低温下A/MBBR反应器快速启动的工艺参数

董进波,王帆, 阿琼,解清杰,韩松

(1. 镇江市水业有限责任公司, 江苏 镇江 212001;2. 江苏满江春城市规划设计研究有限责任公司, 江苏 镇江 212008;3. 江苏大学环境与安全工程学院, 江苏 镇江 212013;4. 西藏自治区生态环境监测中心,西藏 拉萨 850000)

中国高寒缺氧地区包括黑龙江、吉林、辽宁、西藏、甘肃西南部、四川西部、新疆南部在内的大片区域,因其恶劣的自然条件、较为落后的经济水平和薄弱的人才储备,农村生活污水无法充分收集并处理[1],已经成为农村生态文明建设的短板.

在这些地区,因受低温和缺氧的影响,污泥膨胀[2]、曝气能耗大而效果差[3]、处理效果差[4]等问题限制了传统水处理工艺在高寒缺氧地区农村生活污水处理中的应用.移动床生物膜反应器(moving-bed biofilm reactor,MBBR)兼顾了生物膜法和活性污泥法的优点[5-6],因此能够提高污水处理厂低温下对污染物的去除效果[7],而其以厌氧状态运行则能兼顾处理效果和处理能耗,较为切合高寒缺氧地区农村生活污水处理的需求,具有广阔的应用前景.然而,8～12 ℃下生物膜反应器较长的启动时间阻碍了厌氧移动床生物膜反应器(anaerobic moving-bed biofilm reactor, A/MBBR)工艺在高寒缺氧地区的广泛应用.填料[8-9]和运行参数[10]是影响其启动时间的主要因素,但现有研究仅仅从污染物去除率的角度选择工艺参数,未能考察生物膜参数的变化,也就无法真正探究工艺参数影响A/MBBR反应器启动的机理.文中研究结合该地区污水水质,在最优填料的基础下[11],通过考察污染物去除率、生物膜生长速率和比呼吸速率,研究填充率、回流比和水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)对A/MBBR反应器启动的影响,并制定A/MBBR反应器低温快速启动的工艺参数策略,扫除其在高寒缺氧地区应用的技术障碍,对于提升农村生活污水处理水平,改善农村生活环境质量,提高农民生活水平都具有重要意义.

1 试验装置与试验方法

图1为A/MBBR反应器示意图.

图1 A/MBBR反应器示意图

图2为图1所示A/MBBR反应器在0～238 d运行时生物膜挥发性固体质量浓度变化曲线,以反应器内生物膜质量浓度保持在范围内为启动完毕的标志,A/MBBR反应器挂膜启动时间约为168 d;图中MLVSS为生物膜挥发性固体质量浓度,t为天数.

图2 A/MBBR反应器内MLVSS变化

在图1所示A/MBBR反应器的启动期间,从中取出正在挂膜的K3填料,放入放置于恒温培养箱中的试验平台,进行影响因素试验.试验平台由磁力搅拌器、蓝口瓶组成,恒温培养箱设置温度为12 ℃,磁力搅拌器设置转速约为300 r/min,间歇进出水,初始周期为12 h,回流比为0.之后根据试验所设计的参数水平进行调整,均以上次试验得出的最佳运行参数为基础继续试验.

试验平台每隔24 h测定一次水质参数,每隔7 d测定一次生物膜参数和比呼吸速率,每次试验21 d,生物膜比呼吸速率测定方法、生物膜质量测定方法和水质参数测定方法同文献[11].

启动阶段采用稀释后的实际生活废水进行连续自然挂膜,生活废水取自江苏大学东山操场东侧污水井,主要为食堂和学生宿舍生活废水.对照西藏拉萨市典型农村生活废水水质[12],对生活废水的化学需氧量和总磷进行稀释,并投加氯化铵补充NH3-H,具体水质范围见表1.表中ρ为污染物质量浓度;CODcr为采用重铬酸钾法测得的化学需氧量,TN为总氮,TP为总磷,DO为溶解氧.

表1 水质表

2 试验结果

2.1 填充率对低温A/MBBR启动的影响

对于移动床而言,填充率rf决定了反应器内填料流化的难易程度和流化效果.填充率直接影响了污染物的去除率re、填料成本投入和动力成本.

图3为不同填充率rf下反应器对污染物去除效果的试验结果.

图3 不同填充率下反应器对污染物的去除效果

结果表明A/MBBR反应器在低温下对污染物的去除效果与填充率密切相关.在试验平台运行期间,填充率为20%的反应器对污染物的去除效果最差,填充率60%下效果最好,而填充率为40%的反应器对污染物的去除效果介于两者之间.试验初期,降低填料的填充率明显削弱了反应器对污染物去除效果,这既是因为减少填料数量的同时降低了反应器内微生物的数量,也反映了生物膜有机负荷的提高,因此微生物需要适应负荷变化.试验平台运行期间,填充率为20%的反应器适应有机负荷变化所需的时间最长,反应器出水波动更为剧烈,抗水质冲击能力更差.

图4为不同填充率rf下反应器生物量变化和比呼吸速率的试验结果.图中m为单个填料上生物膜固体质量,ρf为整个反应器的生物膜质量浓度,c为比呼吸速率(即单位时间单位质量的生物膜挥发性固体产气量).结果表明单个填料上的生物膜质量、生物膜增长速率以及比呼吸速率均与填充率密切相关.试验开始时,3个反应器的单个填料上的污泥质量相同,此时反应器内的生物膜固体质量浓度差异只与填料数量有关.

图4 不同填充率下的生物量和比呼吸速率

试验结束时,填充率为20%的反应器单个填料上生物膜固体质量和挥发性固体质量均最高,生物膜质量的平均生长速率最高;而填充率40%和60%下生物膜固体质量相差不大,但填充率40%下填料上挥发性固体质量更高.反应器内的生物膜固体质量浓度与填料数量有关,而填充率越大,则反应器内的填料数量越多,总生物膜量越高.

总比呼吸速率一定程度上代表了微生物的生物活性和处理有机物的能力.在填充率20%下,生物膜的总比呼吸速率最高,填充率60%下最低.内源比呼吸速率一定程度上代表了生物膜中衰亡生物的数量,过高不利于污染物的去除,但有利于剩余污泥的减量化[13].微生物填充率20%下的内源比呼吸速率最低,填充率60%下内源比呼吸速率最高.试验结果证明,较低的有机负荷不利于微生物的生理活动,高填充率时,微生物内源比呼吸速率较高,而较低的填充率下,微生物可利用的营养物质充足,微生物活性更强.

2.2 回流比对低温A/MBBR启动的影响

图5为不同回流比rb下反应器对CODcr去除效果的研究结果.

图5 不同回流比下的污染物去除率

由图5可知,回流比直接影响了反应器进水污染物质量浓度.在反应器运行期间,回流比较大的反应器对污染物的去除效果更好.在一定程度上,增加回流比可以提高反应器对污染物的去除效果[14];但回流比超过20%后,效果不佳.

为了探究出水回流影响CODcr去除率的本质原因,对新鲜污水和回流比rb为0下出水BOD5进行了研究,结果见表2,其中BOD5指五日生化需氧量,T为取样时间,B/C为ρ(BOD5)/ρ(CODcr).

表2 原始污水与回流比0的出水可生化性比较

由进出水B/C的变化可知,由于原始污水来自食堂和宿舍废水,污水的可生化性较高,B/C均大于0.5,属于易生化的污水,但原始污水中的食物残渣、蔬菜梗等,这些不溶性的微小有机物相较于溶解性的有机物而言,需要更长的时间降解,而厌氧微生物能将这些不溶性有机物水解为简单有机物[15],因此对A/MBBR反应器的启动具有一定促进作用.

图6为不同回流比下微生物膜的变化情况.

图6 不同回流比下的生物量和比呼吸速率

试验结果表明,出水回流增加了反应器进水的可生化性,从而抵消了一部分因降低反应器有机负荷带来的不利影响,回流比20%下,生物膜质量浓度和增殖速度均接近或者超过无回流下的反应器,但回流比40%下,生物膜质量浓度和生长速度均低于其他反应器.在试验期间,回流比0和20%的反应器总体较为稳定,而回流比40%下的反应器总比呼吸速率却持续下降,说明反应器内生物膜活性受到明显抑制,这一点从不同回流比下,内源比呼吸速率的变化也可以看出.反应器生物膜内源比呼吸速率在回流比0下最低,在回流比40%下最高,而回流比20%下介于两者之间,说明回流比提升到20%时,回流比带来的有利影响超过不利影响,生存环境有利于微生物的生存;当回流比提升至40%时,回流比带来的不利影响更大,环境不利于微生物的生存.

2.3 HRT对低温厌氧生物膜启动影响

文中研究采用间歇进水模式,换水间隔即为水力停留时间,则3组反应器中水力停留时间HRT分别为8,12和24 h.由于厌氧反应器对有机污染物的去除需要经过溶解、水解、产酸、产气等几个阶段,如果水力停留时间无法满足微生物生理活动需求,则不仅对污染物的去除效果变差,产气微生物的活性也可能受到抑制.

图7为不同水力停留时间下A/MBBR反应器在低温下对污染物的去除效果对比,试验结果表明,低温下A/MBBR反应器对污染物的去除效果受到水力停留时间的影响.较长HRT下,A/MBBR反应器对污染物的去除率明显上升,HRT为8 h的反应器对CODcr,NH3-H和TP的去除率最低;当HRT增长至12 h后,反应器对CODcr,NH3-H和TP的去除率均有提升,而HRT为24 h的反应器对污染物的去除率最高.HRT的变化对CODcr去除率的影响并不是线性的,对不同污染物的影响程度也不同,HRT从8 h提升至12 h后, 时间增长了50%,CODcr去除率增长10%,NH3-H去除率增长约1倍,TP去除率增长2%,而HRT从12 h提升到24 h,时间增长1倍,污染物的去除率提升却不明显,甚至有所下降.

图7 不同水力停留时间下污染物去除率

2.4 水力停留时间对生物膜增殖的影响

图8为A/MBBR反应器在不同停留时间下处理低温生活废水时生物膜质量和比呼吸速率的对比.

图8 不同水力停留时间下的生物量和比呼吸速率

试验结果表明,水力停留时间较为显著地影响了A/MBBR反应器的生物膜质量浓度和生物活性.试验结束时,HRT为8 h的反应器生物膜量和生长速度均为3个反应器中最大;HRT为24 h的反应器生物膜质量浓度和生长速度最小,且随着反应进行,该HRT下反应器内挥发性生物膜质量浓度反而下降,生物膜有所脱落.HRT为12 h的反应器生物膜量和生长速度介于两者之间.

水力停留时间与微生物总比呼吸速率呈现正相关关系,与内源比呼吸速率呈现负相关关系.HRT为8 h下生物膜活性最高,HRT提升至12 h后,总比呼吸速率下降至31 mg/(g·h)左右,而HRT提升至24 h后,生物膜活性为三者最低,总比呼吸速率下降至25 mg/(g·h)左右;与此同时,提高HRT导致内源比呼吸速率升高,这说明低HRT下,生物膜活性更强.

HRT为8 h时,微生物增殖速率最快、活性最高,为反应器启动时的最佳停留时间;当反应器完成启动时,为了保证反应器对污染物的去除效果,应当提升HRT至12 h.

3 结 论

通过研究不同水平的工艺参数对A/MBBR反应器的启动,明确了填充率、回流比和HRT通过影响生物膜总量、生物膜活性、生物膜挥发性组份比例,从而影响A/MBBR反应器的启动,同时得到了A/MBBR反应器在处理高寒缺氧地区农村生活废水时,快速启动的运行参数策略:HRT保持在8 h,填充率为40%,将20%的出水回流至反应器,待出水可生化性下降后停止回流,并当反应器启动完毕后提升HRT至12 h.与图2代表的反应器运行条件相比,在相同进水条件下,通过比较生物膜平均生长速度,预计可节省23%的启动时间.

较好地揭示了A/MBBR反应器启动的实质,但缺少对其机理的数学化阐述,应通过反应动力学、增殖动力学等方程进一步研究生物膜反应器的启动机理.