好氧生物處理工藝因佔地麵積大、基建費用高等因素，發展存在阻力，隨著生物科學技術的發展和人們對厭氧消化原理的深入研究，厭氧處理技術得到了快速發展，尤其在高濃度廢水處理中有較好的處理效果，人們也逐漸運用厭氧反應器來處理低濃度汙水。但城市生活汙水中有機物濃度較低，厭氧微生物細胞生長會受到限製，因此開發低濃度厭氧反應器將是研究熱點。厭氧反應器主要是通過進水和産氣的擾動來增大池中泥水的混合，當進水不能滿足較高的水力負荷和有機負荷時，汙泥床內的混合強度較低，易産生局部短流效應，影響反應器的汙水處理效果。
增加懸浮填料、改進進水方式和水力負荷等措施可提高泥水混合強度，增強傳質作用，從而提高汙水處理效率。本文對以網狀海綿填料及圓形懸浮填料為載體的脈沖厭氧流化床工藝進行研究，分析比較不同好氧預掛膜及完全厭氧掛膜下兩種填料的掛膜速度及汙水處理效果;同時研究脈沖厭氧流化床工藝的較佳運行工況，以期為提高厭氧反應器的處理效果提供一種思路，並為該工藝的推廣應用提供理論依據。
1、試驗材料與方法
1.1 試驗裝置及材料
如圖1所示反應裝置為4組平行的反應器，內裝不同填料(填料填充比40%)，反應器尺寸為：直徑×高=0.4m×0.5m，有效容積50L。原水經脈沖進水設備進入反應器，好氧預掛膜時空氣經轉子流量計計量後送入反應器底部的微孔曝氣增氧管，進而以氣泡形式分佈於水中並發生氧轉移，試驗所用填料參數如錶1所示。
本試驗採用的網狀海綿填料立方體結構，錶麵粗糙多孔，流化性比較好，具有高彈性、高吸附力;圓形懸浮填料直徑為15mm，高6～8mm，易掛膜，不易脫落，親水性好。
1.2 儀器設備
試驗採用的儀器及設備為：PHS-3C+型酸度計，YSIDO200型DO儀，ACO-002型電磁式空氣泵，LZB-4型氣體流量計，LZB-4型液體流量計和GND-1(D)型時間控製器。
1.3 試驗方法
填料進行掛膜試驗時，四組反應器中兩組反應器採用好氧預掛膜-厭氧掛膜的方式，另外兩組反應器直接採用厭氧掛膜。好氧預掛膜-厭氧掛膜分悶曝階段、間歇進水掛膜兩個階段，接種汙泥取自天津紀莊子汙水處理廠的回流池汙泥，汙泥MLSS=11000mg/L，SVI=102mL/g，沈降性能較好。投加接種汙泥後，進行悶爆，待填料上附著少量生物膜後，開始連續進水。掛膜用水取自天津大學鵬翔學生公寓化糞池出水，其水質為：COD140～638mg/L，TN50～100mg/L，氨氮40～90mg/L，TP2.5～6.5mg/L，SS80～220mg/L，pH7.0～9.3，水溫12.0～30.6℃
間歇進水時控製HRT為12h，冬季室溫和水溫比較低，對反應器進行水浴加熱，溫度保持在20℃左右，觀察填料上的生物膜生長情況，並測定出水COD和氨氮。
掛膜成功後進行脈沖進水試驗以確定脈沖厭氧流化床工藝的(以連續進水對比)較佳運行工況，反應器選取三個(脈沖進水懸浮填料、脈沖進水海綿填料、連續進水海綿填料)，為了較全麵地研究HRT、脈沖頻率(每天進水次數)、脈沖強度(每次進水時間)對該工藝的影響，結合相關規範和工程實際，HRT取18h、24h、30h、36h，脈沖頻率取4次/d、8次/d、12次/d、16次/d、20次/d、24次/d，脈沖強度(單次進水時間)取5min/次、10min/次、15min/次、20min/次、25min/次和30min/次，共16種工況，每種工況穩定運行一周。較佳工況確定後，反應器以較佳脈沖進水工況運行，連續進水工況做為參照，比較兩種工況的汙水處理效果。
1.4 測定指標及方法
本試驗中DO、溫度和pH由DO儀和酸度計直接讀取，其他指標和監測方法為：COD(快速消解分光光度法)，氨氮(納氏試劑分光光度法)，TN(過硫酸鉀氧化分光光度法)。
2、結果與討論
2.1 掛膜試驗
網狀海綿填料及圓形懸浮填料兩種填料的填充比均為40%，4個反應器COD和NH3-N的去除效果分別如圖2、圖3所示。
由圖2可看出好氧懸浮、好氧海綿、厭氧懸浮、厭氧海綿四反應器COD平均去除率分別為50.3%、61.5%、39.0%和37.0%，好氧預掛膜反應器在COD去除上較厭氧掛膜反應器有明顯優勢，且好氧預掛膜時網狀海綿填料COD去除率高於圓形懸浮填料，厭氧掛膜時兩種填料COD去除率相近。
由圖3可看出，4個反應器在掛膜過程的氨氮平均去除率分別為24.3%、53.7%、3.5%和6.6%，好氧預掛膜反應器在氨氮去除上較厭氧掛膜反應器同樣有明顯優勢，而網狀海綿填料的氨氮去除效果也優於圓形懸浮填料，錶明好氧預掛膜的掛膜方式要優於厭氧預掛膜，分析原因是：好氧預掛膜時好氧菌繁殖速度快，其在代謝過程中會生成多糖類物質，可在較短的時間內在填料錶麵形成膜基，從而改善填料錶麵性能，有利於後續厭氧掛膜，並縮短掛膜時間。
同時，從錶1可看出網狀海綿填料比錶麵積大於圓形懸浮填料，其錶麵粗糙多孔，、吸附力高，更易掛膜，由此也進一步說明與圓形懸浮填料相比，網狀海綿填料在掛膜和汙水處理效果上均有優勢。
2.2 脈沖進水試驗
2.2.1 HRT影響
脈沖進水時，當HRT取18h、24h、30h、36h時(脈沖頻率取24次/d，脈沖強度30min/次)時，脈沖進水反應器COD和TN的平均去除率與HRT的關係如圖4所示。從圖4可看出：隨著水力停留時間的增加，反應器對COD的去除效果逐漸增強，去除率逐漸提高，其中HRT達到30h後，COD去除率達到穩定值，增幅漸緩;反應器對氮的去除率較低，HRT=24h和HRT=30h的去除率相近，HRT>30h後，TN去除率呈下降趨勢。
分析原因是：隨著HRT的延長，反應器中流速相應降低，填料上所附著的微生物與汙水接觸時間延長，有利於微生物更充分的降解汙水中的有機物質和氮、磷化合物來進行自身繁殖;反應器對氮的去除率較低，是因為厭氧條件下總氮的去除僅用於微生物的自身新陳代謝和繁殖。
HRT超過30h，有機物去除率增幅趨緩，這是由於過大的停留時間會帶來淤塞、配水不均勻等問題，反而影響汙染物去除率的進一步提高。HRT為30h和36h時反應器的COD去除率相近，考慮實際應用時的經濟因素，選取HRT=24～30h較佳。
2.2.2 脈沖強度影響
脈沖強度(單次進水時間)取5min/次、10min/次、15min/次、20min/次、25min/次和30min/次時(脈沖頻率取24次/天，HRT為24h)脈沖進水反應器的COD、TN的平均去除率如圖5所示。
從圖5可看出，隨著脈沖強度的增強，反應器對COD的去除率逐漸升高，當脈沖強度(單次進水時間)大於20min/次時，趨於穩定;TN去除率較低，平均去除率11.9%。
分析原因是脈沖強度的增強(單次進水時間的減小)，有利於反應器中微生物與汙水充分接觸，增強傳質作用，促進老化生物膜的脫落，促進較高濃度的活性生物量的保持，從而提高有機物去除率，而當脈沖強度大於15min/次時，傳質作用難以進一步增強，且過大的脈沖強度會導緻生物膜脫落加劇，部分生物膜還未來得及更新，甚至導緻反應器內生物量減小，因此COD去除率趨於穩定;TN的去除由於僅來源於微生物的自身生長繁殖，故其去除率較低，且從圖5可以看出，脈沖強度對TN去除率的影響較小。考慮實際應用的經濟性，選取脈沖強度=10～15min/次較佳。
2.2.3 脈沖頻率影響
脈沖頻率取4次/d、8次/d、12次/d、16次/d、20次/d、24次/d時(HRT=24h，脈沖強度15min/次)，脈沖反應器的COD、TN的平均去除率如圖6所示。
從圖6可以看出，隨著脈沖頻率的提高，脈沖反應器對CODCr的去除率逐漸升高，當脈沖頻率大於16次/d時，趨於穩定;TN去除率較低，平均去除率17.4%。
分析原因是：隨著進水次數的增加，反應器進水方式逐漸接近於連續流，對反應器形成的沖擊負荷減弱，出水水質也會變好。一天內進水次數越少，進水越集中，反應器對進水的稀釋作用越弱，微生物與汙水中有機物接觸機會越少，出水水質會變差;厭氧反應器對總氮的去除率提高較低，僅用於微生物細胞合成，進水方式的調整對脫氮效果影響較小。考慮實際應用，選取脈沖頻率=16～20次/d較佳。
2.3 較佳工況運行
較佳工況下選定HRT均為24h，脈進水沖強度為10min/次，脈沖頻率為16次/d，脈沖反應器和連續進水反應器的COD和SS如圖7所示。
從圖7可以看出，採用脈沖進水方式可以較好地實現厭氧微生物的新陳代謝，提高傳質作用，促進生物膜更新，相對於連續均勻進水方式具有更高的有機物、懸浮物去除率。
3、結語
本文對利用以網狀海綿填料和圓形懸浮填料作為載體的脈沖厭氧流化床工藝處理生活汙水進行了研究，研究結果如下：
(1)採用好氧預掛膜/厭氧掛膜的方式可縮短掛膜時間，提高水處理效果，適宜用作脈沖厭氧流化床掛膜;兩種填料中網狀海綿填料較易掛膜，其比錶麵積高於圓形懸浮填料，在掛膜性能和汙水處理方麵均佔有優勢;
(2)脈沖厭氧流化床工藝的較優處理工況為HRT=24～30h，脈沖強度=10～15min/次，脈沖頻率=16～20次/d;
(3)較優工況下，脈沖進水反應器的CODCr和SS去除效果優於連續進水反應器;脈沖厭氧流化床工藝為提高厭氧反應器的處理效果提供一種思路。
