CN113307379A - 一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜mbbr启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，包括：向高盐废水纯膜MBBR反应器内进行潮间带沉积物的接种步骤、填料挂膜步骤和生物膜的驯化步骤。采用本发明方法，通过接种潮间带沉积物，可以加速微生物在生物填料内部附着并成膜，缩短MBBR工艺的挂膜周期，促进生物膜菌群结构优化，提高系统整体耐盐水平，拓宽MBBR工艺在高盐废水中的应用范畴。本发明接种潮间带沉积物，可直接在盐度1‑4％条件下实现MBBR系统的快速启动，并维持系统的高效稳定运行，可有效的避免传统活性污泥在接种过程中，生物量流失严重，出水水质波动大等问题。

Description

一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动 方法

技术领域

本发明属于废水生化处理技术领域，具体涉及一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，尤其是能直接在特定高盐度条件下实现高盐有机废水纯膜MBBR处理系统的快速启动。

背景技术

20世纪以来，在经济社会不断发展的背景下，化工、制药、食品加工、采油等工业活动快速发展，产生了大量的处理难度极大的高盐废水，其排放量约占世界污水排放量的5％。这些高盐废水中有毒有害，难降解有机物的含量较多，若未经处理直接排放，势必会对自然水体环境，生活饮用水等造成极大的破坏。物化法因其较高的能耗和二次污染等问题而不及生化法。然而废水中难降解有机物和过高的无机盐的存在对微生物的生长代谢产生明显的抑制作用，特别是在高盐条件下会导致微生物细胞原生质分离，代谢酶活性受阻，并直接影响活性污泥的凝聚沉降性能，使得传统生物处理工艺的应用受到限制。此外，在高盐和难降解碳源的双重压力胁迫环境下，微生物通常会启动降低代谢与增殖速率的自我保护机制。在这种条件下，如何在生化工艺运行过程中避免细菌生物量的流失，是维持生化系统高效运行和系统处理效率稳定性的重要保障。

移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)是一种革新型生物膜反应器，该反应器内填料在混合液的回旋翻转作用下自由移动，能够促进微生物在填料表面大量富集，从而实现优势功能菌属的有效固定，并发挥其降解能力，相较于传统活性污泥法具有不可替代的优势，而如何实现特定功能微生物在填料上快速成膜，实现MBBR系统的快速启动，维持系统的高效稳定运行，是MBBR工艺高效处理高盐废水的关键所在。

目前，对于高盐生物膜工艺的启动主要是围绕传统活性污泥的驯化或是接种嗜盐菌两方面展开。通常采用盐度梯度驯化传统活性污泥处理高盐废水，这种方法启动周期较长，筛选出的适宜高盐废水的微生物，抗负荷、盐度冲击能力有限。而采用接种嗜盐菌的方法，存在着嗜盐菌的分离，培养操作繁琐，条件严苛，普通单位和个人难以实现，并且接种的嗜盐菌的生物构成比较简单，难以适应成分复杂的高盐有机废水等问题，例如：根据中国专利文件CN105152314A 公开了一种高盐废水MBBR处理系统中悬浮填料的挂膜方法，该方法通过在MBBR系统中接种 2.0-6.0g/L的耐盐微生物菌剂，控制体系内溶解氧2.0-6.0mg/L、pH＝6.0-9.0、水温15-45℃，采用同步培养或异步培养的方式直接在特定盐度下实现MBBR系统悬浮填料的挂膜，可以有效的缩短挂膜周期，同时一定程度上也可以提高微生物对盐度的耐受范围；但该方法需参照现有技术中耐盐微生物菌剂制备方法，预先分离筛选出适盐菌属，一定程度上增加了运行成本和操作难度。再比如，CN101723539A公开了一种高含盐废水处理或回用的方法及用途，主要是通过“预处理+高效曝气生物滤池+深度处理”的组合工艺来处理高盐废水，其中高效曝气生物滤池中接种美国某公司提供的工程菌群。该方法适用于高含盐废水处理回用以及现有工程改造升级。但是，需要投加美国的工程菌群才可以实现，应用受到一定限制。

因此，急需一种操作简单、挂膜迅速、应用面广、盐度耐受范围高的MBBR系统启动方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法。本发明在MBBR系统中接种潮间带沉积物，提高系统的整体耐盐水平，缩短启动周期，维持系统的高效稳定运行，拓宽高盐废水的生物处理范畴。

术语说明：

潮间带：是指平均最高潮位和最低潮位间的海岸，即海水涨至最高时所淹没的地方开始至潮水退到最低时露出水面的范围。

潮间带沉积物：是指在潮间带湿地挖取的沉积物，作为本发明的接种体，其中包含既能高效降解有机污染物又具有良好的耐盐能力的复合菌群。

VSS：挥发性悬浮固体，指微生物的含量。

TSS：总悬浮固体含量。

VSS/TSS：是指潮间带沉积物中微生物含量的比例。

MLSS：混合液悬浮固体浓度。

本发明的技术方案如下：

一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，包括：向高盐废水纯膜 MBBR反应器内进行潮间带沉积物的接种步骤、填料挂膜步骤和生物膜的驯化步骤。

根据本发明，优选的，所述的潮间带沉积物的盐度为1％-4％，优选2.5％-3.5％；

优选的，所述的潮间带沉积物的VSS/TSS＝0.08-0.18。

优选的，所述的潮间带沉积物取自潮间湿地表层0-5cm处。潮间带沉积物表面呈黄褐色或是深褐色，这种潮间带沉积物质感细腻，无明显的沙质感，与土壤相似。

根据本发明，潮间带沉积物取回后，因其中含有大量的无机颗粒，需在接种前进行预处理；

优选的，预处理步骤如下：

将潮间带沉积物置于容器中，用盐度＝3％的盐水浸润；按C：N：P＝100:5:1的比例(质量浓度比)添加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，控制进水COD为500mg/L，氨氮为25mg/L，磷酸盐浓度为5mg/L，控制其污泥浓度MLSS为10000mg/L，作为模拟废水，进行三次曝气；持续观察容器中COD在反应过程中的浓度变化，当COD去除率大于50％时，更换新的模拟废水，第一次曝气结束；重复上述操作进行第二次曝气，当COD去除率大于80％时，再次更换新的模拟废水，第二次曝气结束；重复上述操作进行第三次曝气，当容器中潮间带沉积物的VSS/TSS为 0.65-0.75时第三次曝气结束。

根据本发明，优选的，所述的潮间带沉积物的接种，在MBBR反应器内投加预处理后的潮间带沉积物。

根据本发明，优选的，所述的高盐废水MBBR反应器中潮间带沉积物的接种浓度80-120mg/L，优选100mg/L。

根据本发明，优选的，所述的填料挂膜步骤，按如下方法进行：

接种后，使高盐废水MBBR反应器内的填料完全浸没在含有潮间带沉积物的混合液中，充分曝气，使得填料刚好流化，采取间断流的方式，保证高盐废水MBBR反应器内具有充足的悬浮态生物量，促进生物膜的形成，进而实现高盐废水MBBR反应器的挂膜。

根据本发明，优选的，所述的填料挂膜步骤中对高盐废水MBBR反应器内添加营养及微生物生长所需的常量元素和微量元素；进一步优选的，所述的营养为模拟含盐废水，其中按C：N： P＝100:5:1的比例(质量浓度比)添加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，控制进水COD为 500-2000mg/L，氨氮为25-100mg/L，磷酸盐浓度为5-20mg/L。所述的常量元素和微量元素如表1所示：

表1常量及微量元素

元素	浓度(g/L)	添加比例(废水量：投加量)
			CaCl<sub>2</sub>	30	1000:1
MgSO<sub>4</sub>	25	1000:1
			FeSO<sub>4</sub>	20	1000:1
H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>	0.05	10000:1
			ZnCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1
CuCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1
			MnSO<sub>4</sub>	0.05	10000:1
(NH<sub>4</sub>)<sub>6</sub>Mo<sub>7</sub>O<sub>24</sub>	0.05	10000:1
			AlCl<sub>3</sub>	0.05	10000:1
CoCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1
			NiCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1

根据本发明，优选的，所述的生物膜的驯化步骤，按如下方法进行：

填料挂膜后，待高盐废水MBBR反应器内COD去除率大于80％时，改间断流为连续流，更换新的废水，仅留下填料及填料内部附着的生物膜，依据有机物去除率和混合液浊度(游离微生物细胞密度)来调整进水速率，加速生物膜的形成并促进菌群结构优化。

根据本发明，优选的，生物膜的驯化步骤之后，还包括工艺参数优化步骤；

在MBBR连续流处理高盐废水的过程中，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数以缩短系统启动期，并提高污染物削减效率；

所述的核心运行参数控制为：有机负荷2.0-4.0kgCOD/(m³.d)、水力停留时间12-24h，溶解氧浓度3.0-6.0mg/L，pH＝7.0-7.5。

根据本发明，还提供一种高盐废水MBBR反应器，包括生物反应装置、流化装置、筛网拦截装置、曝气泵和进料泵；

所述的生物反应装置为圆柱容器，用于盛放MBBR填料，生物反应装置设置有进水口和出水口；所述的流化装置包括铺满生物反应装置底部的圆形曝气盘和竖直设置在生物反应装置内的机械搅拌装置，流化装置便于均匀曝气以及辅助流化；所述的筛网拦截装置为内嵌式的栅栏结构，设置在生物反应装置的出水口处，防止填料对出水口堵塞；

所述的曝气泵通过管道与曝气盘连接，所述的进料泵通过管道与进水口连接。

根据本发明，优选的，所述的进水口位于出水口另一侧下方。

根据本发明，优选的，所述的生物反应装置为透明圆柱容器，高径比为(16-18)：(48-52)，进一步优选17：50。

根据本发明，优选的，所述的填料采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或上述物质利用酶促剂、亲水基团进行改性的材质；

优选的，填料的形状为中空圆柱体，包括内中外三层结构，内层为正六边形，正六边形的每个角向外延伸一尾翘，与中间第二层同心圆相连，内层和中间第二层向不同方向延伸出一条条竖棱；最外层为圆形，与第二层同心圆由12条尾翘相连，且其横截面由多个圆弧首尾相连而成。

根据本发明，优选的，所述的高盐废水MBBR反应器的运行参数为：

填料填充率为25％-45％，优选35％；

溶解氧浓度为2.0-7.0mg/L，优选3.0-5.0mg/L；

pH为6.0-9.0，优选7.0-7.5；

水温为15-25℃。

采用本发明方法，通过接种潮间带沉积物，可以加速微生物在生物填料内部附着并成膜，缩短MBBR工艺的挂膜周期，促进生物膜菌群结构优化，提高系统整体耐盐水平，拓宽MBBR工艺在高盐废水中的应用范畴。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明接种潮间带沉积物，可直接在盐度1-4％条件下实现MBBR系统的快速启动，并维持系统的高效稳定运行，可有效的避免传统活性污泥在接种过程中，生物量流失严重，出水水质波动大等问题；

2、本发明接种潮间带沉积物进行MBBR填料的挂膜，步骤简单，便于操作，可以跳过耐盐微生物菌剂的制备工作，便于工业化推广应用；

3、本发明与菌群结构单一的耐盐微生物菌剂相比，潮间带沉积物具有更高的菌群多样性与物种丰富度(如表2所示)，能够适应多种成分复杂的高盐有机废水；与传统活性污泥相比，潮间带沉积物中具有一些独特的、耐盐的功能微生物。

附图说明：

图1为本发明实施例1中高盐废水MBBR反应器的主体结构示意图，即MBBR装置示意图。

图2为本发明实施例1中高盐废水MBBR反应器中空白填料(A)及挂膜填料(B)的照片，即填料挂膜前后对比图。

图3为本发明实施例1的处理效果图，即接种潮间带沉积物的MBBR系统启动期处理效能图。

图4为本发明对比例的处理效果图，即接种活性污泥的MBBR系统启动期处理效能图。

其中：1、生物反应装置，2、筛网拦截装置，3、曝气泵，4、进料泵，5、填料，6、机械搅拌装置，7、曝气盘，8、进水口，9、出水口。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例中采用的潮间带沉积物采集地点为青岛市黄岛区海岸线，潮间带沉积物取自潮间湿地表层0-5cm处，潮间带沉积物表面呈黄褐色或是深褐色，这种潮间带沉积物质感细腻，无明显的沙质感，与土壤相似。潮间带沉积物的盐度为3％，所述的潮间带沉积物的VSS/TSS ＝0.24-0.34。潮间带沉积物、活性污泥微生物群落多样性分析结果如表2所示。

表2潮间带沉积物、活性污泥微生物群落多样性分析

实施例1

如图1所示，一种高盐废水MBBR反应器，包括生物反应装置1、流化装置、筛网拦截装置2、曝气泵3和进料泵4；

所述的生物反应装置1为透明圆柱容器，用于盛放MBBR填料5，生物反应装置1设置有进水口8和出水口9；所述的流化装置包括铺满生物反应装置1底部的圆形曝气盘7和竖直设置在生物反应装置1内的机械搅拌装置6，流化装置便于均匀曝气以及辅助流化；所述的筛网拦截装置2为内嵌式的栅栏结构，设置在生物反应装置1的出水口9处，防止填料5对出水口 9堵塞；

所述的曝气泵3通过管道与曝气盘7连接，所述的进料泵4通过管道与进水口8连接；

所述的进水口8位于出水口9的下方，所述的生物反应装置1的高径比为17:50；

所述的填料5采用聚乙烯材质，填料5的形状为中空圆柱体，包括内中外三层结构，内层为正六边形，正六边形的每个角向外延伸一尾翘，与中间第二层同心圆相连，内层和中间第二层向不同方向延伸出一条条竖棱；最外层为圆形，与第二层同心圆由12条尾翘相连，且其横截面由多个圆弧首尾相连而成。

所述的高盐废水MBBR反应器的运行参数为：

填料填充率为25％-45％，优选35％；

溶解氧浓度为2.0-7.0mg/L，优选3.0-5.0mg/L；

pH为6.0-9.0，优选7.0-7.5；

水温为15-25℃。

实施例2

如实施例1所述的一种高盐废水MBBR反应器，不同的是：

所述的生物反应装置1的高径比为16:48，所述的填料5采用聚丙烯材质。

实施例3

如实施例1所述的一种高盐废水MBBR反应器，不同的是：

所述的生物反应装置1的高径比为18：52，所述的填料5采用聚氨酯材质。

实施例4:

一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，包括使用实施例1所述的高盐废水MBBR反应器，包括：向高盐废水纯膜MBBR反应器内进行潮间带沉积物的接种步骤、填料挂膜步骤和生物膜的驯化步骤；

(1)潮间带沉积物预处理：潮间带沉积物取回后，因其中含有大量的无机颗粒，需在接种前进行预处理。将潮间带沉积物用盐水(盐度＝3％)浸润，保证其MLSS为10000mg/L，以乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾为培养基质，按C：N：P＝100:5:1的比例添加(质量浓度比)，开展三轮烧杯曝气实验。持续观察COD在反应过程中的浓度变化，当COD去除率大于50％时，更换新的废水，第一轮烧杯曝气实验结束；第二轮烧杯实验重复上述操作，当COD去除率大于 80％时，再次更换新的废水；以烧杯实验中潮间带沉积物的VSS/TSS约为0.7时作为第三轮烧杯曝气实验的终点。

(2)接种和填料挂膜：结合具体的高盐废水水质特征并根据需要补充营养及常量和微量元素，所述的营养为模拟含盐废水，其中COD为500-2000mg/L，氨氮浓度为25-100mg/L，磷酸盐浓度为5-20mg/L，所述的常量及微量元素如表1所示；向MBBR反应器内接种经过预处理的潮间带沉积物进行挂膜，接种浓度为100mg/L，使填料完全浸没在含有新型接种体的混合液中，充分曝气，使得填料刚好流化，挂膜初期采取间断流的方式，保证系统内具有充足的悬浮态生物量，促进生物膜的形成，进而实现MBBR系统的初步挂膜。

(3)生物膜驯化：待系统内COD去除率大于80％时，改间断流为连续流，更换新的废水，仅留下填料(含填料内部附着的生物膜)，以有机物去除率和混合液浊度(游离微生物细胞密度)来调整进水速率。逐步提高有机负荷，加速生物膜的形成并促进菌群结构优化。

(4)工艺参数优化：在MBBR连续流处理高盐废水的过程中，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数，控制有机负荷2.0-4.0kgCOD/(m³.d)、水力停留时间 12-24h、溶解氧浓度3.0-6.0mg/L、pH值7.0-7.5，以缩短系统启动(挂膜)期，并提高污染物削减效率。

本实施例中MBBR反应器进水盐度为3％、溶解氧浓度为3.0-6.0mg/L、pH为7.0-8.0、水温为20-25℃、填料填充率30％。

试验例1

本按照实施例4的方法对高盐废水进行处理，处理效果图如图3所示。由图3可知，MBBR 工艺处理高盐废水启动期内SCOD去除率可以达到84％，氨氮去除率可以达到99％。待系统稳定运行后，优化系统核心参数，调节进水TOC为650mg/L、氨氮浓度为100mg/L，MBBR系统TOC、氨氮去除率分别可以达到95％和98％。

对比例

如实施例4所述，不同的是：

将潮间带沉积物替换为传统好氧活性污泥。

效果实验：

使用传统活性污泥启动MBBR高盐处理系统，进水COD浓度为500mg/L，氨氮浓度为25mg/L，磷酸盐浓度为5mg/L。启动第13天，可以观察到填料表面附有较薄的生物膜，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数，控制有机负荷2.0kgCOD/(m³.d)、水力停留时间12-24h、溶解氧浓度3.0-6.0mg/L、pH值7.0-7.5。待系统启动30天后，MBBR系统TOC 去除率为84.2％；氨氮去除率为57％，其处理效果如图4所示。可以看出，总体效果显著低于接种潮间带沉积物的MBBR系统。

Claims (10)

1.一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，包括：向高盐废水纯膜MBBR反应器内进行潮间带沉积物的接种步骤、填料挂膜步骤和生物膜的驯化步骤。

2.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的潮间带沉积物的盐度为1％-4％，优选2.5％-3.5％；

优选的，所述的潮间带沉积物的VSS/TSS＝0.08-0.18。

3.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的潮间带沉积物取自潮间湿地表层0-5cm处；

优选的，潮间带沉积物取回后，在接种前进行预处理，预处理步骤如下：

将潮间带沉积物置于容器中，用盐度＝3％的盐水浸润；按C：N：P＝100:5:1的比例(质量浓度比)添加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，控制进水COD为500mg/L，氨氮为25mg/L，磷酸盐浓度为5mg/L，控制其污泥浓度MLSS为10000mg/L，作为模拟废水，进行三次曝气；持续观察容器中COD在反应过程中的浓度变化，当COD去除率大于50％时，更换新的模拟废水，第一次曝气结束；重复上述操作进行第二次曝气，当COD去除率大于80％时，再次更换新的模拟废水，第二次曝气结束；重复上述操作进行第三次曝气，当容器中潮间带沉积物的VSS/TSS为0.65-0.75时第三次曝气结束。

4.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的潮间带沉积物的接种，是在MBBR反应器内投加预处理后的潮间带沉积物。

5.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的高盐废水MBBR反应器中潮间带沉积物的接种浓度80-120mg/L。

6.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的填料挂膜步骤，按如下方法进行：

接种后，使高盐废水MBBR反应器内的填料完全浸没在含有潮间带沉积物的混合液中，充分曝气，使得填料刚好流化，采取间断流的方式，保证高盐废水MBBR反应器内具有充足的悬浮态生物量，促进生物膜的形成，进而实现高盐废水MBBR反应器的挂膜。

7.根据权利要求6所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的填料挂膜步骤中对高盐废水MBBR反应器内添加营养及微生物生长所需的常量元素和微量元素；所述的营养为模拟含盐废水，其中按C：N：P＝100:5:1的比例(质量浓度比)添加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，控制进水COD为500-2000mg/L，氨氮为25-100mg/L，磷酸盐浓度为5-20mg/L；

所述的常量元素和微量元素如表1所示：

表1常量及微量元素

元素 浓度(g/L) 添加比例(废水量：投加量) CaCl₂ 30 1000:1 MgSO₄ 25 1000:1 FeSO₄ 20 1000:1 H₃BO₃ 0.05 10000:1 ZnCl₂ 0.05 10000:1 CuCl₂ 0.05 10000:1 MnSO₄ 0.05 10000:1 (NH₄)₆Mo₇O₂₄ 0.05 10000:1 AlCl₃ 0.05 10000:1 CoCl₂ 0.05 10000:1 NiCl₂ 0.05 10000:1

。

8.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的生物膜的驯化步骤，按如下方法进行：

填料挂膜后，待高盐废水MBBR反应器内COD去除率大于80％时，改间断流为连续流，更换新的废水，仅留下填料及填料内部附着的生物膜，依据有机物去除率和混合液浊度(游离微生物细胞密度)来调整进水速率，加速生物膜的形成并促进菌群结构优化。

9.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水纯膜MBBR启动方法，其特征在于，生物膜的驯化步骤之后，还包括工艺参数优化步骤；

在MBBR连续流处理高盐废水的过程中，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数以缩短系统启动期，并提高污染物削减效率；

所述的核心运行参数控制为：有机负荷2.0-4.0kgCOD/(m³.d)、水力停留时间12-24h，溶解氧浓度3.0-6.0mg/L，pH＝7.0-7.5。

10.一种高盐废水MBBR反应器，其特征在于，包括生物反应装置、流化装置、筛网拦截装置、曝气泵和进料泵；

所述的生物反应装置为圆柱容器，用于盛放MBBR填料，生物反应装置设置有进水口和出水口；所述的流化装置包括铺满生物反应装置底部的圆形曝气盘和竖直设置在生物反应装置内的机械搅拌装置，流化装置便于均匀曝气以及辅助流化；所述的筛网拦截装置为内嵌式的栅栏结构，设置在生物反应装置的出水口处，防止填料对出水口堵塞；

所述的曝气泵通过管道与曝气盘连接，所述的进料泵通过管道与进水口连接。

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