厌氧生物滤池（AF）是一种内部填充有微生物载体的厌氧生物反应器，其厌氧微生物部分附着生长在填料上形成厌氧生物膜，部分在填料空隙间处于悬浮状态，具有简易、高效、低能耗的特点，目前已在废水处理中得到较为广泛应用，而在城市污水深度处理中应用较少，其主要原因有两方面：一方面因为AF 的启动周期长； 另一方面单级AF 较长的HRT 导致其占地面积较大，经济性能不好〔1〕。根本原因在于厌氧微生物代谢速率慢，增殖速率也相对较慢且多数厌氧微生物为球菌和杆菌，不易附着生长而易于随出水流出反应器〔2〕。因此，笔者采用两步法达到减少AF 启动时间和短HRT 下AF 启动运行的目的。
1 实验方法及装置
1.1 实验设备
实验装置主要由原水箱、潜污泵、AF 反应器及流量计等构成。其中AF 反应器为D50 mm、高2 500 mm 的有机玻璃柱，外包黑色塑料布，内装陶粒滤料，陶粒粒径为3～5 mm，滤料高1 500 mm，有效容积为2.94 L，实验装置示意如图 1 所示。
图 1 实验装置示意
1.2 实验用水
实验用水为兰州市某污水厂二沉池出水和生活污水，水质对比如表 1 所示。
表 1 二沉池出水和生活污水水质对比
1.3 实验方法
AF 启动实验采用两步法。第一步为AF 好氧预挂膜—即滤料的微生物固定化，在此过程采用多次间歇式好氧污泥排干法，将活性污泥固化在AF 滤料上，接种污泥来自兰州市某污水厂曝气池。第1 天先用潜污泵将活性污泥打入AF 反应器中，闷曝12 h后排干，再往反应器中打入活性污泥闷曝12 h 后排干；第2 天按照第1 天的步骤重复一遍；第3~5 天在气水比为2∶1 的情况下，进生活污水，DO 范围在5~6 mg/L；第6~7 天反应器排水，晾干。第二步为AF 厌氧启动。由于该污水厂处理工艺为生物循环曝气活性污泥法〔3〕，故二沉池出水属难降解污水。从第8 天起AF 反应器停止曝气，为使反应器加快适应二沉池出水，AF 反应器采用了二沉池出水与生活污水按比例投加的复合式进水方式，在二沉池出水占AF 反应器总进水的比例分别为0、20%、50%、80%的情况下依次各运行3 d，第20 天进水为100%的二沉池出水。反应器在整个启动阶段HRT 均为3~4 h。
2 结果与分析
2.1 AF 好氧预挂膜
反应器在第1~2 天的闷爆中，增加生物的种类和数量，对污泥镜检发现里面有大量的丝状菌、钟虫、草履虫等微生物。第3~5 天在菌胶团中发现大量丝状菌，说明在低气水比的情况下，有利于丝状微生物较早地附着在陶粒滤料上并大量交织生长形成网状结构。在第6~7 天反应器排水晾干，使丝状微生物进一步地固定在陶粒滤料上，从而为下一步厌氧微生物在滤料上的吸附提供了有力的前提条件。
2.2 AF 厌氧启动
第8 天开始进行AF 厌氧启动，启动期间AF 反应器进水COD 及去除率如图 2 所示。
图 2 厌氧启动期间AF 反应器进水COD 及去除率
由图 2 可见，厌氧启动期间随着二沉池出水占AF 反应器进水中的比例逐步增加，一方面进水COD 逐渐下降且难降解COD 量逐渐上升； 另一方面进水浊度逐渐减小，从而导致AF 厌氧启动期间出现3 个阶段：8~22 d 为好氧微生物的内碳源释放阶段；22~33 d 为厌氧微生物的繁殖适应阶段；34 d以后为厌氧微生物的稳定阶段。
2.2.1 好氧微生物的内碳源释放阶段
内碳源主要是指活性污泥微生物死亡，自溶后释放出的碳源。在AF 启动阶段第8~11 天，反应器进水DO 为1 mg/L 以下时，反应器中的好氧微生物能氧化少部分有机物并且在与滤料对有机物的过滤、截留和吸附的联合作用下，使得COD 去除率在5%~13%；第13~14 天进水DO 为0.5 mg/L 以下时，COD 去除率为0，一方面因为反应器在缺氧阶段下原水中有机物基本上不被氧化，另一方面随着AF反应器进水中二沉池出水所占比例的增大，进水浊度不高导致滤料的过滤效果不佳； 第16~20 天，进水DO 为0.5 mg/L 以下时，在好氧预挂膜期所形成的好氧微生物长期处于缺氧的环境下导致其新陈代谢能力逐渐下降直至其死亡，微生物内碳源开始释放，导致出水COD 升高，所以COD 去除率出现负值现象； 第21~22 天，微生物内碳源释放基本完毕，COD 去除率又趋于0。
2.2.2 厌氧微生物的繁殖适应阶段
第23~33 天，COD 去除率的波动较大，但逐步呈上升趋势，说明厌氧微生物处于复杂的优胜劣汰的演化适应阶段。一方面镜检时发现出水有球菌、杆菌、变形杆菌和颗粒污泥，说明厌氧微生物在水解有机物的过程中大量繁殖，有部分与丝状菌结合不牢固的菌胶团上升随出水流出，导致出水COD 增高；另一方面在COD 测定时，进水中不能被酸性重铬酸钾氧化的复杂有机物，经过AF 水解后改变了难降解有机物的化学结构从而能够被酸性重铬酸钾氧化导致出水COD 增高。
2.2.3 微生物的稳定阶段
第34 天后，原水COD 的去除率逐渐上升，45 d之后，出水COD 稳定在25~30 mg/L，平均27 mg/L ，COD 去除率稳定在25%~30%，平均去除率为28%，pH 稳定在7.5~8，此时厌氧生物膜挂膜成功，历时约7 周，实现在常温短HRT 下AF 反应器的快速启动。
2.3 HRT 对COD 去除的影响
有机物厌氧降解需要经过水解—酸化—甲烷化的过程，而较短的HRT 对厌氧微生物对有机物的降解影响有限，因为AF 反应器的滤料能够将HRT 与SRT 和有机物降解时间分开，尽管HRT 较短，但SRT 却可以很长，有利于微生物的生长繁殖，从而使被AF 反应器截留的颗粒有机物能够被厌氧生物逐步地被降解，其中一部分转化为胶体或溶解的有机物。何成达等〔4〕采用厌氧降流式悬浮填料床预处理生活污水，实验结果也表明在短HRT 条件下，颗粒有机物在厌氧过程中可以被水解和降解，原污水中胶体性COD、溶解性COD 在此厌氧过程中也有一定程度的降解。
其次，Young 和McCarty 曾对许多粒状滤料的厌氧生物滤池研究后，提出了厌氧生物滤池对有机物去除效率关系：
式中：E———预计的溶解性 BODu 的去除率，%。
该关系式有着双重含义：（1）厌氧滤池的BODu去除率决定于HRT； （2）厌氧滤池的最短HRT 为1.8 h〔7〕。按公式算，AF 反应器在3 h 的HRT 下，对BODu 预计去除率为40%，而实际中对COD 的去除率在28%，说明二沉池出水中非溶解性BODu 的含量占COD 一定比例，在厌氧条件下将其水解酸化为溶解性COD 才会被去除，因此可以适当延长HRT，加强对BODu 的去除，但短HRT 更具有实际意义。
2.4 温度对COD 去除的影响
温度是影响厌氧生物处理工艺的重要因素，主要表现在3 个方面：（1）可以通过影响厌氧微生物细胞内某些酶的活性而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率。（2）通过影响生化反应中某些中间产物和反应流向而影响沼气的产量和成分。（3）影响污泥成分和状态。许多研究结果表明：在20~48 ℃培养成熟的厌氧污泥，其有机物去除负荷在30 ℃之前随着温度的升高而缓慢提高；在30 ℃之后则提高较快，生化速率相比20 ℃时增快1~2 倍，约在38~40 ℃时达到最高值，而当温度超过39 ℃后，如果温度进一步升高，其有机物去除负荷就会迅速降低〔5〕。由于笔者实验在常温（14~23 ℃）下进行，所以COD 去除率仅为28%，所以适当提升反应器温度，会明显提高COD 去除效果。
3 结论
（1）AF 启动实验两步法一方面通过固定化微生物技术改善了AF 反应器中滤料的表面结构，有利于厌氧微生物吸附在滤料上，另一方面利用丝状微生物在滤料上面交联生长形成网架结构，使厌氧微生物不易随水流流出，达到短HRT 下启动运行的目的。
（2）AF 厌氧启动过程可分为3 个阶段，分别是好氧微生物的内碳源释放阶段、厌氧微生物的繁殖适应阶段和微生物的稳定阶段。
（3）在常温短HRT 下，以低浓度、难降解的城市污水厂二级出水为原水，AF 反应器经过两步法启动后到达稳定，其中第一步用时1 周，第二步用时6周，共用时7 周。AF 反应器稳定后，出水平均COD在27 mg/L，对原水的COD 去除率在28%以上，说明AF 工艺可以应用在城市污水深度处理中，并且AF两步法能缩短其启动时间。
