新型組合式分層生物滴濾池啟動性能研究

張文坤，歐陽矜盈，潘劼皓，李旭東，邱江平，唐 利

(上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海200240)

生物滴濾池是生物濾池的一種，其實(shí)質(zhì)是微生物附著在生物滴濾池填料上，與其他有機(jī)及無機(jī)物形成生物膜[1]，微生物膜具有吸附與氧化能力[2].當(dāng)污水經(jīng)過填料與生物膜接觸，污水中的有機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)，被微生物所攝取，微生物得到繁殖，同時污水被凈化.組合式分層生物滴濾池是在普通生物滴濾池的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)[3]，濾池的分層特性有效的促進(jìn)了生物膜與空氣的接觸，使更多氧氣擴(kuò)散進(jìn)入生物膜內(nèi)，提高了污水處理效率.本文通過掛膜初期各層水質(zhì)及生物膜量的變化，來探討組合式分層生物滴濾池與普通滴濾池的異同.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

新型組合式分層生物滴濾池整體為敞開式多孔分層結(jié)構(gòu)，長寬高為420 mm×310 mm×2 200 mm，如圖1(A)所示.整個裝置自上而下內(nèi)置六個模塊裝填填料，每個模塊長寬高為360 mm×270 mm×220 mm，如圖1(B)所示，每個模塊同樣為多孔結(jié)構(gòu)，且相鄰單元間垂直高度均為150 mm，便于空氣的自由出入.普通生物滴濾池為封閉式結(jié)構(gòu)，體積為250 mm×200 mm×1 520 mm，如圖1(C)所示.

分層滴濾池與普通滴濾池由上至下分別裝有陶粒、火山巖、氣塊磚，層高均為440 mm，陶粒粒徑10～15 mm，火山巖粒徑6～8 mm，氣塊磚粒徑20～40 mm.本次試驗(yàn)，兩種滴濾池水樣分別取自第2、4、6層出水，水體經(jīng)過填料實(shí)際垂直高度均相隔440 mm;填料采集點(diǎn)設(shè)為第2、4、6層填料表層.

圖1 分層生物滴濾地與普通生物滴濾池裝置示意圖

本次試驗(yàn)采用模擬生活污水，運(yùn)行過程中，污水由上層布水，分層生物滴濾池流速為0.172 m3/d，普通生物滴濾池流速為0.088 5 m3/d，兩種滴濾池的有機(jī)負(fù)荷均為3.66 kgCOD/(m2·d).實(shí)驗(yàn)過程采用連續(xù)進(jìn)水，運(yùn)行周期為36 d，時間為2012.5.8 ～2012.6.12.

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)采用人工配水模擬生活污水，使C∶N∶P為100∶5∶1，其中 COD 為300 mg/L 左右.

1.3 試驗(yàn)方法

見表1.

表1 化學(xué)指標(biāo)檢測檢測方法

生物膜量的測定:取5顆相同大小的填料裝入50 mL離心管中，加入25 mL去離子水，振蕩30 min后，4 000 r/min離心10 min，去除上清液后105℃烘至恒重，作為反應(yīng)生物膜量的指標(biāo).

生物膜脫氫酶活力:三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法[4]，選取 5顆填料，取出生物膜，37℃培養(yǎng)0.5 h 顯色，以氯仿為萃取劑[5]，485 nm 測光吸收值，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線折算成TF量，以反映生物膜脫氫酶活性.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物去除

COD作為表示水體中有機(jī)物多少的指標(biāo)，其去除率是衡量滴濾池對有機(jī)物降解能力的重要指標(biāo).圖2反映了試驗(yàn)運(yùn)行期間分層生物滴濾池與普通生物滴濾池COD的降解情況.由圖2可以看出，在運(yùn)行初期的12天內(nèi)，無論是普通生物滴濾池還是分層生物滴濾池，COD的去除率都幾乎呈直線上升趨勢.之后分層生物滴濾池的去除效果達(dá)到穩(wěn)定，在75% ～85%之間波動;普通生物滴濾池COD去除達(dá)到穩(wěn)定相對較晚，去除率在60%上下波動，且幅度較大.可見分層生物滴濾池與普通生物滴濾池相比在有機(jī)物去除方面有較大優(yōu)勢.

圖2 COD歷時變化曲線

分層生物滴濾池中，有機(jī)物的降解可能因?qū)訑?shù)的不同而不同.圖3為分層滴濾池與普通滴濾池前四層COD去除率與總COD去除率的對比，從圖4可以看出前四層的COD去除率與總COD去除率差異不大，因而COD的去除主要在分層滴濾池的前四層完成.

圖3 分層滴濾前四層COD與總COD去除率曲線對比

2.2 氨氮的去除

氨氮的去除主要是由于生物膜內(nèi)的硝化細(xì)菌與液相狀態(tài)的氨氮相接處，通過硝化作用而去除.圖4為試驗(yàn)運(yùn)行期間氨氮的去除情況.從圖4可以看出，分層生物滴濾池的氨氮去除在運(yùn)行24 d左右時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，去除率在65% ～70%，去除效果較好，這可能是由于分層生物滴濾池通風(fēng)效果較好，有充足的氧氣利于硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用;普通生物滴濾池對于氨氮的去除并不穩(wěn)定，且在27d后出現(xiàn)一定的下降趨勢，這可能是由于隨著時間的推移，生物膜逐漸增厚，因而影響了氨氮由液相進(jìn)入生物膜的傳遞速度[6]，同時填料之間空隙的減小以及普通生物滴濾池兼性厭氧的環(huán)境也不利于氨氮的去除.

圖4 氨氮?dú)v時變化曲線

與COD去除相似，分層生物滴濾池中，氨氮的降解也可能因?qū)訑?shù)的不同而不同.圖5反映了分層滴濾池與普通滴濾池前四層氨氮去除率與總氨氮去除率的差異.可以看出前四層的氨氮去除率與總氨氮去除率有較大差異，因而分層生物滴濾池去除氨氮的主要作用部分為后兩層.這可能是由于在前四層中，分解有機(jī)物的異養(yǎng)細(xì)菌占主要優(yōu)勢，這抑制了硝化細(xì)菌的生長，因而前幾層硝化作用并不明顯，對于氨氮的去除在后端才得以實(shí)現(xiàn)[7].

圖5 分層生物滴濾池前四層與總的氨氮去除率曲線對比

2.3 總氮的去除

總氮的去除主要是通過生物膜內(nèi)的硝化與反硝化細(xì)菌共同作用完成的.圖6反映了試驗(yàn)運(yùn)行期間總氮的去除降解情況.由圖6可知，分層生物滴濾池的總氮去除在運(yùn)行12 d左右時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，去除率在50%左右，但波動較大;普通生物滴濾池對于總氮的去除并不穩(wěn)定，但平均去除率可以達(dá)到40%左右.

圖6 總氮?dú)v時變化曲線

2.4 溶解氧的變化

水體中溶解氧的多少，也是水體一項(xiàng)重要的指標(biāo).圖7反映了試驗(yàn)運(yùn)行期間溶解氧隨運(yùn)行天數(shù)變化的曲線.滴濾池運(yùn)行過程中，濾池的出水DO較入水會有一定程度的升高，這可能是由于在試驗(yàn)過程中配水于容器的最底層抽取，處于厭氧狀態(tài)，因而DO值較小.當(dāng)水體由布水管進(jìn)入裝置時，懸空滴落;水體在各層之間滴落;以及水體附著在填料表面均增加水體與氧氣的接觸機(jī)率，均使DO值升高.

圖7 溶解氧歷時變化曲線

微生物在代謝有機(jī)物時最顯著的特征就是消耗水體中的溶解氧，水體中溶解氧的多少，對于微生物的代謝至關(guān)重要.圖8反映了分層生物滴濾池COD的去除率與溶解氧的關(guān)系，由圖可知，COD的去除基本與溶解氧的質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，隨著溶解氧質(zhì)量濃度的升高，COD的去除率也隨之升高.進(jìn)一步對DO值以及COD去除率做Pearson相關(guān)性分析，去除第一組由于運(yùn)行初期不穩(wěn)定帶來的誤差，后11組 P=0.049＜0.05，說明兩組數(shù)據(jù)具有顯著相關(guān)性，溶解氧是COD去除的重要因素之一.

圖8 溶解氧與COD變化關(guān)系曲線

2.5 生物膜量

圖9反映了生物滴濾池中平均生物膜量的變化，生物膜量在運(yùn)行初期會增長，之后會在一定范圍內(nèi)波動.這可能是由于生物膜是一個不斷附著積累的過程，當(dāng)積累到一定程度時，由于附著力的下降以及水流的沖洗，導(dǎo)致一部分生物膜的減少，從而導(dǎo)致生物膜量的出現(xiàn)動態(tài)變化.滴濾池中的當(dāng)生物膜厚度較小時生物膜量的增加使使填料表面微生物數(shù)量增加，有利于有機(jī)物的去除.當(dāng)載體表面所生長的生物膜厚度增加一定程度后，填料表面的惰性物質(zhì)增加，孔隙率減少，將不利于有機(jī)物的去除 [8].

圖9 生物膜量與時間變化關(guān)系曲線

2.6 生物膜活性

污染物在濾池中被去除的過程，就是生物膜中微生物所產(chǎn)生的多種酶催化一系列生物氧化還原反應(yīng)的過程.脫氫酶能使被氧化有機(jī)物的氫原子活化并傳遞給特定受氫體.這對于有機(jī)物，尤其是COD的降解至關(guān)重要，因而，脫氫酶的活性可以反映生物膜中活性微生物量及其對有機(jī)物的降解活性，以評價其降解性能[9].

圖10 中 F2、F4、F6、P2、P4、P6分別代表了在運(yùn)行初期的12 d中，分層生物滴濾池2層、4層、6層生物膜中脫氫酶的變化.由圖可以看出，在運(yùn)行初期，脫氫酶活性逐漸升高，以分層生物滴濾池的第二層最為明顯，結(jié)合COD去除，可知在運(yùn)行初期，脫氫酶的升高對有機(jī)物的降解具有重要作用.通過分層與普通生物滴濾池的對比可以看出，分層生物滴濾池脫氫酶活性明顯高于普通生物滴濾池，因而分層生物滴濾池的有機(jī)物去除可以更快的達(dá)到穩(wěn)定.

圖10 脫氫酶活性變化與COD去除率關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)分層生物滴濾池與普通生物滴濾池相比，去除率達(dá)到穩(wěn)定所需時間更短，COD去除達(dá)到穩(wěn)定在12 d左右，氨氮去除達(dá)到穩(wěn)定在24 d左右;分層生物滴濾池的出水穩(wěn)定性更高，波動性較低;分層生物滴濾池的去除效率更高，COD去除可以達(dá)到80%，氨氮的去除也可以達(dá)到65%.

2)COD的去除與水體中的溶解氧有密切的關(guān)系，當(dāng)水體中的溶解氧逐漸升高時，將有利于有機(jī)物的降解.

3)分層生物滴濾池的平均生物膜量與普通生物滴濾池相差并不是很大，但都有一個動態(tài)變化的過程，使得濾池可以持續(xù)的對有機(jī)物進(jìn)行降解.

4)分層生物滴濾池中脫氫酶活性更高，尤其是第2層，因而更有利于有機(jī)物的降解.

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