＊朱尚明 杜長鈴 李志文 劉佳偉 鄭鈺銘

（1.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)公司 北京 100070 2.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院 陜西 710048）

1.引言

印染廢水是一種有機(jī)物組成復(fù)雜、堿性較強(qiáng)、色度深、TOC和COD含量高,可生化性差較難處理的工業(yè)廢水[1-3]。伴隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國的印染工業(yè)也進(jìn)入了高速發(fā)展期，在生產(chǎn)過程、設(shè)備等方面都有了很大的進(jìn)步[4-5]，同時人們對生活環(huán)境質(zhì)量的要求不斷提高[3]。因此，需要對污水進(jìn)行持續(xù)的改造和提升，在保證處理效果的前提下，降低處理費用[6]。與此同時，目前的印染污水處理系統(tǒng)普遍存在著以下問題：預(yù)處理階段所需投藥量大，污泥處理成本高[7]。利用生物處理技術(shù)分解印染廢水中剩余的難降解有機(jī)物，可以實現(xiàn)印染廢水的高效處理，保證出水水質(zhì)良好，并且可以降低成本[8]。

在MBBR裝置上，填料選擇特別關(guān)鍵，填料具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨耐腐蝕、密度稍小于水，掛膜后可以懸浮于水中，以及比表面積大、表面粗糙、利于微生物附著和繁殖等特點[9-10]。所采用的懸浮載體一般有聚乙烯、聚丙烯和聚氨酯，本實驗采用聚乙烯材料和聚氨酯材料進(jìn)行對比。

構(gòu)建兩組厭氧-好氧移動床生物膜反應(yīng)器，每組反應(yīng)器由厭氧單元和好氧單元組成。一組采用聚氨酯填料，另一組采用聚乙烯填料。對兩種填料反應(yīng)器厭氧單元、好氧單元中COD、NH4+-N、TP的去除效率進(jìn)行監(jiān)測，包括色度去除率、水解酸化前后可生化性變化以及生物膜的微觀表征進(jìn)行對比，驗證MBBR反應(yīng)器的實際處理效果。探索減少污水廠后續(xù)深度處理工藝建設(shè)成本與運(yùn)行成本的可行性，為水質(zhì)的監(jiān)測和綜合評價提供科學(xué)依據(jù)。

2.實驗裝置與方法

(1)實驗裝置

本實驗用的是移動床生物膜反應(yīng)器，工藝流程如圖1所示，其中厭氧反應(yīng)器高為1000mm，內(nèi)徑為200mm，有效容積約為25.3L；好氧反應(yīng)器高為700mm，內(nèi)徑為250mm，有效容積約為24.5L。各階段運(yùn)行時間分別為：厭氧單元攪拌11.5h、換水0.5h；好氧單元曝氣10h、停曝1.5h、換水0.5h，曝氣量為150～200L/h，曝氣階段溶解氧控制在4mg/L左右，停止曝氣后在1～2mg/L。曝氣系統(tǒng)分別由空壓機(jī)、閥門、氣管、氣體流量計、穩(wěn)壓腔以及曝氣盤（曝氣孔間距10mm，孔徑0.75mm）組成。試驗用填充率為40%的聚氨酯和聚乙烯填料，如圖1所示，填料特性見表1所示。

(2)反應(yīng)器的啟動

好氧反應(yīng)器進(jìn)水參考國內(nèi)典型城市生活污水的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行配水。在實驗室中，葡萄糖作為碳源、氯化銨作為氮源以及磷酸二氫鉀作為磷源，添加一些微量元素，保證微生物的正常生長。啟動階段及穩(wěn)定運(yùn)行階段進(jìn)水水質(zhì)濃度見表2。

厭氧反應(yīng)器采用好氧預(yù)掛膜法，首先將接種污泥添加到反應(yīng)器中，在悶曝48h后，按照好氧單元的進(jìn)水的比例，開始連續(xù)進(jìn)模擬生活污水。掛膜后，開始了厭氧型生物膜的適應(yīng)過程。關(guān)掉曝氣，打開攪拌機(jī)，降低培養(yǎng)基濃度，并逐步添加染色廢水。10%的量減少生活污水，10%的量增加模擬印染廢水。保持反應(yīng)器內(nèi)DO在0～2mg/L。啟動階段模擬印染廢水水質(zhì)如表3所示。反應(yīng)器COD的進(jìn)水濃度初期為1500mg/L左右，根據(jù)實際污水廠調(diào)研結(jié)果，最終降為900mg/L左右；NH4+-N的進(jìn)水濃度為30mg/L左右；TP的進(jìn)水濃度為5mg/L左右。

表3 模擬印染廢水成分表

(3)分析方法

水體CODCr、NH4+-N及TP測定具體方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 388—2002）推薦的方進(jìn)行[11]。

(4)掃描電鏡(SEM)的樣品預(yù)處理及分析方法

各類填料上附著生物膜的微觀形貌采用JEM-1011型（日本電子株式會社）掃描電鏡進(jìn)行分析[12-13]。

3.結(jié)果與討論

(1)MBBR系統(tǒng)對印染廢水處理效果

①COD處理效果分析

圖2是不同填料的MBBR反應(yīng)器，在好氧和厭氧環(huán)境下對COD的去除效果。取厭氧單元中攪拌結(jié)束和好氧單元停止曝氣后的水樣進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示在多孔聚氨酯泡沫填料厭氧反應(yīng)器、好氧反應(yīng)器COD去除率分別為6.40%和28.50%，聚乙烯填料厭氧反應(yīng)器、好氧反應(yīng)器COD去除率分別為10.34%和32.17%?？梢钥闯鲆跃垡蚁樘盍系腗BBR系統(tǒng)，其對水體中COD的去除能力優(yōu)于聚氨酯泡沫填料系統(tǒng)。

②可生化性分析

圖3是不同填料的MBBR反應(yīng)器在好氧和厭氧環(huán)境條件下，水體可生化性變化情況。取厭氧單元中攪拌結(jié)束和好氧單元停止曝氣后的水樣進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示在多孔聚氨酯泡沫填料厭氧反應(yīng)器進(jìn)水B/C為0.16，出水B/C為0.30，聚乙烯填料厭氧反應(yīng)器進(jìn)水B/C為0.15，出水B/C為0.33。可以看出以聚乙烯為填料的MBBR系統(tǒng)，提高水體可生化性的能力優(yōu)于聚氨酯泡沫填料系統(tǒng)。

圖3 厭氧反應(yīng)器對模擬廢水可生化性的影響

③脫色效果分析

圖4是不同填料的MBBR反應(yīng)器在好氧和厭氧條件下對廢水色度的去除效果。取厭氧單元中攪拌結(jié)束和好氧單元停止曝氣后的水樣進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示在多孔聚氨酯泡沫填料厭氧反應(yīng)器、好氧反應(yīng)器色度去除率分別為2.21%和11.01%，聚乙烯填料厭氧反應(yīng)器、好氧反應(yīng)器COD去除率分別為2.19%和11.05%?？梢钥闯鲆跃垡蚁樘盍系腗BBR系統(tǒng)，其對水體中色度的去除能力優(yōu)于聚氨酯泡沫填料系統(tǒng)。

圖4 模擬廢水中色度去除效率

(2)印染廢水中氮磷處理效果分析

①氨氮處理效果分析

圖5是不同填料的MBBR反應(yīng)器，在好氧和厭氧環(huán)境下對氨氮的去除效果。取厭氧單元中攪拌結(jié)束和好氧單元停止曝氣后的水樣進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示聚氨酯填料厭氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器氨氮去除率分別為13.69%和27.39%，聚乙烯填料厭氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器氨氮去除率分別為17.80%和30.68%，聚乙烯填料對廢水氨氮的去除效率略高于多孔聚氨酯泡沫填料系統(tǒng)。

圖5 模擬廢水中氨氮去除效率

②廢水中TP處理效果分析

圖6是不同填料的MBBR反應(yīng)器，在好氧和厭氧環(huán)境下對TP的去除效果。取厭氧單元中攪拌結(jié)束和好氧單元停止曝氣后的水樣進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示在多孔聚氨酯泡沫填料厭氧反應(yīng)器的厭氧反應(yīng)單元和好氧反應(yīng)單元中TP去除率分別為2.41%和13.18%，聚乙烯為填料的反應(yīng)器厭氧反應(yīng)單元和好氧單元中，廢水TP去除率分別為2.91%、23.04%。可以看出以聚乙烯為填料的MBBR系統(tǒng)，其對水體中總磷的去除能力優(yōu)于聚氨酯泡沫填料系統(tǒng)。

圖6 模擬廢水中TP去除效率

(3)不同填料表面生物膜特征分析

圖7為MBBR系統(tǒng)厭氧單元，系統(tǒng)良好運(yùn)行期間取好氧曝氣階段開始后5小時左右的海綿填料，觀察不同填料表面微生物膜的電鏡圖片。可以看出聚氨酯填料和聚乙烯填料表面微生物的微觀形貌差別較大。聚氨酯填料中球狀菌較多而聚乙烯填料桿狀菌較多。桿狀菌有助于進(jìn)行水體中纖維素降解以及在低氧環(huán)境下進(jìn)行脫氮反應(yīng)。

圖7 填料表面生物膜SEM圖

圖8為MBBR系統(tǒng)好氧單元，不同填料表面微生物膜的電鏡圖片?？梢钥闯龊醚鯁卧?，填料表面的微生物更多，球狀菌、桿狀菌以及絲狀菌均黏附在填料表面生長。填料表面的球狀菌、桿狀菌以及絲狀菌的輪廓較為清晰，整體飽滿緊實，說明微生物利用廢水中污染物質(zhì)作為底物供自身新陳代謝所需，生長狀況良好。尤其聚乙烯填料表面絲狀菌為主要的細(xì)菌，這可能是因為絲狀菌更容易在聚乙烯材料表面附著。絲狀菌在印染廢水的高效穩(wěn)定凈化過程中發(fā)揮了重要作用：維持污泥絮體結(jié)構(gòu)并形成沉降性能優(yōu)良的污泥，對印染廢水進(jìn)行脫氮除磷處理具有重要作用，有助于纖維素降解以及在低氧環(huán)境下進(jìn)行脫氮反應(yīng)[14]。

圖8 好氧單元填料表面生物膜SEM圖

(4)討論

以上研究結(jié)果表明，以聚乙烯為填料的MBBR系統(tǒng)對印染廢水具有較好的處理效果。主要原因是由于聚乙烯填料具有較大的表面積，孔隙率也較大，掛膜后懸浮在水中。當(dāng)MBBR反應(yīng)系統(tǒng)曝氣時，填料的流化狀態(tài)較好,具有良好的過水、通氣性能,有助于各種微生物的生長和代謝，尤其是絲狀菌和桿狀菌生存繁殖，進(jìn)而對水體中各種污染物具有較高的去除率。

4.結(jié)論

本研究分析了MBBR系統(tǒng)中填料類型對印染廢水中污染物的去除效果，主要得到以下結(jié)論：與聚氨酯填料相比，聚乙烯填料表面更容易附著絲狀菌，因此以聚乙烯作為填料的MBBR反應(yīng)系統(tǒng)對印染廢水中的COD、TP、氨氮和色度具有顯著的去除效果。與聚氨酯填料相比，聚乙烯填料親水性和生物親和性更好[15]，表面更容易附著大量微生物，其生長代謝可以消耗水體中大量污染物，進(jìn)而起到水質(zhì)凈化的目的。