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。
2. 1. 2 盐度及盐种类对MBBＲ 挂膜效果的影响
通过观察各MBBＲ 中悬浮填料的挂膜效果可知（ 见图3） ：5% 及10% NaCl 条件下的生物膜要比Na2SO4条件下的厚，且颜色更深，这表明SO2 －4对微生物的抑制作用远高于Cl － ，使得微生物生长缓慢，生物膜短期内较难增厚；此外，5% NaCl 及Na2SO4条件下，反应器运行7 d 后，悬浮填料表面即可观察到一层黏膜附着，微生物开始附着生长，生物膜逐渐形成；而10% NaCl 及Na2SO4条件下的悬浮填料，运行12 d 左右才能观察到有薄膜附着，且附着量较小。这表明高浓度盐环境下悬浮填料的挂膜受到抑制，微生物增长速率相对较慢。
2. 1. 3 填料尺寸对MBBＲ 挂膜效果的影响
盐度维持5%NaCl，其余操作参数一致，考察不同尺寸悬浮填料的挂膜周期可知，挂膜速率最快的是填料Ⅱ：∮25 mm × 12 mm，其次是填料Ⅰ：∮10 mm× 8 mm，最慢的则是填料Ⅲ：∮50 mm × 32 mm，挂膜周期分别为18、32 和45 d。分析原因主要是：（ 1）MBBＲ 反应器有效容积仅为6 L，体积有限，填料过大则不易较好流化，加大曝气强制流化则会导致水力冲刷过强，影响挂膜；（ 2） 小尺寸填料，虽然流化状态很好，但接触面积较小，微生物的初期附着较难，影响挂膜速率。因此，填料尺寸的选择应与反应器结构配套，本研究选取尺寸为25 mm × 12 mm 的填料Ⅱ挂膜最快，且流化较好。
2. 2 CMC 废水处理效果分析
2. 2. 1 单次进水-高盐MBBＲ 的COD 去除情况
将表1 所示废水采用5% NaCl 盐水稀释的方式，控制进水含盐质量分数在6% 左右，每日一次性进水3 L，原水比例按10% ～ 20% 的梯度逐步提升，运行3 个多月，具体对COD 的去除效果见图4。
由图4 可知：经自配高盐废水培养的生物膜通过实际CMC 工业废水的梯度驯化，当进水负荷为1. 13 kg COD/（ m3·d） ，进水COD 2 259 mg /L 时，生化出水COD 小于200 mg /L，絮凝后低于100 mg /L，去除率高于95%；当进水负荷为1. 4 kg COD/（ m3·d） ，进水COD 2 800 mg /L 时，生化出水COD小于250 mg /L，絮凝后低于150 mg /L，去除率仍稳定高于95%。每日观察生物膜生长状况可知：当进水负荷高于1. 3 kg COD/（ m3·d） 时，填料出现脱膜，装置内污泥量明显增多。因此，当运行24 h，一次性进水时，进水负荷应保持在1. 3 kg COD/（ m3·d） 以下。
2. 2. 2 分批进水-不同工艺的TOC（ COD） 去除情况
实验期间，多次分析曝气处理10 h、22 h 后的出水数据可知，COD 去除差距不大，随后调整进水方式，每日进行2 ～ 3 次分批进水，日排水总量仍保持3 L，稳定运行后，比较高盐好氧MBBＲ 工艺与活性污泥法对CMC 废水的TOC（ COD） 去除水平，具体见图5。
对比显示，高盐MBBＲ：当进水TOC 2 137mg /L（ COD 5 343 mg /L ） 时，生化出水TOC 小于120 mg /L（ COD 小于300 mg /L） ，絮凝后TOC 可达40 mg /L（ COD 小于100 mg /L） ，容积负荷高达2. 67 kgCOD/（ m3·d） ，活性污泥法：当进水TOC 1 425 mg /L（ COD 3 563 mg /L ） 时，生化出水TOC 小于160（ COD 低于400 mg /L） ，絮凝后TOC 可达60 mg /L（ COD 低于150 mg /L） ，容积负荷达1. 68 kg COD/（ m3·d） 。
可见，MBBＲ 工艺相对于活性污泥法去除负荷更高，且系统更稳定；由生物相观察可知，高盐生物膜结构致密，装置内部原生动物较活性污泥法多，形成的微生物环境相对复杂，能够抵抗较高盐度范围、有机负荷等的冲击，随着实验周期的延长，高盐生物膜体系进水负荷的提升速率远高于活性污泥法，大大缩短了工艺的正常运转周期。此外，进水方式的调整提高了MBBＲ 对CMC 废水TOC（ COD） 的日处理水平，且出水更加澄清。
2. 2. 3 不同工艺对CMC 废水浊度的去除情况
众所周知，由于高浓度盐的抑制，导致高盐活性污泥体系微生物胞外聚合物分泌过多，污泥沉降性不佳，原生动物少，处理出水浑浊，尤其当盐度高于5%时，系统极不稳定。以下将对比考察高盐MBBＲ生物膜与活性污泥体系对于CMC 废水浊度的去除情况，具体可见图6。
由图6 可知，相对于高盐活性污泥工艺而言，高盐MBBＲ 生物膜工艺对于CMC 废水浊度的去除更加明显，去除率达61%，出水相对澄清，且反应器内泥水分离容易，这是由于装置内部的污泥主要为脱落的生物膜，比重较大，易沉降。
此外，对于2 组工艺生化出水进行絮凝实验可以看出（ 见表1） ，MBBＲ 出水混凝后浊度稳定在25NTU 左右，去除率达67. 1%（ PAC 260 mg /L、PAM 2mg /L） ，而活性污泥工艺出水则较难絮凝，且絮凝剂用量较大（ PAC 850 mg /L、PAM 5 mg /L） ，出水浊度最终维持在103 NTU 左右，去除率仅为25. 4%。因此，高盐生物膜处理体系将大幅改善高盐生化出水的品质，降低出水中SS、胶体等物质的含量，同时减小后段絮凝剂投入成本。
2. 3 讨论
通过接种SEM 复合耐盐微生物菌剂，优化挂膜启动方式及排泥周期，能够强化MBBＲ 挂膜，形成更加复杂多样的高盐微生物环境，构建出的生物膜处理体系稳定高效，且能够实际应用，并突破了现有盐度低于5% 的生物膜构建水平。同时，将其用于CMC 废水的处理可知，耐盐能力和去除负荷远高于现阶段CMC 废水的高盐生化处理水平［20-22］，盐度从3%提升至6%，去除负荷提高约2 倍。
相对于高盐活性污泥工艺而言，生物膜体系微生物种类及生物量更大，能够提高生化系统2 ～ 4 倍的污泥浓度，因此表现出更高的处理水平，以及抗盐度波动、有机负荷等的冲击能力。活性污泥法适合在低盐度、低负荷下运行，盐度或负荷过高会引起污泥松散，粘度增大，沉降不佳，反应器跑泥严重，导致高盐微生物流失，短期内较难培养，严重时会导致系统崩溃，而高盐生物膜工艺则会避免此类问题，更具稳定性。
3 结论
（ 1） MBBＲ 接种5%、10% NaCl 及Na2SO4 4 种盐度条件下的SEM 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，能够快速稳定地构建出盐度高于5%的生物膜体系。挂膜受盐种类、盐度及填料尺寸的影响，结果显示，高盐浓度下成功挂膜的周期更长，相同盐浓度下NaCl 体系挂膜效果优于Na2SO4体系，Na2SO4的毒性抑制作用更加明显；悬浮填料大小的选取应与反应器尺寸配套，确保水流剪切与填料流化的统一。
（ 2） 采用高盐MBBＲ 与活性污泥法直接对总含盐量5% ～ 7% 的CMC 废水进行好氧处理，结果显示，MBBＲ：当进水COD 5 343 mg /L 时，生化出水COD 小于300 mg /L，絮凝后低于100 mg /L；活性污泥法：当进水COD 3 563 mg /L 时，生化出水COD 小于400 mg /L，絮凝后低于150 mg /L。高盐MBBＲ 优势明显，具有更强的处理能力、负荷提升速率及稳定性，能够抵抗更高盐度波动、有机负荷等冲击，且出水更加澄清。
（ 3） 好氧MBBＲ 工艺采用单次和分批进水，分批进水后，CMC 废水的日处理量和去除能力增加约1 倍，容积负荷由1. 3 kg COD/（ m3·d） 提升至2. 67 kg COD/（ m3·d） 。高盐生化系统内微生物对有机负荷的承载力有限，过高则会影响耐盐菌群最大活性的发挥，导致整体去除水平不佳，可结合污泥沉降性、生物膜表观及污染物去除效果等综合判断。
本文转载自“乾来环保”
原标题：复合耐盐微生物菌剂强化MBBR工艺处理高盐废水
