O+A/O-MBBR一體化裝置掛膜啟動研究

摘要：在水溫為15 ℃，初曝區(qū)、好氧區(qū)溶解氧（DO）濃度分別為1.5 mg/L、4 mg/L，懸浮填料填充率為50%的條件下，本試驗(yàn)采用人工接種掛膜啟動O+A/O-MBBR一體化裝置，研究其掛膜啟動過程。結(jié)果表明，運(yùn)行至35 d，系統(tǒng)對化學(xué)需氧量（COD）、氨氮的去除率分別為93.06%、87.87%，生物膜量穩(wěn)定在20 mg VSS/g填料左右，成功實(shí)現(xiàn)了O+A/O-MBBR一體化裝置的微生物馴化培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：MBBR；一體化裝置；掛膜啟動；微生物馴化

中圖分類號：X322 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）03-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.03.005

Abstract： Under the condition that the water temperature is 15 ℃， the dissolved oxygen （DO） concentration in the initial aeration zone and aerobic zone is 1.5 mg/L and 4 mg/L respectively， and the filling rate of suspended filler is 50%， the experiment uses artificial inoculation to carry out the membrane hanging start-up of O+A/O-MBBR integrated device， and studies the process of the membrane hanging start-up. The results show that after 35 days of operation， the removal rates of chemical oxygen demand （COD） and ammonia nitrogen of the system are 93.06% and 87.87%， respectively， and the biomass of biofilm is stable at about 20 mg VSS/g packing， which successfully realizes the microbial domestication and cultivation of the O+A/O-MBBR integrated device.

Keywords： MBBR; integrated device; membrane hanging start-up; microbial domestication

移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）的微生物生態(tài)系統(tǒng)不僅包含水體中活性污泥，還包含懸浮填料上的生物膜，為不同生態(tài)系統(tǒng)的微生物提供生長環(huán)境[1]。掛膜是指在MBBR調(diào)試啟動過程中，為滿足微生物降解污染物所需的污泥濃度及菌種豐度，初期對微生物進(jìn)行馴化和培養(yǎng)，使其可以穩(wěn)定地附著于懸浮填料上形成生物膜并能保證繁殖，生物膜上的微生物通過新陳代謝活動而具有吸附和降解有機(jī)污染物的功能[2]。掛膜培養(yǎng)主要是在環(huán)境適宜的條件下，通過接種沉降性能良好的活性污泥來進(jìn)行微生物的接種，微生物慢慢附著于懸浮填料上繁殖形成生物膜[3]。初曝+缺氧/好氧-移動床生物膜反應(yīng)器（O+A/O-MBBR）是一種復(fù)雜的生物處理工藝，當(dāng)裝置完成清水試車準(zhǔn)備正式啟動前，要對懸浮于水中的活性污泥進(jìn)行馴化培養(yǎng)，還要在懸浮填料上培養(yǎng)出合適的生物膜。

O+A/O-MBBR一體化裝置的掛膜啟動涉及濃縮污泥接種馴化和生物膜附著培養(yǎng)兩個過程。人工接種掛膜和自然富集培菌掛膜是MBBR懸浮填料掛膜常用的兩種方式，人工接種掛膜法掛膜時間短，掛膜效率高[4]，本文采用人工接種掛膜研究O+A/O-MBBR一體化裝置掛膜啟動階段系統(tǒng)的處理效果和啟動特性，為后續(xù)運(yùn)行條件研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的O+A/O-MBBR一體化裝置由初曝區(qū)（A）、初沉區(qū)（B）、缺氧區(qū)（C）、好氧區(qū)（D）、二沉區(qū)（E）、儲泥區(qū)（F）等6部分組成，如圖1所示。試驗(yàn)選用的接種污泥為湘潭市某污水處理廠的濃縮污泥，該活性污泥呈黃褐色，外觀似棉絮狀，沉降性能良好，微生物菌種豐富，在顯微鏡下能觀察到大量的輪蟲、鐘蟲等生物。試驗(yàn)進(jìn)水為湘潭市某醬板鴨廠的實(shí)際生產(chǎn)廢水（氣浮系統(tǒng)出水），包括原料解凍廢水、鹵水、車間及容器沖洗廢水等，其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。主要監(jiān)測指標(biāo)有化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、pH和水溫。

1.2 試驗(yàn)方法

濃縮污泥初始濃度約為30 000 mg/L，將接種污泥與醬板鴨加工廢水原水在O+A/O-MBBR一體化裝置的初曝區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)內(nèi)進(jìn)行完全混合，將含水率約99%的接種污泥在裝置內(nèi)稀釋至4 000 mg/L，按本試驗(yàn)最大填充率（50%）向好氧區(qū)內(nèi)倒入2.1 m3的懸浮填料（均勻分布），避免后續(xù)調(diào)整填充率試驗(yàn)時再次掛膜。

進(jìn)水中COD濃度為1 300 mg/L，氨氮濃度為140 mg/L時，對一體化裝置進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，以培養(yǎng)、馴化微生物種群。在這個過程中，初曝區(qū)溶解氧（DO）濃度保持在1.5 mg/L，好氧區(qū)DO濃度保持在4 mg/L。悶曝過程中，水溫通過加熱棒及溫控儀進(jìn)行控制，水溫控制在15～18 ℃，同時按照設(shè)置的硝化液回流比（100%）啟動污泥回流泵。悶曝24 h后將好氧區(qū)排空，并補(bǔ)充醬板鴨加工廢水原水和接種污泥。同時，初曝區(qū)、缺氧區(qū)污泥濃度每天進(jìn)行定點(diǎn)測量，排出或補(bǔ)充活性新鮮的污泥，以維持污泥濃度在4 000 mg/L，重復(fù)上述過程。持續(xù)進(jìn)行12 d悶曝后，填料上開始有少量淺黃色污泥附著。第12天后改為連續(xù)進(jìn)醬板鴨加工廢水，根據(jù)出水水質(zhì)情況將進(jìn)水流量由小逐漸變大，持續(xù)對生物膜進(jìn)行馴化和培養(yǎng)。醬板鴨加工廢水流量由4 m3/d逐漸增加，直到裝置滿負(fù)荷的8 m3/d。在掛膜啟動階段，隨著運(yùn)行時間的延長，O+A/O-MBBR一體化裝置內(nèi)各種微生物大量繁殖，附著懸浮填料的生物膜明顯變厚，并開始出現(xiàn)老化脫落的生物膜。隨著微生物大量繁殖，活性污泥濃度增加，系統(tǒng)需要定量排泥，以維持整個反應(yīng)器系統(tǒng)的平衡。在這個過程中，對進(jìn)出水中的COD、氨氮和生物量進(jìn)行監(jiān)測和分析。

1.3 試驗(yàn)分析方法

試驗(yàn)進(jìn)水是連續(xù)流入的，定期取樣送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)檢測。因此，在計(jì)算污染物去除率時，測得的水質(zhì)指數(shù)是特定時間的水質(zhì)指數(shù)平均值。該試驗(yàn)的采樣時間是每天10：00，其結(jié)果是通過長期測量流入和流出的水質(zhì)指標(biāo)獲得的。O+A/O-MBBR一體化裝置運(yùn)行過程中，本次試驗(yàn)主要測定COD、氨氮、TN等指標(biāo)。主要分析項(xiàng)目及測定方法如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜啟動階段COD去除效果

通常，穩(wěn)定高效的COD去除率可作為確定生物膜成熟的標(biāo)志[3]。掛膜啟動階段，對進(jìn)出水COD進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，進(jìn)水COD遠(yuǎn)高于生活污水，雖然接種污泥為污水處理廠濃縮池的污泥，活性較好，但是在馴化初期，COD去除率僅有50%左右。隨著馴化培養(yǎng)時間延長，系統(tǒng)對COD的去除率逐漸提高，當(dāng)連續(xù)運(yùn)行26 d時，進(jìn)水中COD的去除率達(dá)到80.16%，這是因?yàn)檠b置好氧區(qū)域內(nèi)的微生物已經(jīng)完成優(yōu)勢種屬的篩選。30 d后，COD的去除率逐漸穩(wěn)定在85%以上。這說明O+A/O-MBBR一體化裝置中的微生物群落豐富，污泥濃度較高，懸浮填料上已經(jīng)附著成熟的生物膜[5]。

2.2 掛膜啟動階段氨氮去除效果

硝化菌需要較長時間的培養(yǎng)才有足夠的濃度來實(shí)現(xiàn)氨氮的有效去除，因此當(dāng)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的氨氮去除效果時，生物膜已成熟，填料掛膜成功[6]。掛膜啟動階段，裝置進(jìn)出水氨氮濃度變化如圖3所示。由圖3可知，前7 d，氨氮的去除率幾乎沒有增長，這是因?yàn)檫M(jìn)水氨氮遠(yuǎn)高于生活污水，硝化菌世代周期較長，還未培養(yǎng)出較高濃度，所以氨氮只能維持較低的去除率（42%左右），但隨著時間延長，裝置好氧區(qū)內(nèi)硝化菌慢慢增加，硝化能力逐漸提高并穩(wěn)定，當(dāng)連續(xù)運(yùn)行24 d時，出水氨氮已達(dá)到89.32%的去除率。

第28天后，氨氮的去除率逐漸穩(wěn)定保持在85%以上。根據(jù)氨氮去除效果，硝化菌已經(jīng)逐漸成熟，掛膜達(dá)到預(yù)期要求。

2.3 掛膜啟動階段微生物觀察與分析

研究微生物特性及演替規(guī)律，并檢測生物膜活性污泥的質(zhì)量，是分析掛膜效果的重要手段[7]。好氧區(qū)的污泥和生物膜取樣后進(jìn)行觀察分析，研究O+A/O-MBBR一體化裝置啟動階段的掛膜效果。研究發(fā)現(xiàn)，以正常進(jìn)水連續(xù)運(yùn)行12 d后，懸浮填料表面附著一層稀薄黏糊的淺黃色生物膜，結(jié)構(gòu)松散，黏聚性不強(qiáng)，容易被剝落。經(jīng)顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)絲狀菌等微生物附著。隨著掛膜運(yùn)行時間的增加，填料上的生物膜明顯變厚變稠，生物膜的顏色由淺黃逐漸變成棕黃，且伴隨明顯的泥腥味。在底物濃度過量的條件下，微生物呈指數(shù)型繁殖，系統(tǒng)中的活性污泥總量快速增加，懸浮填料上的生物膜快速更新?lián)Q代。經(jīng)過35 d的污泥馴化培養(yǎng)，填料上生物膜的顏色逐漸加深，最終呈棕褐色。鐘蟲等固著型纖毛蟲、檐纖蟲、輪蟲等在生物膜上增殖并逐漸增多（見圖4），在原生動物和微型后生動物的演替中成為優(yōu)勢群落，由此可知，活性污泥培養(yǎng)已進(jìn)入成熟期[7]。此時，懸浮水體中的活性污泥生長良好，具有良好的凝聚沉降性能，污泥沉降比約為20%。

本試驗(yàn)進(jìn)水底物濃度充足，有利于微生物的生長，微孔曝氣攪動水體，保證懸浮填料的充分流化，同時避免懸浮填料激烈剪切碰撞，有利于維持填料的生物量。好氧區(qū)掛膜階段，填料表面附著生物量如圖5所示。由圖5可知，在前5 d，填料表面生物膜量變化較小，這是因?yàn)閼腋√盍蟽?nèi)部很少會受到?jīng)_刷，懸浮水中的活性污泥能快速穩(wěn)固地附著于填料內(nèi)部，在掛膜啟動階段，懸浮填料內(nèi)部就有生物膜存在，主要為不易被沖刷的生物膜。一段時間的優(yōu)勝劣汰后（6～14 d），微生物適應(yīng)環(huán)境并生長繁殖，附著于懸浮填料表面的生物膜逐漸變厚。在第14天至第30天，附著于懸浮填料上的微生物大量繁殖、快速增長，從3.21 mg VSS/g填料上升至18.35 mg VSS/g填料，35 d后生物膜量緩慢上升并逐漸穩(wěn)定在20 mg VSS/g填料左右。因此，可以認(rèn)定在第35天時就成功實(shí)現(xiàn)污泥的馴化培養(yǎng)。

3 結(jié)論

在水溫為15 ℃，初曝區(qū)、好氧區(qū)DO濃度分別為1.5 mg/L、4 mg/L，懸浮填料填充率為50%的條件下，試驗(yàn)采用人工接種掛膜啟動O+A/O-MBBR一體化裝置，研究了掛膜啟動階段COD和氨氮去除效果以及生物膜的演化和質(zhì)量變化。研究結(jié)果表明，啟動初期COD、氨氮的去除率較低，隨著運(yùn)行時間的增加，去除效果逐漸提高。運(yùn)行至35 d時，COD、氨氮的去除率分別為93.06%、87.87%，出水水質(zhì)接近《肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13457—1992）的肉制品加工一級排放標(biāo)準(zhǔn)。掛膜啟動階段，生物膜的顏色逐漸加深，最終呈現(xiàn)出棕褐色，生物群落結(jié)構(gòu)逐漸完整，懸浮填料上生物膜逐漸密實(shí)，35 d后生物膜量緩慢上升并逐漸穩(wěn)定在20 mg VSS/g填料左右，可認(rèn)為成功實(shí)現(xiàn)污泥的馴化培養(yǎng)。

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