不同載體強(qiáng)化生物膜法處理西北農(nóng)村微污染水源水

張莉紅 楊超 張鵬 朱雪燕 邢曉紅

摘要 模擬西北農(nóng)村微污染水源作為處理對(duì)象，對(duì)比不同載體的掛膜效果，研究?jī)?yōu)選載體生物膜法降解高錳酸鹽指數(shù)（COD Mn）及氨氮的影響因素。結(jié)果表明，聚氨酯輕質(zhì)懸浮載體明顯優(yōu)于其他4種載體，啟動(dòng)掛膜快，處理效果好，聚氨酯輕質(zhì)懸浮載體在DO=1～3 mg/L、pH=8～9、填充率為20%，采用間歇式的運(yùn)行方式，COD Mn的去除率可達(dá)88%，出水COD Mn在2 mg/L左右，氨氮的去除率約84%，出水氨氮濃度達(dá)01 mg/L，均滿足飲用水源水的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 微污染水源;COD Mn;氨氮;生物膜法;聚氨酯輕質(zhì)懸浮載體

中圖分類號(hào) X52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2021）05-0083-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.023

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Treatment of Micro-polluted Rural Water Source in Northwest by Different Carrier Enhanced Biofilm Method

ZHANG Li-hong1，2，3， YANG Chao1， ZHANG Peng2，3 et al

（1.School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070;2.Gansu Membrane Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.， Lanzhou，Gansu 730020;3.Key Laboratory for Resources Utilization Technology of Unconventional Water of Gansu Province，Lanzhou，Gansu 730020）

Abstract The micro-polluted water in northwest rural area were simulated， the film hanging effects of different carriers were compared.The factors affecting the degradation of COD Mn and ammonia nitrogen by biofilm were studied. The results showed that the lightweight suspension carrier of polyurethane was obviously superior to the other four carriers. Polyurethane light suspended carrier in DO = 1-3 mg/L， pH=8-9， filling rate was 20%， the intermittent operation mode， the removal rate of COD Mn could reach 88%， COD Mn about 2 mg/L in effluent， the ammonia nitrogen removal rate was about 84%， up to 0.1 mg/L， met the drinking water source water Ⅱ water quality standards.

Key words Micro-polluted water;COD Mn;Ammonia nitrogen;Biofilm process;Lightweight suspension carrier of polyurethane

微污染水源主要是指飲用水水源受有機(jī)物污染，其主要以高錳酸鹽指數(shù)（COD Mn）和氨氮的污染為主。西北農(nóng)村地區(qū)受自然環(huán)境條件的影響，水源水資源本身就很匱乏[1]，其水質(zhì)最明顯的特征是礦化度較高、水質(zhì)污染現(xiàn)象比較嚴(yán)重[2]。傳統(tǒng)飲用水處理工藝對(duì)COD Mn和氨氮的去除率低，采用氯消毒時(shí)易形成“三致物”（致癌物、致突變物、致畸物）[3-4]。而生物膜法因其污染物去除效率較高、減少“三致物”前體物的含量、增加飲用水的生物穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用和研究[5]。

懸浮載體是微生物主要的生存場(chǎng)所，它在生物膜法水處理中起著核心作用[6-7]。生物載體的外形和性質(zhì)直接影響著生物膜法工藝的處理效率。朱潔等[8]采用固定式填料和懸浮式填料的生物預(yù)處理工藝凈化長(zhǎng)江三角洲的污染水源，結(jié)果表明懸浮填料對(duì)NH 3-N和COD Mn的平均去除率分別為80%、18%。魏東洋等[9]采用新型載體——納米凹凸棒土復(fù)合親水性聚氨酯泡沫強(qiáng)化生物轉(zhuǎn)盤處理微污染河水，COD Mn、NH 3-N的平均去除率分別達(dá)84.37%、86.22%。鑒于此，選用易于掛膜啟動(dòng)、不易堵塞、比表面積大、生物附著性好的5種不同載體強(qiáng)化生物膜法降解西北農(nóng)村微污染水源水中COD Mn和氨氮，考察不同載體掛膜效果及因素對(duì)處理效果的影響，為處理西北農(nóng)村微污染水源水強(qiáng)化生物膜法載體填料的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)用水。

試驗(yàn)用水采用模擬廢水。氨氮和COD Mn分別控制在0.5～1.0和8.0～11.0 mg/L。

1.1.2

試驗(yàn)試劑。淀粉、草酸鈉、聚合氯化鋁、碘化鉀。

1.1.3

主要儀器。紫外-可見分光光度計(jì)（752N）、電子分析天平（CP114）、六聯(lián)同步攪拌機(jī)（JJ-4A）、臭氧發(fā)生器（ZYJS-100）、六孔恒溫水浴鍋（DK-98-Ⅱ）。

1.1.4 試驗(yàn)中所選懸浮生物填料的作用及特性。

輕質(zhì)懸浮載體與傳統(tǒng)硬質(zhì)粒狀載體相比，在孔隙率、比表面積、納污能力等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)（表1）。

1.2 試驗(yàn)方法

反應(yīng)器有效容積為4 L，采用靜態(tài)自然掛膜法。試驗(yàn)接種污泥取自某污水廠二沉池，活性污泥混合懸浮液濃度為4 000 mg/L。同時(shí)開啟5組平行反應(yīng)器，加入3 920 mL微污染水和表1中5種不同的輕質(zhì)懸浮載體填料，填料體積為800 cm3，填充率為20%，悶曝7 d后采用間歇運(yùn)行方式運(yùn)行，每12 h為一個(gè)周期，每周期換水比均為50%[10]，DO濃度控制在1～3 mg/L。

1.3 分析方法

COD Mn采用GB 11892—89酸性高錳酸鉀滴定法;氨氮采用納氏試劑分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載體生物反應(yīng)器的啟動(dòng)掛膜比較

2.1.1 不同類載體掛膜效果比較。

從圖1可以看出，隨反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，5種載體均呈現(xiàn)出較好的去除效果。反應(yīng)器掛膜7 d后出現(xiàn)COD Mn的去除，在25 d左右出現(xiàn)光滑模體，30 d各反應(yīng)器對(duì)氨氮的降解都出現(xiàn)減緩趨勢(shì)，在50 d左右時(shí)對(duì)COD Mn、氨氮的去除基本趨向于平穩(wěn)。第40天對(duì)載體進(jìn)行鏡檢，可觀察到生物相豐富的原生生物。

聚氨酯載體（A）、纖維球載體（W）和玫瑰型載體（G）對(duì)氨氮的去除效果良好，氨氮的去除效果可達(dá)46%左右。聚氨酯載體對(duì)COD Mn的降解效果明顯優(yōu)于其他4種載體，35 d時(shí)COD Mn的去除率達(dá)到75%左右。

2.1.2 不同載體的甄選。

從圖2可以看出，12 h前隨時(shí)間的延長(zhǎng)，COD Mn、氨氮的去除率逐漸增大，在12 h時(shí)達(dá)到最大，之后基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)。玫瑰型載體（G）、纖維球載體（W）、聚氨酯載體（A）對(duì)COD Mn和氨氮均有良好的處理效果，COD Mn去除率可達(dá)55%～60%，因此，選擇這3種進(jìn)行優(yōu)選載體的篩選試驗(yàn)。

從圖3可以看出，在進(jìn)水COD Mn濃度持續(xù)增大條件下，對(duì)COD Mn的去除也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。以COD Mn 濃度劃分，當(dāng)COD Mn ≤8 mg/L時(shí)，添加聚氨酯載體的反應(yīng)器出水COD Mn濃度低，COD Mn去除效果最佳，可達(dá)65%;當(dāng)COD Mn > 8 mg/L時(shí)，整體觀察發(fā)現(xiàn)添加玫瑰型載體的反應(yīng)器出水COD Mn濃度低，COD Mn去除效果最佳;當(dāng)COD Mn增大超過12.5 mg/L左右時(shí)，添加纖維球載體的反應(yīng)器對(duì)COD Mn去除率驟增，可達(dá)85%。

與COD Mn去除不同，隨原水中氨氮濃度的升高，3種反應(yīng)器對(duì)于氨氮的去除并未出現(xiàn)明顯提高，聚氨酯載體和纖維球載體的生物膜量充足，處理效果也優(yōu)于玫瑰型載體，針對(duì)微污染水的水質(zhì)特點(diǎn)，篩選聚氨酯載體為最優(yōu)載體。

采用聚氨酯載體強(qiáng)化生物膜法對(duì)COD Mn和氨氮的降解如圖4所示。對(duì)于COD Mn的去除率基本達(dá)到78%，且處理效果穩(wěn)定在75%～80%;對(duì)于氨氮的去除，其去除率表現(xiàn)出隨周期的穩(wěn)定性，屬于優(yōu)質(zhì)的載體選擇。

2.2 優(yōu)選載體生物膜法對(duì)COD Mn及氨氮的降解

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間的影響。

從圖5可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，COD Mn和氨氮的去除率呈先迅速升高后保持平穩(wěn)的趨勢(shì)。12 h后聚氨酯載體（A）對(duì)COD Mn的去除效果較好，達(dá)60%;纖維球載體（W）對(duì)氨氮的去除較好，達(dá)60%。綜合考慮，最佳反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該為12 h。

2.2.2 溶解氧的影響。

從圖6可以看出，不同溶解氧（DO）條件下，玫瑰型載體（G）對(duì)COD Mn的去除無影響，而纖維球載體（W）和聚氨酯載體（A）對(duì)COD Mn的去除均呈現(xiàn)出第3個(gè)周期前DO=1～

3 mg/L時(shí)效果較好，第3～4個(gè)周期DO=4～6 mg/L時(shí)效果較好，第4個(gè)周期后DO=1～3 mg/L時(shí)效果較好。玫瑰型載體和纖維球載體對(duì)氨氮的去除第2～4個(gè)周期DO=4～6 mg/L時(shí)效果較好，第4個(gè)周期后DO=1～3 mg/L時(shí)效果較好;聚氨酯載體DO=1～3 mg/L時(shí)對(duì)氨氮的去除效果較好。因此，最佳DO為1～3 mg/L。

2.2.3 pH的影響。

從圖7可以看出，整體來看，pH對(duì)COD Mn的去除影響并不顯著，而對(duì)氨氮的去除則呈現(xiàn)出較大的差異。相對(duì)而言，pH=8～9時(shí)對(duì)氨氮的去除效果較好，可能是因?yàn)榘钡コ^程中，酸性產(chǎn)物逐漸積累，使反應(yīng)器中的pH逐漸下降，氨氧化菌的活性受到抑制。綜合考慮，最佳pH應(yīng)該為8～9。

2.2.4 填充率的影響。

載體的填充率直接影響生物膜量，進(jìn)而影響出水的水質(zhì)。從圖8可以看出，玫瑰型載體（G）的填充率對(duì)COD Mn的去除率基本無影響，說明玫瑰型載體掛膜速度不佳、生物膜量較少;纖維球載體（W）和聚氨酯載體（A）在填充率為20%時(shí)效果最佳，對(duì)COD Mn的去除率分別達(dá)85%、80%左右。

從氨氮的降解來看，玫瑰型載體和聚氨酯載體在填充率為20%時(shí)效果最好，對(duì)氨氮的去除率分別達(dá)56%、68%;而纖維球載體在填充率為30%時(shí)處理效果較好，氨氮的去除率達(dá)60%?？紤]到30%填充率會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器中生物膜層厚度太大，貼近填料內(nèi)部，易導(dǎo)致出現(xiàn)過厚厭氧區(qū)，抑制氨氧化菌的作用，影響反應(yīng)進(jìn)程，使氨氮的去除效率降低[11]。綜合來看，聚氨酯載體最佳反應(yīng)器填充率為20%。

2.2.5 不同運(yùn)行方式的影響。

從圖9可以看出，采用間歇式的運(yùn)行方式對(duì)于COD Mn和氨氮的降解呈現(xiàn)出波動(dòng)大的趨勢(shì)，而采用連續(xù)式的運(yùn)行方式對(duì)于COD Mn和氨氮的去除效果穩(wěn)定，反應(yīng)5 h后，間歇式運(yùn)行方式下的降解效果始終較好。綜合反應(yīng)時(shí)間來看，采用間歇式的運(yùn)行方式較為穩(wěn)妥。

2.3 優(yōu)化條件下降解效果研究

選擇聚氨酯載體作為最佳填料，進(jìn)行生物膜反應(yīng)試驗(yàn)，且整合以上優(yōu)化條件，溶解氧DO控制在1～3 mg/L，pH控制在8～9，填充率為20%，采用間歇式的運(yùn)行方式。結(jié)果如圖10所示。

從圖10可看出，在反應(yīng)時(shí)間1 h前，COD Mn和氨氮的去除率均直線上升，COD Mn和氨氮的去除率分別達(dá)70%、50%左右;3 h后COD Mn的去除率保持穩(wěn)定，最大去除率達(dá)到88%左右，出水COD Mn濃度在2 mg/L左右;從氨氮的降解來看，反應(yīng)時(shí)間1～5 h氨氮的去除率也迅速增長(zhǎng)，在5 h之后趨于平穩(wěn)，最大氨氮去除率約84%，出水氨氮濃度約0.1 mg/L。

3 結(jié)論

（1）在反應(yīng)器悶曝掛膜過程中，5種載體填料均有較好的掛膜效果，各反應(yīng)器大致在25 d出現(xiàn)光滑膜體，掛膜7 d后出現(xiàn)COD Mn的去除;40 d對(duì)載體進(jìn)行鏡檢，可觀察到載體中附著大量的生物膜，生物膜中的生物相豐富。聚氨酯載體、纖維球載體和玫瑰型載體對(duì)氨氮的去除效果良好，最終氨氮的去除效果可達(dá)46%左右。聚氨酯載體對(duì)COD Mn的降解效果明顯優(yōu)于其他4種載體，35 d時(shí)COD Mn的去除率大致可達(dá)75%。

（2）控制反應(yīng)時(shí)間、溶解氧、pH、填充率、運(yùn)行方式5種單因素進(jìn)行試驗(yàn)，不同條件下對(duì)比處理效果，以聚氨酯載體的反應(yīng)器對(duì)COD Mn和氨氮的去除效果最佳，并且反應(yīng)器的處理體系相對(duì)穩(wěn)定。通過試驗(yàn)得出反應(yīng)周期最佳選擇12 h、溶解氧控制在1～3 mg/L、pH為8～9、填充率取20%、在間歇式運(yùn)行的條件下，聚氨酯載體反應(yīng)器對(duì)COD Mn的去除率達(dá)88%，氨氮的去除率達(dá)84%，達(dá)到飲用水源水的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

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