流化床接種優勢菌種處理屠宰廢水啟動研究

劉少北, 曾濤, 林海波, 劉鵬, 謝君科

(四川理工學院機械工程學院, 四川自貢643000)

流化床接種優勢菌種處理屠宰廢水啟動研究

劉少北, 曾濤, 林海波, 劉鵬, 謝君科

(四川理工學院機械工程學院, 四川自貢643000)

從若干菌群中選育分離出高效降解屠宰廢水的優勢菌種，將低溫保存的優勢菌種活化與流化床內的載體混合，在啟動過程中逐步提高進口濃度、水力停留時間、空氣流量來完成流化床載體接種優勢菌種形成生物膜。結果表明：表觀氣速不超過1.08 cm/s、水力時間不超過4 h有利于活性炭掛膜；啟動成功后，有機容積負荷達6.34 kg COD/(m3·d)，COD去除率保持在85%以上。

優勢菌種;生物流化床;屠宰廢水;反應器啟動

引言

從1978年我國第一臺處理石化廢水的純氧生物流化床開始，生物流化床相繼在石化廢水、焦化廢水、含酚廢水、油脂廢水、制藥廢水、燃料廢水、造紙廢水及生活污水等領域取得廣泛應用[1-2]。流化床的啟動特性在水處理中起至關重要的作用，新投入使用的流化床設備都必須經過微生物培養馴化啟動的過程，讓其具有生物特性。很多研究者[3-5]以活性污泥為菌種來源，對流化床進行啟動試驗，逐漸形成了以“快速排泥掛膜”為主的啟動方法。黃青華等[6]對不同進水方式下內循環流化床生物膜厚度與活性進行了研究；呼曉明等[7]采用逐漸增加進口氨氮濃度和調節其他運行參數實現流化床短程硝化的快速啟動。屠宰廢水易產生惡臭污染大氣，滋生病菌危害人的健康，其高濃度的有機物、氮、磷流入江河易造成水體富營養化，普通活性污泥法存在氨氮難以達標等問題[8]。針對氨氮去除難點，不再采用普通活性污泥為菌源，而是將實驗室選育的優勢菌種與表面多孔、吸附性好的顆粒活性炭耦合，優勢菌種在顆粒活性炭表面固化形成生物膜，完成流化床啟動，討論啟動參數對掛膜的影響。

1 實驗材料及流程

1.1菌種

接種用4株菌種來自生物工程學院實驗室。該菌種是針對屠宰廢水處理而選育的，針對性強，處理效果比一般的活性污泥接種好。但自培菌一般都是通過分離提純以后低溫保存，菌種處于休眠期，在接種之前需要將其喚醒、擴大培養。在無菌環境下取出冷凍中的菌種，放入到牛肉膏-蛋白胨培養基中混勻，分配到培養瓶，放入26 ℃恒溫搖床放大培養，培養24 h后，將培養瓶的培養液搖勻，均分到兩個培養瓶，加入新的培養基，繼續培養，以滿足硝化菌時代周期較長的要求[9]。

1.2廢水與載體

試驗的廢水為屠宰廢水，含有豐富的有機物、氮、磷及微量元素，有利于微生物細胞膜的合成，BOD/COD>0.4，可生化性能好。載體選用活性炭顆粒，表面具有一定的孔隙度及粗糙度，表面積較大；具有較好的傳質特性；具有較好的生物、化學及熱力學穩定性，載體本身不參與系統內生物化學反應；載體具有可再用性；活性炭還具有一定的吸附降解作用。活性炭作為載體的優勢在其他試驗中也得到證實[10-11]。

1.3實驗流程

三相內循環生物流化床(簡稱3-流化床)處理屠宰廢水試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗工藝流程圖

1:空氣泵 2:流量計 3:反應器 4:

3-流化床反應器采用有機玻璃筒體粘接而成，總容積約25 L、內筒直徑70 mm、高1530 mm；外筒直徑105 mm、高1300 mm。上部筒體與外筒成60°錐角聯結、外徑300 mm、高400 mm。屠宰廢水通過濾網進入配水箱，通過蠕動泵進入反應器；流化動力由空氣泵提供，廢水在流化床內循環流動過程中與載體上的生物膜接觸，有機物被微生物降解，在上部筒體三相分離區通過脫氣、溢流到沉淀池出水。

采用快速排泥法啟動，將擴大培養后含有活化優勢菌種的培養液和2.5 L體積的活性炭混合靜置3-4 h，混合液導入到流化床內，泵入屠宰廢水(濃度為平均濃度30%)到三相分離脫氣面，再靜止6-8 h，小氣量悶曝24 h后，連續進水，逐漸增加進口水濃度、水力停留時間、曝氣量，直止掛膜成功。

2 結果與討論

2.1進口濃度

屠宰廢水原液有機濃度高，滋生的微生物也較多，有害物質也較多，為了讓接種的優勢菌種在競爭過程中占主導優勢，將原液稀釋。進水濃度大致分為400 mg/L、800 mg/L、1200 mg/L左右，三個階段逐漸增加進口濃度，讓接種的菌種有一個逐漸適應的過程，隨進口濃度的增加，去除率保持總體逐步增加，出口濃度表現出相反的趨勢(圖2)。

圖2 進口濃度對COD去除率隨時間變化

2.2水力停留時間

根據圖2進口濃度的增加，水力停留時間對應2 h、3 h、4 h。圖3表明雖然進口濃度大幅度增加，除調節參數的轉折點出現反彈，出口濃度總體都是快速降低的，得益于水力停留時間隨進口濃度逐漸增加而增加，延長微生物系統與屠宰廢水的接觸時間，使出口COD濃度迅速保持快速下降趨勢。一般認為水力停留時間應控制在生物膜和懸浮污泥生長速率的倒數之間，進水的稀釋速率大于懸浮微生物的增長之間，但精確測量相關參數比較困難。本次試驗最大水力停留時間不大于4 h，有利于掛膜[12]。

圖3 水力停留時間對有機物去除率的影響

2.3表觀氣速

合理的表觀氣速既能讓載體充分流化而不流失，還能保持水中一定的溶解度，給好氧微生物供氧。同時，表觀氣體氣速也是控制生物膜的厚度，維持生物膜的活性的關鍵因素。如圖4所示，在啟動過程中，表觀氣速的逐漸增加為COD去除率總體呈上升趨勢提供了必需的條件。在啟動初期(1-8 d)，進口濃度低，微生物以布朗運動和載體顆粒附著，表觀氣速不宜太大；隨附著在載體表面的微生物數量的增加，加強了細菌粘附能力，提高了抵御氣泡切割的能力，同時進口濃度增加，需氧量也逐漸增加，從第 9 d起，表觀氣速由0.65 cm/s分階段增加到1.08 cm/s，表觀氣速的逐漸增加，有利于保持COD去除率成上升趨勢[13]。

圖4 表觀氣速對有機物去除率的影響

2.4容積負荷

容積負荷表示單位體積在1 d時間內去除有機物的量，受到微生物數量和活性、水力停留時間、COD進口濃度和供氧量等因素綜合影響，是表征反應器去除有機物能力的主要參數。啟動過程中，進口負荷、容積負荷和去除率隨時間的變化關系如圖5所示。COD去除率隨容積負荷的增加總體成上升態勢，但在第9 d、17 d出現了小幅下降，其原因主要是受進口濃度的大幅度增加的影響；容積負荷隨生物膜的形成、曝氣量的增加穩步增加，從21 d以后容積負荷保持在6.34 kg COD/(m3·d)左右，去除率保持在85%以上。

圖5 容積負荷隨時間變化規律

經過啟動培養，活性炭顆粒掛膜成形，如圖6所示。肉眼觀察到，黑色活性炭表面形成一層淡黃色的生物膜，懸浮的活性污泥絮狀分布在流化床內。由圖6可見，三相內循環生物流化床是由附在載體的生物膜和懸浮在水中的活性污泥構成的復合微生物系統。

圖6 絮狀活性污泥與活性炭

3 結束語

從若干菌群中選育分離的優勢高效菌種，處于低溫保存狀態，通過活化擴大培養后與三相內循環流化床載體活性炭耦合啟動，在啟動過程中逐漸增加進口濃度、水力停留時間、曝氣量，生物膜生長良好。屠宰廢水中原本含有一般菌類，為了讓接種的優勢菌種占主導優勢，宜對高濃度的廢水稀釋到一個合理水平，之后隨生物膜的培養逐漸加大到正常水平，有利于掛膜；啟動初期微生物和載體是一種可逆附著，宜采用小氣量曝氣，到中后期應逐漸加大曝氣量，加快排泥，有利于生物膜的快速形成；水力時間不宜超過4 h；自21 d后有機容積負荷達6.34 kg COD/(m3·d)，COD去除率保持在85%以上。

[1] 李春華,張洪林.生物流化床法處理廢水的研究與應用進展[J].環境技術,2002(4):27-32.

[2] 張 琳,孫根行,鄒君臣,等.生物流化床的研究進展[J].安徽農業科學,2011,39(16):9806-9807.

[3] 王金梅.水污染控制技術[M].北京:化學工業出版社,2011.

[4] 周 平,何漢嘉,錢 易.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):68-72.

[5] 王 翠.內循環三相生物流化床處理生活污水的試驗研究[D].邯鄲:河北工程大學,2010.

[6] 黃青華,王化軍,曹從榮,等.內循環三相流化床的生物膜的培養[J].北京科技大學學報,2006,28(4):330-334.

[7] 呼曉明,陳英文,嚴偉峰,等.生物流化床短程硝化的快速啟動級影響因素研究[J].環境科學與技術,2012,35(7):16-20.

[8] 劉少北.三相內循環生物流化床處理屠宰廢水的試驗研究[D].自貢:四川理工學院,2013.

[9] 吳立波,王建龍,黃 霞,等.自固定化對硝化菌生物特性的影響[J].給水排水,1999,25(7):11-13.

[10] 李志東,董業斌,李 娜,等.內循環三相生物流化床處理油脂廢水[J].化學工程,2008,36(8):57-61.

[11] 丁文川,曾曉嵐,王永芳,等.生物炭載體的表面特征和掛膜性能研究[J].中國環境科學,2011,31(9):1451-1455.

[12] 鄧洪權,潘永亮,楊 平.內循環三相生物流化床啟動特性實驗研究[J].環境科學與技術,2001,1(1):11-15.

[13] 田雪蓮,胡 堃,郭 勇,等.內循環好氧生物流化床處理糖業廢水試驗研究[J].工業水處理,2011,31(1):33-36.

Start-up Study on Slaughter Water Treatment by Dominant Bacteria Vaccinated by Bio-fluidized

LIUShaobei,ZENGTao,LINHaibo,LIUPeng,XIEJunke

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

The dominant strain is bred and separated from several bacteria sources which can efficiently degrade slaughter wastewater. The dominant strain from cryopreservation is activated and coupled with the carrier of fluidized bed. In order to vaccinate dominant bacteria and form biofilm rapidly by fluidized bed carrier, it gradually increases influent COD concentration, hydraulic retention time and superficial gas velocity during start-up process. The results show as follows: it is conducive to activated carbon membrane when superficial gas velocity is not more than 1.08 cm/s, hydraulic time is not more than 4 hours; after successful start-up, organic volume loading reaches 6.74 kg COD/(m3·d), the removal rate of COD keeps at more than 85%.

dominant strain; bio-fluidized; slaughter wastewater; start-up of the reactor

2014-09-27

自貢市重點科技計劃項目(2013X12)

劉少北(1986-),男,四川巴中人,助教,碩士,主要從事流態化技術及多相流反應工程方面的研究,(E-mail)suselsb@163.com

1673-1549(2014)06-0051-04

10.11863/j.suse.2014.06.13

X703.1

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