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--> --> --> 近年来，农村生活污水排放量不断增大，随之而引起的水体污染问题也越来越突出[1]。由于农村污水产生面广且分散，水质和水量波动大，常规的好氧生物或生态处理工艺往往无法达到令人满意的处理效果[2-3]。而厌氧生物处理技术以其较低的能耗、较少的污泥产生量和较好的能源回收潜力越来越引起研究者的关注[4]。厌氧生物处理技术主要依靠厌氧微生物的生物降解作用，实现污水中污染物的去除[5]。厌氧折流板反应器(ABR)和厌氧滤池(AF)是2种常用的污水厌氧处理技术，具有处理效率高、结构简单等优点，因而备受研究者的关注[6-7]。
由于农村生活污水污染物浓度低，厌氧微生物生长速度缓慢且对环境条件较为敏感，故处理农村污水的厌氧反应器往往需要较长的启动时间。杨春等[8]利用填充有无纺布填料的ABR处理农村污水，在反应器运行至第60 d时才完成启动，在启动期的最高COD去除率为66%。赵丽等[9]利用接种了厌氧颗粒污泥的ABR处理模拟畜禽养殖废水，反应器的启动期长达64 d。MOUSSAVI等[10]利用未接种污泥的上流式化粪池处理生活污水，运行81 d才完成启动。由于处理农村生活污水的厌氧反应器的启动时间过长，使反应器在实际污水处理的应用中往往受到一定限制。因此，如何对用于农村生活污水处理的厌氧反应器进行有针对性地设计以实现反应器的快速启动非常重要。
本研究构建了基于厌氧折流板和厌氧滤池工艺集成的强化复合厌氧反应器。通过考察反应器的COD去除率、CH4产生量、各格室pH和Eh变化等，研究其快速启动特性。该研究结果可为强化复合厌氧反应器在农村生活污水处理的应用提供参考。
1.1. 强化复合厌氧反应器的构建
通过有机结合填料型厌氧折流板反应器和厌氧滤池各自的优势，构建出强化复合厌氧反应器。利用厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法的协同作用，强化反应器内的传质和微生物反应，提高污水中污染物的处理效率。如图1所示，强化复合厌氧反应器分为填料型厌氧折流区单元和厌氧滤池区单元。强化复合厌氧反应器有效容积为120 L，长、宽、高分别为80、20和103 cm。反应器由上部的折流区单元和下部的滤池区单元串联而成。其中，厌氧折流区单元内设4个格室，上、下流格室宽度比为3∶1，4个格室上部均悬挂立体弹性填料，填料的中心绳为聚酰胺材质，丝条材质为聚丙烯。厌氧滤池区以3 mm孔径的有机玻璃板为滤料支撑板，其上填充砾石和陶粒轻质颗粒滤料。其中的砾石粒径为5~8 mm、陶粒粒径为4~6 mm，两者的填充率为40%~50%。滤池区单元中间设倾斜布水板，底部设置锥形槽，折流区单元流失至滤池区单元的污泥可在锥形槽中有效沉积，并回流至折流区单元或排出，以避免滤池区单元的堵塞。待处理污水首先进入折流区单元，折流区单元未能降解的污染物在滤池区单元内进一步降解。
厌氧折流区单元的4个格室将不同类型的厌氧微生物分格室生长和代谢，实现产酸相和产甲烷相的分离。在厌氧折流区的4个格室均填充立体弹性填料，截留污水中的颗粒物及微生物絮体，使污泥不发生流失，确保各格室内有足够的微生物量；同时，格室型设计可为絮体在填料中的聚集和密度增大创造条件，有利于颗粒污泥的形成。厌氧滤池区单元则依靠滤料的截留、吸附以及厌氧微生物的生物降解作用，提高污水中污染物的去除效果，保证反应器出水水质和增强抗冲击负荷能力。
强化厌氧反应器的厌氧折流区单元和厌氧滤池区单元为上下串联形式，结构紧凑，能够大大减小整体占地面积。通过厌氧折流区污泥层和填料的截留和沉淀作用，污水中的大部分悬浮物得以去除，从而能够保证厌氧滤池区单元填料不发生堵塞。厌氧滤池区单元与厌氧折流区单元发挥协同作用，实现污水中污染物的高效去除。
1.2. 接种污泥与进水水质
复合厌氧反应器采用实际农村生活污水作为进水，进水水质参数：pH为6.5~8.5、COD为187~380 mg·L?1、接种污泥取自北京市某城市污水厂二沉池，经厌氧驯化、培养成熟后使用。培养期间加入一定的营养液并对上清液进行外排，不定时对污泥进行搅拌。污泥接种量为反应器有效容积的35%左右。接种污泥参数：pH为6.9、SVI为68.71 mL·g?1、MLVSS浓度为5 643.52 mg·L?1、MLSS浓度为9 282.10 mg·L?1。
1.3. 强化复合厌氧反应器的启动
将厌氧驯化、培养成熟的污泥边搅拌边用蠕动泵均匀接种至反应器不同格室，并通入农村生活污水，静置2 d后，反应器开始连续运行。反应器启动采用维持进水浓度不变、逐步缩短HRT的方法，HRT由最初的40 h逐渐缩短至33、24 h；进水COD在187~380 mg·L?1、容积负荷为0.11~0.38 kg·(m3·d)?1(以COD计)。在反应器的启动期间，温度维持在(35±1) ℃，不进行排泥。1.4. 检测指标及分析方法
各项检测指标均参照《水和废水监测分析方法》[11]进行测定。其中，COD采用重铬酸钾-紫外分光光度法测定；MLSS 和MLVSS浓度采用重量法测定。甲烷体积采用湿式气体流量计计量法测定；pH采用FiveEasy Plus台式pH计测定；Eh值采用哈希HQ11D氧化还原电位检测仪测定。2.1. 强化复合厌氧反应器对COD的去除效果
复合厌氧反应器启动期的进、出水COD和COD去除率变化如图2所示。可以看出，进水COD在187~380 mg·L?1。其中，在启动初期(1~10 d)，反应器出水COD相对较高(113~190 mg·L?1)；到了启动中期(11~19 d)，反应器出水COD逐渐降低，去除率逐渐升高，到第19天，COD去除率已达66.7%；到了启动后期(20~25 d)，反应器出水COD进一步减小，在第25天时，反应器出水COD降至65 mg·L?1，去除率达70.7%，且趋于稳定。可见，在反应器启动初期，由于接种污泥尚未适应反应器中特殊的厌氧环境，优势微生物种群数量和活性均不高，对COD的去除率也相对较低；随着反应器运行期的延长，水解酸化菌和产甲烷菌快速增殖、活性增加，对COD的去除率不断升高，并逐渐趋于稳定。
强化复合厌氧反应器对COD的去除，主要基于折流区单元的生物降解作用及滤池区单元的截留、吸附和滤料表面生物膜层的生物降解作用。在反应器启动期，折流区和滤池区2个不同单元对进水COD的去除贡献率变化结果见图3。可以看出，折流区单元对COD的去除贡献率为70.3%~ 79.2%，平均为76.4%；而滤池区单元对COD的去除贡献率仅为20.8%~29.7%，平均为23.6%。这表明，在反应器的启动期，折流区单元对整体COD的去除起主要作用。其原因在于：农村生活污水COD相对较低，经折流区单元处理后，其出水COD更低，这导致留给滤池区单元的进水COD负荷已不大，即使全部去除也无法提升滤池区单元对整体COD去除的贡献率；更重要的是，对于COD较低的进水，滤池区单元的滤料挂膜很难，微生物和底物基质之间传质驱动力亦低，从而导致对COD的生物降解作用较小，使得滤池区单元对COD的去除主要基于滤料的截留、吸附等物化作用[12]。因而滤池区单元对COD的去除贡献率相对较低且稳定。
2.2. 强化复合厌氧反应器启动期不同格室pH的变化
pH对厌氧微生物的生长及活性可产生重要影响，进而影响整个厌氧处理过程[13]。因此，pH是反映启动期厌氧反应器运行正常与否的一个重要指标。在启动期，反应器不同格室pH变化如图4所示。可以看出，在启动期，反应器不同格室的pH为6.8~7.0，在厌氧产甲烷菌生长的最适pH范围内[13-14]。在污水厌氧生物处理过程中，甲烷产生的最佳pH范围为6.6~7.6，如果pH降至6.5以下，则会严重抑制甲烷的生成[14]。
在启动初期和中期(1~19 d)，反应器前端(第1、2格室)的pH(6.8~6.9)小于后端(第3、4格室)的pH(6.9~7.0)。这是因为，在启动期，反应器的前端格室进水COD较高，COD发生水解酸化，产生较多量的挥发性脂肪酸(VFAs)，且产酸菌和产甲烷菌之间没有建立代谢平衡，VFAs的产生速率大于消耗速率，致使前端格室内VFAs积累，pH降低。在启动后期(20~25 d)，反应器后端格室的pH变化渐小，但前端格室特别是第1格室的pH有一定幅度的增加。这表明，到了反应器启动后期，不同格室内的产酸和产甲烷反应逐渐形成动态平衡，产甲烷菌能有效消耗产酸过程产生的VFAs。
2.3. 强化复合厌氧反应器启动期不同格室Eh的变化
Eh是表征污水厌氧生物处理系统的一个综合性指标，既可以反映污水有机物的可生物降解潜力，也可以指示反应器中水解酸化相和产甲烷相的分布[15-17]。在启动期，反应器4个格室Eh的变化如图5所示。可以看出，在启动期，反应器进水Eh在(?105±5)~(?197±3) mV、出水Eh在(?166±9)~(?294±5) mV。其中，在启动初、中期(1~19 d)，反应器Eh整体呈下降趋势，各格室Eh范围为(?135±5)~(?296±6) mV，且沿程方向逐渐降低；在启动后期(20~25 d)，反应器Eh变化幅度减小，出水Eh在(?285±9)~(?294±5) mV。这表明，在启动后期，反应器中的产甲烷菌逐渐适应了系统内的环境，其产甲烷反应和水解酸化菌的产酸反应趋于平衡。在本研究中，Eh沿程降低的趋势符合厌氧系统水解酸化相和产甲烷相的分布特点[15]。VONGVICHIANKUL等[18]发现，厌氧过程产酸阶段的Eh在(?284±33) mV、产甲烷阶段的Eh为(?336±29) mV。
2.4. 强化复合厌氧反应器启动期CH4产生量的变化
CH4产生量也是衡量污水厌氧处理反应器运行状况的重要指标。反应器启动期CH4产生量的变化情况见图6。可以看出，在启动期，反应器的CH4产生量随着有机负荷率(OLR)的增大而增大。自运行的第4天起，反应器开始产生少量CH4；到第10天，进水OLR为0.10 kg·(m3·d)?1，CH4产生量达116 mL·d?1；到了第19天，OLR升高至0.17 kg·(m3·d)?1，而CH4产生量达309 mL·d?1。在反应器启动初期，厌氧微生物增殖缓慢且活性较低，特别是产甲烷菌的增殖速度低，因而限制了产甲烷过程，导致反应器的CH4产生量较低；随着反应器启动期的延长，特别是到了启动后期，产甲烷菌数量和活性均有了较大的提高，导致CH4产生量增加并趋于稳定。
2.5. 强化复合厌氧反应器折流区单元填料挂膜情况
分别对反应器启动初期(第5天)和启动期末(第25天)折流区单元的填料挂膜情况进行了分析，结果见图7。可以看出，在反应器启动初期(第5天)，填料丝条表面附着一层絮状污泥，污泥呈棕黄色，污泥量少，且缺乏光泽。在反应器启动期末(第25天)，填料表面附着的污泥量增加，相邻填料丝之间生物膜彼此连接，厚度增加，絮体和污泥床层中有气泡生成，同时水面有一层白色浮膜形成，这表明折流区单元内污泥生长和填料挂膜情况良好。
同时，对折流区单元4个格室的污泥层高度和不同高度处的污泥VSS浓度进行了分析。发现折流区单元4个格室的污泥层高度为24~32 cm，不同高度处的污泥VSS浓度为6.7~23.5 g·L?1。其中，不同格室污泥层高度和VSS浓度大小顺序均为第1格室>第2格室>第3格室>第4格室。
2.6. 小结
综合分析反应器在启动期进水 COD 的去除率、CH4产生量、不同格室 pH 和 Eh 变化，可以得出：强化复合厌氧反应器能够在 25?d 成功实现启动。与常规农村污水处理厌氧反应器相比，强化复合厌氧反应器启动时间较短。RENUKA 等[19]开发的厌氧折流板-滤池反应器 (PABFR) 共 5 个格室，前端 3 格室设置为活性污泥单元，后端 2 格室填充塑料鲍尔环，反应器的启动时间为 61?d。其启动时间长的原因可能是，前端 3 个格室中有可能发生部分活性污泥的流失，从而导致格室中生物量的减少。2)强化复合厌氧反应器对进水COD的去除主要基于折流区单元的生物降解和滤池区单元的截留、吸附和部分生物降解作用。其中，折流区单元对整体COD的去除起主要作用，而滤池区单元对COD的去除贡献相对较小。
3)在启动后期，强化复合厌氧反应器的CH4产生量趋于稳定，不同格室内的pH和Eh趋于平衡，污泥生长和填料挂膜情况良好。
参考文献
