生物膜厌氧折流板反应器处理高盐有机废水研究

伊学农，夏翰生，王 晨，曹 锐

（上海理工大学，上海 200093）

目前，榨菜废水处理生产性调试面临的耐盐微生物驯化程度有限、厌氧工艺难启动易酸化、耐盐菌对盐度变化敏感、生物降解速率受盐度影响明显等问题[1～2]，一直是制约该类废水处理的瓶颈。

厌氧折流板反应器（ABR）具有微生物相分离、结构设计单、低水头高容效等特征[3]。ABR 反应器作为第三代厌氧生物处理反应器，实现了分阶段多相厌氧工艺（SMPA）的思想[4]，其独特的分格室结构及推流态使得每个反应格室可以驯化出环境条件相适应的微生物群落，进而导致产酸相和产甲烷相沿程得到分离，使其在整体性能上相当于一个两相厌氧处理系统。生物相分离的特性使其抗冲击负荷能力、处理效能及运行稳定而性显著提高，可以应用于处理各种有机废水，特别是复杂、难降解的有机废水[5-9]。

生物膜厌氧折流板反应器（MABR）是新型水处理专利技术，在两相分离厌氧的基础上增设了生物膜填料，极大增加了生物膜接触面积，提高了厌氧生物处理效率。因此，选用MABR 反应器作为榨菜废水处理工艺，并研究其中试调试运行过程，具有显著的代表性和应用价值。

1 材料与方法

1.1 研究装置

该中试实验MABR 工艺设计如图1所示，反应器总有效体积为110.7m3，分为五个反应格室A1、A2、A3、A4和A5。反应器每个格室采用生物膜组合填料，底部设置排泥及污泥回流系统。

图1 MABR工艺示意图

1.2 进水和接种污泥

经水解调节池调节水质水量后，高盐榨菜废水设计进水规 模 为50m3/d，COD 为3500～4500mg/L，均 值4000mg/L，盐度为1.0%（以NaCl），pH 值为5.1～5.3。

接种的污泥取自当地城镇污水厂的脱水污泥进行污泥驯化，培养耐盐菌。在驯化开始阶段，首先向MABR 分别投加污泥6t，此时控制进水盐度为0.40%、进水量为30m3/d；接种污泥后，MABR 静置2d。以盐度0.15%、水量5m3/d 为进水梯度，平均每周提升一次进水梯度，逐渐培养出耐盐微生物。

在污泥驯化期间，进水盐度为1.0%、进水量为50m3/d、各池各指标均正常、MABR 反应器去除率达到50%、系统出水清澈并且运行稳定时，可以认为耐盐污泥的驯化完成，然后进入试运行阶段。

1.3 实验方案

研究运行共分为3 个阶段，各阶段的运行参数见表1所示，每个运行工况均在系统稳定运行后进行取样分析。

表1 试验过程及参数控制

1.4 分析测定方法

水样经过0.45μm 中性滤纸过滤，以去除悬浮物的影响，水样按照标准方法测定COD、氨氮、总磷、盐度等[10]。实验中检测项目及其分析方法详见表2。

表2 检测项目分析方法Table 2 Test items and analytical methods of water quality

2 结果与讨论

2.1 MABR在污泥稳定阶段的VFAs变化特征

本实验通过检测挥发性脂肪酸（VFAs）的变化反映了厌氧生物处理系统中微生物菌群的代谢活性的改变。如图2所示，在整个MABR 稳定阶段的初期，VFAs 在A2的总量始终高于A1，而A3、A4 和A5 则逐级下降。在整个稳定阶段，A2 的VFAs 高达2405mg/L，说明前两格室产酸发酵菌群代谢活性较高。A3、A4 和A5 的VFAs 下降非常有限，A4 的VFAs 仍高达1625mg/L，A5的VFAs 高达1513mg/L，说明在A4、A5中消耗的产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的代谢活性较低。分析认为，主要原因是后两格室的pH 较低，达不到产氢产乙酸菌和产甲烷菌适宜的范围（6.8～7.2），使得产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群消耗VFAs 的能力受到了严重抑制。

在稳定阶段的后期，MABR 前两格室VFAs 在整个稳定阶段有所上升，但A3、A4和A5中VFAs 却大幅下降，由A2的2296mg/L 下降到A5的347mg/L。出水COD 为1146mg/L，去除率最终稳定在了71.2%。说明在MABR 系统的稳定阶段，严格控制pH 和VFA/ALK 比值在0.3之下，把pH 控制在6.8～7.2之间，能够显著降低VFAs 的残余量，提高后两个格室中产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的代谢活性，从而提升系统的运行效能。

图2 反应器污泥稳定期VFAs的变化

2.2 MABR在效能提高阶段的VFAs变化特征

在效能提高阶段，采用内回流的的方式，研究MABR 对高盐有机废水的处理效果。把效能提高阶段分为3个10d 的周期，从A5 回流混合液到A1，回流比分别设置为20%、40%和60%。其中进水COD、温度和HRT 不变，pH 保持在7.2左右。

图3（a）为MABR 在不同梯度回流比条件下的VFAs的变化特征。可以看出，在第1和第2个10d 周期运行期间，VFAs 在的MABR 前两格室呈现逐渐递增的趋势，A2 中的VFAs 始终高于A1，而在后三个格室，VFAs 则小幅度下降稳定。相比于第1个周期，第2个周期后三格室的VFAs 有明显下降，A5出水VFAs 最低为198mg/L。这一现象表明，在MABR 中，产酸相和产甲烷相沿程得以分离，前两个格室为产酸发酵功能格室，而后三个格室为产甲烷功能格室。

随着回流比由20%增加到40%和60%，前两格室中的VFAs 显著升高，在A2 中，VFAs 由第1 周期的2410mg/L，上升到第2周期的2586mg/L 和第3周期的2754mg/L，表明回流比的提高刺激了产酸发酵菌群的生长，并且由于生物相分离，使产酸发酵菌群可以在其适宜的温度和pH 值环境中保持较高的代谢活性。产酸发酵功能格室中的产酸发酵菌群能够及时完成对大分子有机污染物水解发酵。

相较于第1和第2个周期，回流比为60%的第3周期出现了后三格室VFAs 小幅度增加的情况，出水VFAs 残余量为326mg/L。这一现象说明，高回流比使整个系统的VFAs 都相继增高，特别是后三个格室增高，增加的出水VFAs 残余量，不是最优工况。故在回流比为40%的情况下，出水VFAs 能达到198mg/L 的最优工况。

2.3 MABR在效能提高阶段的COD变化特征

在回流比分别为20%、40%和60%的3 个周期内，出水COD 出现了小幅度变化。如图3（b）所示，在第1 个周期内，出水COD 稳定并达到1017mg/L；在第2个周期内，出水COD 稳定并达到872mg/L；在第3个周期内，出水COD 稳定并达到1026mg/L。表明由于生物相的分离使得MABR 反应器具有良好的抗负荷冲击能力和污染物去除效能。故最佳工况回流比为40%，在高盐有机废水的复杂情况下，MABR 反应器出水COD 稳定在872mg/L，COD 去除率达到78%。

3 结论

1）采用高盐榨菜腌渍有机废水为研究对象，考察了生物膜厌氧折流板反应器（MABR）在实际应用的可行性。在设计构筑物MABR 中，进水COD 为3500～4500mg/L，有机负荷率为1.80kg/（m3·d），HRT 为53h，在厌氧混合液回流比为40%的情况下，取得了78%左右的COD 去除率。

2）在MABR 中，VFAs 在总量的变化深刻影响厌氧生物处理系统稳定运行和COD 去除率的变化。在MABR 中，A1的VFAs 小于A2，A1 和A2 的VFAs 越高表示产酸发酵菌群有较高的代谢活性，后三个格室VFAs 逐渐下降，最后的出水VFAs 残余量与出水COD 正相关。本次试验中出水VFAs 最低达到198mg/L，出水COD 达到872mg/L。

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