低溫下A/MBBR反應(yīng)器快速啟動(dòng)的工藝參數(shù)

董進(jìn)波,王帆, 阿瓊,解清杰,韓松

(1. 鎮(zhèn)江市水業(yè)有限責(zé)任公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212001;2. 江蘇滿(mǎn)江春城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212008;3. 江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013;4. 西藏自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,西藏 拉薩 850000)

中國(guó)高寒缺氧地區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧、西藏、甘肅西南部、四川西部、新疆南部在內(nèi)的大片區(qū)域,因其惡劣的自然條件、較為落后的經(jīng)濟(jì)水平和薄弱的人才儲(chǔ)備,農(nóng)村生活污水無(wú)法充分收集并處理[1],已經(jīng)成為農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)的短板.

在這些地區(qū),因受低溫和缺氧的影響,污泥膨脹[2]、曝氣能耗大而效果差[3]、處理效果差[4]等問(wèn)題限制了傳統(tǒng)水處理工藝在高寒缺氧地區(qū)農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用.移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(moving-bed biofilm reactor,MBBR)兼顧了生物膜法和活性污泥法的優(yōu)點(diǎn)[5-6],因此能夠提高污水處理廠低溫下對(duì)污染物的去除效果[7],而其以厭氧狀態(tài)運(yùn)行則能兼顧處理效果和處理能耗,較為切合高寒缺氧地區(qū)農(nóng)村生活污水處理的需求,具有廣闊的應(yīng)用前景.然而,8～12 ℃下生物膜反應(yīng)器較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間阻礙了厭氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(anaerobic moving-bed biofilm reactor, A/MBBR)工藝在高寒缺氧地區(qū)的廣泛應(yīng)用.填料[8-9]和運(yùn)行參數(shù)[10]是影響其啟動(dòng)時(shí)間的主要因素,但現(xiàn)有研究?jī)H僅從污染物去除率的角度選擇工藝參數(shù),未能考察生物膜參數(shù)的變化,也就無(wú)法真正探究工藝參數(shù)影響A/MBBR反應(yīng)器啟動(dòng)的機(jī)理.文中研究結(jié)合該地區(qū)污水水質(zhì),在最優(yōu)填料的基礎(chǔ)下[11],通過(guò)考察污染物去除率、生物膜生長(zhǎng)速率和比呼吸速率,研究填充率、回流比和水力停留時(shí)間(hydraulic retention time, HRT)對(duì)A/MBBR反應(yīng)器啟動(dòng)的影響,并制定A/MBBR反應(yīng)器低溫快速啟動(dòng)的工藝參數(shù)策略,掃除其在高寒缺氧地區(qū)應(yīng)用的技術(shù)障礙,對(duì)于提升農(nóng)村生活污水處理水平,改善農(nóng)村生活環(huán)境質(zhì)量,提高農(nóng)民生活水平都具有重要意義.

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

圖1為A/MBBR反應(yīng)器示意圖.

圖1 A/MBBR反應(yīng)器示意圖

圖2為圖1所示A/MBBR反應(yīng)器在0～238 d運(yùn)行時(shí)生物膜揮發(fā)性固體質(zhì)量濃度變化曲線,以反應(yīng)器內(nèi)生物膜質(zhì)量濃度保持在范圍內(nèi)為啟動(dòng)完畢的標(biāo)志,A/MBBR反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí)間約為168 d;圖中MLVSS為生物膜揮發(fā)性固體質(zhì)量濃度,t為天數(shù).

圖2 A/MBBR反應(yīng)器內(nèi)MLVSS變化

在圖1所示A/MBBR反應(yīng)器的啟動(dòng)期間,從中取出正在掛膜的K3填料,放入放置于恒溫培養(yǎng)箱中的試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行影響因素試驗(yàn).試驗(yàn)平臺(tái)由磁力攪拌器、藍(lán)口瓶組成,恒溫培養(yǎng)箱設(shè)置溫度為12 ℃,磁力攪拌器設(shè)置轉(zhuǎn)速約為300 r/min,間歇進(jìn)出水,初始周期為12 h,回流比為0.之后根據(jù)試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的參數(shù)水平進(jìn)行調(diào)整,均以上次試驗(yàn)得出的最佳運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)繼續(xù)試驗(yàn).

試驗(yàn)平臺(tái)每隔24 h測(cè)定一次水質(zhì)參數(shù),每隔7 d測(cè)定一次生物膜參數(shù)和比呼吸速率,每次試驗(yàn)21 d,生物膜比呼吸速率測(cè)定方法、生物膜質(zhì)量測(cè)定方法和水質(zhì)參數(shù)測(cè)定方法同文獻(xiàn)[11].

啟動(dòng)階段采用稀釋后的實(shí)際生活廢水進(jìn)行連續(xù)自然掛膜,生活廢水取自江蘇大學(xué)東山操場(chǎng)東側(cè)污水井,主要為食堂和學(xué)生宿舍生活廢水.對(duì)照西藏拉薩市典型農(nóng)村生活廢水水質(zhì)[12],對(duì)生活廢水的化學(xué)需氧量和總磷進(jìn)行稀釋,并投加氯化銨補(bǔ)充N(xiāo)H3-H,具體水質(zhì)范圍見(jiàn)表1.表中ρ為污染物質(zhì)量濃度;CODcr為采用重鉻酸鉀法測(cè)得的化學(xué)需氧量,TN為總氮,TP為總磷,DO為溶解氧.

表1 水質(zhì)表

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 填充率對(duì)低溫A/MBBR啟動(dòng)的影響

對(duì)于移動(dòng)床而言,填充率rf決定了反應(yīng)器內(nèi)填料流化的難易程度和流化效果.填充率直接影響了污染物的去除率re、填料成本投入和動(dòng)力成本.

圖3為不同填充率rf下反應(yīng)器對(duì)污染物去除效果的試驗(yàn)結(jié)果.

圖3 不同填充率下反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果

結(jié)果表明A/MBBR反應(yīng)器在低溫下對(duì)污染物的去除效果與填充率密切相關(guān).在試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行期間,填充率為20%的反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果最差,填充率60%下效果最好,而填充率為40%的反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果介于兩者之間.試驗(yàn)初期,降低填料的填充率明顯削弱了反應(yīng)器對(duì)污染物去除效果,這既是因?yàn)闇p少填料數(shù)量的同時(shí)降低了反應(yīng)器內(nèi)微生物的數(shù)量,也反映了生物膜有機(jī)負(fù)荷的提高,因此微生物需要適應(yīng)負(fù)荷變化.試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行期間,填充率為20%的反應(yīng)器適應(yīng)有機(jī)負(fù)荷變化所需的時(shí)間最長(zhǎng),反應(yīng)器出水波動(dòng)更為劇烈,抗水質(zhì)沖擊能力更差.

圖4為不同填充率rf下反應(yīng)器生物量變化和比呼吸速率的試驗(yàn)結(jié)果.圖中m為單個(gè)填料上生物膜固體質(zhì)量,ρf為整個(gè)反應(yīng)器的生物膜質(zhì)量濃度,c為比呼吸速率(即單位時(shí)間單位質(zhì)量的生物膜揮發(fā)性固體產(chǎn)氣量).結(jié)果表明單個(gè)填料上的生物膜質(zhì)量、生物膜增長(zhǎng)速率以及比呼吸速率均與填充率密切相關(guān).試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),3個(gè)反應(yīng)器的單個(gè)填料上的污泥質(zhì)量相同,此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的生物膜固體質(zhì)量濃度差異只與填料數(shù)量有關(guān).

圖4 不同填充率下的生物量和比呼吸速率

試驗(yàn)結(jié)束時(shí),填充率為20%的反應(yīng)器單個(gè)填料上生物膜固體質(zhì)量和揮發(fā)性固體質(zhì)量均最高,生物膜質(zhì)量的平均生長(zhǎng)速率最高;而填充率40%和60%下生物膜固體質(zhì)量相差不大,但填充率40%下填料上揮發(fā)性固體質(zhì)量更高.反應(yīng)器內(nèi)的生物膜固體質(zhì)量濃度與填料數(shù)量有關(guān),而填充率越大,則反應(yīng)器內(nèi)的填料數(shù)量越多,總生物膜量越高.

總比呼吸速率一定程度上代表了微生物的生物活性和處理有機(jī)物的能力.在填充率20%下,生物膜的總比呼吸速率最高,填充率60%下最低.內(nèi)源比呼吸速率一定程度上代表了生物膜中衰亡生物的數(shù)量,過(guò)高不利于污染物的去除,但有利于剩余污泥的減量化[13].微生物填充率20%下的內(nèi)源比呼吸速率最低,填充率60%下內(nèi)源比呼吸速率最高.試驗(yàn)結(jié)果證明,較低的有機(jī)負(fù)荷不利于微生物的生理活動(dòng),高填充率時(shí),微生物內(nèi)源比呼吸速率較高,而較低的填充率下,微生物可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足,微生物活性更強(qiáng).

2.2 回流比對(duì)低溫A/MBBR啟動(dòng)的影響

圖5為不同回流比rb下反應(yīng)器對(duì)CODcr去除效果的研究結(jié)果.

圖5 不同回流比下的污染物去除率

由圖5可知,回流比直接影響了反應(yīng)器進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度.在反應(yīng)器運(yùn)行期間,回流比較大的反應(yīng)器對(duì)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應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果[14];但回流比超過(guò)20%后,效果不佳.

為了探究出水回流影響CODcr去除率的本質(zhì)原因,對(duì)新鮮污水和回流比rb為0下出水BOD5進(jìn)行了研究,結(jié)果見(jiàn)表2,其中BOD5指五日生化需氧量,T為取樣時(shí)間,B/C為ρ(BOD5)/ρ(CODcr).

表2 原始污水與回流比0的出水可生化性比較

由進(jìn)出水B/C的變化可知,由于原始污水來(lái)自食堂和宿舍廢水,污水的可生化性較高,B/C均大于0.5,屬于易生化的污水,但原始污水中的食物殘?jiān)⑹卟斯５?這些不溶性的微小有機(jī)物相較于溶解性的有機(jī)物而言,需要更長(zhǎng)的時(shí)間降解,而厭氧微生物能將這些不溶性有機(jī)物水解為簡(jiǎn)單有機(jī)物[15],因此對(duì)A/MBBR反應(yīng)器的啟動(dòng)具有一定促進(jìn)作用.

圖6為不同回流比下微生物膜的變化情況.

圖6 不同回流比下的生物量和比呼吸速率

試驗(yàn)結(jié)果表明,出水回流增加了反應(yīng)器進(jìn)水的可生化性,從而抵消了一部分因降低反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷帶來(lái)的不利影響,回流比20%下,生物膜質(zhì)量濃度和增殖速度均接近或者超過(guò)無(wú)回流下的反應(yīng)器,但回流比40%下,生物膜質(zhì)量濃度和生長(zhǎng)速度均低于其他反應(yīng)器.在試驗(yàn)期間,回流比0和20%的反應(yīng)器總體較為穩(wěn)定,而回流比40%下的反應(yīng)器總比呼吸速率卻持續(xù)下降,說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)生物膜活性受到明顯抑制,這一點(diǎn)從不同回流比下,內(nèi)源比呼吸速率的變化也可以看出.反應(yīng)器生物膜內(nèi)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%下介于兩者之間,說(shuō)明回流比提升到20%時(shí),回流比帶來(lái)的有利影響超過(guò)不利影響,生存環(huán)境有利于微生物的生存;當(dāng)回流比提升至40%時(shí),回流比帶來(lái)的不利影響更大,環(huán)境不利于微生物的生存.

2.3 HRT對(duì)低溫厭氧生物膜啟動(dòng)影響

文中研究采用間歇進(jìn)水模式,換水間隔即為水力停留時(shí)間,則3組反應(yīng)器中水力停留時(shí)間HRT分別為8,12和24 h.由于厭氧反應(yīng)器對(duì)有機(jī)污染物的去除需要經(jīng)過(guò)溶解、水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)氣等幾個(gè)階段,如果水力停留時(shí)間無(wú)法滿(mǎn)足微生物生理活動(dòng)需求,則不僅對(duì)污染物的去除效果變差,產(chǎn)氣微生物的活性也可能受到抑制.

圖7為不同水力停留時(shí)間下A/MBBR反應(yīng)器在低溫下對(duì)污染物的去除效果對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果表明,低溫下A/MBBR反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果受到水力停留時(shí)間的影響.較長(zhǎng)HRT下,A/MBBR反應(yīng)器對(duì)污染物的去除率明顯上升,HRT為8 h的反應(yīng)器對(duì)CODcr,NH3-H和TP的去除率最低;當(dāng)HRT增長(zhǎng)至12 h后,反應(yīng)器對(duì)CODcr,NH3-H和TP的去除率均有提升,而HRT為24 h的反應(yīng)器對(duì)污染物的去除率最高.HRT的變化對(duì)CODcr去除率的影響并不是線性的,對(duì)不同污染物的影響程度也不同,HRT從8 h提升至12 h后, 時(shí)間增長(zhǎng)了50%,CODcr去除率增長(zhǎng)10%,NH3-H去除率增長(zhǎng)約1倍,TP去除率增長(zhǎng)2%,而HRT從12 h提升到24 h,時(shí)間增長(zhǎng)1倍,污染物的去除率提升卻不明顯,甚至有所下降.

圖7 不同水力停留時(shí)間下污染物去除率

2.4 水力停留時(shí)間對(duì)生物膜增殖的影響

圖8為A/MBBR反應(yīng)器在不同停留時(shí)間下處理低溫生活廢水時(shí)生物膜質(zhì)量和比呼吸速率的對(duì)比.

圖8 不同水力停留時(shí)間下的生物量和比呼吸速率

試驗(yàn)結(jié)果表明,水力停留時(shí)間較為顯著地影響了A/MBBR反應(yīng)器的生物膜質(zhì)量濃度和生物活性.試驗(yàn)結(jié)束時(shí),HRT為8 h的反應(yīng)器生物膜量和生長(zhǎng)速度均為3個(gè)反應(yīng)器中最大;HRT為24 h的反應(yīng)器生物膜質(zhì)量濃度和生長(zhǎng)速度最小,且隨著反應(yīng)進(jìn)行,該HRT下反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性生物膜質(zhì)量濃度反而下降,生物膜有所脫落.HRT為12 h的反應(yīng)器生物膜量和生長(zhǎng)速度介于兩者之間.

水力停留時(shí)間與微生物總比呼吸速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,與內(nèi)源比呼吸速率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系.HRT為8 h下生物膜活性最高,HRT提升至12 h后,總比呼吸速率下降至31 mg/(g·h)左右,而HRT提升至24 h后,生物膜活性為三者最低,總比呼吸速率下降至25 mg/(g·h)左右;與此同時(shí),提高HRT導(dǎo)致內(nèi)源比呼吸速率升高,這說(shuō)明低HRT下,生物膜活性更強(qiáng).

HRT為8 h時(shí),微生物增殖速率最快、活性最高,為反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)的最佳停留時(shí)間;當(dāng)反應(yīng)器完成啟動(dòng)時(shí),為了保證反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果,應(yīng)當(dāng)提升HRT至12 h.

3 結(jié) 論

通過(guò)研究不同水平的工藝參數(shù)對(duì)A/MBBR反應(yīng)器的啟動(dòng),明確了填充率、回流比和HRT通過(guò)影響生物膜總量、生物膜活性、生物膜揮發(fā)性組份比例,從而影響A/MBBR反應(yīng)器的啟動(dòng),同時(shí)得到了A/MBBR反應(yīng)器在處理高寒缺氧地區(qū)農(nóng)村生活廢水時(shí),快速啟動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)策略:HRT保持在8 h,填充率為40%,將20%的出水回流至反應(yīng)器,待出水可生化性下降后停止回流,并當(dāng)反應(yīng)器啟動(dòng)完畢后提升HRT至12 h.與圖2代表的反應(yīng)器運(yùn)行條件相比,在相同進(jìn)水條件下,通過(guò)比較生物膜平均生長(zhǎng)速度,預(yù)計(jì)可節(jié)省23%的啟動(dòng)時(shí)間.

較好地揭示了A/MBBR反應(yīng)器啟動(dòng)的實(shí)質(zhì),但缺少對(duì)其機(jī)理的數(shù)學(xué)化闡述,應(yīng)通過(guò)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、增殖動(dòng)力學(xué)等方程進(jìn)一步研究生物膜反應(yīng)器的啟動(dòng)機(jī)理.