复合耐盐微生物菌剂强化MBBR工艺处理高盐废水

摘要：在移动床生物膜反应器（ MBBＲ） 中接种SEM 复合耐盐微生物菌剂，研究5% ～ 10%盐度条件下悬浮填料的挂膜启动及其对高盐废水的强化处理效果。实验结果表明，MBBＲ 在高盐环境下能够顺利挂膜，其挂膜效果受盐度及无机盐种类的影响：较高盐度下成功挂膜所需的周期更长，同一盐度下NaCl 体系挂膜效果优于Na2 SO4体系。MBBＲ 处理羧甲基纤维素生产废水效果优于活性污泥法：进水盐浓度均为5% ～ 7%，当进水COD 5 343 mg /L 时，MBBＲ 出水COD 小于300mg /L，经絮凝后低于100 mg /L，容积负荷高达2. 67 kg COD/（ m3·d） ，而活性污泥法在进水COD 3 563 mg /L 时，出水COD小于400 mg /L，经絮凝后低于150 mg /L，容积负荷仅为1. 68 kg COD/（ m3·d） 。MBBＲ 生物膜处理体系稳定性及去除能力更高，能够抵抗较高盐度范围波动、有机负荷等的冲击。

关键词：复合耐盐微生物菌剂高盐生物膜高盐废水挂膜启动MBBＲ

高盐废水是指总含盐质量分数至少1% 的废水，有时甚至高达15% ～ 30%，处理难度极大，且总量巨大并有逐年递增的趋势，其广泛产生于化工、制药、制革、食品、采油、海产品加工、海水代用等众多工业实践中［1-5］。此外，废水中还含有大量有毒有害、难降解有机物，物化法处理需要很高的能耗成本，且易产生二次污染，因此，生化处理技术仍是首选。

目前，高盐生化处理主要集中在活性污泥法，而其应用受限于废水中的高含盐量［6-8］。普通的活性污泥经过盐度梯度驯化，能处理盐度低于5% 的废水；当盐度高于5%，高盐活性污泥体系将会很不稳定，如：污泥沉降不佳、粘性膨胀、系统大面积漂泥、处理效果急剧下降等；此外，即使盐度低于5% 时，盐度、进水负荷等的过度波动易导致高盐活性污泥系统的冲击，如：菌胶团解体、微生物胞外聚合物增多、原生动物急剧减少、出水浑浊等。

针对此类问题，国内外研究逐步从高盐活性污泥法拓展到生物膜法，将微生物固着于特定载体，不易随水流失，形成的高盐微生物体系更加复杂，生物多样性显著高于活性污泥法。目前研究较多的是生物接触氧化［9］、生物滤池［10］以及生物流化床［11］等，对于新型的移动床生物膜反应器（ moving bed biofilmreactor，MBBＲ） 处理高盐废水的研究则较少。MBBＲ 是生物接触氧化和生物流化床的完美结合，形成的生物膜体系，在提高系统生物量的同时，增强污染介质与微生物的接触，提升整个反应体系的处理效能和抗冲击能力［12］。MBBＲ 不仅克服活性污泥法占地面积大、易出现污泥膨胀以及污泥流失等缺点，还解决了固定床生物膜法需定期反冲洗、清洗滤料和更换曝气器等复杂操作问题，克服了流化床使载体流化动力消耗过大的缺点。

MBBＲ 高效运行的核心是悬浮填料的迅速挂膜，目前研究主要集中在盐度3% ～ 5% 以下活性污泥的成膜［13-16］，且均是通过盐度和有机负荷的梯级驯化，逐步挂膜，形成的高盐生物膜体系，能够直接处理盐度小于5% 的废水，但系统稳定性易受水质波动、操作条件等的干扰，此外，随着盐度的继续提升，系统也将出现脱膜、失稳等现象。

因此，本研究基于MBBＲ 平台，区别于传统的挂膜培养及驯化方式，直接接种特定盐度条件下的复合耐盐微生物菌剂，采用“异步培养驯化+周期性排泥”的方式进行快速挂膜，并考察其直接处理盐度高于5% 实际工业废水的能力，解决目前高盐活性污泥系统的稳定性、污泥沉降性差以及普通高盐生物膜的耐盐极限等问题。用于指导相关企业高盐废水的达标排放，具有较高的理论及应用价值。

1 材料与方法

1. 1 实验装置

本研究采用MBBＲ 装置（ 见图1） ，由有机玻璃加工制作而成，上部为圆柱形，底部呈圆锥体，内径150 mm，有效高度500 mm，单侧电磁式曝气供氧，有效容积为6 L。挂膜载体选取3 种规格的柱形悬浮填料，为改性的聚乙烯材质，尺寸分别为：∮10 mm× 8 mm、∮25 mm × 12 mm 和∮50 mm × 32 mm，填充比为30% ～ 50%。实验采用间歇工艺运行，周期为24 h，曝气运行22 h，其余2 h 为进水、静置沉淀及排水时间，每日进水方式根据挂膜效果和废水处理效能分为单次和分批投加。

1. 2 耐盐微生物菌剂

接种耐盐菌剂采用中蓝连海设计研究院自主研发的SEM 复合耐盐微生物菌剂，见专利《一种制备耐盐微生物菌剂的方法》［17］。该菌剂含有几十种耐盐、嗜盐微生物，能够直接用于总盐1% ～ 20% 高盐废水的生化处理，具有很强的抗盐度冲击能力。

1. 3 实验用水

MBBＲ 装置启动及挂膜初期采用模拟高盐废水，外加碳源由甲醇、葡萄糖和苯酚混合配制而成，N、P、K 源分别由NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4提供，同时补加一定微量元素，盐度水平根据具体挂膜实验由NaCl 和Na2SO4分别控制。挂膜成熟后直接用于实际高盐废水的处理，废水取自江苏某公司羧甲基纤维素（ carboxymethyl cellulose，CMC） 生产废水，具体水质特征为：TOC 浓度6 505 ～ 8 510 mg /L，COD浓度15 285 ～ 22 596 mg /L，Cl － 浓度27 499 ～ 31 303mg /L，总盐69 260 ～ 71 890 mg /L。

1. 4 MBBR挂膜

接种SEM 复合耐盐菌剂后，首先在装置中培养出耐盐活性污泥，待污泥浓度增至3 ～ 5 g /L 时，投入填充比30% ～ 50%的悬浮填料进行挂膜培养。

挂膜培养分为异步培养、同步培养两种方法，异步培养法是对细菌先培养后驯化，同步培养法即培养和驯化细菌同时或交替进行。实验采用“同步、异步培养驯化+ 周期性排泥法”2 种方式对照进行，进水COD 浓度及盐度保持一致，同步方式采用20%比例的CMC 废水+ 模拟高盐配水，异步方式完全采用模拟高盐配水，比较其生物膜成型快慢，确定高盐体系下悬浮填料最佳挂膜及驯化方式。

最佳挂膜方式确定后，分别采用5%、10% NaCl及Na2SO4 4 种盐度条件对MBBＲ 进行挂膜研究。挂膜期间，盐度保持4 个水平不变，通过不断提升进水负荷和优化参数条件，在6 L 反应器中直接构建出高盐生物膜体系，主要考察盐度高低、盐种类及填料尺寸对挂膜效果的影响。

1. 5 MBBR处理实际高盐废水

基于MBBＲ，逐步添加模拟高盐配水及基质营养，使得生物膜逐步增厚，待其完全附着于悬浮填料且具有一定去除效果时，按10% ～ 20% 的递增比例投加实际高盐废水（ CMC 废水） 进行梯级驯化，强化生物膜结构及性能，考察废水TOC、COD、浊度等去除效果，同时比较其与活性污泥法处理实际高盐废水效能的高低，以及2 种处理体系内部微生物相的不同。此外，将高盐MBBＲ 及活性污泥法出水经聚合氯化铝（ PAC） 和聚丙烯酰胺（ PAM） 的双重作用，浊度得到进一步去除，PAC 与PAM 依次先后投加，比较絮凝剂的用量及去除效果。

1. 6 分析项目及方法

废水主要分析项目及方法［18］，TOC：燃烧氧化-非分散红外吸收法（ TOC 自动分析仪） ；COD：重铬酸钾法；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；TP：钼锑抗分光光度法；Cl － ：硝酸银滴定法；SO2 －4：铬酸钡分光光度法；总盐：重量法；生物相：倒置显微镜DFM-60C；膜厚：激光共聚焦显微镜CarlZeiss LSM710；浊度：便携式浊度仪Turb 430。

高氯废水COD 测定应注意消除高Cl － 的影响，采用低浓度重铬酸钾法进行氧化［19］；溶解氧检测应开启盐度校正；MLSS 测定应注意污泥清洗。

2 结果与讨论

2. 1 高盐MBBＲ 快速挂膜效果分析

2. 1. 1 挂膜方式对MBBＲ 挂膜效果的影响

根据1. 4 所述，实验共运行20 d，填料的挂膜厚度与COD 去除情况见图2。分析可知：采用异步培养驯化方式，生物膜增厚率及COD 去除水平明显高于同步方式，运行10 d，异步方式的膜厚达0. 2 mm，COD 去除率40%，填料初步挂膜完成，而同步方式则滞后10 d。

实验将污泥培养与驯化分开进行，排泥期分3段：挂膜初期4 d；微生物粘附生长期2 d；生物膜成熟期1 d。其中，每次的排泥比例逐步增大，最终装置内部的高盐污泥全部排出，生物膜成型。