膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動研究

茍姝貞，向峻伯，茍啟明，夏志東，鄧仕槐

(1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都，610218；2.成都市計量檢定測試院，四川 成都，610021；3.四川農(nóng)業(yè)大學，成都 溫江 611130)

膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動研究

茍姝貞1，向峻伯1，茍啟明2，夏志東1，鄧仕槐3

(1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都，610218；2.成都市計量檢定測試院，四川 成都，610021；3.四川農(nóng)業(yè)大學，成都 溫江 611130)

本文采用雅安市名山縣酒廠污水處理站的活性污泥和四川農(nóng)業(yè)大學教學科研園區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢水，進行了膜生物反應(yīng)器(MBR)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動試驗?；钚晕勰囫Z化是MBR啟動的關(guān)鍵，在進水pH一定下，測定不同進水濃度時MBR對CODcr、氨氮的去除率。16d的污泥馴化后，CODcr和氨氮的去除率分別達到了96%和93%，膜生物反應(yīng)器啟動成功。

膜生物反應(yīng)器；啟動；活性污泥馴化

1 前言

膜分離與生物處理相結(jié)合的工藝稱為膜生物反應(yīng)器工藝(membrane bioreactor ,MBR)。它用膜取代了傳統(tǒng)的二沉池，具有出水穩(wěn)定、活性污泥濃度高、抗沖擊負荷能力強、泥齡長、剩余污泥量少、裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占地少等優(yōu)點，在污水處理及回用方面有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。畜禽廢水具備有機物、懸浮物和氨氮濃度高的顯著特點，其可生化性較好[5-6]，采用厭氧-好氧聯(lián)合處理工藝是目前公認的最經(jīng)濟方法。而膜生物反應(yīng)器作為一種新型的生物化學反應(yīng)系統(tǒng)[7]，結(jié)合了濾膜與活性污泥的雙重優(yōu)點，既能高效的去除畜禽廢水中的有機物，又能有效的降低畜禽廢水中氮、磷的濃度，對于提高畜禽廢水處理效果、節(jié)約資源具有重要的意義。

本試驗研究了畜禽養(yǎng)殖廢水運用膜生物反應(yīng)器處理的啟動過程。在其啟動過程中，活性污泥的培養(yǎng)與馴化是活性污泥法實驗和生產(chǎn)運行的第一步，也是至關(guān)重要的一步。通過培養(yǎng)，使微生物數(shù)量增加，達到一定的污泥濃度。馴化則是對混合微生物群進行淘汰和誘導，不能適應(yīng)環(huán)境條件和所處理廢水特性的微生物被抑制，具有分解廢水有機物的微生物得到發(fā)育，并誘導出能利用廢水有機物的酶體系[8]。要求在馴化階段后期，若在畜禽廢水進水氨氮濃度為100mg/L、CODcr為2000mg/L時，污泥也能以很高的速率完成硝化反應(yīng)，并且氨氮去除率能達到90%以上，CODcr的去除率也能達到95%以上，則表明啟動完成。

2 材料與方法

2.1 材料

供試驗水樣取自四川農(nóng)業(yè)大學教學科研園區(qū)校污水處理站氣浮塔后的廢水。廢水主要由校畜禽養(yǎng)殖場(雞、鴨、鵝、牛、豬、羊)糞便、尿液和圈的沖洗水組成，其特點是高懸浮物，高有機物和高氨氮。其水質(zhì)基本狀況見表1。

2.2 實驗裝置

本試驗采用的是一體式膜生物反應(yīng)器(圖1)。一體式MBR是將膜組件直接放入生物反應(yīng)器內(nèi)，一般靠水頭壓差或真空泵抽吸以獲得膜分離所需要的壓力差[9-10]。其主要設(shè)備如下：

2.2.1 膜生物反應(yīng)器 尺寸為：0.8m×0.22m×0.6m，反應(yīng)器體積105.6L。

2.2.2 中空纖維膜組件 采用聚偏氟乙烯 (PVDF)

表1 進水水質(zhì)各主要指標

注：供實驗用的活性污泥取自名山酒廠的污水處理站，其活性較好。

中空纖維微濾膜。膜孔徑0.1～0.2μm。

2.2.3 控制系統(tǒng) 由3個閥門分別控制爆氣、進水和出水量。

2.2.4 計量系統(tǒng) 液位控制器和出水流量計L.ZB玻璃轉(zhuǎn)子流量計。

2.2.5 其它設(shè)備 有進水泵、進出水閥、空氣泵、出水泵、進水箱、出水箱等。

圖1 一體式MBR實驗裝置示意圖

2.3 實驗方法

2.3.1 清水實驗 在實驗前測試膜比通量(膜比通量是指單位操作壓力單位時間以及單位膜面積透過溶劑的量，是反映膜性能的重要參數(shù))，并測出水通量與操作壓力之間的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)文獻選定出水通量和操作壓力[11-12]，確定啟動方案。

2.3.2 反應(yīng)器的啟動 試驗所用的接種污泥取自雅安市名山縣酒廠污水處理站。啟動階段，由于污泥活性較好，本實驗在污泥培養(yǎng)階段為了使污泥迅速馴化和增殖，在系統(tǒng)的啟動階段不進行排泥，接種污泥量約占反應(yīng)器體積的20%。反應(yīng)器啟動采用連續(xù)進水方式，第1天先連續(xù)悶曝24h，其后每12h作為1個周期。曝氣11h后換水，換水量為反應(yīng)器容積的70%～80%。進水將畜禽廢水稀釋至CODcr約500mg/L，污泥容積負荷為0.5kgCOD/(m3·d)，當CODcr的去除率大于80%時逐漸提升負荷[增幅為0.25～0.5kgCOD/(m3·d)]，每次負荷變化后穩(wěn)定運行1d后再測定各參數(shù)。馴化階段后期，若在畜禽廢水進水氨氮濃度為150mg/L、CODcr為2000mg/L時，污泥也能以很高的速率完成硝化反應(yīng)，并且氨氮去除率達到90%以上，CODcr的去除率也達到了95%以上，則表明馴化基本成功。

2.4 分析項目與方法

2.4.1 實驗分析方法 本實驗采用國家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測分析方法》一書中規(guī)定的方法進行分析側(cè)定[13]。日常分析測定的項目包括進出水和反應(yīng)器上清液的CODcr、氨氮、TN、TP、DO等，具體分析項目和方法見表2。

2.4.2 數(shù)據(jù)分析方法 采用Excel進行原始數(shù)據(jù)的處理，采用Origin 8軟件進行分析。

表2 監(jiān)測分析項目及方法

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)啟動初期

污泥取回后立即投入膜生物反應(yīng)器，投加量為反應(yīng)器有效容積的20%，隨即注入清水充滿反應(yīng)器。第1天，常溫下悶曝24h，其后每12h作為1個周期。曝氣11h后換水，進水將畜禽廢水稀釋至CODcr約500mg/L，污泥容積負荷為0.5kgCOD/(m3·d)，換水量為反應(yīng)器容積的70%～80%，促使菌種恢復活性，并逐步適應(yīng)進水的水質(zhì)狀況。

由于馴化才剛剛開始，構(gòu)成活性污泥的好氧微生物(包括細菌、真菌、原生動物和后生動物)數(shù)量增加有限，還未達到一定的污泥濃度；且混合微生物群進行優(yōu)勝劣汰和誘導的工作正在進行中，不能適應(yīng)環(huán)境條件和所處理廢水特性的微生物未被完全抑制，具有分解廢水有機物的微生物還未得到充分發(fā)育[14]，導致對有機物等的去除率比較低。但是在保持反應(yīng)器進水CODcr濃度仍為500mg/L，容積負荷仍為0.5kgCOD/(m3·d)的條件下，經(jīng)過5d的運行后，CODcr的去除率從79.69%增加到86.39%，達到了預期目的。按照常理啟動初期歷時比較長，但是所使用的活性污泥來自雅安市名山縣酒廠污水處理站ABR池中，具有污泥活性強、培養(yǎng)馴化迅速、系統(tǒng)啟動快的優(yōu)點，所以啟動初期總共只用去了5d。

3.2 系統(tǒng)啟動中期

本試驗采用低負荷高去除率的啟動方式。進水采用稀釋后CODcr濃度為500mg/L的畜禽養(yǎng)殖廢水，反應(yīng)器容積負荷按增幅為0.25～0.5 kgCOD/(m3·d)逐漸提升，每次負荷變化后穩(wěn)定運行1d再測定各參數(shù)。根據(jù)本階段的試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)將CODcr的去除率與容積負荷的關(guān)系繪制于圖2。

圖2 啟動中期容積負荷與CODcr去除率的關(guān)系

由于進水水質(zhì)和容積負荷相對污泥活性恢復期均有較大的提高，反應(yīng)器在改變進水容積負荷初始期(1～4d)表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)，CODcr去除率逐漸減小，出現(xiàn)出水水質(zhì)惡化。特別是啟動中期的第4天，CODcr的去除率降到全程最低，為89.55%。此情況下，使反應(yīng)器內(nèi)部pH值維持在6.9～7.1的水平，營造利于厭氧微生物生長的環(huán)境，隨著厭氧微生物的生長繁殖，反應(yīng)器處理能力逐步提升，CODcr的去除率由89.55%回升到96.70%。進入系統(tǒng)啟動后期階段。

3.3 系統(tǒng)啟動后期

在此階段，畜禽廢水進水水質(zhì)指標發(fā)生變化，氨氮濃度為150mg/L、COD為2000mg/L，測定各參數(shù)，根據(jù)本階段的試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)將氨氮、CODcr的去除率繪制于圖3。

圖3 啟動后期氨氮與CODcr的去除率

啟動后期，污泥濃度已達到要求，優(yōu)勝劣汰的工作完畢，并誘導出能利用廢水有機物的酶體系，從而氨氮和CODcr的去除率得以大幅度的提高。更為重要的是，試驗所使用的活性污泥來自于雅安市名山縣酒廠污水處理站，活性良好，促使系統(tǒng)啟動快，整個啟動過程僅用去了16d(啟動初期5d，中期6d，后期5d)。所以，此活性污泥也能以很高的速率完成硝化反應(yīng)，使氨氮的去除率達到93%以上，并且系統(tǒng)對CODcr的去除率也達到了96%以上，表明馴化基本成功，可認為膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動實驗成功[15]。

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2017-10-30

茍姝貞(1986-)，女,從事環(huán)境污染治理相關(guān)研究工作。E-mail:shuzhen0827@163.com。