五格式净粪池(FcPTR)启动特性研究

杨延梅，罗勇,，谭伟，蒋进元*，赫昶钧，李加加，陈可

1.重庆交通大学河海学院

2.中国环境科学研究院

发展中国家分散式居住地区，常采用三格式化粪池(TcST)处理生活污水[1-2]。但是TcST结构简单，污水传质性较差、生物量低、微生物活性差，出水仍含有较高浓度污染物，排放后对当地环境造成较大污染，是一种低效的污水处理技术[3-4]。随着污水处理技术不断进步，高速厌氧反应器因具有污水处理效率高、出水水质好、病原菌截留率高等特点而得到广泛应用，如厌氧滤床(AF)和厌氧折流板反应器(ABR)等技术[5-6]。我国分散式居住地区普遍将黑水和灰水一同排入污水处理设施中，导致生活污水污染物浓度低，反应器启动较为困难，微生物对环境变化较为敏感，其中厌氧微生物生长周期长，增殖速率缓慢等问题，严重阻碍了反应器正常运行[7]。Feng等[8]利用厌氧折流板(ABR)处理低浓度生活污水，25 ℃条件下，反应器在130 d后完成启动，启动期最高CODCr去除率为52.3%。Krishna等[9]利用有效容积为10 L的ABR反应器处理生活污水，在保持温度为（30±1）℃、HRT为20 h情况下，反应器在230 d后达到稳定运行状态，CODCr的去除率达到90%。

废水生物处理反应器的快速启动是为了在较短时间内建立一个生物活性较高的反应体系，在实际生物处理系统中，微生物生长的温度、污染物负荷等条件的变化，都会增加反应器快速启动复杂性[10-11]，反应器能否快速启动是判断反应器性能的重要指标[12]。笔者基于厌氧滤床(AF)、厌氧折流板反应器(ABR)和强化内源脱氮工艺，构建以连续厌氧-好氧-缺氧（AOA）为运行方式的五格式净粪池（FcPTR）反应器，在相同运行条件下，对比TcST和FcPTR的CODCr去除率、pH、碱度和填料挂膜情况，以期为反应器的快速启动和低成本处理分散式生活污水提供参考。

1.1 试验装置

试验装置由有机玻璃制成（图1），FcPTR和TcST的有效容积均为90 L。TcST由缺氧池、厌氧池、沉淀池组成，其体积比为 2∶1∶3；
FcPTR 由沉淀分离区、厌氧折流区、好氧区、缺氧过滤区串联而成，其体积比为 3∶2∶1∶2。在 FcPTR 中，厌氧折流区分为1区、2区2个单元。在FcPTR中厌氧折流区和好氧区加入聚氨酯（PU）填料，缺氧过滤区加入火山岩填料，填料框与反应器底部保持一定距离。FcPTR中厌氧折流区、好氧区填料框体积占所在区域有效容积的40%，缺氧过滤区占比为80%。

图1 试验装置Fig.1 Experimental setup diagram

1.2 填料

FcPTR选用PU填料和火山岩填料。PU填料是一种多孔的亲水性高分子生物填料，该填料表面具有一些阳离子表面活性剂和亲水基团（羟基），对微生物和酶具有较好固定效果[13-14]；
火山岩填料孔隙率大，有利于微生物增殖生长，对氮、磷具有一定处理效果[15-16]。2种填料性质及填充率见表1。

表1 PU填料和火山岩填料性质及填充率Table 1 Properties and filling rate of PU filler and volcanic rock filler

1.3 接种污泥及进水水质

取北京市某家属小区生活污水作进水，其水质参数：pH 为6.61～7.32、CODCr为135～314 mg/L、-N浓度为44～77 mg/L、TP浓度为3.0～5.5 mg/L、TN浓度为51～88 mg/L。接种污泥取自北京某污水处理厂厌氧池污泥和曝气池污泥，接种污泥量为反应器有效容积的30%。厌氧区接种污泥参数：混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为3 643 mg/L，混合液悬浮固体浓度(MLSS)为5 279 mg/L。好氧区接种污泥参数：MLVSS为2 308 mg/L，MLSS为3 550 mg/L。

1.4 运行方式

如表2所示，试验进行了46 d，操作分为阶段Ⅰ(1～13 d)和阶段Ⅱ(14～46 d)，待反应器出水CODCr稳定后，进入下一阶段。农村用水频率较低，模拟农村污水处理设施水力停留时间，FcPTR、TcST在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ的HRT分别为80和36 h，FcPTR中厌氧折流区和好氧区在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ的HRT分别为21、11和10、5 h。FcPTR中通过回流泵使缺氧过滤区的污泥回流到好氧区中，污泥回流量是进水流量的100%，通过减少HRT对FcPTR和TcST进行启动。

表2 FcPTR和TcST运行参数Table 2 Operated parameters of FcPTR and TcST

1.5 分析方法

各项检测指标的测定均参照《水和废水监测分析方法》。其中，CODCr采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定，-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定，TP浓度采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法测定，TN浓度采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，MLSS采用103～105 ℃重量法测定，MLVSS采用600 ℃重量法测定，pH采用雷磁便携式pH计测定，DO浓度采用雷磁便携式溶解氧仪测定。污泥及填料表面采用Hitachi SU-8010型扫描电镜中观察，碱度及挥发性脂肪酸（VFA）采用酸碱联合滴定法。通过研究反应器各隔室对CODCr的处理贡献率，可以反映隔室的处理效能。CODCr去除率(η)及CODCr贡献率(β)根据下式计算：

式中：m为CODCr的累计消耗量，mg/L；
M为进水CODCr，mg/L；
m"为反应器每个处理单元 CODCr消耗量，mg/L。

2.1 FcPTR和TcST对CODCr的去除效果

如图2所示，TcST和FcPTR在阶段Ⅰ对CODCr的去除率分别下降至33%、49%，在阶段Ⅱ对CODCr的去除率分别升至61%、86%，第46天出水CODCr分别维持在93、35 mg/L。稳定运行后，FcPTR反应器整体性能高于TcST，且具有较好抗冲击负荷能力。在阶段Ⅰ，由于生活污水浓度较低，微生物还未适应低有机负荷环境，其生长繁殖无法获得充足养分，填料上生物膜尚未完全形成，反应器适应能力不强，导致部分微生物死亡，CODCr去除率不断降低[17]。在阶段Ⅱ，有机负荷增至0.13 kg/(m3·d)，接种污泥逐渐得到驯化，填料上生物膜逐渐形成，厌氧微生物开始适应新的环境，CODCr去除率逐渐升高[18]。

图2 FcPTR和TcST启动期进出水CODCr及去除率Fig.2 CODCr and removal rate of inlet and outlet water during FcPTR and TcST startup

FcPTR各单元对CODCr的处理贡献率见图3。厌氧折流区对CODCr的处理贡献率维持在75%左右，好氧区和缺氧过滤区对CODCr的处理贡献率分别维持在6.5%和4.8%。在厌氧条件下，处理低浓度生活污水时，大多数复杂有机物，如碳水化合物、蛋白质和脂肪，在发酵细菌分泌的胞外酶作用下被水解，得到更简单的可溶性物质，如氨基酸、糖、脂肪酸和甘油[19-20]。因此厌氧单元作为预处理单元，可以增加大分子有机物处理效果。

图3 FcPTR各单元CODCr处理贡献率Fig.3 Contribution rate of CODCr treatment of FcPTR units

2.2 FcPTR和TcST中的pH变化

酸化是厌氧反应器将可溶性有机物转化为甲烷和二氧化碳的第一步，随之产生多种有机酸，如丁酸、乙酸、丙酸等[21]。Yu等[22]研究表明，相对于温度来说，pH变化更能影响厌氧反应器的产酸过程。

厌氧反应器中产酸菌最适宜pH为5.5～5.8，产甲烷菌的最适宜pH为6.6～7.5[23]。图4为反应器格室中pH变化。由图4可知，TcST出水pH普遍大于FcPTR厌氧区，FcPTR厌氧区pH处于微生物生长较适宜范围内，TcST较高pH不利于产酸和产甲烷菌生长繁殖。FcPTR中厌氧折流2区pH普遍大于厌氧折流1区。厌氧折流1区主要发生水解酸化反应，水解菌和酸化菌将难降解大分子物质转化为易生物降解的小分子物质，并同时产生乙酸、碳酸、甲酸等物质，导致厌氧折流1区pH降低。到厌氧折流2区产酸菌与产甲烷菌逐渐建立动态平衡。乙酸、碳酸、甲酸等被转化成甲烷、二氧化碳等，致使厌氧折流2区pH升高，因此FcPTR厌氧区具有较好产酸产甲烷分离特性，微生物生长均处于较为适宜酸碱环境中[24-25]。

图4 FcPTR和TcST中pH变化Fig.4 Variation of pH in FcPTR and TcST

2.3 FcPTR和TcST中的VFA及碱度变化

厌氧消化第一阶段为水解酸化，而发酵细菌酸化底物的速度是产甲烷菌消耗VFA速度的8倍，当反应器中产酸和产甲烷未建立动态平衡时，会导致VFA的积累，系统对pH变化的缓冲能力降低，运行环境恶化[26-27]。

TcST出水及FcPTR厌氧区VFA浓度和碱度变化如图5、图6所示。当阶段Ⅱ减少水力停留时间后，2个反应器中VFA浓度均有所下降，而碱度浓度上升，碱度与VFA浓度成反比。相对于TcST来说，FcPTR中VFA浓度小于TcST，所以TcST出水CODCr相对高于FcPTR。FcPTR中厌氧折流1区的VFA普遍高于厌氧折流2区，厌氧折流1区主要发生水解酸化反应，产生大量的VFA。随着水流推进，厌氧折流2区主要消耗厌氧折流1区产生的VFA用以产甲烷，该区VFA相应减少[28]。根据Bodkhe等[29]的研究，反应器正常运行的酸碱比要低于0.5，在运行阶段Ⅰ FcPTR厌氧区酸碱比维持在0.6～0.7，到运行阶段Ⅱ酸碱比降至0.12～0.20，说明FcPTR在启动后期处于较好运行状态。

图5 FcPTR和TcST中VFA浓度变化Fig.5 Variation of VFA concentrations in FcPTR and TcST

图6 FcPTR和TcST中碱度变化Fig.6 Variations of alkalinity in FcPTR and TcST

2.4 FcPTR启动期填料挂膜情况

由于PU填料孔洞较多，比表面积大，增加了厌氧菌与填料之间的接触面积，有利于微生物的附着生长和生物膜形成，使得污水中的有机物得到充分降解[30]。FcPTR厌氧区不同时期填料挂膜对比如图7所示。空白组填料表面光滑，在反应器启动第4天填料上无絮状污泥出现，此阶段主要为微生物的附着生长期，微生物含量相对较少，少量微生物被吸附并在填料内部生长，由于接种初期填料表面生物膜还未形成，填料上的微生物易被冲刷；
在反应器启动第43天填料内部聚集了大量的微生物，此阶段为微生物的成熟期，微生物已经适应新环境并由填料内部生长繁殖到填料外部，填料外部生物膜形成，使得微生物不易被冲刷。

图7 FcPTR中厌氧区不同时期填料表观的变化Fig.7 Apparent variation of filler in the anaerobic zone in FcPTR at different periods

为进一步研究填料挂膜情况，对空白填料和第43天的填料进行扫描电镜观察（图8），发现空白组填料表面光滑，且由于PU填料为多孔结构，所受水流的剪切力较小，便于微生物的附着生长。在第43天时填料附着的生物量比挂膜前明显提高，填料表面出现明显的生物聚集体，填料挂膜成功。第43天时填料上的生物量MLSS为1 720 mg/L，MLVSS为1 038 mg/L，MLVSS/MLSS为0.60，填料上生物浓度趋于正常水平。分别采用5 000、10 000、30 000倍对第43天FcPTR厌氧区污泥进行扫描电镜观察（图9），发现厌氧区污泥中菌群分布较为均匀，以球状菌为主，并且分布着少量短杆菌。

图8 FcPTR厌氧区填料SEM图Fig.8 SEM images of filler in the anaerobic zone of the FcPTR

图9 第43天FcPTR厌氧区污泥SEM图Fig.9 SEM images of sludge in the anaerobic area of FcPTR on the 43rd day

(1) 通过46 d的启动监测，耦合了填料、折流板和好氧处理技术为一体的FcPTR对低浓度的生活污水具有较好处理效果。在FcPTR维持低曝气(1.8 mg/L)情况下，出水 CODCr为35 mg/L，达到GB 18918——2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准。

(2) 对于低浓度的生活污水，通过降低HRT增加进水有机负荷，可以使反应器快速进入稳定运行状态。FcPTR相对于TcST对pH变化具有较好调节能力，当有机负荷由 0.06 kg/(m3·d)升至0.13 kg/(m3·d)后，FcPTR中酸碱比由0.6～0.7降到0.12～0.20，且FcPTR厌氧区存在产酸产甲烷相分离特性，反应器处于良好运行状态之中。

(3) 经过46 d的培养驯化，FcPTR中填料挂膜成功，填料上MLVSS/MLSS为0.60，填料上生物活性趋于良好状况；
FcPTR厌氧区污泥中以球状菌为主，且分布着少量短杆菌。

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