懸浮填料好氧移動床反應器掛膜啟動方式研究

方建文,劉建廣,郝兆亮

(山東建筑大學市政與環境工程學院,山東濟南 250101)

懸浮填料好氧移動床反應器掛膜啟動方式研究

方建文,劉建廣,郝兆亮

(山東建筑大學市政與環境工程學院,山東濟南 250101)

主要針對好氧移動床處理生活污水掛膜啟動方式進行了研究。考察了接種污泥對掛膜啟動過程的影響,同時對啟動過程中微生物相的變化以及出水中主要污染物隨時間的變化情況進行了分析。結果表明:在溫度為 30～35℃,MBBR1和MBBR2均能在 16d左右完成掛膜啟動,載體上附著微生物生長穩定時生物膜質量濃度分別達 1.2g/L和 1.4g/L,接種污泥并不能加速掛膜啟動過程。試驗還顯示,掛膜過程中,CODCr和氨氮的去除率并不是同步提高,好氧異養菌的增殖速度較快,硝化菌的增殖速度較慢。

移動床反應器;接種污泥;生活污水;掛膜研究

在污水處理中,由于當前不斷增加的污水水量、有限的可用土地面積以及日益嚴格的出水水質標準使生物膜處理技術得到廣泛的應用。移動床生物膜反應器Moving Bed Biofilm Reactor(MBBR)是在流化床基礎上形成的污水處理新技術。它具有處理能力高、能耗低、不需要反沖洗、水頭損失小、不發生堵塞的工藝特點。反應器中的填料具有較高的比表面積,生物膜在填料內外表面都能大量生長,異養和自養微生物利用水中的 C、N、P等進行新陳代謝,從而起到凈化污水的作用[1]。國外對移動床反應器進行了大量研究[2～4],并大量應用于城市污水處理廠,取得了良好的處理效果。反應器出水效果好壞,主要取決于生物膜,必須在填料上形成穩定的生物膜,才能保證出水的效果。因此采用合適的掛膜方法對生物膜反應器的快速啟動和穩定運行有重要的意義。通常認為,增加懸浮微生物的質量濃度可以加速生物膜反應器的掛膜啟動[5,6]。但如果不接種污泥,僅利用污水自身所含的活性微生物,是否有利于掛膜啟動的迅速完成。為此,作者以生活污水作為處理對象,采用中試規模的移動床反應器研究了接種污泥對反應器掛膜啟動過程的影響,同時對掛膜過程中微生物相的變化以及懸浮污泥的影響進行了初步探討,以期為移動床反應器的工程應用提供有益參考。

1 實驗裝置與材料

1.1 試驗裝置及流程

反應器為長方體結構,長、寬、高分別為0.25、0.3、0.5m,有效容積為 25L。反應器內投加的載體填料為聚乙烯柱狀填料,該填料孔隙較大,生物膜更新速度快、活性高,適合高負荷下運行;進水是由水泵從水箱抽取經轉子流量計流入反應器內,利用轉子流量計控制空氣泵的進氣量,反應器采用陶瓷微孔曝氣頭曝氣。懸浮填料的流化主要靠反應器底部曝氣產生的提升力實現。填料規格見表 1。

表 1 填料特性參數

1.2 試驗水質

實驗所用廢水來自某大學中水站生活污水原水,水質主要參數見表 2。

表 2 原水水質

1.3 分析方法

(1)各項水質指標均采用《水和廢水監測分析方法 (第 4版)》[7]標準測試方法進行測定。pH采用 PHS-3C精密 pH計測定;CODCr檢測采用重鉻酸鉀法;氨氮測定采用納氏試劑比色法;生物相采用OLY MPUS電子顯微鏡觀察;DO用溶解氧測定儀測定;VSS/SS:烘干稱重法。

(2)填料生物膜濃度的測定。首先將生物膜填料置于 0.1mol/L的 NaOH堿液中,并在 60℃的水中溶解 20min,使生物膜與載體表面的交聯程度大大降低,然后再機械剝落處理;剝落后生物膜干重的測定與懸浮微生物干重的測定方法相同 (填料生物膜濃度單位折算為與懸浮微生物濃度單位一致,即 g/L)[8]。

2 啟動與掛膜試驗

試驗接種活性污泥取自某大學中水站的二沉池回流污泥。試驗在 30～35℃條件下進行,柱狀填料投加填充比為 50%。將混合液懸浮污泥(MLSS)濃度稀釋至 8～10g/L進行接種 MBBR1。MBBR1反應器的曝氣量為 120L/h;MBBR2采用原水掛膜,反應器曝氣量為 120L/h;先悶曝 48h,使微生物與填料充分接觸,然后開始以 1L/h流量進水 (水力停留時間為 24h),3d后調節進水為 2L/h(水力停留時間為 12h),在此條件下進行生物膜的掛膜試驗,同時每天對進出水氨氮、有機物濃度進行監測。

3 結果與分析

3.1 接種污泥對移動床反應器掛膜啟動過程的影響

為了研究接種污泥對移動床反應器掛膜的影響,我們對MBBR反應器中懸浮填料上的生物膜量進行統計。結果如圖 2所示。

從圖 2可以看出,由于MBBR1接種了活性污泥,少部分污泥附在填料的中心交叉面上,因此MBBR1填料上開始時生物量就達到 0.1g。MBBR2中的填料到第 4d時表面出現了一層淡黃色薄膜,此后逐步在填料載體表面形成小而分散的微生物菌落。由于溫度較高,供氧穩定,微生物生長良好。至第 6d時,MBBR1和MBBR2中填料上的生物膜質量濃度 VSS分別為 0.3和 0.24g/L。從第 8d至第 14d為微生物的快速增長期,14d后,單位體積生物膜量分別達到 0.98g/L、1.16g/L。以后生物膜生長基本趨于穩定,分別為 1.2g、1.4g左右。無接種污泥掛膜啟動結束時的生物膜質量濃度略高一些。兩種掛膜方法的啟動進程基本一致,掛膜啟動時間均為 16d左右,不添加接種污泥不會造成掛膜啟動時間的延長。單位體積的生物膜量相比于某些研究[9,10]相對低一些,主要因為本次實驗選用的大學生活污水中的 COD相對較低,不利于微生物的生長;另一方面,本實驗掛膜過程中曝氣強度較大,對生物膜的沖刷較強。

3.2 掛膜過程中 COD的去除情況對比

圖 3、圖 4是在兩種不同方式掛膜啟動過程中COD的去除情況。掛膜初期,MBBR1中的異養菌的適應期較短。在開始的前幾天,MBBR1對有機物就已有近 20%的去除率,原因是由于MBBR1中接種了污泥,部分污泥附著在填料內部交叉處,不容易被沖刷掉,有利于微生物的繁殖。由此可見懸浮污泥在初期起到了重要作用。MBBR2在悶曝結束后前 3d一直處于適應階段,對 COD的去除效果很少,填料上肉眼幾乎看不到生物膜存在,從第4d開始去除效果開始變好,在 8～14d這段時間內,CODCr去除率增加迅速,從最初的 5%左右,增加到 40%左右,生物膜也逐漸顯現出來。隨掛膜過程的進行,出水 COD最后逐步降低,到60mg/L左右。但在設備運行幾天后,COD去除率開始稍微有所下降,造成這種現象的原因是由于異養微生物在生長的初期繁殖速度較快,而硝化細菌對新的生長環境適應時間較異養細菌長,所以開始一段時間異養菌占優勢,但隨著硝化細菌對環境的適應,硝化細菌開始大量繁殖,在一定程度上,影響了異養菌的生長,造成了 COD去除率的稍微下降。

3.3 掛膜過程中氨氮的去除情況對比

從圖 5和圖 6可以看出,啟動掛膜第 4d,MBBR1對氨氮去除率僅為 10%,第 5～8d,去除率僅增長了 15%;MBBR2在啟動初的 7d內,對氨氮的去除率也僅為 8%左右。主要是由于硝化細菌的適應環境能力較異養菌弱[8],MBBR1和MBBR2分別從第 9d和第 10d開始,氨氮的去除效果開始迅速提高,MBBR1在第 16d后,氨氮去除率達到了50%左右,MBBR2在第 18d后,氨氮去除率達到了 55%左右,去除率都已趨于穩定。造成這種現象的原因是由于異養微生物在生長的初期繁殖速度較快,而硝化細菌對新的生長環境適應時間較異養細菌長,所以開始一段時間異養菌占優勢,但隨著硝化細菌對環境的適應,硝化細菌開始大量繁殖,從而使反應器的氨氮去除率迅速提高。在氨氮的去除方面,接種污泥的MBBR1與MBBR2去除效果沒有十分明顯的區別。同時填料表面及內部都已長滿大量生物膜,標志著掛膜已基本成功。

3.3 生物相的觀察

掛膜初期,填料上基本無生物膜生長,僅有少量絲狀菌開始繁殖。MBBR1因接種了污泥,填料上附著部分污泥。實驗過程中肉眼觀察發現,填料內表面在第 4d時均出現了一層淡黃色薄膜,逐步在填料載體表面形成小而分散的微生物菌落。隨掛膜過程的進行,填料表面的微生物相發生了較大變化,以絲狀真菌為主,同時有少量短桿菌,生物膜厚度增大。肉眼觀察,填料內表面的淡黃色生物膜變為黃褐色。普通鏡檢發現,累枝蟲屬等原生動物的量也有明顯增加,微生物種群分布進一步完善,生物膜生長進入相對穩定期,由于受水力剪切作用和營養底物濃度等條件的限制,生物膜的生長與老化脫落之間處于動態平衡。掛膜完成后取反應器中附著生物膜和懸浮生物膜進行鏡檢觀察,本試驗中載體上的生物膜生長良好,柱狀填料載體表面生物膜較薄,約 0.4mm左右,內部生物膜較厚,約 2 mm,生物膜較厚實,不易脫落。反應器穩定運行期,經顯微鏡觀察,填料上的生物相豐富,可以觀察到較多的絲狀菌,大量的鐘蟲、纖毛蟲等原生動物,以及少量的輪蟲、線蟲等微型后生動物,構成一個完整的生物體系。其中,固著形纖毛蟲種類豐富,數量眾多,主要有獨縮蟲、聚縮蟲、累枝蟲和蓋纖蟲等。而懸浮污泥中的生物相較少,主要由絲狀菌、細菌和藻類組成,還包括少量的原生動物和后生動物存在。

4 結論

(1)在溫度為 30±5℃,從 CODCr和 NH+4-N的去除效果上看,MBBR1和 MBBR2均在 16d左右完成掛膜啟動,兩種載體上附著微生物生長穩定時生物膜質量濃度分別達到 1.3g/L和1.6g/L,低于前者,添加接種污泥不能加速啟動過程。

(2)移動床生物膜反應器兩種方式掛膜過程中,CODCr和氨氮去除率的提高不是同步的;生物膜增長過程中,好氧異養菌的增殖速度較快,硝化菌的增殖速度較慢。單純進行去除有機物的異養菌的培養,在溫度為 30～35℃左右時,兩種掛膜方式均可在 16d左右完成掛膜任務,硝化菌的培養時間要更長一些。

(3)兩種掛膜方式相比,所用時間相差不大,采用原水掛膜生物膜相比接種掛膜厚,因此選擇原水掛膜較好。

[1]李兵,張建強.移動床生物膜反應器在污水處理中的應用[J].工業安全與環保,2007,33(4).

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[3]G Andreottola,P Foladori,M Ragazzi.Upgrading of a Small Wastewater Treatment Plant in a Cold Climate Region Using a Moving Bed Biofilm Reactor(MBBR)System[J].Wat.Sci.&Tech.,2000,41(1).

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[5]Fowler H W,Mckay A J.Micobial Adhesion to Surface[M].London:Academic Press,1980.

[6]周平,何嘉漢,錢易,等.內循環生物流化床反應器載體掛膜特性的研究 [J].環境科學學報,1998,18(1).

[7]本書編委會.水和廢水監測分析方法 (第四版)[M].北京:中國環境科學出版社,2002.

[8]劉雨,趙慶良,鄭興燦.生物膜法污水處理技術 [M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

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[10]于洪斌,全燮,丁蘊錚,等.MBBR處理生活、生產混合污水 [J].中國給水排水,2005,21(1).

Study on StartupM ethods of Biofilm Culturing of Suspended Carrier AerobicM oving Bed Reactor

FANG Jian-wen,L IU Jian-guang,HAO Zhao-liang
(School of Municipal&Environment Engineering of Shandong Jianzhu University,Jinan Shandong 250101 China)

The startup methods of aerobic moving bed biofilm formation for domestic wastewater treatment reactor are studied.The effects on startup process by seed sludge are investigated,and the changes of micro-organism phase and the changes of the main pollutants as time goes in the startup process are analyzed.The results indicate that MBBR1 and MBBR2 can be cultured the film successfully in sixteen days when the temperature is 30 to 35℃,and the concentration of the biofilm on the carrier can reach 1.2g/L and 1.4g/L respectively when they grow stably.The seed sludge cannot speed up the process of biofilm culturing.The removal rates of CODCrand NH3-N will not be improved at the same time during the biofilm culturing process.There is high speed for growth of population of aerobic heterotrophic bacteria with slow speed for growth of population of nitrobacter.

moving bed reactor;seed sludge;domestic wastewater;research on biofilm culturing

X703

A

1673-9655(2010)01-0011-04

2009-09-03

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07422003)。

方建文 (1985-),男,漢族,山東青島人,在讀碩士研究生,主要研究方向:水污染控制。