應(yīng)用序批式生物膜反應(yīng)器處理沖廁海水相關(guān)問(wèn)題探討

伍俊榮，鄒士洋，丁冰泉，黃富民

序批式生物膜反應(yīng)器(sequencing batch biofilm reactor，SBBR)是在序批式活性污泥法的基礎(chǔ)上，把反應(yīng)器中的活性污泥變成懸浮填料固定的生物膜，使它既具有了SBR工藝的優(yōu)點(diǎn)又具備了生物膜法的優(yōu)點(diǎn)［1］。SBBR不僅在工業(yè)廢水和有毒、難降解有機(jī)物的處理上有不俗表現(xiàn)［2-3］，而且在城市污水處理的脫氮除磷方面也具有廣闊的發(fā)展前景［4-5］，尤其在一些中小城鎮(zhèn)生活污水處理中的應(yīng)用更加成為眾多學(xué)者研究的一個(gè)熱門課題［6-7］。SBBR工藝簡(jiǎn)單，基建、運(yùn)行費(fèi)用低，將其應(yīng)用于港口、海島沖廁海水的處理，將產(chǎn)生良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。本工作重點(diǎn)探討了生物處理沖廁海水的技術(shù)難點(diǎn)，以及SBBR處理沖廁海水用懸浮填料的選型、掛膜過(guò)程等技術(shù)問(wèn)題，旨在為應(yīng)用SBBR處理沖廁海水的相關(guān)研究提供參考。

1 生物處理沖廁海水的技術(shù)難點(diǎn)

目前，生物處理沖廁海水的技術(shù)難點(diǎn)可歸納為4個(gè)方面。

1.1 微生物對(duì)鹽度適應(yīng)性有限 淡水處理微生物進(jìn)入到含鹽環(huán)境時(shí)，會(huì)通過(guò)自身滲透壓調(diào)節(jié)機(jī)制平衡細(xì)胞內(nèi)的滲透壓或者保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的原生質(zhì)，但由于對(duì)滲透壓的調(diào)節(jié)能力以及微生物體內(nèi)酶對(duì)滲透壓變化的適應(yīng)能力不同，污水處理微生物對(duì)污水鹽度的適應(yīng)能力也不同。張雨山等［8］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生活污水中含海水＜36%時(shí)，完全混合式連續(xù)流活性污泥反應(yīng)器對(duì)COD去除率＞80%，出水滿足城市污水排放要求;當(dāng)海水比例＞48%時(shí)，處理水已無(wú)法達(dá)標(biāo)。因此，可利用馴化后的微生物對(duì)含一定比例的沖廁海水進(jìn)行處理。但超過(guò)一定的比例后，即使通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的鹽度馴化也難以實(shí)現(xiàn)污染物的達(dá)標(biāo)處理。

1.2 微生物對(duì)鹽度變化反應(yīng)靈敏 微生物對(duì)鹽度變化的敏感程度直接影響沖廁海水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。崔有為等［9］研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)抗鹽度沖擊的能力還和馴化污泥的鹽度直接相關(guān)。不同鹽度下穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的抗鹽度沖擊能力，淡水系統(tǒng)的最大耐鹽度沖擊范圍是0～20 g/L，25 g/L鹽度馴化系統(tǒng)的最大耐鹽度沖擊范圍是5～30 g/L，35 g/L鹽度馴化系統(tǒng)的最大耐鹽度沖擊范圍是15～35 g/L。因此，沖廁海水處理系統(tǒng)中的微生物對(duì)鹽度變化敏感，當(dāng)進(jìn)水鹽度驟然變化時(shí)，沖廁海水處理系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)有機(jī)物去除率下降、出水懸浮固體增加、污泥大量流失等典型的失穩(wěn)現(xiàn)象。

1.3 沖廁海水中微生物降解動(dòng)力緩慢 微生物的降解動(dòng)力直接決定了沖廁海水處理系統(tǒng)的污染物去除效率。由于鹽度對(duì)系統(tǒng)的抑制作用，含鹽污水處理降解速度普遍下降、有機(jī)物去除率降低、出水有機(jī)物濃度升高。而且隨著鹽度的升高降解緩慢程度加劇，去除率下降幅度增大。張雨山等［10］采用完全混合活性污泥法研究了不同含海水量的污水的基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)。在進(jìn)水COD為300～500 mg/L、海水體積分?jǐn)?shù)＜36%的條件下，基質(zhì)的去除遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系式。隨著海水含量的增加，鹽度對(duì)微生物的抑制作用加強(qiáng)，基質(zhì)降解速率常數(shù)逐漸變小。崔有為等［11］通過(guò)對(duì)含鹽污水的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽度的升高，有機(jī)物降解速率下降。鹽度對(duì)有機(jī)物降解的抑制作用屬于非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，同時(shí)影響最大降解速率和飽和常數(shù)。COD最大降解速率隨著鹽度的升高而下降。在＜20 g/L鹽度環(huán)境內(nèi)，隨著鹽度的升高，飽和常數(shù)值逐漸增大。而在＞20 g/L鹽度環(huán)境內(nèi)，隨著鹽度的升高，飽和常數(shù)值逐漸降低。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到鹽抑制系數(shù)KY為2333 mg/L。因此，沖廁海水污染物的降解動(dòng)力緩慢，處理系統(tǒng)只能在較低的F/M(有機(jī)負(fù)荷率)條件下運(yùn)行。

1.4 沖廁海水處理系統(tǒng)微生物流失嚴(yán)重 沖廁海水生物處理系統(tǒng)內(nèi)的微生物呈現(xiàn)不同程度的流失，出水懸浮固體濃度一直很高，造成這種現(xiàn)象的可能原因有兩個(gè)。一是受到?jīng)_廁海水理化性質(zhì)的影響。由于海水中含有多種離子，呈現(xiàn)高的分散性，而且海水的密度較高，水中固體不易沉降。二是沖廁海水處理生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的微生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。王淑瑩等［12］針對(duì)海水沖廁工程，試驗(yàn)研究了無(wú)機(jī)鹽對(duì)活性污泥沉降性的影響。以無(wú)鹽穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)作為參照系統(tǒng)，分別研究了20 g/L和35 g/L鹽度馴化系統(tǒng)內(nèi)活性污泥絮體的形態(tài)、污泥沉降特點(diǎn)以及污泥微生物生態(tài)。無(wú)機(jī)鹽改變了活性污泥微生物生態(tài)。隨著鹽度的增加，原生動(dòng)物減少直至消失，絲狀菌數(shù)量也在減少。在35 g/L鹽度環(huán)境下，幾乎看不到絲狀菌，而后生動(dòng)物和絲狀菌的消失會(huì)導(dǎo)致浮游細(xì)菌沒(méi)有了攝食對(duì)象，造成系統(tǒng)出水中游離細(xì)菌含量的升高。因此，有效控制沖廁海水處理系統(tǒng)內(nèi)微生物的流失，對(duì)沖廁海水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和處理效率尤為重要。

沖廁海水對(duì)生物處理系統(tǒng)可能產(chǎn)生影響的鹽離子中除Cl－以外，其他元素都是微生物正常生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)成分，低濃度時(shí)對(duì)微生物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但高濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。一般認(rèn)為當(dāng)污水含鹽量為5～10 g/L時(shí)，對(duì)生物處理系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。也有研究表明，鹽度達(dá)到20～30 g/L也能達(dá)到較好的處理效果，但必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奈勰囫Z化和篩選，使生物處理系統(tǒng)對(duì)鹽的忍耐力得到加強(qiáng)。高鹽環(huán)境下微生物增長(zhǎng)慢，產(chǎn)率系數(shù)低，啟動(dòng)困難，而且一旦污泥流失將難以恢復(fù)。因此，沖廁海水一般采用微生物附著生長(zhǎng)系統(tǒng)處理。

2 懸浮填料的選型技術(shù)原則

基于海水水質(zhì)特點(diǎn)，沖廁海水同普通市政污水的顯著差別是理化性質(zhì)不同，密度較高，腐蝕性較強(qiáng)。由于港口、島礁的空間緊張、能源珍貴，要求沖廁海水處理系統(tǒng)處理效率高、運(yùn)行能耗低和使用壽命長(zhǎng)。因此，SBBR處理沖廁海水用懸浮填料的選型技術(shù)原則有以下4項(xiàng)。

2.1 密度應(yīng)接近于海水密度 懸浮填料的密度對(duì)于沖廁海水處理系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)必須考慮的因素。密度過(guò)大，造成填料懸浮困難或能耗過(guò)高;密度過(guò)小，又不易維持填料在反應(yīng)器中的一定流態(tài)，而密度接近于海水密度(1.02 g/cm3)的填料在正常的曝氣強(qiáng)度下易于全池流化，降低能耗。

2.2 具有較大的比表面積 懸浮填料表面是生物膜形成和固著的部位，比表面積的大小直接影響沖廁海水的生物處理效率。通常大的比表面積對(duì)提高污水處理效率是有利的，但對(duì)于某些填料而言，比表面積越大反應(yīng)器越易堵塞。HJ/T 246-2006《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求懸浮填料》明確比表面積的范圍是:鮑爾環(huán)柱狀懸浮填料72～210 m2/m3，階梯環(huán)狀懸浮填料90～228 m2/m3，豎片柱狀懸浮填料178～236 m2/m3，多面空心球形懸浮填料110～460 m2/m3，組合懸浮填料30～360 m2/m3。因此，懸浮填料的比表面積受形狀和尺寸的影響較大。

2.3 具有較好的水力學(xué)特性 懸浮填料的水力學(xué)特性直接影響沖廁海水處理系統(tǒng)的流態(tài)，而形狀、尺寸是確定懸浮填料水力學(xué)特性的主要因素。一般認(rèn)為球狀是最理想的形狀，而片狀水力學(xué)特性較差，因此多選擇圓筒狀，當(dāng)其長(zhǎng)徑比為1時(shí)接近于球狀，填料尺寸則依據(jù)比表面積和填充率來(lái)定。

2.4 材料應(yīng)具有穩(wěn)定的理化特性 沖廁海水是一個(gè)復(fù)雜的多元體系，其中污染物轉(zhuǎn)化過(guò)程涉及物理化學(xué)、生物化學(xué)及能量傳遞等復(fù)雜的過(guò)程，要求生產(chǎn)沖廁海水處理用懸浮填料的材料具有穩(wěn)定的理化特性，包括生物穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性;同時(shí)應(yīng)具有良好的表面帶電特性和一定的親水性，對(duì)微生物無(wú)毒害作用。市場(chǎng)上常用的填料材質(zhì)特性見(jiàn)表 1［13］。

表1 常用填料材質(zhì)特性

懸浮填料作為微生物賴以棲息的場(chǎng)所，是SBBR的關(guān)鍵技術(shù)之一。市場(chǎng)上懸浮填料種類繁多，材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀、大小各異，但由于懸浮填料的相關(guān)技術(shù)規(guī)范并不成熟，而且這些懸浮填料主要是針對(duì)普通市政污水或低鹽廢水設(shè)計(jì)，現(xiàn)有懸浮填料很難同時(shí)滿足以上4點(diǎn)。因此，為優(yōu)選出性能優(yōu)良的懸浮填料，應(yīng)進(jìn)行SBBR處理沖廁污水用懸浮填料選型的專項(xiàng)試驗(yàn)研究。

3 掛膜效果的影響因素

懸浮填料生物膜的形成是沖廁海水在流經(jīng)填料表面的過(guò)程中，通過(guò)懸浮態(tài)微生物向填料表面的輸送并結(jié)合固定化過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，而其生長(zhǎng)則是通過(guò)沖廁海水中有機(jī)物的吸附、傳遞及氧向生物膜內(nèi)部的傳遞擴(kuò)散等過(guò)程，促進(jìn)生物膜中微生物對(duì)有機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)的氧化降解作用維持的。一般認(rèn)為，懸浮填料的掛膜過(guò)程是一系列物理、化學(xué)和生物過(guò)程綜合作用的結(jié)果，可簡(jiǎn)化如圖1所示［14］。

圖1 懸浮填料的掛膜過(guò)程

應(yīng)用SBBR處理沖廁海水用懸浮填料掛膜效果的影響因素有以下3種。

3.1 懸浮態(tài)微生物的濃度 SBBR中懸浮態(tài)微生物是沖廁海水處理用懸浮填料固著微生物的直接來(lái)源，掛膜階段應(yīng)維持SBBR較高的懸浮態(tài)微生物濃度，有利于促進(jìn)微生物向填料表面的輸送→結(jié)合→固定，提高懸浮填料的掛膜效率，縮短SBBR的掛膜啟動(dòng)時(shí)間。

3.2 微生物向填料表面輸送動(dòng)力的大小 懸浮態(tài)微生物向填料表面輸送的機(jī)械動(dòng)力主要是空氣的攪拌強(qiáng)度，可通過(guò)對(duì)曝氣量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)SBBR攪拌強(qiáng)度的控制，將水力紊動(dòng)程度控制在微生物－懸浮填料的結(jié)合所能承受的范圍，有利于微生物向填料表面的輸送以及填料的流態(tài)化。

3.3 微生物附著的可逆程度 懸浮微生物向填料表面附著是可逆過(guò)程，懸浮填料材料親水性能、表面粗糙度，以及微生物對(duì)填料粘附力是主要影響因素。常用的懸浮填料主要是由聚乙烯、聚丙烯等制成，這些材料的親水性能較為接近。表面粗糙度方面，一般表面有凹凸紋理的比表面光滑的填料性能優(yōu)越。微生物對(duì)填料的粘附力取決于接種污泥的活性，一般接種污泥的活性越高，通過(guò)代謝作用分泌的多聚糖類物質(zhì)越多，而多聚糖所具有的粘性作用可促進(jìn)微生物與填料的粘附，避免微生物從填料表面的脫附。

因此，懸浮填料掛膜啟動(dòng)階段應(yīng)維持SBBR較高的懸浮態(tài)微生物濃度和活性。為了防止新生微生物隨水流失，盡可能提供微生物與填料更多的接觸機(jī)會(huì)，加快生物膜的形成，掛膜啟動(dòng)階段可采用靜態(tài)悶曝培養(yǎng)法［15］;當(dāng)懸浮填料表面生物膜形成后，可通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量控制SBBR水力紊動(dòng)程度，以促進(jìn)生物膜對(duì)有機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)的利用和生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

沖廁海水生物處理系統(tǒng)啟動(dòng)困難，微生物增長(zhǎng)慢、產(chǎn)率系數(shù)低，而且一旦污泥流失將難以恢復(fù)。建議采用微生物附著生長(zhǎng)系統(tǒng)處理沖廁海水，而且必須經(jīng)過(guò)污泥馴化和篩選。

SBBR處理沖廁海水用懸浮填料的密度應(yīng)接近海水密度，比表面積較大，且具有較好的水力特性和理化特性。建議通過(guò)專項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行SBBR處理沖廁污水用懸浮填料的選型。

掛膜啟動(dòng)階段可采用靜態(tài)悶曝培養(yǎng)法，維持SBBR較高的懸浮態(tài)微生物濃度和活性。生物膜形成后，可通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣量控制SBBR水力紊動(dòng)程度，以促進(jìn)生物膜對(duì)有機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)的利用和生長(zhǎng)。

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