厭氧浮動(dòng)生物膜反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水

厭氧浮動(dòng)生物膜反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水

摘要：探討了厭氧浮動(dòng)生物膜反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水的性能，結(jié)果表明：在20～28℃溫度條件下，容積負(fù)荷為5.38～20.62kgCOD/(m3·d)，HRT=23.4h時(shí)，COD去除率均在90%以上。

關(guān)鍵字：生物膜反應(yīng)器厭氧懸浮填料顆粒污泥高濃度有機(jī)廢水

由上流式厭氧污泥床(UASB)與厭氧過(guò)濾器(AF)兩種工藝結(jié)合的反應(yīng)器近年來(lái)應(yīng)用較多，其積累微生物能力強(qiáng)，啟動(dòng)速度快，運(yùn)行中填料上附著的生物膜對(duì)降解有機(jī)物起著相當(dāng)?shù)淖饔?，同時(shí)可避免濾池堵塞，是一種高效、穩(wěn)定、易于管理的厭氧處理系統(tǒng)。一般將保留了UASB三相分離器的污泥床加填料的裝置稱為污泥床過(guò)濾器，將不帶三相分離器的污泥床—濾層反應(yīng)器稱為厭氧復(fù)合床反應(yīng)器［1］。

本文研究了集AF和UASB為一體的新型裝置——厭氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(AFBBR)。因其內(nèi)裝有50%體積的懸浮填料，在處理高濃度有機(jī)廢水的運(yùn)行中，填料浮在上部，形成了一種底部是污泥床，上部是厭氧濾池的體系。在處理高濃度有機(jī)廢水試驗(yàn)中顯示出處理能力大、效率高的特性。1試驗(yàn)材料與方法1.1懸浮生物膜填料

FBM用天津市科林思有限公司的聚丙烯材料制成，其密度為0.92kg/m3，可在水中漂浮或隨水體流動(dòng)。該填料形似拉西環(huán)，但環(huán)內(nèi)有十字形支撐，外側(cè)沿徑向有許多長(zhǎng)約0.5mm的芒刺，環(huán)的直徑為11mm，高度10mm，比表面積約為527m2/m3。

1.2試驗(yàn)裝置及工藝流程

厭氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器用有機(jī)玻璃柱制成，直徑14.7cm，總高度100cm，有效高度79.5cm，總?cè)莘e17.01L，有效容積13.48L。AFBBR內(nèi)填料的填充率為50%，即FBM占據(jù)了一半的有效容積。

AFBBR處理高濃度有機(jī)廢水試驗(yàn)的工藝流程如圖1所示。泵入高位槽的廢水經(jīng)過(guò)計(jì)量閥由底部進(jìn)AFBBR，處理后的水由上部排出，在生物降解過(guò)程中產(chǎn)生的氣體從反應(yīng)器頂部排出，懸浮在上部的填料由于上向水流和氣體的作用而不停地上下浮動(dòng)或輕微滾動(dòng)。2試驗(yàn)方法2.1掛膜與啟動(dòng)

厭氧生物膜反應(yīng)器存在的一個(gè)突出問(wèn)題是掛膜困難，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。在本試驗(yàn)中，首先將填料進(jìn)行好氧預(yù)掛膜，利用好氧微生物繁殖快并生成多糖物質(zhì)的性能，在較短時(shí)間內(nèi)填料表面形成一層生物膜即膜基，改善了填料的表面性能，有利于厭氧微生物的附著、生長(zhǎng)、縮短了反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間［2］。

好氧污泥取自邯鄲市東郊污水廠氧化溝。污泥與填料靜態(tài)接觸24h后，將污泥全部排掉，投加生活污水連續(xù)運(yùn)行5～6d后，填料內(nèi)外表面形成一層均勻生物膜。經(jīng)好氧預(yù)掛膜后的填料與5L厭氧污泥靜態(tài)接觸24h，然后將污泥排掉，連續(xù)投加葡萄糖廢水。反應(yīng)器啟動(dòng)開(kāi)始采用的有機(jī)負(fù)荷為2kgCOD/(m3·d)，水力負(fù)荷為1m3/（m3·d）。2～3d后，好氧膜脫落，填料表面變黑，1周后發(fā)現(xiàn)填料內(nèi)表面形成一薄層生物膜。將水力負(fù)荷控制在0.5m3/(m3·d)，有機(jī)負(fù)荷為1kgCOD/(m3·d)，經(jīng)過(guò)2周培養(yǎng)，膜生長(zhǎng)均勻良好，COD去除率可達(dá)到70%以上。此后，水力負(fù)荷增到1m3/（m3·d）,進(jìn)水濃度從2000mg/L逐漸升至6000mg/L，經(jīng)過(guò)50d的運(yùn)行COD去除率可達(dá)到90%以上，反應(yīng)器底部出現(xiàn)大量0.5mm左右顆粒污泥，AFBBR運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)

在此階段考察了進(jìn)水水質(zhì)、HRT、水力沖擊負(fù)荷對(duì)運(yùn)行狀況的影響，此階段的運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)廢水為用葡萄糖合成的污水。表1AFBBR試試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)水HRT（h）容積負(fù)荷[kgCCOD/(mm3.d)]去除負(fù)荷[kgCCOD/(mm3.d)]出水COD去除率（%%）Q（L/d）COD（mg/LL）COD（mg/LL）pH13.605327.723.795.384.86512.397.0590.4014.036372.023.066.636.41212.066.7996.6713.076893.023.617.016.88129.646.7298.1213.609787.323.799.879.73141.936.6698.5413.8711694.323.3312.0311.33673.966.5794.2414.0014510.323.1115.0713.791229.466.3491.5313.8020140.023.4420.6218.641852.616.4290.424.2514522.076.124.58183.806.6198.747.0514522.045.897.59111.636.4299.2510.0014522.032.3510.77358.696.4897.5318.1014522.017.8719.501936.926.3286.67在改變進(jìn)水水質(zhì)期間，控制HRT基本不變，將進(jìn)水濃度逐步升高。在HRT變化階段，保持進(jìn)水濃度不變，數(shù)次改變水力停留時(shí)間。最后突然降低HRT，考察反應(yīng)器在水力沖擊負(fù)荷下工況的變化。

整個(gè)試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，溫度變化范圍20～28℃。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1容積負(fù)荷與COD去除率

負(fù)荷直接反映了食物與微生物之間的平衡關(guān)系，容積負(fù)荷的變化可以通過(guò)改變進(jìn)水濃度或水力停留時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。在試驗(yàn)中，首先保持停留時(shí)間基本不變(平均為23.5h)，進(jìn)水COD濃度從5327.7mg/L逐漸升高到20140.0mg/L，相應(yīng)的容積負(fù)荷從5.38kgCOD/(m3·d)增到20.62kgCOD/(m3·d)，COD去除率隨進(jìn)水濃度增加而緩慢下降，最高達(dá)98.5%。之后，將進(jìn)水濃度控制在14522mg/L，水力停留時(shí)間分別為76.1245.89、32.35、23.11、17.87h，相應(yīng)的容積負(fù)荷從4.58kgCOD/(m3·d)增到19.50kgCOD/(m3·d)。COD去除率隨水力停留時(shí)間的變化存在一個(gè)分界點(diǎn)，低于此值，COD去除率隨水力停留時(shí)間減小而迅速下降；高于此值COD去除率基本穩(wěn)定。由表1可以看到，在試驗(yàn)條件下，當(dāng)容積負(fù)荷增高時(shí)，AFBBR的去除［kgCOD去除/(m3·d)］增高，顯示了強(qiáng)大的處理能力。

3.2水力沖擊負(fù)荷的影響

AFBBR表現(xiàn)出較高的抗沖擊負(fù)荷特性。在進(jìn)水濃度為20140mg/L時(shí)，水力停留時(shí)間突然從23.44h降至3h，沖擊時(shí)間持續(xù)6h，容積負(fù)荷增加8倍，達(dá)到161.1kgCOD/(m3·d)。反應(yīng)器在遭到?jīng)_擊后運(yùn)行參數(shù)的變化見(jiàn)表1，COD去除率變化見(jiàn)圖2。在沖擊負(fù)荷過(guò)后3h，COD去除率降到最低33.65%，24h后COD去除率恢復(fù)到72%，40h后恢復(fù)到80%以上，表明該反應(yīng)器具有很大的緩沖能力，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。這與該反應(yīng)器的特點(diǎn)有關(guān)，該反應(yīng)器上部懸浮填料起到過(guò)濾器的作用，在負(fù)荷沖擊時(shí)可以防止大量污泥流失，有利于反應(yīng)器性能的迅速恢復(fù)。另一方面填料表面生物膜量?jī)H占總生物量的15%，電子顯微鏡下觀察，其主要是甲烷細(xì)菌，因而在沖擊負(fù)荷下產(chǎn)酸菌雖流失多，但繁殖迅速，有利于反應(yīng)器迅速恢復(fù)正常。另外在反應(yīng)器遭到?jīng)_擊負(fù)荷后，采取適當(dāng)?shù)臄嚢韬臀勰嗷亓鞔胧┛杀苊夥磻?yīng)器內(nèi)揮發(fā)酸過(guò)度積累并穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)生物量，有利于反應(yīng)器性能的迅速恢復(fù)。3.3生物相分析

反應(yīng)器中微生物由兩部分組成：①附著生長(zhǎng)在填料上的生物膜；②懸浮污泥在反應(yīng)器底部形成的顆粒污泥床。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，生物膜主要生長(zhǎng)在填料的內(nèi)表面，外表面上幾乎沒(méi)有生物膜。這可能與填料外層水流紊動(dòng)大于填料內(nèi)部，外表面上生物膜受到更大的剪切應(yīng)力有關(guān)。鏡檢發(fā)現(xiàn)生物膜內(nèi)菌種以甲烷八疊球菌屬和桿菌為主，其中甲烷八疊球菌屬占視野的50%～60%，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絲狀菌，并存在以甲烷八疊球菌屬和桿菌分別占優(yōu)勢(shì)的區(qū)域。同位素示蹤已證實(shí)消化器中70%以上的甲烷來(lái)自乙酸，乙酸型產(chǎn)甲烷細(xì)菌主要為產(chǎn)甲烷索氏絲狀菌和八疊球菌，而當(dāng)乙酸濃度高時(shí)，甲烷八疊球菌更具有競(jìng)爭(zhēng)力，這與該反應(yīng)器出水揮發(fā)酸濃度較高相一致。反應(yīng)器的底部存在顆粒污泥床，污泥床高度為30cm，顆粒粒徑0.5～0.7mm，沉降性能良好SV為15%。顆粒污泥中生物相當(dāng)豐富，以桿菌、球菌、絲狀菌、螺菌為主，顆粒污泥與生物膜中的生物存在明顯差異。

在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，測(cè)定反應(yīng)器微生物總濃度(MLSS)為36.68g/L，其中生長(zhǎng)的微生物量占85%，這可能是由于上升水流和產(chǎn)生氣體的作用對(duì)外表面生物膜生長(zhǎng)有影響。4結(jié)論①好氧預(yù)掛膜顯著改變了載體表面性能，有利于厭氧菌的附著、生長(zhǎng)，縮短反應(yīng)器的掛膜時(shí)間。

②厭氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器處理高濃度有機(jī)廢水，在常溫下取得了良好效果。在容積負(fù)荷為5.38～20.62kgCOD/(m3·d)，水力停留時(shí)間為0.98d時(shí)，COD去除率最高達(dá)到98.54%，平均為90.4%。

③厭氧浮動(dòng)床生物膜反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度高，