新型生物膜反應(yīng)器處理傳統(tǒng)村落生活污水的掛膜研究*

浦躍武　許小馬　王斯堯　吳捷捷　魏成

(1.華南理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006；2.華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院∥亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

新型生物膜反應(yīng)器處理傳統(tǒng)村落生活污水的掛膜研究*

浦躍武1許小馬1王斯堯1吳捷捷1魏成2

(1.華南理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006；2.華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院∥亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

摘要：利用自主設(shè)計的一套新型生物膜反應(yīng)器處理傳統(tǒng)村落生活污水，采用人工投加活性污泥的掛膜方法對反應(yīng)器進行掛膜啟動，研究了COD負荷、C/N比以及回流比對反應(yīng)器運行效果的影響.實驗結(jié)果顯示：投加活性污泥的掛膜方式能夠在較短的時期內(nèi)掛膜成功，且掛膜過程中生物膜外觀以及微生物相變化都較為明顯；掛膜成功后，COD和-N的去除率達到85%以上; 在運行過程中，該生物膜反應(yīng)器的運行效率受COD負荷、C/N比和回流比的影響較大，在COD負荷為0.25 kg/(m2·d)、C/N比為10.2、回流比為9.17時，反應(yīng)器的COD和-N去除率最高，分別達到91.46%和88.65%.

關(guān)鍵詞：生物膜反應(yīng)器；生活污水處理；掛膜啟動；COD負荷；C/N比；回流比

伴隨著城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)一體化的迅猛推進，大量歷史遺留的古村落遭到不同程度的破壞，我國的傳統(tǒng)村落正在以驚人的速度消失.從2004年到2012年，我國傳統(tǒng)村落總數(shù)從大約9 700個銳減到5 700個左右，平均每年消失400個[1].如何更為科學(xué)高效地對其開展保護，已經(jīng)成為一個迫在眉睫的問題[2].而在傳統(tǒng)村落的保護過程中，環(huán)境保護以及生活污水處理與村民們的生活息息相關(guān).統(tǒng)計顯示，我國農(nóng)村生活污水排放量約為61.0 L/(人·天)，按照200人/村計算，每個村落平均每天排放1.22萬升的生活污水，這些污水對環(huán)境造成嚴重污染；并且傳統(tǒng)村落生活污水水質(zhì)的變化與生活方式、生活水平和季節(jié)等相關(guān)，水質(zhì)變化明顯[3].因此，尋找一種經(jīng)濟、有效的生活污水處理方法對于傳統(tǒng)村落的保護具有重要意義[4].

生物膜技術(shù)是一種將膜技術(shù)與傳統(tǒng)活性污泥處理技術(shù)結(jié)合的污水處理工藝，其優(yōu)勢在于不僅有較好的有機物去除率，還能有效地去除氨氮和其他難降解物質(zhì)；其與常規(guī)好氧生物處理方法相比，具有污泥濃度高、容積負荷高、污泥的泥齡長、占地面積小等優(yōu)點[5].楊建忠等[6]應(yīng)用一種生物濾膜作為填料的生物膜反應(yīng)器處理生活污水獲得一定的總氮(TN)去除效果；而董濱等[7]則研究了活性污泥-生物膜系統(tǒng)脫氮除磷效果受有機負荷的影響，發(fā)現(xiàn)較高的污泥有機負荷有利于反應(yīng)器的氮磷去除.本實驗中所使用的反應(yīng)器的設(shè)計思路來源于生物流化床，也是一種流動床生物處理技術(shù)，其與固定床技術(shù)相比，具有生物性能好、脫氮負荷高、操作方便等特點；同時它在運行過程中只需要泵的作用，克服了流化床生物處理技術(shù)中耗能高、處理量低等不足，具有非常高的應(yīng)用價值.

本實驗中，利用自主設(shè)計的一套新型生物膜反應(yīng)器來處理傳統(tǒng)村落中的生活污水，對該反應(yīng)器的掛膜啟動進行研究，同時還研究了COD負荷、C/N比、回流比等對工藝運行效果的影響，從而確定了反應(yīng)器的最佳運行條件.

1材料與方法

1.1實驗用水以及實驗工藝流程

本實驗采用自主設(shè)計的新型生物膜裝置，裝置放置于低位水箱，有效容積為100 L，進水池和排水池均為50 L.配置好的模擬廢水由進水池均勻地泵入低位水箱左側(cè)區(qū)域，再通過循環(huán)泵進入位于裝置頂部的布水槽，使廢水均勻地分布在載體斜板上；廢水流經(jīng)5塊斜板之后進入低位水箱中靠近出水池側(cè)的收集區(qū)；收集區(qū)的水一部分流入出水池，出水速率跟進水速率相同，另一部分與低位水箱的水混合后再泵入布水槽循環(huán).整個流程如圖1所示.

為了更準確地研究反應(yīng)器的運行性能，考慮到自然環(huán)境中的生活污水的水質(zhì)、水量常有較大波動，本實驗把人工配置的模擬生活污水與實際生活污水混合作為實驗進水，模擬生活污水根據(jù)實驗的實際需求及參照文獻[9]配置，其組成如表1所示.實際生活污水來自廣東省廣州市華南理工大學(xué)大學(xué)城校區(qū).混合后的實驗用水的水質(zhì)特征如下：C/N比為6.35±0.22，BOD/COD比為0.66±0.05，NH3-N /TKN(水中氨氮與有機氮的總和)比為0.79±0.11，堿度/TN比為8.23±0.12.

圖1　新型生物膜反應(yīng)器的工藝流程圖Fig.1　Flow diagram of process of a new-type biofilm reactor

表1模擬生活污水組成1)

Table 1Constituent of synthetic domestic wastewater

成分質(zhì)量/g成分質(zhì)量/gNH4Cl16.00蛋白胨15.00蔗糖14.00NaHCO330.00尿素0.48十二烷基苯磺酸鈉0.20KH2PO41.75腐植酸0.20K2HPO42.20

1)配成10 L母液，COD約為3 000 mg/L，使用時按所需濃度進行適當(dāng)稀釋；乙酸用量為4.8 mL.

1.2運行策略

1.3測定項目與方法

2實驗結(jié)果與分析

2.1掛膜及啟動

經(jīng)過13 d的掛膜啟動期，生物膜生長良好，在掛膜過程中，無論是用肉眼觀察還是通過顯微鏡觀察，生物膜的變化都非常明顯.在掛膜初期，在第1層(自上往下)和第2層生物膜載體斜板上面長出淡黃色的光滑薄膜，而在其他層上面沒有觀察到該現(xiàn)象；通過鏡檢發(fā)現(xiàn)，此時微生物比較少，主要是一些放線狀的菌絲體及活性污泥中殘留的少量小輪蟲等原生生物，如圖2(a)、2(d)所示.到了掛膜中期，在各個生物膜載體斜板上面均有一層較厚的生物膜，外觀較粗糙，呈灰褐色；鏡檢結(jié)果顯示，此時已有較多的絲狀菌出現(xiàn)，同時有許多后生動物附著在上面生長，且出現(xiàn)了原生生物，如圖2(b)、2(e)所示.在掛膜后期，斜板上面已經(jīng)形成2～3 mm厚的微生物膜，底部為黑色，最外層為黃色，厭氧、兼性厭氧、好氧膜都已形成，鏡檢結(jié)果也顯示，有大量的原生動物，如輪蟲，線蟲等；該生物膜結(jié)構(gòu)以絲狀真菌為主體骨架，各種球菌和桿菌附著在絲狀菌上呈簇狀生長，每一簇致密的微生物體系之間有一些空隙，用來進行物質(zhì)和能量交換，如圖2(c)、2(f)所示.

圖2　掛膜期間生物膜外觀變化及光學(xué)顯微鏡檢測結(jié)果Fig.2　Variation of biofilms and their light microscope results during the start-up

2.2COD負荷對工藝運行效果的影響

圖3　不同COD負荷條件下系統(tǒng)COD和-N的去除率Fig.3　Removal efficiencies of COD and -N at diffe-rent COD loading rates

實驗結(jié)果顯示，對于COD而言，隨著COD負荷從0.15 kg/(m2·d)增加到0.30 kg/(m2·d)，其出水COD分別為97.12、98.13、104.70和125.15 mg/L，相應(yīng)的去除率為83.8%、87.7%、89.5%和89.6%，呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢.COD的去除率在COD負荷為0.25 kg/(m2·d)時接近最高值，為89.5%，其出水COD也保持穩(wěn)定在100 mg/L左右，若再繼續(xù)增加COD負荷，COD去除率并沒有明顯增加(為89.6%)，反而使出水COD偏高，達到120 mg/L以上.而對于氨氮而言，隨著進水COD的升高，氨氮濃度也有所增高，但出水中氨氮濃度能保持在一個穩(wěn)定的水平，為13 mg/L左右，而去除率則呈現(xiàn)先上升，后穩(wěn)定的趨勢，在COD負荷為0.25 kg/(m2·d)時，去除率為86.4%，繼續(xù)增加COD負荷，去除率出現(xiàn)較大波動，且出水氨氮濃度偏高.

總體來說，COD負荷對該膜生物反應(yīng)器的處理效果有一定影響，尤其是對COD的去除，當(dāng)進水COD小于1 000 mg/L，即COD負荷小于0.25 kg/(m2·d)時，COD和氨氮的去除率是隨著COD負荷的增加而增加的，去除率分別達到89.5%和86.4%，出水水質(zhì)也保持在比較穩(wěn)定的水平.但是當(dāng)進水COD大于1 000mg/L、COD負荷超過0.25 kg/(m2·d)時，隨著COD負荷的增加，COD和氨氮的去除率并沒有顯著提高，雖然出水的氨氮質(zhì)量濃度仍穩(wěn)定在13 mg/L左右，但出水的COD卻明顯升高.有研究指出，COD負荷升高，會加速生物膜的增長、變厚，同時系統(tǒng)耗氧量增大，水體溶解氧(DO)降低，傳質(zhì)效果較差，并出現(xiàn)生物膜脫落現(xiàn)象[16].這與本實驗的現(xiàn)象相符：去除率在進水COD負荷的一定范圍內(nèi)，隨著COD負荷的增加而升高，但到達一定濃度后，隨著DO的降低，生物膜脫落，去除率不太理想，出水水質(zhì)也得不到保障.在本實驗中，COD負荷為0.25 kg/(m2·d)時，工藝達到最佳運行效率.

2.3進水C/N比對工藝運行效率的影響

圖4　不同C/N比條件下系統(tǒng)COD 和-N的去除率Fig.4　Removal efficiencies of COD and -N at different C/N ratios

2.4回流比對工藝運行效果的影響

表2不同的回流比條件下溶解氧、懸浮物以及單位面積生物膜濕重與干重

Table 2DO，SS，wet weight and dry weight of biofilm per unit area at different reflux ratios

c流經(jīng)斜板后水中DO/(mg·L-1)出水懸浮物SS/(mg·mL-1)單位面積生物膜濕重/(g·cm-2)單位面積生物膜干重/(g·cm-2)6.382.79<0.05 2.13 0.0677.783.26<0.05 2.21 0.0649.173.890.20 1.79 0.03710.564.120.41 1.50 0.019

圖5　不同回流比條件下系統(tǒng)COD和-N的去除率Fig.5　Removal efficiencies of COD and -N at different reflux ratios

3結(jié)論

(1)自主設(shè)計的新型生物膜反應(yīng)器在處理生活污水時，不需要曝氣裝置的使用，僅僅依靠廢水在斜板生物膜之間的循環(huán)流動，就能使得整個生物膜系統(tǒng)的溶解氧供應(yīng)充足，大大節(jié)約了能源，并且簡化了污水處理中的管理和運行問題，是一種節(jié)能高效的新工藝，具有非常好的應(yīng)用價值.

(2)投加活性污泥的掛膜方式能夠在較短的時間內(nèi)掛膜成功，且掛膜過程中生物膜外觀以及微生物相的變化都較明顯.成熟生物膜的整體結(jié)構(gòu)以絲狀真菌為主體骨架，不同種類的球菌和桿菌附著在絲狀菌上呈現(xiàn)簇狀生長，每一簇致密的微生物體系之間有一些空隙，用于進行物質(zhì)和能量交換；微生物得到很好的生長，污染物去除效率也很高.這說明，通過人工投加活性污泥的方式來掛膜啟動更適用于該反應(yīng)器.

文中只對該新型生物膜反應(yīng)器的啟動方式以及運行過程中的影響因素進行了研究，在啟動過程中以及運行參數(shù)變化過程中生物膜上相應(yīng)菌群變化以及這些變化所帶來的影響有待進一步研究.

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Investigation into Biofilm Colonization on a New-Type Biofilm Reactor for Domestic Wastewater Treatment in Traditional Villages

PUYue-wu1XUXiao-ma1WANGSi-yao1WUJie-jie1WEICheng2

(1. School of Biological Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China;2. School of Architecture∥State Key Laboratory of Subtropical Building Science, South China University of Technology,Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Abstract:A new-type biofilm reactor started up by adding activated sludge manually was designed to treat the domestic wastewater in traditional villages, and the influences of COD load, C/N ratio and the reflux ratio on system operation were investigated.Experimental results show that (1) the addition of activated sludge helps successfully colony biofilm with good appearance and obvious microbial morphology variation in a short time; (2) both COD and -N removal efficiencies achieve more than 85% after the biofilm colonization; (3) the operating efficiency of biofilm reactor is greatly affected by COD load, C/N ratio and reflux ratio; and (4) the COD and -N removal efficiencies respectively achieve 91.46% and 88.65% at a COD load of 0.25kg/(m2·d), a C/N ratio of 10.2 and a reflux ratio of 9.17.

Key words:biofilm reactor; domestic wastewater treatment; biofilm colonization start-up; COD load; C/N ratio; reflux ratio

收稿日期：2015-04-24

*基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃課題(2014BAL06B02)

Foundation item:Supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of Chinaduring the Twelfth Five-year Plan Period(2014BAL06B02)

作者簡介：浦躍武(1964-)，男，博士，副教授，主要從事污水治理、生物質(zhì)能源研究.E-mail：g96123@scut.edu.cn ? 通信作者： 魏成(1972-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事城鄉(xiāng)規(guī)劃與設(shè)計、傳統(tǒng)村落保護等相關(guān)研究.E-mail：weicheng@scut.edu.cn

中圖分類號：X7；Q819

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.03.020