悬浮填料好氧移动床反应器挂膜启动方式研究

方建文,刘建广,郝兆亮

(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101)

悬浮填料好氧移动床反应器挂膜启动方式研究

方建文,刘建广,郝兆亮

(山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101)

主要针对好氧移动床处理生活污水挂膜启动方式进行了研究。考察了接种污泥对挂膜启动过程的影响,同时对启动过程中微生物相的变化以及出水中主要污染物随时间的变化情况进行了分析。结果表明:在温度为 30～35℃,MBBR1和MBBR2均能在 16d左右完成挂膜启动,载体上附着微生物生长稳定时生物膜质量浓度分别达 1.2g/L和 1.4g/L,接种污泥并不能加速挂膜启动过程。试验还显示,挂膜过程中,CODCr和氨氮的去除率并不是同步提高,好氧异养菌的增殖速度较快,硝化菌的增殖速度较慢。

移动床反应器;接种污泥;生活污水;挂膜研究

在污水处理中,由于当前不断增加的污水水量、有限的可用土地面积以及日益严格的出水水质标准使生物膜处理技术得到广泛的应用。移动床生物膜反应器Moving Bed Biofilm Reactor(MBBR)是在流化床基础上形成的污水处理新技术。它具有处理能力高、能耗低、不需要反冲洗、水头损失小、不发生堵塞的工艺特点。反应器中的填料具有较高的比表面积,生物膜在填料内外表面都能大量生长,异养和自养微生物利用水中的 C、N、P等进行新陈代谢,从而起到净化污水的作用[1]。国外对移动床反应器进行了大量研究[2～4],并大量应用于城市污水处理厂,取得了良好的处理效果。反应器出水效果好坏,主要取决于生物膜,必须在填料上形成稳定的生物膜,才能保证出水的效果。因此采用合适的挂膜方法对生物膜反应器的快速启动和稳定运行有重要的意义。通常认为,增加悬浮微生物的质量浓度可以加速生物膜反应器的挂膜启动[5,6]。但如果不接种污泥,仅利用污水自身所含的活性微生物,是否有利于挂膜启动的迅速完成。为此,作者以生活污水作为处理对象,采用中试规模的移动床反应器研究了接种污泥对反应器挂膜启动过程的影响,同时对挂膜过程中微生物相的变化以及悬浮污泥的影响进行了初步探讨,以期为移动床反应器的工程应用提供有益参考。

1 实验装置与材料

1.1 试验装置及流程

反应器为长方体结构,长、宽、高分别为0.25、0.3、0.5m,有效容积为 25L。反应器内投加的载体填料为聚乙烯柱状填料,该填料孔隙较大,生物膜更新速度快、活性高,适合高负荷下运行;进水是由水泵从水箱抽取经转子流量计流入反应器内,利用转子流量计控制空气泵的进气量,反应器采用陶瓷微孔曝气头曝气。悬浮填料的流化主要靠反应器底部曝气产生的提升力实现。填料规格见表 1。

表 1 填料特性参数

1.2 试验水质

实验所用废水来自某大学中水站生活污水原水,水质主要参数见表 2。

表 2 原水水质

1.3 分析方法

(1)各项水质指标均采用《水和废水监测分析方法 (第 4版)》[7]标准测试方法进行测定。pH采用 PHS-3C精密 pH计测定;CODCr检测采用重铬酸钾法;氨氮测定采用纳氏试剂比色法;生物相采用OLY MPUS电子显微镜观察;DO用溶解氧测定仪测定;VSS/SS:烘干称重法。

(2)填料生物膜浓度的测定。首先将生物膜填料置于 0.1mol/L的 NaOH碱液中,并在 60℃的水中溶解 20min,使生物膜与载体表面的交联程度大大降低,然后再机械剥落处理;剥落后生物膜干重的测定与悬浮微生物干重的测定方法相同 (填料生物膜浓度单位折算为与悬浮微生物浓度单位一致,即 g/L)[8]。

2 启动与挂膜试验

试验接种活性污泥取自某大学中水站的二沉池回流污泥。试验在 30～35℃条件下进行,柱状填料投加填充比为 50%。将混合液悬浮污泥(MLSS)浓度稀释至 8～10g/L进行接种 MBBR1。MBBR1反应器的曝气量为 120L/h;MBBR2采用原水挂膜,反应器曝气量为 120L/h;先闷曝 48h,使微生物与填料充分接触,然后开始以 1L/h流量进水 (水力停留时间为 24h),3d后调节进水为 2L/h(水力停留时间为 12h),在此条件下进行生物膜的挂膜试验,同时每天对进出水氨氮、有机物浓度进行监测。

3 结果与分析

3.1 接种污泥对移动床反应器挂膜启动过程的影响

为了研究接种污泥对移动床反应器挂膜的影响,我们对MBBR反应器中悬浮填料上的生物膜量进行统计。结果如图 2所示。

从图 2可以看出,由于MBBR1接种了活性污泥,少部分污泥附在填料的中心交叉面上,因此MBBR1填料上开始时生物量就达到 0.1g。MBBR2中的填料到第 4d时表面出现了一层淡黄色薄膜,此后逐步在填料载体表面形成小而分散的微生物菌落。由于温度较高,供氧稳定,微生物生长良好。至第 6d时,MBBR1和MBBR2中填料上的生物膜质量浓度 VSS分别为 0.3和 0.24g/L。从第 8d至第 14d为微生物的快速增长期,14d后,单位体积生物膜量分别达到 0.98g/L、1.16g/L。以后生物膜生长基本趋于稳定,分别为 1.2g、1.4g左右。无接种污泥挂膜启动结束时的生物膜质量浓度略高一些。两种挂膜方法的启动进程基本一致,挂膜启动时间均为 16d左右,不添加接种污泥不会造成挂膜启动时间的延长。单位体积的生物膜量相比于某些研究[9,10]相对低一些,主要因为本次实验选用的大学生活污水中的 COD相对较低,不利于微生物的生长;另一方面,本实验挂膜过程中曝气强度较大,对生物膜的冲刷较强。

3.2 挂膜过程中 COD的去除情况对比

图 3、图 4是在两种不同方式挂膜启动过程中COD的去除情况。挂膜初期,MBBR1中的异养菌的适应期较短。在开始的前几天,MBBR1对有机物就已有近 20%的去除率,原因是由于MBBR1中接种了污泥,部分污泥附着在填料内部交叉处,不容易被冲刷掉,有利于微生物的繁殖。由此可见悬浮污泥在初期起到了重要作用。MBBR2在闷曝结束后前 3d一直处于适应阶段,对 COD的去除效果很少,填料上肉眼几乎看不到生物膜存在,从第4d开始去除效果开始变好,在 8～14d这段时间内,CODCr去除率增加迅速,从最初的 5%左右,增加到 40%左右,生物膜也逐渐显现出来。随挂膜过程的进行,出水 COD最后逐步降低,到60mg/L左右。但在设备运行几天后,COD去除率开始稍微有所下降,造成这种现象的原因是由于异养微生物在生长的初期繁殖速度较快,而硝化细菌对新的生长环境适应时间较异养细菌长,所以开始一段时间异养菌占优势,但随着硝化细菌对环境的适应,硝化细菌开始大量繁殖,在一定程度上,影响了异养菌的生长,造成了 COD去除率的稍微下降。

3.3 挂膜过程中氨氮的去除情况对比

从图 5和图 6可以看出,启动挂膜第 4d,MBBR1对氨氮去除率仅为 10%,第 5～8d,去除率仅增长了 15%;MBBR2在启动初的 7d内,对氨氮的去除率也仅为 8%左右。主要是由于硝化细菌的适应环境能力较异养菌弱[8],MBBR1和MBBR2分别从第 9d和第 10d开始,氨氮的去除效果开始迅速提高,MBBR1在第 16d后,氨氮去除率达到了50%左右,MBBR2在第 18d后,氨氮去除率达到了 55%左右,去除率都已趋于稳定。造成这种现象的原因是由于异养微生物在生长的初期繁殖速度较快,而硝化细菌对新的生长环境适应时间较异养细菌长,所以开始一段时间异养菌占优势,但随着硝化细菌对环境的适应,硝化细菌开始大量繁殖,从而使反应器的氨氮去除率迅速提高。在氨氮的去除方面,接种污泥的MBBR1与MBBR2去除效果没有十分明显的区别。同时填料表面及内部都已长满大量生物膜,标志着挂膜已基本成功。

3.3 生物相的观察

挂膜初期,填料上基本无生物膜生长,仅有少量丝状菌开始繁殖。MBBR1因接种了污泥,填料上附着部分污泥。实验过程中肉眼观察发现,填料内表面在第 4d时均出现了一层淡黄色薄膜,逐步在填料载体表面形成小而分散的微生物菌落。随挂膜过程的进行,填料表面的微生物相发生了较大变化,以丝状真菌为主,同时有少量短杆菌,生物膜厚度增大。肉眼观察,填料内表面的淡黄色生物膜变为黄褐色。普通镜检发现,累枝虫属等原生动物的量也有明显增加,微生物种群分布进一步完善,生物膜生长进入相对稳定期,由于受水力剪切作用和营养底物浓度等条件的限制,生物膜的生长与老化脱落之间处于动态平衡。挂膜完成后取反应器中附着生物膜和悬浮生物膜进行镜检观察,本试验中载体上的生物膜生长良好,柱状填料载体表面生物膜较薄,约 0.4mm左右,内部生物膜较厚,约 2 mm,生物膜较厚实,不易脱落。反应器稳定运行期,经显微镜观察,填料上的生物相丰富,可以观察到较多的丝状菌,大量的钟虫、纤毛虫等原生动物,以及少量的轮虫、线虫等微型后生动物,构成一个完整的生物体系。其中,固着形纤毛虫种类丰富,数量众多,主要有独缩虫、聚缩虫、累枝虫和盖纤虫等。而悬浮污泥中的生物相较少,主要由丝状菌、细菌和藻类组成,还包括少量的原生动物和后生动物存在。

4 结论

(1)在温度为 30±5℃,从 CODCr和 NH+4-N的去除效果上看,MBBR1和 MBBR2均在 16d左右完成挂膜启动,两种载体上附着微生物生长稳定时生物膜质量浓度分别达到 1.3g/L和1.6g/L,低于前者,添加接种污泥不能加速启动过程。

(2)移动床生物膜反应器两种方式挂膜过程中,CODCr和氨氮去除率的提高不是同步的;生物膜增长过程中,好氧异养菌的增殖速度较快,硝化菌的增殖速度较慢。单纯进行去除有机物的异养菌的培养,在温度为 30～35℃左右时,两种挂膜方式均可在 16d左右完成挂膜任务,硝化菌的培养时间要更长一些。

(3)两种挂膜方式相比,所用时间相差不大,采用原水挂膜生物膜相比接种挂膜厚,因此选择原水挂膜较好。

[1]李兵,张建强.移动床生物膜反应器在污水处理中的应用[J].工业安全与环保,2007,33(4).

[2]B Rusten,B G Hellstr jm,F Hellstr jm,et al.Pilot Testing and Preliminary Design of Moving Bed Biofilm Reactors for Nitrogen Removal at the FREVAR Wastewater Treatment Plant[J].Wat.Sci.&Tech.,2000,41(4-5).

[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).

[4]B Rusten,Lars J Hem,Hallvard Édegaard.Nitrogen Removal from Dilute Wastewater in Cold Climate Using Moving-bed Biofilm Reactors[J].Wat.Envir.Res,1995,67(1).

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

[6]周平,何嘉汉,钱易,等.内循环生物流化床反应器载体挂膜特性的研究 [J].环境科学学报,1998,18(1).

[7]本书编委会.水和废水监测分析方法 (第四版)[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

[8]刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术 [M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[9]郑兰香,彭党聪.MBBR的生物反硝化特性 [J].工业安全与环保,2006,32(8).

[10]于洪斌,全燮,丁蕴铮,等.MBBR处理生活、生产混合污水 [J].中国给水排水,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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07422003)。

方建文 (1985-),男,汉族,山东青岛人,在读硕士研究生,主要研究方向:水污染控制。