厭氧生物濾池（AF）是一種內部填充有微生物載體的厭氧生物反應器，其厭氧微生物部分附著生長在填料上形成厭氧生物膜，部分在填料空隙間處于懸浮狀態，具有簡易、、低能耗的特點，目前已在廢水處理中得到較為廣泛應用，而在城市污水深度處理中應用較少，其主要原因有兩方面：一方面因為AF 的啟動周期長； 另一方面單級AF 較長的HRT 導致其占地面積較大，經濟性能不好〔1〕。根本原因在于厭氧微生物代謝速率慢，增殖速率也相對較慢且多數厭氧微生物為球菌和桿菌，不易附著生長而易于隨出水流出反應器〔2〕。因此，筆者采用兩步法達到減少AF 啟動時間和短HRT 下AF 啟動運行的目的。

1 實驗方法及裝置
 
1.1 實驗設備
 
實驗裝置主要由原水箱、潛污泵、AF 反應器及流量計等構成。其中AF 反應器為D50 mm、高2 500 mm 的有機玻璃柱，外包黑色塑料布，內裝陶粒濾料，陶粒粒徑為3～5 mm，濾料高1 500 mm，有效容積為2.94 L，實驗裝置示意如圖 1 所示。

圖 1 實驗裝置示意

1.2 實驗用水
 
實驗用水為蘭州市某污水廠二沉池出水和生活污水，水質對比如表 1 所示。

表 1 二沉池出水和生活污水水質對比

1.3 實驗方法
 
AF 啟動實驗采用兩步法。*步為AF 好氧預掛膜—即濾料的微生物固定化，在此過程采用多次間歇式好氧污泥排干法，將活性污泥固化在AF 濾料上，接種污泥來自蘭州市某污水廠曝氣池。第1 天先用潛污泵將活性污泥打入AF 反應器中，悶曝12 h后排干，再往反應器中打入活性污泥悶曝12 h 后排干；第2 天按照第1 天的步驟重復一遍；第3~5 天在氣水比為2∶1 的情況下，進生活污水，DO 范圍在5~6 mg/L；第6~7 天反應器排水，晾干。第二步為AF 厭氧啟動。由于該污水廠處理工藝為生物循環曝氣活性污泥法〔3〕，故二沉池出水屬難降解污水。從第8 天起AF 反應器停止曝氣，為使反應器加快適應二沉池出水，AF 反應器采用了二沉池出水與生活污水按比例投加的復合式進水方式，在二沉池出水占AF 反應器總進水的比例分別為0、20%、50%、80%的情況下依次各運行3 d，第20 天進水為100%的二沉池出水。反應器在整個啟動階段HRT 均為3~4 h。

2 結果與分析
 
2.1 AF 好氧預掛膜
 
反應器在第1~2 天的悶爆中，增加生物的種類和數量，對污泥鏡檢發現里面有大量的絲狀菌、鐘蟲、草履蟲等微生物。第3~5 天在菌膠團中發現大量絲狀菌，說明在低氣水比的情況下，有利于絲狀微生物較早地附著在陶粒濾料上并大量交織生長形成網狀結構。在第6~7 天反應器排水晾干，使絲狀微生物進一步地固定在陶粒濾料上，從而為下一步厭氧微生物在濾料上的吸附提供了有力的前提條件。

2.2 AF 厭氧啟動
 
第8 天開始進行AF 厭氧啟動，啟動期間AF 反應器進水COD 及去除率如圖 2 所示。

圖 2 厭氧啟動期間AF 反應器進水COD 及去除率

由圖 2 可見，厭氧啟動期間隨著二沉池出水占AF 反應器進水中的比例逐步增加，一方面進水COD 逐漸下降且難降解COD 量逐漸上升； 另一方面進水濁度逐漸減小，從而導致AF 厭氧啟動期間出現3 個階段：8~22 d 為好氧微生物的內碳源釋放階段；22~33 d 為厭氧微生物的繁殖適應階段；34 d以后為厭氧微生物的穩定階段。

2.2.1 好氧微生物的內碳源釋放階段
 
內碳源主要是指活性污泥微生物死亡，自溶后釋放出的碳源。在AF 啟動階段第8~11 天，反應器進水DO 為1 mg/L 以下時，反應器中的好氧微生物能氧化少部分有機物并且在與濾料對有機物的過濾、截留和吸附的聯合作用下，使得COD 去除率在5%~13%；第13~14 天進水DO 為0.5 mg/L 以下時，COD 去除率為0，一方面因為反應器在缺氧階段下原水中有機物基本上不被氧化，另一方面隨著AF反應器進水中二沉池出水所占比例的增大，進水濁度不高導致濾料的過濾效果不佳； 第16~20 天，進水DO 為0.5 mg/L 以下時，在好氧預掛膜期所形成的好氧微生物長期處于缺氧的環境下導致其新陳代謝能力逐漸下降直至其死亡，微生物內碳源開始釋放，導致出水COD 升高，所以COD 去除率出現負值現象； 第21~22 天，微生物內碳源釋放基本完畢，COD 去除率又趨于0。

2.2.2 厭氧微生物的繁殖適應階段
 
第23~33 天，COD 去除率的波動較大，但逐步呈上升趨勢，說明厭氧微生物處于復雜的優勝劣汰的演化適應階段。一方面鏡檢時發現出水有球菌、桿菌、變形桿菌和顆粒污泥，說明厭氧微生物在水解有機物的過程中大量繁殖，有部分與絲狀菌結合不牢固的菌膠團上升隨出水流出，導致出水COD 增高；另一方面在COD 測定時，進水中不能被酸性重鉻酸鉀氧化的復雜有機物，經過AF 水解后改變了難降解有機物的化學結構從而能夠被酸性重鉻酸鉀氧化導致出水COD 增高。

2.2.3 微生物的穩定階段
 
第34 天后，原水COD 的去除率逐漸上升，45 d之后，出水COD 穩定在25~30 mg/L，平均27 mg/L ，COD 去除率穩定在25%~30%，平均去除率為28%，pH 穩定在7.5~8，此時厭氧生物膜掛膜成功，歷時約7 周，實現在常溫短HRT 下AF 反應器的快速啟動。

2.3 HRT 對COD 去除的影響
 
有機物厭氧降解需要經過水解—酸化—甲烷化的過程，而較短的HRT 對厭氧微生物對有機物的降解影響有限，因為AF 反應器的濾料能夠將HRT 與SRT 和有機物降解時間分開，盡管HRT 較短，但SRT 卻可以很長，有利于微生物的生長繁殖，從而使被AF 反應器截留的顆粒有機物能夠被厭氧生物逐步地被降解，其中一部分轉化為膠體或溶解的有機物。何成達等〔4〕采用厭氧降流式懸浮填料床預處理生活污水，實驗結果也表明在短HRT 條件下，顆粒有機物在厭氧過程中可以被水解和降解，原污水中膠體性COD、溶解性COD 在此厭氧過程中也有一定程度的降解。

其次，Young 和McCarty 曾對許多粒狀濾料的厭氧生物濾池研究后，提出了厭氧生物濾池對有機物去除效率關系：

式中：E———預計的溶解性 BODu 的去除率，%。

該關系式有著雙重含義：（1）厭氧濾池的BODu去除率決定于HRT； （2）厭氧濾池的zui短HRT 為1.8 h〔7〕。按公式算，AF 反應器在3 h 的HRT 下，對BODu 預計去除率為40%，而實際中對COD 的去除率在28%，說明二沉池出水中非溶解性BODu 的含量占COD 一定比例，在厭氧條件下將其水解酸化為溶解性COD 才會被去除，因此可以適當延長HRT，加強對BODu 的去除，但短HRT 更具有實際意義。

2.4 溫度對COD 去除的影響
 
溫度是影響厭氧生物處理工藝的重要因素，主要表現在3 個方面：（1）可以通過影響厭氧微生物細胞內某些酶的活性而影響微生物的生長速率和微生物對基質的代謝速率。（2）通過影響生化反應中某些中間產物和反應流向而影響沼氣的產量和成分。（3）影響污泥成分和狀態。許多研究結果表明：在20~48 ℃培養成熟的厭氧污泥，其有機物去除負荷在30 ℃之前隨著溫度的升高而緩慢提高；在30 ℃之后則提高較快，生化速率相比20 ℃時增快1~2 倍，約在38~40 ℃時達到zui高值，而當溫度超過39 ℃后，如果溫度進一步升高，其有機物去除負荷就會迅速降低〔5〕。由于筆者實驗在常溫（14~23 ℃）下進行，所以COD 去除率僅為28%，所以適當提升反應器溫度，會明顯提高COD 去除效果。

3 結論
 
（1）AF 啟動實驗兩步法一方面通過固定化微生物技術改善了AF 反應器中濾料的表面結構，有利于厭氧微生物吸附在濾料上，另一方面利用絲狀微生物在濾料上面交聯生長形成網架結構，使厭氧微生物不易隨水流流出，達到短HRT 下啟動運行的目的。

（2）AF 厭氧啟動過程可分為3 個階段，分別是好氧微生物的內碳源釋放階段、厭氧微生物的繁殖適應階段和微生物的穩定階段。

（3）在常溫短HRT 下，以低濃度、難降解的城市污水廠二級出水為原水，AF 反應器經過兩步法啟動后到達穩定，其中*步用時1 周，第二步用時6周，共用時7 周。AF 反應器穩定后，出水平均COD在27 mg/L，對原水的COD 去除率在28%以上，說明AF 工藝可以應用在城市污水深度處理中，并且AF兩步法能縮短其啟動時間。