陶粒作为填充料，启动时间被缩短为10d；功能陶粒与普通污泥挂膜的启动时间为8d；而采用功能化的陶粒，并利用培养复合菌群CHFH-1挂膜，试验挂膜的启动时间仅需7d，即达到基本稳定的处理效果。因此，我们可以看出，通过固定化的微生物特性，能够使得厌氧反应器的启动时间大大缩短，使得反应效率得到有效提升。

3.2 陶粒运行试验

在试验过程中，确保CODcr衡量指标能够符合挂膜的要求，通过对污水处理控制，可以提高污水控制与处理能力，污水处理过程中保证取值能够符合污水处理效率的要求。

(1)纳米改性陶粒为填料，普通污泥挂膜方式。

本试验主要研究通过改性纳米陶粒作为填充料，并使用普通污泥挂膜时系统的污水处理效果。进水CODcr控制在200mg/L左右，这里取值为223mg/L，系统初始处理负荷为0.53kgCOD/m3d。表1与图2中列出了改性状态下的HRT与COD去除率曲线关系。通过图中曲线，我们可以看出，该方案下AF处理污水的效率比较低。图2中，当HRT在初始的4h内COD去除率提高的幅度较大，这主要得益于反应器在初始时刻微生物的含量较为丰富。而随着时间的逐渐推移，在随后的2h内，COD去除率的提高幅度有限。在试验过程中需要根据纳米处理幅度进行控制，让微生物能够得到有效的控制，提高整个系统的污水处理能力，对改善污水系统运行能力具有重要的作用。

(2)功能性高效陶粒为填料，复合菌群CHFH-1挂膜。

采取该方案时主要研究以功能化高效陶粒作为填充并结合复合菌群CHFH-1挂膜时，系统对废水的处理效率。本系统的进水CODcr仍然维持在200mg/L左右，实际的初始进水CODcr为197mg/L，系统初始的容积负荷为0.66kgCOD/m3d，试验中COD去除率与HRT关系如表2图3所示。从图3中不难看出，与之前采取的模式相比，功能化高效陶粒与复合菌群CHFH-1挂膜的方案能够有效提高其污水处理效率。经过统计计算，COD去除率达到79.2%。通过污水处理试验可以看出，污水容积控制与模式控制具有紧密的联系，当前需要从对填料控制的具体容积出发，建立试验数据指标体系，提高污水处理能力。试验数据表明，在HRT在4.5h以内时，系统能够较快速地处理掉低浓度的生活污水COD，在随后的2h内，COD去除速率基本稳定。

表1 方案(1)AF塔处理效果

表2 方案(2)AF塔处理效果

3.3 沼气产量

系统中的产气性能为产甲烷菌生长情况的外在表现，甲烷气体产生的过程即为厌氧过程速率的限制过程。通过对系统中甲烷气体的测定，可以掌握反应器中不同微生物菌群的成长情况，了解系统中甲烷菌的成长是否受到抑制。本次试验中，将COD的浓度设定于200mg/L左右，并记录产气量与产气速率，在此基础上分析各种气体成分以及COD去除率，从而得出不同试验方案的产气效果。试验测得，在相同的水力停留时间情况下，使用功能化高效陶粒作为反应器的填充材料时，无论系统的产气率还是产气量均要高于纳米改性材料。采用复合菌群CHFH-1挂膜时，系统的产气量要明显高于采用普通污泥挂膜的系统。

4 总结

上文中介绍应用于升流式厌氧生物滤池(AF)中处理低浓度生活废水的试验结果说明，从78%污水指标降低到25%污水指标，说明效果明显。与其纳米改性陶粒及其他填料相比，功能化陶粒填充料的优势明显。由于微生物对于功能化陶粒填充料的吸附性更强，且采用该填充物系统的挂膜启动快，另外通过固定化复合菌CHFH-1也能大幅度提高COD去除效率。试验证明，在保证适当的水力负荷与水力停留时间时，功能化高效陶粒与复合菌CHFH-1挂膜结合的系统，其挂膜时间仅为7d，COD去除率达到79.2%，产气速率以及产气量也大于其他系统，综合来看，系统的性能远远优于采用其他材料的系统。

参考文献：

[1]任南琪,王爱杰.厌氧生物技术原理与应用[M].北京:化学工业出版社，2004.

[2]代文双.轻质球形水处理滤料的研制[J].本溪冶金高等专科学校学报，2002,(4):14～15.

[3]肖琳,杨柳燕，等.环境微生物实验技术[M].北京:中国环境科学出版社,2004：88～94.

[4]周家庆.工业废水处理技术[M].北京:化学工业出版社，2003：9～11.

[5]李军,扬秀山,彭永臻.微生物与水处理工程[M].北京:化学工业出版社，2002：426～430.

[6]何延青,刘俊良,杨平，等.微生物固定化技术与载体结构的研究[J].环境科学,2004,(25):101.