凹土/PVA多孔載體生物流化床的掛膜啟動(dòng)研究

吳 劍，丁長(zhǎng)春，陳 靜，金葉玲，馬喜君

(1.淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院；2.江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223003; 3.淮安市環(huán)境保護(hù)局，江蘇 淮安 223001)

0 引言

生物流化床是一種在傳統(tǒng)活性污泥法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高效生物處理工藝[1-3]。該工藝具有負(fù)荷高、抗沖擊能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、無(wú)污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。其技術(shù)原理就是將比重較小的懸浮載體投加到曝氣池，形成高生物密度、高生物活性、生物相豐富的載體微生物集團(tuán)，以提高生化處理的效果和效率[6]。懸浮載體性能的優(yōu)劣，對(duì)生物流化床掛膜速度和生物量大小、反應(yīng)器的處理效率和抗沖擊能力具有重要的影響[7]。

目前，懸浮載體多以聚乙烯[8]、聚丙烯[9-10]、聚氨酯[11-12]、橡膠粉、樹(shù)脂等材料制成。尤其是軟質(zhì)聚氨脂泡沫以其制作方便、性能穩(wěn)定而成為國(guó)內(nèi)外研究較多的生物載體，國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍較廣，但聚氨脂凝膠的單體甲苯二異氰酸酯和低不飽和度聚醚多元醇組分對(duì)微生物有毒，限制了該類(lèi)載體的進(jìn)一步發(fā)展。

本研究采用以聚乙烯醇(PVA)和凹土為原料制備復(fù)合多孔載體，利用PVA縮醛化反應(yīng)制備出比重接近于水、高孔隙率、高比表面積、高吸附能力及對(duì)微生物無(wú)毒的多孔海綿狀載體，并在三相生物流化床中進(jìn)行掛膜和啟動(dòng)試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 凹土/PVA復(fù)合多孔載體的制備

配制10%的PVA水溶液100ml，油浴攪拌升溫至90℃，待PVA完全溶解后，加入凹土5g，150 rpm下攪拌5 min，并冷卻至50℃。加入發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉0.5 g，用高速勻漿器8000 rpm下高速攪拌發(fā)泡，使其體積膨脹為原體積的2～3倍。然后再加入甲醛10ml、濃硫酸5ml，快速攪拌均勻。倒入模具后，放入恒溫箱中，70℃下進(jìn)行縮甲醛交聯(lián)反應(yīng)4小時(shí)，制得模具形狀的多孔海綿。用去離子水反復(fù)清洗未反應(yīng)的硫酸和甲醛，在50℃下真空干燥2 h，即得凹土/PVA復(fù)合多孔載體，將其裁切成邊長(zhǎng)約為0.3厘米的方形顆粒備用。

1.2 模擬廢水配置

以淀粉和葡萄糖(1:1)為碳源, NH4Cl為氮源，KH2PO4為磷源，按照COD:N:P= 100:5:1的比例配置模擬廢水。

1.3 試驗(yàn)裝置

采用斜板三相流化床(圖1)，總?cè)莘e為3l，曝氣區(qū)有效工作容積約2l，凹土/PVA復(fù)合載體投加量為曝氣區(qū)有效工作容積的20%(堆積體積)。曝氣區(qū)底部曝氣，使得載體呈懸浮流化狀態(tài)。模擬廢水通過(guò)精密計(jì)量泵從曝氣區(qū)頂部連續(xù)泵入流化床裝置，同懸浮載體充分接觸， 附著在載體上的微生物膜將廢水中的有機(jī)物降解，處理完畢后廢水通過(guò)斜板三相分離器進(jìn)行氣固液分離，在沉淀區(qū)沉淀后上清液從頂部溢流排出。流化床反應(yīng)器放置于恒溫水槽中，設(shè)置溫度為25±1℃。

1.4 分析測(cè)試方法

通過(guò)改變進(jìn)水濃度和水力停留時(shí)間改變流化床工況，每種工況運(yùn)行4 d，每12 h采集一次數(shù)據(jù)，取三個(gè)平行樣。主要指標(biāo)為COD，氨氮，總氮。COD和總氮測(cè)定采用國(guó)標(biāo)法，氨氮測(cè)定采用納氏試劑法。

圖1 生物流化床實(shí)驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 凹土/PVA復(fù)合多孔載體的形態(tài)和理化性能

制備的多孔載體形貌如圖2所示。載體具備良好的孔隙結(jié)構(gòu)。其干密度為0.45～0.50g/cm3，比表面積為8～10 m2/g, 孔隙率為70～75%，主要為聯(lián)通孔，在水中充分溶脹后比水略重，輕微的曝氣擾動(dòng)即可懸浮于水中。在制備過(guò)程中添加凹土提高了體系黏度，使得PVA發(fā)泡后在交聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中不易塌縮，保持良好的孔隙結(jié)構(gòu)，還可起到調(diào)整比重、增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、提高吸附能力等作用。

圖2 凹土/PVA復(fù)合多孔載體

2.2 生物流化床的掛膜與馴化

采用悶曝法掛膜, 使用的接種污泥來(lái)自淮安四季青污水處理廠(chǎng)的二沉池。將復(fù)合載體按20%堆積體積投入反應(yīng)器，加入新鮮活性污泥浸泡4 h，使活性污泥中的微生物充分吸附在復(fù)合載體上，然后將污泥盡量?jī)A出，加入模擬廢水(COD 800 mg/l)進(jìn)行悶曝。每隔12 h換水一次。悶曝進(jìn)行 3d后，開(kāi)始觀(guān)察到載體顏色變黃，用顯微鏡可觀(guān)察到微生物生長(zhǎng)。

初步掛膜完成后，開(kāi)始連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水馴化。進(jìn)水COD 800 mg/l，HRT為12 h，測(cè)定每天進(jìn)出水COD和氨氮濃度，結(jié)果如圖3所示。隨著馴化時(shí)間延長(zhǎng)，微生物降解能力穩(wěn)步提高，COD和氨氮去除率逐步提高至90%左右，載體表面生長(zhǎng)出淡黃色生物膜。掛膜和馴化過(guò)程顯示了凹土/PVA復(fù)合載體具有較快的掛膜啟動(dòng)速度，相對(duì)于聚乙烯、聚丙烯等硬質(zhì)懸浮載體的啟動(dòng)時(shí)間大為縮短。

圖3 馴化階段COD、氨氮去除

2.3 生物流化床的啟動(dòng)運(yùn)行

2.3.1 COD的去除情況

馴化完成后流化床反應(yīng)器開(kāi)始連續(xù)進(jìn)水、按5個(gè)階段運(yùn)行，每個(gè)階段運(yùn)行4 d，COD和氨氮負(fù)荷依次提高。第1、2、3階段HRT為12 h，模擬廢水COD濃度依次設(shè)置為1000、2000、3000 mg/l；第4、5階段保持進(jìn)水COD 3000 mg/l不變, HRT分別縮短為8 h、6 h。運(yùn)行期間COD去除情況如圖4所示，共分為五個(gè)階段：第一階段，進(jìn)水COD控制在1000 mg/l，出水COD呈逐漸下降趨勢(shì)，最后穩(wěn)定在20～40 mg/l，去除率96～98%；第二階段，進(jìn)水COD提升至2000 mg/l后，出水COD短期內(nèi)提升至130 mg/l,而后很快又穩(wěn)定在50～80 mg/l，去除率可達(dá)97%；第三階段，進(jìn)水COD達(dá)到3000 mg/l，出水COD穩(wěn)定在130～150 mg/l,去除率約95%；第四階段，HRT縮短為8 h，系統(tǒng)受到較大沖擊，出水COD迅速提高至980 mg/l,而后又迅速回落，最后穩(wěn)定在250～280 mg/l，去除率降至90%；第五階段，HRT進(jìn)一步縮短為6 h，有機(jī)負(fù)荷過(guò)高，超出系統(tǒng)承受能力，出水COD升至1200～1500 mg/l，去除率僅為50%～60%。

圖4 運(yùn)行期間COD處理效果

圖5顯示了運(yùn)行期間流化床在不同進(jìn)水負(fù)荷下的穩(wěn)定去除率，在6 kg·m-3·d-1以?xún)?nèi)的較低負(fù)荷下，COD去除率均可保持在95%以上；8.7 kg·m-3·d-1的負(fù)荷下，COD去除率約為90%，出水COD濃度穩(wěn)定；而當(dāng)負(fù)荷升至12 kg·m-3·d-1后，系統(tǒng)出水水質(zhì)惡化，去除率降低至55%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)合載體流化床具有優(yōu)良的有機(jī)質(zhì)去除能力和抗沖擊負(fù)荷能力，在進(jìn)水濃度大幅波動(dòng)的情況下，系統(tǒng)可迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖5 不同進(jìn)水負(fù)荷下的COD去除率

2.3.2氨氮和總氮的去除情況

氨氮的去除情況同COD類(lèi)似，隨著進(jìn)水負(fù)荷的不斷提高，去除率逐漸下降，見(jiàn)圖6。當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度在100 mg/l以?xún)?nèi), 停留時(shí)間為12 h時(shí)，能夠取得較好的去除效果，穩(wěn)定運(yùn)行后的硝化率可保持在90%以上，出水氨氮濃度不超過(guò)10 mg/l。但當(dāng)停留時(shí)間減少為8 h后，出水波動(dòng)較大，去除率下降至85～88%；停留時(shí)間為6 h時(shí)，出水進(jìn)一步惡化，出水氨氮濃度為25～30 mg/l, 去除率下降為70%～75%。這一結(jié)果也反映了好氧硝化過(guò)程的一般規(guī)律，有機(jī)物濃度較高時(shí),有機(jī)物異養(yǎng)菌可能會(huì)對(duì)硝化細(xì)菌產(chǎn)生包埋,異養(yǎng)好氧菌也可能對(duì)DO優(yōu)先利用[13]，這都可能造成硝化反應(yīng)難以正常進(jìn)行，導(dǎo)致氨氮去除效率下降。好氧生物流化床由于沒(méi)有專(zhuān)門(mén)設(shè)置的厭氧反硝化區(qū)，其對(duì)總氮的脫除能力較差。由圖7可以看出，在不同進(jìn)水負(fù)荷下，總氮的去除率均在15～20%左右。研究結(jié)果顯示，在好氧的條件下生物處理系統(tǒng)中存在同步硝化反硝化現(xiàn)象[14]，其反硝化過(guò)程主要發(fā)生在生物膜深處厭氧層[15]，反硝化速率受到生物膜厚度、硝態(tài)氮傳質(zhì)效率的影響。

圖6 運(yùn)行期間氨氮去除效果

圖7 不同進(jìn)水負(fù)荷下的總氮去除率

3 結(jié)論

(1)通過(guò)聚乙烯醇(PVA)縮甲醛交聯(lián)反應(yīng)制備的凹土/PVA多孔載體，可應(yīng)用于生物流化床處理有機(jī)廢水。該載體比表面積大、孔隙豐富、掛膜啟動(dòng)速度快、附著生物量大。

(2)20 d掛膜啟動(dòng)試驗(yàn)表明，在凹土/PVA多孔載體投加量(堆積體積)為曝氣區(qū)容積20%的條件下，進(jìn)水COD 1000～3000 mg/l，進(jìn)水COD負(fù)荷不超過(guò)8.7 kg·m-3·d-1時(shí)，COD去除率可保持90%以上。

(3)凹土/PVA多孔載體對(duì)氨氮有較高的去除能力，進(jìn)水氨氮濃度100 mg/l以?xún)?nèi), 停留時(shí)間為12 h時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行后的去除率可保持在90%以上，出水氨氮濃度不超過(guò)10 mg/l。

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