耐鹽菌強(qiáng)化MBR工藝處理高含鹽滲濾液的研究

姜海鳳，周 豪，于宗然，王洪聲，畢 飛，周志軍，張 林，4

（1. 浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 膜與水處理教育部工程中心，浙江 杭州 310027；

2. 滄州綠源水處理有限公司，河北 滄州 061100；3. 北京中環(huán)膜材料科技有限公司，北京 100082；4. 浙江之江經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略研究院，浙江 杭州310016）

0 引言

垃圾滲濾液是一種含鹽量高、氨氮高、污染物濃度高、成分復(fù)雜且可生化性差的有機(jī)廢水［1-3］，該類廢水的有效處理是目前水處理行業(yè)公認(rèn)的難題［4］。膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種結(jié)合生物處理技術(shù)和膜分離技術(shù)的新型處理工藝。它以超濾或微濾膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)生物處理系統(tǒng)的二沉池，利用膜對(duì)微生物的高效分離從而實(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡的完全分離，在處理難降解有機(jī)廢水和高濃度氨氮廢水方面具有廣闊的應(yīng)用前景［5-9］。

MBR 工藝是處理難降解有機(jī)廢水和高濃度氨氮廢水的有效方法，但當(dāng)其用于處理高含鹽滲濾液時(shí)，因無機(jī)鹽對(duì)微生物的抑制作用，很難達(dá)到預(yù)期效果。耐鹽微生物和嗜鹽微生物在高含鹽廢水處理中可發(fā)揮積極的作用，利用耐鹽菌或嗜鹽菌接種是改進(jìn)好氧活性污泥處理含鹽廢水的最佳方法。張文武［10］采用耐鹽菌強(qiáng)化活性污泥處理精細(xì)化工行業(yè)產(chǎn)生的廢水，硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)38%時(shí)體系化學(xué)需氧量（COD）去除率仍大于95%。郭立［11］采用選擇性培養(yǎng)基分離、篩選針對(duì)高鹽垃圾滲濾液中COD的降解菌種，開發(fā)研制出以優(yōu)勢(shì)菌為特征的生物強(qiáng)化技術(shù)。趙緒光［12］采用Fenton（芬頓）氧化+生化處理組合工藝處理高鹽難降解的羧甲基纖維素鈉廢水，研究結(jié)果表明系統(tǒng)出水可達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的可行性。大量研究表明，耐鹽菌或嗜鹽菌強(qiáng)化技術(shù)是提高生物處理技術(shù)對(duì)高含鹽廢水處理效率的有效途徑。

筆者重點(diǎn)探討耐鹽菌強(qiáng)化MBR 工藝在高含鹽滲濾液處理中的應(yīng)用，考察耐鹽菌強(qiáng)化前后MBR工藝對(duì)進(jìn)水鹽含量的耐受性能，研究進(jìn)水COD 及其組成、污泥質(zhì)量濃度（MLSS）和水力停留時(shí)間（HRT）等參數(shù)對(duì)高含鹽模擬滲濾液處理效果的影響，旨在探索出一種高效、穩(wěn)定的垃圾滲濾液處理工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 污泥和菌種來源

實(shí)驗(yàn)用好氧污泥取自杭州市七格污水處理廠二沉池進(jìn)水端。蠟狀芽孢桿菌由合作單位滄州綠源水處理有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品

葡萄糖（分析純）、氯化銨（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.5%）、磷酸二氫鉀（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.5%）、苯胺（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.5%）、乙酸鈣（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.5%）、無水硫酸錳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99%）、五水硫酸銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99%）、六水合氯化鈷（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞97%）、二水鉬酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99%）、七水硫酸鋅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99%）、七水硫酸鎂（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99%）、重鉻酸鉀（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.8%）、硫酸汞（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞98.5%）、濃硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞98%）、硫酸銀（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99%）、六水合硫酸亞鐵銨（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞99.5%）和試亞鐵靈（分析純）購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，苯磺酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞97%）購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，酵母粉購(gòu)自O(shè)XOID公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 膜生物反應(yīng)器示意圖

實(shí)驗(yàn)所用MBR 裝置為自行設(shè)計(jì)的小型一體式膜生物反應(yīng)器，見圖1。膜生物反應(yīng)池材質(zhì)為聚丙烯，尺寸為直徑130 mm、高450 mm，有效容積3.6 L。膜組件為中空纖維超濾膜組件，超濾膜由北京中環(huán)膜材料科技有限公司提供，材質(zhì)PVDF（聚偏氟乙烯），孔徑20 nm，有效長(zhǎng)度230 mm，有效過濾面積0.96 m2。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 污泥馴化

將采自七格污水處理廠的活性污泥接種到MBR中，悶曝24 h，靜置30 min，排出上清液后，采用w（鹽）0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.1%的進(jìn)水對(duì)其進(jìn)行馴化使其適應(yīng)高鹽度滲濾液的進(jìn)水條件。進(jìn)水采用葡萄糖（Glu）、NH4Cl 和KH2PO4分別作為碳源、氮源和磷源，m（C）∶m（N）∶m（P）為100∶5∶1，ρ（COD）為500 mg/L，pH范圍7.0 ～7.5（NaHCO3調(diào)節(jié)），溫度30 ℃，同時(shí)加入微量元素促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，具體成分如表1所示。采用蠕動(dòng)泵間歇式進(jìn)水，進(jìn)水周期10 min，抽停時(shí)間比8 ∶2。

表1 進(jìn)水微量元素組成 %

1.4.2 耐鹽菌強(qiáng)化

將馴化好的活性污泥置入3個(gè)相同的膜生物反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)，并編號(hào)MBR-1、MBR-2、MBR-3。當(dāng)MLSS 達(dá)到4 g/L 時(shí)，開始往MBR-2 和MBR-3 中接種蠟狀芽孢桿菌耐鹽菌，接種量為4 g/L （濕重）。MBR-1、MBR-2 和MBR-3 的進(jìn)水分別為w（鹽）0.004 0%的高鹽度苯胺模擬液、w（鹽）0.008 0%的高鹽度苯胺模擬液和w（鹽）0.008 0%的高鹽度苯磺酸鈉模擬液，模擬液ρ（COD）均為500 mg/L。

1.4.3 MBR運(yùn)行

MBR 采用不間斷曝氣，水體溶解氧維持在5 ～6 mg/L，水力停留時(shí)間為12 h，溫度為30 ℃，起始出水跨膜壓差為0 kPa，容積負(fù)荷為0.5 kg/（m3·d），污泥負(fù)荷（單位質(zhì)量的活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)所去除的COD）為0.327 g/（g·d）。

1.5 檢測(cè)方法

苯胺、苯磺酸鈉濃度的測(cè)定采用紫外分光光度法，檢測(cè)波長(zhǎng)分別為280 nm 和263 nm。COD 采用重鉻酸鉀法檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性污泥馴化

耐鹽菌強(qiáng)化前，筆者對(duì)常規(guī)活性污泥進(jìn)行馴化，使其適應(yīng)高鹽度滲濾液的進(jìn)水條件。采用逐步提高進(jìn)水鹽濃度的方法，逐步地強(qiáng)化馴化條件，直至活性污泥完全適應(yīng)起始w（鹽）為1.1%的滲濾液水質(zhì)要求。以COD 去除率為指標(biāo)，當(dāng)COD 去除率達(dá)到90%以上時(shí)，判定活性污泥已適應(yīng)該鹽度。COD去除率隨鹽度變化見圖2。

圖2 COD去除率隨鹽度變化

從圖2中可以看出，活性污泥能快速適應(yīng)較低的鹽度（w（鹽）＜0.4%），馴化時(shí)間為4 ～5 d；當(dāng)進(jìn)水鹽度w（鹽）為0.8%時(shí)，馴化時(shí)間為7 d；當(dāng)進(jìn)水鹽度進(jìn)一步增加，馴化時(shí)間呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，從7 d 減少到4 ～5 d。主要原因如下：廢水水質(zhì)是活性污泥直接接觸的外部環(huán)境，當(dāng)其鹽度變化幅度較小時(shí)，原有活性污泥微生物群落可以適應(yīng)這一變化，馴化時(shí)間較短；當(dāng)進(jìn)水鹽度進(jìn)一步提高，活性污泥中耐鹽菌群增長(zhǎng)，但這一過程需要較長(zhǎng)時(shí)間；當(dāng)耐鹽菌群成為活性污泥中的優(yōu)勢(shì)種群后，可以較快適應(yīng)高鹽度進(jìn)水條件，表現(xiàn)為馴化時(shí)間的縮短。

2.2 耐鹽菌強(qiáng)化

活性污泥馴化后，可以有效適應(yīng)高鹽度水質(zhì)。為了進(jìn)一步提高活性污泥對(duì)鹽度的耐受性，采用接種馴化的方法在活性污泥中引入蠟狀芽孢桿菌耐鹽菌落，強(qiáng)化MBR 系統(tǒng)對(duì)鹽度的耐受性。實(shí)驗(yàn)中考察不同鹽度下耐鹽菌強(qiáng)化前后MBR 出水COD 的變化。不同鹽度下3 組MBR 出水COD 及COD 去除率變化見圖3。

圖3 3組MBR出水COD及COD去除率

由圖3可以看出，耐鹽菌強(qiáng)化后，在高鹽度進(jìn)水條件下，MBR 出水水質(zhì)得到顯著提高。隨著鹽度的增加，MBR-2和MBR-3的COD去除率雖有降低，但仍然保持在較高的水平（70%～80%）；相較于耐鹽菌強(qiáng)化后MBR 系統(tǒng)的高COD 去除率，MBR-1的COD去除率僅有40%左右。

如前所述，筆者采用高鹽度苯胺溶液模擬滲濾液高鹽高氨氮的水質(zhì)特點(diǎn)，考察不同進(jìn)水鹽度下，耐鹽菌強(qiáng)化前后MBR 系統(tǒng)的氨氮去除率。當(dāng)進(jìn)水w（鹽）由1.0%增加到2.0%時(shí)，MBR-1的氨氮去除率從90%下降至70%左右；進(jìn)水鹽度進(jìn)一步增加，氨氮去除率明顯降低，當(dāng)進(jìn)水w（鹽）為5%時(shí)，氨氮去除率＜45%。相比于MBR-1，耐鹽菌強(qiáng)化后的MBR-2系統(tǒng)具有較高的氨氮去除率，當(dāng)進(jìn)水w（鹽）高達(dá)5%時(shí)，MBR-2系統(tǒng)的氨氮去除率仍＞70%。這也與圖3a.中的出水COD 變化趨勢(shì)一致。這一結(jié)果說明蠟狀芽孢桿菌耐鹽菌落的引入，可以顯著提高M(jìn)BR工藝的穩(wěn)定性。

另外，筆者采用高鹽度苯磺酸鈉溶液模擬滲濾液高鹽高有機(jī)酸的水質(zhì)特點(diǎn)，考察不同進(jìn)水鹽度下，耐鹽菌強(qiáng)化前后的MBR 系統(tǒng)的有機(jī)酸去除率。從結(jié)果可以看出，當(dāng)活性污泥接種耐鹽菌后，w（鹽）高達(dá)5.0%時(shí)有機(jī)酸去除率能維持在90%左右。結(jié)合MBR-2 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者發(fā)現(xiàn)耐鹽菌強(qiáng)化后的MBR 系統(tǒng)對(duì)氨氮和有機(jī)酸都有很好的去除效果，這為該系統(tǒng)在高鹽度滲濾液處理中的實(shí)際應(yīng)用提供了保障。

在完成鹽度探究后，筆者利用平板菌落計(jì)數(shù)法對(duì)3組MBR的活性污泥進(jìn)行活菌數(shù)量檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然3組MBR的活菌數(shù)量均少于未馴化的活性污泥，但是MBR-2和MBR-3的活菌數(shù)量為MBR-1的3倍左右。以上結(jié)果說明，蠟狀芽孢桿菌可以在高鹽環(huán)境下存活，成為活性污泥里的優(yōu)勢(shì)菌株，顯著增強(qiáng)普通活性污泥對(duì)高含鹽滲濾液的處理效果。

2.3 模擬污染物（SP）及COD組成對(duì)出水水質(zhì)的影響

滲濾液因受降水、場(chǎng)齡等因素影響，水質(zhì)水量變化較大，為了提高該系統(tǒng)在實(shí)際體系中的可應(yīng)用性，筆者研究了高負(fù)荷條件下MBR 系統(tǒng)的出水水質(zhì)情況。不同污染物濃度下3組MBR出水情況見圖4。從圖4 中可以看出，當(dāng)進(jìn)水ρ（COD）從500 mg/L 增加到1 000 mg/L，MBR-1、MBR-2 和MBR-3的出水ρ（COD）分別從280、160、175 mg/L 上升至315、190、220 mg/L。雖然出水COD 值有所增加，但由于進(jìn)水COD增加了1倍，COD去除率反而得到顯著提升，MBR-1、MBR-2和MBR-3的出水COD 去除率分別從43%、67%和64%增加到68%、80%和77%。MBR-2 和MBR-3 的出水水質(zhì)明顯優(yōu)于MBR-1，這一現(xiàn)象說明強(qiáng)化后的MBR 系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)具有更高的耐負(fù)荷性。

圖4 不同污染物濃度下3組MBR出水情況

在相同的COD 條件下，筆者考察了COD 組成對(duì)MBR的出水水質(zhì)的影響。從圖4可以看出，隨著模擬物在滲濾液中占比增加，MBR 的出水水質(zhì)變差。主要原因是模擬物苯胺和苯磺酸鈉對(duì)活性污泥具有生物毒性，隨著其濃度的增加對(duì)活性污泥生化過程的抑制作用增加，導(dǎo)致出水COD 值增加、COD去除率下降和模擬物含量增加。雖然出水模擬物含量有所增加，但由于進(jìn)水COD增加了2倍，模擬物去除率無明顯變化。

2.4 MLSS對(duì)出水水質(zhì)的影響

MLSS是MBR系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因素，為了確定最佳MLSS，采用添加酵母粉和不排泥的方式使MLSS 快速增加，考察不同MLSS 條件下，出水水質(zhì)的變化。該實(shí)驗(yàn)中采用的進(jìn)水w（鹽）為5%、ρ（COD）為1 000 mg/L。不同污泥濃度下3 組MBR的出水情況見圖5。從圖5中可以看出，隨著MLSS的增加，MBR 出水COD 先降低后基本保持不變。MLSS對(duì)氨氮與有機(jī)酸去除率的影響較小。雖然污泥濃度升高對(duì)出水水質(zhì)無顯著改善，但在一定MLSS范圍內(nèi)，污泥濃度越高，MBR的污泥負(fù)荷越低，耐有機(jī)負(fù)荷沖擊能力越強(qiáng)，因此在本節(jié)實(shí)驗(yàn)探究的污泥濃度中，最佳MLSS為12 g/L。

圖5 不同污泥濃度下3組MBR的出水情況

2.5 HRT對(duì)出水水質(zhì)的影響

HRT 是MBR 系統(tǒng)的另一關(guān)鍵因素，在進(jìn)水w（鹽）為5%，進(jìn)水ρ（COD）為1 000 mg/L、MLSS為12 g/L的條件下，探究HRT分別為12 h、18 h或24 h時(shí)，三組MBR 出水水質(zhì)的差異，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，當(dāng)HRT 從12 h 上升至24 h 時(shí)，3組MBR 的出水COD 無明顯變化。氨氮去除率、有機(jī)酸去除率比較穩(wěn)定，苯磺酸鈉去除率略有上升。當(dāng)HRT 增加時(shí)，3 組MBR 的出水水質(zhì)沒有明顯變化，而HRT 越短，MBR 在單位時(shí)間內(nèi)的污水處理量越大，因此選擇最優(yōu)HRT 為12 h。

另外，我們對(duì)比3組MBR出水水質(zhì)（圖5和圖6）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w（鹽）高達(dá)5%條件下，耐鹽菌引入后（MBR-2 和MBR-3），MBR 的出水水質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)MBR 工藝，且對(duì)COD、氨氮和有機(jī)酸均有較好的去除。

圖6 不同HRT時(shí)3組MBR的出水情況

3 結(jié)論

采用耐鹽菌強(qiáng)化MBR 工藝處理模擬滲濾液，強(qiáng)化前對(duì)普通活性污泥進(jìn)行耐鹽度的馴化，使其適應(yīng)高含鹽的進(jìn)水條件。耐鹽菌強(qiáng)化MBR 工藝對(duì)進(jìn)水鹽度耐受性顯著提高，當(dāng)進(jìn)水w（鹽）為5%時(shí)，其出水COD 去除率與氨氮去除率仍保持在較高水平，分別為71%和90%。進(jìn)水COD 值增加，MBR 工藝出水COD 也增加，但COD 去除率增加，MBR-1、MBR-2和MBR-3的出水COD去除率分別從43%、67%和64%增加到68%、80%和77%；耐鹽菌強(qiáng)化MBR 工藝的出水水質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)MBR工藝，MBR 系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水COD 具有更高的耐負(fù)荷性。模擬污染物占比增加，耐鹽菌強(qiáng)化MBR 工藝對(duì)COD、氨氮和有機(jī)酸的去除率均高于常規(guī)MBR工藝。隨著MLSS的增加，MBR出水COD先降低后基本保持不變；MLSS 對(duì)氨氮與有機(jī)酸去除率的影響較小。當(dāng)HRT 增加時(shí)，MBR 系統(tǒng)的出水水質(zhì)基本不變。相同COD 占比、MLSS、HRT 條件下，耐鹽菌強(qiáng)化MBR 工藝的出水水質(zhì)均優(yōu)于常規(guī)MBR工藝。