磁性载体生物膜反应器处理生活污水的试验研究

潘涌璋 ,张志永,师 波,2 (.暨南大学环境工程系,广东省普通高校水土环境毒害性污染物防治与生物修复重点实验室,广东 广州 50632；2.广州市环境技术中心,广东 广州 50055)

磁性载体生物膜反应器处理生活污水的试验研究

潘涌璋1*,张志永1,师 波1,2(1.暨南大学环境工程系,广东省普通高校水土环境毒害性污染物防治与生物修复重点实验室,广东 广州 510632；2.广州市环境技术中心,广东 广州 510055)

选取天然多孔矿物-浮石、网络状塑料外壳、磁铁为材料,开发出一种新型磁性载体,并将该载体应用于生物膜反应器中进行废水处理试验,结果表明:该磁性载体生物膜反应器在载体的挂膜性能及主要污染物去除功能上均优于非磁性载体生物膜反应器.磁性载体可在5d内完成挂膜,而非磁性载体则需8d,磁性载体生物膜反应器对COD、NH+4-N的去除率比非载体生物膜反应器分别高出5%和20%左右.在载体中心磁场强度为200Gs,水中溶解氧DO为2.0～3.5mg/L,水力停留时间HRT为5h的条件下,校园生活污水经磁性载体生物膜反应器处理后,出水中COD稳定在20mg/L左右, NH4+-N在5mg/L以下,两者的去除率均在90%左右,出水总氮为15mg/L,去除率在50%以上.实验结果还表明:连续运行60d后,磁性载体反应器内的生物膜量和悬浮污泥量仅为非磁性载体反应器的70%,说明磁场的存在有利于污泥减量化.磁载体生物膜反应器中载体外表面附着污泥及生物膜的 SOUR值均大于非磁载体生物膜反应器,表明一定的磁场强度可以提高微生物活性.

磁性载体；生物膜反应器；生活污水；污泥减量；生物膜活性

在城市生活污水处理工艺中,生物接触氧化法具有运行管理方便、容积负荷较高、生物相稳定、微生物量较多等优点[1-2].随着生物载体的不断改进和创新,生物接触氧化技术已得到越来越多的应用[3-5],目前市场上常见的生物载体种类繁多,实际应用上也各有优劣,尽管接触氧化法具有污泥产量少等特点,但在实际应用过程中仍然出现载体污泥堵塞等问题,生物载体的选择对提高接触氧化法工艺的处理效果和稳定性起着至关重要的作用[6-7].近年来,磁场对污水生物降解的影响效果已经受到了越来越多的关注,不少研究表明磁场作用可以显著提高废水生物降解的效率,有利于提高污水生物处理效率,克服生化处理设施占地面积大的缺点[8-13].

本实验设计出一种磁性生物载体,并将其应用于生物膜反应器中,以校园生活污水为处理对象,考察磁性载体生物膜反应器处理实际生活污水的效果,以期开发出一种具有微生物强化功能的新型载体材料,并应用于生活污水、食品废水、制药废水和化工废水的处理中,达到较好的脱氮效果和污泥减量化效果.

1 试验装置和方法

1.1 载体

试验中所用磁性载体由粒度 4～6mm浮石,圆型磁铁块和直径为 80mm网络状塑料外壳组成,磁性载体内中心磁场强度为 200Gs,表面磁场强度为0～14Gs,见图1所示.非磁性载体不含圆型磁铁块.

图1 磁性载体形态Fig.1 Configuration scheme of magnetic carrier

1.2 工艺流程

试验装置简图如图2所示.生物膜反应器用有机玻璃自行制作,尺寸为 310mm×250mm× 500mm,有效容积为34L,内置载体后有效容积为23.5L,载体的容积充填率为 31%.进水方式为上流式,反应器底部装有曝气管曝气.通过充填磁性生物载体和非磁性生物载体分别制作 2套结构大小完全相同的生物膜反应器,用于做平行对比试验.

试验过程中,磁性载体中心磁场强度为200Gs,水力停留时间 HRT为 5h,水中溶解氧(DO)浓度在 2.0～3.5mg/L之间.非磁性载体不含圆型磁铁块,水力停留时间5h,在同样曝气强度下,水中 DO浓度略小于使用磁性载体时的DO浓度.

进水为暨南大学校园生活污水,其水质为COD 173.2～218.5mg/L;氨 氮 21.8～30.5mg/L; TN 26.5～37.1mg/L;浊度32.3～48.2 NTU;pH 6.8～ 8.7.

图2 试验装置示意Fig.2 Schematic of the experimental apparatus

1.3 分析项目与方法

测定项目采用国家规定的标准方法[14]进行.COD采用重铬酸钾法测定; NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定;总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;采用STZ-A24型浊度仪测定水样浊度;生物膜活性用微生物的比基质耗氧速率(SOUR)来评价,SOUR的测定方法见文献[15].MLSS、生物膜量和悬浮污泥量的测定采用重量法.

采用恒流泵(DDB-210,上海之信仪器有限公司)控制进水流速;DO使用溶氧仪(JPB-607型)测定;扫描电镜(PHILIPS XL-30ESEM)用于观察载体的表面结构;高斯计(HT20,上海亨通磁电科技有限公司)用于测定磁场感应强度B.

2 结果与讨论

2.1 浮石性质

浮石表面呈多孔状,灰白色,质轻,可浮于水面.容重约 750kg/m3,松散容重为 380kg/m3左右,孔隙率为 69.5%～71.8%,吸水率为 58%～61%,比表面积为 0.4～0.6m2/g.浮石中主要含 SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO等化合物,另外还含有少量的Mn、Mg、P、S等元素.图3为天然浮石的电镜扫描照片.由图3可知,浮石表面粗糙且密布着大量微孔,平均孔径在15μm左右,微孔之间的孔壁厚1～2μm,结构坚实,为微生物的附着提供了良好的条件.

图3 浮石的表面微观结构Fig.3 The SEM image of surface structure of pumice

2.2 挂膜性能研究

本研究以有机物去除率作为判断生物膜是否成熟的指标性参数.试验在22～28℃的条件下,采用“快速排泥挂膜法”进行.接种污泥取自广州某污水处理厂二沉池的回流污泥,新鲜污泥 SV为29%,MLSS为6.43g/L.将上述污泥和生活污水以1:3混合后,分别加入装有磁性载体和非磁载体的两个反应器中,浸没载体,进行闷曝.24h后排空悬浮污泥,重复操作1次,2d后改用小流量连续进水,进水流量为 2L/h,反应器内 DO保持在 2.0mg/L以上.经观察、镜检,2d后载体表面开始出现粘性生物膜附着特征,随着挂膜时间的增加,载体表面的生物膜颜色逐渐由灰白色变成浅黄色,覆盖面积也逐渐增加,两反应器内均有丰富的钟虫、轮虫、线虫等原生和后生动物,如图 4所示,其中可以观察到磁性载体生物膜反应器内的数量要略多于非磁载体生物膜反应器.

图4 挂膜期间反应器内主要微型动物Fig.4 Main mini size creature in reactor during biofilm formation

图5 挂膜期间2反应器NH4+-N和COD的去除率Fig.5 NH4+-N and COD removal efficiencies of tworeactors during biofilm formation

两反应器的 NH4+-N去除率如图 5所示.由图5可见,第4d起,磁性载体生物膜反应器内NH4+-N的去除率迅速提高,在第 6d去除率达到85.8%,此后NH4+-N去除率一直稳定在80%以上;而非磁载体生物膜反应器内NH4+-N的去除率提高比较缓慢,在第 8d才达到 60%,此后NH4+-N去除率徘徊在60%～70%之间.由图5可以看出,到第6d以后2反应器内COD的去除率都稳定在 80%以上.以上实验结果说明磁性载体的挂膜性能优于非磁载体,而且磁性载体的NH4+-N去除率比非磁载体高20%,表明弱磁场的存在改善了载体的挂膜性能,并且对硝化作用有明显的促进作用.这是因为生物硝化作用中的主要微生物为硝化细菌,对硝化细菌的计数结果表明,磁场作用后,硝化细菌的数量提高了 1.25倍,说明磁场的作用有利于硝化细菌的生长,栗杰等[16]研究也发现磁处理棕壤后可以增加硝化细菌的数量;弱磁场的存在能够促进顺磁性的氧在载体附近停留聚集溶解从而使溶解氧浓度增高,而水体有较高浓度的溶解氧,将对硝化作用起强化作用,从而提高氨氮的降解效果.

2.3 对污染物质的去除效果

2.3.1 对COD的去除效果 由图6可知,在40d的连续运行时间内,磁性载体对 COD的去除率比非磁性载体高出约 5%～6%,说明弱磁场对有机物降解有一定的促进作用,这是因为磁场可以提高微生物酶活性,从而促进了有机物的降解.进水COD在173.2～218.5mg/L之间,在开始运行的前 7d,由于微生物生长不够充分,COD的去除率较低,随着载体上微生物的不断增殖,使得 COD的去除率不断增加,7d后反应器稳定运行,磁性载体反应器处理出水COD在18.5～25.8mg/L之间,COD的去除率为 89.2%～90.5%之间,达到城镇污水处理厂污染物排放标准[17](GB18918-2002)一级A标准的要求.

图6 不同载体对COD的去除效果比较Fig.6 Variation of COD removal in bioreactor with different carriers

2.3.2 对氨氮的去除效果 由图7可知,在40d的连续运行时间内,磁性载体对 NH4+-N的去除率比非磁性载体高出约 15%～20%,说明弱磁场对氨氮降解有明显的促进作用,这是因为磁场可以提高硝化细菌的活性和水中溶解氧浓度,从而促进了氨氮的降解.进水 NH4+-N 在 18.5～25.8mg/L之间,在开始运行的前10d, NH4+-N的去除率波动性较大,10d后磁性载体反应器出水的 NH4+-N 浓度稳定在 2.2～4.5mg/L之间, NH4+-N的去除率为 88.7～91.2%之间.达到城镇污水处理厂污染物排放标准[17](GB18918-2002)一级A标准的要求.

图7 不同载体对NH4+-N的去除效果比较Fig.7 Variation of NH4+-N removal in bioreactor with different carriers

2.3.3 对TN的去除效果 由图8可知,在40d的连续运行时间内,磁性载体对 TN的去除率仅比非磁性载体高出约 3%～5%,表明弱磁场对反硝化作用影响不大.进水TN在18.5～25.8mg/L之间,在开始运行的前 15d,TN的去除率波动性较大,15d后磁性载体反应器出水的TN浓度稳定在10.9～12.9mg/L之间,TN 的去除率为 50.1%～61.7%之间,达到城镇污水处理厂污染物排放标准[17]一级A标准的要求.

2.3.4 对浊度的去除效果 由图 9可知,在 40d的连续运行时间内,磁性载体对浊度的去除率与非磁性载体不相上下,当进水浊度在 32.3～48.1mg/L时,两者对浊度的去除率始终保持在90%之间,出水清澈.说明磁场对浊度的去除率没有影响.

图8 不同载体对TN的去除效果比较Fig.8 Variation of TN removal in bioreactor with different carriers

图9 不同载体对浊度的去除效果比较Fig.9 Variation of turbidity removal in bioreactor with different carriers

2.4 磁场对污泥减量化的影响

试验期间,磁性载体生物反应器和非磁载体生物反应器均无排泥连续运行 60d,之后,分别测定了两反应器内的MLSS、生物膜量和悬浮污泥量,结果见表1所示.

由表1可知,磁场的存在明显有利于污泥减量化,有助于剩余污泥的原位减量.由于本研究采用多孔微生物载体,结构上客观形成好氧-厌氧连续耦合作用.这种作用也有利于污泥的降解,有研究表明[18],好氧厌氧交替变化条件下,污泥降解最彻底,表1的结果表明,磁场的作用可以强化这种剩余污泥的原位减量功能,相关的理论解释有待进一步深入研究.

表1 反应器内的MLSS、生物膜量和悬浮污泥量Table 1 The MLSS, biomass of biofilm and suspended sludge quantity in bioreactors

2.5 磁场对微生物活性的影响

生物膜处理系统的性能和效率取决于微生物活性的高低和生物量,通常采用比基质耗氧速率SOUR来表征微生物活性[19].磁场对反应器内生物膜的比基质耗氧速率 SOUR的影响如表 2所示.由表2可知,磁载体生物膜反应器中载体外表面附着污泥及生物膜的SOUR值均大于非磁载体生物膜反应器,这一结果与磁载体生物膜反应器的COD和NH4+-N去除率较高有较好的对应性.此外,载体外表面附着污泥的SOUR均高于生物膜的 SOUR,这是因为反应器中载体外表面的溶解氧要高于载体内部,导致载体外表面附着污泥中主要是好氧菌,而载体内部则以兼性菌为主,从而耗氧速率也有明显差异.

表2 载体生物膜及外表面附着污泥的活性Table 2 The activity of suspended sludge and biofilm

2.6 讨论

以上结果表明,弱磁场对污水中 COD,特别是 NH4+-N的去除率有促进作用,首先是因为弱磁场对微生物活性有促进作用,其次,弱磁场作用后,增加了硝化细菌数量,从而有利于去除水中的有机污染物.第三,弱磁场的存在能够促进顺磁性的氧在载体附近停留聚集溶解从而使溶解氧浓度增高,而水体有较高浓度的溶解氧,可以促进生物接触氧化过程中微生物新陈代谢和提高污染物降解效率.

3 结论

3.1 与非磁性载体比较,磁性载体能显著改善载体的挂膜性能.

3.2 与非磁载体生物膜反应器相比,磁载体生物膜反应器对COD和NH4+-N的去除率分别高出5%和20%左右.

3.3 以校园生活污水作为处理对象,当载体中心磁场强度为 200Gs,HRT为 5h,DO浓度在2.0～3.5mg/L时,出水COD稳定在20mg/L左右, NH4+-N在5mg/L以下,两者的去除率均在90%左右.

3.4 磁性载体生物反应器比非磁载体生物反应器的污泥减量化功能更为明显,说明一定的磁场强度对污泥减量化具有促进作用.

3.5 磁载体生物膜反应器中载体外表面附着污泥及生物膜的SOUR值均大于非磁载体生物膜反应器,说明一定的磁场强度可以提高微生物活性.

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Domestic sewage treatment using a magnetic carrier bioreactor.

PAN Yong-zhang1*, ZHANG Zhi-yong1, SHI Bo1,2(1.Key Laboratory of Water/Soil Toxic Pollutants Control and Bioremediation of Guangdong Higher Eudcation Institutes, Department of Environmental Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632,China；2.Guangzhou Environmental Technology Center, Guangzhou 510055, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：734～739

A new type of magnetic carrier was prepared consisting of pumice, magnet and retiform plastic ball. It was used in a bioreactor to test the function on biofilm formation and biological degradation of domestic sewage. The start-up procedures of magnetic carrier bioreactor and nonmagnetic carrier bioreactor were finished within 5 d and 8 d, respectively. The removal efficiencies of COD and NH+4-N by the magnetic bioreactor were marked higher than nonmagnetic bioreactor, with 5% and 20% increasing respectively. The domestic sewage degradation capability of the magnetic carrier was then tested. At the conditions of the central magnetic field intensity of carrier was 200 Gs, the concentration of dissolved oxygen (DO) was 2.0～3.5 mg/L and hydrodynamic retention time (HRT) was at 5 h, the concentration of COD, NH4+-N and TN in the effluent from the magnetic bioreactor were about 20 mg/L, 5 mg/L and 15 mg/L, with removal rates of 90%, 90% and 50% respectively. The biomass of biofilm and suspended sludge quantity in the magnetic bioreactor were about 70% of those in the nonmagnetic bioreactor, after 60d treatment, which indicated that the magnetic field could improve the efficiency of sludge reduction. Moreover, both the specific oxygen uptake rates(SOUR)of the attached sludge and the biofilm on the magnetic carrier were higher than those on the nonmagnetic carrier, which mean that the magnetic field could stimulate the microbe activity.

magnetic carrier；bioreactor；domestic sewage；sludge reduction；microbe activity

X703.3

A

1000-6923(2011)05-0734-06

2010-09-22

广州市污染防治新技术新工艺研究开发项目(GZHB2007001)

∗ 责任作者, 副教授, tpyz@jnu.edu.cn

潘涌璋(1964-),男,广东普宁人,副教授,博士,主要从事水处理工程与技术、环境生物技术研究与应用等工作.发表论文 50余篇.