絮凝剂强化A/O生物膜法处理煤气化废水的研究*

谈龙方，袁守军

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

A/O生物膜法是指缺氧-好氧连续流生物膜处理技术，在该系统中，微生物固着在填料表面，耐冲击能力得到增强，因而被广泛用于工业废水处理工程中。由于硝化细菌的世代周期较长，传统的A/O系统的启动周期较长，脱氮效率相对较低。当向废水生物处理系统中投加适量絮凝剂时，生物絮体及其胞外膜的聚集性得以增强，这使得微生物更易于附着于填料表面，有利于延长硝化细菌在系统内的停留时间，提高生物挂膜启动效率。与此同时，絮凝剂可以与废水中的难降解有机物以网捕卷扫等形式结合，使其在絮凝-沉淀的作用下得到去除，用以弥补生物处理的不足。

1 材料与方法

1.1 废水来源及水质特点

1.2 废水混凝实验

向煤气化废水中分别加入浓度为20 mg/L的PAC和PAM，开展混凝沉淀实验。混凝程序设置3个阶段，转速分别为350、50、10 rpm，时间分别设置为30 s、5 min、10 min。待絮凝过程完成后，取适量上清液，参照文献方法[3]对样品进行预处理，然后采用GC-MS分析混凝前后废水中主要有机物的成分及含量变化，评价混凝剂对废水中有机物的去除作用。

1.3 絮凝剂-A/O生物膜处理煤气化废水实验方案

1.3.1 实验装置

生物膜反应装置如图1所示。三个连续流A/O反应器(R1、R2和R3)的主体材质均为厚度为8 mm的有机玻璃，尺寸为650 mm×200 mm×350 mm(含超高50 mm)，有效容积为 39 L。反应器主要分为三个区域：配水区、缺氧反应区以及好氧反应区。其中，缺氧区与好氧区容积比为1:3，每个区域之间设置隔板，每个隔板上打四个孔径为20 mm的圆形孔洞，使其符合污染物浓度梯度条件；反应器内安装立体弹性填料，填料填充率60%。每个区域底部设置独立排泥口与曝气装置(缺氧区不设置曝气装置)，确保每个区域可以单独排泥及控制溶解氧浓度。

图1 实验装置图

1.3.2 试验启动及运行

反应器启动阶段，向反应器内接种相同体积和浓度的活性污泥(接种污泥浓度为1.5 g/L)以及营养物质。以连续流的方式运行反应器，通过蠕动泵控制进水与回流，控制总HRT为60 h。进水点设在装置左端底部，回流液体从缺氧区底部流入，以保证硝酸盐的供给。气体流量计控制溶解氧浓度：缺氧区溶解氧(DO)维持在0.5 mg/L以下，好氧区DO控制在2.0～ 2.5 mg/L。

1.4 样品分析测试方法

1.4.1 水质指标检测方法

1.4.2 COD降解动力学分析方法

在反应器运行稳定后(约60天)，取反应器的缺氧段中污泥并在厌氧环境下进行CODCr的去除试验，以研究适用于CODCr去除的动力学模型。CODCr去除实验的用水配置和实验方法：实验使用煤气化废水原水按回流比260%稀释作为底物溶解在去离子水中。分别取R1、R2、R3三个反应器缺氧段中污泥，将配置的实验用水平均分配到三个锥形瓶中，并将锥形瓶置于25 ℃和120 rpm的恒温摇床中工作8.5 h。在前2 h，每0.5 h取一次样品，之后每2 h取一次样品。将样品经0.45 μm滤膜过滤后测定CODCr。通过CODCr随时间的浓度变化规律进行动力学拟合。

1.4.3 生物量的测定方法

为了评估投加絮凝剂对生物质固定化的影响，在A/O生物膜反应器中稳定运行后(约60天)，将好氧区中的立体弹性填料连同其负载的生物膜一同剪下后烘干，分别称取填料质量以及测定生物膜的挥发性悬浮固体干重(VSS)，并参照式(1)计算生物量(Biomass，g/g)。

(1)

式中：VSS为生物膜的挥发性悬浮固体干重，g/L；Mf为填料干重，g。

1.4.4 微生物群落分析方法

为了评估投加絮凝剂对微生物群落结构的影响，在A/O生物膜反应器中稳定运行后(约60天)，从各组反应器的缺氧区中各取一定体积污泥样品进行分析，分析过程如下：DNA提取→PCR扩增→荧光定量→Miscq文库构建→Miseq测序。

2 结果与讨论

2.1 絮凝剂对煤气化废水中有毒有机物的去除作用

根据GC-MS检出的结果定性分析有机物种类，根据峰面积估计废水中有机物质的相对含量。从图2可知，在20 mg/L PAC和PAM的混凝作用下，2-苯基丁酸、2-癸醇、十一烷、苯乙酸这几种物质的含量大幅度降低，从而有利于减小废水的生物毒性。当絮凝剂投加量为20 mg/L时，PAM对于2-苯基丁酸的去除率(99.9%)高于投加PAC时的去除率(40.3%)。

图2 不同絮凝剂对有毒有机物的去除效率

2.2 主要污染物的去除特征

图3 各反应器中各污染物去除率的比较

在A/O生物接触氧化反应器中运行稳定后(约60天)，取各反应器中缺氧段中的污泥进行COD降解动力学实验，并根据实验结果对COD动力学进行拟合，如图4所示，各反应器的动力学拟合参数如表1所示。根据动力学拟合参数和R2值，可确定在投加絮凝剂的反应器中，COD的去除符合零级反应动力学模型，且当投加的絮凝剂种类为PAC时，零级反应动力学常数最大，为9.620 L/h，当投加的絮凝剂种类为PAM时，零级反应动力学常数为3.599 L/h，比不投加絮凝剂的R1反应器要高，这表明絮凝剂的投加促进了有机物的去除，且PAC相较于PAM对于有机物的去除效果更为可观。

图4 各反应器缺氧区中COD降解动力学拟合结果

表1 动力学拟合参数

2.3 生物量分析

在A/O生物膜反应器稳定运行后(约60天)，在R1、R2、R3三个反应器内好氧区域中填料上采样，进行生物量的测试，结果如图5所示。在三个好氧段中，R3反应器中生物膜的生物量要明显高于其他两组反应器。这表明PAM的投加有效地增加了单位质量填料上活性生物质的含量，有利于生物质的富集和污泥产率的降低，从而提高处理污水的能力，在适宜的低浓度下，PAM溶液可视为网状结构，主链和各个支链间在机械缠结和氢键的作用下共同形成网状节点[5]。在这种网状结构的作用下，可以将活性污泥里的各种菌胶团网捕-卷扫到填料表面从而更容易实现生物质的固定，提高生物量，缩短挂膜周期。而PAC的投加对于生物量积累的促进作用则并不明显，在好氧段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，R2与R1生物量的相对比值由1.58逐渐下降至0.92，这表明投加PAC对生物量的促进作用随着好氧段的长度在逐渐降低，这可能与各项污染物浓度随反应器长度增加而逐渐降低有关。

图5 各反应器好氧区中生物量的测定结果

2.4 微生物群落分析

对各反应器缺氧区污泥的微生物群落结构分析结果如图6所示。在门水平上，R2与R3变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度比R1高约25%～38%，其中R3中变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度接近87%。变形菌门是传统污水处理厂最常见、丰度最高的细菌之一，对有机物和氮元素具有良好的去除能力和去除效果，其与总氮的去除效果密切相关。反硝化阶段主要在厌氧及缺氧条件下进行，这与TN的出水指标结果相一致。

R1-1、R2-1、R3-1分别表示各反应器的缺氧区域

在属水平上，弓形杆菌属(Arcobacter)在R2和R3反应器中的相对丰度占比分别达到了35.86%和58.09%，远高于R1(3.86%)。近年的研究表明该细菌在缺氧反硝化中具有关键作用。陶厄氏菌属(Thauera)是R1反应器反硝化系统的优势菌属，它属于β-变形杆菌门，是典型的反硝化细菌。而R2与R3反应器中的Thauera细菌丰度(16.38%、10.34%)远高于R1(6.73%)。本试验进水中含有一些芳香化合物，且反应器运行过程中，C/N逐渐降低，更高的Thauera细菌丰度可能会导致CODCr与硝酸盐去除效果的差异。

3 结 论