水车驱动好氧生物转盘附载填料挂膜的特性及处理效果

2021-09-10巩子傲汪思宇吕锡武

净水技术 2021年9期

巩子傲，汪思宇，吕锡武

(1. 东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096；2. 东南大学无锡太湖水环境工程研究中心，江苏无锡 214000)

作为支持乡村振兴战略的重要一环，农村人居环境整治工作的不断推进使农村生活污水的处理率大大提高，越来越多农村生活污水处理工程建成并投入运行，SBR技术、接触氧化技术、小型一体化反应器等生物处理技术和人工湿地、稳定塘等生态处理技术得到了广泛应用。根据农村生活污水不含有毒有害物质且富含氮磷资源的特点，本着“因地制宜、资源化利用”的设计理念与“高效低耗、可持续发展”的功能要求[1]，开发出“缺氧调节-好氧-经济型人工湿地”的生物生态组合工艺，在污染物净化的同时实现污水灌溉回用与氮磷资源回收。

作为组合工艺中的生物处理单元技术，水车驱动好氧生物转盘利用水流从高处跌落转化的动能驱动水车，继而带动两侧生物转盘转动，满足处理要求的同时节省了曝气能耗以及机械损耗[2]，在农村生活污水处理领域具有广阔的前景。对生物转盘而言，转盘的材料选择一直是研究的热点。陈志强等[3]研究表明，在盘片表面附载柔性挂膜填料可以有效实现反应器快速启动，增大盘片微生物量。在众多填料中，毛毡因其表面粗糙、利于生物附着、来源广泛经常被作为生物膜法处理的填料使用[4-5]；碳毡由于其高孔隙率、机械强度以及低成本的特点经常被用作微生物燃料电池的阳极[6-7]，具有较好的生物亲和性；无纺布也因其比表面积大、孔径范围广、耐腐蚀、成本低等特点，在水处理领域得到广泛应用[8-10]。

因此，本研究对上述3种挂膜填料开展小试筛选，确定出最适的挂膜填料，考察填料附载对水车驱动好氧生物转盘的驱动效果和复氧效能的影响，探究改进后生物转盘工艺段的启动过程和污染物去除规律，提出一种适用于水车驱动好氧生物转盘挂膜启动与稳定运行的填料。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置

使用小试装置对3种挂膜填料进行筛选(图1)，装置共分为3个槽，每槽内布置5个盘片。槽体由有机玻璃板黏接制成，单槽有效容积为1.3 L，盘片材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，盘片直径为12 cm。所有盘片均串联在Φ为12 mm的实心不锈钢轴上，依靠减速电机驱动保持相同转速。分别将毛毡、碳毡、无纺布3种填料黏附在盘片两侧进行填料挂膜试验，使用精密蠕动泵控制装置进出水。

图1 填料挂膜试验小试装置Fig.1 Schematic Diagram of Biofilm Carrier Selection Device

筛选得到最佳填料后，将其应用于水车驱动好氧生物转盘，开展反应器启动试验，试验装置如图2所示。

图2 水车驱动好氧生物转盘装置Fig.2 Schematic Diagram of wdRBC

装置包含两级生物转盘，每级转盘处理槽材质为有机玻璃，长×宽×高为42.1 cm×28 cm×15 cm，有效容积为10 L。转盘材质为ABS塑料，直径为20 cm，每级设置14片，转盘浸没率为45%，表面黏附合适的挂膜填料。驱动水车材质为有机玻璃，直径为21 cm，宽为8 cm，含6片叶轮。

两级转盘之间高差为0.6 m，利用蠕动泵将出水槽中部分处理出水提升至高位水箱后下落驱动各级水车转动，污水则通过另一台蠕动泵提升，从高位水箱两侧的三角堰溢流向下布水，依次经过两级生物转盘处理后排放。试验时可通过调节驱动水泵泵速控制转盘转速，调节进水泵泵速控制水力停留时间(HRT)。

1.2 试验用填料

生物膜法使用的填料一般要求其对微生物无毒害、易于微生物附着、具备一定的机械强度、质轻、比表面积大和孔隙率高[11]。对于分散式农村生活污水处理而言，生物填料价廉易得也是需要考虑的重要因素之一。试验选择市售常见毛毡、碳毡和无纺布作为生物挂膜填料(表1)，考察其污染物去除性能以及微生物富集特性并优选合适填料。

表1 3种挂膜填料规格与表观特征Tab.1 Specifications and Appearance Characteristics of Three Types of Biofilm Carriers

1.3 进水水质与反应器启动方法

试验用原水为人工配水。填料挂膜小试装置进水CODCr为108～119 mg/L，氨氮为14.46～34.01 mg/L，总磷(TP)按2 mg/L配置，并投加碳酸氢钠保持碱度，添加微量元素营养液维持微生物的正常生长代谢。试验过程保证生物转盘盘片CODCr面积负荷控制在5 g/(m2·d)左右，进水氨氮负荷由初期的0.66 g/(m2·d)逐步升高至1.56 g/(m2·d)，每个反应槽的HRT控制为6 h。采用快速排泥法[12]启动，将成熟的好氧污泥和试验原水按照3∶1的体积比混匀倒入反应器，启动调速电机控制转速为2 r/min，闷曝48 h后排空，之后开展连续进水试验。

水车驱动好氧生物转盘启动试验的进水CODCr为96～108 mg/L，氨氮为 32.90～35.61 mg/L，TP约为2 mg/L，在配水桶内加入适量的碳酸氢钠(按硝化反应理论碱度消耗量配置，质量浓度为179 mg/L)和微量元素液，微量元素液配方[13]如表2所示。采用快速排泥法启动反应器，调节驱动水泵泵速使生物转盘保持2 r/min运行。

表2 微量元素液配方Tab.2 Components of Trace Elements Nutrient Solution

1.4 测试指标与数据处理

(1)水质指标：COD采用哈希快速消解法测定(哈希消解器DRB200，哈希可见光分光光度计DR3900)，氨氮使用纳氏试剂分光光度法测定(HJ 535—2009)。COD与氨氮均取两平行样检测结果的平均值进行分析比较。

(2)填料富集生物量测定：为缩短试验周期，将3种填料浸没于实验室培养的成熟好氧污泥中进行微生物富集试验，污泥培养使用与1.3中一致的进水水质。于开始试验的第1、4、7、10、14 d取等量的3种填料，超声处理30 min后,水洗刮擦获取附着在其上的所有生物膜[14]测定VSS含量[15]。每次每种填料测3组平行，结果以g VSS/m2表示。

(3)反应器驱动效果与复氧效能测定：对于水车驱动好氧生物转盘而言，驱动水量越大则转速越快，为了更全面地比较每组驱动水量水平下的转盘转速，设计试验考察转速与驱动水量之间的关系并绘制二者关系曲线，认为在固定相同驱动水量前提下，转速越快则驱动效果越佳。

根据气体传递原理[11]，氧总传质系数KLa可以用于表征反应器的复氧效能，其值越大则说明复氧效能越强。反应器液相中溶解氧(DO)浓度和时间计算如式(1)。

(1)

其中：Cs——饱和DO质量浓度，mg/L；

Ci——复氧后ti时刻反应器内DO质量浓度，mg/L；

C0——初始t0时刻反应器内DO质量浓度，mg/L;

t——反应时间，min。

试验开始前，使用无水亚硫酸钠和CoCl2配置无氧水[16]，并使用塑料薄膜分隔，防止驱动水溅入两侧处理槽。DO使用雷磁JPSJ-605F溶解氧测定仪测定，Cs值依照《水质溶解氧的测定电化学探头法》[17]选取，每组试验做3组平行。为减小温度对KLa的影响，试验周期不超过2 d。

(4)数据处理：使用Origin 2016绘制图表，Excel 2016和SPSS Statistics 25进行数据分析处理。

2 结果与讨论

2.1 不同挂膜填料对COD、氨氮的去除效果

采用快速排泥法进行挂膜启动，毛毡、碳毡、无纺布3种填料对COD和氨氮的去除效果如图3和图4所示。

图3 不同挂膜填料的CODCr去除效果Fig.3 CODCr Removal Efficiency of Different Biofilm Carriers Formation

图4 不同挂膜填料的氨氮去除效果Fig.4 Ammonia Nitrogen Removal Efficiency of Different Biofilm Carriers Formation

由图3可知，挂膜阶段开始3 d后，各填料的COD去除率基本趋于稳定，毛毡、碳毡以及无纺布的平均去除率分别为74.9%、82.2%和84.3%，CODCr出水均接近或小于30 mg/L，3种挂膜填料稳定后的平均CODCr去除负荷分别为3.84、4.21、4.32 g/(m2·d)。各填料间的差异具体表现为碳毡盘片和无纺布盘片的处理效果较为相近，大于毛毡盘片的处理效果。初步推测是因为填料的表面粗糙度以及内部比表面积等理化性质的不同[18]，除此之外，各填料上富集的微生物量不同也是重要的影响因素之一。

Fuchigami等[19]探究了网状生物转盘反应器对市政生活污水的处理效果，在进水CODCr负荷为22 g/(m2·d)的条件下达到了67%的CODCr去除率。本试验挂膜启动阶段保持的有机物进水负荷处于较低水平，各填料的COD去除率可能相对较高。而Hassard等[20]在进水有机物负荷为5 g/(m2·d)的条件下，针对附载类聚氯乙烯网状材料、聚酯纤维材料和聚氨酯材料的生物转盘开展去除效果探究，对CODCr的去除率分别为47%、46%和39%，均不及本试验选用的3种挂膜填料。

与COD去除效果相比，几种填料对于氨氮的处理效果差异性更为明显。在启动挂膜阶段的3 d后，毛毡、碳毡、无纺布的氨氮去除率分别达到77.8%、64.0%和80.5%。随着进水氨氮负荷的提升，毛毡盘片的处理效果略有下降，碳毡盘片的处理效果则持续上升并于挂膜第6 d超过毛毡试验组。无纺布盘片对氨氮的降解效果则一直稳定在较高水平，挂膜稳定后的平均去除率达到82.5%，毛毡盘片和碳毡盘片分别为72.5%和74.2%，3种填料对氨氮的平均去除负荷分别为1.02、1.07、1.18 g/(m2·d)。陈洪一[21]的研究结果表明，无纺布相对于其他两种填料，其纤维之间互相穿插交错形成复杂、立体的通道与孔洞，这种结构的存在使富集的微生物免受水流冲刷和水力剪切的影响，快速形成致密、稳定的生物膜[22]，填料的显微镜镜检结果也与此相符。与此同时，填料纤维间的孔隙可以提升装置整体的DO水平，从而使硝化菌更好地发挥其活性[23]。

2.2 不同填料微生物富集效果比较

在选择生物膜反应器的填料时，能否在短期内富集较多微生物、形成具有活性的生物膜往往是重要的指标之一[24]。因此，为进一步探究3种填料的微生物富集特性，从微生物角度解释出现COD、氨氮去除率差异的原因，对3种填料开展微生物富集试验。试验周期内各填料上富集微生物量(以g VSS/m2表示)如图5所示。

图5 不同填料微生物富集效果Fig.5 Microbial Enrichment Performance of Different Biofilm Carriers

试验结束时，无纺布填料上富集的微生物量最大，其次为碳毡和毛毡，分别达到了(24.58±1.82)、(12.45±1.78)、(7.14±1.56)g VSS/m2，这也从另一方面印证了无纺布试验组对COD、氨氮较高去除率的现象。除此之外，无纺布填料上的微生物累积速率也要大大超过其余两种填料，说明其具备快速富集微生物并形成稳定生物膜的特性。朱海东[25]的研究结果表明，无纺布的纤维结构使其具备较高的表面粗糙度和较大的比表面积。此外，填料所含的某些表面官能团以及较高的Zeta电位[26]也可能是导致填料生物亲和性高的原因。

综合2.1和2.2的试验结果，选择无纺布作为水车驱动好氧生物转盘的挂膜附载填料开展后续研究。

2.3 反应器驱动及复氧效果评价

水车驱动好氧生物转盘本质上属于一种被动生物转盘[27]，不需要电机驱动而是以水流跌落产生的动能作为驱动力，该种驱动方式对转盘在转动过程中受到的阻力反馈更为明显。文献表明，填料附加的转盘自重[22]、驱动流量[28]以及转盘浸没率[29]均会对被动式生物转盘的转动效果产生影响。本节试验以空转盘和附载无纺布填料转盘作为研究对象，考察改进前后反应器的驱动效果及复氧效能，试验结果如图6和图7所示。

图6 空转盘与无纺布转盘驱动效果比较Fig.6 Comparison of Driving Effect between Control Group and Non-Woven Loading Group

图7 空转盘与无纺布转盘复氧效能比较Fig.7 Comparison of Reoxygenation Effect between Control Group and Non-Woven Loading Group

可以看出，转盘转速与驱动水量呈线性关系(R2均大于0.99)，此时，曲线斜率越大说明驱动效果越好。因此，以转速-驱动水量曲线斜率为因变量表征驱动效果，以是否添加无纺布作为强化挂膜填料为自变量作单因素方差分析，按α=0.05水准，得P=0.007<0.05，对应F为26.315，可以认为无纺布转盘与空转盘在驱动效果均值方面存在统计学差异。

对KLa进行单因素方差分析，按α=0.05水准，P远小于0.05，对应的F为1 343.891，远大于26.315，因此，认为无纺布转盘与空转盘在KLa均值方面存在显著差异。综上，在转盘表面添加无纺布为挂膜填料将大幅提高反应器的复氧效能，其对转盘驱动效果造成的影响则相对不显著。

2.4 反应器的挂膜启动

以初始HRT为3 h启动反应器挂膜，运行6 d后缩短HRT为2 h运行，得到COD、氨氮去除效果曲线(图8～图9)。

图8 挂膜启动阶段CODCr去除效果Fig.8 CODCr Removal Efficiency of Reactor at Biofilm Start-Up Stage

图9 挂膜启动阶段氨氮去除效果Fig.9 Ammonia Nitrogen Removal Efficiency of Reactor at Biofilm Start-Up Stage

由图8可知，挂膜启动3 d后，反应器的CODCr去除效率从初始的59.3%上升至82.9%；之后第4～6 d的CODCr去除率一直保持在85%以上，平均去除负荷为8.16 g/(m2·d)；当HRT变化后，反应器第7 d的CODCr去除效率降至63.5%；第8 d又回升至83.8%；并于第9～12 d继续保持85%以上的去除效果，此时的CODCr平均去除负荷为11.74 g/(m2·d)。

氨氮去除率在挂膜启动2 d后由初始的84.7%上升至96.5%；之后第3～6 d的去除率保持在97%以上，氨氮平均去除负荷为3.00 g/(m2·d)；HRT变化后，反应器整体氨氮去除效果虽降至92%左右但能保持相对稳定；第7～12 d反应器的氨氮平均去除负荷降为2.87 g/(m2·d)。综合考虑COD和氨氮的去除效果，可以认为两级生物转盘反应器挂膜完成。此时可以明显观察到第二级生物转盘氨氮去除效果受HRT变化影响相对第一级更小。推测原因是第一级转盘主要承担去除COD负荷的作用，其生物膜中的硝化功能菌群相对丰度更低[30-31]，因此，耐氨氮冲击能力小于第二级转盘。

2.5 挂膜稳定期反应器运行效果

挂膜启动完成后继续运行水车驱动好氧生物转盘2周，考察两级转盘污染物去除效果。

两级水车驱动好氧生物转盘的CODCr平均去除率为86.76%±0.85%。由图10可知，对于COD而言，其主要去除过程主要发生在第一级转盘内。一级转盘CODCr平均去除率为77.3%±0.99%，其对CODCr总去除率的贡献达到了89.1%。较高的COD负荷使得转盘表面生物膜较厚，盘片局部区域伴有少量丝状菌存在。