填料类型对MBBR启动及运行效能的影响

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　　摘 要：通过实验的方式，对两种不同的填料的废水处理能力进行研究。将A、B两种填料分别放入两个不同的生物膜反应器（MBBR）中，并对其处理能力进行观察，包括水质、形貌、特征等等方面。经过一系列的试验证明，A填料的各方面性能要优于B填料，更适用于生物膜反应器。
　　关键词：移动床生物膜反应器；填料；废水处理；起动；运行效能
　　中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）21-0069-03
　　Abstract： Through experiments， the wastewater treatment capacity of two different fillers was studied. The A and B fillers were put into two different moving-bed biofilm reactors （MBBR）， and their treatment capacity was observed， including water quality， morphology， characteristics and so on. Through a series of experiments， it is proved that the performance of packing A is better than that of packing B， and it is more suitable for the biofilm reactor.
　　Keywords： moving bed biofilm reactor； packing； wastewater treatment； starting； operation efficiency
　　引言
　　MBBR屬于一种新型生物膜反应器，较传统反应器相比，具有更高的灵活性。生物填料具有多种应用优势，更适用于MBBR，可以提升仪器的处理效率，降低机器堵塞现象的发生几率，可以处理多种类型的废水[1]。
　　1 试验材料和方法
　　1.1 试验装置
　　本次试验装置为两个移动床生物膜反应器，分别为R1、R2。在两个反应器内部分别设置不同的填料A和填料B，按照30%填充率放料。为了保证试验的精准性。填料的规格一致，填料A的密度为1，孔隙率为92%，填料B的密度为0.96，孔隙率为90%。
　　本次试验的时间为100d，总共有两个试验阶段，按照进水浓度差进行划分。试验开始时间为6月16日，前40为第一阶段，其进水的COD在500mg/L左右，后60天为第二阶段，进水COD提升到750mg/L。为了消除其他因素对试验结果的影响，本次试验中所有条件相同，方便试验结果的对比分析。其中试验温度控制在25°，PH值控制在7.0。
　　1.2 接种污泥及配水
　　先进行挂膜操作，本试验采取排泥法。准备好接种用的污泥，起动MBBR以后，将污泥放入运行中反应器，污泥的浓度控制在3000mg/L，并持续的闷曝1d。然后将所有接种污泥排出反应器，即完成了反应器的挂膜。试验中还需要进行废水的模拟，主要是以葡萄糖为主要模拟材料，并且采取手动添加的方式，按照废水中各种微量元素的比例进行废水的模拟。
　　1.3 分析方法
　　在MBBR运行的过程中，主要分析常规水质指标、生物膜形貌、生理生化特征三方面内容。在进行水质指标的分析时，对于不同的指标选择不同的测定标准，其中COD、NH+4、-N、TN几种指标按照国家要求测定即可，对于剩下的指标则使用专业仪器测定，其中DO使用溶氧仪进行测定，pH值则使用pH计进行测定。在对生物膜进行分析时，不但用进行形貌的分析，还要进行粗糙度的分析，分别使用不同的显微镜进行观测分析。在对生理生化特征进行评价时，使用热减法提取EPS[2]。
　　2 结果与讨论
　　2.1 不同填料的出水水质比较
　　2.1.1 COD
　　在实验的第一阶段中，COD浓度在500mg/L，随着试验时间的推移，去除能力也会随着上升，在达到一定值后区域稳定。两个反应器因为填料的不同，会呈现出不同的COD去除率，本次试验主要是对稳定的COD去除能力合理对比。反应器R1在一段时间内会呈现出持续上升的状态，最高的去除率可以达到99.1%，并在25d以后达到94%以上的稳定去除率。反应器2则完全不同，在前3d去除率持续上升，并在之后呈现波动状态，最高处可以达到98.9%，最低处为84.3%，具有不稳定性。
　　在试验的第二阶段中，COD的浓度提升为750mg/L，并在试验的后期提升反应器的工作负荷，随着试验的进行，可以明显看出R1的处理效果更高。在浓度改变的过程中，两个反映器都会出现性能下降的问题，这是个自然现象，主要原因是生物膜的正常变化引起的。根据两个阶段的试验数据，可以看出R1的COD去除能力更高，最终可以达到92.2%左右的去除率，变化的波动较小，而R2则具有不稳定性，去除率始终波动较大[3]。
　　综合两次事宜按结果，可以明显看出R1的COD去除性能更高，具有更高的稳定性和抗冲击性。在实验的初期，R2的去除能力较高，但是随着时间的推移，呈现出较大的波动。除此之外，本次试验还对两种填料的流化效果进行观察，根据观察明显看出R1的流化效果更高。R2则出现堆料的问题，导致填料在反应器内流动不畅，出现了死水区。
　　根据已有的研究表明，填料的密度接近水，并且表面积更大的填料性能更高，具有更强的除污能力。填料的去污能力和填料的表面粗糙度和孔隙率有着直接关系，呈现出正比关系。如果填料的密度接近水，并且具有理想的孔隙率，则会具有较高的过水性能，可以为生物膜的生长提供便利，反应器内进本不会出现堵塞问题。在试验的初期阶段，这种表现更为明显，在生物膜完成生长、代谢等等环节以后，就会趋于稳定。 　　2.1.2 NH+4-N与TN
　　微生物上面具有多种微生物群体，并且由于氧气分布不均的原因，会分为两个菌群分布区域，分别为好氧区和厌氧区，这也为后面的反应提供了便利的創所。在第一个试验阶段，进水NH+4-N为18.26mg/L左右，TN为29.04mg/L左右，在第二个试验则变为进水NH+4-N为36.64mg/L左右，TN为39.82mg/L左右，还提升了试验负荷[4]。
　　在试验进行到3d时，R1和R2的氨氮去除率分别为41.4%和40.6%，总氮去除率分别为47.9%和35.9%。随着实验的进行，反应器内生物膜逐渐趋于稳定，去除能力有着较大的提升。在22d以后，可以看出R1的氨氮去除能力更高，而总氮的去除能力则差异不大。在进入到第二个实验阶段时，将进水负荷持续提升，R1的效果仍然要优于R2，可以看出R1的稳定性能更高，且在进水负荷持续上升的情况下，反应器1仍然能够稳定的处理氨氮和总氮，说明R1的抗冲击性能较高。生物膜在持续一段时间后，必然会出现脱落和重新生长的现象，对反应器的去除能力产生了一定的影响，两个反应器都呈现出一定的波动。
　　本次试验使用两种填料A、B，其中A填料的密度与水相似，不会对水和空气产生阻碍，在相同的运行添加下，A填料在水中的流动性更好，可以加快反应器中的反应，提升了整个反应器的生化速度。在试验的前期，R1的生物膜生长更快，具有更高的除污能力，且R1中的菌落更加复杂多样，具有更大的孔隙率。随着试验的进行，两种反应器的处理性能差不多，但是在生物膜出现变化时，R1的抗冲击性更强，R2则受到冲击出现去除率的剧烈变化，两种反应器的生长周期差异较大，综上所述R1的氨氮和总氮处理稳定性更高，可以适应高负荷的工作状态。
　　2.2 生物膜厚度及形貌差异
　　根据对试验中生物膜厚度的观察记录发现，反应器R1要远高于R2，并且具有相近的生长变化趋势。在第一个试验阶段，R1先挂膜，并且基本保持着高于R2的生长速度，最高是可以达到R2的数倍。在第二个试验阶段，已经趋于稳定的生物膜会脱落并更新，两个反应器的生物膜厚度都会随之发生变化，呈现为先下降后上升的状态。两个反应器生物膜最厚的时间点不同，分别为82d和96d，其中R1的最大值为219.1μm，R2的最大值为188.3μm。A填料具有更高的孔隙率，在加入到反应器以后，会更快的流动反应，填料中的微生物具有更快的生长代谢速度，可以快速生长出生物膜。除此之外，在细菌接触到生物膜时，会分泌一些粘结物质，进而增加生物膜厚度[5]。
　　2.3 粘附力、粗糙度和形貌
　　2.3.1 粘附力
　　根据试验结果表明，R1的粘附力更强，主要受其机构的影响，具体的粘附力为9.6nN。根据对已有研究查阅发现，TB-EPS内部的有机大分子结合紧密，并且牢固的粘在细胞壁上面，很难出现脱落的现象。而LB-EPS则处在最外层，流动性较高，容易随着周边环境出现变化，可能呈现为向后边扩散的情况，具有更为松散的结构。为此，可以看出R1的粘附力与其含有的TB-EPS含量有关，含量越高粘附力也越高。多糖对于生物膜有着直接影响，根据试验得知两种填料的多糖含量基本一致。R2的粗糙度要高于R1，主要是由于形貌的变化，试验中R1的附着力更高，大量的EPS覆盖在生物表面，降低间谷高度，进而降低粗糙度。
　　2.3.2 生物膜形貌
　　在对生物膜形貌观察时，主要根据试验后期的数据，在第二试验阶段中，生物膜才会出现脱落的现象，在此时进行形貌的观察可以发现，R1表面上的EPS更多，并且覆盖在生物膜表面，填充了微生物谷之间的空缺，进而降低了整体的谷高。而R2缺乏EPS，具有更大的粗糙度，这与上面的研究相符，在结合两个反应器中营养物质的变化，可以看出R1具有更多的EPS，可以更快的形成生物膜。
　　2.4 生物膜活性分析
　　2.4.1 蛋白质和多糖
　　在试验的初期，R2的蛋白质和多糖含量更高，随着反应器逐渐趋于稳定，R1的含量开始超过R2。并且在后期要高于R2。经过对两种填料自身性质的分析认为，这种变化主要是由于A填料的孔隙率较高造成的。随着COD浓度的逐渐升高，两个反应器都会呈现出蛋白质下降趋势，在负荷增加的情况下，增加了可用基质，进而提升了细菌的增长效率。
　　R1内的多糖含量前期呈现出上升的趋势，后期则出现先下降再回升的状态，并且和R2的多糖含量基本一致。虽然两种反应器的多糖含量在稳定后基本一致，但是R2的多糖增加速度稍缓，具有一定的滞后性。
　　2.4.2 脱氢酶活性
　　脱氢酶属于一种还原酶，对机制具有一定的刺激能力，其活性可以作为除污能力的处理指标之一。两种填料的活性会随着时间推移不断下降，其中R1的活性要明显高于R2，主要是因为A填料的孔隙率更高，所以具有更好的挂膜效果。在试验的后期，两种填料的活性都会大幅度下降，其中R1处理器中脱氢酶活性降到原值的52.6%，而R2处理器中脱氢活性酶则会降到原值的33.3%。综上所述，虽然两种处理器中的活性都会不断下降，但是总体上R1的活性更高，具有更高的微生物分解污染物能力。
　　3 结论
　　本文主要通过试验的方式对两种填料性能进行对比分析，并且发现A填料的各方面性能更高，更适用于MBBR反应器。本次试验主要有四方面内容，首先对出水水质进行比较分析，包括COD、NH+4-N、TN去除能力的对比，R1具有更高的稳定性和抗冲击能力，在更高的工作负荷下，都可以保证去除的稳定，不会出现大幅度的波动。其次，对生物膜厚度及形貌进行研究分析，由于A填料的孔隙率更高，所以具有更好的流化效果，进而具有更高的生物膜厚度。再次，对粘附力、粗糙度进行研究对比，由于填料A具有更高的EPS含量，为此生物膜的更新更快。最后对生物膜的活性对比分析，包括蛋白质、多糖、脱氢酶活性三部分内容。其中R1的蛋白质含量更高，主要是由于孔隙率决定，而两种多糖含量基本一致，但是填料B具有一定的滞后性。可以看出，填料A的各方面性能更高，更适用于与MBBR。
　　参考文献：
　　[1]龚丽影，赵如金，卞瑛磊，等.NASF-MBBR处理污水的试验研究[J].环境科学与技术，2017（12）.
　　[2]中试二级MBBR处理反渗透浓水深度脱氮的影响研究[D].兰州大学，2017.
　　[3]MBBR工艺中悬浮填料的参数控制及优化组合研究[D].西南科技大学，2017.
　　[4]王亚举，黄胜，杨慧敏，等.不同填充率对MBBR污水处理效果影响研究[J].广东化工，2017，44（8）：149-150.
　　[5]佚名.硝化液回流比对MBBR一体化设备脱氮除磷的影响研究[J].广东化工，2018，45（17）：71-73.
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