茍姝貞，向峻伯，茍啟明，夏志東，鄧仕槐

(1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都，610218；2.成都市計(jì)量檢定測(cè)試院，四川 成都，610021；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，成都 溫江 611130)

膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動(dòng)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(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都，610218；2.成都市計(jì)量檢定測(cè)試院，四川 成都，610021；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，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(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研園區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢水，進(jìn)行了膜生物反應(yīng)器(MBR)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動(dòng)試驗(yàn)。活性污泥馴化是MBR啟動(dòng)的關(guān)鍵，在進(jìn)水pH一定下，測(cè)定不同進(jìn)水濃度時(shí)MBR對(duì)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(dá)到了96%和93%，膜生物反應(yīng)器啟動(dòng)成功。

膜生物反應(yīng)器；啟動(dòng)；活性污泥馴化

1 前言

膜分離與生物處理相結(jié)合的工藝稱為膜生物反應(yīng)器工藝(membrane bioreactor ,MBR)。它用膜取代了傳統(tǒng)的二沉池，具有出水穩(wěn)定、活性污泥濃度高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、泥齡長(zhǎng)、剩余污泥量少、裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占地少等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理及回用方面有著廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。畜禽廢水具備有機(jī)物、懸浮物和氨氮濃度高的顯著特點(diǎn)，其可生化性較好[5-6]，采用厭氧-好氧聯(lián)合處理工藝是目前公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)方法。而膜生物反應(yīng)器作為一種新型的生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)[7]，結(jié)合了濾膜與活性污泥的雙重優(yōu)點(diǎn)，既能高效的去除畜禽廢水中的有機(jī)物，又能有效的降低畜禽廢水中氮、磷的濃度，對(duì)于提高畜禽廢水處理效果、節(jié)約資源具有重要的意義。

本試驗(yàn)研究了畜禽養(yǎng)殖廢水運(yùn)用膜生物反應(yīng)器處理的啟動(dòng)過程。在其啟動(dòng)過程中，活性污泥的培養(yǎng)與馴化是活性污泥法實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行的第一步，也是至關(guān)重要的一步。通過培養(yǎng)，使微生物數(shù)量增加，達(dá)到一定的污泥濃度。馴化則是對(duì)混合微生物群進(jìn)行淘汰和誘導(dǎo)，不能適應(yīng)環(huán)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(jī)物的微生物得到發(fā)育，并誘導(dǎo)出能利用廢水有機(jī)物的酶體系[8]。要求在馴化階段后期，若在畜禽廢水進(jìn)水氨氮濃度為100mg/L、CODcr為2000mg/L時(shí)，污泥也能以很高的速率完成硝化反應(yīng)，并且氨氮去除率能達(dá)到90%以上，CODcr的去除率也能達(dá)到95%以上，則表明啟動(dòng)完成。

2 材料與方法

2.1 材料

供試驗(yàn)水樣取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研園區(qū)校污水處理站氣浮塔后的廢水。廢水主要由校畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)(雞、鴨、鵝、牛、豬、羊)糞便、尿液和圈的沖洗水組成，其特點(diǎn)是高懸浮物，高有機(jī)物和高氨氮。其水質(zhì)基本狀況見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的是一體式膜生物反應(yīng)器(圖1)。一體式MBR是將膜組件直接放入生物反應(yīng)器內(nèi)，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(shè)備如下：

2.2.1 膜生物反應(yīng)器 尺寸為：0.8m×0.22m×0.6m，反應(yīng)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(jìn)水水質(zhì)各主要指標(biāo)

注：供實(shí)驗(yàn)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(tǒng) 由3個(gè)閥門分別控制爆氣、進(jìn)水和出水量。

2.2.4 計(jì)量系統(tǒng) 液位控制器和出水流量計(jì)L.ZB玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

2.2.5 其它設(shè)備 有進(jìn)水泵、進(jìn)出水閥、空氣泵、出水泵、進(jìn)水箱、出水箱等。

圖1 一體式MBR實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 清水實(shí)驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)前測(cè)試膜比通量(膜比通量是指單位操作壓力單位時(shí)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(shù))，并測(cè)出水通量與操作壓力之間的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選定出水通量和操作壓力[11-12]，確定啟動(dòng)方案。

2.3.2 反應(yīng)器的啟動(dòng) 試驗(yàn)所用的接種污泥取自雅安市名山縣酒廠污水處理站。啟動(dòng)階段，由于污泥活性較好，本實(shí)驗(yàn)在污泥培養(yǎng)階段為了使污泥迅速馴化和增殖，在系統(tǒng)的啟動(dòng)階段不進(jìn)行排泥，接種污泥量約占反應(yīng)器體積的20%。反應(yīng)器啟動(dòng)采用連續(xù)進(jìn)水方式，第1天先連續(xù)悶曝24h，其后每12h作為1個(gè)周期。曝氣11h后換水，換水量為反應(yīng)器容積的70%～80%。進(jìn)水將畜禽廢水稀釋至CODcr約500mg/L，污泥容積負(fù)荷為0.5kgCOD/(m3·d)，當(dāng)CODcr的去除率大于80%時(shí)逐漸提升負(fù)荷[增幅為0.25～0.5kgCOD/(m3·d)]，每次負(fù)荷變化后穩(wěn)定運(yùn)行1d后再測(cè)定各參數(shù)。馴化階段后期，若在畜禽廢水進(jìn)水氨氮濃度為150mg/L、CODcr為2000mg/L時(shí)，污泥也能以很高的速率完成硝化反應(yīng)，并且氨氮去除率達(dá)到90%以上，CODcr的去除率也達(dá)到了95%以上，則表明馴化基本成功。

2.4 分析項(xiàng)目與方法

2.4.1 實(shí)驗(yàn)分析方法 本實(shí)驗(yàn)采用國(guó)家環(huán)保局編寫的《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》一書中規(guī)定的方法進(jìn)行分析側(cè)定[13]。日常分析測(cè)定的項(xiàng)目包括進(jìn)出水和反應(yīng)器上清液的CODcr、氨氮、TN、TP、DO等，具體分析項(xiàng)目和方法見表2。

2.4.2 數(shù)據(jù)分析方法 采用Excel進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的處理，采用Origin 8軟件進(jìn)行分析。

表2 監(jiān)測(cè)分析項(xiàng)目及方法

3 結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)啟動(dòng)初期

污泥取回后立即投入膜生物反應(yīng)器，投加量為反應(yīng)器有效容積的20%，隨即注入清水充滿反應(yīng)器。第1天，常溫下悶曝24h，其后每12h作為1個(gè)周期。曝氣11h后換水，進(jìn)水將畜禽廢水稀釋至CODcr約500mg/L，污泥容積負(fù)荷為0.5kgCOD/(m3·d)，換水量為反應(yīng)器容積的70%～80%，促使菌種恢復(fù)活性，并逐步適應(yīng)進(jìn)水的水質(zhì)狀況。

由于馴化才剛剛開始，構(gòu)成活性污泥的好氧微生物(包括細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物)數(shù)量增加有限，還未達(dá)到一定的污泥濃度；且混合微生物群進(jìn)行優(yōu)勝劣汰和誘導(dǎo)的工作正在進(jìn)行中，不能適應(yīng)環(huán)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(jī)物的微生物還未得到充分發(fā)育[14]，導(dǎo)致對(duì)有機(jī)物等的去除率比較低。但是在保持反應(yīng)器進(jìn)水CODcr濃度仍為500mg/L，容積負(fù)荷仍為0.5kgCOD/(m3·d)的條件下，經(jīng)過5d的運(yùn)行后，CODcr的去除率從79.69%增加到86.39%，達(dá)到了預(yù)期目的。按照常理啟動(dòng)初期歷時(shí)比較長(zhǎng)，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(qiáng)、培養(yǎng)馴化迅速、系統(tǒng)啟動(dòng)快的優(yōu)點(diǎn)，所以啟動(dòng)初期總共只用去了5d。

3.2 系統(tǒng)啟動(dòng)中期

本試驗(yàn)采用低負(fù)荷高去除率的啟動(dòng)方式。進(jìn)水采用稀釋后CODcr濃度為500mg/L的畜禽養(yǎng)殖廢水，反應(yīng)器容積負(fù)荷按增幅為0.25～0.5 kgCOD/(m3·d)逐漸提升，每次負(fù)荷變化后穩(wěn)定運(yùn)行1d再測(cè)定各參數(shù)。根據(jù)本階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)將CODcr的去除率與容積負(fù)荷的關(guān)系繪制于圖2。

圖2 啟動(dòng)中期容積負(fù)荷與CODcr去除率的關(guān)系

由于進(jìn)水水質(zhì)和容積負(fù)荷相對(duì)污泥活性恢復(fù)期均有較大的提高，反應(yīng)器在改變進(jìn)水容積負(fù)荷初始期(1～4d)表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)，CODcr去除率逐漸減小，出現(xiàn)出水水質(zhì)惡化。特別是啟動(dòng)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(yīng)器內(nèi)部pH值維持在6.9～7.1的水平，營(yíng)造利于厭氧微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，隨著厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖，反應(yīng)器處理能力逐步提升，CODcr的去除率由89.55%回升到96.70%。進(jìn)入系統(tǒng)啟動(dòng)后期階段。

3.3 系統(tǒng)啟動(dòng)后期

在此階段，畜禽廢水進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)發(fā)生變化，氨氮濃度為150mg/L、COD為2000mg/L，測(cè)定各參數(shù)，根據(jù)本階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)將氨氮、CODcr的去除率繪制于圖3。

圖3 啟動(dòng)后期氨氮與CODcr的去除率

啟動(dòng)后期，污泥濃度已達(dá)到要求，優(yōu)勝劣汰的工作完畢，并誘導(dǎo)出能利用廢水有機(jī)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(yàn)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(tǒng)啟動(dòng)快，整個(gè)啟動(dòng)過程僅用去了16d(啟動(dòng)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(yīng)，使氨氮的去除率達(dá)到93%以上，并且系統(tǒng)對(duì)CODcr的去除率也達(dá)到了96%以上，表明馴化基本成功，可認(rèn)為膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)成功[15]。

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2017-10-30

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