不同填料處理污染河水的掛膜啟動(dòng)及抗沖擊負(fù)荷性能

李 青 ，成小英 *

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫214122；2.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州215000）

目前，我國地表水中氮污染現(xiàn)象普遍存在[1]，且氮素是引起水體富營養(yǎng)化和環(huán)境污染的重要污染物質(zhì)[2]。由于城市居民生活污水和工廠工業(yè)廢水的大量排放以及農(nóng)業(yè)上化肥的大量使用，使得地表水中氮污染現(xiàn)象愈演愈烈。有關(guān)資料表明，我國大部分湖泊和河庫均處于富營養(yǎng)化水平，其中富營養(yǎng)化比較嚴(yán)重的湖泊高達(dá)22%，因此富營養(yǎng)化問題仍然是我國湖泊治理中的長期而嚴(yán)峻的一個(gè)重大環(huán)境問題。水體富營養(yǎng)化程度的加重，藍(lán)藻水華頻繁發(fā)生，給環(huán)境和經(jīng)濟(jì)均造成了嚴(yán)重的威脅[3]。無錫市濱湖區(qū)蠡河作為太湖的入湖河流之一，其嚴(yán)重的氮污染問題進(jìn)一步加重了太湖水域的氮污染現(xiàn)象。因此，蠡河氮污染治理丞待解決。

生物填料作為微生物附著的載體對(duì)系統(tǒng)的處理效果和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響，國內(nèi)外學(xué)者研究較多[4-6]，將填料引入生物脫氮反應(yīng)器，使其具有脫氮除磷和抗沖擊負(fù)荷的性能[7]。同時(shí)生物膜可以通過減少功能微生物如較為脆弱的硝化細(xì)菌的流失，以提高反應(yīng)器內(nèi)功能微生物的豐度和種類，從而使得硝化反應(yīng)順利進(jìn)行；另一方面當(dāng)生物膜達(dá)到一定厚度時(shí)，其表面到內(nèi)部溶解氧濃度不同，可發(fā)生同步硝化反硝化現(xiàn)象，從而強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮效果[8]。

作者在調(diào)查分析2014年蠡河水質(zhì)的基礎(chǔ)上，接種無錫市濱湖區(qū)蠡河底泥，選用應(yīng)用范圍較廣且價(jià)格便宜的懸浮填料和彈性填料，對(duì)比分析了填充不同填料的兩組反應(yīng)器的啟動(dòng)過程及其抗沖擊負(fù)荷能力，并從生物相的微觀層面分析了其作用機(jī)理，為生物膜載體的選擇和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器（有效容積為6.75 L的圓柱狀），分別填充50%～60%的懸浮填料和彈性填料，并接種無錫市濱湖區(qū)蠡河底泥（以下簡(jiǎn)稱R1和R2），采用增氧泵向反應(yīng)器內(nèi)曝氣，一方面對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的微生物供氧，另一方面保證反應(yīng)器內(nèi)懸浮填料的充分懸浮，間曝期間填充懸浮填料的生物反應(yīng)器采用攪拌器攪拌以保證固液充分混合。

1.2 填料類型及布設(shè)方式

實(shí)驗(yàn)所用的懸浮填料和彈性填料均為無錫誠泰環(huán)?？萍加邢薰举徺I。懸浮填料為聚氯乙烯柱狀粒料，曝氣期間在反應(yīng)器內(nèi)呈流化狀態(tài)，彈性填料由直徑4 mm耐腐中心繩串接，填料串自然下垂，固定于反應(yīng)器上方，填料性質(zhì)見表1。

表1 填料性質(zhì)Table 1 Properties of two fillers

1.3 實(shí)驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水根據(jù)前期調(diào)查的2014年無錫市濱湖區(qū)蠡河水質(zhì)，配制了模擬污染河水，其NH4+-N、NO3--N、TN、CODMn分 別 為 0.37～6.80、0.70～2.25、0.92～7.70、4.49～15.86 mg/L，該水質(zhì)屬五類水以上。

1.4 接種底泥與運(yùn)行方式

接種底泥取自無錫市濱湖區(qū)蠡河底泥，接種底泥經(jīng)洗滌和0.45 mm過篩后與蒸餾水按一定比例混合后投加到反應(yīng)器內(nèi)，以減少其他因素對(duì)生物膜去除性能的影響。試驗(yàn)采用3小時(shí)/3小時(shí)間歇曝氣、逐步增加進(jìn)水流量的悶曝排泥法運(yùn)行反應(yīng)器，具體運(yùn)行方式為：1）悶曝期間曝氣量維持在3 L/min，2 d后將泥水全部排出；2）第三天開始連續(xù)進(jìn)水，直到第九天，期間HRT恒定為24 h，曝氣量維持在2 L/min；3）10～18 d內(nèi)進(jìn)水流量逐漸增加直至HRT縮短至14.80 h，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，縮短HRT至11.9、9.89、7.99 h并分別持續(xù)10 d，直至反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束，曝氣量始終維持在3 L/min。采用魚缸加熱棒控制反應(yīng)器溫度為 （28±1）℃，NaHCO3溶液調(diào)節(jié)pH在7.5～7.8之間。

1.5 分析項(xiàng)目與方法

NH4+-N、CODMn、NO2--N、TN 等均按照 《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[9]；pH值：梅特勒托利多pH計(jì)直接測(cè)定；DO值：梅特勒托利多溶氧儀直接測(cè)定；生物膜鏡檢和結(jié)構(gòu)分析采用Leica DMLB顯微鏡和XL-30-ESEM型（Philips公司）。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜啟動(dòng)過程氨氮去除性能

圖1為生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)與運(yùn)行過程中NH4+-N去除性能。由圖1可知，根據(jù)NH4+-N去除情況掛膜啟動(dòng)大致可分為適應(yīng)期、快速增長期和穩(wěn)定期3個(gè)階段[10]。在掛膜過程中，采用悶曝排泥法掛膜啟動(dòng)的兩組反應(yīng)器的NH4+-N去除率呈現(xiàn)出明顯差異，R2反應(yīng)器的去除率始終高于R1反應(yīng)器的去除率，在進(jìn)水第12天，R2反應(yīng)器的 NH4+-N去除率達(dá)到92.66%，至此認(rèn)為在該溫度下反應(yīng)器已掛膜成功[11-12]。而此時(shí)R1反應(yīng)器的 NH4+-N去除率僅為65.69%，4 d后增至87.74%，至此兩組反應(yīng)器NH4+-N出水均達(dá)到 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB-3838-2002）[13]的II類標(biāo)準(zhǔn)。在改變水力停留時(shí)間研究各系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力時(shí)，隨著HRT由14.80 h縮短至7.99 h，兩組反應(yīng)器NH4+-N去除率均有不同程度的下降和波動(dòng)。其中R1反應(yīng)器的 NH4+－N平均去除率波動(dòng)較大，NH4+-N平均去除率由98.18%降至78.32%，而R2反應(yīng)器的NH4+-N平均去除率由98.76%降至87.63%，即使在HRT為9.89 h時(shí)，R2反應(yīng)器的NH4+-N平均去除率依然維持在94.23%，見圖2。

圖1 脫氮反應(yīng)器NH4+-N去除性能Fig.1 Removel performance of NH4+-N in two nitrogen removel bioreactors

圖2 不同HRT時(shí)各反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的平均去除率Fig.2 Average removal of NH4+-N at four different hydraulic retention time（HRT）

分析認(rèn)為，縮短水力停留時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)水負(fù)荷增加，生物膜表面污染物的更新速度進(jìn)一步加快，使得微生物與污染物之間沒有充足的接觸機(jī)率與反應(yīng)時(shí)間，使得反應(yīng)系統(tǒng)的NH4+-N去除性能下降[14]；同時(shí)，進(jìn)水負(fù)荷的提高促進(jìn)了異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌對(duì)生存空間的競(jìng)爭(zhēng)[15]，所以隨著HRT的逐漸縮短，兩組反應(yīng)器NH4+-N去除率均有所下降，水力停留時(shí)間較長，有利于延長生物膜與污染物的接觸時(shí)間，從而促進(jìn)污染物的高效降解。另外，每個(gè)不同的水力停留時(shí)間下，R2反應(yīng)器NH4+-N的平均去除率相比R1反應(yīng)器NH4+-N的平均去除率較高一些，原因在于彈性填料絲條能長期在水中保持輻射狀，這樣一來微生物附著空間大，單位填料附著的生物量較多，且對(duì)上升氣泡的切割性能好，有助于布?xì)馀渌鶆?，從而提高了氧氣的利用率，且氨氧化?xì)菌較為脆弱和容易流失[16]，而彈性填料可以較好地將氨氧化細(xì)菌吸附并將其固定以防止其流失；懸浮填料雖然比表面積也大，但由于間曝期間攪拌器的攪拌，使得附著的生物膜大部分都集中在填料內(nèi)側(cè)，生物膜也略有脫落現(xiàn)象，致使膜較薄，所以降低了懸浮填料的使用面積，另外曝氣過程中填料的堆疊現(xiàn)象也影響了填料與污水的接觸面積。

2.2 掛膜啟動(dòng)過程CODMn去除性能

在連續(xù)運(yùn)行期間，兩反應(yīng)器進(jìn)水及出水CODMn的變化情況見圖3。由兩反應(yīng)器對(duì)CODMn的去除情況可以看出，在連續(xù)運(yùn)行的前14天，兩反應(yīng)器CODMn的去除率逐漸增加，在進(jìn)水第14天時(shí)，R2反應(yīng)器的CODMn去除率達(dá)到了85.12%，14 d以后其CODMn去除率逐漸趨于穩(wěn)定，而此時(shí)R1反應(yīng)器的CODMn去除率剛增至80%以上，4 d后其去除率增至84.31%，之后其CODMn去除率逐漸趨于穩(wěn)定，同NH4+-N去除率一樣，與R1反應(yīng)器的NH4+-N去除率相比，R2反應(yīng)器的 CODMn去除率率先達(dá)到穩(wěn)定，此外，當(dāng)HRT在9.89～14.80 h變化時(shí)，兩反器的CODMn去除率差別不大，其CODMn的平均去除率均在75% 以上，當(dāng)HRT降到7.99 h時(shí)，兩反應(yīng)器對(duì)CODMn的平均去除率降到了60%～65%之間?？梢姡琀RT過短同樣也會(huì)影響CODMn的去除率，而且，當(dāng)HRT為7.99 h時(shí)，R2反應(yīng)器的COD4+去除率略優(yōu)于R1反應(yīng)器，推測(cè)彈性填料單位表面的生物膜內(nèi)功能微生物可以保持較強(qiáng)的持留能力和較高的生物活性[17]，絲狀生物膜之間形成的交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)其吸附能力，強(qiáng)化其對(duì)污染物的“網(wǎng)捕”作用，因此在反應(yīng)器運(yùn)行期間還觀察到R2反應(yīng)器的出水較R1反應(yīng)器的出水清澈，見圖4。與NH4+-N去除率相比，CODMn去除率在整個(gè)運(yùn)行期間最高只能達(dá)到85%左右，推測(cè)原因，微污染原水中有機(jī)物質(zhì)量濃度較低，屬于寡營養(yǎng)環(huán)境，因此像硝化細(xì)菌等貧營養(yǎng)微生物便在營養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位，從而成為優(yōu)勢(shì)菌群，而富營養(yǎng)的異養(yǎng)菌的生存容易便受到一定程度的抑制[12]。但在掛膜成熟之后的整個(gè)運(yùn)行過程中，兩反應(yīng)器出水的CODMn質(zhì)量濃度分別為1.11～3.76 mg/L、0.95～3.62 mg/L， 均能達(dá)到 GBGB3838-2002Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 脫氮反應(yīng)器CODMn去除性能Fig.3 Removel performance of CODMnin two nitrogen removel bioreactors

圖4 不同HRT時(shí)兩反應(yīng)器的CODMn平均去除率Fig.4 Average removal of CODMnat four different hydraulic retention time（HRT）

2.3 生物相分析

生物反應(yīng)器中的微生物是一個(gè)以細(xì)菌為主的群體。不同微生物具有不同的形狀和指示作用，因此觀察微生物及其分泌物結(jié)構(gòu)對(duì)于污廢水處理具有重要的重要的借鑒和指導(dǎo)意義[18]。

在反應(yīng)器開始進(jìn)水第五天后，R2反應(yīng)器中彈性填料絲表面即觀察到有少量生物膜附著；而R1反應(yīng)器中懸浮填料內(nèi)部孔隙間肉眼可見少量點(diǎn)狀菌落，進(jìn)水第14天后在填料內(nèi)部空隙間形成一層均勻的薄膜，此時(shí)R1、R2反應(yīng)器中彈性填料絲表面附著的生物膜較前期逐漸增厚。在反應(yīng)器運(yùn)行前期，鏡檢發(fā)現(xiàn)兩反應(yīng)器生物膜內(nèi)均出現(xiàn)少量的球菌、絲狀菌等微生物，反應(yīng)器運(yùn)行至65 d時(shí)，鏡檢發(fā)現(xiàn)成熟生物膜的形態(tài)和微生物種類具有一定的多樣性，見圖5。填料表面均附著大量生物膜，生物膜內(nèi)出現(xiàn)大量的球狀、橢球狀、桿狀、絲狀及團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，尤其是R2反應(yīng)器中生物膜的胞外分泌物較為發(fā)達(dá)，生物膜結(jié)構(gòu)更為致密，更利于生物膜形成絮狀結(jié)構(gòu)。

圖5 兩反應(yīng)器生物膜鏡檢Fig.5 Structure characteristics of biofilm in two bioreactors

表2列出了兩反應(yīng)器中不同水力停留時(shí)間下單位填料表面生物膜量（gVS/m-2）、反應(yīng)器內(nèi)總的生物膜量（gVS）以及VS/TS比值?？梢钥闯觯煌νＡ魰r(shí)間下，R2反應(yīng)器中彈性填料單位表面積附著的生物膜量以及反應(yīng)器內(nèi)總的生物膜量均大于R1反應(yīng)器中懸浮填料附著的生物膜量。在進(jìn)水較快即HRT=7.99 h的工況下，R1反應(yīng)器內(nèi)懸浮填料附著生物膜的VS/TS比值僅為32.01%，而R2反應(yīng)器內(nèi)彈性填料附著生物膜的VS/TS比值達(dá)到40.98%，高于R1反應(yīng)器的8.97%，這意味著R2反應(yīng)器內(nèi)生物膜具有更高的活性生物量（VS），這可能是R2反應(yīng)器的運(yùn)行性能優(yōu)于R1反應(yīng)器的主要原因。

另外，由于填料在有效區(qū)域內(nèi)能立體全方位均勻舒展分布，使得反應(yīng)器內(nèi)懸浮微生物、顆粒雜質(zhì)以及細(xì)胞胞外聚合物的粘合作用下迅速形成了網(wǎng)狀生物膜，所以相比于懸浮填料，彈性填料形成生物膜較快，微生物培養(yǎng)馴化時(shí)間較短。彈性填料表面較多的親水性基團(tuán)以及良好的生物親和性可以迅速吸附并聚集硝化細(xì)菌，使其在貧營養(yǎng)環(huán)境中可以快速的掛膜成功，從而達(dá)到快速去除污染物的效果。

表2 填料表面生物膜量、VS/TS比較Table 2 Comparison of biomass and VS/TS of biofilms in two lab-scale river bioreactors

3 結(jié)語

1）采用改進(jìn)型悶曝排泥掛膜可實(shí)現(xiàn)微污染原水修復(fù)系統(tǒng)快速啟動(dòng)，與懸浮填料相比，彈性填料率先掛膜成熟，掛膜成熟后兩組反應(yīng)器對(duì)NH4+-N和CODMn去除率均分別穩(wěn)定在95%和80%以上。

2）隨著HRT由14.80 h縮短至7.99 h，兩組反應(yīng)器對(duì)NH4+-N和COD4+平均去除率均有不同程度的下降，NH4+－N平均去除率分別由98.18%、98.76%降至 78.32%、87.63%，CODMn平均去除率分別由84.52%、83.69%降至60.9%、64.71%，因此彈性填料在處理污染河水時(shí)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

3）微生物鏡檢顯示，與懸浮填料相比，彈性填料生物膜的胞間膠狀物更為發(fā)達(dá)，生物膜結(jié)構(gòu)更為致密，且不同水力停留時(shí)間下附著的生物膜量較多，VS/TS比值較高。由此推斷，與懸浮填料相比，具有良好生物親和性的彈性填料更有利于生長緩慢、世代時(shí)間較長的AOB生長，從而將較為脆弱且易流失的硝化細(xì)菌固定，達(dá)到提高硝化細(xì)菌數(shù)量和強(qiáng)化污染物去除效率的效果。