膜生物反應器處理畜禽養殖廢水的啟動研究

茍姝貞，向峻伯，茍啟明，夏志東，鄧仕槐

(1.成都工業職業技術學院，四川 成都，610218；2.成都市計量檢定測試院，四川 成都，610021；3.四川農業大學，成都 溫江 611130)

膜生物反應器處理畜禽養殖廢水的啟動研究

茍姝貞1，向峻伯1，茍啟明2，夏志東1，鄧仕槐3

(1.成都工業職業技術學院，四川 成都，610218；2.成都市計量檢定測試院，四川 成都，610021；3.四川農業大學，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業大學教學科研園區畜禽養殖廢水，進行了膜生物反應器(MBR)處理畜禽養殖廢水的啟動試驗。活性污泥馴化是MBR啟動的關鍵，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%，膜生物反應器啟動成功。

膜生物反應器；啟動；活性污泥馴化

1 前言

膜分離與生物處理相結合的工藝稱為膜生物反應器工藝(membrane bioreactor ,MBR)。它用膜取代了傳統的二沉池，具有出水穩定、活性污泥濃度高、抗沖擊負荷能力強、泥齡長、剩余污泥量少、裝置結構緊湊、占地少等優點，在污水處理及回用方面有著廣闊的應用前景[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-好氧聯合處理工藝是目前公認的最經濟方法。而膜生物反應器作為一種新型的生物化學反應系統[7]，結合了濾膜與活性污泥的雙重優點，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、節約資源具有重要的意義。

本試驗研究了畜禽養殖廢水運用膜生物反應器處理的啟動過程。在其啟動過程中，活性污泥的培養與馴化是活性污泥法實驗和生產運行的第一步，也是至關重要的一步。通過培養，使微生物數量增加，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，不能適應環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，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業大學教學科研園區校污水處理站氣浮塔后的廢水。廢水主要由校畜禽養殖場(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器(圖1)。一體式MBR是將膜組件直接放入生物反應器內，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]。其主要設備如下：

2.2.1 膜生物反應器 尺寸為：0.8m×0.22m×0.6m，反應器體積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 由3個閥門分別控制爆氣、進水和出水量。

2.2.4 計量系統 液位控制器和出水流量計L.ZB玻璃轉子流量計。

2.2.5 其它設備 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)，并測出水通量與操作壓力之間的關系。根據相關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，本實驗在污泥培養階段為了使污泥迅速馴化和增殖，在系統的啟動階段不進行排泥，接種污泥量約占反應器體積的20%。反應器啟動采用連續進水方式，第1天先連續悶曝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)]，每次負荷變化后穩定運行1d后再測定各參數。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，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 本實驗采用國家環保局編寫的《水和廢水監測分析方法》一書中規定的方法進行分析側定[13]。日常分析測定的項目包括進出水和反應器上清液的CODcr、氨氮、TN、TP、DO等，具體分析項目和方法見表2。

2.4.2 數據分析方法 采用Excel進行原始數據的處理，采用Origin 8軟件進行分析。

表2 監測分析項目及方法

3 結果與討論

3.1 系統啟動初期

污泥取回后立即投入膜生物反應器，投加量為反應器有效容積的20%，隨即注入清水充滿反應器。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)，換水量為反應器容積的70%～80%，促使菌種恢復活性，并逐步適應進水的水質狀況。

由于馴化才剛剛開始，構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勝劣汰和誘導的工作正在進行中，不能適應環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育[14]，導致對有機物等的去除率比較低。但是在保持反應器進水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、培養馴化迅速、系統啟動快的優點，所以啟動初期總共只用去了5d。

3.2 系統啟動中期

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的畜禽養殖廢水，反應器容積負荷按增幅為0.25～0.5 kgCOD/(m3·d)逐漸提升，每次負荷變化后穩定運行1d再測定各參數。根據本階段的試驗數據，現將CODcr的去除率與容積負荷的關系繪制于圖2。

圖2 啟動中期容積負荷與CODcr去除率的關系

由于進水水質和容積負荷相對污泥活性恢復期均有較大的提高，反應器在改變進水容積負荷初始期(1～4d)表現出明顯的不適應，CODcr去除率逐漸減小，出現出水水質惡化。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，使反應器內部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境，隨著厭氧微生物的生長繁殖，反應器處理能力逐步提升，CODcr的去除率由89.55%回升到96.70%。進入系統啟動后期階段。

3.3 系統啟動后期

在此階段，畜禽廢水進水水質指標發生變化，氨氮濃度為150mg/L、COD為2000mg/L，測定各參數，根據本階段的試驗數據，現將氨氮、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，使氨氮的去除率達到93%以上，并且系統對CODcr的去除率也達到了96%以上，表明馴化基本成功，可認為膜生物反應器處理畜禽養殖廢水的啟動實驗成功[15]。

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[15] 顧國維, 何義亮. 膜生物反應器在污水處理中的研究與應用[M]. 北京： 化學工業出版社, 2002：316-321.

2017-10-30

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