探究生物接觸轉盤(pán)反應器對污水中目標污染物去除效能

　　借助城市污水養殖微藻，制備生物柴油，緩解水體污染與能源枯竭等問(wèn)題，目前已經(jīng)成為各國的研究焦點(diǎn)[1。藻類(lèi)能為好氧異養微生物提供氧，而好氧微生物能夠氧化分解污水中有機污染物，生成無(wú)機氮、磷化合物、二氧化碳等，為藻類(lèi)補給營(yíng)養物與碳源，從而循環(huán)構成藻菌共生關(guān)系。根據報道，藻菌共生系統可有效地去除有機污染物，又可以有效培養微藻。

　　生物轉盤(pán)是一種生物膜法污水處理技術(shù)。近年，國內對該技術(shù)進(jìn)行了深入研究，該體系已逐步完善。生物轉盤(pán)盤(pán)面作為微生物生長(cháng)表面，可以實(shí)現氧氣在空氣、水與生物膜中接觸轉移。目前，活動(dòng)式填料已經(jīng)逐步替代傳統盤(pán)面以增大轉盤(pán)表面積。藻生物轉盤(pán)是結合生物接觸轉盤(pán)和藻菌共生系統優(yōu)點(diǎn)的新型污水處理工藝。據報道，美國曾開(kāi)發(fā)一種藻生物轉盤(pán)Bacpac，中腔填充懸浮填料，利用細菌進(jìn)行常規處理，氧化分解污水中有機污染物，為藻類(lèi)補給營(yíng)養物;藻類(lèi)吸附于外部幅板，釋放氧氣維持細菌代謝。但該技術(shù)負荷小，僅適用于微污染環(huán)境或個(gè)人家庭。目前，將藻生物轉盤(pán)用于實(shí)際城市污水處理的研究報道較少，故開(kāi)展相關(guān)研究具有重要的現實(shí)意義。

　　本實(shí)驗嘗試研制一種基于藻菌生物系統的生物接觸轉盤(pán)反應器，探究該反應體系的最佳運行條件及接種藻后反應器的處理效能，以降低城市污水中的有機物以及氮磷含量，同時(shí)回收藻內油脂作為生物柴油原料，實(shí)現資源再生。

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗裝置

　　本實(shí)驗選用自行設計裝置(新型三級藻菌生物接觸轉盤(pán)反應器)，流程裝置見(jiàn)圖1，主要由一沉池、一級、二級轉盤(pán)等15個(gè)部分構成。選取耐高溫有機玻璃材質(zhì)，呈長(cháng)方體，焊接鐵架支撐，底部閥門(mén)用于反應器的清洗與放空。內部填料、外部幅板構成生物轉盤(pán)的主體，其內部是鐵絲網(wǎng)包圍而成的柱狀空腔，腔體被布滿(mǎn)圓孔的矩形有機玻璃板平分為5個(gè)區域，填料均勻布設在每個(gè)小腔室內，設置幅板與水平方向成60°角。該轉盤(pán)選用氣體驅動(dòng)，電磁式空氣壓縮機提供驅動(dòng)力，氣棒用橡膠吸盤(pán)固定于各級反應池底部的后端位置，控制轉盤(pán)轉速。鑒于天氣變化，為滿(mǎn)足微藻的生長(cháng)需要，選用品牌三防燈為強化光源，燈管均分、平鋪于裝置底部，水平間隔245 mm，全天持續照射。中空纖維膜組件鑲嵌于三級反應裝置中，以進(jìn)一步保持反應器內藻生物量，避免隨出水流出。裝置主要參數如表1所示。

　　圖1 實(shí)驗裝置流程圖

　　1.2 實(shí)驗運行

　　隨著(zhù)反應的進(jìn)行，反應器內接種的微藻，掛膜于填料中的污泥內的細菌，構成藻菌共生系統。城市污水從污水井由泵抽取至總容積1 m3貯水桶內(塑料材質(zhì))，經(jīng)取水泵由一沉池上部管路進(jìn)入池內進(jìn)行初次沉淀。該池水從雙邊三角堰出水，流入一級轉盤(pán)的前端。經(jīng)出氣棒驅動(dòng)后的三級轉盤(pán)組，其中幅板在上升氣泡的作用下，帶動(dòng)轉盤(pán)轉動(dòng)，促使體系中藻液與微生物的接觸更為充分，混合液混合效果良好。轉盤(pán)組出水經(jīng)膜組件攔截篩分，進(jìn)行藻水分離后，排入市政管網(wǎng)，蠕動(dòng)泵抽吸膜組件出水。

　　1.3 實(shí)驗材料

　　實(shí)驗選用中國科學(xué)院武漢水生生物研究所藻種庫中的二形柵藻(編號959)。取樣的生活污水來(lái)自深圳西麗大學(xué)城，經(jīng)測試為中低濃度有機污水，其中布設取樣點(diǎn)是原污水、一沉池出水、一級和二級轉盤(pán)出水、膜前、膜后的出水。因反應器中投加微藻會(huì )對一級、二級轉盤(pán)出水與膜前出水引起一定的檢測誤差，所以水樣先經(jīng)3 000 r·min−1的離心機離心10 min后，對上清液進(jìn)行分組檢測。實(shí)驗進(jìn)水的主要水質(zhì)指標見(jiàn)表2。

　　表2 進(jìn)水離心后水質(zhì)平均值

　　1.4 實(shí)驗方法

　　1.4.1 填料掛膜方法

　　將準備接種的活性污泥混合液靜置后，取上清液(含有多種所需的游離菌種)作為掛膜菌種。將接種活性污泥的上清液引入反應器中，投加污水的體積比為1:1，此時(shí)填料上幾乎無(wú)膜。3周后，開(kāi)始連續進(jìn)水，并逐步提高進(jìn)水量，逐漸形成黃色透明的生物膜，出水水質(zhì)也較為穩定。經(jīng)2周后，掛膜完成，整體顏色，由奶黃色轉為土黃色，最后變?yōu)樽睾稚��?/P>

　　1.4.2 微藻的擴大培養

　　因反應器中所需微藻量較大，所以在使用時(shí)應對微藻進(jìn)行擴大培養。在0.5 L和1 L的錐形瓶中，選用培養基對其進(jìn)行擴大培養，借助砂石曝氣頭充氣，封口后平放并置于恒溫培養室。當微藻數達到一定濃度后，將其遷出，放置于室外的玻璃箱中再次進(jìn)行培養，采用曝氣條進(jìn)行曝氣。玻璃箱進(jìn)行加蓋處理，確保藻液不被外部環(huán)境侵染。

　　1.5 分析方法

　　1.5.1 污水常規指標檢測

　　選用檢測方法及標準見(jiàn)表3。

　　表3 常指標檢測方法及標準

　　1.5.2 微藻細胞數量的測定

　　采用血球計數板計數法，每組計數3次，取平均值。

　　1.5.3 微藻細胞干重的測定

　　藻細胞的干重用重量法測定，稱(chēng)取50 mL藻液置于離心管，離心速度3 000 r·min−1，離心10 min，用去離子水將所得藻細胞進(jìn)行二次懸浮離心，再次棄去上清液。再置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，用分析天平[18]稱(chēng)量。

　　2 結果與討論

　　2.1 反應器運行條件及有機負荷優(yōu)化

　　每天上午9點(diǎn)測量反應器的運行參數，取平均值。溫度24.9 ℃、自然光照強度16 663 lx、燈管3支，光強5 500~12 000 lx、轉盤(pán)進(jìn)氣壓0.011 5 MPa、一級轉盤(pán)轉速1.32 r·min−1、二級轉盤(pán)轉速1.73 r·min−1。在此環(huán)境下，考察進(jìn)水流量40、60和80 L·h−1，對應有機負荷(以COD計)為1.75、2.71、3.63 kg·(m3·d)−1時(shí)，反應器中一沉池、一級轉盤(pán)、二級轉盤(pán)和三級反應池對各污染物的去除效能。

　　不同進(jìn)水流量下， COD的去除情況如圖2所示。

　　圖2 不同水力負荷下COD的去除

　　由圖2可知，在有機負荷(以COD計)為1.75、2.71、3.63 kg·(m3·d)−1時(shí)，反應器對COD的去除率分別為75%、77%、70%，出水COD的濃度分別為53、48、68 mg·L−1。結果顯示，有機負荷(以COD計)增加至3.63 kg·(m3·d)−1， COD的去除率有所下降，導致這一現象的原因，據推測可能是由于生物膜量隨有機負荷的增加而增加，并且導致了生物膜脫落周期縮短，從而出水中混入脫落的生物膜，進(jìn)而影響出水的水質(zhì)。

　　不同有機負荷下，SS去除情況見(jiàn)圖3，SS的平均去除率分別為88%、87%、83%，對應的出水SS濃度為22、21和25 mg·L−1，均略高于達標排放值。這表明水力負荷過(guò)高時(shí)，污水與反應器接觸時(shí)間減少，處理效果降低，反應器處理能力在一定程度上受到抑制。

　　圖3 不同水力負荷下SS的去除

　　不同有機負荷下，反應器對NH4+-N和TN、TP的去除情況如圖4～圖6所示。NH4+-N的平均去除率分別為78%、80%、70%，TN的平均去除率分別為34%、39%、32%，出水TN濃度均略高于達標排放值;TP的去除率分別為37%、43%、34%，出水TP濃度同樣低于標準。由此可以看出，在不投加微藻的情況下，僅通過(guò)改變反應器的有機負荷，很難改善TN、TP去除不佳的情況。而根據進(jìn)水水質(zhì)相應調控反應器內微藻含量，則可以有效地利用進(jìn)水中的TN、TP，最終可使出水中TN、TP符合排放標準。綜合各項指標的處理效果，當有機負荷(以COD計)為2.71 kg·(m3·d)−1，進(jìn)水流量60 L·h−1時(shí)，本反應器可達到最優(yōu)運行狀態(tài)。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖4 不同水力負荷下NH4+-N的去除

　　圖5 不同水力負荷下TN的去除

　　圖6 不同水力負荷下TP的去除

　　2.2 反應器中微藻的生長(cháng)

　　按既定實(shí)驗，微藻后期擴大培養應在室外的玻璃箱進(jìn)行。實(shí)驗開(kāi)展后發(fā)現，經(jīng)封閉的玻璃箱仍受外界環(huán)境污染，誘發(fā)藻類(lèi)產(chǎn)生團聚現象。細胞濃度峰值達到1.00×107 cell·mL−1，選定此濃度作為本實(shí)驗藻的飽和細胞濃度。5次共投加的總藻液折算為飽和濃度后為30.5 L，體積占反應器總體積的9.4%。假設反應器內的藻液實(shí)現完全混合分布，則理論初始藻細胞濃度應為9.4×105 cell·mL−1，在藻濃度最大的一級反應池中，實(shí)際藻濃度與理論值相差甚遠，可能是由于部分微藻被污泥所包裹或吸附在反應池壁引起的。反應器內的藻細胞濃度隨時(shí)間變化情況如圖7所示，30 d后3個(gè)反應池內藻細胞濃度分別為1.50×106、1.75×106和2.10×106 cell·mL−1，表明外加光源對微藻生長(cháng)有一定的促進(jìn)作用，但仍未達到相同條件下室外玻璃箱培養的飽和濃度，可能是因為光強不足。

　　圖7 反應器中藻的細胞濃度

　　2.3 投加藻后反應器的處理效能

　　投加微藻后，COD的去除情況如圖8所示，COD的膜前和膜后平均去除率分別為62%和79%，對應的膜前和膜后出水中COD值分別為41 mg·L−1和20 mg·L−1。產(chǎn)生差異的原因是部分藻細胞在離心時(shí)破裂，溶解后釋放出部分COD值，而膜后出水中并不含藻細胞，膜對污水中小顆粒物截留作用使膜后出水中的COD降低。

　　圖8 反應器對COD的去除

　　投加微藻后，反應器對SS的膜前和膜后平均去除率分別為61%~75%和88%~96%,膜前出水SS濃度平均值為15 mg·L−1，膜后出水SS濃度小于4 mg·L−1，如圖9所示。這一差異是由于膜的分離和截留作用所導致的。SS的去除率較低是因為實(shí)驗用水經(jīng)離心后SS值較低，平均值僅為46 mg·L−1。

　　圖9 反應器對SS的去除

　　NH4+-N的膜前和膜后平均去除率分別為87%和88%，如圖10所示。由于離心時(shí)除去了大部分影響NH4+-N值的大顆粒有機物，因此膜前和膜后去除率都較為穩定。膜后去除率比膜前去除率高時(shí)，由于微藻對氮的吸收作用，經(jīng)過(guò)膜對藻體的截留作用，膜后出水中不含微藻，故NH4+-N的去除率提高。

　　圖10 反應器對NH4+-N的去除

　　TN的膜前和膜后去除率如圖11所示。微藻會(huì )吸收污水中的氮用于生長(cháng)，從而對TN的去除起促進(jìn)作用，但從實(shí)驗數據來(lái)看，這種效果不夠明顯，投加微藻后TN的去除率變化有限�？赡苁且驗榈蜐舛任⒃蹇晌�收氮量有限，或是離心時(shí)藻細胞破裂導致吸收的氮又釋放到了水中。

　　圖11 反應器對TN的去除

　　TP的膜前和膜后去除率如圖12所示。TP的去除率較低可能是因為反應器內無(wú)明顯厭氧區且運行期間不排泥所致。理論上投加微藻后，TP的去除率應得到提高，但從實(shí)驗數據來(lái)看并無(wú)明顯效果，同TN的去除相似，這可能是因為微藻的濃度較低或離心導致藻體破裂所致。

　　圖12 反應器對TP的去除

　　2.4 反應器中膜的工作狀況

　　2.4.1 膜污染

　　本實(shí)驗采用的中空纖維膜組件表面孔徑為小于微藻的直徑(0.1μm)，可有效截留微藻。本實(shí)驗用水未經(jīng)預處理，因此，存在大粒徑的顆粒物，并且水中還含有一定量的微藻，故膜組件在污水中的膜通量相對于純水通量要小得多。膜壓力也會(huì )隨著(zhù)膜通量的減小而增大，在蠕動(dòng)泵轉速恒定時(shí)，膜通量隨膜面壓力的變化情況如圖13所示。在膜污染程度相同時(shí)，通過(guò)提高蠕動(dòng)泵的轉速，可增大膜通量，但隨著(zhù)污染的加劇，改變蠕動(dòng)泵的轉速不再能獲得所需要的膜通量，而且蠕動(dòng)泵轉速太高會(huì )損壞膜絲。表明膜污染很?chē)乐�，需要更換膜并對其進(jìn)行物理或化學(xué)清洗以恢復膜通量。

　　圖13 膜通量與膜面壓力的關(guān)系

　　2.4.2 膜污染周期及清洗

　　中空纖維膜組件運行過(guò)程中膜通量隨運行時(shí)間的變化如圖13所示，在運行30 d后，膜污染越來(lái)越嚴重，膜通量大幅下降，膜面負壓達到0.032 MPa，已無(wú)法滿(mǎn)足反應器出水量的要求，此時(shí)需要對膜組件進(jìn)行清洗，清洗周期為30 d。本實(shí)驗采用酸堿洗法，清洗劑為pH=12的NaOH和pH=2的HCl溶液，在室溫下先用堿液沖洗10~15 min，再用酸沖洗10~15 min，或者先堿后酸，分別浸泡1~2 h。清洗后，膜通量可恢復至原始值的80%以上

　　3 結論

　　1)設計和運行了新型藻菌共生生物轉盤(pán)反應器裝置，通過(guò)接種二形柵藻，成功構建了藻菌共生系統。經(jīng)過(guò)藻菌共生系統處理后，污水中NH4+-N去除率分別可達88%，相較未投加藻類(lèi)時(shí)均有明顯提升，表明微藻可有效去除污水中的氨氮和氮磷。

　　2)該反應器的最佳設計和運行條件為：轉盤(pán)組二級，有機負荷(以COD計)為2.71 kg·(m3·d)−1，水力停留時(shí)間4.8 h，膜清洗周期為30 d，自然光照輔以24 h外加光源，藻回收周期為30 d。(來(lái)源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：張劍橋)