目前处理餐饮废水的方法主要有物理法、电化学法和生物法等〔7-9〕，其中物理法设备投资大，一般作为餐饮废水的预处理；化学法产生的污泥量大，处理费用高；一般生物法占地面积大，停留时间长，效果慢。上述方法均不适用于中小型餐饮业，市场上急需一种性价比高，值得推广的工艺和技术。而在污水处理中被广泛使用的生物接触氧化法，具有生物量大、污泥产量少、抗冲击负荷能力强、无污泥膨胀之虞等优点〔10〕，但该法在餐饮废水处理中的报道却极少〔11〕。基于此，笔者尝试将厌氧和好氧生物接触氧化工艺融入到隔油装置中，设计了一体式隔油-生物滤池装置，用于强化处理餐饮废水，使其在油水分离的同时，有效地削减餐饮废水中的悬浮物、有机物、总氮和总磷等污染物的浓度，旨在为餐饮废水的处理提供一种新技术和新装备。
1 试验部分
1.1 装置
自行设计的试验装置如图 1所示，该装置呈长方体，由耐腐蚀性好的有机玻璃材料制成，主体尺寸为75 cm×25 cm×40 cm，有效容积为75 L，其中粗滤室、第1过滤室、第2过滤室、沉淀室分别占箱体容积的15%、35%、35%、15%。粗滤室设有除渣滤网(主体尺寸为5.5 cm×25 cm×7 cm，孔径3 mm)、排油口和排渣口，方便去除餐饮废水中大量的固体悬浮物及油脂；第1过滤室和第2过滤室分别设置能方便装入和取出的生物过滤桶，过滤桶底部设有进水孔与过滤室相连，桶内装有廉价的固定纤维组合填料，分别形成厌氧生物滤池(A区)和好氧生物接触氧化池(O区)，纤维组合填料所占的容积为生物过滤桶容积的65%；第2过滤室的生物过滤桶填料底部放置曝气砂头，通过调整曝气量来控制水中溶解氧(DO)；剩余污泥通过A区、O区和沉淀室的排泥口排出。
图1
图1
一体式隔油生化装置示意
Fig.1
Schematic diagram of integrated oil separator biochemical device
1.2 水样
实验水样取自某饭店，该饭店废水排放高峰出现在中午和晚间两个时段。废水中动植物油脂质量浓度为417~510 mg/L，悬浮固体质量浓度(SS)为548~636 mg/L，COD、NH3-N、TN和TP分别为1 024~ 2 176、12.90~20.01、25.96~36.12和4.7~7.3 mg/L。对照GB/T 31962—2015可知，除N、P外，COD、动植物油、SS等存在明显的超标问题，店面经营面临严峻的环保压力。
1.3 优势菌种投加
试验所用的厌氧和好氧COD去除菌剂均为复合菌种，呈灰黄色固体粉末，购自本地某环保科技有限公司。厌氧复合菌种的主要成分为：反硝化细菌、产甲烷菌、乳酸菌、假单胞菌、酵母菌、酶蛋白和强化剂等；好氧复合菌种主要成分为：硝化细菌、反硝化细菌、芽孢杆菌属、假单胞菌属、活化剂以及多糖等营养物质等。使用说明：厌氧复合菌种菌粉投加比例为2 g/L，好氧复合菌种菌粉投加比例为2.5 g/L；pH适合范围5~9；温度适合范围10~50 ℃。
1.4 常规分析方法
DO采用哈希便携式DO仪测定(SensION6，USA)；pH采用便携式pH计测定(pHB-9，江苏盛奥华环保科技有限公司)；COD、NH3-N、TN、TP、SS、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)、动植物油的测定，均参照《水和废水监测分析方法》测试〔12〕。
1.5 装置启动与运行
本装置启动采用优势菌种挂膜快速启动法。准备2个装有10 L餐饮废水的桶，按照菌种使用说明，向2个桶中分别投加20 g厌氧复合菌种和25 g好氧复合菌种，搅拌均匀后，将填料置入当中，调节曝气量使好氧桶内DO保持为3~4 mg/L，厌氧桶的DO基本维持在0.5 mg/L以下，每天定时检测水中COD指标，并观察生物膜生长状况。7 d后，厌氧填料上挂了一层黑褐色、絮状生物膜，COD去除率为65%左右；而好氧填料生物膜则呈黄色、絮状，COD去除率为73%左右，这表明装置内生物膜上的微生物己经初步具有去除污染物的能力，挂膜成功。挂膜完成时好氧填料生物膜上的微生物相如图 2所示，填料生物膜上微生物多样性丰富，菌胶团明显，且出现大量的原生动物和后生动物。
图2
图2
挂膜完成时好氧填料生物膜上的微生物相
Fig.2
Microbial phase on the biofilm of aerobic packing at the end of biofilm formation
此后将填料转移至装置中，进入HRT优化期，共分为5个不同阶段：第1天—第25天的HRT设置为12 h、第26天—第50天的HRT设置为10 h、第51天—第75天的HRT设置为8 h、第76天—第100天的HRT设置为6 h、第101天—第120天的HRT设置为4 h，为满足餐饮废水分时段集中排放的模式，每天处理2个批次，每次HRT的改变均在前一阶段运行稳定后进行。期间水温在20~28 ℃之间。
2 结果与讨论
2.1 油脂的去除效果
除油脂是餐饮废水的首要目标，在完成油水分离后，装置中的生物膜才能更好地发挥作用。在不同的HRT条件下，装置对餐饮废水中油脂的去除效果如图 3所示。
图3
由图 3可知，HRT对去除油脂效果的影响较小，进水油脂质量浓度为417~510 mg/L，经粗滤室隔离后出水油脂质量浓度为203~223 mg/L。通过微生物降解后，A区出水油脂质量浓度为83~141 mg/L，大部分已在90 mg/L左右；O区出水油脂质量浓度为18~37 mg/L，最后装置出水油脂质量浓度均值为8.73 mg/L，油脂总平均去除率为98.14%，出水油脂浓度稳定，优于《污水排入城镇下水道水质标准》控制项目限值B级即纳管排放标准。
本装置的工艺设计是物理+生化的复合系统，对油脂的去除是隔油池和微生物共同作用的结果。运行期间，装置各区间对油脂去除贡献率分布见图 4。由于餐饮废水中大部分漂浮态油脂被隔离在了粗滤室，并由排油口人工定期排除，因此粗滤室对油脂去除贡献率最大，占整个系统中油脂总去除率的55.55%。余下的乳化态油脂和微小悬浮物进入A、O区与填料接触，微生物以油脂作为生长所需的碳源和能源，通过微生物生长过程中产生的脂肪酶等降解酶系的作用，经过一系列过程将其彻底分解氧化为H2O、CO2等代谢产物〔13〕，试验测得A区、O区和沉淀室对油脂的去除贡献率分别占整个系统中油脂总去除率的26.04%、14.93%和3.48%。这表明一体式隔油-生物滤池装置内部的隔油设计以及与A/O工艺相结合的方式能有效去除餐饮废水中大量的动植物油脂。
图4
图4
装置各区对油脂的去除贡献率
Fig.4
The contribution rate of each area of the device to the removal of grease
2.2 COD的去除效果
一体式隔油-生物滤池装置对COD等有机物的去除效果如图 5所示。
图5
由图 5可知，当HRT分别在12、10、8、6、4 h且运行稳定期时，平均COD去除率相应地分别为85.28%、87.20%、91.57%、87.82%、85.56%，均稳定在85%以上，出水COD优于纳管排放标准。装置在HRT为12 h运行初期，COD去除率较低为62%左右，随着复合菌种的驯化和对环境的适应，10 d后出水COD的去除率稳定在85%左右。之后每次HRT改变后的一段时间内，反应器会出现“不稳定期”，COD的去除率会比前一阶段有明显下降，然后COD去除率开始逐渐回升，进入“稳定期”〔14〕。主要原因是HRT发生变化时，会诱导装置内微生物种群发生变化，导致系统处于不稳定状态，需要一定时间的适应过程〔15〕。在本研究中HRT由12 h逐步缩短至8 h时，COD去除率逐渐升高，主要原因是：随着反应器HRT的降低，一方面有机负荷有较大的提升；另一方面较大的上升流速增强了微生物与污水之间的物质传递，提高了反应器的处理效果。微生物与底物的接触程度对于底物的充分转化有重要的影响，以中等混合程度为最佳〔16〕。当HRT由8 h缩短至4 h时，COD去除率逐渐降低，主要原因是：一方面O区有机负荷增大，另一方面好氧微生物与废水接触时间不充分，有机物降解不完全，从而导致了脱碳处理效果的下降。
当HRT为8 h时，A区和O区去除率以及去除贡献率如图 6所示。
图6
图6
A区和O区对COD的去除贡献率
Fig.6
Contribution rate of COD removal by Zone A and Zone O
2.3 SS的去除效果
一体式隔油-生物滤池装置对餐饮废水中SS的去除，起主要作用的是物理隔离沉降和生物膜吸附降解作用。不同HRT条件下，装置对餐饮废水中SS的去除效果如图 7所示。
图7
由图 7可知，装置进水SS为548~636 mg/L，均值为593 mg/L，经粗滤室隔离后出水SS为419~477 mg/L，均值为448 mg/L；经过厌氧生物滤池(A区)后的出水SS为147~197 mg/L，均值为166 mg/L；经过好氧生物接触氧化池(O区)后的出水SS范围为51~ 78 mg/L，均值为61 mg/L；经过沉淀后的出水SS为25~59 mg/L，均值为39 mg/L；整个装置的SS总平均去除率为93.49%，出水感官效果良好，优于纳管排放标准。从图 7还可以看出，HRT分别为12、10、8、6、4 h，装置对SS的去除率分别为95.24%、94.56%、93.71%、92.81%、90.62%。随着HRT的降低，SS的去除效果略微下降，这是因为HRT降低时，生物膜中微生物对废水中悬浮物质的截留、吸附不完成〔18〕。
图8
图8
装置各区对SS的去除贡献率
Fig.8
The contribution rate of each area of the device to the removal of SS
2.4 其他污染物的去除效果
在HRT为8 h、DO为3~4 mg/L、水温为20~28 ℃的条件下，一体式隔油-生物滤池装置的进水NH3-N、TN、TP平均质量浓度分别为18.98、29.38、6.62 mg/L，经装置处理2个月后，其出水NH3-N、TN、TP的平均质量浓度分别为3.79、9.63、2.59 mg/L，相应地NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为80.03%、67.22%、60.87%，见表 1所示。由于填料生物膜中含有活性较强的硝化菌、反硝化菌和假单胞菌属，在好氧环境下，生物膜上的硝化菌能将废水中氨氮转化为硝酸盐；在缺氧环境下，反硝化细菌利用水中碳源，将NOx-N作为电子受体完成反硝化反应；而假单胞菌属在反硝化作用下以NO3-作为电子受体吸收磷，氧化胞内贮存的聚β羟基丁酸盐(PHB)，并且从外部环境摄磷，最终通过生物膜的脱落达到除磷目的〔20〕。
表1 装置对餐饮废水脱氮除磷处理效果
Table 1
| 污染物 | 进水质量浓度/(mg·L-1) | 出水质量浓度/(mg·L-1) | 去除率/% | |||
| 范围 | 平均值 | 范围 | 平均值 | |||
| NH3-N | 12.90~20.01 | 18.98 | 2.21~4.98 | 3.79 | 80.03 | |
| TN | 25.96~36.12 | 29.38 | 8.52~11.96 | 9.63 | 67.22 | |
| TP | 4.71~7.33 | 6.62 | 2.07~3.24 | 2.59 | 60.87 | |
2.5 装置内填料污泥产率
当HRT为8 h，进水流量为225 L/d时，本装置填料总污泥量随时间变化的结果如图 9所示。
图9
由图 9可知，两者呈线性关系，直线拟合得到的斜率即是反应期内污泥增加速率，为2.003 9 g/d。参照文献〔21〕的计算方法，系统单位COD污泥产率系数(以MLSS计)为0.028 g/g，即每降解1 g COD将产生28 mg活性污泥，明显低于传统工艺的污泥产率系数(一般为0.6~0.8)〔12〕。这与杜振忠等〔22〕的多级A/O生物膜反应器中的污泥产率0.024 g/g相比，本工艺同样具有良好的污泥减量效果。分析原因可能是：(1)填料提供的氧化还原环境能够为不同的微生物提供生长条件，使污泥被微生物分解利用；(2)微生物附着在填料上，纤维组合填料可以为微生物提供抵抗系统冲击的能力〔23〕，有利于系统形成较长的食物链，食物链越长，能量消耗越大，污泥产率越小〔24〕；(3)生物膜法会使污泥龄与HRT分离，较长的污泥龄有利于产生较少的剩余污泥〔25〕。
3 结论
采用优势菌种挂膜法，历时7 d实现了系统的快速启动，在最佳条件下，当HRT为8 h，好氧区DO为3~4 mg/L，水温在20~28 ℃时，动植物油脂、COD和SS去除率分别为98.14%、91.57%和93.71%，出水优于纳管排放标准。其中粗滤室对油脂的去除贡献率占整个系统中油脂总去除率的55.55%；A区对COD的去除贡献率占整个系统中COD总去除率的62.02%，对SS的去除贡献率占整个系统中SS总去除率的50.81%。本装置还具有脱氮除磷功能，经装置处理后，NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为80.03%、67.22%和60.87%。装置内填料单位COD污泥产率(以MLSS计)为0.028 g/g，低于传统工艺的污泥产率系数，污泥减量效果显著。
一体式隔油-生物滤池装置将A/O工艺合理设计在隔油池中，将厌氧和好氧生物填料设置在过滤筒中，实现对餐饮废水的强化处理，使油水分离的同时相应地削减废水中的悬浮物、有机物、总氮和总磷等污染物总量。整个装置占地面积小，运行成本低，更换方便，适合中小型餐饮企业或度假村餐饮废水的处理，具有良好的应用前景。
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