A/MBBR污水處理工藝中PPC懸浮填料的性能研究

李紅艷，劉浩杰，薛文潔

(1 西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2 陜西省渭河生態(tài)區(qū)保護(hù)中心，陜西 西安 710004)

采取A/O+MBBR組合工藝處理陜西某景區(qū)的生活污水，為兼顧工程投資、管理和兩者優(yōu)點(diǎn)，將A/O工藝中好氧池替換為MBBR池，其原理是向反應(yīng)器內(nèi)加入一定量密度與水接近的懸浮顆粒作為載體，在內(nèi)部厭氧外部好氧的特殊微生物環(huán)境，使固相生物膜和液相的活性污泥充分結(jié)合，發(fā)揮各自生物降解優(yōu)勢(shì)[1-2]，深度進(jìn)行硝化與反硝化反應(yīng)。該工藝的核心組成即為懸浮填料，填料作為微生物賴以棲息和繁殖的重要場(chǎng)所，選擇一個(gè)合適的懸浮載體至關(guān)重要，其填充率、形狀、比表面積、材料構(gòu)造等性能對(duì)工藝運(yùn)行性能、微生物被吸附和附著的數(shù)量以及系統(tǒng)的掛膜速度會(huì)產(chǎn)生直接影響。因此懸浮填料應(yīng)具備的最主要優(yōu)點(diǎn)是適合生物膜生長、掛膜周期短、親水性好且有適當(dāng)?shù)乃畾馔ǖ览趻炷っ撃ぁ炷ず蟊戎剡m當(dāng)流化效果好、氧利用效率高、使用壽命長、一次性投加流程簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行費(fèi)用較低、后期維護(hù)運(yùn)行方便等[3-5]。但目前MBBR工藝中懸浮載體種類繁多，普遍存在吸水性能不佳，抗磨損能力弱的問題[6]，通過對(duì)比后，本工藝選用了吸水性能極佳的聚氨酯及其他高分子材料復(fù)合而成的新型凝膠型多孔體PPC好氧懸浮填料，對(duì)其運(yùn)行后的微生物種類、孔結(jié)構(gòu)、元素等性能進(jìn)行檢測(cè)，以便更深入地掌握PPC填料對(duì)A/MBBR水處理工藝的作用和影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 水處理工藝流程

根據(jù)陜西某景區(qū)的生活污水排放量和水質(zhì)特點(diǎn)，項(xiàng)目采用的工藝流程為：格柵+調(diào)節(jié)池+缺氧池+MBBR池+二沉池+消毒池，工藝處理參數(shù)為：pH為7，溫度為20 ℃，容積負(fù)荷為0.5 kg/(m3·d)，溶解氧濃度為2.0～2.5 mg/L，回流比為130%，經(jīng)過15天的調(diào)試后一體化水處理設(shè)備啟動(dòng)成功，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，通過不同功能池處理后的COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS出水水質(zhì)達(dá)到了要求的城鎮(zhèn)污水處理一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 A/MBBR工藝懸浮填料的選擇

對(duì)市場(chǎng)出售和工程使用較多的懸浮填料的形狀和性能對(duì)比如表1和圖1所示。

表1 不同懸浮填料性能對(duì)比

圖1 懸浮填料

由表1和圖1可以看出，PPC好氧載體性能較其他載體更為優(yōu)質(zhì)，其與一般的聚氨酯海綿載體的最大不同在于聚氨酯海綿活性生物填料是肋狀結(jié)構(gòu)，而PPC活性生物填料則是墻體結(jié)構(gòu)。這種“墻體結(jié)構(gòu)具有吸水作用以及凝膠狀體所具有的極高的親水性”是PPC多孔活性生物載體的一大特征和優(yōu)勢(shì)[7-8]。

根據(jù)對(duì)比，本次工藝最終選用的懸浮載體是由邦皓環(huán)保所提供的為好氧微生物提供生長空間的聚氨酯生物載體，由聚氨酯及其他高分子材料復(fù)合而成，簡(jiǎn)稱為PPC好氧填料，全稱為Polyurethane Polymer Composite，該填料具有極佳吸水性能并且是凝膠狀的多孔體，填充率為25%。

1.3 PPC填料理化特性表征方法

采用Quanta-450-FEG場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，對(duì)切割成0.5 cm的樣品小塊進(jìn)行真空噴金涂層后，在不同放大倍數(shù)下觀察不同部位樣品的表面顯微結(jié)構(gòu)；利用顯微鏡放大原理對(duì)樣品進(jìn)行生物相鏡檢；采用Quanta-450-FEG掃描電鏡配套能譜儀的X射線對(duì)樣品所含元素種類進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行前后PPC填料的外觀變化

對(duì)A/MBBR水處理工藝運(yùn)行前后的PPC填料進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，未經(jīng)過反應(yīng)的原始PPC填料為白色塊狀結(jié)構(gòu)，孔隙較大，體積較小，而經(jīng)過運(yùn)行的PPC填料體積吸水變大，約為原始樣的1.7倍，顏色變?yōu)樯钭厣?，整個(gè)填料形狀未有明顯改變，說明抗磨損能力強(qiáng)。體積變化的原因一是PPC填料內(nèi)本身所含有的親水凝膠成分，使得PPC生物載體遇到水后凝膠吸水膨脹載體體積變大；二是PPC填料在運(yùn)行過程中污水中的微生物以及池內(nèi)有機(jī)污染物附著在填料表面及內(nèi)部，使其體積變大。顏色由淺變深的原因可能是污水以及活性污泥的微生物附著在其填料表面，填料進(jìn)一步吸附污染物進(jìn)入其內(nèi)部，導(dǎo)致填料顏色加深。

圖2 運(yùn)行前后PPC填料的外觀變化

2.2 運(yùn)行后PPC填料內(nèi)部生物相鏡檢

對(duì)A/MBBR水處理工藝運(yùn)行后PPC的生物相進(jìn)行顯微鏡檢，結(jié)果如圖3所示。

圖3 運(yùn)行后的PPC填料內(nèi)部顯微鏡檢

由圖3可見，在顯微鏡下運(yùn)行后的PPC填料內(nèi)部具有菌膠團(tuán)以及多種微生物，其中較為明顯的微生物有：鐘蟲、輪蟲、板殼蟲、累枝蟲、楯纖蟲等。鐘蟲以細(xì)菌和有機(jī)顆粒為食，可作為廢水處理效果較好的指示生物之一；輪蟲以細(xì)菌、霉菌及污泥碎屑為食，適量輪蟲的出現(xiàn)表明水質(zhì)澄清，污水處理效果較好；板殼蟲能捕食藻類、小型鞭毛蟲以及小的纖毛蟲，吸食已經(jīng)死亡的輪蟲，有利于污泥減量，經(jīng)常出現(xiàn)在處理水質(zhì)BOD5低的時(shí)候；累枝蟲以細(xì)菌表明食物來源，當(dāng)累枝蟲出現(xiàn)在生物處理系統(tǒng)中，表明處理后水質(zhì)良好，水質(zhì)BOD5低，常在處理水質(zhì)良好下出現(xiàn)；楯纖蟲以細(xì)菌為食物，生態(tài)范圍較廣，可作為水質(zhì)處理良好的指示生物[9]。故可判斷PPC填料有助于活性污泥維持良好的性能，從而得到良好的出水水質(zhì)。

2.3 運(yùn)行前后PPC填料表面形貌分析

對(duì)未經(jīng)過運(yùn)行的PPC填料原樣以及經(jīng)過運(yùn)行的PPC填料實(shí)驗(yàn)樣進(jìn)行表面形貌觀察，結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 PPC填料運(yùn)行前樣品SEM

從圖4可知，未經(jīng)運(yùn)行的PPC填料整體為有空隙的織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)平整光滑，每根條狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部均具有無數(shù)個(gè)微小孔洞，孔洞大小基本均勻，位置交錯(cuò)縱橫遍布整個(gè)結(jié)構(gòu)，孔洞內(nèi)部深而干凈，未見有細(xì)菌微生物附著。

圖5 PPC填料運(yùn)行后樣品表面SEM

從圖5可知，在MBBR池中經(jīng)過運(yùn)行的PPC填料樣品表面附著了微生物和有機(jī)物質(zhì)，在2000倍電鏡觀察下，可見樣品表面出現(xiàn)裂縫，裂縫中附著有游離態(tài)物質(zhì)，較大倍數(shù)觀察下，整個(gè)樣品墻體結(jié)構(gòu)中的孔結(jié)構(gòu)變得模糊，出現(xiàn)類似球菌、絲狀菌等微生物附著的情況，孔洞深淺不一。

圖6 PPC填料運(yùn)行后樣品剖面SEM

從圖6可知，經(jīng)過運(yùn)行后PPC填料剖面情況較為直觀，可見其內(nèi)部反應(yīng)十分豐富，2000倍下填料的孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)幾乎被覆蓋堵塞，無明顯孔狀特性，5000倍及10000倍情況下可以看出結(jié)構(gòu)表面凹凸不平，絲狀菌球菌均有出現(xiàn)，孔洞被侵蝕已相當(dāng)嚴(yán)重，幾乎被微生物完全覆蓋，僅存孔洞小且較淺。

經(jīng)過PPC原樣與實(shí)驗(yàn)樣的對(duì)比，可以清楚直觀的看到孔結(jié)構(gòu)的變化過程，由開始的密集均勻分布的孔洞，變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)模糊孔洞幾乎被完全覆蓋的結(jié)構(gòu)，可見在整個(gè)工藝運(yùn)行中，在MBBR池中的PPC填料與活性污泥共同對(duì)景區(qū)生活污水進(jìn)行生化處理，有效的吸附了微生物及有機(jī)污染物，使大量物質(zhì)附著在填料內(nèi)外部，內(nèi)部厭氧環(huán)境使得厭氧微生物聚集，外部好氧環(huán)境使得好氧微生物聚集，好氧微生物和厭氧微生物共同附著在載體上，使得每個(gè)PPC填料都可以形成一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)系統(tǒng)，有效處理了生活污水。

2.4 運(yùn)行前后PPC填料EDS分析

對(duì)A/MBBR水處理工藝運(yùn)行前后的PPC填料的元素進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 PPC填料運(yùn)行前后EDS譜圖

由圖7可知，運(yùn)行后填料出現(xiàn)了Na、Si兩種新元素，這是因?yàn)槲鬯?jīng)過次氯酸鈉消毒池導(dǎo)致出現(xiàn)Na的信號(hào)，SEM-EDS掃描時(shí)使用玻璃基底，在樣品薄的區(qū)域掃譜會(huì)表現(xiàn)基底Si信號(hào)。運(yùn)行前和運(yùn)行后C元素、O元素以及N元素?cái)?shù)量減少，比重有所變化，C元素由原來的65.31%變?yōu)?2.88%，O元素由26.01%變?yōu)?4.33%，N元素由8.63%變?yōu)?.88%，均有所降低，原因可能是PPC填料外部好氧促進(jìn)氧化作用、同化作用，通過消耗碳源和氧發(fā)生硝化反應(yīng)，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，內(nèi)部厭氧狀態(tài)會(huì)促進(jìn)反硝化作用，通過消耗部分碳源和氧，促使硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)鈴乃幸葑?。因此可見，PPC填料能有效促進(jìn)A/MBBR的生物反應(yīng)，該填料是處理工藝具有良好運(yùn)行效果的關(guān)鍵所在。

3 結(jié) 論

采取A/O+MBBR組合工藝處理陜西某景區(qū)的生活污水，該工藝的核心組成是懸浮填料，工藝經(jīng)過比對(duì)后選用了吸水性能極佳的聚氨酯及其他高分子材料復(fù)合而成的新型凝膠型多孔體PPC好氧懸浮填料，實(shí)驗(yàn)對(duì)PPC填料運(yùn)行后的微生物種類、表面形貌、元素等理化性能進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

(1)PPC填料運(yùn)行前為白色塊狀結(jié)構(gòu)，孔隙較大，體積較?。欢?jīng)過運(yùn)行的PPC填料體積吸水變大，為原來的1.7倍，顏色變?yōu)樯钭厣?/p>

(2)PPC填料在運(yùn)行前孔洞明顯，且大小基本均勻；運(yùn)行后，孔洞小且較淺，可見PPC填料有效的吸附了微生物及有機(jī)污染物，使大量物質(zhì)附著在填料內(nèi)外部，使得填料的孔結(jié)構(gòu)幾乎被覆蓋堵塞，無明顯孔狀特性，結(jié)構(gòu)表面凹凸不平。

(3)在生物相鏡檢下，PPC填料內(nèi)部具有多種微生物：鐘蟲、輪蟲、板殼蟲、累枝蟲、楯纖蟲等。因此可判斷PPC填料有助于活性污泥維持良好的性能，從而得到良好的出水水質(zhì)。

(4)經(jīng)過EDS分析，在經(jīng)過運(yùn)行后，C、O、N元素運(yùn)行后數(shù)量減少、比重下降，說明PPC有效促進(jìn)了A/MBBR工藝內(nèi)部的厭氧和外部好氧反應(yīng)，該P(yáng)PC填料在A/MBBR工藝中表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。