功能生物填料处理大生活用污海水的净化技术研究

杨波，姜天翔，郝建安，张晓青，张爱君，王静，张雨山

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

功能生物填料处理大生活用污海水的净化技术研究

杨波，姜天翔，郝建安，张晓青，张爱君，王静，张雨山

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

将筛选到的耐盐净污复合菌群培养后，采用循环流动法固定于陶粒和活性炭组成的混合填料上，形成功能生物填料，并将其用于曝气生物滤池处理大生活用污海水。考察了水力停留时间、气水比、水力负荷、反冲洗方式对有机物降解的影响。结果表明：在水力停留时间为120 min、气水比为（3～5）∶1、水力负荷为1.5～3.5 m3·m－2·h－1的最佳运行条件下，COD、氨氮、总磷的去除率分别达到82.7%、86.8%、74.1%；处理污水的出水水质基本稳定在COD 35～60 mg·L－1、氨氮＜8 mg·L－1、总磷值在0.35～0.70 mg·L－1范围内。采用气洗-气水联合冲洗-水洗的反冲洗方式，处理能力可在4 h内恢复。

功能生物填料；大生活用污海水；生物吸附；曝气生物滤池

大生活用海水是指利用海水替代淡水资源作为居民生活用水（主要用于冲厕）［1］，是海水直接利用领域的开源节流技术之一。大生活用海水由于具有较高的盐度，后处理工艺的研究开发遭遇了一定的技术瓶颈。传统的活性污泥法、生物膜法等城市污水处理工艺在处理高盐污海水时常遇到以下问题：高含盐量产生较高渗透压，导致微生物的细胞膜破裂、生物酶丧失活性等，从而降低处理效率；同时盐度的升高也导致了污泥中微生物群落的改变，使污泥的净污作用大打折扣。因而迫切需要研发出针对大生活用污海水的专用生物净化工艺。

固定化微生物技术是将具有特殊净污功能的微生物固定在载体上，使功能微生物高度密集并保持良好的生物降解活性，在适宜的工作条件下能够迅速繁殖并发挥功效的生物水处理技术。这一技术在废水处理领域的应用，能够有效提高反应器内功能微生物的浓度，有利于微生物抵抗不良环境的影响，大大缩短处理时间，提高处理效率。然而，对于特定的污染源，天然环境中的微生物浓度较低、消耗速度快，净污效率不高，不足以满足废水处理的需求。因此，添加具有特定降解功能的固定化微生物能有效地提高废水的处理效率，简化污水处理工艺。该技术在处理有机废水及生活废水的脱氮除磷方面具有一定的优势。

目前国际上对高盐度污水的生化处理技术研究已从单纯污泥驯化转到依靠优势菌群的培养和耐盐微生物的引入上来。作者将从富含氮、磷等的污染海水和污泥中筛选出的耐盐微生物复合培养，共同固定于固体填料上，形成功能生物填料，用于对大生活用污海水的生物吸附净化，考察了水力停留时间、气水比、水力负荷、反冲洗方式对有机物降解的影响。

1 实验

1.1 材料、菌种与培养基

1.1.1 大生活用污海水

葡萄糖300 mg·L－1，NH4Cl41 mg·L－1，K2HPO49.4 mg·L－1，MgSO4·7H2O 50 mg·L－1，pH值6.5～7.5，大生活用污海水中海水比例为40%，海水取自天津塘沽天碱海水净化厂沉清池。

1.1.2 菌种

菌种，从天津市塘沽泥滩中筛选的高效耐盐净污微生物复配而形成的复合菌群，自行保存。

1.1.3 培养基

2216E培养基：蛋白胨5 g，酵母膏1 g，磷酸高铁0.01 g，加陈海水定容至1 L，pH值为7.6，在121℃下高压蒸汽灭菌20 min。

1.2 方法

1.2.1 功能生物填料的生成

采用陶粒和活性炭组合作为大生活用污海水吸附净化技术的固体填料，其中上层和下层的陶粒填料高度均为25 cm，中层的活性炭填料高度为50 cm。先将复合菌群培养，再经寡营养盐驯化后，采用循环流动法固定于陶粒和活性炭组成的混合填料上，形成功能生物填料。

1.2.2 水力停留时间对处理效果的影响

设定大生活用污海水在固定化生物填料柱中的水力停留时间分别为30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min，测定出水的COD、氨氮和总磷的去除率，确定最佳的水力停留时间。

1.2.3 气水比对处理效果的影响

选择最佳水力停留时间，填料高度100 cm，水温20～30℃，进水量3 L·h－1，在气水比（1～7）∶1范围内改变进气量，连续稳定运行后，测定出水的COD、氨氮和总磷的去除率，确定最佳的气水比。

1.2.4 水力负荷对处理效果的影响

选择最佳气水比，填料高度100 cm，水温20～30℃，在1.5～6.0 m3·m－2·h－1范围内改变水力负荷，连续稳定运行后，测定出水的COD、氨氮和总磷的去除率。

1.2.5 大生活用污海水净化的反冲洗方式研究

将出水水质的明显变化作为是否需要采取反冲洗的判定标准。反冲洗采用“气洗-气水联合冲洗-水洗”的气水联合冲洗方式，对滤池进行反冲洗。具体过程如下：

（1）气洗，强度为15～19 L·m－2·s－1，持续时间约3 min，作用是使老化的生物膜脱落，松动填料层，防止老化生物膜的结块；

（2）气水联合冲洗，气冲强度11～15 L·m－2· s－1，水冲强度4～6 L·m－2·s－1，约2 min；

（3）水洗，彻底除去脱落的污泥，冲洗时间约3 min。通过测定反冲洗后的出水的COD和氨氮来评价大生活用污海水净化的反冲洗效果。

2 结果与讨论

2.1 水力停留时间对处理效果的影响（图1）

图1 水力停留时间对大生活用污海水处理效果的影响Fig.1 The effect of hydraulic retention tim e on treatment efficiency of domestic seawater

由图1可以看出，水力停留时间对出水水质的影响较大。在水力停留时间为30 min时，COD、氨氮和总磷的去除率均在55%以下，出水COD浓度大于150 mg·L－1，在120 min以内COD、氨氮的去除率变化较大，出水COD浓度由原水的294.5 mg·L－1降至55.9 mg·L－1，COD去除率达80%以上，氨氮的去除率从49%提升到80%以上；120 min后，COD和氨氮的去除率变化不明显。

随着水力停留时间的延长，含盐污水中总磷的去除率呈波浪形上升的趋势。水力停留时间在120 min以内时，混合填料柱对总磷的去除率从52%上升至73%，120 min后在70%上下波动，变化范围较大。

综合COD、氨氮以及总磷的去除效果可以看出，对于混合填料的曝气生物滤池，当水力停留时间超过120 min后，COD、氨氮以及总磷的去除率趋于稳定。当水力停留时间为120～180 min时，去除率保持在较高的水平。考虑到仪器运行的经济成本，确定最佳水力停留时间为120 min。

有研究表明［4］：常规的生物反应器主要依赖生物膜对有机污染物的降解作用，而在曝气生物滤池中，填料与填料间的生物絮体对大部分有机物的氧化降解起主要作用。同时通过生物絮体对污水中污染物的截留、吸附等作用，延长了被降解物在功能生物填料柱中的停留时间，从而使附着在填料上的生物膜絮体充分发挥氧化降解作用。在不延长水力停留时间的同时，延长了微生物对有机污染物的降解时间，提高了降解效率，有效降低了投资成本。

2.2 气水比对处理效果的影响（图2）

图2 气水比对大生活用污海水处理效果的影响Fig.2 The effect of air-water ratio on treatm ent efficiency of domestic seawater

由图2可知，随着气水比的升高，即随进气量的逐步增加，COD去除率增大；当气水比为4∶1时，COD去除率达到最大，为84.5%，COD浓度由进水的287.63 mg·L－1降低到44.03 mg·L－1，出水水质保持在较好的水平；当气水比进一步升高时，即进气量进一步增大时，COD去除率则呈下降趋势。这是因为，当气水比较低时，进气量少，水中溶解氧的浓度较低，填料中微生物的供氧不足，新陈代谢处于低水平状态，因此不能完全分解污水中的有机污染物，导致COD的去除率较低。随着气水比逐渐升高，进气量不断增多，当溶解氧浓度为2～4 mg·L－1时，氧的利用率保持在较高水平，微生物能够充分利用污水中的营养物质，长期处于活跃的生长代谢状态，因而能够快速降解代谢水中的有机污染物，使出水COD浓度保持较低水平，气水比达到最佳。随着气水比的进一步增大，进气量不断增多，强大的气流对填料产生巨大的震动，增强了填料与填料间的碰撞和摩擦，同时对附着的絮体和生物膜产生强大的冲击力，导致大部分生物膜从填料上脱落并随水流排出填料柱，大幅减弱了微生物对有机污染物的降解作用，使有机物尚未被微生物分解便排出填料柱。在实际使用中确定最佳气水比时，在节约经济成本的同时，使氧气达到较高的使用效率，对大生活用污海水的后处理达到理想的效果。

随着气水比的升高，大生活用污海水中氨氮的去除率也是先升后降。但氨氮的去除率均在65%以上，稳定性相对较好。这是因为，生物脱氮分为氨化反应、硝化作用和反硝化作用3个反应过程：首先是有机氮在氨化细菌的作用下分解为氨态氮，这一反应过程相对容易且速度很快，在一般的废水处理过程中不是限速步骤；然后在好氧条件下，好氧异养微生物在有氧条件下进行硝化作用，使氨态氮氧化成硝态氮；最后在厌氧环境下，反硝化菌使硝态氮最终还原成氮气溢出，完成反硝化作用。当气水比较低时，进气量少，水中溶解氧含量低，好氧微生物生长缓慢，不利于硝化作用，含氮有机物转化为氨态氮后，只有少量被好氧微生物完全分解成氨，从而限制了脱氮作用的进行，因而氨氮的去除率相对较低；而当气水比较高时，进气量较多，含氮有机物虽然能完成硝化作用转化为氨，但不利于填料内部厌氧环境的形成，导致反硝化作用大幅减弱，不能将硝化作用生成的氨反硝化为氮气溢出，因而氨氮去除率也处于较低水平。只有气水比稳定在4∶1左右时，既有利于好氧菌对溶解氧的利用进行硝化作用，也能为反硝化作用营造适当的内部厌氧环境，使硝化、反硝化达到一个较为平衡的状态，使得氨氮的去除率较高，达到80%以上。同时，当气水比稳定在4∶1时，由于反冲洗及进水水质的变化，导致生物膜的降解效率存在变化，从而氨氮去除率存在一定的波动性。

总磷的去除率随气水比的升高而增大，在气水比为（3～5）∶1时，总磷去除率保持相对稳定，之后随着气水比的升高，总磷去除率开始下降。生物活性填料系统中总磷的去除主要依靠填料的吸附除磷和生物的降解除磷共同作用。当固体填料的吸附作用达到饱和后，则主要依靠生物的降解除磷作用。生物除磷依赖厌氧和好氧交替运行的动态条件，完成微生物好氧摄取磷、厌氧水解释放磷的动态过程。当气水比在（3～5）∶1时，通过物理吸附和挂膜微生物的生物除磷作用使大生活用污海水中总磷的去除率保持在70%以上。然而随进气量的进一步增多，巨大的气流对挂膜微生物产生较强的冲击力，导致部分生物膜脱落，同时破坏内部微小的厌氧环境，使得总磷的去除率下降。

综合考虑出水的COD、氨氮以及总磷的去除率，确定功能生物填料处理大生活用污海水的最佳气水比为（3～5）∶1。

2.3 水力负荷对大生活用污海水处理效果的影响（图3）

图3 水力负荷对大生活用污海水处理效果的影响Fig.3 The effect of hydraulic loading on treatment efficiency of domestic seawater

从图3可以看出，随着水力负荷的不断升高，COD去除率显著下降。当水力负荷为1.5 m3·m－2·h－1时，COD去除率为83.3%，COD浓度由进水的298.15 mg·L－1降至出水的49.77 mg·L－1。在水力负荷为1.5～3.5 m3·m－2·h－1时，COD去除率稳定在80%以上，出水COD浓度＜60 mg·L－1，其抗冲击负荷能力较强。当水力负荷提升至6.0 m3·m－2·h－1时，COD去除率下降到52.7%，出水COD浓度上升至141.03 mg·L－1。这是因为，初期随着水力负荷的升高，水中可利用的有机物数量随之增多，微生物的生长繁殖更为迅速，且随着水力负荷的升高，对填料的冲刷作用也不断增强，进而有利于老化生物膜的脱落，有利于生物活性保持在较高水平，有机物去除效率提高［5-6］。当水力负荷进一步升高时，污染物数量不断增多，导致微生物所处的环境营养过剩，且随着水力负荷的升高，水力停留时间缩短，污水中的有机物尚未被微生物充分吸收分解就随出水排出，大大降低了去除率。其次水力负荷过高时，生物膜在较大的水力冲击作用下不易保持稳定状态而发生脱落［7］，也影响了污水的处理效率。

水力负荷为1.5～3.5 m3·m－2·h－1时，氨氮去除率较稳定，最高达到83.7%，氨氮浓度由进水的36.34 mg·L－1降至出水的5.92 mg·L－1。总磷最高去除率达到75.3%，总磷浓度由进水的2.32 mg·L－1降至出水的0.57 mg·L－1。这主要是因为，随着水力负荷的升高，功能生物填料柱内的营养物质浓度升高，有利于功能微生物的繁殖，污染物去除能力不断增强。此外，随着水力负荷的升高，溶解氧的含量也随之增加，内层的硝化菌在溶解氧的作用下能更好地生长代谢，完成硝化反应。然而当水力负荷进一步升高时，有机物数量和浓度也不断增加，异氧菌的生长代谢不断增强，进而抑制了自养菌的反硝化作用，同时产生了不利于厌氧菌的生长环境，因而氨氮和总磷的去除率随之降低。

综合考虑出水的COD、氨氮及总磷的去除率，确定功能生物填料处理大生活用污海水的最佳水力负荷为1.5～3.5 m3·m－2·h－1。

2.4 大生活用污海水净化的反冲洗研究

反冲洗是关系到曝气生物滤池净污效率十分关键的一步，反冲洗的目的是通过气水联合冲洗将填料缝隙间的悬浮物释放、且不损害并快速更新生物膜、恢复反应器的过滤能力［8］。因此，曝气生物滤池的出水水质、运行能效和周期与反冲洗效果密切相关。若反冲洗不充分，老化生物膜不能完全脱落，使得微生物的生长和更新速度大幅降低，严重影响滤池的处理能效，导致滤池运行周期大幅缩短；若反冲洗过量，导致滤料间的摩擦力过大，加上水流或气流的剪切力，致使很大一部分活性微生物从生物膜上脱落，排出滤池，同样影响微生物生化功能的发挥，导致出水质量下降。所以，曝气生物滤池反冲洗的效果可以从反应器的恢复时间及微生物耗氧速率的变化两方面进行评价［9］。

2.4.1 反冲洗后出水COD去除率恢复曲线

由于反冲洗导致老化生物膜的脱落，致使填料柱中微生物数量减少，因而降解有机物的能力会暂时减弱。随着微生物的生长繁殖，功能生物填料会逐步恢复最佳处理能力。对功能生物填料柱进行反冲洗后，出水COD浓度及去除率如图4所示。

图4 出水COD去除率恢复曲线Fig.4 The restoring curve of COD removal rate of the effluent

由图4可知，进水COD浓度约为281.85 mg· L－1，反冲洗1 h后出水COD浓度为148.25 mg·L－1，保持在较高水平，COD去除率较低。这主要是因为，反冲洗的冲击作用使老化生物膜脱落，进而使得填料层内截留的大部分微生物随反冲洗的气流和水流一同排出功能生物填料柱，从而导致柱内微生物数量的减少，功能生物填料对有机物的处理能力降低。随着运行时间的延长，在4 h时出水COD浓度已经降为57.22 mg·L－1，去除率达80%左右。可见，功能生物填料柱反冲洗4 h即可恢复先前的处理水平。

2.4.2 反冲洗后出水氨氮去除率恢复曲线

对功能生物填料柱进行反冲洗后，出水氨氮浓度及氨氮去除率恢复曲线见图5。

在相同的环境条件下，硝化菌、反硝化菌的生长速度明显低于好氧异养菌，因而生长速度较快的异养菌形成的生物膜比硝化菌、反硝化菌形成的生物膜更为疏松，反冲洗更容易导致异养菌形成的生物膜脱落。而自养菌形成的生物膜由于更为致密，硝化菌和反硝化菌具有更强的抗冲击能力，从而使氨氮的去除效果能够保持在相对稳定的状态，受反冲洗的影响相对不大，恢复速度相对更快。由图5可知，反冲洗4 h后，出水氨氮浓度由1 h的14.45 mg·L－1降至4 h的7.83 mg·L－1，氨氮去除率已经恢复到80.6%。

图5 出水氨氮去除率恢复曲线Fig.5 The restoring curve of-N rem oval rate of the effluent

综上所述，反冲洗会对功能生物填料的处理效果有暂时的削弱作用，但会在较短时间内恢复正常水平。在本实验条件下，COD和氨氮均可在4 h内恢复先前的处理能力。

3 结论

研究了复合型生物吸附净化技术对大生活用污海水的处理效果：耐盐净污微生物复合菌群固定化于陶粒和活性炭的混合填料生成的功能生物填料，对大生活用污海水具有较好的净化能力和抗冲击能力。在室温条件下，大生活用污海水复合生物净化技术的最佳参数条件：水力停留时间为120 min、气水比为（3～5）∶1、进水流速为3 L·h－1、水力负荷1.5～3.5 m3· m－2·h－1。在该条件下，功能生物填料反应器对COD、氨氮和总磷的平均去除率可以达到较理想的状态。当进水COD在170～350 mg·L－1范围内波动时，出水COD保持在35～60mg·L－1范围内，出水氨氮稳定在8 mg·L－1以下，总磷值在0.35～0.70 mg·L－1范围内波动。其中填料种类、水力停留时间、气水比及水力负荷是影响大生活用污海水复合生物净化技术的主要因素。采用气水联合冲洗的方式对填料柱进行反冲洗，处理能力在4 h内可恢复到之前的水平。说明该功能生物填料在大生活用污海水及含盐污水的处理方面具有较好的处理效果，应用前景广阔。

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Research on Purification Technology of Domestic Seawater by Functional Biological Filler M aterials

YANG Bo，JIANG Tian-xiang，HAO Jian-an，ZHANG Xiao-qing，ZHANG Ai-jun，WANG Jing，ZHANG Yu-shan
（The Institute of Seawater Desalination and Multi-purpose Utilization，SOA，Tianjin 300192，China）

Salt-tolerant compound microorganism was screened and cultivated，and then fixed on ceramsite and active carbonmixed filler by circulating flow method to get the functional biological fillermaterials.Then itwas used as filtermedium of biological aerated filter to dealwith domestic seawater.The effectof hydraulic retention time，air-water ratio，hydraulic loading and backwash mode on degradation of orangic compoundswere studied.The results showed that，the optimal operation parameterswere as follows：hydraulic retention time 120 min，air-water ratio（3～5）∶1 and hydraulic loading 1.5～3.5 m3·m－2·h－1.Under above conditions，the removal rates of COD，-N，TP were 82.7%，86.8%，74.1%，respectively.The effluentwater quality was basically stable in COD 35～60 mg·L－1，and-N＜8 mg·L－1，TPwithin the scope of0.35～0.70mg·L－1.Processing power can be restored within 4 h if the gas-gas，water joint-water backwash mode was used.

functional biological fillermaterials；domestic seawater；biosorption；biological aerated filter

X 703

A

1672-5425（2015）07-0047-05

10.3969/j.issn.1672－5425.2015.07.013

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（K-JBYWF-2013-G11），海洋公益性行业科研专项项目（201105026）

2015-01-18

杨波（1982－），女，河北人，工程师，研究方向：海水利用技术，E-mail：yangbo82@21cn.com；通讯作者：张雨山，博士，研究员，E-mail：yushanzhang@hotmail.com。