沸石生物滴濾器處理分散式生活污水的性能及生物膜特征

郭俊元,周明杰,甘鵬飛,譚顯東,郭子豪,付 琳,黃婉怡,柏 雪 (成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225)

沸石生物滴濾器處理分散式生活污水的性能及生物膜特征

郭俊元?,周明杰,甘鵬飛,譚顯東,郭子豪,付 琳,黃婉怡,柏 雪 (成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225)

構(gòu)建沸石生物滴濾器處理農(nóng)村生活污水,研究了滴濾器的掛膜啟動特征、進(jìn)水水力負(fù)荷對滴濾器處理生活污水性能的影響.滴濾器采用連續(xù)進(jìn)水的方式掛膜,掛膜26d后,COD和氨氮去除率分別達(dá)到85%和68%以上,且COD和氨氮相鄰兩次監(jiān)測結(jié)果的相對偏差均低于10%,表明滴濾器掛膜成功,并基本達(dá)到了穩(wěn)定的運行狀態(tài).滴濾器表現(xiàn)出對進(jìn)水水力負(fù)荷變化較強的適應(yīng)性,水力負(fù)荷為 300L/(m2·d)時,滴濾器對COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分別達(dá)到90.8%、87.1%、67.2%、90.1%.滴濾器對有機物和氮磷的去除途徑結(jié)果表明,微生物降解和轉(zhuǎn)化作用對污水中COD、氨氮、TN的去除貢獻(xiàn)率最大,填料的吸附則是TP去除的主要途徑,鐵屑的氧化是影響填料吸附去除TP的重要因素.生物量及生物膜的分布特征表明,滴濾器內(nèi)生物膜中細(xì)菌的多樣性十分豐富.

沸石生物滴濾器；生活污水；水力負(fù)荷；生物膜

我國廣大農(nóng)村地區(qū)生活污水具有較大的分散性,且處理率很低[1-2].目前,農(nóng)村生活污水處理常用的技術(shù)有化糞池、土地處理系統(tǒng)、人工濕地等,然而這些技術(shù)均存在各自的缺陷,例如:化糞池對氮磷去除效果差;土地處理系統(tǒng)需要占用大量土地,易造成地下水污染;人工濕地技術(shù)長期運行會導(dǎo)致土壤有機質(zhì)積累和板結(jié)[3-4].因此,開發(fā)環(huán)境可持續(xù)、易控制生活污水中氮磷營養(yǎng)鹽的技術(shù)很有必要.滴濾和滲濾技術(shù)是一種典型的利用反應(yīng)器中微生物凈化污水的方法,通過合理設(shè)計反應(yīng)器構(gòu)型、構(gòu)建反應(yīng)器中的載體填料,可以有效去除污水中的有機物和氮磷營養(yǎng)鹽,如:吳為中等研發(fā)了多層土壤滲濾系統(tǒng),并成功用于滇池入湖河水、受污染河水、垃圾滲濾液等的強化脫氮除磷[5-8];Luo等[9-10]研發(fā)了生物滴濾+多層土壤滲濾組合系統(tǒng),并成功用于處理生活污水.吳為中團隊通過在反應(yīng)器中構(gòu)建不同載體填料、進(jìn)而形成好氧-厭氧微環(huán)境,實現(xiàn)有機物和氮磷的高效去除[5-10].鑒于此,針對農(nóng)村分散式生活污水,本實驗設(shè)計了沸石生物滴濾器處理技術(shù),通過構(gòu)建滴濾器中的填料,使整個滴濾器系統(tǒng)具備生物降解有機物和生物脫氮除磷功能.具體而言:沸石生物滴濾器內(nèi)填充粗粒沸石填料,并創(chuàng)新地在其間均勻攤鋪鐵屑薄層,污水長期以滴狀灑在沸石填料表面,污水中的氨氮首先被沸石吸附,污水中的微生物則在沸石表面和間隙逐漸形成生物膜,污水、空氣與生物膜接觸傳質(zhì),進(jìn)而實現(xiàn)了污水中有機物的分解去除;長期穩(wěn)定運行過程中,由于生物膜逐漸增長變厚,溶解氧通過擴散作用通常只能進(jìn)入生物膜表層,因此生物膜上同時存在好氧區(qū)和厭氧區(qū),使整個系統(tǒng)具有生物脫氮的功能;沸石填料表面均勻攤鋪鐵屑層,污水中的易與Fe3+發(fā)生化學(xué)吸附而沉淀析出,并被過濾截留,進(jìn)而去除.

本實驗主要研究進(jìn)水水力負(fù)荷對沸石生物滴濾器處理農(nóng)村分散式生活污水性能的影響、滴濾器對生活污水中有機物和氮磷的去除途徑、滴濾器內(nèi)污染物的行為特征,并分析滴濾器內(nèi)生物膜的分布特征、表觀形貌、及生物量的動態(tài)變化.

1 材料與方法

1.1 實驗污水水質(zhì)

配置模擬生活污水,水質(zhì)為:COD 220mg/L、氨氮45mg/L、總氮50mg/L、總磷5mg/L.

1.2 實驗裝置

如圖1所示,實驗裝置由支撐鐵架、沸石生物滴濾器組成.沸石生物滴濾器由普通市售的有機玻璃板制作而成,規(guī)格為600mm×450mm×250mm,無蓋,底部打孔(孔徑 8mm),打孔面積占底部總面積的30%(模擬滴濾池結(jié)構(gòu)),滴濾器內(nèi)的填料為卵石和粒徑3～5mm的顆粒沸石,為了促進(jìn)廢水中磷的去除,沸石填料層中均勻攤鋪了鐵屑.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental device

1.3 實驗運行方法

模擬生活污水通過定時繼電器(DHC19S-S)控制啟停的水泵和自制的布水設(shè)備布散于滴濾器的填料中,處理出水由置于滴濾器底部的收集水箱和排水管道收集并排出.設(shè)置運行條件,啟動滴濾器,采用連續(xù)進(jìn)水方式掛膜,為加快生物膜的生長,滴濾器初始進(jìn)水為模擬生活污水與活性污泥的混合液(體積比為2:1),接種污泥來自成都科雅污水處理有限公司(航空港污水處理廠),待觀察到填料顆粒之間被一些生物絮體圍繞,進(jìn)水由混合液調(diào)整為模擬生活污水.

1.4 檢測方法

分別采用重鉻酸鉀-微波消解法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色法測定污水中 COD、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)濃度;污水 pH值采用pH計(pHS-3C)檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 沸石生物滴濾器的掛膜啟動

滴濾器連續(xù)運行 7d后,可以明顯觀察到,原本表面清潔邊界清晰的沸石填料,表面逐漸變得粗糙模糊、色澤由起初的灰白色逐漸變成土褐色,其上生長有很多絨狀的生物絮體,表明滴濾器內(nèi)初步形成了生物膜[10].在此階段,隨著時間的延長,COD和氨氮去除率逐漸上升,最高可分別達(dá)到 36%、29%,這是由于活性污泥中的微生物通過水力條件和自身運動逐漸從水相轉(zhuǎn)移到填料表面和間隙中,攝取污水中的部分有機物質(zhì)、氮磷等不斷生長繁殖,進(jìn)而形成生物膜[11].第 8d開始,滴濾器進(jìn)水由混合液調(diào)整為模擬生活污水,進(jìn)水水力負(fù)荷為 200L/(m2·d),對處理出水中 COD和氨氮進(jìn)行連續(xù)檢測,結(jié)果如圖 2所示,污水中COD和氨氮去除率穩(wěn)步上升,掛膜最后階段(26～30d),COD和氨氮去除率分別可達(dá)到85%和68%以上(出水COD濃度低于35mg/L、氨氮濃度低于15mg/L),處理出水中COD和氨氮相鄰兩次監(jiān)測結(jié)果的相對偏差均低于 10%,基本達(dá)到了穩(wěn)定的運行狀態(tài),表明滴濾器達(dá)到了較好的掛膜效果.此外,隨著滴濾器掛膜時間的延長,可以觀察到吸附在填料表面和間隙中的生物量逐漸增多,且覆蓋在填料上的生物膜顏色不斷加深.

圖2 掛膜期間滴濾器出水COD和氨氮的變化Fig.2 COD and ammonia concentrations of the zeolite trickling filter (ZTF) effluent during the biofilm colonization

2.2 水力負(fù)荷對沸石生物滴濾器處理生活污水性能的影響

水力負(fù)荷的大小會影響污水在滴濾器內(nèi)的停留時間、生物膜的更新速度,進(jìn)而影響污水的處理效果.實驗過程中,沸石生物滴濾器的進(jìn)水水力負(fù)荷設(shè)置為200、300、400L/(m2·d),滴濾器在每個水力負(fù)荷條件下穩(wěn)定運行10d后依次遞增.

如圖3(a)所示,水力負(fù)荷分別為200、300、400L/(m2·d)時,沸石生物滴濾器對污水中COD的平均去除率分別為 84.8%、90.8%、84.9%,出水COD濃度均小于 50mg/L,滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)[12]一級排放標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn).COD去除效果優(yōu)于吳為中所研發(fā)的BAF+土壤滲濾組合系統(tǒng),這是由于BAF+土壤滲濾組合系統(tǒng)受到雨季地表徑流和雨污合流的影響[8].與 200L/(m2·d)的進(jìn)水水力負(fù)荷相比,300L/ (m2·d)條件下,COD平均去除率有所上升,這是由于提高水力負(fù)荷,使滴濾器內(nèi)水流速度加快,從而加快滴濾器內(nèi)溶解氧的流動速度、以及液相和生物相間的傳質(zhì)過程,進(jìn)而提高了污水中有機物的降解[13-14];400L/(m2·d)條件下 COD平均去除有所下降的原因:第一,水力負(fù)荷的增加導(dǎo)致生物膜沖刷過度,降低了污水中有機物的降解;第二,污水在滴濾器中的停留時間減少,部分有機物未經(jīng)降解而被水流沖出;第三,滴濾器內(nèi)的耗氧速率超過了復(fù)氧速率,從而使得出水 COD濃度稍有增加[15].這與吳為中等的研究結(jié)論一致[8].

如圖3(b)所示,不同水力負(fù)荷條件下,填充鐵屑的滴濾器對TP的平均去除率均高于90%,出水TP濃度低于0.5mg/L,滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)[12]一級排放標(biāo)準(zhǔn)的 A標(biāo)準(zhǔn).然而,作者發(fā)現(xiàn),沒有填充鐵屑的滴濾器在相同條件下對 TP的平均去除率低于 20%,說明本實驗中沸石生物滴濾器對TP的去除主要是由于鐵屑的化學(xué)作用,而微生物作用很小(平均＜20%).分析原因:在沸石填料層中,好氧環(huán)境使得鐵易轉(zhuǎn)化為Fe3+,Fe3+易與反應(yīng)生成沉淀FePO4,進(jìn)而被去除.此外,部分 Fe3+發(fā)生水解生成的 Fe(OH)3膠體及少量多羥基聚合物,能夠?qū)α姿猁}沉淀和污水中的其它膠體物質(zhì)起到混凝沉降作用,從而強化污水中 TP的去除.這與嚴(yán)森等

[8]、Luo等[9]、匡穎等[16]的研究結(jié)論一致.

圖3 水力負(fù)荷對污水中COD、TP、氨氮、TN去除的影響Fig.3 Effects of hydraulic loading rate (HLR) on COD, TP, ammonia and TN removal from the domestic wastewater圖上部的200,300,400L/(m2·d)表示水力負(fù)荷

如圖 3(c)所示,水力負(fù)荷分別為 200,300L/ (m2·d)時,氨氮的平均去除率均在 85%以上,出水氨氮平均濃度低于 5mg/L,滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)[12]一級排放標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn).沸石生物滴濾器能夠高效去除污水中的氨氮,主要原因:第一,本實驗構(gòu)建的生物滴濾器填料高度較小,且采用的是形式均一、孔隙率大的顆粒沸石,這樣有利于填料內(nèi)部的自然復(fù)氧;第二,填料的均一性,使其周圍的污水過流速度更穩(wěn)定,滴濾器在氣液固三相的傳質(zhì)更加充分.隨著水力負(fù)荷增加到400L/(m2·d),沸石生物滴濾器對氨氮的去除效果下降至 71.2%,這是由于:第一,過高的水力負(fù)荷使進(jìn)水有機負(fù)荷急劇增加,導(dǎo)致滴濾器內(nèi)異養(yǎng)微生物和硝化細(xì)菌對溶解氧和生存空間的競爭加劇,對生長環(huán)境要求較為苛刻的硝化細(xì)菌在競爭中處于不利地位,也就是說,水力負(fù)荷的增加引起的對硝化細(xì)菌的抑制作用強于促進(jìn)作用[17-18];第二,過高的水力負(fù)荷使部分污水與沸石填料接觸時間降低,污染物向反應(yīng)位點擴散過程難以保證,沸石填料對氨氮的吸附及填料表面生物膜對氨氮的硝化作用均會降低.這與楊春平等的研究結(jié)論類似[9-10].

如圖 3(d)所示,水力負(fù)荷分別為 200,300L/ (m2·d)時,TN的平均去除率均在 60%以上,出水TN平均濃度低于20mg/L,滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)[12]一級排放標(biāo)準(zhǔn)的 B標(biāo)準(zhǔn).隨水力負(fù)荷的增加到 400L/(m2·d),沸石生物滴濾器對TN的去除效果下降至41.4%,盡管如此,TN去除效果依然優(yōu)于吳為中所研發(fā)的BAF+土壤滲濾組合系統(tǒng)[8].TN的去除受水力負(fù)荷影響較大,這是由于:水力負(fù)荷較低時,進(jìn)水有機負(fù)荷相應(yīng)較低,滴濾器內(nèi)反硝化碳源不足,碳氮比降低,導(dǎo)致TN去除率較低;隨水力負(fù)荷的增加,碳氮比逐漸增加,促進(jìn)TN的去除,但過高的水力負(fù)荷不僅會縮短水力停留時間,而且生物膜更新速度快、易脫落、難以形成同步硝化反硝化環(huán)境,從而導(dǎo)致TN的去除變差[19].這與吳為中等的研究結(jié)論一致[8].

圖4 氮素平衡示意和氮素衡算Fig.4 Nitrogen balance schematic and balance results

為進(jìn)一步檢驗滴濾器運行的穩(wěn)定性及其對污水中氮的去除機理,對滴濾器進(jìn)行氮素物料衡算,假設(shè)進(jìn)水中的有機氮和可被忽略,那么進(jìn)水中的氮素主要為氨氮(Ai),還有少量(Ni),氨氮可被沸石填料吸附(ΔAa),也可經(jīng)脫附或直接隨水流排出滴濾器(Ae);氨氮還可被填料表面和間隙中的生物膜和微生物作用轉(zhuǎn)化為和,假設(shè)不被沸石填料吸附,則一經(jīng)產(chǎn)生就被微生物吸收/同化(Nd)或隨水流排出滴濾器(Ne).氮素衡算過程中,滴濾器保持穩(wěn)定運行,其內(nèi)部的擴散、吸附等過程均處于平衡狀態(tài),即:單位時間內(nèi)沸石填料凈吸附截留的污染物量為零(ΔAa=0).如圖4所示,滴濾器對污水中氮的去除可以近似表示為污水中氨氮的凈去除量與的凈生成量之差(ΔA-ΔN),結(jié)果表明,水力負(fù)荷分別為200、300、400L/(m2·d)的條件下,滴濾器對污水中氮的去除率分別為62.6%、67.6%、40.8%,與圖 3(d)污水中 TN的去除效果一致,說明滴濾器中氮素的轉(zhuǎn)化過程顯著存在典型的生物硝化/反硝化過程[20],這與楊春平等的研究結(jié)論一致[9-10].

2.3 有機物和氮磷在滴濾器系統(tǒng)中的分配平衡通過守恒定律,滴濾器中微生物降解的有機物和氮磷的量可以通過下式計算:

微生物降解量=滴濾器輸入量-滴濾器輸出量-填料吸附量

式中:填料吸附量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定.

表1 沸石生物滴濾器去除有機物、氮磷途徑分析Table 1 Analysis of removal pathway of organic matter, ammonia, TN, and TP in the zeolite trickling filter

由表 1可知,水力負(fù)荷分別為 200、300、400L/(m2·d)時,填料吸附對有機物的去除貢獻(xiàn)率分別為 32.6%、21.6%、17.0%,雖然去除貢獻(xiàn)率差別較為明顯,但有機物的去除數(shù)量差別并不明顯,說明填料吸附對滴濾器去除有機物的貢獻(xiàn)有一定限度.水力負(fù)荷為300L/(m2·d)時,微生物降解對有機物去除的貢獻(xiàn)率最大,為 69.2%,說明選擇合適的水力負(fù)荷有利于提高滴濾器內(nèi)微生物的降解作用.微生物對滴濾器內(nèi)氨氮的去除作用體現(xiàn)出了與降解有機物相同的規(guī)律.然而,從去除百分比和去除數(shù)量上均可以看出,不同水力負(fù)荷條件下,進(jìn)水中的TN大部分隨出水排出,輸出比例分別為37.6%、32.8%、58.6%.此外,由表1還可以看出,微生物降解對 TP去除的貢獻(xiàn)較小(15.9%～17.4%),這與2.2的研究結(jié)論相同.

2.4 滴濾器穩(wěn)定運行期間溶解氧和氧化還原電位的變化規(guī)律

圖5 滴濾器沿程高度溶解氧和氧化還原電位的變化規(guī)律Fig.5 Variation of DO and ORP along ZTF′s height

如圖 5(a)所示,滴濾器內(nèi)的溶解氧濃度為0.4～2.2mg/L,呈現(xiàn)兩端高、中間低的趨勢,滴濾器進(jìn)水口(500mm)與出水口(0mm)溶解氧濃度較高,這是由于進(jìn)水、出水口與空氣直接接觸,在自然通風(fēng)的情況下,部分空氣擴散進(jìn)入滴濾器內(nèi),溶解氧豐富的區(qū)域有利于可降解有機物的去除.滴濾器內(nèi)部溶解氧濃度最低為 0.4mg/L,能夠保證反硝化過程的順利進(jìn)行,促進(jìn)污水中TN的去除[21].滴濾器內(nèi)的氧化還原電位是反映生化反應(yīng)氧化或還原程度的綜合指標(biāo),如圖5(b)所示,在滴濾器孔隙度不變的情況下,適當(dāng)增加水力負(fù)荷,可以加快滴濾器內(nèi)水流速度,使得污水中有機物與生物膜接觸充分,提高了溶解氧的利用率,有機物得到充分降解,氧化還原電位在此過程出現(xiàn)降低.過高的水力負(fù)荷則使得生物膜表面水力剪切力增大,溶解氧流動速度加快,會破壞滴濾器內(nèi)的低溶解氧環(huán)境,抑制反硝化反應(yīng),氧化還原電位在此過程出現(xiàn)升高[22].此外,圖 5(b)還可以看出,低水力負(fù)荷條件下,滴濾器內(nèi)不同高度處氧化還原電位變化幅度較小,而高水力負(fù)荷條件下,氧化還原電位變化較明顯;滴濾器運行過程中,沿程溶解氧和氧化還原電位的變化規(guī)律基本一致,說明溶解氧的變化是導(dǎo)致氧化還原電位變化的主要原因.

2.5 生物膜和生物相特征

沸石生物滴濾器內(nèi)的沸石填料在掛膜前顯示出不規(guī)則空隙結(jié)構(gòu)(圖 6(a)),這有利于微生物在其中生長,并形成生物膜;圖6(b)顯示沸石填料表面已覆蓋有生物膜,能夠?qū)ξ鬯械挠袡C物起到吸附、降解作用.取滴濾器沿程高度100、200、300、400mm的沸石填料,采用電子顯微鏡觀察其表面的生物膜特征及微生物的生長情況,如圖6(c)-(f)顯示,沸石填料表面附著的生物膜呈淺褐色,有球狀、桿狀、螺狀等微生物,表明滴濾器內(nèi)微生物具備多樣性[23].

滴濾器穩(wěn)定運行過程中,將滴濾器沿程高度沸石填料表面附著的生物膜剝落,在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行生物相觀察,分析生物膜的形態(tài),將生物膜中占優(yōu)勢的細(xì)菌、原生動物和后生動物等,與標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行對照[24],結(jié)果顯示:掛膜階段,生物膜中多細(xì)菌、原生動物及后生動物較少、可觀察到草履蟲,滴濾器穩(wěn)定運行階段,生物膜中出現(xiàn)了鐘蟲、累枝蟲等,草履蟲的數(shù)量大減,說明滴濾器對污水有著較好的處理效果;表2顯示:滴濾器沿程高度,進(jìn)水端(500～400mm)存在大量以有機物為食的纖毛蟲,滴濾器中部(400～300mm)能夠觀察到生物膜中穿插有絲狀菌及輪蟲,出水端(200～ 100mm)出現(xiàn)大量輪蟲,說明滴濾器內(nèi)有機物含量大幅降低,異養(yǎng)菌在 微生物群落中失去優(yōu)勢[25].

圖6 滴濾器掛膜前后及運行穩(wěn)定期間沿程高度100、200、300、400mm處生物膜的特征(×10000)Fig.6 Biofilm characteristics of the ZTF before and after colonization and along the height of 100, 200, 300, and 400mm of the filter during stable operation (×10000)

表2 生物相構(gòu)成特征Table 2 Characteristics of microorganism population distributing along the height of the zeolite trickling filter

圖7 滴濾器沿程高度生物量的變化規(guī)律Fig.7 Variation of biomass along the height of the ZTF

此外,如圖7所示,滴濾器內(nèi)生物膜的量隨沿程高度的降低呈現(xiàn)下降—升高—下降的趨勢.進(jìn)水端生物膜的量明顯較多,這是由于自然通風(fēng)情況下,進(jìn)水溶解氧濃度、有機物和氮磷濃度均較高,大量的好氧異養(yǎng)菌以及兼性菌迅速增殖,使得進(jìn)水端生物量較高;隨著水流沿程向下,污水中的營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧逐漸消耗,好氧微生物量逐漸減少;然而,隨著溶解氧的逐漸消耗,反硝化菌逐漸生長,體現(xiàn)為生物量逐漸增加;當(dāng)污水流至出水端(0mm),有機物經(jīng)過前面填料的吸附和微生物降解,其濃度下降至最低、硝酸鹽濃度也有所降低,進(jìn)而導(dǎo)致生物量略有減少[26].

滴濾器在不同填料高度處生物相和生物膜量有所不同,這與不同填料高度處污水中有機物、氨氮、以及溶解氧的濃度有關(guān)[23].具體而言,由圖8(a)可知,水力負(fù)荷為 300L/(m2·d)時,沿水流方向,隨著填料層高度的降低,COD去除率逐漸增加,尤其是進(jìn)水端500～300mm段,COD快速去除,這是由于進(jìn)水端有機物和溶解氧濃度較高,有利于異養(yǎng)菌的積累(體現(xiàn)為生物膜量較多),因而有機物降解速率較快,經(jīng)過500～300mm段填料層內(nèi)微生物的捕食作用后,COD濃度降低至 84.6mg/L,溶解氧濃度降低至 0.8mg/L,營養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧逐漸成為異氧菌生理活動的限制因素(體現(xiàn)為生物膜量下降).由圖 8(b)可知,進(jìn)水端(500mm)氨氮的去除作用較弱,去除率僅為2.6%,這是由于有機物濃度較高,異養(yǎng)菌占優(yōu)勢,氨氮的去除歸因于是異養(yǎng)菌的同化作用.在 300～200mm段,氨氮濃度迅速降低至 14.7mg/L,氨氮去除率迅速增加至67.3%,分析認(rèn)為該段填料中硝化細(xì)菌數(shù)量較多(體現(xiàn)為生物膜量增加),出水端(0mm),污水中有機物和氨氮濃度均降至最低,微生物生長受到抑制,生物膜量大量減少.圖 5(a)溶解氧的變化規(guī)律與異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌在滴濾器填料床層內(nèi)的分布規(guī)律一致,后續(xù)滴濾器沿程異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量的變化試驗進(jìn)一步驗證了這一分析.

圖8 滴濾器沿程高度COD和氨氮的變化規(guī)律Fig.8 Variation of COD and ammonia along ZTF′s height

2.6 異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌量的變化特征

采用實時熒光定量PCR技術(shù)對滴濾器內(nèi)的亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌等的數(shù)量進(jìn)行定量分析,結(jié)果如表3所示,在沸石填料500～ 400mm處亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的數(shù)量相對較少,而生物滴濾器在此段有機物濃度較高,異養(yǎng)菌在競爭中占有優(yōu)勢,同時,在 300～200mm處填料中硝化菌數(shù)量較多,這與氨氮沿填料層高度的去除規(guī)律相似.硝化功能菌在總菌群中的比例如表4所示,在沸石填料 300～200mm處硝化細(xì)菌為優(yōu)勢菌屬(所占比例最大),硝化效能達(dá)到最優(yōu)值,進(jìn)一步證實了上述分析,即:沸石生物滴濾器進(jìn)水端有機物濃度較高,最大比增長速率相對較小的硝化細(xì)菌無法與異養(yǎng)菌在填料層空間進(jìn)行競爭,異養(yǎng)菌在競爭中占優(yōu)勢,氨氮去除作用較弱,隨著有機物的不斷降解,異養(yǎng)菌生長受到限制,自養(yǎng)型的硝化菌則占統(tǒng)治性地位,氨氮去除率逐漸提高.

表3 單位體積濾料上硝化細(xì)菌的數(shù)量Table 3 Numbers of different bacteria on per unit of media volume

表4 硝化細(xì)菌在總菌群中的比例Table 4 Ratio of nitrifying bacteria in the whole bacterial

3 結(jié)論

3.1 本實驗構(gòu)建的沸石生物滴濾器表現(xiàn)出對進(jìn)水水力負(fù)荷變化較強的適應(yīng)性,水力負(fù)荷為300L/(m2·d)時,滴濾器對 COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分別為 90.8%、87.1%、67.2%、90.1%,處理出水水質(zhì)滿足GB18918-2002一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求.

3.2 微生物降解作用對污水中COD、氨氮、TN的去除貢獻(xiàn)率最大,而生物除磷的效果很有限(平均＜20%),沸石生物滴濾器填料層中添加鐵屑后,除磷效果大大提高.

3.3 沸石生物滴濾器沿程溶解氧濃度和氧化還原電位變化規(guī)律一致,即呈現(xiàn)兩端高、中間低的趨勢.

3.4 滴濾器沿程各形態(tài)氮素濃度變化規(guī)律、單位體積濾料上硝化細(xì)菌數(shù)量的變化規(guī)律、硝化細(xì)菌在總菌群中所占比例的變化規(guī)律表明,沿程優(yōu)勢微生物依次分別為異養(yǎng)菌和硝化菌.氮素平衡計算結(jié)果表明,滴濾器中氮素的轉(zhuǎn)化過程顯著存在典型的生物硝化/反硝化過程.

3.5 受沿程有機物、氨氮、溶解氧濃度的影響,滴濾器沿程微生物種群存在明顯差別,微生物種群分布表明,沿程優(yōu)勢微生物依次分別為異養(yǎng)菌和硝化菌,與通過對污水處理效果分析得出的微生物沿程分布特點一致;生物量及生物膜分布特征表明滴濾器生物膜中細(xì)菌多樣性十分豐富.

[1] Chen M, Chen J, Du P. An inventory analysis of rural pollution loads in China [J]. Wat. Sci. Technol. 2006,54(11):65-74.

[2] Massoud M A, Tarhini A, Nasr J A. Decentralized approaches to wastewater treatment and management: Applicability in developing countries [J]. J. Environmental Management, 2009, 90(1):652-659.

[3] 張后虎,祝棟林.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)及太湖流域示范工程案例分析 [M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2011.

[4] 林克明.化糞池出水的土地滲濾處理技術(shù)研究 [D]. 上海:上海交通大學(xué), 2009.

[5] 魏才倢,吳為中,陶 淑,等.多級土壤滲濾系統(tǒng)處理滇池入湖河水的研究 [J]. 中國給水排水, 2010,26(9):104-111.

[6] 陳佳利,吳為中,楊春平,等.基于BPOs的多級土壤滲濾系統(tǒng)處理受污染河水的試驗研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012,32(4):909-915.

[7] 魏才倢,朱 擎,吳為中,等.兩段式沸石多級土壤滲濾系統(tǒng)強化脫氮試驗 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(8):833-838.

[8] 嚴(yán) 森,吳為中,楊春平,等.水力負(fù)荷及固相碳源對 BAF+多級土壤滲濾組合工藝處理污水的影響研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012,32(8):1793-1800.

[9] Luo W, Yang C P, He H J, et al. Novel two-stage vertical flow biofilter system for efficient treatment of decentralized domestic wastewater [J]. Ecological Engineering, 2014,64:415-423.

[10] 羅 偉.沸石層滴濾—多介質(zhì)土壤層系統(tǒng)處理分散生活污水的研究 [D]. 長沙:湖南大學(xué), 2014.

[11] 郭俊元,楊春平,曾龍云,等.回流比水力負(fù)荷對前置反硝化生物濾池工藝處理污水的影響研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2010, 30(8):1615-1621.

[12] GB18918-2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S].

[13] He S, Xue G, Kong H. The performance of BAF using natural zeolite as filter media under conditions of low temperature and ammonium shock load [J]. J. Hazardous Materials. 2007,143(1): 291-295.

[14] Rao R K, Srinivasan T, Venkateswarlu C. Mathematical and kinetic modeling of biofilm reactor based on ant colony optimization [J]. Process Biochemistry, 2010,45(6):961-972.

[15] Sato K, Iwashima N, Wakatsuki T, et al. Quantitative evaluation of treatment processes and mechanisms of organic matter, phosphorus, and nitrogen removal in a multi-soil-layering system [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 2011,57(3):475-486.

[16] 匡 穎,董啟榮,王鶴立.海綿鐵與火山巖填料 A/O生物滴濾池脫氮除磷的中試研究 [J]. 水處理技術(shù), 2012,38(9):50-53.

[17] Hu B, Wheatley A, Ishtchenko V. The effect of shock loads on SAF bioreactors for sewage treatment works [J]. Chemical Engineering Journal, 2011,166(1):73-80.

[18] Krasnits E, Beliavsky M, Tarre S, et al. PHA based denitrification: municipal wastewater vs. acetate [J]. Bioresource Technology. 2013,132:28-37.

[19] Schipper L A, Robertson W D, Gold A J, et al. Denitrifying bioreactors—an approach for reducing nitrate loads to receiving waters [J]. Ecological Engineering, 2010,36(11):1532-1543.

[20] Kellogg D Q, Gold A J, Cox S. A geospatial approach for assessing denitrification sinks within lower-order catchments [J]. Ecological Engineering, 2010,36(11):1596-1606.

[21] 李 洋.磁絮凝分離—生物滴濾組合工藝處理小城鎮(zhèn)污水研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

[22] Pearce P, Edwards W. A design model for nitrification on structured cross flow plastic media trickling filters [J]. Water and Environment Journal, 2011,25(2):257-265.

[23] 郭俊元.前置反硝化生物濾池對低碳氮比污水的脫氮性能研究[D]. 長沙:湖南大學(xué), 2010.

[24] 中國科學(xué)院微生物研究所細(xì)菌分類組.一般常見細(xì)菌鑒定手冊[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2001.

[25] 竇娜莎,王 琳.16SrDNA克隆文庫法分析Biostyr曝氣生物濾池處理城市污水的細(xì)菌多樣性研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2011,31(10):2117-2124.

[26] Li J Z,Shi S. A Short Review of Wastewater Biological Treatment at Low C/N ratio [J]. Advanced Materials Research, 2014,955: 1490-1494.

Performance of zeolite trickling filter in treatment of domestic wastewater and characteristics of the biofilm.

GUO Jun-yuan?, ZHOU Ming-jie, GAN Peng-fei, TAN Xian-dong, GUO Zi-hao, FU Lin, HUANG Wan-yi, BAI Xue (College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China). China Environmental Science, 2016,36(12)：3601～3609

Zeolite trickling filter (ZTF) was developed to treat domestic wastewater. Biofilm colonization and the effects of hydraulic loading rate (HLR) on the treatment of domestic wastewater by the ZTF were investigated. In biofilm colonization stage, the influent was set as the “continuous manner”, and after 26d, COD and ammonia removal efficiencies reached 85% and 68%, even more, respectively, moreover, relative deviation of the two adjacent test results of COD and ammonia were less than 10% in this period, indicated that the biofilm colonization was success and the ZTF reached a stable operation state. The ZTF exhibited a strong adaptability on the variation of hydraulic loading rate (HLR), and average removal efficiencies of COD, ammonia, TN, TP reached 90.8%, 87.1%, 67.2%, and 90.1%, respectively, when the HLR was adjusted to 300L/(m2·d). In the treatment process by the ZTF, COD, ammonia, and TN could be efficiently removed, and the biological decomposition and biotransformation processes of microorganisms were the most important pathway for pollutants removal, while the adsorption of phosphorous onto the zeolite substrates could explained as the main removal mechanism, in which metal irons oxidized into ferric hydroxides was the key factor for adsorption of phosphorus. Moreover, the bacterial diversity in the ZTF was very rich, which could be proved by the characteristics of biomass and microorganism population distribution

zeolite trickling filter (ZTF)；domestic wastewater；hydraulic loading rate (HLR)；biofilm

X703.1

A

1000-6923(2016)12-3601-09

郭俊元(1985-),男,山西人,講師,博士,主要從事水污染控制工程與資源化研究和環(huán)境微生物技術(shù)研究.發(fā)表論文10余篇.

2014-04-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508043);四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項目(2016JY0015);成都市科技局科技惠民技術(shù)研發(fā)項目(2015-HM01-00149-SF);成都信息工程大學(xué)中青年學(xué)術(shù)帶頭人科研人才基金(J201515)

* 責(zé)任作者, 講師, gjy@cuit.edu.cn