改性絲瓜絡(luò)懸浮填料與SBR工藝結(jié)合處理生活廢水研究

高嘉敏，廖佳歡，張宇含，聞倩敏，李興杰，王靜

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東東莞 523000）

生物膜在廢水生化處理中起著重要的作用，而生物膜生長繁殖的場所為填料，因此開發(fā)比表面積大、多孔易掛膜、低碳環(huán)保的生物膜填料就顯得尤為重要。目前，市面上的生物膜填料以人工合成為主，在功能衰退或達(dá)到使用壽命后存在二次污染的問題。而本文以天然絲瓜絡(luò)為材料，經(jīng)過簡單改性制備成絲瓜絡(luò)懸浮填料，用于處理生活廢水，在資源及環(huán)境問題日益突出的今天，天然可再生生物資源的綜合利用顯得極具研究價值[1]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置為SBR反應(yīng)裝置，SBR反應(yīng)池的長、寬、高分別為60 cm、34 cm、40 cm，有效深度為34 cm，有效體積為70 L。球形絲瓜絡(luò)填料放置在SBR池中，每個絲瓜絡(luò)懸浮填料直徑9 cm，內(nèi)放置重量為3 g的改性絲瓜絡(luò)，在曝氣階段，絲瓜絡(luò)填料會處于懸浮流化狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)SBR工藝采用間歇的方式運(yùn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 天然絲瓜絡(luò)改性

絲瓜絡(luò)為葫蘆科植物絲瓜成熟果實(shí)的維管束，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每畝絲瓜成熟后可取絲瓜絡(luò)約100 kg。絲瓜絡(luò)是由多層絲狀纖維縱橫交織而成的立體多孔網(wǎng)狀物，具有體輕、質(zhì)韌、耐磨、富有彈性等天然特性。絲瓜絡(luò)的主要化學(xué)組成為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，經(jīng)過簡單堿處理，能使絲瓜絡(luò)纖維表面形成較多的空腔，比表面積增大，并在一定程度上改善其吸水性[2]。

將天然絲瓜絡(luò)剪成5 cm左右的小段，每小段重量約為 5 g，用去離子水浸泡 2 h 洗凈，并在 90 ℃環(huán)境下干燥3 h備用。配制7%的NaOH溶液并將干燥后的絲瓜絡(luò)浸泡其中，2 h后取出并用去離子水洗凈，干燥備用，并進(jìn)一步進(jìn)行吸水性檢測，結(jié)果如圖1所示，經(jīng)過簡單的改性后，填料的親水性有了很大的提高。

圖1 天然及改性絲瓜絡(luò)吸水性

1.2.2 自然培養(yǎng)法培養(yǎng)生物膜

本文采用自然培養(yǎng)法培養(yǎng)生物膜。將絲瓜絡(luò)懸浮填料均勻放置在SBR反應(yīng)池中，保持填充率為25%左右。實(shí)驗(yàn)從2018年10月開始，生物膜培養(yǎng)初期，取東莞理工學(xué)院城市學(xué)院中心湖湖水為啟動水源，并采取連續(xù)曝氣的方式。曝氣過程中，BOD5、N、P按100∶5∶1的比例投加營養(yǎng)液，并保持SBR池中的COD維持在500 mg/L左右，每天換湖水一次，持續(xù)一周[3]。

從第2周開始，本工藝每天按2個周期運(yùn)行，每個周期包括進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水四個過程，其中進(jìn)水為模擬生活廢水，此階段連續(xù)培養(yǎng)馴化6周[4]。

1.3 模擬生活廢水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)以東莞理工學(xué)院城市學(xué)院中心湖湖水為原水，通過添加葡萄糖、硫酸銨、磷酸二氫鉀及少量微量元素來模擬生活污水，各指標(biāo)含量如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)（mg/L）

2 結(jié)果討論

2.1 工藝最佳曝氣時間

本工藝經(jīng)過長達(dá)8周的培養(yǎng)與馴化，運(yùn)行穩(wěn)定。為確定最佳曝氣時間，本實(shí)驗(yàn)取經(jīng)過不同曝氣時間的混合液，經(jīng)過1 h的沉淀，取上清液測定其COD的去除率。結(jié)果如圖2所示，當(dāng)曝氣時間達(dá)到3 h及以上，COD去除率均達(dá)90%以上，效果良好，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本工藝最佳曝氣時間參數(shù)確定為3 h。

圖2 曝氣時間對COD去除率的影響

2.2 工藝最佳沉淀時間

以上述確定的最佳曝氣時間3 h為參考，分別測定不同沉淀時間下的出水COD去除率。結(jié)果如圖3所示，當(dāng)沉淀時間達(dá)到30 min時，COD去除率達(dá)到85%以上，當(dāng)沉淀時間達(dá)60 min時，COD去除率達(dá)90%左右，本工藝最佳沉淀時間確定為1 h。

2.3 各污染物去除情況

本工藝以上述確定的曝氣時間3 h，沉淀時間1 h為運(yùn)行參數(shù)，連續(xù)運(yùn)行28天。各污染物的去除情況如圖4所示，在各污染物去除情況中，COD去除率穩(wěn)定在90%左右；總P去除率波動較大，但基本保持在70%左右；氨氮去除率波動較大，保持在50%左右。因本工藝于2018年12月15日至2019年1月13日期間進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，此期間東莞氣溫波動較大，出現(xiàn)連續(xù)2～3周的低溫天氣，氣溫為9～14℃，是導(dǎo)致本工藝在此期間氨氮和總P的去除率相對較低的主要原因。

圖3 沉淀時間對COD去除率的影響

圖4 各污染物去除情況

3 結(jié)論

本工藝在運(yùn)行過程中，前期生物膜自然培養(yǎng)、掛膜時間短，生長速度較快。絲瓜絡(luò)填料上生物相豐富，經(jīng)過6周的馴化，絲瓜絡(luò)填料上出現(xiàn)了大量的污水處理的指示性微生物，如累枝蟲、鐘蟲、輪蟲、草履蟲等。

雖然本系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行期間氣溫波動較大，出現(xiàn)較長時間的低溫天氣，但COD的去除率一直穩(wěn)定在90%左右，隨著氣溫的逐步回升，氨氮和總P的去除率在穩(wěn)步提升，充分說明了本工藝對生活污水有較好的去除效果。

絲瓜絡(luò)是一種廉價的植物纖維，用其制作生物膜填料效果良好，并在生活廢水處理過程中，纖維素緩慢地被微生物分解，無需擔(dān)心二次污染的問題，值得進(jìn)一步的研究和推廣。