新型載體提升微生物處理污水效率實驗研究

謝曉靚，顏 丹，劉裕如，陳 浩，魏元芹

(長江勘測規(guī)劃設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430010)

填料型凈魔方水環(huán)境修復劑是以40多種純天然礦物質(zhì)為原料，應用特殊離子交換工藝制成的多孔狀礦物質(zhì)綜合體，具有組織結(jié)構(gòu)特殊、孔隙發(fā)達、生物附著性好、吸附能力強等特點，正負離子交換容量達到210～280 meq/100 g，經(jīng)專利離子交換技術(shù)處理后，修復劑永久帶電，表面電荷為(+)電離子。修復劑的主要成分為SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2以及微量Sr、Rb、Ba、Li等。

顆粒內(nèi)的孔隙與大部分污水處理微生物直徑相當，顆粒首次與污水接觸時，孔隙周圍的空氣向污水中釋放，此時微生物進入孔隙，顆粒表面和內(nèi)部攜帶的電荷會促使水中的污染物向其聚集。由此，孔隙內(nèi)的微生物在周邊好氧環(huán)境下，以吸附的污染物為營養(yǎng)，快速生長、繁殖，并持續(xù)不斷向水中釋放。因此，經(jīng)過凈魔方多孔隙材料固定的微生物，具有比游離態(tài)微生物更高的活性。

本研究擬對自養(yǎng)脫氮微生物的除氮性能進行驗證；研究新型載體凈魔方顆粒是否能夠有效提高微生物處理效率、為研發(fā)新型污水處理設備提供了技術(shù)支撐。

1 實 驗

1.1 材料與設備

實驗污水來源，武漢市巡司河保利公園東側(cè)；微生物菌劑：由湖北工業(yè)大學資源與環(huán)境學院提供，為自養(yǎng)型脫氮微生物，在不額外提供營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，可降解污水中各類含氮污染物。

反應器，容積為15 L的塑料桶；HJB-120空氣泵，森森集團；凈魔方顆粒材料，粒徑為5～8 mm；LH-3B型多參數(shù)水質(zhì)測定儀，連華科技。

圖1 自養(yǎng)脫氮微生物菌劑Fig.1 Autotrophic denitrogen microorganisms

1.2 實驗方案

本實驗為靜態(tài)實驗，不涉及進出水，于容積為15 L的普通塑料桶中進行，實驗所用污水來自武漢市巡司河保利公園東側(cè)。實驗開始前檢測巡司河水樣的DO、pH值、COD、氨氮和TN濃度，作為各樣品初始值。實驗過程中，通過空氣泵對主體裝置內(nèi)的污水進行間歇性曝氣，控制水體溶解氧濃度，出氣管與多向接頭相連進行分壓，空氣最終通過氣泡石進入污水，每日3次檢測并記錄所有實驗樣品的溶解氧(DO)濃度，嚴格控制其介于在1.5～2.5 mg/L范圍內(nèi)。若DO低于限值，則開始曝氣，考慮到實驗室所用曝氣設備較大，在曝氣過程中應時刻監(jiān)測樣品中的溶解氧含量，當DO到達2.5 mg/L時，應立刻停止曝氣。同時，需定期檢測并記錄各樣品的pH值、水溫、COD、氨氮和TN濃度。

1.3 實驗步驟

本實驗設置對照樣品和實驗樣品共6個，具體設置參數(shù)如下：

空白：10 L新鮮黃孝河水；

樣品1：10 L新鮮黃孝河水，添加1 mL自養(yǎng)型氨氮處理菌劑(體積比1:10000)；

樣品2：10 L新鮮黃孝河水，添加2 mL自養(yǎng)型氨氮處理菌劑(體積比1:5000)；

樣品3：10 L新鮮黃孝河水，添加10 mL自養(yǎng)型氨氮處理菌劑(體積比1:1000)；

樣品4：10 L新鮮黃孝河水，添加3 kg凈魔方顆粒填料(按初始水樣重量的30%計算)；

樣品5：10 L新鮮黃孝河水，添加3 kg凈魔方顆粒填料(按初始水樣重量的30%計算)，再添加1 mL自養(yǎng)型氨氮處理菌劑(體積比1:10000)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮指標

本實驗為靜態(tài)實驗，氨氮初始濃度為21.06 mg/L。實驗中，樣品1、2、3中微生物菌劑濃度逐漸增加，整體氨氮降解速率隨微生物菌劑濃度的加大而略有上升，但差別較小，圖3～圖5中樣品1～樣品3的3條曲線出現(xiàn)部分重疊的情況?？瞻讟又械陌钡獫舛纫搽S時間推移逐漸下降，說明水體中本身含有可分解氨氮的微生物。樣品4和樣品5氨氮濃度迅速下降，其中樣品5效率最高，實驗中所添加的凈魔方顆粒材料起到了促進微生物反應的作用。樣品4中未添加自養(yǎng)脫氮微生物，其氨氮去除速率仍較快，推測凈魔方材料有效的激活了水體中的土著微生物；樣品5中含有凈魔方顆粒和自養(yǎng)脫氮微生物，呈現(xiàn)出本實驗中最高的氨氮分解速率，說明在凈魔方顆粒的幫助下，自養(yǎng)脫氮微生物發(fā)揮出了其自身的能力，優(yōu)于水體土著微生物。

圖2 氨氮濃度隨實驗時間變化情況Fig.2 Concentration of ammonia nitrogen changes with experimental time

2.2 總氮指標

本實驗為靜態(tài)實驗，總氮初始濃度為25.945 mg/L。實驗中，總氮變化趨勢與氨氮相同，樣品1～樣品3中微生物菌劑濃度逐漸增加，總氮降解速率隨微生物菌劑濃度的加大而略有上升，但差別較小，圖3～圖6中樣品1～樣品3的3條曲線出現(xiàn)部分重疊的情況?？瞻讟又械目偟獫舛纫搽S時間推移逐漸下降，說明水體中本身含有可轉(zhuǎn)化總氮的微生物。樣品4和樣品5總氮濃度迅速下降，其中樣品5效率最高，實驗中所添加的凈魔方顆粒材料起到了促進微生物反應的作用。樣品4中未添加自養(yǎng)脫氮微生物，其總氮去除速率仍較快，推測凈魔方材料有效的激活了水體中的土著微生物；樣品5中含有凈魔方顆粒和自養(yǎng)脫氮微生物，呈現(xiàn)出本實驗中最高的總氮轉(zhuǎn)化速率，說明在凈魔方顆粒的幫助下，自養(yǎng)脫氮微生物發(fā)揮出了其自身的能力，優(yōu)于水體土著微生物。

圖3 總氮濃度隨實驗時間變化情況Fig.3 Concentration of total nitrogen changes with experimental time

2.3 COD指標

本實驗為靜態(tài)實驗，COD初始濃度為97.82 mg/L。與氨氮和總氮的變化趨勢不同，實驗中，空白樣中COD下降速率最慢。COD降解速率按樣品3、樣品2、樣品1、樣品4、樣品5逐漸增大，其中樣品5速率明顯高于其他樣品。樣品5中COD降解比例也略大于其他樣品，說明在凈魔方顆粒的作用下，水體中的自養(yǎng)脫氮微生物和土著微生物均發(fā)揮出了其自身的能力，可以進一步降解其他樣品無法處理的有機污染物。

圖4 COD濃度隨實驗時間變化情況Fig.4 Concentration of COD changes with experimental time

3 結(jié) 論

凈魔方顆粒展現(xiàn)出優(yōu)異的微生物促生作用，不僅可以有效激活土著微生物活性，還可發(fā)揮出外來微生物的最佳處理能力。對于微生物菌劑處理污水，凈魔方載體能顯著提高微生物處理污水效率，可作為生物處理單元填料或配合其他設施研發(fā)新型污水處理設備。