目前, 污水處理的普及率越來越高, 而污水處理的能耗問題也愈發(fā)突出, 在典型的污水好氧生物處理系統(tǒng)中, COD的去除是通過曝氣實(shí)現(xiàn)的, 通常需要高于2.0 mg·L-1的溶解氧來降低污水中的COD, 而曝氣是污水處理系統(tǒng)中能源消耗最多的部分, 據(jù)統(tǒng)計(jì), 約占總電量消耗的50%~60%.在曝氣階段, 污水中的COD被轉(zhuǎn)化為CO2排放到大氣中, 常規(guī)活性污泥法中, 二氧化碳的總排放量為0.544~0.616 kg·m-3, 有機(jī)質(zhì)沒有被有效利用.

　　與好氧生物處理技術(shù)相比, 厭氧生物處理技術(shù)無需曝氣, 可通過厭氧微生物將污水中的COD轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等, 節(jié)省能耗的同時(shí)可產(chǎn)生清潔能源甲烷, 甲烷是一種非常有價(jià)值的碳?xì)浠�合物生物燃�? 其熱值高達(dá)36.5 MJ·m-3.傳統(tǒng)的厭氧生物處理技術(shù)主要集中于高濃度廢水, 如食品廢水、養(yǎng)殖廢水和酒精廢水等, 對于低濃度的城市生活污水研究較少, 其原因是在常溫和低濃度條件下厭氧微生物生長緩慢, 而隨著能源的日益緊缺及厭氧生物處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完善, 越來越多的研究者把目光轉(zhuǎn)向低濃度污水的厭氧生物處理,, 通過分離水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(sludge retention time, SRT)維持系統(tǒng)內(nèi)的微生物數(shù)量來克服厭氧微生物生長緩慢, 反應(yīng)速率低的缺點(diǎn).

　　厭氧濾池(AF)是一種內(nèi)部填充固體濾料的反應(yīng)器, 微生物在濾料表面附著生長, 形成厭氧生物膜, 通過生物膜內(nèi)微生物的生化反應(yīng)及濾料層的吸附截留作用降解轉(zhuǎn)化污染物.厭氧生物濾池微生物量高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng), 可以有效地分離水力停留時(shí)間(HRT)與污泥停留時(shí)間(SRT), 運(yùn)維成本較低, 是一種理想的厭氧反應(yīng)器形式.

　　本研究以實(shí)際生活污水配加葡萄糖為研究對象, 采用火山巖為濾料, 對上向流厭氧濾池(UAF)處理低濃度城市生活污水的可行性進(jìn)行了研究, 利用小試反應(yīng)器探究了在不同水力停留時(shí)間(HRT)下, 反應(yīng)器的處理效果以及主要的產(chǎn)甲烷菌群的變化, 以期為上向流厭氧濾池工藝(UAF)在城市生活污水厭氧處理中的應(yīng)用與推廣提供指導(dǎo).

　　1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

 1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　本研究采用上流式厭氧濾池(UAF), 反應(yīng)裝置如圖 1所示.反應(yīng)器主體由有機(jī)玻璃制成, 濾柱內(nèi)徑18 cm, 總高195.4 cm, 其中濾料層高110 cm, 有效容積為28 L.本實(shí)驗(yàn)所用濾料為火山巖濾料, 直徑為3~5 mm.濾柱每隔20 cm設(shè)1個(gè)取樣口, 共6個(gè)取樣口.反應(yīng)器主體纏繞加熱帶并包裹保溫棉, 維持反應(yīng)器內(nèi)溫度為35℃±1℃.

　　圖 1

圖 1 上向流厭氧濾池裝置示意

　　1.1.2 實(shí)驗(yàn)用水和接種污泥

　　本實(shí)驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)家屬區(qū)實(shí)際生活污水并外加葡萄糖配制成實(shí)驗(yàn)進(jìn)水, 進(jìn)水COD保持在300 mg·L-1左右, 進(jìn)水水質(zhì)與實(shí)際城市污水處理廠污水水質(zhì)類似.

　　實(shí)驗(yàn)廢水水質(zhì)如表 1所示.

　　表 1 實(shí)驗(yàn)廢水水質(zhì)

　　接種污泥取自北京某流域管道底泥及北京工業(yè)大學(xué)生活污水儲水箱底泥, 二者按1：2投加, 投加污泥濃度(mixed liquid suspended solids, MLSS)為10g·L-1.

　　1.2 反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行控制

　　反應(yīng)器在HRT=24 h的條件下啟動(dòng), 進(jìn)水COD濃度為110.7~404 mg·L-1, 平均濃度為244.6 mg·L-1, 運(yùn)行28 d后, COD去除率可穩(wěn)定達(dá)到75%以上, 此后進(jìn)入HRT優(yōu)化期, 共分為5個(gè)不同階段, 分別為24 h(第29~49 d)、18 h(第50~70 d)、12 h(第71~97 d)、5 h(第98~136 d)和2.5 h(第137~178 d), 以達(dá)到低HRT條件下城市生活污水厭氧生物處理.每次HRT的改變均在前一階段運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行.

　　1.3 常規(guī)分析方法

　　水質(zhì)分析方法：COD采用快速消解分光光度法[北京連華永興科技發(fā)展有限公司, 5B-3(C)]測定.

　　掃描電鏡方法：首先將濾料樣品置于2.5%戊二醛中, 于4℃冰箱中固定1.5 h, 用磷酸緩沖液沖洗3次后分別用50%、70%、80%、90%和100%乙醇進(jìn)行脫水, 每次10~15 min.然后分別用100%乙醇/乙酸異戊酯(1：1)、純乙酸異戊酯各置換一次, 每次15 min.干燥噴金后采用掃描電鏡(Hoskin Scientific, Tokyo, Japan)對樣品進(jìn)行觀察.

　　揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA)和氣態(tài)甲烷(gCH4)用裝有氫火焰離子化檢測器(flame ionization detector, FID)的Agilent 7890A系列氣相色譜(Agilent Technologies, USA)進(jìn)行分析, 揮發(fā)性脂肪酸(VFA)分析測定前水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾.

　　1.4 分子生物學(xué)分析方法

　　為了表征反應(yīng)器中菌群結(jié)構(gòu)變化, 對接種污泥以及不同HRT條件下穩(wěn)定期的生物膜樣品進(jìn)行DNA提取和實(shí)時(shí)熒光定量PCR(quantitative real-time PCR, QPCR)分析.為了考察不同高度濾料層菌群結(jié)構(gòu)的特征, 在第Ⅳ階段(HRT=5 h), 從反應(yīng)器上(80 cm)、中(40 cm)和下(0 cm)這3個(gè)位置取生物膜樣品進(jìn)行DNA提取和QPCR分析.

　　通過振蕩將生物膜與濾料分離, 并在凍干機(jī)(Labconco, USA)中冷凍干燥.使用用于土壤的快速DNA提取試劑盒(MP Biomedicals, Solon, OH, USA)從凍干樣品中提取DNA.提取后用NanoDrop One(Thermo Fisher Scientific, Wilmington, DE, USA)測量DNA濃度和純度.

　　對反應(yīng)器中4種關(guān)鍵的產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行QPCR分析, 所用特異性引物如表 2所示, QPCR反應(yīng)體系為20 μL, 包括10 μL SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ(Taraka, Japan)試劑, 1.6 μL引物, 6.4 μL無菌水, 2 μL模板DNA.采用Stratagene MX3005p thermocycler (Agilent Technologies, USA)儀器進(jìn)行定量.

　　表 2 QPCR分析的特異性引物序列

　　2 結(jié)果與討論

 2.1 UAF系統(tǒng)的運(yùn)行與水力條件優(yōu)化

2.1.1 不同HRT條件下COD處理效果

　　反應(yīng)器在經(jīng)過28 d的啟動(dòng)期后, COD的去除效率逐漸趨于穩(wěn)定, 在不同的HRT條件下, 平均進(jìn)水COD濃度分別為264.85 mg·L-1(24 h)、275.4 mg·L-1(18 h)、352.42 mg·L-1(12 h)、317.57 mg·L-1(5 h)和321.04 mg·L-1(2.5 h), 平均COD去除率分別為75.54%、76.78%、77.65%、77.05%和75.98%, 進(jìn)出水COD濃度及去除率如圖 2所示.

　　圖 2

圖 2 不同HRT條件下COD濃度及去除率變化

　　COD去除率基本穩(wěn)定在75%以上, 這表明反應(yīng)器內(nèi)微生物菌群已經(jīng)逐漸適應(yīng)低濃度生活污水的條件.每次HRT改變后的一段時(shí)間內(nèi), 反應(yīng)器會(huì)出現(xiàn)“不穩(wěn)定期”, COD的去除率比前一階段有明顯下降, 然后COD去除率開始逐漸回升, 進(jìn)入“穩(wěn)定期”. HRT發(fā)生變化時(shí), 會(huì)誘導(dǎo)反應(yīng)器內(nèi)微生物種群的變化, 導(dǎo)致系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài), 需要一段時(shí)間的適應(yīng)過程, 這在本研究HRT由12 h降至5 h的過程中表現(xiàn)的尤為明顯：HRT降至5h后, COD的去除率明顯下降, 一周后開始逐漸回升, 在第17 d基本進(jìn)入“穩(wěn)定期”, “穩(wěn)定期”COD去除率為77.14%~87.18%, 平均去除率為82.44%, 出水COD濃度為35.48~79.03 mg·L-1, 平均濃度為55.88 mg·L-1.本研究中, 每階段“穩(wěn)定期”的平均COD去除率分別為73.43%、78.81%、78.51%、82.44%和75.12%. HRT由24 h逐步縮短至5 h的過程中, COD去除率逐漸升高, 在厭氧反應(yīng)器中, 污水和微生物之間的物質(zhì)傳遞在有機(jī)物降解過程中發(fā)揮極其重要的作用, 隨著反應(yīng)器HRT的降低, 一方面有機(jī)負(fù)荷有較大的提升;另一方面較大的上升流速增強(qiáng)了微生物與污水之間的物質(zhì)傳遞, 提高了反應(yīng)器的處理效果.微生物與底物的接觸程度對于底物的充分轉(zhuǎn)化有重要的影響, 以中等混合程度為最佳.當(dāng)HRT由5 h縮短至2.5 h時(shí), 微生物與底物之間的接觸時(shí)間過短, 最終導(dǎo)致了處理效果的下降.

　　2.1.2 沿程COD降解轉(zhuǎn)化規(guī)律

　　同時(shí)檢測了啟動(dòng)期及HRT=2.5 h條件下的沿程COD及VFAs濃度變化, 結(jié)果如圖 3所示.在啟動(dòng)期, 投加的種泥有相當(dāng)一部分沉降堆積在進(jìn)水混合區(qū)以及承托層處, 導(dǎo)致COD的去除主要集中在進(jìn)水混合區(qū)、承托層及0~20 cm濾料層處, 在20~100 cm濾料層COD的去除量很少, 原水中的VFAs以及發(fā)生水解酸化反應(yīng)產(chǎn)生的VFAs在反應(yīng)器底部即被產(chǎn)甲烷菌所利用, 并沒有發(fā)生VFAs積累的現(xiàn)象, 出水VFA濃度<4 mg·L-1.

　　圖 3

圖 3 不同HRT條件下沿程COD及VFAs濃度變化情況

　　HRT=2.5 h時(shí), COD在濾料層0~60 cm處都有降解, 濾料層得到了較為充分的利用, 但平均出水COD濃度較前階段“穩(wěn)定期”提升了近21 mg·L-1.主要的原因可能是：①HRT過短導(dǎo)致微生物與底物接觸時(shí)間不足;②濾料層上部生物膜數(shù)量較少, 微生物數(shù)量低, 因此對COD的降解能力不足, 導(dǎo)致出水COD濃度偏高.在反應(yīng)器運(yùn)行的第175 d(HRT=2.5 h), 分別對濾料層0、40和80 cm處濾料生物膜表觀形態(tài)進(jìn)行掃描電鏡觀察, 結(jié)果如圖 4所示

　　圖 4

圖 4 濾池運(yùn)行第175 d不同高度濾料層濾料生物膜表觀形態(tài)

　　由圖 4可以看出, 濾料層底部生物膜較為豐富致密, 微生物由胞外聚合物粘連呈絲狀包裹在濾料表面, 隨著高度的增加, 濾料表面的生物膜量逐漸減少, 在80cm處生物膜已非常稀薄, 濾料的大部分沒有生物膜的包被.在生物膜形成過程中, 水力剪切與底物濃度對生物膜結(jié)構(gòu)有顯著影響, 由于濾池采用上向流運(yùn)行方式, 濾料層不同高度處接觸COD濃度不相同, 導(dǎo)致各層生物膜生長狀態(tài)不同, 底部微生物富集生長速度較快, 頂部生物量增長速率較低.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.2 UAF系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力及能耗分析

2.2.1 甲烷體積分?jǐn)?shù)與甲烷產(chǎn)率變化

　　測定了不同HRT條件下甲烷體積分?jǐn)?shù)及甲烷產(chǎn)率的變化情況, 結(jié)果如圖 5所示.甲烷所占的氣體體積分?jǐn)?shù)隨著HRT的降低呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢, 分別為49%、49.5%、47.9%、60.9%和65.76%.前3個(gè)階段甲烷體積分?jǐn)?shù)并沒有明顯變化, 而將HRT降低到5 h之后, 水力剪切作用極大促進(jìn)了生物膜的形成和微生物與底物之間的傳質(zhì)效率, 使得甲烷體積分?jǐn)?shù)有明顯的上升. HRT=2.5 h初期, 由于前一階段結(jié)束后將反應(yīng)器內(nèi)水排空進(jìn)行生物學(xué)樣品取樣, 因此反應(yīng)器上部空間為空氣, 測得甲烷體積分?jǐn)?shù)偏低, 隨著反應(yīng)器的運(yùn)行, 原有氣體不斷被排出, 甲烷體積分?jǐn)?shù)不斷增大, 穩(wěn)定后維持在73%左右.

　　圖 5

圖 5 不同HRT條件下甲烷體積分?jǐn)?shù)及甲烷產(chǎn)率的變化

　　在反應(yīng)器運(yùn)行的不同階段內(nèi), 甲烷產(chǎn)率(每消耗單位質(zhì)量底物產(chǎn)生的甲烷的量, 以CH4/CODre計(jì))分別為0.14、0.20、0.26、0.24和0.30 L·g-1, 總體隨HRT的降低而升高.在之前的研究中, 甲烷產(chǎn)率一般在0.14~0.32 L·g-1之間, Manariotis等利用AF處理低濃度廢水的研究中, 甲烷產(chǎn)率隨著HRT的降低而逐漸增大, 當(dāng)甲烷產(chǎn)率達(dá)到頂峰后再縮短HRT會(huì)使其下降, 這與本研究結(jié)果類似.甲烷與COD的理論轉(zhuǎn)化率為0.35 L·g-1(0℃, 1.01×105Pa), 由于一部分甲烷溶解在水中隨出水排放掉, 因此反應(yīng)器的實(shí)際甲烷產(chǎn)率要略低于理論甲烷產(chǎn)率, 如何回收利用出水中溶解態(tài)甲烷是后續(xù)研究中要關(guān)注的問題.

　　2.2.2 系統(tǒng)能耗分析

　　每摩爾甲烷燃燒所產(chǎn)生的能量為800 kJ(0.222 kW·h), 考慮到能源轉(zhuǎn)換率, 甲烷燃燒所產(chǎn)生的能量大約有33%能夠轉(zhuǎn)化為電能, 在本研究中, 不同HRT條件下系統(tǒng)產(chǎn)能分別為0.053、0.166、0.270、0.200和0.210 kW·h·m-3.系統(tǒng)的能耗主要是進(jìn)水蠕動(dòng)泵的能耗, 可由公式算出：

　　式中, P為能耗需求(kW), Q為流量(m3·s-1), γ為9 800 N·m-3, E為水頭損失(m).

　　計(jì)算得到各階段反應(yīng)器運(yùn)行的泵能耗分別為0.002 18、0.002 18、0.004 08、0.004 08和0.005 44 kW·h·m-3, 約占產(chǎn)能的4.15%、1.31%、1.51%、2.04%和2.59%, 產(chǎn)能可完全滿足泵能耗需求, 凈產(chǎn)能為0.050 33、0.163 45、0.266 08、0.195 59和0.204 53 kW·h·m-3.

　　2.3 UAF系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌群的富集

　　為了解析城市生活污水厭氧生物處理過程中的微生物群落結(jié)構(gòu), 對反應(yīng)器內(nèi)主要的產(chǎn)甲烷菌群進(jìn)行了定量分析, 結(jié)果如圖 6所示.

　　圖 6

圖 6 不同HRT條件下系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)甲烷菌群豐度

　　利用QPCR技術(shù)檢測出反應(yīng)器中存在3組產(chǎn)甲烷古菌：Methanobacteriales, Methanomicrobiales和Methanosarcinales.其中Methanosarcinales屬于乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌, 而Methanobacteriales和Methanomicrobiales則屬于氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌. Methanococcales在本研究中未被檢測到.由3種產(chǎn)甲烷菌的測定結(jié)果可以得到, 乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanosarcinales的豐度(以干污泥計(jì))一直保持較高水平, 在HRT=2.5 h條件下, 其豐度為5.22×1010 copies·g-1, 分別為Methanobacteriales和Methanomicrobiales的6.78倍和11.51倍, 在反應(yīng)器內(nèi)占主導(dǎo)地位. Díaz等利用UASB反應(yīng)器處理啤酒廢水, 其系統(tǒng)內(nèi)乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanosaeta是主要的菌種, 占總古細(xì)菌數(shù)的75%~95%. Guo等的研究指出, 在一般的污泥消化系統(tǒng)中, 普遍都是乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌占主導(dǎo)地位.氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanobacteriales的豐度(以干污泥計(jì))在前5個(gè)階段保持相對穩(wěn)定, 在HRT=2.5h條件下由2.03×109 copies·g-1提高至7.71×109 copies·g-1, 增長3.8倍;而Methanomicrobiales在前5個(gè)階段一直保持減少的趨勢, 當(dāng)反應(yīng)器在HRT=2.5 h條件下運(yùn)行時(shí), 該菌豐度(以干污泥計(jì))較前一階段有了顯著地提高, 其從1.64×108 copies·g-1上升至4.54×109 copies·g-1, 增長了27.6倍.在低HRT條件下, 系統(tǒng)內(nèi)容易發(fā)生VFA的積累, 而氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌對酸的耐受性要高于乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌, 因此在低HRT條件下氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌得到大量增殖. Li等的研究認(rèn)為, 在系統(tǒng)中富集氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌更有利于系統(tǒng)在短HRT條件下穩(wěn)定運(yùn)行.

　　對反應(yīng)器運(yùn)行的第Ⅳ階段(HRT=5 h)濾料層不同位置(0、40和80 cm)微生物進(jìn)行了定量分析, 結(jié)果如圖 7所示.由圖可知, 濾料層不同高度都存在較高豐度的產(chǎn)甲烷菌, 這種微生物分布狀態(tài)有利于濾池不同高度濾料層進(jìn)行產(chǎn)甲烷反應(yīng).同時(shí), 濾料層最底端(0 cm)產(chǎn)甲烷菌豐度最高, 中部(40 cm)次之, 上部(80 cm)最低, 這與圖 4生物膜表觀形態(tài)觀測結(jié)果相吻合, 其原因可能是：①接種污泥后部分種泥在重力作用下向下移動(dòng), 導(dǎo)致濾池內(nèi)污泥呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài), 底部微生物豐度高于上部;②濾池沿程底物濃度呈現(xiàn)下高上低的狀態(tài), 底部微生物生長速率高于上部, 使微生物豐度由下向上逐漸降低.

　　圖 7

圖 7 濾料層不同高度產(chǎn)甲烷菌群豐度

　　2.4 問題與展望

　　UAF在去除COD的同時(shí)可進(jìn)行資源的回收利用, 可滿足污水處理廠節(jié)能降耗的需求, 但是該工藝對于氮、磷等污染后的去除能力較差, 需要后續(xù)耦合其他工藝進(jìn)一步處理, 如硝化反硝化工藝、短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝和一體化脫氮工藝等.通過UAF去除COD不但可以節(jié)省曝氣回收能源, 還有利于厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)與運(yùn)行, 馬艷紅等的研究發(fā)現(xiàn), COD濃度越高, 厭氧氨氧化活性的增長越緩慢, 導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間延遲.因此, 利用UAF處理生活污水具有非常高的應(yīng)用潛力.

　　3 結(jié)論

　　(1) 上向流厭氧濾池反應(yīng)器接種儲水箱污泥和管道底泥, 35℃、HRT=24 h條件下運(yùn)行28 d后COD去除率可穩(wěn)定達(dá)到75%以上.

　　(2) 隨著HRT的降低, 反應(yīng)器COD去除率逐漸提高, 在HRT=5 h時(shí)COD去除率最高可達(dá)85%以上, 出水COD濃度低于50 mg·L-1, 進(jìn)一步縮短HRT至2.5 h后COD去除率降低至75.98%.

　　(3) 甲烷體積分?jǐn)?shù)和甲烷產(chǎn)率都隨HRT的減少而增高, 在HRT=2.5 h的情況下分別為73%和0.30 L·g-1, 系統(tǒng)產(chǎn)能可滿足泵能耗需求.同時(shí), 有部分甲烷溶解在出水中, 導(dǎo)致甲烷產(chǎn)率低于理論產(chǎn)率.

　　(4) 反應(yīng)器內(nèi)乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanosarcinales占主導(dǎo)地位, 在HRT=2.5 h條件下其豐度分別為Methanobacteriales和Methanomicrobiales的6.78倍和11.51倍.在HRT=2.5 h條件下, 3種主要的產(chǎn)甲烷菌群豐度都得到了不同程度的增長.同時(shí), 濾料層底部產(chǎn)甲烷菌豐度最高, 中部次之, 上部最低.(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：楊忠啟)