磁性載體生物膜反應(yīng)器處理生活污水的試驗(yàn)研究

潘涌璋 ,張志永,師 波,2 (.暨南大學(xué)環(huán)境工程系,廣東省普通高校水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 50632；2.廣州市環(huán)境技術(shù)中心,廣東 廣州 50055)

磁性載體生物膜反應(yīng)器處理生活污水的試驗(yàn)研究

潘涌璋1*,張志永1,師 波1,2(1.暨南大學(xué)環(huán)境工程系,廣東省普通高校水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510632；2.廣州市環(huán)境技術(shù)中心,廣東 廣州 510055)

選取天然多孔礦物-浮石、網(wǎng)絡(luò)狀塑料外殼、磁鐵為材料,開發(fā)出一種新型磁性載體,并將該載體應(yīng)用于生物膜反應(yīng)器中進(jìn)行廢水處理試驗(yàn),結(jié)果表明:該磁性載體生物膜反應(yīng)器在載體的掛膜性能及主要污染物去除功能上均優(yōu)于非磁性載體生物膜反應(yīng)器.磁性載體可在5d內(nèi)完成掛膜,而非磁性載體則需8d,磁性載體生物膜反應(yīng)器對(duì)COD、NH+4-N的去除率比非載體生物膜反應(yīng)器分別高出5%和20%左右.在載體中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為200Gs,水中溶解氧DO為2.0～3.5mg/L,水力停留時(shí)間HRT為5h的條件下,校園生活污水經(jīng)磁性載體生物膜反應(yīng)器處理后,出水中COD穩(wěn)定在20mg/L左右, NH4+-N在5mg/L以下,兩者的去除率均在90%左右,出水總氮為15mg/L,去除率在50%以上.實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明:連續(xù)運(yùn)行60d后,磁性載體反應(yīng)器內(nèi)的生物膜量和懸浮污泥量?jī)H為非磁性載體反應(yīng)器的70%,說明磁場(chǎng)的存在有利于污泥減量化.磁載體生物膜反應(yīng)器中載體外表面附著污泥及生物膜的 SOUR值均大于非磁載體生物膜反應(yīng)器,表明一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以提高微生物活性.

磁性載體；生物膜反應(yīng)器；生活污水；污泥減量；生物膜活性

在城市生活污水處理工藝中,生物接觸氧化法具有運(yùn)行管理方便、容積負(fù)荷較高、生物相穩(wěn)定、微生物量較多等優(yōu)點(diǎn)[1-2].隨著生物載體的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新,生物接觸氧化技術(shù)已得到越來越多的應(yīng)用[3-5],目前市場(chǎng)上常見的生物載體種類繁多,實(shí)際應(yīng)用上也各有優(yōu)劣,盡管接觸氧化法具有污泥產(chǎn)量少等特點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然出現(xiàn)載體污泥堵塞等問題,生物載體的選擇對(duì)提高接觸氧化法工藝的處理效果和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[6-7].近年來,磁場(chǎng)對(duì)污水生物降解的影響效果已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注,不少研究表明磁場(chǎng)作用可以顯著提高廢水生物降解的效率,有利于提高污水生物處理效率,克服生化處理設(shè)施占地面積大的缺點(diǎn)[8-13].

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種磁性生物載體,并將其應(yīng)用于生物膜反應(yīng)器中,以校園生活污水為處理對(duì)象,考察磁性載體生物膜反應(yīng)器處理實(shí)際生活污水的效果,以期開發(fā)出一種具有微生物強(qiáng)化功能的新型載體材料,并應(yīng)用于生活污水、食品廢水、制藥廢水和化工廢水的處理中,達(dá)到較好的脫氮效果和污泥減量化效果.

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 載體

試驗(yàn)中所用磁性載體由粒度 4～6mm浮石,圓型磁鐵塊和直徑為 80mm網(wǎng)絡(luò)狀塑料外殼組成,磁性載體內(nèi)中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為 200Gs,表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～14Gs,見圖1所示.非磁性載體不含圓型磁鐵塊.

圖1 磁性載體形態(tài)Fig.1 Configuration scheme of magnetic carrier

1.2 工藝流程

試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示.生物膜反應(yīng)器用有機(jī)玻璃自行制作,尺寸為 310mm×250mm× 500mm,有效容積為34L,內(nèi)置載體后有效容積為23.5L,載體的容積充填率為 31%.進(jìn)水方式為上流式,反應(yīng)器底部裝有曝氣管曝氣.通過充填磁性生物載體和非磁性生物載體分別制作 2套結(jié)構(gòu)大小完全相同的生物膜反應(yīng)器,用于做平行對(duì)比試驗(yàn).

試驗(yàn)過程中,磁性載體中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為200Gs,水力停留時(shí)間 HRT為 5h,水中溶解氧(DO)濃度在 2.0～3.5mg/L之間.非磁性載體不含圓型磁鐵塊,水力停留時(shí)間5h,在同樣曝氣強(qiáng)度下,水中 DO濃度略小于使用磁性載體時(shí)的DO濃度.

進(jìn)水為暨南大學(xué)校園生活污水,其水質(zhì)為COD 173.2～218.5mg/L;氨 氮 21.8～30.5mg/L; TN 26.5～37.1mg/L;濁度32.3～48.2 NTU;pH 6.8～ 8.7.

圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic of the experimental apparatus

1.3 分析項(xiàng)目與方法

測(cè)定項(xiàng)目采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法[14]進(jìn)行.COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定; NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定;總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定;采用STZ-A24型濁度儀測(cè)定水樣濁度;生物膜活性用微生物的比基質(zhì)耗氧速率(SOUR)來評(píng)價(jià),SOUR的測(cè)定方法見文獻(xiàn)[15].MLSS、生物膜量和懸浮污泥量的測(cè)定采用重量法.

采用恒流泵(DDB-210,上海之信儀器有限公司)控制進(jìn)水流速;DO使用溶氧儀(JPB-607型)測(cè)定;掃描電鏡(PHILIPS XL-30ESEM)用于觀察載體的表面結(jié)構(gòu);高斯計(jì)(HT20,上海亨通磁電科技有限公司)用于測(cè)定磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B.

2 結(jié)果與討論

2.1 浮石性質(zhì)

浮石表面呈多孔狀,灰白色,質(zhì)輕,可浮于水面.容重約 750kg/m3,松散容重為 380kg/m3左右,孔隙率為 69.5%～71.8%,吸水率為 58%～61%,比表面積為 0.4～0.6m2/g.浮石中主要含 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO等化合物,另外還含有少量的Mn、Mg、P、S等元素.圖3為天然浮石的電鏡掃描照片.由圖3可知,浮石表面粗糙且密布著大量微孔,平均孔徑在15μm左右,微孔之間的孔壁厚1～2μm,結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí),為微生物的附著提供了良好的條件.

圖3 浮石的表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 The SEM image of surface structure of pumice

2.2 掛膜性能研究

本研究以有機(jī)物去除率作為判斷生物膜是否成熟的指標(biāo)性參數(shù).試驗(yàn)在22～28℃的條件下,采用“快速排泥掛膜法”進(jìn)行.接種污泥取自廣州某污水處理廠二沉池的回流污泥,新鮮污泥 SV為29%,MLSS為6.43g/L.將上述污泥和生活污水以1:3混合后,分別加入裝有磁性載體和非磁載體的兩個(gè)反應(yīng)器中,浸沒載體,進(jìn)行悶曝.24h后排空懸浮污泥,重復(fù)操作1次,2d后改用小流量連續(xù)進(jìn)水,進(jìn)水流量為 2L/h,反應(yīng)器內(nèi) DO保持在 2.0mg/L以上.經(jīng)觀察、鏡檢,2d后載體表面開始出現(xiàn)粘性生物膜附著特征,隨著掛膜時(shí)間的增加,載體表面的生物膜顏色逐漸由灰白色變成淺黃色,覆蓋面積也逐漸增加,兩反應(yīng)器內(nèi)均有豐富的鐘蟲、輪蟲、線蟲等原生和后生動(dòng)物,如圖 4所示,其中可以觀察到磁性載體生物膜反應(yīng)器內(nèi)的數(shù)量要略多于非磁載體生物膜反應(yīng)器.

圖4 掛膜期間反應(yīng)器內(nèi)主要微型動(dòng)物Fig.4 Main mini size creature in reactor during biofilm formation

圖5 掛膜期間2反應(yīng)器NH4+-N和COD的去除率Fig.5 NH4+-N and COD removal efficiencies of tworeactors during biofilm formation

兩反應(yīng)器的 NH4+-N去除率如圖 5所示.由圖5可見,第4d起,磁性載體生物膜反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N的去除率迅速提高,在第 6d去除率達(dá)到85.8%,此后NH4+-N去除率一直穩(wěn)定在80%以上;而非磁載體生物膜反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N的去除率提高比較緩慢,在第 8d才達(dá)到 60%,此后NH4+-N去除率徘徊在60%～70%之間.由圖5可以看出,到第6d以后2反應(yīng)器內(nèi)COD的去除率都穩(wěn)定在 80%以上.以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明磁性載體的掛膜性能優(yōu)于非磁載體,而且磁性載體的NH4+-N去除率比非磁載體高20%,表明弱磁場(chǎng)的存在改善了載體的掛膜性能,并且對(duì)硝化作用有明顯的促進(jìn)作用.這是因?yàn)樯锵趸饔弥械闹饕⑸餅橄趸?xì)菌,對(duì)硝化細(xì)菌的計(jì)數(shù)結(jié)果表明,磁場(chǎng)作用后,硝化細(xì)菌的數(shù)量提高了 1.25倍,說明磁場(chǎng)的作用有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng),栗杰等[16]研究也發(fā)現(xiàn)磁處理棕壤后可以增加硝化細(xì)菌的數(shù)量;弱磁場(chǎng)的存在能夠促進(jìn)順磁性的氧在載體附近停留聚集溶解從而使溶解氧濃度增高,而水體有較高濃度的溶解氧,將對(duì)硝化作用起強(qiáng)化作用,從而提高氨氮的降解效果.

2.3 對(duì)污染物質(zhì)的去除效果

2.3.1 對(duì)COD的去除效果 由圖6可知,在40d的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi),磁性載體對(duì) COD的去除率比非磁性載體高出約 5%～6%,說明弱磁場(chǎng)對(duì)有機(jī)物降解有一定的促進(jìn)作用,這是因?yàn)榇艌?chǎng)可以提高微生物酶活性,從而促進(jìn)了有機(jī)物的降解.進(jìn)水COD在173.2～218.5mg/L之間,在開始運(yùn)行的前 7d,由于微生物生長(zhǎng)不夠充分,COD的去除率較低,隨著載體上微生物的不斷增殖,使得 COD的去除率不斷增加,7d后反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行,磁性載體反應(yīng)器處理出水COD在18.5～25.8mg/L之間,COD的去除率為 89.2%～90.5%之間,達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[17](GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求.

圖6 不同載體對(duì)COD的去除效果比較Fig.6 Variation of COD removal in bioreactor with different carriers

2.3.2 對(duì)氨氮的去除效果 由圖7可知,在40d的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi),磁性載體對(duì) NH4+-N的去除率比非磁性載體高出約 15%～20%,說明弱磁場(chǎng)對(duì)氨氮降解有明顯的促進(jìn)作用,這是因?yàn)榇艌?chǎng)可以提高硝化細(xì)菌的活性和水中溶解氧濃度,從而促進(jìn)了氨氮的降解.進(jìn)水 NH4+-N 在 18.5～25.8mg/L之間,在開始運(yùn)行的前10d, NH4+-N的去除率波動(dòng)性較大,10d后磁性載體反應(yīng)器出水的 NH4+-N 濃度穩(wěn)定在 2.2～4.5mg/L之間, NH4+-N的去除率為 88.7～91.2%之間.達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[17](GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求.

圖7 不同載體對(duì)NH4+-N的去除效果比較Fig.7 Variation of NH4+-N removal in bioreactor with different carriers

2.3.3 對(duì)TN的去除效果 由圖8可知,在40d的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi),磁性載體對(duì) TN的去除率僅比非磁性載體高出約 3%～5%,表明弱磁場(chǎng)對(duì)反硝化作用影響不大.進(jìn)水TN在18.5～25.8mg/L之間,在開始運(yùn)行的前 15d,TN的去除率波動(dòng)性較大,15d后磁性載體反應(yīng)器出水的TN濃度穩(wěn)定在10.9～12.9mg/L之間,TN 的去除率為 50.1%～61.7%之間,達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[17]一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的要求.

2.3.4 對(duì)濁度的去除效果 由圖 9可知,在 40d的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi),磁性載體對(duì)濁度的去除率與非磁性載體不相上下,當(dāng)進(jìn)水濁度在 32.3～48.1mg/L時(shí),兩者對(duì)濁度的去除率始終保持在90%之間,出水清澈.說明磁場(chǎng)對(duì)濁度的去除率沒有影響.

圖8 不同載體對(duì)TN的去除效果比較Fig.8 Variation of TN removal in bioreactor with different carriers

圖9 不同載體對(duì)濁度的去除效果比較Fig.9 Variation of turbidity removal in bioreactor with different carriers

2.4 磁場(chǎng)對(duì)污泥減量化的影響

試驗(yàn)期間,磁性載體生物反應(yīng)器和非磁載體生物反應(yīng)器均無排泥連續(xù)運(yùn)行 60d,之后,分別測(cè)定了兩反應(yīng)器內(nèi)的MLSS、生物膜量和懸浮污泥量,結(jié)果見表1所示.

由表1可知,磁場(chǎng)的存在明顯有利于污泥減量化,有助于剩余污泥的原位減量.由于本研究采用多孔微生物載體,結(jié)構(gòu)上客觀形成好氧-厭氧連續(xù)耦合作用.這種作用也有利于污泥的降解,有研究表明[18],好氧厭氧交替變化條件下,污泥降解最徹底,表1的結(jié)果表明,磁場(chǎng)的作用可以強(qiáng)化這種剩余污泥的原位減量功能,相關(guān)的理論解釋有待進(jìn)一步深入研究.

表1 反應(yīng)器內(nèi)的MLSS、生物膜量和懸浮污泥量Table 1 The MLSS, biomass of biofilm and suspended sludge quantity in bioreactors

2.5 磁場(chǎng)對(duì)微生物活性的影響

生物膜處理系統(tǒng)的性能和效率取決于微生物活性的高低和生物量,通常采用比基質(zhì)耗氧速率SOUR來表征微生物活性[19].磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)生物膜的比基質(zhì)耗氧速率 SOUR的影響如表 2所示.由表2可知,磁載體生物膜反應(yīng)器中載體外表面附著污泥及生物膜的SOUR值均大于非磁載體生物膜反應(yīng)器,這一結(jié)果與磁載體生物膜反應(yīng)器的COD和NH4+-N去除率較高有較好的對(duì)應(yīng)性.此外,載體外表面附著污泥的SOUR均高于生物膜的 SOUR,這是因?yàn)榉磻?yīng)器中載體外表面的溶解氧要高于載體內(nèi)部,導(dǎo)致載體外表面附著污泥中主要是好氧菌,而載體內(nèi)部則以兼性菌為主,從而耗氧速率也有明顯差異.

表2 載體生物膜及外表面附著污泥的活性Table 2 The activity of suspended sludge and biofilm

2.6 討論

以上結(jié)果表明,弱磁場(chǎng)對(duì)污水中 COD,特別是 NH4+-N的去除率有促進(jìn)作用,首先是因?yàn)槿醮艌?chǎng)對(duì)微生物活性有促進(jìn)作用,其次,弱磁場(chǎng)作用后,增加了硝化細(xì)菌數(shù)量,從而有利于去除水中的有機(jī)污染物.第三,弱磁場(chǎng)的存在能夠促進(jìn)順磁性的氧在載體附近停留聚集溶解從而使溶解氧濃度增高,而水體有較高濃度的溶解氧,可以促進(jìn)生物接觸氧化過程中微生物新陳代謝和提高污染物降解效率.

3 結(jié)論

3.1 與非磁性載體比較,磁性載體能顯著改善載體的掛膜性能.

3.2 與非磁載體生物膜反應(yīng)器相比,磁載體生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除率分別高出5%和20%左右.

3.3 以校園生活污水作為處理對(duì)象,當(dāng)載體中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為 200Gs,HRT為 5h,DO濃度在2.0～3.5mg/L時(shí),出水COD穩(wěn)定在20mg/L左右, NH4+-N在5mg/L以下,兩者的去除率均在90%左右.

3.4 磁性載體生物反應(yīng)器比非磁載體生物反應(yīng)器的污泥減量化功能更為明顯,說明一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)污泥減量化具有促進(jìn)作用.

3.5 磁載體生物膜反應(yīng)器中載體外表面附著污泥及生物膜的SOUR值均大于非磁載體生物膜反應(yīng)器,說明一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以提高微生物活性.

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Domestic sewage treatment using a magnetic carrier bioreactor.

PAN Yong-zhang1*, ZHANG Zhi-yong1, SHI Bo1,2(1.Key Laboratory of Water/Soil Toxic Pollutants Control and Bioremediation of Guangdong Higher Eudcation Institutes, Department of Environmental Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632,China；2.Guangzhou Environmental Technology Center, Guangzhou 510055, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：734～739

A new type of magnetic carrier was prepared consisting of pumice, magnet and retiform plastic ball. It was used in a bioreactor to test the function on biofilm formation and biological degradation of domestic sewage. The start-up procedures of magnetic carrier bioreactor and nonmagnetic carrier bioreactor were finished within 5 d and 8 d, respectively. The removal efficiencies of COD and NH+4-N by the magnetic bioreactor were marked higher than nonmagnetic bioreactor, with 5% and 20% increasing respectively. The domestic sewage degradation capability of the magnetic carrier was then tested. At the conditions of the central magnetic field intensity of carrier was 200 Gs, the concentration of dissolved oxygen (DO) was 2.0～3.5 mg/L and hydrodynamic retention time (HRT) was at 5 h, the concentration of COD, NH4+-N and TN in the effluent from the magnetic bioreactor were about 20 mg/L, 5 mg/L and 15 mg/L, with removal rates of 90%, 90% and 50% respectively. The biomass of biofilm and suspended sludge quantity in the magnetic bioreactor were about 70% of those in the nonmagnetic bioreactor, after 60d treatment, which indicated that the magnetic field could improve the efficiency of sludge reduction. Moreover, both the specific oxygen uptake rates(SOUR)of the attached sludge and the biofilm on the magnetic carrier were higher than those on the nonmagnetic carrier, which mean that the magnetic field could stimulate the microbe activity.

magnetic carrier；bioreactor；domestic sewage；sludge reduction；microbe activity

X703.3

A

1000-6923(2011)05-0734-06

2010-09-22

廣州市污染防治新技術(shù)新工藝研究開發(fā)項(xiàng)目(GZHB2007001)

? 責(zé)任作者, 副教授, tpyz@jnu.edu.cn

潘涌璋(1964-),男,廣東普寧人,副教授,博士,主要從事水處理工程與技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)研究與應(yīng)用等工作.發(fā)表論文 50余篇.