生物膜厭氧折流板反應(yīng)器處理高鹽有機(jī)廢水研究

伊學(xué)農(nóng)，夏翰生，王 晨，曹 銳

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

目前，榨菜廢水處理生產(chǎn)性調(diào)試面臨的耐鹽微生物馴化程度有限、厭氧工藝難啟動(dòng)易酸化、耐鹽菌對(duì)鹽度變化敏感、生物降解速率受鹽度影響明顯等問題[1～2]，一直是制約該類廢水處理的瓶頸。

厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）具有微生物相分離、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單、低水頭高容效等特征[3]。ABR 反應(yīng)器作為第三代厭氧生物處理反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了分階段多相厭氧工藝（SMPA）的思想[4]，其獨(dú)特的分格室結(jié)構(gòu)及推流態(tài)使得每個(gè)反應(yīng)格室可以馴化出環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物群落，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相沿程得到分離，使其在整體性能上相當(dāng)于一個(gè)兩相厭氧處理系統(tǒng)。生物相分離的特性使其抗沖擊負(fù)荷能力、處理效能及運(yùn)行穩(wěn)定而性顯著提高，可以應(yīng)用于處理各種有機(jī)廢水，特別是復(fù)雜、難降解的有機(jī)廢水[5-9]。

生物膜厭氧折流板反應(yīng)器（MABR）是新型水處理專利技術(shù)，在兩相分離厭氧的基礎(chǔ)上增設(shè)了生物膜填料，極大增加了生物膜接觸面積，提高了厭氧生物處理效率。因此，選用MABR 反應(yīng)器作為榨菜廢水處理工藝，并研究其中試調(diào)試運(yùn)行過程，具有顯著的代表性和應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究裝置

該中試實(shí)驗(yàn)MABR 工藝設(shè)計(jì)如圖1所示，反應(yīng)器總有效體積為110.7m3，分為五個(gè)反應(yīng)格室A1、A2、A3、A4和A5。反應(yīng)器每個(gè)格室采用生物膜組合填料，底部設(shè)置排泥及污泥回流系統(tǒng)。

圖1 MABR工藝示意圖

1.2 進(jìn)水和接種污泥

經(jīng)水解調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量后，高鹽榨菜廢水設(shè)計(jì)進(jìn)水規(guī) 模 為50m3/d，COD 為3500～4500mg/L，均 值4000mg/L，鹽度為1.0%（以NaCl），pH 值為5.1～5.3。

接種的污泥取自當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)污水廠的脫水污泥進(jìn)行污泥馴化，培養(yǎng)耐鹽菌。在馴化開始階段，首先向MABR 分別投加污泥6t，此時(shí)控制進(jìn)水鹽度為0.40%、進(jìn)水量為30m3/d；接種污泥后，MABR 靜置2d。以鹽度0.15%、水量5m3/d 為進(jìn)水梯度，平均每周提升一次進(jìn)水梯度，逐漸培養(yǎng)出耐鹽微生物。

在污泥馴化期間，進(jìn)水鹽度為1.0%、進(jìn)水量為50m3/d、各池各指標(biāo)均正常、MABR 反應(yīng)器去除率達(dá)到50%、系統(tǒng)出水清澈并且運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，可以認(rèn)為耐鹽污泥的馴化完成，然后進(jìn)入試運(yùn)行階段。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

研究運(yùn)行共分為3 個(gè)階段，各階段的運(yùn)行參數(shù)見表1所示，每個(gè)運(yùn)行工況均在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行取樣分析。

表1 試驗(yàn)過程及參數(shù)控制

1.4 分析測(cè)定方法

水樣經(jīng)過0.45μm 中性濾紙過濾，以去除懸浮物的影響，水樣按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、氨氮、總磷、鹽度等[10]。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)項(xiàng)目及其分析方法詳見表2。

表2 檢測(cè)項(xiàng)目分析方法Table 2 Test items and analytical methods of water quality

2 結(jié)果與討論

2.1 MABR在污泥穩(wěn)定階段的VFAs變化特征

本實(shí)驗(yàn)通過檢測(cè)揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的變化反映了厭氧生物處理系統(tǒng)中微生物菌群的代謝活性的改變。如圖2所示，在整個(gè)MABR 穩(wěn)定階段的初期，VFAs 在A2的總量始終高于A1，而A3、A4 和A5 則逐級(jí)下降。在整個(gè)穩(wěn)定階段，A2 的VFAs 高達(dá)2405mg/L，說明前兩格室產(chǎn)酸發(fā)酵菌群代謝活性較高。A3、A4 和A5 的VFAs 下降非常有限，A4 的VFAs 仍高達(dá)1625mg/L，A5的VFAs 高達(dá)1513mg/L，說明在A4、A5中消耗的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群的代謝活性較低。分析認(rèn)為，主要原因是后兩格室的pH 較低，達(dá)不到產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌適宜的范圍（6.8～7.2），使得產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群消耗VFAs 的能力受到了嚴(yán)重抑制。

在穩(wěn)定階段的后期，MABR 前兩格室VFAs 在整個(gè)穩(wěn)定階段有所上升，但A3、A4和A5中VFAs 卻大幅下降，由A2的2296mg/L 下降到A5的347mg/L。出水COD 為1146mg/L，去除率最終穩(wěn)定在了71.2%。說明在MABR 系統(tǒng)的穩(wěn)定階段，嚴(yán)格控制pH 和VFA/ALK 比值在0.3之下，把pH 控制在6.8～7.2之間，能夠顯著降低VFAs 的殘余量，提高后兩個(gè)格室中產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群的代謝活性，從而提升系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

圖2 反應(yīng)器污泥穩(wěn)定期VFAs的變化

2.2 MABR在效能提高階段的VFAs變化特征

在效能提高階段，采用內(nèi)回流的的方式，研究MABR 對(duì)高鹽有機(jī)廢水的處理效果。把效能提高階段分為3個(gè)10d 的周期，從A5 回流混合液到A1，回流比分別設(shè)置為20%、40%和60%。其中進(jìn)水COD、溫度和HRT 不變，pH 保持在7.2左右。

圖3（a）為MABR 在不同梯度回流比條件下的VFAs的變化特征。可以看出，在第1和第2個(gè)10d 周期運(yùn)行期間，VFAs 在的MABR 前兩格室呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，A2 中的VFAs 始終高于A1，而在后三個(gè)格室，VFAs 則小幅度下降穩(wěn)定。相比于第1個(gè)周期，第2個(gè)周期后三格室的VFAs 有明顯下降，A5出水VFAs 最低為198mg/L。這一現(xiàn)象表明，在MABR 中，產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相沿程得以分離，前兩個(gè)格室為產(chǎn)酸發(fā)酵功能格室，而后三個(gè)格室為產(chǎn)甲烷功能格室。

隨著回流比由20%增加到40%和60%，前兩格室中的VFAs 顯著升高，在A2 中，VFAs 由第1 周期的2410mg/L，上升到第2周期的2586mg/L 和第3周期的2754mg/L，表明回流比的提高刺激了產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的生長(zhǎng)，并且由于生物相分離，使產(chǎn)酸發(fā)酵菌群可以在其適宜的溫度和pH 值環(huán)境中保持較高的代謝活性。產(chǎn)酸發(fā)酵功能格室中的產(chǎn)酸發(fā)酵菌群能夠及時(shí)完成對(duì)大分子有機(jī)污染物水解發(fā)酵。

相較于第1和第2個(gè)周期，回流比為60%的第3周期出現(xiàn)了后三格室VFAs 小幅度增加的情況，出水VFAs 殘余量為326mg/L。這一現(xiàn)象說明，高回流比使整個(gè)系統(tǒng)的VFAs 都相繼增高，特別是后三個(gè)格室增高，增加的出水VFAs 殘余量，不是最優(yōu)工況。故在回流比為40%的情況下，出水VFAs 能達(dá)到198mg/L 的最優(yōu)工況。

2.3 MABR在效能提高階段的COD變化特征

在回流比分別為20%、40%和60%的3 個(gè)周期內(nèi)，出水COD 出現(xiàn)了小幅度變化。如圖3（b）所示，在第1 個(gè)周期內(nèi)，出水COD 穩(wěn)定并達(dá)到1017mg/L；在第2個(gè)周期內(nèi)，出水COD 穩(wěn)定并達(dá)到872mg/L；在第3個(gè)周期內(nèi)，出水COD 穩(wěn)定并達(dá)到1026mg/L。表明由于生物相的分離使得MABR 反應(yīng)器具有良好的抗負(fù)荷沖擊能力和污染物去除效能。故最佳工況回流比為40%，在高鹽有機(jī)廢水的復(fù)雜情況下，MABR 反應(yīng)器出水COD 穩(wěn)定在872mg/L，COD 去除率達(dá)到78%。

3 結(jié)論

1）采用高鹽榨菜腌漬有機(jī)廢水為研究對(duì)象，考察了生物膜厭氧折流板反應(yīng)器（MABR）在實(shí)際應(yīng)用的可行性。在設(shè)計(jì)構(gòu)筑物MABR 中，進(jìn)水COD 為3500～4500mg/L，有機(jī)負(fù)荷率為1.80kg/（m3·d），HRT 為53h，在厭氧混合液回流比為40%的情況下，取得了78%左右的COD 去除率。

2）在MABR 中，VFAs 在總量的變化深刻影響厭氧生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和COD 去除率的變化。在MABR 中，A1的VFAs 小于A2，A1 和A2 的VFAs 越高表示產(chǎn)酸發(fā)酵菌群有較高的代謝活性，后三個(gè)格室VFAs 逐漸下降，最后的出水VFAs 殘余量與出水COD 正相關(guān)。本次試驗(yàn)中出水VFAs 最低達(dá)到198mg/L，出水COD 達(dá)到872mg/L。

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