弹性填料对ABR去除重金属及颗粒污泥的影响

2020-07-25张超师旭军张国珍武福平晏雯雯黄星星

化工进展 2020年7期

张超，师旭军，张国珍，2，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）

西北干旱地区农灌水资源匮乏，农田施肥导致面源污染加剧[1-3]。然而，该地区村镇污水中部分重金属含量超标，无法直接用于农田灌溉，且该地区村镇污水处理都以达标排放为目标，既提高了污水处理成本，又浪费了污水中的氮磷。氮磷作为农作物生长所必需的营养元素[2]，2005年发布的《农田灌溉水质标准》删除了凯氏氮和总磷两项指标。

厌氧折流板反应器（ABR）具有运行成本低、抗冲击负荷能力强、水力条件好等优点[4-7]。将ABR 作为村镇污水农灌利用的前处理工艺，不仅可以去除污水中大部分有机污染物和悬浮固体[8]，从而降低后续处理工艺的运行负荷，而且可以有效杀灭污水中的病原菌、充分保留污水中的氮磷[9]，从而降低化肥的用量、减少因施肥导致的面源污染、提高农作物的产量。

目前，国内外学者对于ABR 及其与其他工艺耦合的启动和运行工况进行了大量的研究[10-14]，但是针对弹性填料耦合ABR 去除重金属及颗粒污泥的研究却鲜有报道。本文针对上述情况，采用有弹性填料ABR 和无弹性填料ABR 进行对比，研究弹性填料对ABR 去除重金属及颗粒污泥的影响，旨在为村镇污水农灌利用提供技术支持。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

本实验采用两组结构和尺寸相同的ABR，由有机玻璃制成，分为4个隔室，长、宽和高分别为0.751m、0.18m 和0.5m，有效体积为49.6L。其中一个ABR 安装弹性填料（成分：PE 中心绳+PP 弹性丝），另一个ABR不安装弹性填料。两组ABR都用保温材料包裹，装置示意及工艺流程如图1所示。

1.2 实验用水和方法

实验用水采用校园生活污水，水力停留时间为24h，分别从两组ABR各隔室的取水口和取泥口取样测定。

1.3 分析项目与测定方法

重金属，原子吸收分光光度计法；颗粒污泥粒径，激光粒度仪；颗粒污泥表面形态，热场发射扫描电镜；颗粒污泥表面元素组成和比例，能谱仪（EDS）元素分析。

图1 ABR装置

2 实验结果与讨论

2.1 弹性填料对重金属去除的影响

图2 ABR对重金属的去除效果

图3 两组ABR对重金属的去除率

两组ABR对重金属的去除效果如图2和图3所示。由图2 和图3 可以看出，进水中总汞、总砷、铬（六价）和铅的浓度分别为0.0086mg/L、0.0012 mg/L、0.033mg/L 和0.0027mg/L，而镉（检出下限为0.00006mg/L）没有被检出，进水中总砷、铬（六价）、铅和镉的浓度较低，只有总汞的浓度超出农田灌溉水质标准，这主要是因为进水为校园生活污水，没有工业废水的汇入。无弹性填料ABR 出水中总汞、总砷、铬（六价）和铅的浓度分别为0.0043mg/L、 0.00073mg/L、 0.011mg/L 和0.00026 mg/L，去除率分别为50.00%、39.17%、66.67%和90.37%，无弹性填料ABR 对4 种重金属具有一定的去除效果，这主要是因为无弹性填料ABR 中的厌氧颗粒污泥表面粗糙多孔，且被大量的胞外聚合物含量所覆盖，而组成胞外聚合物的主要物质中含有很多官能团，这些官能团可以较好地吸附污水中的重金属[15-19]。ABR 对4 种重金属的去除率有所不同，这主要是因为生活污水中有多种重金属共存，多种重金属之间会争夺胞外聚合物上的吸附点位，而胞外聚合物上的吸附点位有限，且胞外聚合物上对各种重金属的专一的吸附点位数量各不相同。无弹性填料ABR 对铅的去除率最高（超过90.00%），这主要是因为胞外聚合物对铅的亲和力最好。

而有弹性填料ABR 出水中总汞、总砷、铬（六价）和铅的浓度分别为0.0029mg/L、0.00085 mg/L、0.01mg/L 和0.0002mg/L，去除率分别为66.28%、29.17%、69.70%和92.59%，有弹性填料ABR 对总汞、铬（六价）和铅的去除率比无弹性填料ABR分别高出16.28%、3.03%和2.22%，这主要是因为弹性填料可以较好地去除生活污水呈悬浮态的重金属。而有弹性填料ABR 对总砷的去除率比无弹性填料ABR 低10.00%，这可能是因为有弹性填料ABR 中厌氧颗粒污泥和弹性填料前期对总砷累积吸附和截留的量较多，导致后期对总砷的吸附点位较少。

两组ABR各隔室对4种重金属的去除率波动较大，且出现负值，这主要是因为两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥前期对4种重金属的累积吸附量较多，导致后期出现解吸，一些厌氧微生物通过自溶和内源呼吸也会释放出重金属；而两组ABR 各隔室中pH 等因素的变化也会改变生活污水中重金属的形态和胞外聚合物上的吸附位点，从而影响两组ABR 各隔室中厌氧颗粒污泥对生活污水中重金属的去除。虽然两组ABR 进出水中总砷、铬（六价）、铅和镉的浓度都低于农田灌溉水质标准，但由于重金属易于在土壤和农作物中富集，故从长远考虑，有必要进一步提高对生活污水中重金属的去除率。虽然两组ABR 出水中总汞的浓度都高于农田灌溉水质标准，但由于ABR 的出水还需要经过后续处理才用于农田灌溉，故通过提高后续工艺对ABR 出水中总汞的去除率，使其出水中总汞的浓度低于农田灌溉水质标准即可。总的来说，弹性填料有利于提高ABR 去除生活污水中的多数重金属。

2.2 弹性填料对厌氧颗粒污泥粒径的影响

两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径分布见表1。由表可以看出，无弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥体积密度分别为：第1隔室（＜0.5 mm 为9.04%、0.5～0.75mm 为12.25%、0.75～1.0 mm 为24.83%、1.0～1.25mm 为28.34%、＞1.25mm为25.55%）、第2隔室（＜0.5mm 为12.11%、0.5～0.75mm 为15.12%、0.75～1.0mm 为27.88%、1.0～1.25mm 为25.04%、＞1.25mm 为19.85%）、第3 隔室（＜0.5mm 为13.99%、0.5～0.75mm 为15.91%、0.75～1.0mm 为27.00%、1.0～1.25mm 为28.04%、＞1.25mm 为15.06%）、第4 隔室（＜0.5mm 为17.27%、0.5～0.75mm 为19.33%、0.75～1.0mm 为27.61%、 1.0～1.25mm 为24.49%、＞1.25mm 为11.30%），无弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径沿着水流方向逐渐减小，这主要是因为无弹性填料ABR 各隔室中的有机污染物浓度沿着水流方向逐渐降低，前面隔室中的厌氧颗粒污泥可以优先利用生活污水中易于降解的有机污染物，有机污染物通过厌氧颗粒污泥表面的孔洞可以较深入地扩散到厌氧颗粒污泥内部，从而被厌氧颗粒污泥内部的微生物所利用，故前面隔室中的厌氧颗粒污泥粒径较大；而后面隔室中的有机污染物浓度较低且不易被降解，有机污染物扩散到厌氧颗粒污泥内部的深度较浅，故后面隔室中的厌氧颗粒污泥粒径较小。

表1 两组ABR各隔室厌氧颗粒污泥粒径

而有弹性填料ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥体积密度分别为：第1 隔室（＜0.5mm 为10.73%、0.5～0.75mm 为12.09%、0.75～1.0mm 为25.25%、1.0～1.25mm 为28.09%、＞1.25mm 为23.84%）、第2 隔室（＜0.5mm 为15.08%、 0.5～0.75mm 为17.92%、0.75～1.0mm 为22.91%、1.0～1.25mm 为27.19%、＞1.25mm 为16.90%）、第3 隔室（＜0.5 mm 为14.55%、0.5～0.75mm 为17.61%、0.75～1.0mm 为28.41%、1.0～1.25mm 为25.41%、＞1.25 mm 为14.02%）、第4 隔室（＜0.5mm 为19.12%、0.5～0.75mm 为21.23%、0.75～1.0mm 为25.76%、1.0～1.25mm 为23.54%、＞1.25mm 为10.35%），有弹性填料ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径也沿着水流方向逐渐减小，且略小于无弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径，这主要是因为有弹性填料ABR 各隔室中的生物量有所增加，其对COD的去除率高于无弹性填料ABR[20]，有弹性填料ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥获得的有机污染物少于无弹性填料ABR，故有弹性填料ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径略小于无弹性填料ABR。总的来说，两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥粒径多介于0.75～1.25mm 之间，厌氧颗粒污泥粒径主要受进水水质和运行条件的影响。

2.3 弹性填料对厌氧颗粒污泥表面形态的影响

图4为手机拍摄的两组ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥，可以看出，两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥都为黑色，多数呈球状、椭球状以及一些不规则的形状，相互之间易于分离，没有出现粘连现象，但肉眼难以观察到两组ABR 各隔室中厌氧颗粒污泥的差异所在。

两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面形态如图5所示。由图可以看出，两组ABR第1隔室中的厌氧颗粒污泥表面粗糙、多孔，且孔洞较大。厌氧颗粒污泥粗糙的表面有利于其对生活污水中有机污染物和重金属的吸附，而厌氧颗粒污泥表面较大的孔洞有利于生活污水中的营养物质向厌氧颗粒污泥内部扩散，从而保证厌氧颗粒污泥内部微生物的生长和繁殖，而厌氧颗粒污泥内部微生物的代谢产物也通过厌氧颗粒污泥表面的孔洞排出。厌氧颗粒污泥表面含有大量的丝状菌交织缠绕在一起，而厌氧微生物分泌出大量的胞外聚合物将这些丝状菌、少量的球菌和杆菌粘连在一起。这样不仅可以较好地保持厌氧颗粒污泥的结构稳定状态，从而抵抗外界不利因素（如水流剪切力、有毒有害物质）的影响，而且有利于提高不同菌种之前的物质交换和信息传递效率。而两组ABR第2、3、4隔室中的厌氧颗粒污泥表面的丝状菌显著减少，但胞外聚合物的含量有所增加，这可能是进入第2、3、4隔室中的有机污染物浓度较低所导致的。

与无弹性填料ABR 相比，有弹性填料ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥表面的丝状菌有所减少，这可能是因为部分丝状菌在弹性填料上附着生长，且有弹性填料ABR 各隔室中的生物量多于无弹性填料ABR[20]，故有弹性填料ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥所能获得的有机污染物较少所导致的。

2.4 弹性填料对厌氧颗粒污泥表面元素组成和比例的影响

两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面元素组成和比例如图6、图7 所示。由图可以看出，两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面元素的组成基本相同，但两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面元素的比例有所差异，这主要是因为进入两组ABR 各隔室中的污水水质不同所造成的。其中，C 的含量都是最高的，占比为38.52%～50.99%，O 的含量都是排第二，占比为34.42%～42.94%，N 的含量都是排第三，占比为4.68%～9.43%，这说明两组ABR各隔室中的厌氧颗粒污泥表面最主要的元素为C、O 和N，它们的含量之和达到87.18%～92.59%，这主要是因为两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面的微生物主要由C、O和N 三种元素组成。两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面元素还包括Na、Al、P、Ca 和Fe，这些元素的含量虽然很少，但都是厌氧微生物生长和繁殖过程中不可或缺的。此外，两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面元素还包括As、Hg和Pb等重金属元素，且Hg和Pb所占的比例大于其他重金属元素，这主要是因为两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面吸附了生活污水中少量的重金属所造成的。但两组ABR 各隔室中的厌氧颗粒污泥表面几种重金属元素所占的比例较小，且部分重金属元素没有被检出，这主要是因为校园生活污水中几种重金属浓度较低，且能谱仪（EDS）元素分析只能选择厌氧颗粒污泥表面一部分区域进行分析，而厌氧颗粒污泥表面这部分被分析的区域可能刚好不包含这些未被检出的重金属元素，但厌氧颗粒污泥内部和表面其他区域可能含有这些未被检出的重金属元素。