不同载体MBBR系统对印染废水处理效果研究

＊朱尚明 杜长铃 李志文 刘佳伟 郑钰铭

（1.中电建铁路建设投资集团公司 北京 100070 2.西安理工大学 水利水电学院 陕西 710048）

1.引言

印染废水是一种有机物组成复杂、碱性较强、色度深、TOC和COD含量高,可生化性差较难处理的工业废水[1-3]。伴随着国家经济的飞速发展，中国的印染工业也进入了高速发展期，在生产过程、设备等方面都有了很大的进步[4-5]，同时人们对生活环境质量的要求不断提高[3]。因此，需要对污水进行持续的改造和提升，在保证处理效果的前提下，降低处理费用[6]。与此同时，目前的印染污水处理系统普遍存在着以下问题：预处理阶段所需投药量大，污泥处理成本高[7]。利用生物处理技术分解印染废水中剩余的难降解有机物，可以实现印染废水的高效处理，保证出水水质良好，并且可以降低成本[8]。

在MBBR装置上，填料选择特别关键，填料具有机械强度高、耐磨耐腐蚀、密度稍小于水，挂膜后可以悬浮于水中，以及比表面积大、表面粗糙、利于微生物附着和繁殖等特点[9-10]。所采用的悬浮载体一般有聚乙烯、聚丙烯和聚氨酯，本实验采用聚乙烯材料和聚氨酯材料进行对比。

构建两组厌氧-好氧移动床生物膜反应器，每组反应器由厌氧单元和好氧单元组成。一组采用聚氨酯填料，另一组采用聚乙烯填料。对两种填料反应器厌氧单元、好氧单元中COD、NH4+-N、TP的去除效率进行监测，包括色度去除率、水解酸化前后可生化性变化以及生物膜的微观表征进行对比，验证MBBR反应器的实际处理效果。探索减少污水厂后续深度处理工艺建设成本与运行成本的可行性，为水质的监测和综合评价提供科学依据。

2.实验装置与方法

(1)实验装置

本实验用的是移动床生物膜反应器，工艺流程如图1所示，其中厌氧反应器高为1000mm，内径为200mm，有效容积约为25.3L；好氧反应器高为700mm，内径为250mm，有效容积约为24.5L。各阶段运行时间分别为：厌氧单元搅拌11.5h、换水0.5h；好氧单元曝气10h、停曝1.5h、换水0.5h，曝气量为150～200L/h，曝气阶段溶解氧控制在4mg/L左右，停止曝气后在1～2mg/L。曝气系统分别由空压机、阀门、气管、气体流量计、稳压腔以及曝气盘（曝气孔间距10mm，孔径0.75mm）组成。试验用填充率为40%的聚氨酯和聚乙烯填料，如图1所示，填料特性见表1所示。

(2)反应器的启动

好氧反应器进水参考国内典型城市生活污水的水质指标进行配水。在实验室中，葡萄糖作为碳源、氯化铵作为氮源以及磷酸二氢钾作为磷源，添加一些微量元素，保证微生物的正常生长。启动阶段及稳定运行阶段进水水质浓度见表2。

厌氧反应器采用好氧预挂膜法，首先将接种污泥添加到反应器中，在闷曝48h后，按照好氧单元的进水的比例，开始连续进模拟生活污水。挂膜后，开始了厌氧型生物膜的适应过程。关掉曝气，打开搅拌机，降低培养基浓度，并逐步添加染色废水。10%的量减少生活污水，10%的量增加模拟印染废水。保持反应器内DO在0～2mg/L。启动阶段模拟印染废水水质如表3所示。反应器COD的进水浓度初期为1500mg/L左右，根据实际污水厂调研结果，最终降为900mg/L左右；NH4+-N的进水浓度为30mg/L左右；TP的进水浓度为5mg/L左右。

表3 模拟印染废水成分表

(3)分析方法

水体CODCr、NH4+-N及TP测定具体方法参照《地表水环境质量标准》（GB 388—2002）推荐的方进行[11]。

(4)扫描电镜(SEM)的样品预处理及分析方法

各类填料上附着生物膜的微观形貌采用JEM-1011型（日本电子株式会社）扫描电镜进行分析[12-13]。

3.结果与讨论

(1)MBBR系统对印染废水处理效果

①COD处理效果分析

图2是不同填料的MBBR反应器，在好氧和厌氧环境下对COD的去除效果。取厌氧单元中搅拌结束和好氧单元停止曝气后的水样进行检测，检测结果显示在多孔聚氨酯泡沫填料厌氧反应器、好氧反应器COD去除率分别为6.40%和28.50%，聚乙烯填料厌氧反应器、好氧反应器COD去除率分别为10.34%和32.17%。可以看出以聚乙烯为填料的MBBR系统，其对水体中COD的去除能力优于聚氨酯泡沫填料系统。

②可生化性分析

图3是不同填料的MBBR反应器在好氧和厌氧环境条件下，水体可生化性变化情况。取厌氧单元中搅拌结束和好氧单元停止曝气后的水样进行检测，检测结果显示在多孔聚氨酯泡沫填料厌氧反应器进水B/C为0.16，出水B/C为0.30，聚乙烯填料厌氧反应器进水B/C为0.15，出水B/C为0.33。可以看出以聚乙烯为填料的MBBR系统，提高水体可生化性的能力优于聚氨酯泡沫填料系统。

图3 厌氧反应器对模拟废水可生化性的影响

③脱色效果分析

图4是不同填料的MBBR反应器在好氧和厌氧条件下对废水色度的去除效果。取厌氧单元中搅拌结束和好氧单元停止曝气后的水样进行检测，检测结果显示在多孔聚氨酯泡沫填料厌氧反应器、好氧反应器色度去除率分别为2.21%和11.01%，聚乙烯填料厌氧反应器、好氧反应器COD去除率分别为2.19%和11.05%。可以看出以聚乙烯为填料的MBBR系统，其对水体中色度的去除能力优于聚氨酯泡沫填料系统。

图4 模拟废水中色度去除效率

(2)印染废水中氮磷处理效果分析

①氨氮处理效果分析

图5是不同填料的MBBR反应器，在好氧和厌氧环境下对氨氮的去除效果。取厌氧单元中搅拌结束和好氧单元停止曝气后的水样进行检测，检测结果显示聚氨酯填料厌氧反应器和好氧反应器氨氮去除率分别为13.69%和27.39%，聚乙烯填料厌氧反应器和好氧反应器氨氮去除率分别为17.80%和30.68%，聚乙烯填料对废水氨氮的去除效率略高于多孔聚氨酯泡沫填料系统。

图5 模拟废水中氨氮去除效率

②废水中TP处理效果分析

图6是不同填料的MBBR反应器，在好氧和厌氧环境下对TP的去除效果。取厌氧单元中搅拌结束和好氧单元停止曝气后的水样进行检测，检测结果显示在多孔聚氨酯泡沫填料厌氧反应器的厌氧反应单元和好氧反应单元中TP去除率分别为2.41%和13.18%，聚乙烯为填料的反应器厌氧反应单元和好氧单元中，废水TP去除率分别为2.91%、23.04%。可以看出以聚乙烯为填料的MBBR系统，其对水体中总磷的去除能力优于聚氨酯泡沫填料系统。

图6 模拟废水中TP去除效率

(3)不同填料表面生物膜特征分析

图7为MBBR系统厌氧单元，系统良好运行期间取好氧曝气阶段开始后5小时左右的海绵填料，观察不同填料表面微生物膜的电镜图片。可以看出聚氨酯填料和聚乙烯填料表面微生物的微观形貌差别较大。聚氨酯填料中球状菌较多而聚乙烯填料杆状菌较多。杆状菌有助于进行水体中纤维素降解以及在低氧环境下进行脱氮反应。

图7 填料表面生物膜SEM图

图8为MBBR系统好氧单元，不同填料表面微生物膜的电镜图片。可以看出好氧单元中，填料表面的微生物更多，球状菌、杆状菌以及丝状菌均黏附在填料表面生长。填料表面的球状菌、杆状菌以及丝状菌的轮廓较为清晰，整体饱满紧实，说明微生物利用废水中污染物质作为底物供自身新陈代谢所需，生长状况良好。尤其聚乙烯填料表面丝状菌为主要的细菌，这可能是因为丝状菌更容易在聚乙烯材料表面附着。丝状菌在印染废水的高效稳定净化过程中发挥了重要作用：维持污泥絮体结构并形成沉降性能优良的污泥，对印染废水进行脱氮除磷处理具有重要作用，有助于纤维素降解以及在低氧环境下进行脱氮反应[14]。

图8 好氧单元填料表面生物膜SEM图

(4)讨论

以上研究结果表明，以聚乙烯为填料的MBBR系统对印染废水具有较好的处理效果。主要原因是由于聚乙烯填料具有较大的表面积，孔隙率也较大，挂膜后悬浮在水中。当MBBR反应系统曝气时，填料的流化状态较好,具有良好的过水、通气性能,有助于各种微生物的生长和代谢，尤其是丝状菌和杆状菌生存繁殖，进而对水体中各种污染物具有较高的去除率。

4.结论

本研究分析了MBBR系统中填料类型对印染废水中污染物的去除效果，主要得到以下结论：与聚氨酯填料相比，聚乙烯填料表面更容易附着丝状菌，因此以聚乙烯作为填料的MBBR反应系统对印染废水中的COD、TP、氨氮和色度具有显著的去除效果。与聚氨酯填料相比，聚乙烯填料亲水性和生物亲和性更好[15]，表面更容易附着大量微生物，其生长代谢可以消耗水体中大量污染物，进而起到水质净化的目的。