自動清洗高效生物膜反應器設計與性能

魯加祥，魯奇

(國電清航瑞恒江蘇環保科技有限公司，江蘇 鹽城 224300)

0 引言

本項目根據我國農村生活污水治理的實際情況和特點，將曝氣式生物濾池與生物膜反應器之優勢相融合，設計生物處理與過濾合一的自清洗高效生物膜反應器，對正常操作狀態下，在有機物負載情況下，反應器的啟動及其效果、好氧區與過濾區的作用、自清洗前后生物膜特性和污物去除特性進行了研究。本項目將為新型自清洗高效生物膜反應器的設計及其在我國農村生活污水治理中的實際應用提供一定參考。

1 自清洗反應器的設計

本項目擬將MBBR 與BAF 聯用，生物膜基體以大孔隙顆粒狀懸浮填料實施，利用BAF 的充填模式，將傳統的BAF 充填比例從40%～65%提升到90%以上，從而構筑出具有自主知識產權的新型的自潔、高效、集成化生物膜反應器。反應器呈圓柱狀，高0.42 m，內徑0.281 m，容積15 L，好氧功能區和過濾功能區用一塊高0.25 m 的有機玻璃隔板分開，在隔離層的底面和反應釜的底面之間，留出0.04 m 的距離，為過水及自清洗填料流化留出一定的空間。在隔板的上方，留出充足空間，以供在自清洗時的填料流化使用。該工藝在常規工況下，填充量為90%，以堆積型和懸浮型為主，因隔膜的阻擋，將其分為上下兩部分。廢水經上游進入好氧區曝氣后，過濾區接收自隔膜下方進入的堆積型填料，從下游排出堆積型大孔隙的填充型填料。在不同的水質條件下，系統的HRT 可隨水質的變化而變化。針對高填充率的填料易發生阻塞而導致的系統性能下降等問題，本項目擬采用每日1 h 的自潔周期，即在沖洗初期，將原有廢水連續灌入，并將其提升到反應器上部溢流口處。這時，當填充率降低到60%時，增加好氧區通氣量，通過水流沖洗及通氣，將填料從好氧區上部流向過濾區。繼續通過水流沖洗，將過濾區中的填料從隔板下部回流到好氧區，從而實現兩個功能區之間的填料循環流動。并利用水流的剪切，將被沖洗后的殘渣及其他雜物從流出水中排放出去。在循環的自凈作用完成后，通水口開啟，水平面降低到原來的水平，將剩余的污水排放出去，使填充物恢復到原來的懸空和聚集狀態，從而達到正常的工作方式。

利用BAF 具有的高填充率、自帶過濾和周期性沖刷等特性，在提升MBBR 單元容量的同時，在循環自洗階段增加曝氣量，降低MBBR 因維持高曝氣量而帶來的能量損耗。從BAF 的角度出發，利用MBBR中的顆粒空隙大等優點，大大提高了BAF 中的微生物生存空間，并采用了該濾池的自潔式循環流化技術，很好改進了濾池內之反沖洗效果。該反應器將兩種污水處理技術結合起來，生成了小型分散式裝置的一體化，并在農村生活污水的處理中得到很好的運用，使有機物去除、脫氮及懸浮固體的效果得到了較好的保證。

2 項目分析和檢測方法

2.1 常規水質檢測之法

在本系統運轉期間，每日對兩個區域的入水中和出水中的樣品進行日常監測，監測結果根據《水和廢水檢測分析方法》(第4版) 中規定的監測結果為準，監測和分析方法如表1 所示。

表1 常規指標檢驗方法和檢驗儀器

2.2 生物膜之特性分析法

利用倒置熒光顯微鏡(Olympus，IX71)來對在懸浮填料表面上的生物膜厚度進行測定。將懸浮填料從反應器中撈出后，用去離子水沖洗。然后，切割為1 mm厚的片狀，置放在10 倍倒置熒光顯微鏡下觀測。參數設定好后，可以進行多個視角的選擇，對其厚度進行測量，然后拍攝。在本實驗裝置中，以每單位體積的懸浮體上的生物膜質量為測量標準，并通過稱重方法來測量，具體做法是：將一定量的填充物用DI 水反復沖洗三遍，沖洗干凈填充物表面的污垢；然后用抹布沾上DI 水，用刷子將填充物上的生物薄膜從填充物上刮下來；再用一定量的濾紙將其過濾，然后放到105 ℃的烤爐里烘至恒重，冷卻后稱量；最后將烘至恒重的濾紙去掉，就是生物薄膜的質量。

2.3 測定生物量方法

以每體積懸浮填充料上的生物膜的質量，也就是MLSS(混合液沉淀液)為本反應器中的生物量，并通過稱重方法進行測量。具體做法是：將一定量的填充物用去離子水反復沖洗三遍，沖洗干凈填充物表面的污垢，然后用棉花棒和去離子水用刮刀將填充物上的生物膜刮下來，再用一定量的濾紙將其過濾，放在105 ℃的烤爐中烘干至恒重，冷卻后將其放到干燥器皿中，烘至恒重，將其與濾紙進行對比，得到的結果就是生物膜的重量。

2.4 反應器運行時好氧和過濾區作用

采用Nexcope，NIB910FL(倒置熒光顯微鏡) 技術測定生物膜表面的厚度情況，并對生物膜進行形態分析。通過對好氧區與過濾區進行放大10～50 倍的顯微觀察，可以看到在好氧區生物膜較過濾區要厚實，顆粒更大，聚集更多，這是因為在好氧區DO 和基質條件較好，使得硝化細菌與異養細菌快速繁殖，從而使其形成更厚的生物膜。過濾區是一種低氧環境，可獲得的有機質相對于好氧區而言很低，所以過濾區的生物膜也要薄于好氧區。此外，還表明在載體中，角部和脊部的膜層厚度顯著厚于載體內表面的膜層，這說明載體中的膜層具有更好的耐腐蝕性能。通過對兩個功能區中生物量和生物層厚度的觀測，可以看出：好氧區中生物層的平均厚度為263.65 μm±91.47 μm，高于過濾區(186.68 μm±57.68 μm)1.40 倍。這一結果的出現將確保好氧區的生化性能穩定，并增強其對外界因子的適應性，從而增強其對外界因子的響應。過濾區中，除原有在缺氧條件下生長的填充劑外，好氧區中的填充劑也通過自潔過程流化進入過濾區，這些填充劑具有好氧區中的一些生化作用。在好氧區中，有機物沒有完全被處理的情況下，可以對有機物進行二次降解，但其可利用的養分較少，溶解氧濃度偏低，導致了生物膜的生長速度較慢，且比不上好氧區，生物量和生物膜厚度少于好氧區。

3 反應器啟動及其運行性能

3.1 反應器啟動及其效果

在啟動反應器時，操作使用的是污水處理廠原有的實際污水流，最初的污水循環為低負荷，3 h 為空床水力停留時間，系統穩定后就可逐漸增加進水負荷。進水達到以下條件：COD 為339.2 mg/L±93.2 mg/L；為46.3 mg/L±12.1 mg/L；TSS 為123.1 mg/L±30.9 mg/L。在啟動自清洗高效生物膜反應器的第10 d，同步上升的COD 和的去除率趨勢明顯，并最后將80%和90%以上的去除率保持，這表明該系統能較好地適應于水質波動較大的污水。

3.2 自清洗前后之生物膜特性

在實際應用中，由于90% 以上的填充量使得反應器不能像MBBR 那樣迅速地進行生物膜的更新，使反應器內迅速積累大量的微生物，導致了反應器的堵塞。當生物膜的厚度增大時，吸附在載體上的菌體對侵蝕的耐受性增強。在該工藝中，填料在流化床中流動，空氣中的撞擊和流體的剪切作用將顆粒上的微生物和懸浮顆粒清除，只剩下耐撞擊的生物膜。這樣當進行系統的自潔時，可以有效地解決填料的阻塞問題，并將許多的生物膜和被攔截的懸浮物迅速除去，防止因被覆蓋或被攔截的懸浮物太多而引起的底質傳遞效率下降，進而引起硝化性能下降的問題。

3.3 自清洗前后污物去除特性

為探討自清洗過程對系統除去污染物性能的影響，科研人員在不同階段進行了7 次自清洗前后系統沿程試驗，考慮到該系統的生化功能以降解有機物和硝化作用為主，故沿程試驗是在填料流化狀態下(填充率為60%) 連續曝氣3 h 的狀況下，對自清洗前后微生物比SCOD 降解速率和比硝化速率的變化進行分析。目前，大部分的分析都使用了人工合成廢水來進行實驗，雖然在合成廢水中，NH4+-N 和有機物等主要污染物的含量，與真實的污水相比可能沒有太大的區別。然而，由于忽略了微量元素、有機物組成及水質干擾等對系統產生的影響，對試驗結果的可靠性造成了很大的影響，所以試驗時對各運行階段的實際進水污水進行了直接使用。

在自清洗前后，系統比SCOD 降解速率和比硝化速率的變化，可通過配對t 檢驗，進行關聯性分析。分析后發現，平均比SCOD 降解速率由自清洗前的5.6 gSCOD/(m2·d)±2.76 gSCOD/(m2·d)上升，為自清洗后的6.99 gSCOD/(m2·d)±2.64 gSCOD/(m2·d)，平均比硝化速率由自清洗前的0.79上升到了清潔后的利用配對t 檢驗可以得出，比SCOD降解速率為0,055、0.041(p＜0.05)，從而確認了在自清洗后，比SCOD 降解速率和比硝化速率都有明顯的提高。過度生長的生物膜在自清洗過程中被洗出反應器，有效解決料堵塞問題。同時也洗脫了一些已經衰亡之生物膜，從充足的空間方面為新生生物膜的生長提供了條件，生物膜的更新換代能夠更好地實現，促使載體表面的傳遞效率及營養物質的利用率得到了顯著提高，從而使反應速率得到了提高，進一步證明了需要維持系統高效處理能力，自清洗過程不能省略。

好氧區對COD 的脫除貢獻分別為59.93%±11.22%對的脫除貢獻分別為66.87%±12.89%，對TIN 和TSS 的脫除貢獻分別為31.11%±16.21%，對TSS 和TSS 的脫除貢獻分別為63.89%±15.88%，它們是整個體系的主反應區，對體系中的大多數有機質降解和硝化和反硝化過程起到了主導作用。過濾區是副反應區，除對三類固體廢物進行截流和隔離外，還對其進行了強化生化處理，以確保出水質量達到標準。

相對于過濾區，好氧區的珍稀物種類更多，生物多樣性也更高。在好氧區中，變形菌、厚壁菌在過濾區相對豐富；在過濾區中，綠彎菌門、放線菌門在其中的含量相對豐富。同時在好氧區中，變形菌門的數量則隨氣溫的下降而明顯增多。

4 結語

自清潔型BF 在常規工況下存在著高填充率和不能流動等問題，無法有效更新BF。而通過系統的循環自清潔，能夠使 BF 周期更新，從而保持系統的高效率和高穩定性，促使污染物去除能力維持在穩定的水平。