玄武岩纤维-周丛生物膜-连续流反应器的污水深度净化性能研究

施天宇,赵 玥,张 润,景连东

(西南民族大学化学与环境学院,四川 成都 610041)

污水处理厂在污染物去除和受纳水体的保护等过程中扮演着重要角色,是城镇化区域重要的环境基础设施.区域内产生的各类污水经污水厂处理达标后排放.然而,当前我国现有的污水处理工艺,尚不能将城镇污水完全按照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)V类水质排放[1].按照城镇污水处理厂执行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准排放的尾水与地表水V类水水质比较,其氮、磷等营养盐浓度仍较高.尾水的排入相对于地表V类水及以上水体的水环境是污染负荷净输入效应,有可能导致水体自净能力减弱,造成水体缺氧和富营养化,最终导致水质不断恶化,甚至形成黑臭水体[1-3].污水处理厂尾水作为受纳水体的潜在污染源,其对城市水环境有多方面的影响,并影响人们正常的生产生活.因此,对污水进行深度净化已成为研究热点.

净化自然水体的方法有物理方法,化学方法和生物方法等.生物方法因其绿色经济,且污染物去除效率高等优点,被广泛应用于水体净化.周丛生物膜能通过吸收同化和胞外聚合物吸附等方式脱氮除磷,修复水环境,在净化水体方面有良好的应用前景,是常用的生物方法[4].周丛生物膜是一种生长在淹水基质上的微生物聚集体及其交织的非生物物质的集合体,包含了细菌、藻类、原始动物、微型后生动物等类群,是生态系统中的重要组成部分.其完全利用太阳能驱动生长,富集成本低廉,同时适合于大尺度、大面积的应用,是一种环境友好型新型生物材料.周丛生物膜具有很强的环境适应性,能有效去除污水中的氮、磷等营养盐,为此,开发了多种脱氮的生物膜反应器,包括典型生物膜反应器工艺和实用新型生物膜反应器工艺等[5-7].序批式净化和流动式净化是污水深度净化的常用方式[8].

由前人的研究可知,玄武岩纤维因其良好的理化性能可作为周丛生物膜的载体材料,并且序批式玄武岩纤维-周丛生物膜(Basalt Fiber-Periphyton,BFP)净化装置表现出优异的脱氮除磷能力[8].但是,序批式装置常应用于小处理量的污水体系中,而在实际工程应用中,普遍使用流动式反应装置.因此,本研究将玄武岩纤维-周丛生物膜与连续流反应器(Continuous Flow Reactor,CFR)结合,设计流动式反装置,更加贴近实际工程应用.连续流反应器中,污水从池首进入,池尾流出,前端液流不与后端液流混合,其特点为:(1)污水浓度自池首至池尾是逐渐下降的,污水降解效率较高;(2)有多种运行方式.其中,水力停留时间(Hydraulic Retention Times,HRT)是指污水从进入到流出整个过程中在反应器内的停留时间,是流动式污水处理工艺中最重要的水力参数,该参数直接影响了污染物的去除效率[9].其中进水时间的长短直接影响磷酸盐的释放速率,进而对硝化菌及反硝化聚磷菌除磷效果产生影响[10],同时停留时间则决定着载体生物膜硝化能力的强弱.因此,进一步探讨HRT对玄武岩纤维-周丛生物膜净水能力的影响对于提升此工艺的运行效果,确定工艺的最适运行参数具有重要意义.本文研究玄武岩纤维-周丛生物膜-连续流反应器(BFP-CFR)装置在污水深度净化营养盐中的应用效果,在工艺稳定运行的基础上,开展HRT对BFP脱氮除磷的影响研究,运用数学模型一级动力学反应方程定量化研究污染物的去除,为该工艺高效运行提供依据,促进周丛生物膜在污水深度净化的运用.

1 材料与方法

1.1 周丛生物膜的培养

从西南民族大学航空港校区北区专家楼留学生楼的人工湖(30.569345 N,103.967118 E)岩石上采集约100 g新鲜周丛生物膜.将生物膜超声2 min,在滤网中重复洗菌,收集滤液.向滤液中加入WC培养基使用液,在持续曝气的条件下于光照培养箱(光/暗循环为16小时:8小时,25±1 ℃)中培养10 d,得到5L细菌接种液(Inoculums).向三个5 L烧杯中分别加入1.5 L接种液并加入WC培养基使用液至5 L[8,11].在每个烧杯中放入40束(间隔悬挂)经丙酮改性的玄武岩纤维束(单丝直径为7 μm,线密度为200 tex,每束长度为9 cm,每束质量为0.5 g)作为微生物的附着载体.如图1.然后将三个周丛生物膜的培养容器放于光照培养箱(光/暗循环为16 h/8 h,25±1 ℃)中培养50 d,得到玄武岩纤维-周丛生物膜(BFP).

(a)玄武岩纤维-周丛生物膜的培养容器;(b)成熟的玄武岩纤维-周丛生物膜

1.2 连续流反应器的设计

已知,水力停留时间的计算公式为:

HRT=V/Q.

(1)

式中:HRT为水力停留时间,单位:h;V为反应器的有效容积,单位:m3;Q为进水流量,单位:m3/h.

因此,当反应器的容积固定时,只需改变进水流量,即可控制HRT.

本实验构建一个连续流动式四级净化装置研究不同水力停留时间下对污染物的去除效应.首先准备玄武岩纤维-周丛生物膜(BFP),其培养方法按1.1进行,得到的成熟BFP平均鲜重为1.61 g(相当于64.4 mg干重生物膜).如图2(b)所示,从左到右依次为1-调节池(大烧杯)、2-流量调节器(蠕动泵)、3-净化池(A池)、4-净化池(B池)、5-净化池(C池)、6-净化池(D池)、7-沉淀池(最右边槽体)和8-受纳水体(铁盘).背景中的日光灯管模拟光照,23:00-7:00为黑暗,其余时间为光照,实验在室温下进行.1-调节池(大烧杯)中盛有合成污水,用于调节水量、均衡水质.通过改变蠕动泵转速设置不同HRT.BFP-CFR共有五个槽体,3～6为净化池,其有效容积均为10×10×10 cm3,自左向右分别为A池、B池、C池和D池,并且每个槽体中悬挂有4束BFP(相当于257.6 mg干重生物膜);7作为沉淀池,用于沉降水中悬浮物.

(a)实物图;(b)模型示意图

1.3 水质净化实验

参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准水中营养盐浓度,以自来水为水源,投加不同质量浓度的碳源、氮源和磷源配制合成污水[8].该污水中总磷(TP)浓度为0.50 mg/L,氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)和总氮(TN)分别为4.99 mg/L,10.00 mg/L和15.00 mg/L.

BFP-CFR在运行24小时稳定后,进行不同HRT下的水质净化实验,所有实验重复两轮.污水在反应器中的总HRT分别为8,32,48和96小时,污染物将经过四个槽体净化,并且在每个槽体的HRT分别为2,8,12和24小时.每一轮的实验顺序都为HRT=8 h,HRT=32 h,HRT=48 h,HRT=96 h.

1.4 测定指标及方法

测定装置进水和出水水质.样品氨氮、硝氮、总氮和总磷的测定方法按国家环保局的《水和废水监测分析》标准方法进行[12].样品pH,含氧量和温度均使用仪器(HQ40d,Hach,U.S.A.)测定.

1.5 数据处理

污染物的降解符合一级反应动力学规律,一级动力学方程为:

(2)

式中:y0为初始时刻污水中某一营养物的浓度,单位:mg/L;y为t时刻污水中某一营养物的浓度,单位:mg/L;t为反应时间,单位:h;k为反应速率常数,单位:h-1.

2 结果与分析

2.1 不同水力停留时间下污水理化特征

溶解氧(DO)和pH是实际水体中的重要理化指标,水体自净程度与溶解氧有密切的关系[13].不同HRT条件,会影响反应器水体中DO和pH,具体情况如图3和图4所示.

图3 不同HRT条件下溶解氧(DO)的变化

图4 不同HRT条件下pH的变化

2.1.1 不同水力停留时间下溶解氧(DO)的变化

由图3中可以看出,不同HRT,进水DO在7.9～8.6 mg/L之间,出水DO在8～11.6 mg/L之间,从进水到污水流至最后一个净化槽,DO均有不同程度增加,这是因为周丛生物膜进行光合作用释放了氧气.除HRT=32 h时,可能由于周丛生物膜呼吸作用消耗氧气导致DO下降外,总体出水DO随水力停留时间增加而增加.当HRT=96 h时,A、B、C和D池出水的TP平均浓度分别为0.14、0.047、0.013和0.012 mg/L,TN平均浓度分别为13.44、12.54、12.68和12.59 mg/L.A池DO最低,为3.92 mg/L,这可能是由于水力停留时间太长,A池接触氮磷浓度最高,TP和TN浓度分别为0.14和13.44mg/L,大部分营养盐累积在A池,该池的周丛生物膜可能需要补充碳源以维持其生物活性,从而恢复氧气的释放,后三个槽体因为污染物浓度较低,周丛生物膜负荷较轻,DO逐渐增加.

2.1.2 不同水力停留时间下pH的变化

由图4可以看出,进水pH值在8.68～8.79之间,出水pH值HRT=8 h时pH变化不明显,HRT为32、48和96 h时,pH值分别为7.4,7.99和8.42,均有不同程度下降,这是因为周丛生物膜呼吸作用释放了二氧化碳,溶于水中生成碳酸,导致pH下降.当HRT=96 h时,A池pH值下降程度最大,达2.3个单位,可能是由于净化过程中,由于水流速度慢,A池氮磷浓度最高,TP和TN浓度分别为0.14和13.44mg/L,且经历了4个暗处理,周丛生物膜释放大量二氧化碳,累积在A池中,导致pH值显著下降[14].

2.2 不同水力停留时间下BFP-CFR脱氮性能

氮是水生系统中最重要的营养素之一,它影响着水生生物圈[15].通过测定污水中总氮,氨氮和硝氮的含量,可反映BFP-CFR的除氮效果.

污水中NH4+-N去除效果主要是受到反应器体积和停留时间的影响[16].在反应器有效容积一定的情况下,停留时间长使得NH4+-N被硝化菌氧化更加充分.在BFP中,HRT既影响NH4+-N出水浓度,也对NH4+-N氧化产物NO3--N的浓度有较大影响.HRT对NH4+-N去除效果影响如图5所示,合成污水的进水浓度在4.31～5.42 mg/L之间.当HRT为8 h时,四个槽体出水的NH4+-N浓度没有出现明显下降(P>0.05);当HRT为32 h时,四个槽体出水的NH4+-N平均浓度分别为4.54、3.46、2.67和1.11 mg/L,平均去除率分别为12.89%、33.58%、48.74%和78.63%;当HRT为48 h时,四个槽体出水的NH4+-N平均浓度分别为3.40、1.82、1.35和1.04 mg/L,平均去除率分别为34.43%、64.89%、73.88%和79.88%;当HRT为96 h时,四个槽体出水的NH4+-N平均浓度分别为1.88、1.30、1.04和0.86 mg/L,平均去除率分别为65.38%、76.04%、80.84%和84.10%.可以看出,随着HRT的延长,系统对NH4+-N去除率呈现上升的趋势且具有稳定的去除效果.当HRT=8 h时,不利于NH4+-N去除,这是由于污染物还未跟生物膜上的硝化菌反应就随水体流出,说明氨氮的去除需要较长时间.当HRT≥32 h时,NH4+-N出水浓度已达地表水(GB3838-2002)Ⅳ类水体标准及以上.

图5 不同HRT条件下氮的去除效果

对每个周期NO3--N监测可以发现,NO3--N去除效果并不明显.当HRT=8 h时,NO3--N出水浓度有所增加,当HRT延长后,NO3--N的平均去除率为1.40%～4.58%.造成该现象的原因是,当HRT较短时(HRT=8 h),硝化阶段氧化NH4+-N产生了NO3--N,在整个周期运行结束后,原有的硝氮和新生成的硝氮并未完全被BFP内层缺氧环境中的反硝化菌利用而生成氮气去除,故NO3--N出水浓度反而有所增加.虽然HRT有所延长,但同样因为NO3--N未完全被BFP内层缺氧环境中的反硝化菌利用,导致硝氮去除率不高.

不同HRT条件下,TN进水浓度为14.86～17.92 mg/L,出水浓度为11.09～16.49 mg/L,HRT分别为8、32、48和96 h时,TN平均去除率分别为7.95%、28.90%、25.36%和19.15%(图5).当HRT为32和48 h时,TN的去除与时间成正比,造成该现象的原因是NH4+-N的高去除量.当HRT=96 h时,TN在四个槽体的出水浓度有浮动,造成该现象的原因可能是:(1)缺氧环境中的反硝化菌需要碳源提高反硝化速率,而随着HRT增加,水中有机物负荷降低,反硝化菌缺乏足够的电子供体导致反硝化过程被抑制;(2)有机物含量的降低使得周丛生物膜的活性降低甚至导致部分生物膜脱落,减少了系统中的微生物量,最终影响了系统脱氮.

结合以上不同HRT条件下,周丛生物膜对硝氮、氨氮和总氮的去除结果分析,HRT=48 h是本研究的最佳工艺条件,并且本研究所构建的四级净化装置可以实现对营养盐的逐级降低.

2.3 不同水力停留时间下BFP-CFR除磷性能

磷被视为水生态系统中的限制因素,有研究表明,藻类对磷的存在较为敏感,磷浓度过高易爆发藻华[17].不同HRT条件下对TP的去除情况如图6所示.实验进水TP均保持在0.44～0.46 mg/L左右.当HRT为8 h时,四个槽体出水的TP浓度分别为0.41、0.38、0.36和0.33 mg/L,平均去除率分别为10.27%、15.69%、19.97%和26.85%;当HRT为32 h时,四个槽体出水的TP平均浓度分别为0.36、0.24、0.16和0.10 mg/L,平均去除率分别为22.94%、47.14%、66.36%和77.61%;当HRT为48 h时,四个槽体出水的TP平均浓度分别为0.16、0.11、0.042和0.023 mg/L,平均去除率分别为63.67%、75.76%、90.43%和94.83%;当HRT为96 h时,四个槽体出水的TP平均浓度分别为0.14、0.047、0.013和0.012 mg/L,平均去除率分别为70.30%、89.71%、97.27%和97.35%.TP的去除率随水力停留时间增加而增加,但后期曲线趋于平缓,这说明当污染物浓度较高时较易去除,当浓度较低时所需去除时间较长.当HRT=8 h时,TP出水浓度已达地表水(GB 3838-2002)Ⅴ类水体标准;当HRT≥32 h时,总磷浓度符合地表水(GB 3838-2002)Ⅱ类标准及以上.这是因为周丛生物膜对磷的去除能力较强.磷能被周丛生物膜吸附.Wu的研究表明,吸附是周丛生物膜除磷的主要机制[4].吸附是吸收过程的第一步,在动力学发生较快,因此在两小时内可快速除磷.磷还能被周丛生物膜吸收.周丛生物膜的优势菌群为变形菌,该细菌中含有大量的聚磷菌[18],这些生物将水中的磷积累/吸收到微生物中[19].

图6 不同HRT条件下总磷(TP)去除效果

因此,综合周丛生物膜在不同HTR条件下对TN、TP的去除率和节约资源两方面来看,HRT=48 h为本研究最佳工艺条件.

2.4 污水中氮、磷去除动力学特征

表1 污染物去除的动力学速率常数

总氮的反应速率常数在HRT分别为8,32,48和96 h时分别为0.008 1,0.010 3,0.006 3和0.001 9 h-1,其中HRT=32 h时反应速率常数最大,拟合度最好.

总磷的反应速率常数在HRT分别为8,32,48和96 h时分别为0.032,0.048 8,0.063和0.039 8 h-1,其中HRT=48 h时反应速率常数最大.总磷的去除效果较好,拟合度较高.

综合不同HRT下污染物去除率和污染物去除动力学研究结果,将HRT=48 h作为本研究最佳工艺条件.

根据标准温度下的反应速率常数和温度影响常数,可以计算在水力停留时间一定的形况下使营养物达到目标浓度所需要的时间,用于指导预实验或实际工程应用.对于污水深度净化项目,若出水水质的目标为地表水(GB 3838-2002)Ⅴ类标准及以上,限制性污染物为总氮,因此建议根据总氮反应速率常数设定水力停留时间.

3 结论

本研究设计了玄武岩纤维-周丛生物膜连续流反应器,研究了不同水利停留时间下,该反应器对污水中氮磷营养盐的深度净化.得到以下结论:

1)不同水力停留时间对污染物去除效果有影响,实验条件下最佳水力停留时间为48 h.当HRT为8 h时,大部分污染物无法被去除.当HRT=32 h时,NH4+-N、TN和TP的去除率为78.63%、28.90%和77.61%;当HRT=48 h时,NH4+-N、TN和TP的去除率为79.88%、25.36%和94.83%;当HRT=96 h时,NH4+-N、TN和TP的去除率为84.10%、19.15%和97.35%.

2)经过该反应器处理后的污水可显著降低氮磷污染物浓度,进而降低污水受纳水体生态风险,当水力停留时间超过32 h,NH4+-N的可从4.865±0.555mg/L降低到1.11±0.42 mg/L,达地表水(GB 3838-2002)Ⅳ类水体及以上;TP浓度从0.45±0.01mg/L下降到0.10±0.01 mg/L达地表水(GB 3838-2002)Ⅱ类标准及以上.

3)该技术具有一定的应用前景,今后需要在促进反硝化功能以强化脱氮方面开展研究.