自動清洗高效生物膜反應器設計與性能

魯加祥，魯奇

(國電清航瑞恒江蘇環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 鹽城 224300)

0 引言

本項目根據(jù)我國農(nóng)村生活污水治理的實際情況和特點，將曝氣式生物濾池與生物膜反應器之優(yōu)勢相融合，設計生物處理與過濾合一的自清洗高效生物膜反應器，對正常操作狀態(tài)下，在有機物負載情況下，反應器的啟動及其效果、好氧區(qū)與過濾區(qū)的作用、自清洗前后生物膜特性和污物去除特性進行了研究。本項目將為新型自清洗高效生物膜反應器的設計及其在我國農(nóng)村生活污水治理中的實際應用提供一定參考。

1 自清洗反應器的設計

本項目擬將MBBR 與BAF 聯(lián)用，生物膜基體以大孔隙顆粒狀懸浮填料實施，利用BAF 的充填模式，將傳統(tǒng)的BAF 充填比例從40%～65%提升到90%以上，從而構筑出具有自主知識產(chǎn)權的新型的自潔、高效、集成化生物膜反應器。反應器呈圓柱狀，高0.42 m，內(nèi)徑0.281 m，容積15 L，好氧功能區(qū)和過濾功能區(qū)用一塊高0.25 m 的有機玻璃隔板分開，在隔離層的底面和反應釜的底面之間，留出0.04 m 的距離，為過水及自清洗填料流化留出一定的空間。在隔板的上方，留出充足空間，以供在自清洗時的填料流化使用。該工藝在常規(guī)工況下，填充量為90%，以堆積型和懸浮型為主，因隔膜的阻擋，將其分為上下兩部分。廢水經(jīng)上游進入好氧區(qū)曝氣后，過濾區(qū)接收自隔膜下方進入的堆積型填料，從下游排出堆積型大孔隙的填充型填料。在不同的水質(zhì)條件下，系統(tǒng)的HRT 可隨水質(zhì)的變化而變化。針對高填充率的填料易發(fā)生阻塞而導致的系統(tǒng)性能下降等問題，本項目擬采用每日1 h 的自潔周期，即在沖洗初期，將原有廢水連續(xù)灌入，并將其提升到反應器上部溢流口處。這時，當填充率降低到60%時，增加好氧區(qū)通氣量，通過水流沖洗及通氣，將填料從好氧區(qū)上部流向過濾區(qū)。繼續(xù)通過水流沖洗，將過濾區(qū)中的填料從隔板下部回流到好氧區(qū)，從而實現(xiàn)兩個功能區(qū)之間的填料循環(huán)流動。并利用水流的剪切，將被沖洗后的殘渣及其他雜物從流出水中排放出去。在循環(huán)的自凈作用完成后，通水口開啟，水平面降低到原來的水平，將剩余的污水排放出去，使填充物恢復到原來的懸空和聚集狀態(tài)，從而達到正常的工作方式。

利用BAF 具有的高填充率、自帶過濾和周期性沖刷等特性，在提升MBBR 單元容量的同時，在循環(huán)自洗階段增加曝氣量，降低MBBR 因維持高曝氣量而帶來的能量損耗。從BAF 的角度出發(fā)，利用MBBR中的顆?？障洞蟮葍?yōu)點，大大提高了BAF 中的微生物生存空間，并采用了該濾池的自潔式循環(huán)流化技術，很好改進了濾池內(nèi)之反沖洗效果。該反應器將兩種污水處理技術結合起來，生成了小型分散式裝置的一體化，并在農(nóng)村生活污水的處理中得到很好的運用，使有機物去除、脫氮及懸浮固體的效果得到了較好的保證。

2 項目分析和檢測方法

2.1 常規(guī)水質(zhì)檢測之法

在本系統(tǒng)運轉期間，每日對兩個區(qū)域的入水中和出水中的樣品進行日常監(jiān)測，監(jiān)測結果根據(jù)《水和廢水檢測分析方法》(第4版) 中規(guī)定的監(jiān)測結果為準，監(jiān)測和分析方法如表1 所示。

表1 常規(guī)指標檢驗方法和檢驗儀器

2.2 生物膜之特性分析法

利用倒置熒光顯微鏡(Olympus，IX71)來對在懸浮填料表面上的生物膜厚度進行測定。將懸浮填料從反應器中撈出后，用去離子水沖洗。然后，切割為1 mm厚的片狀，置放在10 倍倒置熒光顯微鏡下觀測。參數(shù)設定好后，可以進行多個視角的選擇，對其厚度進行測量，然后拍攝。在本實驗裝置中，以每單位體積的懸浮體上的生物膜質(zhì)量為測量標準，并通過稱重方法來測量，具體做法是：將一定量的填充物用DI 水反復沖洗三遍，沖洗干凈填充物表面的污垢；然后用抹布沾上DI 水，用刷子將填充物上的生物薄膜從填充物上刮下來；再用一定量的濾紙將其過濾，然后放到105 ℃的烤爐里烘至恒重，冷卻后稱量；最后將烘至恒重的濾紙去掉，就是生物薄膜的質(zhì)量。

2.3 測定生物量方法

以每體積懸浮填充料上的生物膜的質(zhì)量，也就是MLSS(混合液沉淀液)為本反應器中的生物量，并通過稱重方法進行測量。具體做法是：將一定量的填充物用去離子水反復沖洗三遍，沖洗干凈填充物表面的污垢，然后用棉花棒和去離子水用刮刀將填充物上的生物膜刮下來，再用一定量的濾紙將其過濾，放在105 ℃的烤爐中烘干至恒重，冷卻后將其放到干燥器皿中，烘至恒重，將其與濾紙進行對比，得到的結果就是生物膜的重量。

2.4 反應器運行時好氧和過濾區(qū)作用

采用Nexcope，NIB910FL(倒置熒光顯微鏡) 技術測定生物膜表面的厚度情況，并對生物膜進行形態(tài)分析。通過對好氧區(qū)與過濾區(qū)進行放大10～50 倍的顯微觀察，可以看到在好氧區(qū)生物膜較過濾區(qū)要厚實，顆粒更大，聚集更多，這是因為在好氧區(qū)DO 和基質(zhì)條件較好，使得硝化細菌與異養(yǎng)細菌快速繁殖，從而使其形成更厚的生物膜。過濾區(qū)是一種低氧環(huán)境，可獲得的有機質(zhì)相對于好氧區(qū)而言很低，所以過濾區(qū)的生物膜也要薄于好氧區(qū)。此外，還表明在載體中，角部和脊部的膜層厚度顯著厚于載體內(nèi)表面的膜層，這說明載體中的膜層具有更好的耐腐蝕性能。通過對兩個功能區(qū)中生物量和生物層厚度的觀測，可以看出：好氧區(qū)中生物層的平均厚度為263.65 μm±91.47 μm，高于過濾區(qū)(186.68 μm±57.68 μm)1.40 倍。這一結果的出現(xiàn)將確保好氧區(qū)的生化性能穩(wěn)定，并增強其對外界因子的適應性，從而增強其對外界因子的響應。過濾區(qū)中，除原有在缺氧條件下生長的填充劑外，好氧區(qū)中的填充劑也通過自潔過程流化進入過濾區(qū)，這些填充劑具有好氧區(qū)中的一些生化作用。在好氧區(qū)中，有機物沒有完全被處理的情況下，可以對有機物進行二次降解，但其可利用的養(yǎng)分較少，溶解氧濃度偏低，導致了生物膜的生長速度較慢，且比不上好氧區(qū)，生物量和生物膜厚度少于好氧區(qū)。

3 反應器啟動及其運行性能

3.1 反應器啟動及其效果

在啟動反應器時，操作使用的是污水處理廠原有的實際污水流，最初的污水循環(huán)為低負荷，3 h 為空床水力停留時間，系統(tǒng)穩(wěn)定后就可逐漸增加進水負荷。進水達到以下條件：COD 為339.2 mg/L±93.2 mg/L；為46.3 mg/L±12.1 mg/L；TSS 為123.1 mg/L±30.9 mg/L。在啟動自清洗高效生物膜反應器的第10 d，同步上升的COD 和的去除率趨勢明顯，并最后將80%和90%以上的去除率保持，這表明該系統(tǒng)能較好地適應于水質(zhì)波動較大的污水。

3.2 自清洗前后之生物膜特性

在實際應用中，由于90% 以上的填充量使得反應器不能像MBBR 那樣迅速地進行生物膜的更新，使反應器內(nèi)迅速積累大量的微生物，導致了反應器的堵塞。當生物膜的厚度增大時，吸附在載體上的菌體對侵蝕的耐受性增強。在該工藝中，填料在流化床中流動，空氣中的撞擊和流體的剪切作用將顆粒上的微生物和懸浮顆粒清除，只剩下耐撞擊的生物膜。這樣當進行系統(tǒng)的自潔時，可以有效地解決填料的阻塞問題，并將許多的生物膜和被攔截的懸浮物迅速除去，防止因被覆蓋或被攔截的懸浮物太多而引起的底質(zhì)傳遞效率下降，進而引起硝化性能下降的問題。

3.3 自清洗前后污物去除特性

為探討自清洗過程對系統(tǒng)除去污染物性能的影響，科研人員在不同階段進行了7 次自清洗前后系統(tǒng)沿程試驗，考慮到該系統(tǒng)的生化功能以降解有機物和硝化作用為主，故沿程試驗是在填料流化狀態(tài)下(填充率為60%) 連續(xù)曝氣3 h 的狀況下，對自清洗前后微生物比SCOD 降解速率和比硝化速率的變化進行分析。目前，大部分的分析都使用了人工合成廢水來進行實驗，雖然在合成廢水中，NH4+-N 和有機物等主要污染物的含量，與真實的污水相比可能沒有太大的區(qū)別。然而，由于忽略了微量元素、有機物組成及水質(zhì)干擾等對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，對試驗結果的可靠性造成了很大的影響，所以試驗時對各運行階段的實際進水污水進行了直接使用。

在自清洗前后，系統(tǒng)比SCOD 降解速率和比硝化速率的變化，可通過配對t 檢驗，進行關聯(lián)性分析。分析后發(fā)現(xiàn)，平均比SCOD 降解速率由自清洗前的5.6 gSCOD/(m2·d)±2.76 gSCOD/(m2·d)上升，為自清洗后的6.99 gSCOD/(m2·d)±2.64 gSCOD/(m2·d)，平均比硝化速率由自清洗前的0.79上升到了清潔后的利用配對t 檢驗可以得出，比SCOD降解速率為0,055、0.041(p＜0.05)，從而確認了在自清洗后，比SCOD 降解速率和比硝化速率都有明顯的提高。過度生長的生物膜在自清洗過程中被洗出反應器，有效解決料堵塞問題。同時也洗脫了一些已經(jīng)衰亡之生物膜，從充足的空間方面為新生生物膜的生長提供了條件，生物膜的更新?lián)Q代能夠更好地實現(xiàn)，促使載體表面的傳遞效率及營養(yǎng)物質(zhì)的利用率得到了顯著提高，從而使反應速率得到了提高，進一步證明了需要維持系統(tǒng)高效處理能力，自清洗過程不能省略。

好氧區(qū)對COD 的脫除貢獻分別為59.93%±11.22%對的脫除貢獻分別為66.87%±12.89%，對TIN 和TSS 的脫除貢獻分別為31.11%±16.21%，對TSS 和TSS 的脫除貢獻分別為63.89%±15.88%，它們是整個體系的主反應區(qū)，對體系中的大多數(shù)有機質(zhì)降解和硝化和反硝化過程起到了主導作用。過濾區(qū)是副反應區(qū)，除對三類固體廢物進行截流和隔離外，還對其進行了強化生化處理，以確保出水質(zhì)量達到標準。

相對于過濾區(qū)，好氧區(qū)的珍稀物種類更多，生物多樣性也更高。在好氧區(qū)中，變形菌、厚壁菌在過濾區(qū)相對豐富；在過濾區(qū)中，綠彎菌門、放線菌門在其中的含量相對豐富。同時在好氧區(qū)中，變形菌門的數(shù)量則隨氣溫的下降而明顯增多。

4 結語

自清潔型BF 在常規(guī)工況下存在著高填充率和不能流動等問題，無法有效更新BF。而通過系統(tǒng)的循環(huán)自清潔，能夠使 BF 周期更新，從而保持系統(tǒng)的高效率和高穩(wěn)定性，促使污染物去除能力維持在穩(wěn)定的水平。