電氣石強(qiáng)化序批式生物膜反應(yīng)器脫氮效能研究*

賈 蘭 周 鐸 趙 光 李 崴

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.阜新市新環(huán)水處理運(yùn)營(yíng)有限公司，遼寧 阜新 123000)

電氣石強(qiáng)化序批式生物膜反應(yīng)器脫氮效能研究*

賈 蘭1周 鐸1趙 光2李 崴3

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.阜新市新環(huán)水處理運(yùn)營(yíng)有限公司，遼寧 阜新 123000)

比較了含電氣石的新型陶粒生物膜載體和普通陶粒生物膜載體組成的電氣石強(qiáng)化序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)工藝和普通SBBR工藝的脫氮效能。結(jié)果表明，新型陶粒生物膜載體具有更好的吸附性能和生物親和性。單周期分析表明，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝中氨氮濃度明顯低于普通SBBR工藝，同步反硝化作用也強(qiáng)于普通SBBR工藝，表明電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的的脫氮效果優(yōu)于普通SBBR工藝。90 d的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)一步證明了電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的脫氮性能優(yōu)于普通SBBR工藝，而且COD和總磷的去除效果也優(yōu)于普通SBBR工藝。

電氣石 序批式生物膜反應(yīng)器 脫氮

隨著水體污染不斷加劇，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出，最大限度地控制氮排放進(jìn)入水環(huán)境中是防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。生物膜法是城市污水處理廠中廣泛應(yīng)用的生物脫氮工藝[1]。其中，序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。

電氣石是一種環(huán)狀硅酸鹽晶體礦物，具有自發(fā)電極性，這種電極性可以引起電氣石兩端具有相反的極性，還使其具有壓電效應(yīng)和熱電效應(yīng)[3-5]。夏枚生等[6]通過(guò)向富集硝化細(xì)菌的活性污泥中添加電氣石，培養(yǎng)21 d后發(fā)現(xiàn)，活性污泥中硝化細(xì)菌的數(shù)量比未添加電氣石的對(duì)照組明顯增多。

本研究在SBBR普通陶粒生物膜載體的基礎(chǔ)上摻雜電氣石，自制了新型陶粒生物膜載體用于SBBR，并與普通陶粒生物膜載體對(duì)比，研究電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的脫氮效能，為污水的脫氮理論研究和工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 生物膜載體的制備與表征

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，以電氣石、粉煤灰、污泥為主要原材料，以硅酸鈉為添加劑，NaOH為助溶劑，秸稈為造孔劑，經(jīng)過(guò)干燥、粉碎、篩分、成型、燒制5個(gè)過(guò)程制備得到摻雜電氣石的新型陶粒生物膜載體。不添加電氣石即制得普通陶粒生物膜載體。

1—柱體；2—排泥斗；3—填料區(qū)；4—曝氣盤(pán)；5—環(huán)形布水器；6、7、8—取樣口；9—排泥口；10—?dú)怏w流量計(jì)；11—微型曝氣泵；12—進(jìn)水水泵；13—配水槽；14—循環(huán)泵；15—出水槽；16—溶解氧測(cè)試儀圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

表1 微量元素溶液的組成

采用汞壓力法對(duì)陶粒的比表面積、孔容積和孔徑進(jìn)行表征；采用排水法對(duì)表觀密度進(jìn)行表征；采用電泳法對(duì)Zeta電位進(jìn)行表征；采用《煤質(zhì)顆粒活性炭試驗(yàn)方法 亞甲基藍(lán)吸附值的測(cè)定》(GB/T 7702.6—2008)對(duì)亞甲基藍(lán)吸附值進(jìn)行表征。

1.2 SBBR實(shí)驗(yàn)裝置

SBBR實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，共有2個(gè)，1個(gè)填料為新型陶粒生物膜載體，即電氣石強(qiáng)化SBBR工藝；1個(gè)填料為普通陶粒生物膜載體，即普通SBBR工藝。其中，SBBR由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為20 cm，有效容積30 L，包括下部的排泥斗有效容積3 L。在SBBR上部、中部和下部分別設(shè)有3個(gè)取樣口，可根據(jù)需求分段取樣，本研究取上清液即在上部取樣口取樣。SBBR底部裝有曝氣盤(pán)，對(duì)裝置均勻布?xì)?，微型曝氣泵開(kāi)啟與關(guān)閉及曝氣量根據(jù)不同反應(yīng)階段所需的溶解氧大小通過(guò)氣體流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。外接循環(huán)泵，在SBBR進(jìn)行缺氧反應(yīng)時(shí)循環(huán)攪拌，以實(shí)現(xiàn)污水與生物膜的充分接觸。在反應(yīng)器底部設(shè)有排泥口，定期排泥。

掛膜啟動(dòng)成功后，1個(gè)完整運(yùn)行周期如下：首先啟動(dòng)進(jìn)水水泵，將配水槽中的污水抽入反應(yīng)器柱體底部的環(huán)形布水器進(jìn)水，循環(huán)泵、曝氣盤(pán)和微型曝氣泵按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間運(yùn)行，進(jìn)水30 min、厭氧3 h、好氧7 h、缺氧1 h、排水30 min[8]。溶解氧控制為好氧2.0～3.0 mg/L，缺氧0.2～0.5 mg/L，厭氧小于0.2 mg/L。

1.3 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用污水由人工配制而成[9]，由葡萄糖、KH2PO4、NH4Cl、CaCl2、MgSO4·7H2O配得COD、氨氮、總磷、Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度分別為250.00、60.00、12.00、21.00、8.00 mg/L，再每升污水中加入1 mL微量元素溶液，其組成如表1所示，pH控制在6.7～8.2。

1.4 檢測(cè)方法

COD、總磷、氨氮、總氮和硝酸鹽氮等主要指標(biāo)的檢測(cè)方法[10]如表2所示。

表2 主要指標(biāo)的檢測(cè)方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 生物膜載體的結(jié)構(gòu)表征

由表3可見(jiàn)，新型陶粒生物膜載體的亞甲藍(lán)吸附值較大，比表面積也較大，反映電氣石各孔隙之間的連通較好。從孔徑大小來(lái)看，電氣石以大孔和超大孔居多，擁有較好的吸附和固定微生物的能力。由Zeta電位也反映出電氣石與微生物的親和性更好。

2.2 電氣石強(qiáng)化SBBR脫氮效能分析

2.2.1 單周期分析

由圖2(a)可見(jiàn)，氨氮濃度在反應(yīng)過(guò)程中不斷降低。電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的好氧段內(nèi)氨氮下降尤為迅速，好氧段末電氣石強(qiáng)化SBBR工藝和普通SBBR工藝中氨氮質(zhì)量濃度分別為9.02、16.70 mg/L。

由此可見(jiàn)，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝中氨氮濃度明顯低于普通SBBR工藝，說(shuō)明電氣石能促進(jìn)SBBR在好氧段對(duì)氨氮的氧化能力。

但比較圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn)，好氧段氨氮的減少量遠(yuǎn)大于硝酸鹽氮生成量，是好氧段發(fā)生了同步硝化反硝化作用。經(jīng)計(jì)算得到，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝和普通SBBR工藝的同步反硝化脫氮量分別為4.84、2.62 mg/L，反硝化作用也是電氣石強(qiáng)化SBBR工藝強(qiáng)。好氧段發(fā)生同步反硝化的原因可能是氧的分布在活性污泥絮凝體上從表面到內(nèi)核并不均勻，外層為好氧區(qū)，進(jìn)行硝化作用，內(nèi)層為缺氧區(qū)，進(jìn)行反硝化作用，也可能是好氧反硝化菌的作用。

為進(jìn)一步明確電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的脫氮效能，分析了總氮的變化(見(jiàn)圖3)。電氣石強(qiáng)化SBBR工藝和普通SBBR工藝出水總氮質(zhì)量濃度分別為12.50、21.40 mg/L，可見(jiàn)電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的脫氮效果比普通SBBR工藝好。

圖3 總氮的變化Fig.3 Changes of total nitrogen

2.2.2 穩(wěn)定運(yùn)行分析

圖4 穩(wěn)定運(yùn)行工況下的水處理效率Fig.4 Water treatment efficiency under stable operating conditions

為評(píng)價(jià)電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的實(shí)際運(yùn)行效果，考察了穩(wěn)定運(yùn)行工況下電氣石強(qiáng)化SBBR工藝和普通SBBR工藝運(yùn)行90 d的COD、氨氮、總磷去除效果(見(jiàn)圖4)。結(jié)果表明，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的COD、氨氮、總磷90 d內(nèi)的平均去除率分別為94.05%、92.28%、93.85%，而普通SBBR工藝的平均去除率分別為92.05%、89.07%、91.36%。由此表明，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的脫氮效果優(yōu)于普通SBBR工藝，包括COD和總磷的去除效果也是電氣石強(qiáng)化SBBR工藝優(yōu)于普通SBBR工藝。

3 結(jié) 論

(1) 與普通陶粒生物膜載體相比，新型陶粒生物膜載體的亞甲藍(lán)吸附值較大，比表面積也較大，反映電氣石各孔隙之間的連通較好。從孔徑大小來(lái)看，電氣石以大孔和超大孔居多，擁有較好的吸附和固定微生物的能力。Zeta電位也反映出電氣石與微生物的親和性比普通陶粒生物膜載體更好。

(2) 單周期分析表明：電氣石強(qiáng)化SBBR工藝中氨氮濃度明顯低于普通SBBR工藝，說(shuō)明電氣石能促進(jìn)SBBR在好氧段對(duì)氨氮的氧化能力；好氧段同時(shí)發(fā)生了硝化和反硝化作用；總體而言，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的的脫氮效果優(yōu)于普通SBBR工藝。

(3) 90 d的穩(wěn)定運(yùn)行分析表明，電氣石強(qiáng)化SBBR工藝的脫氮性能確實(shí)優(yōu)于普通SBBR工藝，而且COD和總磷的去除效果也優(yōu)于普通SBBR工藝。

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Studyonthenitrogenremovalbytourmalinestrengtheningsequencingbatchbiofilmreactor

JIALan1，ZHOUDuo1，ZHAOGuang2，LIWei3.

(1.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,LiaoningUniversityofTechnology,JinzhouLiaoning121001;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090;3.FuxinXinhuanWaterTreatmentOperationCo.,Ltd.,FuxinLiaoning123000)

Tourmaline was applied to strengthen sequencing batch biofilm reactor (SBBR). Nitrogen removal by tourmaline strengthening SBBR and common SBBR was compared. Results showed that tourmaline ceramic carrier had better adsorption capability and biological affinity. One cycle of the SBBR showed that ammonia nitrogen in tourmaline strengthening SBBR was lower than that in common SBBR. Denitrification in tourmaline strengthening SBBR was also stronger than that in common SBBR,demonstrating that nitrogen removal effect of tourmaline strengthening SBBR was better. 90 d stable running further confirmed the above conclusion. Moreover,tourmaline strengthening SBBR had better removal effects on COD and total phosphorus.

tourmaline; sequencing batch biofilm reactor; nitrogen removal

賈 蘭，女，1982年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槲⑸锼幚砑夹g(shù)。

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51541808)；遼寧省公益事業(yè)基金資助項(xiàng)目(No.2016002004)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.012

2016-12-23)