膜生物反应器处理畜禽养殖废水的启动研究

苟姝贞，向峻伯，苟启明，夏志东，邓仕槐

(1.成都工业职业技术学院，四川 成都，610218；2.成都市计量检定测试院，四川 成都，610021；3.四川农业大学，成都 温江 611130)

膜生物反应器处理畜禽养殖废水的启动研究

苟姝贞1，向峻伯1，苟启明2，夏志东1，邓仕槐3

(1.成都工业职业技术学院，四川 成都，610218；2.成都市计量检定测试院，四川 成都，610021；3.四川农业大学，成都 温江 611130)

本文采用雅安市名山县酒厂污水处理站的活性污泥和四川农业大学教学科研园区畜禽养殖废水，进行了膜生物反应器(MBR)处理畜禽养殖废水的启动试验。活性污泥驯化是MBR启动的关键，在进水pH一定下，测定不同进水浓度时MBR对CODcr、氨氮的去除率。16d的污泥驯化后，CODcr和氨氮的去除率分别达到了96%和93%，膜生物反应器启动成功。

膜生物反应器；启动；活性污泥驯化

1 前言

膜分离与生物处理相结合的工艺称为膜生物反应器工艺(membrane bioreactor ,MBR)。它用膜取代了传统的二沉池，具有出水稳定、活性污泥浓度高、抗冲击负荷能力强、泥龄长、剩余污泥量少、装置结构紧凑、占地少等优点，在污水处理及回用方面有着广阔的应用前景[1-3]。畜禽废水具备有机物、悬浮物和氨氮浓度高的显著特点，其可生化性较好[5-6]，采用厌氧-好氧联合处理工艺是目前公认的最经济方法。而膜生物反应器作为一种新型的生物化学反应系统[7]，结合了滤膜与活性污泥的双重优点，既能高效的去除畜禽废水中的有机物，又能有效的降低畜禽废水中氮、磷的浓度，对于提高畜禽废水处理效果、节约资源具有重要的意义。

本试验研究了畜禽养殖废水运用膜生物反应器处理的启动过程。在其启动过程中，活性污泥的培养与驯化是活性污泥法实验和生产运行的第一步，也是至关重要的一步。通过培养，使微生物数量增加，达到一定的污泥浓度。驯化则是对混合微生物群进行淘汰和诱导，不能适应环境条件和所处理废水特性的微生物被抑制，具有分解废水有机物的微生物得到发育，并诱导出能利用废水有机物的酶体系[8]。要求在驯化阶段后期，若在畜禽废水进水氨氮浓度为100mg/L、CODcr为2000mg/L时，污泥也能以很高的速率完成硝化反应，并且氨氮去除率能达到90%以上，CODcr的去除率也能达到95%以上，则表明启动完成。

2 材料与方法

2.1 材料

供试验水样取自四川农业大学教学科研园区校污水处理站气浮塔后的废水。废水主要由校畜禽养殖场(鸡、鸭、鹅、牛、猪、羊)粪便、尿液和圈的冲洗水组成，其特点是高悬浮物，高有机物和高氨氮。其水质基本状况见表1。

2.2 实验装置

本试验采用的是一体式膜生物反应器(图1)。一体式MBR是将膜组件直接放入生物反应器内，一般靠水头压差或真空泵抽吸以获得膜分离所需要的压力差[9-10]。其主要设备如下：

2.2.1 膜生物反应器 尺寸为：0.8m×0.22m×0.6m，反应器体积105.6L。

2.2.2 中空纤维膜组件 采用聚偏氟乙烯 (PVDF)

表1 进水水质各主要指标

注：供实验用的活性污泥取自名山酒厂的污水处理站，其活性较好。

中空纤维微滤膜。膜孔径0.1～0.2μm。

2.2.3 控制系统 由3个阀门分别控制爆气、进水和出水量。

2.2.4 计量系统 液位控制器和出水流量计L.ZB玻璃转子流量计。

2.2.5 其它设备 有进水泵、进出水阀、空气泵、出水泵、进水箱、出水箱等。

图1 一体式MBR实验装置示意图

2.3 实验方法

2.3.1 清水实验 在实验前测试膜比通量(膜比通量是指单位操作压力单位时间以及单位膜面积透过溶剂的量，是反映膜性能的重要参数)，并测出水通量与操作压力之间的关系。根据相关文献选定出水通量和操作压力[11-12]，确定启动方案。

2.3.2 反应器的启动 试验所用的接种污泥取自雅安市名山县酒厂污水处理站。启动阶段，由于污泥活性较好，本实验在污泥培养阶段为了使污泥迅速驯化和增殖，在系统的启动阶段不进行排泥，接种污泥量约占反应器体积的20%。反应器启动采用连续进水方式，第1天先连续闷曝24h，其后每12h作为1个周期。曝气11h后换水，换水量为反应器容积的70%～80%。进水将畜禽废水稀释至CODcr约500mg/L，污泥容积负荷为0.5kgCOD/(m3·d)，当CODcr的去除率大于80%时逐渐提升负荷[增幅为0.25～0.5kgCOD/(m3·d)]，每次负荷变化后稳定运行1d后再测定各参数。驯化阶段后期，若在畜禽废水进水氨氮浓度为150mg/L、CODcr为2000mg/L时，污泥也能以很高的速率完成硝化反应，并且氨氮去除率达到90%以上，CODcr的去除率也达到了95%以上，则表明驯化基本成功。

2.4 分析项目与方法

2.4.1 实验分析方法 本实验采用国家环保局编写的《水和废水监测分析方法》一书中规定的方法进行分析侧定[13]。日常分析测定的项目包括进出水和反应器上清液的CODcr、氨氮、TN、TP、DO等，具体分析项目和方法见表2。

2.4.2 数据分析方法 采用Excel进行原始数据的处理，采用Origin 8软件进行分析。

表2 监测分析项目及方法

3 结果与讨论

3.1 系统启动初期

污泥取回后立即投入膜生物反应器，投加量为反应器有效容积的20%，随即注入清水充满反应器。第1天，常温下闷曝24h，其后每12h作为1个周期。曝气11h后换水，进水将畜禽废水稀释至CODcr约500mg/L，污泥容积负荷为0.5kgCOD/(m3·d)，换水量为反应器容积的70%～80%，促使菌种恢复活性，并逐步适应进水的水质状况。

由于驯化才刚刚开始，构成活性污泥的好氧微生物(包括细菌、真菌、原生动物和后生动物)数量增加有限，还未达到一定的污泥浓度；且混合微生物群进行优胜劣汰和诱导的工作正在进行中，不能适应环境条件和所处理废水特性的微生物未被完全抑制，具有分解废水有机物的微生物还未得到充分发育[14]，导致对有机物等的去除率比较低。但是在保持反应器进水CODcr浓度仍为500mg/L，容积负荷仍为0.5kgCOD/(m3·d)的条件下，经过5d的运行后，CODcr的去除率从79.69%增加到86.39%，达到了预期目的。按照常理启动初期历时比较长，但是所使用的活性污泥来自雅安市名山县酒厂污水处理站ABR池中，具有污泥活性强、培养驯化迅速、系统启动快的优点，所以启动初期总共只用去了5d。

3.2 系统启动中期

本试验采用低负荷高去除率的启动方式。进水采用稀释后CODcr浓度为500mg/L的畜禽养殖废水，反应器容积负荷按增幅为0.25～0.5 kgCOD/(m3·d)逐渐提升，每次负荷变化后稳定运行1d再测定各参数。根据本阶段的试验数据，现将CODcr的去除率与容积负荷的关系绘制于图2。

图2 启动中期容积负荷与CODcr去除率的关系

由于进水水质和容积负荷相对污泥活性恢复期均有较大的提高，反应器在改变进水容积负荷初始期(1～4d)表现出明显的不适应，CODcr去除率逐渐减小，出现出水水质恶化。特别是启动中期的第4天，CODcr的去除率降到全程最低，为89.55%。此情况下，使反应器内部pH值维持在6.9～7.1的水平，营造利于厌氧微生物生长的环境，随着厌氧微生物的生长繁殖，反应器处理能力逐步提升，CODcr的去除率由89.55%回升到96.70%。进入系统启动后期阶段。

3.3 系统启动后期

在此阶段，畜禽废水进水水质指标发生变化，氨氮浓度为150mg/L、COD为2000mg/L，测定各参数，根据本阶段的试验数据，现将氨氮、CODcr的去除率绘制于图3。

图3 启动后期氨氮与CODcr的去除率

启动后期，污泥浓度已达到要求，优胜劣汰的工作完毕，并诱导出能利用废水有机物的酶体系，从而氨氮和CODcr的去除率得以大幅度的提高。更为重要的是，试验所使用的活性污泥来自于雅安市名山县酒厂污水处理站，活性良好，促使系统启动快，整个启动过程仅用去了16d(启动初期5d，中期6d，后期5d)。所以，此活性污泥也能以很高的速率完成硝化反应，使氨氮的去除率达到93%以上，并且系统对CODcr的去除率也达到了96%以上，表明驯化基本成功，可认为膜生物反应器处理畜禽养殖废水的启动实验成功[15]。

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[15] 顾国维, 何义亮. 膜生物反应器在污水处理中的研究与应用[M]. 北京： 化学工业出版社, 2002：316-321.

2017-10-30

苟姝贞(1986-)，女,从事环境污染治理相关研究工作。E-mail:shuzhen0827@163.com。