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固定化微生物處理河流微污染水體試驗(yàn)研究（廖日紅 王培京 許志蘭）


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2009-2-7 16:18
摘要：采用固定化微生物-曝氣生物濾池（IBAF）系統(tǒng)對(duì)北京市馬草河微污染水體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中試研究。通過對(duì)進(jìn)水與出水COD、氛氮和總磷的監(jiān)測(cè), 研究了IBAF系統(tǒng)對(duì)河湖微污染水體的處理性能。結(jié)果顯示：采用IBAF系統(tǒng)處理河流微污染水體, 處理后主要水質(zhì)指標(biāo)可達(dá)到地表水Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)；各污染物的去除率分別達(dá)到：CODcr60%以上、CODmn30%以上、氛氮90%以上和總磷在50%以上；克氏定氮法測(cè)定表明IBAF系統(tǒng)中的生物量為35g/L, 可極大地提高處理效率；IBAF系統(tǒng)在馴化完成后, 能夠滿足重復(fù)使用的要求；試驗(yàn)還表明在溫度5-15℃的條件下, IBAF系統(tǒng)脫除氛氮性能未受影響, 這對(duì)低溫脫氮的研究具有重要的意義。
關(guān)鍵詞：固定化微生物 處理 微污染水體 低溫脫氮
河湖微污染水體富營養(yǎng)化的治理一直是一個(gè)世界性的難題。固定化微生物技術(shù)已成功地用于處理高濃度有機(jī)污水和高氨氮污水, 得到了COD尤其是氨氮去除率高于A/O工藝的結(jié)果。然而, 采用固定化微生物技術(shù)處理河湖微污染水體的治理在國際上尚未見報(bào)道。本文采用自制功能化大孔載體FPU固定化微生物B11, 所得固定化微生物置于曝氣池中構(gòu)成固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng),并以IBAF系統(tǒng)對(duì)北京市馬草河進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中試實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)進(jìn)水與出水COD、氨氮和總磷的監(jiān)測(cè), 研究了IBAF系統(tǒng)對(duì)河湖微污染水體的處理性能。
1 固定化微生物技術(shù)原理與特點(diǎn)
1.1 技術(shù)原理
固定化微生物技術(shù)屬生物膜水質(zhì)凈化技術(shù)的一種。其原理是在受污染水體中放置高吸附性填料載體, 使水體中的細(xì)菌、真菌類微生物和原生動(dòng)物、后生動(dòng)物類的微型動(dòng)物附著在載體上生長(zhǎng)繁育, 并在其上形成膜狀生物污泥——生物膜。生物膜上微生物高度密集, 并在膜的表面及膜內(nèi)部大量生長(zhǎng)繁殖, 形成有機(jī)污染物一細(xì)菌一真菌一原生動(dòng)物一后生動(dòng)物的食物鏈。受污染水通過生物載體時(shí), 水中的污染物, 為生物膜上的微生物所攝取、降解, 并逐漸消耗掉水中的氧氣, 需要人工曝氣。在此過程中, 微生物自身也得到繁衍增殖, 并被原生與后生動(dòng)物所吞噬, 原生動(dòng)物與后生動(dòng)物又作為魚類的餌料, 從而形成比較完整的水生態(tài)系統(tǒng), 凈化水質(zhì)。生物膜在成熟后, 厚度不斷增加, 在增厚到一定程度后, 氧不能傳遞到膜的內(nèi)側(cè)深部即轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài), 形成厭氧性膜, 能夠去除水體中氮和磷。
1.2 技術(shù)特點(diǎn)
固定化微生物技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
(1)工藝方面。①由于在生物膜上能夠形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈, 最重要的是能夠生長(zhǎng)氧化能力較強(qiáng)的球衣菌屬的絲狀菌, 減少了一般生物處理技術(shù)常見的污泥膨脹的可能性；②由于絲狀菌的大量滋生, 在生物膜上形成了一個(gè)呈立體結(jié)構(gòu)密集的生物網(wǎng), 污水在其中通過, 類似過濾作用, 有效地提高了凈化效果；③生物膜表面不斷地接受曝氣吹脫, 有利于保持生物膜的活性, 也宜于提高氧的利用率。
(2)運(yùn)行方面。①對(duì)沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)能力, 在間歇運(yùn)行條件下, 仍能保持良好的處理效果；②操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便、易于維護(hù)管理, 勿需污泥回流；③污泥生成量少, 污泥顆粒大, 易于沉淀。
(3)功能方面。生物接觸氧化處理技術(shù)具有多種凈化功能, 除有效去除有機(jī)污染物外, 若運(yùn)行得當(dāng),還具備脫氮和除磷的功能。
2 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法
2.1 試驗(yàn)材料
大孔網(wǎng)狀載體FPU專用微生物菌群B11, 含28種專用微生物及纖維酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶,堆密度為0.6-0.8g/cm3, 微生物數(shù)量為30億-50億個(gè)/g；其他試劑均為化學(xué)純或分析純。
2.2 試驗(yàn)工藝及設(shè)備
固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置為自制, 規(guī)格為2100mm×1000mm×1000mm,有效水深為900mm, 有效容積1.9m3, 分為2格, 中間采用折流板防止短流, 槽內(nèi)裝填FPU載體1.3m3,采用底部進(jìn)水, 上部堰口集水的推流式進(jìn)水方式, 每臺(tái)反應(yīng)槽布置曝氣頭12個(gè), 通過1臺(tái)16孔曝氣機(jī)進(jìn)行曝氣。同時(shí)與1個(gè)未裝FPU載體的同樣設(shè)備構(gòu)成空白試驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)照。試驗(yàn)工藝流程見圖1。
2.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)共分2個(gè)階段：第1階段為微生物的馴化與固定化, 時(shí)間為7d；第2階段為工藝參數(shù)、運(yùn)行控制研究階段, 時(shí)間為90d。試驗(yàn)步驟如下：
首先將河水泵入固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng), 充滿后開動(dòng)曝氣, 保持DO為3-5mg/L,往每個(gè)生物池投入100g高效微生物B11, 然后開始悶曝, 第2d至第7d依次投菌100g、50g、50g、30g、30g和20g, 悶曝3d后開始以250L/h流量連續(xù)進(jìn)水, 每天定時(shí)檢測(cè)調(diào)節(jié)池河水和出水中的COD、氨氮值, 同時(shí)用克氏定氮法測(cè)定載體上固定的微生物量,如出水中COD、氨氮去除率超過40%, 即認(rèn)為馴化、固定化階段基本完成, 再逐漸加大進(jìn)水流量, 得出最佳的水力停留時(shí)間。然后進(jìn)人第2階段, 連續(xù)檢測(cè)進(jìn)出水各項(xiàng)指標(biāo)。
2.4 試驗(yàn)儀器
COD/CSB型COD快速測(cè)定儀, BSB/BOD型BOD5測(cè)定儀, HI93715型NH4+-N測(cè)定儀,YSI55型溶解氮測(cè)定儀, DP5000pH值在線檢測(cè)儀,HI93728型NO3-測(cè)定儀, 總磷測(cè)定儀HI93706,HI93708型NO2-測(cè)定儀。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 固定化微生物對(duì)的去除效果分析
圖2是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)和空白對(duì)照池對(duì)河水中CODcr物質(zhì)的去除效果圖。
由圖2可以看出：固定化微生物在運(yùn)行初期CODcr去除率較低, 這主要是生物量較少的原因；隨著反應(yīng)的進(jìn)行, 附著在載體上的微生物量增加, 去除率也隨之提高, 進(jìn)水CODcr在40-50mg/L時(shí),出水CODcr在9-20mg/L,CODcr去除率在60%-70%, 最高達(dá)78%；出水符合Ⅳ類地表水要求。表明采用固定化微生物技術(shù)能有效地去除河流微污染水體中難于降解的CODcr物質(zhì)。而空白對(duì)照組CODcr去除在5%左右, 表明河水中CODcr物質(zhì)不能被自然微生物有效地降解, 即水體的自凈能力較差。
3.2 固定化微生物對(duì)CODmn的去除效果
圖3是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)和空白對(duì)照池對(duì)河水中CODmn物質(zhì)的去除效果圖。河水進(jìn)水CODmn維持在8-12mg/L之間, 固定化微生物出水CODmn維持在6-8mg/L之間, 出水符合地表水Ⅳ類出水標(biāo)準(zhǔn), 去除率30%-40%, 最高50%；而空白對(duì)照池中的CODmn基本無去除效果, 表明河水中自然微生物已不能有效地去除水中污染物, 水體的自凈能力很差。
3.3 固定化微生物對(duì)氛氮去除效果
圖4是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效果圖。
結(jié)果表明：固定化微生物在經(jīng)過了3d的馴化后, 硝化菌即成為優(yōu)勢(shì)菌, 這主要是大孔載體所創(chuàng)造的微環(huán)境適于硝化菌群的生存所致, 故對(duì)氨氮去除效果非常好。在進(jìn)水氨氮為5-20mg/L的情況下, 固定化微生物的出水氨氮在0.0-0.3mg/L, 去除率在90%以上, 出水氨氮符合地表水Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在溫度5-15℃的條件下, 固定化微生物處理出水氨氮在0.5mg/L左右, 顯示了固定化微生物在低溫下優(yōu)良的脫氮性能, 這對(duì)低溫脫氮的研究具有重要的意義?？瞻讓?duì)照試驗(yàn)對(duì)氨氮也有一定的去除率, 這主要是曝氣吹脫和生物蛋白質(zhì)合成的結(jié)果。
3.4 固定化微生物對(duì)總磷去除效果
圖5是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系
統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果圖
由圖5可以看出在馴化階段的15d內(nèi), 總磷的去除并不十分明顯, 這主要是載體中的生物量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 15d之后, 出水總磷趨于穩(wěn)定, 在進(jìn)水總磷為0.73-1.09mg/L, 出水總磷大部分?jǐn)?shù)據(jù)在0.2-0.3mg/L之間, 去除率50%-70%左右。固定化微生物除磷的機(jī)理處理與一般的生物除磷機(jī)理相同外, 還有固定化微生物和載體對(duì)水中金屬離子的富集作用而引起的化學(xué)沉淀除磷, 故效率比普通的生物法高, 但由于水體中碳、氮、磷已失調(diào), 僅靠固定化微生物除磷, 其作用有限如要徹底除磷, 必須和其他方法相結(jié)合?？瞻自囼?yàn)的總磷去除率僅為13.98%, 這主要是水體中自然物生物增殖的結(jié)果。
4 固定化微生物性能測(cè)試分析
4.1 固定化微生物負(fù)載量的測(cè)定和表征
從IBAF池取一定量的載體, 放在漏斗上濾干后, 用蒸餾水沖洗2-3次, 放人烘箱102-105℃條件下烘干至恒重, 用克氏定氮法測(cè)定固定化微生物的含氮量, 折算為23-42g/L(H2O), 平均35g/L(載體以50%體積計(jì)), 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他生物法, 這對(duì)提高處理效率、減少占地面積具有重要的作用。
圖6是FPU載體放大100倍的電鏡照片。圖7是FPU載體固定化微生物運(yùn)行2個(gè)月后的電鏡照片(放大1000倍)。由圖7可以看出載體上負(fù)載大量的微生物, 但載體上的孔道仍然暢通, 從而避免了其他載體(如活性炭)由于微生物負(fù)載和增殖而堵塞孔道, 比表面積減小, 傳質(zhì)推動(dòng)力下降, 處理效果變差的后果。
4.2 固定化微生物的重復(fù)使用性能
IBAF系統(tǒng)在馴化完成后, 在不再投加微生物的情況下, 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3個(gè)多月, 在溫度5-28℃范圍內(nèi),IBAF系統(tǒng)有較好的生物活性, 出水中COD、氨氮未見反彈, 且運(yùn)行越來越穩(wěn)定, 證明了固定化微生物的活力沒有損失, 能夠滿足重復(fù)使用的要求。
5 結(jié)論
(1)采用大孔功能化載體FPU固定化微生物構(gòu)成的固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)處理河流微污染水體, 處理后主要水質(zhì)指標(biāo)能達(dá)到地表水Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)。
(2)固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)對(duì)各污染物的去除率分別達(dá)到:CODcr60%以上、CODmn30%以上、氨氮90%以上和總磷在70%以上。
(3)試驗(yàn)表明在溫度5-15℃的條件下, 固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)處理出水氨氮在0.5mg/L左右, 顯示了固定化微生物在低溫下優(yōu)良的脫氮性能, 這對(duì)低溫脫氮的研究具有重要的意義。
(4)克氏定氮法測(cè)定表明固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統(tǒng)中的生物量為35g/L, 可極大地提高處理效率。
(5)IBAF系統(tǒng)在馴化完成后, 可不再連續(xù)投加微生物, 生物活性基本沒有損失, 能夠滿足重復(fù)使用的要求。
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作者簡(jiǎn)介：廖日紅（1974-）, 男, 高級(jí)工程師。
來源：《北京水務(wù)》2006.2

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