劉新文，趙海龍，蔡欣悅，沈東升

（1. 寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315020；2. 浙江大學(xué) 環(huán)境工程系，浙江 杭州 310029）

隨著我國(guó)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和“鄉(xiāng)村振興”計(jì)劃的進(jìn)行，農(nóng)村城鎮(zhèn)化的趨勢(shì)日趨明顯，農(nóng)村污水產(chǎn)生量日益增加。農(nóng)村污水可分為農(nóng)村生活污水和農(nóng)村生產(chǎn)廢水，其中，農(nóng)村生活污水以廚房污水、洗浴污水、沖廁污水為主，污水水質(zhì)總體穩(wěn)定。農(nóng)村生產(chǎn)污水主要來(lái)自農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)所排放的沖洗廢水和工業(yè)廢水等，其特點(diǎn)與行業(yè)有較大的關(guān)系。這些污水大部分未經(jīng)處理直接排入附近的河流和湖泊，造成了嚴(yán)重的地表水體污染，也成為“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。

當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村污水常用的處理技術(shù)主要有人工濕地、厭氧沼氣池、生物濾池、地下土壤滲透、凈化池和一體化綜合污水處理技術(shù)等。此類微生物生態(tài)處理方法在處理農(nóng)村生活污水時(shí)，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)合理性還是技術(shù)可行性方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在處理具有生物毒害性的生產(chǎn)廢水時(shí)，則難盡如人意。新時(shí)期，應(yīng)結(jié)合我國(guó)農(nóng)村發(fā)展實(shí)際，因地制宜，重視發(fā)展成本低、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定的農(nóng)村污水處理新技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)村“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)工作繼續(xù)深入。

本文以抗生素合成制藥廢水和染整廢水為代表的生產(chǎn)廢水混合一定比例的農(nóng)村生活污水作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)各反應(yīng)單元進(jìn)出水pH、化學(xué)需氧量（COD)、氨氮（NH-N）、總磷（TP）和色度等水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)分析，研究兼氧/好氧（A/O）工藝啟動(dòng)過(guò)程中兼氧池和好氧池的運(yùn)行特性，為A/O 工藝處理各類綜合污水的快速啟動(dòng)和運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 接種污泥

本試驗(yàn)采用的接種污泥分別取自某污水處理廠的曝氣池好氧活性污泥和某制藥廠污水處理站兼氧池污泥。好氧污泥接種量設(shè)定為500 mg·L，兼氧污泥接種量設(shè)定為1 000 mg·L。上述污泥濃度均按揮發(fā)性固體懸浮物（VSS）計(jì)。

1.2 廢水水質(zhì)

試驗(yàn)用制藥化工廢水取自某制藥廠調(diào)節(jié)池，印染廢水取自某印染車間排污口，生活污水取自某村莊化糞池后排水口。試驗(yàn)廢水水質(zhì)特征如表1 所示。

表1 廢水水質(zhì)特征Tab. 1 Wastewater quality

1.3 工藝流程及實(shí)驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的兼氧池和好氧池均為上流式污泥床（up-flow sludge blanket, USB）反應(yīng)器，反應(yīng)器為玻璃材質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括墊層、污泥床、反應(yīng)區(qū)、澄清區(qū)等4 個(gè)部分。兼氧池、好氧池有效容積分別為980 、1 200 mL；兩個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水均采用蠕動(dòng)泵由反應(yīng)器底部泵入；好氧池采用微孔曝氣砂頭充氣，空氣由氣泵供入，控制氣水比在25:1～35:1 之間。沉淀池采用玻璃材質(zhì)的柱狀容器，混凝沉淀時(shí)間為2 h。A/O 工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 A/O 工藝流程圖Fig. 1 Flowchart of A/O process

1.4 啟動(dòng)策略

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際污水的混合比例需求，在工藝啟動(dòng)過(guò)程中逐步提高生產(chǎn)廢水的比例進(jìn)行接種污泥的馴化培養(yǎng)。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程按照制藥廢水、印染廢水以及生活污水體積比不同劃分為Ⅰ～Ⅴ5 個(gè)階段，在各階段，制藥廢水、印染廢水與生活污水體積比如表2 所示。

表2 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段廢水體積比Tab. 2 Composition of wastewater in Ⅰ～Ⅴ stage during start up

根據(jù)實(shí)際的進(jìn)水情況調(diào)整兼氧池和好氧池的水力停留時(shí)間（HRT）。為了比較馴化效果，各階段保持相同的HRT。馴化過(guò)程中Ⅰ、Ⅱ階段兼氧池HRT 設(shè)定為3 h，好氧池HRT 設(shè)定為5 h，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段兼氧池HRT 設(shè)定為5 h，好氧池HRT 設(shè)定為15 h。當(dāng)各階段工藝出水COD總?cè)コ蔬_(dá)到85%左右時(shí)，污泥的沉降性得到改善，標(biāo)志著相應(yīng)階段的馴化過(guò)程結(jié)束。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

本試驗(yàn)中對(duì)污水水質(zhì)項(xiàng)目進(jìn)行了定期監(jiān)測(cè)，污水測(cè)定項(xiàng)目和測(cè)定方法如表3 所示。

表3 污水測(cè)定項(xiàng)目和測(cè)定方法Tab. 3 Characterization of wastewater and associated testing methods

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段pH 的變化

圖2為啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段pH 的變化，其中：表示天數(shù)；A 池表示兼氧池；O 池表示好氧池。由圖中可以得出，廢水經(jīng)過(guò)兼氧池后，pH 有一定程度的降低，進(jìn)水pH 為6.5～8.5，兼氧池出水pH 基本維持在6.0 左右，特別是隨著制藥廢水和印染廢水體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以后，進(jìn)水pH 上升幅度較大，甚至高達(dá)10.0，但經(jīng)過(guò)兼氧池后，出水pH 均保持在5.7～7.5 之間，明顯優(yōu)于僅有工業(yè)廢水的兼氧過(guò)程的酸化效率。這也表明，前置的兼氧池在有機(jī)廢水處理過(guò)程中的確能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)有機(jī)物的降解，產(chǎn)生有機(jī)酸，并通過(guò)斷鏈、脫氫、脫氨等生化反應(yīng)為后續(xù)好氧池微生物的生化作用提供更多的活性作用位點(diǎn)，提高后續(xù)生化過(guò)程的處理效率。另外，采用以生活污水為主，逐步提高生產(chǎn)廢水比例的方法啟動(dòng)A/O 工藝能夠更好地馴化培養(yǎng)水解酸化細(xì)菌，發(fā)揮兼氧池對(duì)污水的預(yù)處理效果，確保工藝的穩(wěn)定、高效。

圖2 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段pH 的變化Fig. 2 Variation of pH in Ⅰ～Ⅴ stage during start up

兼氧池出水經(jīng)過(guò)好氧池后，在好氧細(xì)菌酶作用下，自由H與氧結(jié)合生成HO，發(fā)生氧化反應(yīng)，水體系的pH 逐步回升。當(dāng)體系中自由H消耗殆盡后，若繼續(xù)曝氣，體系中HO 會(huì)繼續(xù)與自由氧發(fā)生反應(yīng)生成一定量的OH，體系的pH 會(huì)繼續(xù)提高，并向堿性方向發(fā)展。在本研究過(guò)程中，好氧池出水pH 平均值在7.41 左右，這為后續(xù)絮凝沉淀作用的發(fā)揮創(chuàng)造了良好的條件。

2.2 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段COD 去除率的變化

圖3為啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段COD 去除率的變化。在啟動(dòng)過(guò)程中，隨著進(jìn)水中生產(chǎn)廢水體積分?jǐn)?shù)的增加，A 池COD 去除率上下波動(dòng)非常明顯。啟動(dòng)過(guò)程的前70 d，隨著進(jìn)水中生產(chǎn)廢水體積分?jǐn)?shù)的增加，兼氧池COD 去除率整體呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，去除率由最初的50%左右下降到5%左右。而在此期間，好氧池COD 去除率雖有波動(dòng)，但基本上維持在75%以上。這表明前置的兼氧池在廢水生物處理過(guò)程中起到了非常明顯的抗沖擊負(fù)荷和預(yù)處理作用，經(jīng)過(guò)水解酸化作用后，大多數(shù)有機(jī)物的生物難降解程度下降。在啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ、Ⅱ階段，由于生活污水占比較大，兼氧池中好氧微生物占主導(dǎo)地位，因此COD 去除率較高。但隨著生產(chǎn)廢水比例的增加，兼氧池中好氧菌活性被抑制，甚至被淘汰，COD 去除率明顯下降，但此時(shí)兼氧池中水解酸化細(xì)菌活性得到釋放，生物量相應(yīng)增加，表現(xiàn)為COD 去除率下降，但由復(fù)雜高分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單小分子有機(jī)物的效率卻得到提高，這為后續(xù)的好氧生物處理奠定了基礎(chǔ)。因此，后續(xù)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段好氧池出水COD 去除率能夠一直維持在75%以上。與已有的研究結(jié)果相比，采用一步啟動(dòng)方案A/O 工藝處理以生活污水為主的城市污水時(shí)COD 去除率比本研究采用的啟動(dòng)方案低5%左右。

圖3 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段COD 去除率的變化Fig. 3 Removal rate of COD in Ⅰ～Ⅴ stage during start up

2.3 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段氨氮去除率的變化

圖4為啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段氨氮去除率的變化。在兼氧池啟動(dòng)的Ⅰ～Ⅴ階段，氨氮去除率均呈下降趨勢(shì)，特別是隨著進(jìn)水中制藥廢水和印染廢水比例的增加，氨氮去除率下降明顯，甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，這表明兼氧池對(duì)有機(jī)廢水的脫氨基作用明顯。有機(jī)物脫氨基實(shí)際上也是復(fù)雜結(jié)構(gòu)有機(jī)物的一種解構(gòu)降解過(guò)程，能為后續(xù)生物降解提供有利條件。這也表明兼氧池在生物處理工藝處理難生物降解有機(jī)廢水方面具有非常明顯的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。好氧池氨氮去除率受進(jìn)水水質(zhì)影響明顯。在Ⅰ階段，由于廢水中生活污水占比高達(dá)80%，隨著馴化過(guò)程的進(jìn)行，氨氮去除率最高可達(dá)82.5%，氨氮總?cè)コ士蛇_(dá)95.9%。但隨著生產(chǎn)廢水比例的增加，由于存在兼氧池的預(yù)處理和抗沖擊作用，好氧池在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ階段的氨氮去除率仍出現(xiàn)先下降后上升的變化規(guī)律，而且其氨氮去除率仍可達(dá)80%以上，氨氮總?cè)コ试?0%～99%間波動(dòng)。經(jīng)過(guò)60 d 左右的馴化培養(yǎng)后進(jìn)入V 階段，好氧池的氨氮去除率穩(wěn)定在50%～60%，氨氮總?cè)コ史€(wěn)定在60%以上。這一方面說(shuō)明生產(chǎn)廢水比例的增加帶來(lái)了更加豐富的氨氮資源，另一方面說(shuō)明由于硝化細(xì)菌營(yíng)自養(yǎng)的特性導(dǎo)致其消耗氨氮的能力有限，一般活性污泥的增長(zhǎng)消耗和轉(zhuǎn)化氨氮的能力已達(dá)到極限。如果要提高氨氮去除率就需要增加曝氣量或富集提升污泥中的硝化細(xì)菌，這勢(shì)必會(huì)增加投資成本或運(yùn)行費(fèi)用。因此，尋求更加有效、合理的氨氮處理工藝，開展氨氮的資源化利用也是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

圖4 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段氨氮去除率的變化Fig. 4 Removal rate of ammonia nitrogen in Ⅰ～Ⅴstage during start up

2.4 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段TP 質(zhì)量濃度的變化

圖5為啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段TP 質(zhì)量濃度的變化。隨著進(jìn)水中生產(chǎn)廢水比例的增加，進(jìn)水中TP 質(zhì)量濃度穩(wěn)步增加。由于生物除磷主要利用的是聚磷菌的厭氧釋磷/好氧吸磷機(jī)理，并結(jié)合剩余污泥的排放實(shí)現(xiàn)廢水除磷的效果。從啟動(dòng)過(guò)程TP 的去除規(guī)律可以得出，隨著污泥量的增加，聚磷菌（PAOs）的生物量也相應(yīng)增加，厭氧釋磷/好氧吸磷的規(guī)律非常明顯。在馴化過(guò)程的Ⅰ～Ⅳ階段，由于沒(méi)有污泥的外排，對(duì)廢水中TP 的去除非常不利。隨著馴化時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)論是在兼氧池還是在好氧池中都有很大程度的TP 積累。馴化過(guò)程進(jìn)行到第V 階段后期，由于采取了排泥措施，TP 去除率達(dá)到80%左右，這明顯優(yōu)于一步啟動(dòng)時(shí)TP 60%的去除率。

圖5 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段TP 質(zhì)量濃度的變化Fig. 5 Mass concentration of TP in Ⅰ～Ⅴ stage during start up

2.5 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段色度的變化

圖6為啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段色度的變化。隨著進(jìn)水中印染廢水比例的增加，進(jìn)水色度也相應(yīng)增加。Ⅰ、Ⅱ階段進(jìn)水色度基本上維持在100 倍的水平，隨后進(jìn)水色度增加到了300 倍甚至400 倍的水平。而出水色度隨著馴化時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，最終出水色度維持在10～20 倍的水平。特別是在馴化過(guò)程進(jìn)行到60 d后，無(wú)論進(jìn)水色度如何波動(dòng)，都能夠得到非常穩(wěn)定的、高的色度去除率，出水色度明顯下降，整個(gè)馴化過(guò)程中色度去除率維持在50%～90%，接近于高級(jí)氧化技術(shù)在印染廢水的脫色效率。色度的去除主要發(fā)生在兼氧池，好氧池色度去除率相對(duì)較低，最高去除率約為50%，并且會(huì)出現(xiàn)一定的返色。

圖6 啟動(dòng)過(guò)程Ⅰ～Ⅴ階段色度的變化Fig. 6 Removal rate of chroma in Ⅰ～Ⅴ stage during start up

已有的研究成果表明湍動(dòng)程度、pH、外源營(yíng)養(yǎng)等條件均會(huì)對(duì)色度去除產(chǎn)生明顯影響。兼氧池湍動(dòng)程度低、偏酸性及外源營(yíng)養(yǎng)豐富等特征均在色度的去除方面起到了重要作用，使脫色效果更好。隨著啟動(dòng)過(guò)程的進(jìn)行，雖然進(jìn)水色度增加了數(shù)倍，但脫色效果明顯提高。這也表明該啟動(dòng)方案能很好地篩選和培養(yǎng)脫色細(xì)菌，確保了工藝的脫色效果。

3 結(jié) 論

（1）在農(nóng)村生活與生產(chǎn)綜合廢水的A/O 工藝的啟動(dòng)過(guò)程中，采用逐步遞增生產(chǎn)廢水和污泥接種培養(yǎng)的啟動(dòng)策略能夠?qū)崿F(xiàn)處理工藝的快速、穩(wěn)定啟動(dòng)，提高了啟動(dòng)成功的可能性。

（2）在啟動(dòng)過(guò)程各階段的pH、COD、NH+-N、TP 以及色度去除特性表明，A/O 工藝能夠通過(guò)兼氧池和好氧池的協(xié)同配合達(dá)到理想的處理效果。