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(dòng)特征、進(jìn)水水力負(fù)荷對(duì)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(cè)結(jié)果的相對(duì)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(yùn)行狀態(tài).滴濾器表現(xiàn)出對(duì)進(jìn)水水力負(fù)荷變化較強(qiáng)的適應(yīng)性,水力負(fù)荷為 300L/(m2·d)時(shí),滴濾器對(duì)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(duì)有機(jī)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(duì)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(guó)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(duì)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(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)積累和板結(jié)[3-4].因此,開(kāi)發(fā)環(huán)境可持續(xù)、易控制生活污水中氮磷營(yíng)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(guò)合理設(shè)計(jì)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(jī)物和氮磷營(yíng)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(qiáng)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(tuán)隊(duì)通過(guò)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(shí)現(xiàn)有機(jī)物和氮磷的高效去除[5-10].鑒于此,針對(duì)農(nóng)村分散式生活污水,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了沸石生物滴濾器處理技術(shù),通過(guò)構(gòu)建滴濾器中的填料,使整個(gè)滴濾器系統(tǒng)具備生物降解有機(jī)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了污水中有機(jī)物的分解去除;長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中,由于生物膜逐漸增長(zhǎng)變厚,溶解氧通過(guò)擴(kuò)散作用通常只能進(jìn)入生物膜表層,因此生物膜上同時(shí)存在好氧區(qū)和厭氧區(qū),使整個(gè)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(guò)濾截留,進(jìn)而去除.

本實(shí)驗(yàn)主要研究進(jìn)水水力負(fù)荷對(duì)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(duì)生活污水中有機(jī)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(dòng)態(tài)變化.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)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(jī)玻璃板制作而成,規(guī)格為600mm×450mm×250mm,無(wú)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(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental device

1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方法

模擬生活污水通過(guò)定時(shí)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(yùn)行條件,啟動(dòng)滴濾器,采用連續(xù)進(jìn)水方式掛膜,為加快生物膜的生長(zhǎng),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(lái)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(cè)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(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法、硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色法測(cè)定污水中 COD、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)濃度;污水 pH值采用pH計(jì)(pHS-3C)檢測(cè).

2 結(jié)果與討論

2.1 沸石生物滴濾器的掛膜啟動(dòng)

滴濾器連續(xù)運(yùn)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(zhǎng)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(shí)間的延長(zhǎng),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(guò)水力條件和自身運(yùn)動(dòng)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(jī)物質(zhì)、氮磷等不斷生長(zhǎng)繁殖,進(jìn)而形成生物膜[11].第 8d開(kāi)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(duì)處理出水中 COD和氨氮進(jìn)行連續(xù)檢測(cè),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(cè)結(jié)果的相對(duì)偏差均低于 10%,基本達(dá)到了穩(wěn)定的運(yùn)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(shí)間的延長(zhǎng),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(duì)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(huì)影響污水在滴濾器內(nèi)的停留時(shí)間、生物膜的更新速度,進(jìn)而影響污水的處理效果.實(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)水力負(fù)荷條件下穩(wěn)定運(yùn)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(shí),沸石生物滴濾器對(duì)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(jí)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(dòng)速度、以及液相和生物相間的傳質(zhì)過(guò)程,進(jìn)而提高了污水中有機(jī)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(guò)度,降低了污水中有機(jī)物的降解;第二,污水在滴濾器中的停留時(shí)間減少,部分有機(jī)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(guò)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(duì)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(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的 A標(biāo)準(zhǔn).然而,作者發(fā)現(xiàn),沒(méi)有填充鐵屑的滴濾器在相同條件下對(duì) TP的平均去除率低于 20%,說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中沸石生物滴濾器對(duì)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(qiáng)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(duì)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(shí),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(jí)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(shí)驗(yàn)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?chē)奈鬯^(guò)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(duì)氨氮的去除效果下降至 71.2%,這是由于:第一,過(guò)高的水力負(fù)荷使進(jìn)水有機(jī)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(duì)溶解氧和生存空間的競(jìng)爭(zhēng)加劇,對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求較為苛刻的硝化細(xì)菌在競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位,也就是說(shuō),水力負(fù)荷的增加引起的對(duì)硝化細(xì)菌的抑制作用強(qiáng)于促進(jìn)作用[17-18];第二,過(guò)高的水力負(fù)荷使部分污水與沸石填料接觸時(shí)間降低,污染物向反應(yīng)位點(diǎn)擴(kuò)散過(guò)程難以保證,沸石填料對(duì)氨氮的吸附及填料表面生物膜對(duì)氨氮的硝化作用均會(huì)降低.這與楊春平等的研究結(jié)論類(lèi)似[9-10].

如圖 3(d)所示,水力負(fù)荷分別為 200,300L/ (m2·d)時(shí),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(jí)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(duì)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(shí),進(jìn)水有機(jī)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(guò)高的水力負(fù)荷不僅會(huì)縮短水力停留時(shí)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(yàn)滴濾器運(yùn)行的穩(wěn)定性及其對(duì)污水中氮的去除機(jī)理,對(duì)滴濾器進(jìn)行氮素物料衡算,假設(shè)進(jìn)水中的有機(jī)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(guò)程中,滴濾器保持穩(wěn)定運(yùn)行,其內(nèi)部的擴(kuò)散、吸附等過(guò)程均處于平衡狀態(tài),即:單位時(shí)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(duì)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(duì)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(shuō)明滴濾器中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程顯著存在典型的生物硝化/反硝化過(guò)程[20],這與楊春平等的研究結(jié)論一致[9-10].

2.3 有機(jī)物和氮磷在滴濾器系統(tǒng)中的分配平衡通過(guò)守恒定律,滴濾器中微生物降解的有機(jī)物和氮磷的量可以通過(guò)下式計(jì)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(cè)定.

表1 沸石生物滴濾器去除有機(jī)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(shí),填料吸附對(duì)有機(jī)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(jī)物的去除數(shù)量差別并不明顯,說(shuō)明填料吸附對(duì)滴濾器去除有機(jī)物的貢獻(xiàn)有一定限度.水力負(fù)荷為300L/(m2·d)時(shí),微生物降解對(duì)有機(jī)物去除的貢獻(xiàn)率最大,為 69.2%,說(shuō)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(duì)滴濾器內(nèi)氨氮的去除作用體現(xiàn)出了與降解有機(jī)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(duì) 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(yùn)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(shì),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(kuò)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(jī)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(guò)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(jī)物與生物膜接觸充分,提高了溶解氧的利用率,有機(jī)物得到充分降解,氧化還原電位在此過(guò)程出現(xiàn)降低.過(guò)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(dòng)速度加快,會(huì)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(guò)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(yùn)行過(guò)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(shuō)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(zhǎng),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(jī)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(zhǎng)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(yùn)行過(guò)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(shì)的細(xì)菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等,與標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行對(duì)照[24],結(jié)果顯示:掛膜階段,生物膜中多細(xì)菌、原生動(dòng)物及后生動(dòng)物較少、可觀察到草履蟲(chóng),滴濾器穩(wěn)定運(yùn)行階段,生物膜中出現(xiàn)了鐘蟲(chóng)、累枝蟲(chóng)等,草履蟲(chóng)的數(shù)量大減,說(shuō)明滴濾器對(duì)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(jī)物為食的纖毛蟲(chóng),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(chóng),出水端(200～ 100mm)出現(xiàn)大量輪蟲(chóng),說(shuō)明滴濾器內(nèi)有機(jī)物含量大幅降低,異養(yǎng)菌在 微生物群落中失去優(yōu)勢(shì)[25].

圖6 滴濾器掛膜前后及運(yùn)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(shì).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(jī)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(yíng)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(zhǎng),體現(xiàn)為生物量逐漸增加;當(dāng)污水流至出水端(0mm),有機(jī)物經(jīng)過(guò)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(jī)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(shí),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(jī)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(jī)物降解速率較快,經(jīng)過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧逐漸成為異氧菌生理活動(dòng)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(jī)物濃度較高,異養(yǎng)菌占優(yōu)勢(shì),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(jī)物和氨氮濃度均降至最低,微生物生長(zhǎng)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(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)對(duì)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(duì)較少,而生物滴濾器在此段有機(jī)物濃度較高,異養(yǎng)菌在競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì),同時(shí),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(shì)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(shí)了上述分析,即:沸石生物滴濾器進(jìn)水端有機(jī)物濃度較高,最大比增長(zhǎng)速率相對(duì)較小的硝化細(xì)菌無(wú)法與異養(yǎng)菌在填料層空間進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),異養(yǎng)菌在競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì),氨氮去除作用較弱,隨著有機(jī)物的不斷降解,異養(yǎng)菌生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)構(gòu)建的沸石生物滴濾器表現(xiàn)出對(duì)進(jìn)水水力負(fù)荷變化較強(qiáng)的適應(yīng)性,水力負(fù)荷為300L/(m2·d)時(shí),滴濾器對(duì) 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(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求.

3.2 微生物降解作用對(duì)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(shì).

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(shì)微生物依次分別為異養(yǎng)菌和硝化菌.氮素平衡計(jì)算結(jié)果表明,滴濾器中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程顯著存在典型的生物硝化/反硝化過(guò)程.

3.5 受沿程有機(jī)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(shì)微生物依次分別為異養(yǎng)菌和硝化菌,與通過(guò)對(duì)污水處理效果分析得出的微生物沿程分布特點(diǎn)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.

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508043);四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目(2016JY0015);成都市科技局科技惠民技術(shù)研發(fā)項(xiàng)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