基于改性填料的MBBR工藝高負荷處理淀粉糖廢水的應用研究

孫振江，佟 毅，劉桂文，朱 杰，陳 勇

(1.廣西中糧生物質能源有限公司，廣西 北海 536100；2.中糧生物化學股份有限公司，北京 100005；3.南京高新工大生物技術研究院有限公司，江蘇 南京 210061)

上海某食品有限公司以變性淀粉等為原料，采用發酵法生產果糖等多種產品，并經過離子交換樹脂進行進一步分離純化[1-2]。由于該企業生產廢水的化學需氧量(COD)和含鹽量都較高[3-4]，其綜合廢水主要由生產廢水、生活污水及洗桶水等組成，水質波動大，水質成分復雜，最終廢水的COD平均為5 000～6 000 mg/L，總氮及總磷較低，處理過程中需進行氮源和磷源的補充[5]。同時，該企業地處上海，工業用地緊張，無新用地新建污水處理系統，且厭氧系統已超負荷運行，出水水質波動較大，無法滿足該公司生產提能的需求，所以亟須改良廢水處理工藝，以便公司生產正常化。

移動床生物反應器(MBBR)使用特殊設計的填料作為生物膜載體[6-8]，相比于固定床反應器，MBBR無須定期沖洗；且因其載體處于翻滾狀態，不會發生阻塞等問題，無須定期更換填料[9-10]，載體的特殊結構及材質有利于微生物的快速附著成長，形成生物膜，提高處理效率[11]。因此，MBBR具有處理量大、處理時間短、占地面積小、無須污泥回流、反復沖洗、操作管理容易及適用于改造工程等優點[11-12]。

MBBR關鍵技術在于填料的選擇，現在普遍應用的有蜂窩填料、半軟性填料及復合填料等，但普遍存在填料堵塞、結團及老化速度快等現象，使用壽命短，無法形成流化態，存在死角，導致MBBR工藝的工程應用效果不佳，只能應用于中小型試驗。此外，MBBR工藝中的填料掛膜速度慢，不利于工藝正常運行，抗沖擊能力差，處理效果無法達到預期。

“這種新民主主義文化是科學的。”［5］706——主張實事求是，主張理論與實踐一致，反對一切封建思想和迷信思想；主張用科學的態度、辯證的方法對中國古代文化進行清理，吸收其民主精華，剔除其封建糟粕，建立反帝反封建反迷信的統一戰線。

基于此，本研究對上海某食品有限公司實際廢水進行處理，優化MBBR工藝關鍵性填料及結構，以此來替代原工藝活性污泥法[13-14]，以大幅度提高好氧負荷，探討MBBR工藝運行特性。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置及工藝

試驗裝置為碳鋼制成的反應器，長7 m，寬和高都為2.2 m，有效體積24 m3，其內分為4個反應區，裝置如圖1所示。同時，對試驗裝置的反應區進行曝氣裝置改進，曝氣盤為大小更替排布[15]。2個反應區內投加市面上普通的聚乙烯K3填料，另2個反應區投加改性聚乙烯生物填料。該填料由南京高新工大生物技術研究院有限公司自主研發：圓柱形、直徑25 mm、高度10 mm、密度為0.96 g/cm3、孔隙率為85%、填充量為40%(專利名稱：一種改性聚乙烯微生物載體填料，授權號：CN108946933B)。

干法回收工藝流程短，且不需要使用酸堿溶液，減少了有機廢液的產生，但是高溫過程會產生大量的廢氣和廢渣。針對動力電池拆解回收的模式，分析回收過程的各項成本，以數學模型的形式建立回收利潤的模型，表達式如下：

圖1 MBBR試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of MBBR experimental set-up

本試驗工藝流程示意圖如圖2所示。本次試驗以MBBR工藝替代原有的好氧池活性污泥法工藝，并對不同生物填料的性能進行驗證，主要分為3個負荷階段來驗證MBBR工藝的處理性能。

采用改性聚乙烯為主體框架材料，經壓鑄成型，框架表面涂覆有親水聚合物涂層，涂層經高能電子束照射，從而在改性聚乙烯分子鏈上引入含氧極性基團，形成親水表面。主體框架中心為一多邊形環，多邊形環的每條縱向棱上固定有第一徑向筋片，第一徑向筋片穿過多邊形環外的第一圓環，與第二圓環內壁固定；第一圓環外壁與第二圓環內壁之間通過第二徑向筋片固定連接，內部具有鋸齒狀結構，填料密度0.96 g/cm3。

圖2 工藝流程示意Fig.2 Diagram of sewage treatment process

1.2 改性聚乙烯填料的制備方法

雞紅細胞，瀘州衛生防疫站提供。RPMI1640培養基，購自Gibco公司；胎牛血清，杭州四季青公司；CCK8試劑盒，碧云天生物技術研究所；瑞氏染液，上海生工公司；苯甲基磺酰氟（PMSF）、十二烷基磺酸鈉（SDS）、過硫酸銨、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、丙烯酰胺（Arc）、甲叉雙丙烯酰胺（Bis）、刀豆蛋白（ConA）和二甲基亞砜（DMSO），美國Sigma公司產品；兔多克隆抗體IL‐2、TNF‐α、β‐actin，辣根過氧化物酶（HRP）標記的二抗，均購自英國Abcam公司。

改性聚乙烯的制備：含有雙鏈的乙烯基硅烷在引發劑的作用下與熔融的聚乙烯反應，形成硅烷接枝聚合物，該聚合物在硅烷醇縮合催化劑的存在下，與硅烷發生水解反應，從而形成網狀的氧烷鏈交聯結構，形成改性聚乙烯。含氧極性基團為與單鍵相鄰的羧基以及與雙鍵相鄰的羧基。親水聚合物為聚乙烯醇和聚乙烯醇-聚乙烯基胺共聚物。

1.3 接種污泥及進水

MBBR工藝直接利用原工藝好氧池污泥進行載體掛膜，調節池與厭氧塔出水按比例混合后進入MBBR反應器。綜合水質指標如表1所示。

表1 綜合水質指標

1.4 分析方法

第三，學術體系層級不清。學術體系分級，一是劃分知識的不同類型；二是分清知識的生產者和傳播者兩個角色概念。從編輯出版學的學科特性來看，研究型大學、科研機構、學術型研究生教育，屬于專門研究的層級，這是高深理論知識、科技發明創造的知識生產層，本科生可以從這里獲得科學和先進的知識；應用型學位研究生培養屬于實踐中的知識生產，即產業知識；職業技術培訓層則是對知識的規范傳授和訓練。

通過對油梨飲料加工中護色工藝的研究，在不影響油梨飲料口感的前提下獲得最佳的護色復配比例，解決油梨飲料生產過程中易褐變問題，為油梨的加工開發提供一定的理論依據和技術支持，對促進油梨產業發展具有重要意義。

2 結果與討論

2.1 啟動初期不同填料掛膜效率對比

填料是MBBR工藝中最重要的部分，直接影響MBBR工藝的運行效果。如果填料掛膜速度慢、生物膜不完整和極易脫落，將直接影響MBBR工藝的運行，導致前期工藝運行調試時間長；處理效果不佳；運行不穩定，最終無法達到設計標準，無端增加初期投資成本[16]。

當進水COD到達1 500～2 000 mg/L時，添加K3填料的反應器出水COD 為300～400 mg/L，添加改性聚乙烯填料的反應器出水COD為250～300 mg/L。MBBR工藝出水均能達到排放要求，且出水相對穩定，主要是生物聚乙烯填料在曝氣的作用下在反應區內上下翻滾，可以將水中的大氣泡切割成小氣泡，有利于水體溶氧，保證反應區有足夠的溶解氧來滿足好氧微生物的生長，維持反應器內高COD去除性能；充足的溶解氧會抑制厭氧微生物的生長，利于出水水質的提高。MBBR工藝的聚乙烯填料因為其表面獨特的結構，可形成不同的溶氧環境，滿足多種微生物的生長，微生物固定在填料上不會因污泥膨脹而出現微生物流失等問題。綜上所述，MBBR工藝具有其強抗沖擊能力，可在較高負荷下處理廢水。中高負荷下不同填料掛膜效率如圖6所示。

圖3 啟動初期不同填料掛膜效率對比Fig.3 Comparison of membrane forming efficiency of different fillers at the initial stage of start-up

由圖6可知：改性聚乙烯填料的反應器出水COD比K3填料的反應器的較低，平均在300 mg/L左右；改性聚乙烯填料生物膜的形成效果明顯優于K3填料。

2.2 低負荷下不同工藝處理效果比較

經檢測，上海某食品有限公司綜合廢水的TN及TP較低，生物法處理需額外補充氮源和磷源，因此，其出水水質TN及TP均能達標，其主要檢測指標是出水COD。

其中，w1和w2分別為邊緣波束增益和副瓣電平的優化權重值，w2取負數值。Eα和SLα為2.2中計算的邊緣波束增益和副瓣電平，Eβ和SLβ為優化要求的設定值，通過Minimax算法轉化為非線性規劃問題將目標函數（9）的結果優化為最低，即達到要求。

要進一步強化基層檢疫申報點建設，科學配置檢疫、日常辦公所需設施設備，合理安排檢疫工作人員，優化檢疫申報點設置，明確檢疫申報點功能，產地檢疫申報點和屠宰檢疫申報點應分開設置，嚴禁混合辦公。要進一步完善檢疫人員準入、退出、考核、獎懲和監督管理制度，加強崗前培訓和在崗人員輪訓，提高檢疫人員業務水平。

該企業原工藝中，好氧池直接進厭氧出水，其COD 為800～1 200 mg/L，原工藝水力停留時間(HRT)為 16 h。MBBR工藝也為厭氧出水，流速均設為2 m3/h，控制HRT在6 h左右，容積負荷為4 kg/(m3·d)左右，遠高于原工藝1.5 kg/(m3·d)。不同工藝對COD的去除效果如圖4所示。

圖4 不同工藝對COD的去除效率Fig.4 COD removal efficiency of different treatment processes

由圖4可知：本階段進水COD為800～1 200 mg/L，隨著一定時間的穩定運行，活性污泥法的出水COD穩定在300～400 mg/L，不同生物填料的MBBR工藝的出水COD相差不明顯，均在150～200 mg/L。由此可知，MBBR工藝的COD去除效果優于活性污泥法。這與曹春艷等[17]在MBBR工藝與活性污泥法處理石化廢水的研究中得出的結論相一致。

原工藝活性污泥法耐沖擊能力較差，這是活性污泥法的特性所致，在進水COD較高及HRT較短的情況下，微生物生長有可能導致局部溶解氧較低，增加絲狀菌的繁殖，導致污泥出現一定的膨脹現象，因而出水COD較高[18]。MBBR工藝所使用的填料密度接近于水，且生物相容性好，有利于微生物的快速吸附，使得填料密度略高于水，在曝氣的帶動下，填料在反應器內上下翻滾；填料比表面積大，可吸附更多的微生物，增強微生物COD去除能力[19]。

MBBR工藝的性能取決于填料上的生物膜，而微生物通過形成生物膜固定在填料上，不會出現污泥膨脹流失現象。同時，MBBR工藝填料的大孔隙率也有利于水流的沖刷，帶走老化的生物膜，進行生物膜的更新，保持MBBR的高效性能。

2.3 中高負荷下不同工藝處理效果比較

MBBR工藝在低負荷條件下的工藝運行已相對成熟，但其在中高負荷條件下的研究卻鮮有報道，這可能是好氧生物處理技術對pH要求較高，一般保持在偏堿性。當運行負荷過高時，極易導致酸化，pH急劇下降，影響工藝運行穩定性。基于此，筆者對MBBR工藝在中高負荷下運行效果進行了中試研究。

下一步，石家莊市教育局將把小學生免費托管工作與校外培訓機構專項治理行動結合起來，創造條件、加大投入、完善政策，不斷強化中小學校在課后服務中的主渠道作用，進一步完善課后托管各項制度，幫助學生培養興趣、發展特長、開拓視野、增強實踐，不斷提高課后托管服務水平。

經過設計計算，從調節池的進水流速設為0.25～0.50 m3/h，從厭氧出水的流速設為1.50～1.75 m3/h，MBBR反應器總進水流速保持在2.00 m3/h，HRT為6 h，進水COD穩定在1 500～2 000 mg/L，容積負荷6～8 kg/(m3·d)。原工藝緩慢增加調節池的廢水進入好氧池，逐漸調高工藝運行負荷，驗證原工藝是否可以進一步提高運行負荷。中高負荷下不同工藝對COD的去除效果如圖5所示。

在低負荷下，MBBR工藝的COD去除效率極佳，處理后的出水COD遠低于排放標準(COD≤500 mg/L)。為滿足企業擴產需求，對其工藝進行調整，通過連接管道將一部分調節池的污水與厭氧出水按比例混合后進入好氧池。

圖5 中高負荷下不同工藝的COD去除效率Fig.5 COD removal efficiency of different treatment processes in treating high load wasterwater

由圖5可知：當原工藝進水混合部分調節池廢水導致進水COD升高后，原工藝活性污泥法的出水變得十分不穩定。當進水COD超過1 300 mg/L時，運行負荷僅提升了20%左右，活性污泥法的出水COD已經超過排放標準500 mg/L，且出水COD持續升高，水體變黑且有臭味。為不影響企業生產，將超標水排入事故池，并關閉調節池進水管道，將進水COD調節至原有水平后，經過3 d的穩定運行，出水COD才重新達標，即表明原工藝活性污泥法無法進一步提升處理效率，且抗沖擊能力差。當水質不穩定時，極易超出排放標準。這主要是進水COD的負荷增大后，營養源過剩，微生物生長速度加快，導致水體中溶解氧較低，引發絲狀菌的大量繁殖，導致污泥膨脹，污泥流失嚴重，COD去除效率進一步下降，最終好氧工藝崩潰。同時，因為水體溶解氧的下降，厭氧塔流出的厭氧菌得到相對適宜的環境，進行繁殖，導致水體變黑發臭。

因此，將改良后的填料與市面上應用最廣的K3填料做試驗對比。啟動初期，在試驗裝置的2個反應區按40%比例填加K3填料，另2個反應區按40%比例填加改性聚乙烯填料。在試驗裝置內接入原工藝的活性污泥后，接入厭氧出水，維持污泥質量濃度為3 000 mg/L，穩定后緩慢進厭氧出水，低負荷運行進行掛膜，前期不同填料掛膜效率對比見圖3。

圖6 中高負荷下不同填料掛膜效率對比Fig.6 Comparison of membrane forming efficiency of different fillers under medium and high load

由圖3可知：K3填料掛膜速度慢，14 d開始形成菌斑，26 d才能形成較為完整的生物膜，且不規則；相比之下，改性聚乙烯填料3 d即可形成明顯的菌斑，7 d形成了完整的生物膜，掛膜速度快。結果表明：K3填料表面較光滑，不易于微生物的吸附成膜；而改性聚乙烯填料設計的鋸齒狀結構，增大了填料的比表面積，為微生物提供了優良的生存環境。由于在填料中添加了含氧極性基團及親水聚合物等物質，大幅提升了填料對微生物的親和性，使得微生物極易吸附于填料表面形成菌斑，進而快速形成生物膜。因此，改性聚乙烯填料的掛膜速率及效果遠優于K3填料。在填料都掛膜成功穩定運行后，對工藝條件進行調整，進而研究MBBR工藝運行性能。

2.4 高負荷下MBBR工藝處理效果

為了進一步研究MBBR工藝在處理淀粉糖廢水的耐受性能時并考察其能否在高負荷條件下穩定運行。

進一步提高調節池進水比例，MBBR總進水流速仍是2.00 m3/h，HRT維持在6 h。調節池進水流速0.75～1.00 m3/h，厭氧出水的流速為1.00～1.25 m3/h。綜合進水COD為 2 500～3 000 mg/L，MBBR工藝容積負荷達到10～12 kg/(m3·d)。運行一段時間后，COD去除效率如圖7所示。

過腔以劇種主調或音階中任一級音為音樂材料，因此其構式不僅有主調型和級音型兩種，更多的則是對主調和級音作不同排列組合及重復后形成的各種構式。昆曲過腔的構式主要有如下五大類型：（1）主調型構式；（2）級音型構式；（3）主調+級音型構式；（4）級音+主調型構式；（5）（主調 +級音）+（級音 +主調）……排列組合重復。

圖7 高負荷下MBBR工藝對COD的處理效率Fig.7 COD removal efficiency of MBBR process in treating high loadwaster water

由圖7可知：在高負荷條件下運行，K3填料MBBR工藝高負荷運行一段時間后的出水COD已經超出排放標準(COD≤500 mg/L)，出水水質波動較大，而改性聚乙烯填料的MBBR工藝出水COD 維持在400 mg/L左右，仍能夠高效穩定運行，達到企業預設的排放標準。高負荷條件下MBBR工藝的填料掛膜情況如圖8所示。

圖8 高負荷下不同填料掛膜效率對比Fig.8 Comparison of membrane forming efficiency of different fillers under high load

由圖8可知：K3填料在高負荷環境的沖擊下，微生物出現了死亡脫落現象，造成生物膜的脫落，處理效率下降，造成出水水質不達標。改性聚乙烯填料因其特殊的構造，對微生物形成更好的保護作用，環境抗性強，微生物生長繁殖急速增加；同時，特殊的曝氣系統含有大小不一的曝氣盤，可使填料在反應器內形成一個個有序的內循環。改性聚乙烯填料在氣體的帶動下運動，不斷對老化生物膜進行沖刷，使得生物膜厚度不會一直增加，維持在一個理想的范圍，使得生物膜表面的微生物活性極高，且多個有序的內循環有利于填料對氣泡的切割，水體中溶氧的增加，因此，COD去除效率高，有利于工藝的穩定運行。

3 結論

采用MBBR工藝可在高有機負荷下處理淀粉糖廢水。工藝HRT可縮短至6 h，容積負荷可達到6～8 kg/(m3·d)，且工藝運行十分穩定，出水水質可達到《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)排放標準，性能遠優于活性污泥法。

對MBBR工藝生物填料和曝氣系統進行優化改進后，改性聚乙烯填料掛膜速度快，更易形成優質生物膜；填料運動有序，不會堵塞和結團，運行無死角，可進一步將MBBR工藝運行容積負荷提升至10～12 kg/(m3·d)，且運行穩定；改性聚乙烯填料性能遠優于K3填料，COD去除效率是活性污泥法的4倍以上。

MBBR工藝抗沖擊能力強、耐受性好的特點可適用于化工、醫藥等領域的廢水，MBBR工藝在這些領域的應用有諸多研究，在工業中應用較為普遍。但MBBR工藝的核心為填料，填料性能掛膜效果的好壞直接決定了MBBR工藝的性能。填料的造價相對較高，如果能夠研制造價成本低、掛膜效果好的填料，將進一步促進MBBR工藝在廢水處理中的應用。