高效陶粒固定化復合厭氧菌群處理生活污水的研究

陳 鈴 容

(寧德職業技術學院，福建 福安 355000)

0 引言

我國人均淡水占有總量不足世界平均占有量的25%，排名全球第88位。近年來，我國相繼出現了嚴重的生活用水困難問題，在我國全國600多個城市中，超過一半的城市相繼出現了缺水現象，并造成超過7 000萬人口的生活用水困難。造成這一問題的原因并不完全由于人均水資源的匱乏。由于人口的城市化進程的不斷加快，環境水污染的問題也日益嚴重，造成國內眾多的江河、湖泊以及水庫等地的水質迅速下降，對我國居民用水的安全造成一定威脅。

固定化微生物技術通過物理或化學手段將微生物的活動范圍限制在固定空間內，并保持其活性從而便于反復連續使用[1]。本研究的內容主要是通過使用陶粒作為微生物載體將其固定，并在此基礎上借助于厭氧生活污水處理技術達到污水處理的目的。采用陶粒作為污水濃度的處理填料，本文主要考察了CODcr去除率與水力停留時間的定量關系，并討論低濃度生活污水處理效率問題。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

(1)塔式AF反應器一臺，高度1 000mm、外徑100mm、內徑90mm，反應器的下端支撐于布水器頂部，通過篩孔板板材料控制，各級級配的卵石按照從大到小的順序從下部開始逐漸往上填充，從而能起到再布水的作用。試驗用的陶粒裝于塔內，其填充高度為615mm，填水體積為2.3L，與陶粒基本持平。塔的頂端設置出氣口，水樣的采集口與出水口分別設置在塔體的410mm與720mm處，以方便試驗取出水樣。

(2)流量計以及濕式氣體流量計。其中流量計采用振興流量儀器廠生產的LZB-4型玻璃轉子式流量計，其計量的有效范圍為1～10L；氣體流量計采用上海煤氣表具股份有限公司生產的BSD0.6型濕式氣體流量計，其工作的環境溫度為5～35℃，壓力位3 000Pa，公稱流量為0.5m3/h，誤差為1%。

(3)數字式溫度測控儀。采用由上海醫用儀表廠生產的WMK402型數字式溫度測控儀，其溫控的范圍為0～99.9℃。

1.2 方法與流程

本試驗所用的升流式厭氧生物濾池(AF)如圖1所示。其中，T與AR分別代表溫度測控點與分析取樣點，圖中1～11號標識依次分別代表污水處理貯槽、污水泵、污水高位槽、轉子流量計、厭氧濾池、恒溫箱、溫度控制儀、加熱器、水封、貯水槽以及濕式氣體流量計[2]。

試驗中污水處理過程產生的主要氣體是二氧化碳與甲烷，均由塔頂溢出，氣體通過濕式氣體流量計后經奧氏氣體分析儀對其成分進行測定后再對外排放。試驗的進水方式為間歇進水，衡量標準采用CODcr去除率指標。采用四種不同掛膜方案，并比較升流式厭氧生物濾池采取不同掛膜方案后的污水處理效果[3]。

四種處理：(1)普通污泥與功能化高效陶粒掛膜；(2)未功能化高效陶粒與普通污泥掛膜；(3)普通污泥與納米改性陶粒掛膜；(4)復合菌群CHFH-1與功能化高效陶粒掛膜。試驗后期將對比上述四種不同的掛膜方式對污水處理效果的影響，并研究高效陶粒固定化微生物在厭氧反應器中的反應機理及其污水處理機制，為高效陶粒及復合厭氧菌的污水處理方式研究提供參考。

2 高效陶粒固定化復合厭氧菌群處理試驗的機理及工藝條件

2.1 試驗原理

本試驗采用升流式厭氧生物濾池(AF)作為試驗所需的厭氧生物濾床。在試驗過程中，污水中所含有機物在與污泥以及生物膜上的微生物接觸后，將被其吸附并逐漸消解[4]。通過升流式厭氧生物濾池對溶解性廢水進行處理時，系統的處理負荷最高可以達到5～15kgCOD/(m3/h)，部分試驗甚至可以達到50kgCOD/(m3/h)。

試驗中的反應器主要由位于池底的進水布水系統和污泥層、生物填料系統、池面出水補水系統、沼氣收集系統五個部分組成。厭氧生物濾池與反應器及其他厭氧生物處理構筑物相比，具有以下幾個方面的優點[1]：第一，由于存在較高的生物固定濃度，因而其有機負荷能夠達到較高的水平；第二，啟動迅速，一旦出現中斷，也能迅速啟動；第三，耐沖擊負荷的能力較強，由于微生物固體能夠保持較長的保留時間，因而可大大縮短污水所停留的時間，提高處理效率；第四，處理過程污泥數量少，無需回流，節約投資，簡化了系統，有利于運行管理；第五，處理負荷的劇烈變化對系統穩定運行造成的沖擊不大。

2.2 工藝條件

試驗的工藝條件主要包括溫度、營養、有毒物質、pH值以及厭氧環境等因素[5]。

(1)營養及pH值條件。

試驗工藝中所需的條件環境中，由于細菌對含碳及氮有機物的要求較高，同時還包括部分無機磷化物等。系統實驗的營養環境一般取定厭氧生物的處理工藝，BOD5與N、P的比例為100∶5∶1。試驗中所取生活污水中，由于本身含有較高的營養成分，在采取生物膜反應器進行處理時，往往并不需要添加額外的營養源；另一方面，由于各種厭氧菌群對于其環境pH值的要求各有不同，甲烷菌的要求相對較高，一般為6.8～7.8之間，其中最理想的pH值為6.8～7.2之間。本次試驗的pH值維持于7.2左右。

(2)溫度環境。

環境溫度對于厭氧菌微生物生長速率的作用主要通過影響微生物細胞內酶的活性來實現。當試驗中的反應器內部溫度比微生物所適應溫度的上限還要高時，將會造成微生物的死亡。而當環境溫度過高或者高溫環境的持續時間過長，即使溫度能夠恢復到正常水平，試驗微生物的活性也很難再達到正常水平。當環境溫度低于微生物適宜溫度的下限值時，通常微生物不會馬上死亡，但其活性會逐漸減退甚至停止代謝活動，一旦外界溫度恢復到正常水平，其活性才能夠逐漸恢復。

因而，對本實驗來講，環境溫度的驟然變動必然對微生物的活性造成不利影響，甚至造成試驗體系的崩潰，從而導致試驗失敗。

(3)攪拌。

對于本次試驗來講，對試驗物料的充分攪拌有利于提高其傳質，以提升反應器內部的反應速率及反應率，因而，系統內的適當攪拌是有利的。但過于劇烈的連續攪拌往往會對反應器內部的剪切力產生影響，從而影響到系統中產乙酸微生物與產甲烷微生物間的共生關系。本次試驗中的攪拌充分利用自然力因素，采取上流式的連續進水方式能夠充分利用上升水流以及沼氣產生過程的自然力，為系統節約資源的同時提高了消化率。

(4)毒害物質。

對厭氧微生物來說，環境中的有毒物質對其有抑制作用。污水中往往會含有一定量的毒害物質，包括重金屬、有毒有機物以及部分離子等。在本次試驗中，我們將對試驗用污水進行預處理，嚴格控制水中的Ca2+、Mg2+以及NH3等物質含量。

3 結果及討論

3.1 陶粒掛膜試驗

對掛膜特性的評價是衡量生物廢水處理方式填料特性的主要方式。首先需要完成反應器內部污泥的增殖與馴化，這時厭氧生物濾池的掛膜才能啟動[6]。本研究試驗將掛膜的啟動過程分為水力篩選和微生物繁殖兩個階段。

(1)水力篩選階段。

將2.3L陶粒、500mL污泥依次從反應器的頂部加入，最后放入營養液，直至淹沒填充料到溢流口處，上文中已經對營養液的指標進行了說明。先靜置24h，并在此后每天置換1/4的溶液。在啟動初期，厭氧污泥主要以懸浮狀態存在于反應器中，而這期間主要通過小水量緩慢間歇進水的方式，借助水力將附著性較差的絮狀菌體通過水流沖出反應器，而將那些具有較好吸附性并能夠沉降的微生物菌體截留并保存于填料之上。這一方式能夠充分保障微生物群的營養需求，最大限度地降低內部競爭。經過選擇，微生物在反應器中的分布將更加趨于合理。

(2)微生物大量繁殖階段。

在微生物的培養階段，經篩選，水質較為透明，逐步將系統的出水負荷增加，使得系統中的微生物能夠以較為均衡的速度增長。這時反應器中的處理效率將不斷提高，并逐步達到試驗要求的負荷水平。試驗的掛膜啟動過程采取高濃度進，逐步加大有機負荷的方式，這樣能夠滿足厭氧微生物繁殖對于營養物質的需求，也能夠同時提升裝置的池容產氣率，并達到增強攪拌功能促進系統穩定運行的目的。

試驗中采用納米改性的陶粒作為反應容器的填充料與普通污泥掛膜，試驗中掛膜的啟動時間大約需要經過12d；采用普通污泥與未功能化陶粒作為填充料，啟動時間被縮短為10d；功能陶粒與普通污泥掛膜的啟動時間為8d；而采用功能化的陶粒，并利用培養復合菌群CHFH-1掛膜，試驗掛膜的啟動時間僅需7d，即達到基本穩定的處理效果。因此，我們可以看出，通過固定化的微生物特性，能夠使得厭氧反應器的啟動時間大大縮短，使得反應效率得到有效提升。

3.2 陶粒運行試驗

在試驗過程中，確保CODcr衡量指標能夠符合掛膜的要求，通過對污水處理控制，可以提高污水控制與處理能力，污水處理過程中保證取值能夠符合污水處理效率的要求。

(1)納米改性陶粒為填料，普通污泥掛膜方式。

本試驗主要研究通過改性納米陶粒作為填充料，并使用普通污泥掛膜時系統的污水處理效果。進水CODcr控制在200mg/L左右，這里取值為223mg/L，系統初始處理負荷為0.53kgCOD/m3d。表1與圖2中列出了改性狀態下的HRT與COD去除率曲線關系。通過圖中曲線，我們可以看出，該方案下AF處理污水的效率比較低。圖2中，當HRT在初始的4h內COD去除率提高的幅度較大，這主要得益于反應器在初始時刻微生物的含量較為豐富。而隨著時間的逐漸推移，在隨后的2h內，COD去除率的提高幅度有限。在試驗過程中需要根據納米處理幅度進行控制，讓微生物能夠得到有效的控制，提高整個系統的污水處理能力，對改善污水系統運行能力具有重要的作用。

(2)功能性高效陶粒為填料，復合菌群CHFH-1掛膜。

采取該方案時主要研究以功能化高效陶粒作為填充并結合復合菌群CHFH-1掛膜時，系統對廢水的處理效率。本系統的進水CODcr仍然維持在200mg/L左右，實際的初始進水CODcr為197mg/L，系統初始的容積負荷為0.66kgCOD/m3d，試驗中COD去除率與HRT關系如表2圖3所示。從圖3中不難看出，與之前采取的模式相比，功能化高效陶粒與復合菌群CHFH-1掛膜的方案能夠有效提高其污水處理效率。經過統計計算，COD去除率達到79.2%。通過污水處理試驗可以看出，污水容積控制與模式控制具有緊密的聯系，當前需要從對填料控制的具體容積出發，建立試驗數據指標體系，提高污水處理能力。試驗數據表明，在HRT在4.5h以內時，系統能夠較快速地處理掉低濃度的生活污水COD，在隨后的2h內，COD去除速率基本穩定。

表1 方案(1)AF塔處理效果

表2 方案(2)AF塔處理效果

3.3 沼氣產量

系統中的產氣性能為產甲烷菌生長情況的外在表現，甲烷氣體產生的過程即為厭氧過程速率的限制過程。通過對系統中甲烷氣體的測定，可以掌握反應器中不同微生物菌群的成長情況，了解系統中甲烷菌的成長是否受到抑制。本次試驗中，將COD的濃度設定于200mg/L左右，并記錄產氣量與產氣速率，在此基礎上分析各種氣體成分以及COD去除率，從而得出不同試驗方案的產氣效果。試驗測得，在相同的水力停留時間情況下，使用功能化高效陶粒作為反應器的填充材料時，無論系統的產氣率還是產氣量均要高于納米改性材料。采用復合菌群CHFH-1掛膜時，系統的產氣量要明顯高于采用普通污泥掛膜的系統。

4 總結

上文中介紹應用于升流式厭氧生物濾池(AF)中處理低濃度生活廢水的試驗結果說明，從78%污水指標降低到25%污水指標，說明效果明顯。與其納米改性陶粒及其他填料相比，功能化陶粒填充料的優勢明顯。由于微生物對于功能化陶粒填充料的吸附性更強，且采用該填充物系統的掛膜啟動快，另外通過固定化復合菌CHFH-1也能大幅度提高COD去除效率。試驗證明，在保證適當的水力負荷與水力停留時間時，功能化高效陶粒與復合菌CHFH-1掛膜結合的系統，其掛膜時間僅為7d，COD去除率達到79.2%，產氣速率以及產氣量也大于其他系統，綜合來看，系統的性能遠遠優于采用其他材料的系統。

參考文獻：

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