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强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动

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刘建伟, 刘雪丽, 高柳堂, 康心悦, 胡明, 王培京. 强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
引用本文: 刘建伟, 刘雪丽, 高柳堂, 康心悦, 胡明, 王培京. 强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
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LIU Jianwei, LIU Xueli, GAO Liutang, KANG Xinyue, HU Ming, WANG Peijing. Rapid start-up of enhanced hybrid anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
Citation: LIU Jianwei, LIU Xueli, GAO Liutang, KANG Xinyue, HU Ming, WANG Peijing. Rapid start-up of enhanced hybrid anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
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强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动

  • 1.

    北京建筑大学，北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心，北京 100044

  • 2.

    石家庄以岭药业股份有限公司，石家庄 050035

  • 3.

    北京市水科学技术研究院，北京 100048

    • 作者简介: 刘建伟(1979—)，男，博士，副教授。研究方向：分散污水处理技术。E-mail：liujianwei@bucea.edu.cn
    通讯作者: 刘建伟, E-mail: liujianwei@bucea.edu.cn ; 
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102004-005)

  • 中图分类号: X703

Rapid start-up of enhanced hybrid anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment

  • 1.

    Beijing Engineering Research Center of Sustainable Urban Sewage System Construction and Risk Control, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China

  • 2.

    Shijiazhuang Yiling Pharmaceutical Co. Ltd., Shijiazhuang 050035, China

  • 3.

    Beijing Water Science and Technology Institute, Beijing 100048, China

    • Corresponding author: LIU Jianwei, liujianwei@bucea.edu.cn ; 

摘要

  • 摘要: 针对常规单一厌氧反应器处理农村生活污水启动时间长、处理效率低等问题，构建了一种集填料型厌氧折流和厌氧滤池技术为一体的新型强化复合厌氧反应器，并对该反应器的启动方法和运行特性进行了探究。采用接种污水厂活性污泥，并通过逐渐缩短反应器水力停留时间(HRT)的方法，进行反应器的启动。结果表明，在运行时间为25 d时，反应器出水COD降至65 mg·L−1，COD去除率达70.7%；各格室pH和氧化还原电位(Eh)分别稳定在6.9~7.0和(−243±6)~(−289±6) mV；CH4产生量达365 mL·d−1，反应器实现成功启动。其中，折流区单元对COD的去除占主导作用，折流区单元内污泥生长和填料挂膜状况良好。本研究构建的强化复合厌氧反应器能够成功实现快速启动，为其在农村生活污水处理中的实际应用提供了参考依据。
    Abstract: In order to solve the problems of long start-up period and low treatment efficiency of conventional single anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment, a novel enhanced hybrid anaerobic reactor which integrated anaerobic baffled reactor with packing and anaerobic filter was built, and its start-up method and operating characteristics were studied. The start-up of this hybrid reactor was performed by inoculating the activated sludge from wastewater treatment plant and gradually shortening its HRT. The results showed that after 25 days running, the effluent COD concentration decreased to 65 mg·L−1 and the COD removal efficiency reached 70.7%, the pH and Eh in each compartment were stabilized at 6.9~7.0 and (−243±6)~(−289±6) mV, respectively, and the CH4 production was 365 mL·d−1, indicating the successful start-up of the hybrid reactor. Of which the baffled unit played a dominant role in COD removal, and the sludge growth and biofilm formation in the baffled unit were good. The results showed that the enhanced hybrid anaerobic reactor for rural sewage treatment can achieve the rapid start-up, it can provide reference for the practical application of this hybrid reactor in rural domestic sewage treatment.

  • 近几年，臭氧(O3)已成为影响我国环境空气质量的重要因素，其中京津冀及周边地区、长三角地区以O3为首要污染物的超标天数占比已经超过PM2.5[1-3]。研究表明，挥发性有机物（VOCs）可在紫外线照射下与氮氧化物（NOx）发生光化学反应，产生光化学烟雾，光化学烟雾的主要成分为O3[4-5]。因此，作为O3重要前体物的VOCs到研究学者的广泛关注。

    VOCs种类繁多，不同种类的VOCs化学反应活性也不相同，研究VOCs的组成和来源特征对控制O3污染和揭示复合型大气污染的形成都具有重要意义[6]。目前国内关于VOCs的监测和研究主要集中在长江三角洲[7-8]、珠江三角洲[9-10]和京津冀[11-12]等地区。山东半岛相关的研究较少，刘泽常等[13]研究表明，济南市区VOCs的优势组分为C3—C5的烷烃、丙烯、顺-2-丁烯、间/对二甲苯和甲苯等，主要来源为汽车尾气、工业源和燃烧源。薛莲等[14]发现青岛市大气VOCs中烯烃对臭氧的生成贡献远高于烷烃和芳香烃。张桢超[15]发现威海市大气中，C2—C4烯烃类、烷烃类和苯系物对臭氧的生成贡献率较高，VOCs主要来源于机动车排放、工艺过程和溶剂使用。

    泰安市地处山东省中部的泰山南麓，三面环山，属于内陆中小型城市。2016—2017年，泰安市O3最大8 h平均浓度分别为197 μg·m−3和210 μg·m−3，在全省分别排名第二位和第一位。臭氧已成为泰安市夏、秋季节环境空气的首要污染物[16]。了解臭氧前体物VOCs的污染现状及来源对泰安市采取适当措施改善空气质量具有重要意义。

    本研究在泰安市城区建立一个观测站点，采用在线观测法，连续对站点大气中的VOCs进行监测，分析其浓度特征，并利用特征比值和模型分析对VOCs进行来源解析，同时评估其臭氧生成潜势，以期为泰安市大气环境VOCs和O3污染管控提供科学支撑。

    1.   实验与方法（Experiments and methods）

    1.1   样品采集与分析

    本次观测时间为2018年6月1日—7月11日，可以反应泰安市夏季大气中VOCs的污染特点。监测地点位于泰安市泰山区的山东电力高等专科学校校院内(36.18°N，117.11°E)，该观测点是泰安市的国控监测点，周边紧邻交通干线，同时分布着农贸市场、工业区、商业区和居民区，是典型的城市中心站点，观测点位置如图1所示。

    图 1  监测点位图
    Figure 1.  Location of the monitoring site
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    NMHCs的观测采用由中国科学院生态环境研究中心自主研发的GC-FID-VOCs在线监测仪24 h连续监测，采样时间分辨率为1 h，毛细管色谱柱型号为OV-1(30 m 柱长× 0.32 mm直径 × 1.0 μm厚度)；采样时，通过采样泵以50 mL·min−1的流速将环境气体浓缩至温度为−80 ℃的吸附管中，然后升温加热至100 ℃进行热脱附，保持6 min；同时以5 mL·min−1的N2流速将解吸的样品吹入GC毛细管色谱柱中进行分离，此时将吸附管的温度升高至220 ℃，以60 mL·min−1反吹10 min以清除残留；色谱柱的程序升温如下：初始温度为−60 ℃，保持3 min；以12 ℃·min−1升温至−20 ℃；以6 ℃·min−1升温至30 ℃；以10 ℃·min−1升温至170 ℃，保持2 min；FID检测器的温度为250 ℃，仪器共检测到51种物质，其中包含27种烷烃、9种烯烃和15种芳香烃[16]。醛酮类化合物(OVOCs)的观测采用涂有2，4-二硝基苯肼(DNPH)衍生化试剂的硅胶小柱采集，每2 h采集1个样品，并采用高效液相色谱(HPLC)方法检测，共检测出15种OVOCs。

    为了保证观测数据的有效性和可靠性，GC-FID-VOCs在线监测仪每2 d采用美国环保署认可的Linde SPECTRA Environmental Gases标准气体进行5点校准，校准时相关系数均在0.992—0.995；同时，为了避免一些高反应性的VOCs物种的氧化损失，在采样吸附管的前端连接填充亚硫酸钠的捕集器，用于去除空气中的氧化剂，每2 d更换1次亚硫酸钠捕集器；高效液相色谱每2 d进行曲线校准，每20个样品分析一次校准曲线中间浓度点，每个目标化合物的测定结果与初始浓度值相对偏差≤30%[16-17]。除VOCs的观测外，同时观测环境空气中的CO、SO2和NOx等参数，监测仪器均采用赛默飞世尔科技公司i系列的自动连续检测仪。

    1.2   VOCs化学活性评价

    不同城市中大气VOCs的来源各异，VOCs中各组分的浓度水平和化学活性也不同，对大气O3生成的贡献也有差异。臭氧生成潜势(OFP)是用最大增量反应活性方法评估挥发性有机化合物的光化学反应性，并估算臭氧形成过程中单个有机化合物的贡献率[18]，计算公式为：

    OFPi=[VOCSi]×MIRi (1)

    式中，OFPi为第i个VOCs物种的臭氧生成潜势，μg·m−3；[VOCsi]表示物种i的环境质量浓度，μg·m−3；MIRi为VOCs第i个物种最大增量反应中臭氧生成系数，可在文献[19]中查出。

    1.3   正交矩阵因子模型(PMF)分析

    正交矩阵因子分析模型(positive matrix factorization，PMF)作为受体模型，根据长时间序列的受体化学组分数据集进行VOCs来源解析[20]。PMF计算过程中的基本公式为：

    Xij=∑pk=1gikfkj+eij (2)

    式中，Xij为样本i中污染物j的浓度，×10−9；p表示污染源的数量；gik为第k个来源对第i个因子的贡献量，%；fkj为第k个源中第j个组分的分布占比，%；eij为样本残差。PMF模型主要是将目标函数Q最小化[21-22]，目标函数Q定义为：

    Q=∑ni=1∑mj=1(eijuij)2 (3)

    式中，n为样本个数，m为物种个数；uij表示样本中物种的不确定性。根据PMF5.0指导方法要求，不确定度的计算公式为：

    unc.={√(C×RSD)2+(0.5×MDL)2(C>MDL)56MDL(C≤MDL) (4)

    式中，unc. 表示样本中物种的不确定度；C表示样本中物种的浓度；RSD表示相对标准偏差；MDL表示检出限。

    2.   结果与讨论（Results and discussion）

    2.1   大气VOCs的浓度水平及组成特征

    观测期间采样频率为1 h，VOCs浓度平均值为(16.57±7.99)×10−9（体积分数）。由表1可知，观测期间VOCs浓度水平最高的物种是甲醛(3.18±2.09)×10−9和丙酮(2.02±1.27)×10−9，其次为丙烷(1.71±1.41)×10−9、乙醛(1.39±0.61)×10−9和丁烷(0.92±0.88)×10−9。由图2可以看出，整个监测期间VOCs四大组分浓度顺序依次为：OVOCs(41.9%)> 烷烃(30.8%)> 芳香烃(19.5%) > 烯烃(7.8%)。

    表 1  观测期间主要VOCs物种的浓度和OFP值
    Table 1.  Concentrations and OFP of main VOCs species during the observation period
    序号Serial number平均浓度Average concentration臭氧生成潜势OFP
    组分Species数值(×10−9)Value组分Species数值/(μg·m−3)Value
    1 甲醛 3.18±2.09 甲醛 40.34±26.52
    2 丙酮 2.02±1.27 间/对-二甲苯 20.51±14.96
    3 丙烷 1.71±1.41 乙醛 17.87±7.90
    4 乙醛 1.39±0.61 异戊二烯 15.44±14.10
    5 丁烷 0.92±0.88 间二乙基苯 14.59±11.71
    6 甲苯 0.88±0.67 甲苯 14.52±10.96
    7 异戊烷 0.81±0.43 戊醛 12.10±8.01
    8 苯乙烯 0.72±1.13 正戊烯 11.90±7.36
    9 戊醛 0.62±0.41 丁醛 10.74±2.46
    10 苯 0.60±0.39 间-甲基苯甲醛 10.01±7.20
    11 丁醛 0.56±0.13 邻-二甲苯 8.54±8.36
    12 正戊烯 0.53±0.33 1,2,4-三甲基苯 7.86±4.77
    13 异丁烷 0.50±0.44 1,3,5-三甲基苯 7.77±6.62
    14 异戊二烯 0.48±0.44 对二乙基苯 7.76±5.27
    15 丁烯醛 0.47±0.33 反-2-戊烯 6.15±3.47
    16 乙苯 0.33±0.30 丙烯 5.83±5.59
    17 十二烷 0.32±0.13 苯乙烯 5.77±9.12
    18 戊烷 0.31±0.27 顺-2-丁烯 5.62±3.80
    19 间/对-二甲苯 0.28±0.20 苯甲醛 5.28±2.75
    20 丙醛 0.27±0.14 丙醛 5.02±2.57
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    图 2  VOCs各组分浓度占比
    Figure 2.  Concentration ratio of VOCs components
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    由于VOCs来源的不同和化学活性的差异，导致VOCs组分浓度的日变化特征也不同，分析VOCs浓度日变化特征是探讨其来源的重要手段之一。图3给出了观测站点大气中烷烃、烯烃、芳香烃和OVOCs的日变化趋势。烷烃、芳香烃和OVOCs日变化趋势较为一致，整体呈现夜间高白天低的变化特征；因为早晚存在较强的人类活动，如城市地区机动车尾气排放等，同时早晚大气较稳定，不利于VOCs的扩散；中午及下午对流强，边界层抬升，有利于污染物的扩散，同时中午和下午太阳辐射强，大气光化学反应活性剧烈，也会消耗一定量的VOCs，造成大气中VOCs的浓度下降。然而，烯烃在白天出现了显著抬升的变化特征，这主要是来自于植物活动排放异戊二烯的重要贡献[23-24]，在白天随着太阳辐射的增强，异戊二烯排放量明显增加，在午后达到峰值，16:00以后由于植物活性等影响，其浓度快速下降。

    图 3  VOCs各组分日变化特征
    Figure 3.  Daily variation characteristics of VOCs components
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    对于烷烃，由于观测站点靠近蔬菜批发市场，运输车辆工作较早，受交通早高峰影响，在06:00出现峰值，随后太阳辐射增强，光化学反应消耗增加，浓度逐渐降低，在17:00以后，光化学反应消耗停止并随着市内交通晚高峰到来，污染物的浓度逐渐积累。芳香烃和OVOCs相对于烷烃和烯烃峰型规律没那么明显，芳香烃在中午出现了浓度升高的趋势，说明芳香烃类除来源于机动车排放外，还受溶剂挥发和化工企业排放的影响；OVOCs夜晚浓度较高，日出后出现微弱下降，随后缓慢抬升，在正午12:00左右发生快速下降达到最低，而后又快速抬升一直维持到深夜，说明除来自一次排放外，二次贡献生成和区域气象因素对其也有重要影响。

    2.2   大气VOCs臭氧生成潜势特征

    环境空气中VOCs组分的化学反应活性不同，对O3的形成影响也不同，识别对大气O3贡献较大VOCs物种，对于制定有效的减排控制措施意义重大[25]。由表1可知，观测点观测期间甲醛(40.34±26.52) μg·m−3、间/对-二甲苯(20.51±14.96) μg·m−3、乙醛(17.87±7.90) μg·m−3、异戊二烯(15.44±14.10) μg·m−3和间二乙基苯(14.59±11.71) μg·m−3是OFP值最高的5种VOCs物种。由图4可知，观测期间大气VOCs四大类别对OFP贡献率顺序为：芳香烃(35.6%) > OVOCs(35.5%) > 烯烃(18.5%) > 烷烃(10.5%)。烷烃化合物VOCs浓度占比最高，但化学反应活性低，故对OFP的贡献较小[26-27]；烯烃中异戊二烯的浓度水平较高，且所含的碳碳双键化学反应活性强，对OFP的贡献较大，异戊二烯主要来源于植物活动排放，说明植物源对大气中O3的生成有重要贡献[20]；芳香烃和OVOCs浓度水平和臭氧生成潜势都较高，因此，控制芳香烃和OVOCs的排放是未来控制泰安市臭氧污染的关键。

    图 4  VOCs各组分对OFP的贡献
    Figure 4.  Contribution of VOCs components to OFP
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    2.3   泰安市VOCs来源解析

    2.3.1   典型物种特征比值分析

    VOCs组分中，与·OH具有相似反应速率的的特征污染物之间的比值，可以反映其来源特征。戊烷在环境中主要来源于机动车尾气、天然气排放、燃料和液体汽油挥发，正戊烷(n-pentane)和异戊烷(i-pentane)具有相似的物理和化学性质，异戊烷/正戊烷的值可以初步判断其来源，当比值范围为0.82—0.89时，来源为天然气排放，比值范围为2.20—3.80时，来源为机动车尾气，比值范围在1.50—3.00时为液态汽油排放，比值范围在1.80—4.60时为燃料挥发，比值范围大于4.60时为其他源[28]。图5(a)分别给出了异戊烷/正戊烷不同的比值线，可知观测点异戊烷和正戊烷的比值大部分分布在1.80—4.60之间，表明机动车尾气、液态汽油排放和燃料挥发都对其有贡献作用，而天然气排放对戊烷的来源贡献较少，其它源对其来源也有贡献。利用特征比值法分析可以看出异戊烷和正戊烷的比值较为分散，异戊烷和正戊烷的来源复杂，并不是单一来源，特征比值法无法很好的解析其来源。

    图 5  典型物种特征比值
    Figure 5.  Characteristic ratios of typical species
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    芳香烃是泰安市大气VOCs中对O3生成贡献最大的物种，苯(benzene)与甲苯(toluene)的比值(B/T)常用来判断芳香烃在环境中的来源，当苯/甲苯值不大于0.20时，判断其来源为工业溶剂，机动车尾气源为0.50—0.60，燃煤源为1.50—2.20，生物质燃烧源比值约为2.50[29]。由图5(b)分别给出了苯/甲苯的不同比值线，可以看出苯和甲苯比值分布在0.20—2.20之间，表明机动车尾气和燃煤源对其有贡献作用，经线性拟合的比值为0.56，与机动车尾气排放比值相近，进一步表明机动车尾气排放对观测点大气VOCs和O3有重要贡献。B/T的值不只受到其来源的影响，还受到大气氧化性的影响，甲苯的光化学反应活性要大于苯，B/T的值相较于异戊烷/正戊烷也更为分散；另一方面B/T的值受风向影响较大，西南风向上有较高的甲苯浓度，表明污染物传输对其比值有影响。

    综上，观测点位于城市中心点，VOCs的来源更为复杂，特征污染物的比值范围较为分散，简单的特征比值法无法准确的解析出污染物的来源，需要与PMF模型解析的结果进行相互印证。

    2.3.2   PMF模型解析

    针对观测点的VOCs数据，选取了来源指示性强和监测数据相对完整VOCs物种输入到PMF模型中，同时将观测的CO、NOx和SO2数据纳入计算，帮助识别排放源，最终共识别出6类因子，各类因子的源成分谱特征如图6所示。

    图 6  观测期间大气VOCs源成分谱图
    Figure 6.  Source composition spectrum of VOCs species during observation period
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    第一类因子中甲醛、乙醛和丙酮等OVOCs所占的百分比较高，因此将此类因子归为OVOCs源。第二类因子中，C2—C4烯烃和烷烃为优势组分，C2—C4烯烃和烷烃是LPG和溶剂挥发的关键物种[12,30]，因此，将此类因子归为LPG和溶剂挥发源。第三类因子具有高组分的CO和苯，工业燃烧过程中可排放大量的CO，苯也是工业燃烧过程中重要的特征指示物[31]，故将此类因子归为工业排放。第四类因子具有高组分的SO2，电厂可排放大量的SO2，因此，将此类因子归为电厂排放。第五类因子的优势组分为苯系物和烷烃，根据之前特征比值分析出异戊烷、正戊烷、苯和甲苯的主要来源都有机动车尾气排放，且C8—C10烷烃是柴油发动机排放尾气的标志[32]，因此，将此类因子归为包括汽油车与柴油车的机动车尾气排放。第六类因子的优势组分为异戊二烯，城市中的异戊二烯大部分来源于植物活动排放，另外机动车尾气也会排放一部分排放，但该因子中与机动车尾气相关的其它VOCs物种贡献率都不高，因此将此类因子定义为植物排放源。

    图7为PMF解析出6类VOCs排放源在观测期间对VOCs的相对贡献结果，可以看出，观测期间VOCs最大的排放源为LPG和溶剂挥发源(40.2%)，其次分别为OVOCs源(17.8%)、机动车排放(17.4%)、工业排放(11.8%)、植物源(10.5%)和电厂排放(2.3%)。因此，控制燃烧源和工业溶剂排放是控制泰安市夏季VOCs污染的重要途径。

    图 7  观测期间不同源排放对VOCs的贡献率
    Figure 7.  Contribution rate of emissions from different sources to VOCs during the observation period
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    3.   结论（Conclusion）

    （1）观测期间VOCs浓度平均值为(16.57±7.99)×10−9，其中OVOCs占比最高为41.9%，烷烃占比为30.8%，芳香烃为19.5%，烯烃为7.8%。烷烃、芳香烃和OVOCs日变化趋势较为一致，整体呈现夜间高白天低的变化特征，而烯烃受到植物源排放异戊二烯的影响，在白天出现了显著抬升的变化特征。VOCs物种中平均浓度水平最高的前5种是甲醛、丙酮、丙烷、乙醛和丁烷。观测期间大气VOCs四大类别对OFP贡献率顺序为：芳香烃 > OVOCs > 烯烃 > 烷烃，其中甲醛、间/对-二甲苯、乙醛、异戊二烯和间二乙基苯是OFP水平最高的5种VOCs物种。

    （2）观测点VOCs来源解析结果显示，观测期间泰安市VOCs最大的排放源为LPG和溶剂挥发(40.2%)，其次分别为OVOCs源(17.8%)、机动车排放(17.4%)、工业排放(11.8%)、植物源(10.5%)和电厂排放(2.3%)。因此，控制LPG和溶剂挥发是控制泰安市夏季VOCs和O3污染的重要途径。

  • 图 1  强化复合厌氧反应器结构示意图

    Figure 1.  Structure diagram of enhanced hybrid anaerobic reactor

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    图 2  反应器启动期进、出水COD及COD去除率的变化

    Figure 2.  Variations of COD concentration in influent and effluent and COD removal efficiency during start-up period of the reactor

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    图 3  反应器启动期各单元COD去除贡献率的变化

    Figure 3.  Variation of COD removal contribution rate during start-up period of the reactor

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    图 4  反应器启动期不同格室pH的变化

    Figure 4.  Variations of pH in each compartment during start-up period of the reactor

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    图 5  反应器启动期不同格室Eh的变化

    Figure 5.  Variations of Eh in each compartment during the start-up period of the reactor

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    图 6  反应器启动期CH4产生量变化

    Figure 6.  Variations of CH4 production during start-up period of the reactor

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    图 7  反应器折流区单元填料挂膜情况

    Figure 7.  Biofilm formation of packing in baffled unit of the reactor

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  • [1] 刘建伟, 赵高辉. 基于AHP的北京市典型农村污水处理技术适用性评估[J]. 水利水电技术, 2019, 50(5): 260-267.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-15
  • 录用日期:  2020-06-14
  • 刊出日期:  2020-09-10
刘建伟, 刘雪丽, 高柳堂, 康心悦, 胡明, 王培京. 强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
引用本文: 刘建伟, 刘雪丽, 高柳堂, 康心悦, 胡明, 王培京. 强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
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LIU Jianwei, LIU Xueli, GAO Liutang, KANG Xinyue, HU Ming, WANG Peijing. Rapid start-up of enhanced hybrid anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
Citation: LIU Jianwei, LIU Xueli, GAO Liutang, KANG Xinyue, HU Ming, WANG Peijing. Rapid start-up of enhanced hybrid anaerobic reactor for rural domestic sewage treatment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2339-2345. doi: 10.12030/j.cjee.202001101
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强化复合厌氧反应器处理农村生活污水的快速启动

    通讯作者: 刘建伟, E-mail: liujianwei@bucea.edu.cn ; 
    作者简介: 刘建伟(1979—)，男，博士，副教授。研究方向：分散污水处理技术。E-mail：liujianwei@bucea.edu.cn
  • 1. 北京建筑大学，北京市可持续城市排水系统构建与风险控制工程技术研究中心，北京 100044
  • 2. 石家庄以岭药业股份有限公司，石家庄 050035
  • 3. 北京市水科学技术研究院，北京 100048
  • 收稿日期:  2020-01-15
  • 录用日期:  2020-06-14
  • 网络出版日期:  2020-09-05
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102004-005)

摘要: 针对常规单一厌氧反应器处理农村生活污水启动时间长、处理效率低等问题，构建了一种集填料型厌氧折流和厌氧滤池技术为一体的新型强化复合厌氧反应器，并对该反应器的启动方法和运行特性进行了探究。采用接种污水厂活性污泥，并通过逐渐缩短反应器水力停留时间(HRT)的方法，进行反应器的启动。结果表明，在运行时间为25 d时，反应器出水COD降至65 mg·L−1，COD去除率达70.7%；各格室pH和氧化还原电位(Eh)分别稳定在6.9~7.0和(−243±6)~(−289±6) mV；CH4产生量达365 mL·d−1，反应器实现成功启动。其中，折流区单元对COD的去除占主导作用，折流区单元内污泥生长和填料挂膜状况良好。本研究构建的强化复合厌氧反应器能够成功实现快速启动，为其在农村生活污水处理中的实际应用提供了参考依据。

English Abstract

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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.   材料与方法

    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、NH+4-N浓度为30~60 mg·L−1、TP浓度为3.0~7.0 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.   结果与讨论

    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。

3.   结论

  • 1)就本研究构建的基于填料型厌氧折流和厌氧滤池技术的新型强化复合厌氧反应器而言，在控制反应温度为(35±1) ℃条件下，通过逐渐缩短HRT的方式，反应器可在25 d成功实现快速启动。

    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 (19)

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