曝氣生物濾池預處理微污染水源水試驗研究

蔡慶慶，高志偉，吳旭鵬，沈紅池，毛林強，張文藝

(常州大學 環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

近年來，中國一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)(如長三角、珠三角等地)飲用水源水污染問題日趨嚴重。據(jù)報道，城市污水排放導致全國超過1/3的河段遭到污染[1-3]。水源水污染主要表現(xiàn)在：水中氮污染較嚴重，氨氮、硝酸鹽氮含量較高；水中細菌、病毒、藻類等微生物較多，微囊藻毒素(Microcystins，簡稱MCs)超標嚴重；水中有機污染物、腐殖質(zhì)等含量超標[4]。

對于微污染水源水的處理，20世紀初混凝、沉淀、過濾等方法占有重要地位，但由于該類方法對有機物的去除能力有限，后來慢慢形成了吸附法[5]、膜分離法[6-8]、氧化法[10]等深度預處理方法。生物處理技術雖然投資及占地面積較大，但因具有對有機物、腐殖質(zhì)、藻類及含氮污染物處理效果好、運行成本相對較低、毒副作用小等優(yōu)點逐漸成為了微污染水源水預處理主流方法。

上向流曝氣生物濾池(BAF)因同時具有普通濾池過濾及生物吸附降解的特點，近年來在微污染水處理領域應用較多[11-17]。張文藝等[18]曾采用BAF生物強化法處理重污染河水，其對高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮的平均去除率分別達到87.3%和94.6%。筆者采用BAF工藝預處理微污染飲用水源水，考察其對有機物、藻類及含氮、磷污染物去除效果，并進行生物膜微生物群落結構分析。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

上向流單級BAF裝置結構如圖1所示，BAF裝置由UPVC管制成，有效高度為1.2 m，總體積為2.43 L。裝置內(nèi)填充物分為承托層和填料層2個部分，其中,承托層高10 cm，填充粒徑1～2 cm的礫石；填料層高80 cm，下層填充40 cm高的粒徑4～8 mm的改性沸石，上層填充40 cm高的粒徑2～4 mm改性沸石，孔隙率為52%。進水裝置包括進水箱、新道茨計量泵和流量計，微污染水源水通過進水裝置由下端泵入BAF裝置進行處理，出水經(jīng)裝置上端導管排出。曝氣裝置由空氣泵、氣體流量計和燒結砂芯曝氣頭構成，從下端均勻向上曝氣。進水裝置和曝氣裝置兼作為氣水聯(lián)合反沖洗裝置。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Flow diagram of down-flow BAF

1.2 試驗用水來源及水質(zhì)

水樣取自藍藻爆發(fā)時的太湖湖水，pH值為7.07～8.56，其水質(zhì)指標如表1所示。

表1 試驗水質(zhì)指標Table 1 Test water quality index (mg·L-1)

1.3 沸石改性方法

沸石改性方法參照文獻[19]。

1.4 BAF的掛膜與啟動

BAF試驗裝置的掛膜及氣水聯(lián)合反沖洗方法參照文獻[20]。

運行：運行期間按水力負荷的遞增分為0.07、0.11、0.22、0.37 m3/(m2·h)4個階段，反沖洗周期為7 d，反沖洗后穩(wěn)定運行24 h，取水樣進行水質(zhì)分析。

1.5 水質(zhì)分析方法

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[21]中酸性高錳酸鉀氧化法、堿性過硫酸鉀消解分光光度法、鉬酸銨分光光度法、納氏試劑光度法測定水樣高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮、總磷、氨氮指標。

1.6 總DNA提取與高通量測序方法

從BAF取填料置于錐形瓶中，加入蒸餾水后振蕩2～3 h，使填料表面及孔隙中的生物膜脫落，然后收集生物膜。預處理后通過PowerBiofilm試劑盒提取總DNA，生物膜總DNA的PCR擴增及高通量測序送由上海天昊生物科技有限公司完成。

2 結果與討論

2.1 BAF對高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)的去除分析

圖2 水力負荷對高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)去除的影響Fig.2 Effect of hydraulic loading on CODMn

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)反映了水受還原性物質(zhì)的污染程度，是表征水中有機物相對含量的重要指標[22]。圖2為不同水力負荷下CODMn去除效果。由圖2可知，隨著水力負荷的增大，去除率有輕微下降。4個階段的去除率分別為52.16%、46.16%、44.01%、39.36%，水力負荷對CODMn去除率的影響不大。試驗期間BAF進水平均濃度為9.48 mg/L，出水平均濃度為5.18 mg/L。CODMn的去除主要依托附著在BAF生物膜上好氧異養(yǎng)菌的新陳代謝作用，實現(xiàn)對有機物的氧化、分解[23]，微生物對有機物的降解主要發(fā)生在靠近BAF進水端的位置，因為該區(qū)域有機負荷高、DO充足，有利于異養(yǎng)菌的大量繁殖[24]。

2.2 BAF對UV254的去除分析

相較于CODMn，UV254主要反映的是水中天然存在的腐殖質(zhì)類大分子有機物以及芳香族化合物，亦可表征細胞衰亡溶解后產(chǎn)生的細胞壁等惰性大分子物質(zhì)[25]。圖3為不同水力負荷下UV254去除效果。由圖3可知，隨著水力負荷的降低，UV254去除率呈大幅上升趨勢。當水力負荷為0.37 m3/(m2·h)時，進水流速過快，水源水與沸石濾料接觸反應時間較短，因此去除效果不明顯，平均去除率僅為31.63%，而當水力負荷降低到0.11 m3/(m2·h)時，BAF對UV254的去除率明顯提高且趨于穩(wěn)定，平均去除率達到86.64%，水力負荷成為了UV254去除效果的關鍵因素。

圖3 水力負荷對UV254去除率的影響Fig. 3 Effect of hydraulic loading on UV254 removal

2.3 BAF對MC-LR的去除分析

圖4顯示了BAF在不同水力負荷下對MC-LR(MCs有多種異構體，其中MC-LR分布最廣，毒性最強)的去除效果。結果表明：在水力負荷分別為0.07、0.11、0.22、0.37 m3/(m2·h)的4個運行階段內(nèi)，MC-LR平均去除率分別為79.2%、48.25%、36.73%、22.6%?？梢钥闯?，隨BAF運行水力負荷的上調(diào)，MC-LR的去除率急劇降低。當水力負荷為0.07 m3/(m2·h)時，水力停留時間為6.13 h，水中污染物與生物膜接觸時間較長，微生物能夠接觸氧化MC-LR，破壞其環(huán)狀結構和adda基團的共軛雙鍵，降低其毒性。因此，MC-LR平均去除率達到79.2%，出水MC-LR平均質(zhì)量濃度降至0.8 μg/L，滿足《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》(GB 5749—2006)規(guī)定：飲用水源中MC-LR質(zhì)量濃度不超過1.0 μg/L，有效保障飲用水安全。而當水力負荷上調(diào)至0.37 m3/(m2·h)時，進水流速和有機污染負荷過大，沖刷生物膜致使微生物群落遭到破壞，水力停留時間僅為1.11 h，水中污染物與沸石濾料接觸時間短，形成的生物膜不夠穩(wěn)定，投加的菌種沒有培養(yǎng)為優(yōu)勢菌種，致使BAF對MC-LR的平均去除率明顯降低，僅為22.6%。MC-LR是一種七肽環(huán)狀結構毒素，理化性質(zhì)穩(wěn)定難降解，需要高效穩(wěn)定的生物膜以及足夠的微生物接觸氧化時間，因此，水力負荷是BAF去除MC-LR的關鍵調(diào)控因素。

圖4 水力負荷對MC-LR降解率的影響Fig.4 Effect of hydraulic loading on MC-LR degradation

2.4 BAF對葉綠素a的去除分析

葉綠素a主要來自于藻類細胞，是水源水富營養(yǎng)化程度的重要指標。BAF控藻方式主要有2種：一是沸石物理截留；二是附著棲息在生物膜上的微生物(如細菌、真菌、原生動物等)的“溶藻”和“噬藻”作用。圖5為不同水力負荷下葉綠素a去除效果。由圖5可知，隨著水力負荷的增大，葉綠素a去除率有小幅下降，水力負荷對葉綠素a去除效果影響較小。將水力負荷由0.07 m3/(m2·h)上調(diào)至0.37 m3/(m2·h)，BAF對葉綠素a的去除率在34.8%～29.1%的范圍內(nèi)，波動較小，去除效果較為平穩(wěn)。BAF裝置運行期間進水中葉綠素a平均濃度為27.65 mg/L，出水平均濃度降至18.82 mg/L，平均去除率為32.04%。

圖5 水力負荷對葉綠素a去除率的影響Fig.5 Effect of hydraulic loading on Chl-a removal

2.5 BAF對氨氮的去除分析

圖6 水力負荷對氨氮去除的影響Fig.6 Effect of hydraulic loading on NH3-N

2.6 BAF對總氮的去除分析

圖7為不同水力負荷下總氮去除效果。由圖7可知，隨著水力負荷的增大，去除率呈現(xiàn)輕微波動，但基本穩(wěn)定在45%左右，去除效果較為一般。試驗期間BAF裝置進水平均濃度為8.99 mg/L，出水平均濃度為4.85 mg/L，平均去除率46.55%?？偟娜コ窍趸头聪趸饔玫墓餐Y果，而試驗針對的是微污染飲用水源水，有機負荷較低，生物膜厚度較小，氧氣容易穿透，難以形成穩(wěn)定缺氧微環(huán)境，不利于反硝化反應進行，不穩(wěn)定的缺氧環(huán)境成為了總氮去除率不高的最主要原因[27]。

圖7 水力負荷對總氮去除的影響Fig.7 Effect of hydraulic loading on TN

2.7 BAF對總磷的去除分析

圖8 水力負荷對總磷去除的影響Fig.8 Effect of hydraulic loading on TP

3 BAF微生物群落特性分析

3.1 微生物鏡檢分析

采用生物倒置顯微鏡觀察生物膜，由圖9所示，生物膜上有原生生物線蟲、草履蟲、水蚤等，說明生物膜上微生物較為豐富，利于水中有機物污染的降解。線蟲屬寄生性，在污染水中獨立生活，可同化微生物不易降解的固體有機物；草履蟲屬纖毛類，喜食細菌及有機顆粒，在污染水處理中競爭力較強；水蚤為微型甲殼類動物，以細菌和藻類為食料，可降解污染水中微囊藻。同時，鏡檢還發(fā)現(xiàn)生物膜上出現(xiàn)了團藻，團藻可通過自身新陳代謝作用，利用微污染水中的N、P進行生物代謝，實現(xiàn)微污染水中氮磷的去除。

圖9 生物膜微生物鏡檢Fig.9 The examination of biological membrane

3.2 微生物群落結構分析

BAF反應器運行初期(前2周)與后期(3～4周后)微生物群落在門分類水平上的分布見圖10。由圖10可知，啟動運行初期與后期BAF中微生物主要隸屬于6個門，其中變形菌門(Betaproteobacteria)占優(yōu)勢，所占比例均超過了50%，其他優(yōu)勢菌門分別為Bacteroidetes(擬桿菌門，24.37%～24.9%)、Planctomycetia(浮霉菌門，0.18%～3.86%)、Actinobacteria(放線菌門，0.08%～2.48%)、Cytophagia(綠彎菌門，0.15%～1.86%)、Flavobacteriia(厚壁菌門，1.4%～20.38%)。此外，BAF運行后期新增螺旋體門、酸桿菌門、疣微菌門、廣古菌門、裝甲菌門、綠菌門等，微生物群落在門水平上的組成分布與前人研究報道的結果一致[28-29]。

圖10 微生物群落結構組成分布(門水平)Fig.10 Bacterial community composition at phylum

BAF反應器運行初期(前2周)與后期(3～4周后)微生物群落在屬分類水平上的分布如圖11所示。其中，二者微生物群落中共有的優(yōu)勢菌屬分別為Sphaerotilus(球衣菌屬，2.41%～24.58%)、Aeromonas(氣單胞屬，4.16%～12.59%)、Cloacibacterium(黃桿菌屬，1.85%～12.39%)、Aquabacterium(水桿菌屬，1.53%～6.76%)、Hydrogenophaga(噬氫菌屬，1.12%～5.9%)、Methyloversatilis(0.53%～1.52%)、Rhodobacter(紅桿菌屬，0.09%～1.39%)等。此外，BAF運行后期出現(xiàn)了芽孢桿菌屬、產(chǎn)黃菌屬、不動細菌屬、嗜酸菌屬、叢毛單胞菌屬、Macellibacteroides、假黃單胞菌屬、密螺旋體屬、玫瑰單胞菌屬、假單胞菌屬等優(yōu)勢菌屬，微生物多樣性較初期更高[30]。

Cloacibacterium(黃桿菌)屬于擬桿菌門，多為兼性厭氧細菌，可以利用硝酸鹽作為電子受體進行無氧呼吸，即異化性硝酸鹽還原作用，說明濾池中存在著反硝化過程。假單胞菌屬于γ-變形菌綱的假單胞菌科，芽孢桿菌屬于厚壁菌門的芽孢桿菌科，二者均具有較強的好氧反硝化能力。Rhodobacter屬于α-變形亞門的紅桿菌科，能以養(yǎng)殖水體中的多種有機物為碳源進行異養(yǎng)代謝反應，從而起到降低水體生化耗氧量的作用[31]。Methylotenera屬于β-變形菌綱的嗜甲基菌屬科，為呼吸代謝好氧細菌，利用銨鹽和硝酸鹽作為生長氮源，可以有效去除水體中的氨氮、總氮。

圖11 微生物群落結構組成分布(屬水平)Fig.11 Bacterial community composition at genus

4 結論

1)以改性沸石為填料的上向流曝氣生物濾池(BAF)處理微污染水源水的最佳水力負荷為0.07 m3/(m2·h)左右，在此條件下，氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、UV254、葉綠素a、MC-LR平均去除率分別為74.71%、46.55%、81.8%、67.99%、52.16%、79.2%，出水濃度分別為1.3、4.85、0.12、5.18、0.035、18.82、0.8 mg/L，氨氮、總磷、CODMn最低出水濃度均達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水質(zhì)要求。

2)微生物鏡檢和高通量測序表明，BAF生物膜上微生物含量豐富，有原生生物(線蟲、草履蟲、水蚤)和藻類(團藻)等，運行前2周生物膜上微生物涉及6大門類17大種屬，后期(3～4周后)增加到14大門類43大種屬，其中變形菌門、擬桿菌門、放線菌門等占主要優(yōu)勢，Cloacibacterium(黃桿菌科)、Rhodobacter(紅桿菌科)、Methylotenera(嗜甲基菌屬)、芽孢桿菌和假單胞菌等在微污染水源水凈化中起主要作用。BAF對微污染水源水的去除以微生物降解為主，兼有沸石濾料的過濾、物理吸附和離子交換作用，表現(xiàn)出對氮、磷、藻類(葉綠素a)等污染物較高的同步去除率。