多段式膜生物反应器高效处理高盐废水研究★

虞素飞，张斌超，李云峰

（上海问鼎环保科技有限公司，上海 201612）

高含盐废水是总含盐质量分数不小于1%的工业或生活废水，其来源和组成差异较大，通常含有高浓度的有机物和大量的Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-等可溶性无机盐离子[1]。近年来，工业过程产生的高盐废液排放量逐渐增加，我国高盐废水的产生主要集中在冶炼行业、石油行业和化工行业生产过程中，占全部废水排放总量的5%以上，现仍以2%的增长量逐年上升，高盐废水相对于其他种类废水处理难度更大、设备投资成本高、运行成本高等。高盐废水的处理和资源化备受关注。

目前，绝大多数高盐废水依旧采用离子交换、蒸发浓缩及膜蒸馏等物理化学方法进行处理，但不容忽视的是由于高盐废水成分的复杂性而导致的处理难度大及处理成本高等劣势依旧不容忽视[2]。基于此，处理效率高、可有效避免二次污染及成本较低的生物法引起了大家的关注。Tomie 等采用生物法在5 h 内将含钠和二甲基苯酚的合成盐水中的有机物去除90%以上[3]。Chen 等[4]通过驯化耐盐的异养硝化菌处理高盐有机氨氮污水，结果显示COD、氨氮与总氮的去除效率分别达到97%、99%与98%以上。Boopathy等[5]采用SBR 反应器控制好氧/厌氧的交替模式，成功在高盐废水下实现了COD 和TN 的去除。然而，不容忽视的是，由于耐盐菌驯化需要较长时间导致的反应器启动时间较长，启动后污泥流失较严重的问题依旧亟待解决。

基于此，本工艺中加入多段式填料为耐盐微生物提供附着位点，有效解决了传统生物反应器常见的污泥流失及启动较长的劣势。此外，本工艺具有的高微生物负载量、高负荷、反应器多段筛选耐多功能盐菌群、降低土建投资工程及消减剩余污泥方面的优势，为高盐废水的处理提供了一种全新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置见图1。本工艺采用四格式生物反应器（长×宽×高=312 mm×312 mm×415 mm，反应器设置安全高度为70 mm），本工艺采用连续进水的模式。压缩空气由电磁式空气泵（型号ACO-010，功率200 W）提供（曝气头位于有效液位下60 cm），表观上升气速在1.25 cm/s 左右。装置置于室温下运行，工艺模式主要为前置反硝化，即第一格室设置为搅拌，三四格室设置为曝气。泥水混合物回流比设置为50%。

图1 试验装置

1.2 接种污泥及进水水质

反应器启动时接种实验室其他SBR 中强化脱氮的活性污泥，起始MLSS 约为4 000 mg/L。此后，为加速反应器内挂膜进程，在运行的第7 天再次接种20%（质量分数）污水厂具有脱氮除有机物能力的活性污泥。整个运行过程中，反应器进水均为模拟污水，由乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾提供碳、氮、磷源[COD∶ρ（N）∶ρ（P）=100∶5∶1]，COD 为600 mg/L，容积负荷为2.4 kg/（m3·d），具体组分参考龙焙等推荐的配方[6]。整个试验过程中，反应器内的盐度保持在2%左右（由NaCl 提供）。

1.3 分析项目及测试方法

COD、氨氮、亚硝态氮、TP、pH 等均采用国家标准分析方法测定，硝态氮采用麝香草酚分光光度法；MLSS、MLVSS 采用标准方法；污泥的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）采用热提取法，具体操作可见Adav 等[7]已发表成果。提取的EPS中的蛋白质（PN）测定采用考马斯亮蓝试剂法[8]，多糖（PS）测定采用硫酸-苯酚法[9]。总无机氮（TIN）为氨氮、硝态氮、亚硝态氮三者之和。

2 结果与讨论

2.1 污泥理化性质变化

2.1.1 MLSS 及MLVSS/MLSS

前7 d 内MLSS 整体呈现增大趋势（图2-1），主要原因是由于加入了20%（质量分数）的成熟AGS。此后，随着反应器的逐步稳定及微生物对盐度的逐步适应，MLSS 的变化逐渐趋于稳定，最终基本稳定在5 000 mg/L 左右。MLVSS/MLSS 整体呈现上升趋势，表明在驯化过程中，耐盐微生物的菌群生长繁殖是非常旺盛的，也显示了填料对于微生物良好的附着效果，最后MLVSS/MLSS 基本稳定在0.55 左右，表明在这一系统中微生物菌群已经基本稳定，耐盐微生物的生长及代谢达到了一种动态平衡。

2.1.2 EPS 及PN/PS

前7 d 内EPS 整体呈现波动趋势（图2-2）。推测是由于前期微生物环境的改变需要一段时间来适应，因此EPS 的分泌并无显著变化。7 d～18 d 内EPS 整体呈增长趋势，推测主要是由于微生物需要通过大量分泌EPS 保护自身，从而保证自身留在反应器内。此后，EPS 稳定在101.80 mg/g～109.52 mg/g 之间，表明大量微生物已经成功地附着在挂膜填料上，这与之前的推测保持一致。前7 d 内PN/PS 的波动变化较大，主要原因还是微生物为使自身适应新环境而间歇性的分泌多糖和蛋白质类物质。此后，PN/PS 呈现明显的下滑趋势，基本维持在0.5～0.8 之间，表明在耐盐微生物反应器中，多糖类物质是更有利于微生物的挂膜和生存的，也更有利于自身留在反应器内。

图2 培养过程中污泥理化特性变化

2.2 反应器对污染物的去除效果

2.2.1 COD 及TP 去除

前10 d 内出水COD 整体呈现减小趋势（96.60 mg/L～8.40 mg/L，图3-1），对应的COD 去除率则整体呈增大趋势（83.89%～97.67%）。此后，出水COD变化趋于平缓，基本保持在25 mg/L 左右，去除率保持在90%以上。出水TP 整体呈缓慢减小趋势（图3-2），10 d 开始出水TP 基本保持在0.4 mg/L 左右。其对应的去除率在前13 d 内呈增大趋势（74%～97%），此后基本保持在90%以上。表明反应器对高盐环境下的COD、TP 均表现出较好的去除效果。

图3 污染物去除效果

2.2.2 脱氮效果

前20 d 内出水TIN 呈现逐渐下降趋势（图3-3），对应的去除率呈现增大趋势（85.89%～94.67%）。此后，出水TIN 逐渐趋于稳定，基本维持在2 mg/L 以下，去除率也基本维持在90%以上。反应器对氨氮表现出较好的去除效果，前20 d 出水氨氮呈现逐渐减小的趋势，这期间氨氮是出水TIN 的主要贡献者。此后，出水氨氮基本稳定在0.8 mg/L 左右。整个运行过程中，出水亚硝态氮未出现明显的积累，出水亚硝态氮基本维持在0 mg/L 左右。出水硝态氮浓度在前15d 呈现波动变化的趋势（1.52 mg/L～3.09 mg/L），此后，出水硝态氮浓度逐渐趋于稳定，基本维持在2 mg/L以下，并逐渐取代氨氮成为出水TIN 的主要贡献者。

2.3 多段式膜生物反应器的启动及处理效果分析

多段式膜生物反应器采用多格室的反应器，各格室分工明确处理各自的污染物。第一格室中主要功能为脱氮，其中采用前置反硝化的工艺模式有效减少了剩余污泥的产生，使得COD 更多的利用与反硝化过程的脱氮。同时，三四格室中大量的曝气也有利于污水中氨氮的氧化，使得多段式反应器在脱氮除磷方面均表现出极佳的处理效果。同时，结合膜生物反应器的优势，使得大量难以富集的耐盐微生物能够留存在反应器中，并有利于快速启动耐盐微生物反应器。此外，多段梯度式的设计能够筛选出优势菌群，并在反应器内形成完成的生物链，有效抵御原水水质、水量变化对反应器的冲击。

3 结论

1）通过培养过程中接种部分富含耐盐菌的活性污泥，结合多段式反应器的优势，可在10 d 左右成功启动高效耐盐生物反应器。反应器稳定运行后，MLSS基本稳定在5 000 mg/L 左右，表明多段式污泥反应器在减少剩余污泥存在明显优势。与之对应的MLVSS/MLSS 也基本稳定在0.55 左右。EPS 和PN/PS在10 d 后也基本稳定在101.80 mg/g～109.52 mg/g MLSS 和0.5～0.8 之间，表明在高盐废水中，多糖类物质对于维持反应器的稳定存在至关重要的作用。

2）基于多段式膜生物反应器的优势，经过驯化的微生物在2%的高盐环境依旧显示出优良的脱氮除磷特性，对COD 的处理也表现出极强的处理效果。出水COD 基本维持在25 mg/L 以下，去除率可稳定维持在90%以上。出水TIN 也可稳定维持在2 mg/L 以下，去除率可以达到95%以上。出水TP 可维持在0.4 mg/L以下，去除率可稳定在95%以上。