玄武巖纖維-周叢生物膜-連續(xù)流反應(yīng)器的污水深度凈化性能研究

施天宇,趙 玥,張 潤,景連東

(西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610041)

污水處理廠在污染物去除和受納水體的保護等過程中扮演著重要角色,是城鎮(zhèn)化區(qū)域重要的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施.區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的各類污水經(jīng)污水廠處理達標(biāo)后排放.然而,當(dāng)前我國現(xiàn)有的污水處理工藝,尚不能將城鎮(zhèn)污水完全按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)V類水質(zhì)排放[1].按照城鎮(zhèn)污水處理廠執(zhí)行的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)排放的尾水與地表水V類水水質(zhì)比較,其氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度仍較高.尾水的排入相對于地表V類水及以上水體的水環(huán)境是污染負荷凈輸入效應(yīng),有可能導(dǎo)致水體自凈能力減弱,造成水體缺氧和富營養(yǎng)化,最終導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化,甚至形成黑臭水體[1-3].污水處理廠尾水作為受納水體的潛在污染源,其對城市水環(huán)境有多方面的影響,并影響人們正常的生產(chǎn)生活.因此,對污水進行深度凈化已成為研究熱點.

凈化自然水體的方法有物理方法,化學(xué)方法和生物方法等.生物方法因其綠色經(jīng)濟,且污染物去除效率高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于水體凈化.周叢生物膜能通過吸收同化和胞外聚合物吸附等方式脫氮除磷,修復(fù)水環(huán)境,在凈化水體方面有良好的應(yīng)用前景,是常用的生物方法[4].周叢生物膜是一種生長在淹水基質(zhì)上的微生物聚集體及其交織的非生物物質(zhì)的集合體,包含了細菌、藻類、原始動物、微型后生動物等類群,是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分.其完全利用太陽能驅(qū)動生長,富集成本低廉,同時適合于大尺度、大面積的應(yīng)用,是一種環(huán)境友好型新型生物材料.周叢生物膜具有很強的環(huán)境適應(yīng)性,能有效去除污水中的氮、磷等營養(yǎng)鹽,為此,開發(fā)了多種脫氮的生物膜反應(yīng)器,包括典型生物膜反應(yīng)器工藝和實用新型生物膜反應(yīng)器工藝等[5-7].序批式凈化和流動式凈化是污水深度凈化的常用方式[8].

由前人的研究可知,玄武巖纖維因其良好的理化性能可作為周叢生物膜的載體材料,并且序批式玄武巖纖維-周叢生物膜(Basalt Fiber-Periphyton,BFP)凈化裝置表現(xiàn)出優(yōu)異的脫氮除磷能力[8].但是,序批式裝置常應(yīng)用于小處理量的污水體系中,而在實際工程應(yīng)用中,普遍使用流動式反應(yīng)裝置.因此,本研究將玄武巖纖維-周叢生物膜與連續(xù)流反應(yīng)器(Continuous Flow Reactor,CFR)結(jié)合,設(shè)計流動式反裝置,更加貼近實際工程應(yīng)用.連續(xù)流反應(yīng)器中,污水從池首進入,池尾流出,前端液流不與后端液流混合,其特點為:(1)污水濃度自池首至池尾是逐漸下降的,污水降解效率較高;(2)有多種運行方式.其中,水力停留時間(Hydraulic Retention Times,HRT)是指污水從進入到流出整個過程中在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間,是流動式污水處理工藝中最重要的水力參數(shù),該參數(shù)直接影響了污染物的去除效率[9].其中進水時間的長短直接影響磷酸鹽的釋放速率,進而對硝化菌及反硝化聚磷菌除磷效果產(chǎn)生影響[10],同時停留時間則決定著載體生物膜硝化能力的強弱.因此,進一步探討HRT對玄武巖纖維-周叢生物膜凈水能力的影響對于提升此工藝的運行效果,確定工藝的最適運行參數(shù)具有重要意義.本文研究玄武巖纖維-周叢生物膜-連續(xù)流反應(yīng)器(BFP-CFR)裝置在污水深度凈化營養(yǎng)鹽中的應(yīng)用效果,在工藝穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,開展HRT對BFP脫氮除磷的影響研究,運用數(shù)學(xué)模型一級動力學(xué)反應(yīng)方程定量化研究污染物的去除,為該工藝高效運行提供依據(jù),促進周叢生物膜在污水深度凈化的運用.

1 材料與方法

1.1 周叢生物膜的培養(yǎng)

從西南民族大學(xué)航空港校區(qū)北區(qū)專家樓留學(xué)生樓的人工湖(30.569345 N,103.967118 E)巖石上采集約100 g新鮮周叢生物膜.將生物膜超聲2 min,在濾網(wǎng)中重復(fù)洗菌,收集濾液.向濾液中加入WC培養(yǎng)基使用液,在持續(xù)曝氣的條件下于光照培養(yǎng)箱(光/暗循環(huán)為16小時:8小時,25±1 ℃)中培養(yǎng)10 d,得到5L細菌接種液(Inoculums).向三個5 L燒杯中分別加入1.5 L接種液并加入WC培養(yǎng)基使用液至5 L[8,11].在每個燒杯中放入40束(間隔懸掛)經(jīng)丙酮改性的玄武巖纖維束(單絲直徑為7 μm,線密度為200 tex,每束長度為9 cm,每束質(zhì)量為0.5 g)作為微生物的附著載體.如圖1.然后將三個周叢生物膜的培養(yǎng)容器放于光照培養(yǎng)箱(光/暗循環(huán)為16 h/8 h,25±1 ℃)中培養(yǎng)50 d,得到玄武巖纖維-周叢生物膜(BFP).

(a)玄武巖纖維-周叢生物膜的培養(yǎng)容器;(b)成熟的玄武巖纖維-周叢生物膜

1.2 連續(xù)流反應(yīng)器的設(shè)計

已知,水力停留時間的計算公式為:

HRT=V/Q.

(1)

式中:HRT為水力停留時間,單位:h;V為反應(yīng)器的有效容積,單位:m3;Q為進水流量,單位:m3/h.

因此,當(dāng)反應(yīng)器的容積固定時,只需改變進水流量,即可控制HRT.

本實驗構(gòu)建一個連續(xù)流動式四級凈化裝置研究不同水力停留時間下對污染物的去除效應(yīng).首先準(zhǔn)備玄武巖纖維-周叢生物膜(BFP),其培養(yǎng)方法按1.1進行,得到的成熟BFP平均鮮重為1.61 g(相當(dāng)于64.4 mg干重生物膜).如圖2(b)所示,從左到右依次為1-調(diào)節(jié)池(大燒杯)、2-流量調(diào)節(jié)器(蠕動泵)、3-凈化池(A池)、4-凈化池(B池)、5-凈化池(C池)、6-凈化池(D池)、7-沉淀池(最右邊槽體)和8-受納水體(鐵盤).背景中的日光燈管模擬光照,23:00-7:00為黑暗,其余時間為光照,實驗在室溫下進行.1-調(diào)節(jié)池(大燒杯)中盛有合成污水,用于調(diào)節(jié)水量、均衡水質(zhì).通過改變?nèi)鋭颖棉D(zhuǎn)速設(shè)置不同HRT.BFP-CFR共有五個槽體,3～6為凈化池,其有效容積均為10×10×10 cm3,自左向右分別為A池、B池、C池和D池,并且每個槽體中懸掛有4束BFP(相當(dāng)于257.6 mg干重生物膜);7作為沉淀池,用于沉降水中懸浮物.

(a)實物圖;(b)模型示意圖

1.3 水質(zhì)凈化實驗

參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)水中營養(yǎng)鹽濃度,以自來水為水源,投加不同質(zhì)量濃度的碳源、氮源和磷源配制合成污水[8].該污水中總磷(TP)濃度為0.50 mg/L,氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)和總氮(TN)分別為4.99 mg/L,10.00 mg/L和15.00 mg/L.

BFP-CFR在運行24小時穩(wěn)定后,進行不同HRT下的水質(zhì)凈化實驗,所有實驗重復(fù)兩輪.污水在反應(yīng)器中的總HRT分別為8,32,48和96小時,污染物將經(jīng)過四個槽體凈化,并且在每個槽體的HRT分別為2,8,12和24小時.每一輪的實驗順序都為HRT=8 h,HRT=32 h,HRT=48 h,HRT=96 h.

1.4 測定指標(biāo)及方法

測定裝置進水和出水水質(zhì).樣品氨氮、硝氮、總氮和總磷的測定方法按國家環(huán)保局的《水和廢水監(jiān)測分析》標(biāo)準(zhǔn)方法進行[12].樣品pH,含氧量和溫度均使用儀器(HQ40d,Hach,U.S.A.)測定.

1.5 數(shù)據(jù)處理

污染物的降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律,一級動力學(xué)方程為:

(2)

式中:y0為初始時刻污水中某一營養(yǎng)物的濃度,單位:mg/L;y為t時刻污水中某一營養(yǎng)物的濃度,單位:mg/L;t為反應(yīng)時間,單位:h;k為反應(yīng)速率常數(shù),單位:h-1.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水力停留時間下污水理化特征

溶解氧(DO)和pH是實際水體中的重要理化指標(biāo),水體自凈程度與溶解氧有密切的關(guān)系[13].不同HRT條件,會影響反應(yīng)器水體中DO和pH,具體情況如圖3和圖4所示.

圖3 不同HRT條件下溶解氧(DO)的變化

圖4 不同HRT條件下pH的變化

2.1.1 不同水力停留時間下溶解氧(DO)的變化

由圖3中可以看出,不同HRT,進水DO在7.9～8.6 mg/L之間,出水DO在8～11.6 mg/L之間,從進水到污水流至最后一個凈化槽,DO均有不同程度增加,這是因為周叢生物膜進行光合作用釋放了氧氣.除HRT=32 h時,可能由于周叢生物膜呼吸作用消耗氧氣導(dǎo)致DO下降外,總體出水DO隨水力停留時間增加而增加.當(dāng)HRT=96 h時,A、B、C和D池出水的TP平均濃度分別為0.14、0.047、0.013和0.012 mg/L,TN平均濃度分別為13.44、12.54、12.68和12.59 mg/L.A池DO最低,為3.92 mg/L,這可能是由于水力停留時間太長,A池接觸氮磷濃度最高,TP和TN濃度分別為0.14和13.44mg/L,大部分營養(yǎng)鹽累積在A池,該池的周叢生物膜可能需要補充碳源以維持其生物活性,從而恢復(fù)氧氣的釋放,后三個槽體因為污染物濃度較低,周叢生物膜負荷較輕,DO逐漸增加.

2.1.2 不同水力停留時間下pH的變化

由圖4可以看出,進水pH值在8.68～8.79之間,出水pH值HRT=8 h時pH變化不明顯,HRT為32、48和96 h時,pH值分別為7.4,7.99和8.42,均有不同程度下降,這是因為周叢生物膜呼吸作用釋放了二氧化碳,溶于水中生成碳酸,導(dǎo)致pH下降.當(dāng)HRT=96 h時,A池pH值下降程度最大,達2.3個單位,可能是由于凈化過程中,由于水流速度慢,A池氮磷濃度最高,TP和TN濃度分別為0.14和13.44mg/L,且經(jīng)歷了4個暗處理,周叢生物膜釋放大量二氧化碳,累積在A池中,導(dǎo)致pH值顯著下降[14].

2.2 不同水力停留時間下BFP-CFR脫氮性能

氮是水生系統(tǒng)中最重要的營養(yǎng)素之一,它影響著水生生物圈[15].通過測定污水中總氮,氨氮和硝氮的含量,可反映BFP-CFR的除氮效果.

污水中NH4+-N去除效果主要是受到反應(yīng)器體積和停留時間的影響[16].在反應(yīng)器有效容積一定的情況下,停留時間長使得NH4+-N被硝化菌氧化更加充分.在BFP中,HRT既影響NH4+-N出水濃度,也對NH4+-N氧化產(chǎn)物NO3--N的濃度有較大影響.HRT對NH4+-N去除效果影響如圖5所示,合成污水的進水濃度在4.31～5.42 mg/L之間.當(dāng)HRT為8 h時,四個槽體出水的NH4+-N濃度沒有出現(xiàn)明顯下降(P>0.05);當(dāng)HRT為32 h時,四個槽體出水的NH4+-N平均濃度分別為4.54、3.46、2.67和1.11 mg/L,平均去除率分別為12.89%、33.58%、48.74%和78.63%;當(dāng)HRT為48 h時,四個槽體出水的NH4+-N平均濃度分別為3.40、1.82、1.35和1.04 mg/L,平均去除率分別為34.43%、64.89%、73.88%和79.88%;當(dāng)HRT為96 h時,四個槽體出水的NH4+-N平均濃度分別為1.88、1.30、1.04和0.86 mg/L,平均去除率分別為65.38%、76.04%、80.84%和84.10%.可以看出,隨著HRT的延長,系統(tǒng)對NH4+-N去除率呈現(xiàn)上升的趨勢且具有穩(wěn)定的去除效果.當(dāng)HRT=8 h時,不利于NH4+-N去除,這是由于污染物還未跟生物膜上的硝化菌反應(yīng)就隨水體流出,說明氨氮的去除需要較長時間.當(dāng)HRT≥32 h時,NH4+-N出水濃度已達地表水(GB3838-2002)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)及以上.

圖5 不同HRT條件下氮的去除效果

對每個周期NO3--N監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn),NO3--N去除效果并不明顯.當(dāng)HRT=8 h時,NO3--N出水濃度有所增加,當(dāng)HRT延長后,NO3--N的平均去除率為1.40%～4.58%.造成該現(xiàn)象的原因是,當(dāng)HRT較短時(HRT=8 h),硝化階段氧化NH4+-N產(chǎn)生了NO3--N,在整個周期運行結(jié)束后,原有的硝氮和新生成的硝氮并未完全被BFP內(nèi)層缺氧環(huán)境中的反硝化菌利用而生成氮氣去除,故NO3--N出水濃度反而有所增加.雖然HRT有所延長,但同樣因為NO3--N未完全被BFP內(nèi)層缺氧環(huán)境中的反硝化菌利用,導(dǎo)致硝氮去除率不高.

不同HRT條件下,TN進水濃度為14.86～17.92 mg/L,出水濃度為11.09～16.49 mg/L,HRT分別為8、32、48和96 h時,TN平均去除率分別為7.95%、28.90%、25.36%和19.15%(圖5).當(dāng)HRT為32和48 h時,TN的去除與時間成正比,造成該現(xiàn)象的原因是NH4+-N的高去除量.當(dāng)HRT=96 h時,TN在四個槽體的出水濃度有浮動,造成該現(xiàn)象的原因可能是:(1)缺氧環(huán)境中的反硝化菌需要碳源提高反硝化速率,而隨著HRT增加,水中有機物負荷降低,反硝化菌缺乏足夠的電子供體導(dǎo)致反硝化過程被抑制;(2)有機物含量的降低使得周叢生物膜的活性降低甚至導(dǎo)致部分生物膜脫落,減少了系統(tǒng)中的微生物量,最終影響了系統(tǒng)脫氮.

結(jié)合以上不同HRT條件下,周叢生物膜對硝氮、氨氮和總氮的去除結(jié)果分析,HRT=48 h是本研究的最佳工藝條件,并且本研究所構(gòu)建的四級凈化裝置可以實現(xiàn)對營養(yǎng)鹽的逐級降低.

2.3 不同水力停留時間下BFP-CFR除磷性能

磷被視為水生態(tài)系統(tǒng)中的限制因素,有研究表明,藻類對磷的存在較為敏感,磷濃度過高易爆發(fā)藻華[17].不同HRT條件下對TP的去除情況如圖6所示.實驗進水TP均保持在0.44～0.46 mg/L左右.當(dāng)HRT為8 h時,四個槽體出水的TP濃度分別為0.41、0.38、0.36和0.33 mg/L,平均去除率分別為10.27%、15.69%、19.97%和26.85%;當(dāng)HRT為32 h時,四個槽體出水的TP平均濃度分別為0.36、0.24、0.16和0.10 mg/L,平均去除率分別為22.94%、47.14%、66.36%和77.61%;當(dāng)HRT為48 h時,四個槽體出水的TP平均濃度分別為0.16、0.11、0.042和0.023 mg/L,平均去除率分別為63.67%、75.76%、90.43%和94.83%;當(dāng)HRT為96 h時,四個槽體出水的TP平均濃度分別為0.14、0.047、0.013和0.012 mg/L,平均去除率分別為70.30%、89.71%、97.27%和97.35%.TP的去除率隨水力停留時間增加而增加,但后期曲線趨于平緩,這說明當(dāng)污染物濃度較高時較易去除,當(dāng)濃度較低時所需去除時間較長.當(dāng)HRT=8 h時,TP出水濃度已達地表水(GB 3838-2002)Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)HRT≥32 h時,總磷濃度符合地表水(GB 3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)及以上.這是因為周叢生物膜對磷的去除能力較強.磷能被周叢生物膜吸附.Wu的研究表明,吸附是周叢生物膜除磷的主要機制[4].吸附是吸收過程的第一步,在動力學(xué)發(fā)生較快,因此在兩小時內(nèi)可快速除磷.磷還能被周叢生物膜吸收.周叢生物膜的優(yōu)勢菌群為變形菌,該細菌中含有大量的聚磷菌[18],這些生物將水中的磷積累/吸收到微生物中[19].

圖6 不同HRT條件下總磷(TP)去除效果

因此,綜合周叢生物膜在不同HTR條件下對TN、TP的去除率和節(jié)約資源兩方面來看,HRT=48 h為本研究最佳工藝條件.

2.4 污水中氮、磷去除動力學(xué)特征

表1 污染物去除的動力學(xué)速率常數(shù)

總氮的反應(yīng)速率常數(shù)在HRT分別為8,32,48和96 h時分別為0.008 1,0.010 3,0.006 3和0.001 9 h-1,其中HRT=32 h時反應(yīng)速率常數(shù)最大,擬合度最好.

總磷的反應(yīng)速率常數(shù)在HRT分別為8,32,48和96 h時分別為0.032,0.048 8,0.063和0.039 8 h-1,其中HRT=48 h時反應(yīng)速率常數(shù)最大.總磷的去除效果較好,擬合度較高.

綜合不同HRT下污染物去除率和污染物去除動力學(xué)研究結(jié)果,將HRT=48 h作為本研究最佳工藝條件.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)和溫度影響常數(shù),可以計算在水力停留時間一定的形況下使?fàn)I養(yǎng)物達到目標(biāo)濃度所需要的時間,用于指導(dǎo)預(yù)實驗或?qū)嶋H工程應(yīng)用.對于污水深度凈化項目,若出水水質(zhì)的目標(biāo)為地表水(GB 3838-2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)及以上,限制性污染物為總氮,因此建議根據(jù)總氮反應(yīng)速率常數(shù)設(shè)定水力停留時間.

3 結(jié)論

本研究設(shè)計了玄武巖纖維-周叢生物膜連續(xù)流反應(yīng)器,研究了不同水利停留時間下,該反應(yīng)器對污水中氮磷營養(yǎng)鹽的深度凈化.得到以下結(jié)論:

1)不同水力停留時間對污染物去除效果有影響,實驗條件下最佳水力停留時間為48 h.當(dāng)HRT為8 h時,大部分污染物無法被去除.當(dāng)HRT=32 h時,NH4+-N、TN和TP的去除率為78.63%、28.90%和77.61%;當(dāng)HRT=48 h時,NH4+-N、TN和TP的去除率為79.88%、25.36%和94.83%;當(dāng)HRT=96 h時,NH4+-N、TN和TP的去除率為84.10%、19.15%和97.35%.

2)經(jīng)過該反應(yīng)器處理后的污水可顯著降低氮磷污染物濃度,進而降低污水受納水體生態(tài)風(fēng)險,當(dāng)水力停留時間超過32 h,NH4+-N的可從4.865±0.555mg/L降低到1.11±0.42 mg/L,達地表水(GB 3838-2002)Ⅳ類水體及以上;TP濃度從0.45±0.01mg/L下降到0.10±0.01 mg/L達地表水(GB 3838-2002)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)及以上.

3)該技術(shù)具有一定的應(yīng)用前景,今后需要在促進反硝化功能以強化脫氮方面開展研究.