摘要: 将水泥、碎石、粉煤灰及活性材料CRLT- 1 等制作的透水混凝土生态膜在渠式反应器中进行挂膜实验, 通过实验对2 种挂膜方法进行了比较, 对2 种挂膜方法下填料上的生物量和生物活性及反应器对COD 和NH3- N 等指标的去除情况进行了测定和分析。结果表明, 逐渐增加进水流量的循环挂膜法可以加快反应器启动, 10d 后COD 的去除率稳定在69%左右, 启动时间少于直接采用设计流量进水的循环挂膜法, 2 种情况下生物活性在4.19~4.85mgO2/g·h 之间。
关键词: 混凝土生态膜; 渠式反应器; 挂膜; 生物膜情况
中图分类号: X132 文献标识码: A 文章编号: 1003- 6504(2007)01- 0008- 03
近年来, 在废水及微污染水处理领域, 生物膜法得到了越来越广泛的应用[1- 3]。填料作为微生物的载体,影响着微生物的生长、繁殖、脱落和形态, 因而, 对反应器的运行效果及能耗都有十分重要的影响。新型低成本生态膜是以水泥、砂石、电厂粉煤灰和活性材料等廉价材料制成的, 通过微生物培养法使膜体表面粘挂多种微生物, 形成具有物理过滤、生物吸附、化学吸附等多种功能的复合水处理材料, 其建设成本和运行成本可望降低到传统活性污泥处理法的1/3, 而处理出水水质将可望接近传统二级处理出水水质。从理论上讲, 它具有造价低、运行费用少、处理效率高、管理和维护方便的特点和优势, 可望满足大中型住宅区污水处理的实际需要。关于生态混凝土的研究也是近10 余年开展起来的。1995 年日本混凝土工学协会提出了生态混凝土的概念[4]。陈志山等[5]采用普通水泥和砂石等材料制作生态混凝土, 研制了一种沉淀、过滤和曝气三合一的(侧滤)处理装置较好地解决了固体物质在生态混凝土上的堆积问题, 在应用于上海市某小区、金山镇等地的生活污水处理实验中, 取得了比较好的结果。本文对自行研制开发的新型填料采用2 种挂膜方法进行了试验, 以期找到适合渠式反应器的挂膜方法。
1 试验条件与方法
1.1 试验装置
采用自行研究的小型渠式反应器, 通过合理布置生态膜在渠式反应器内的排列方式, 可有效改善反应器内的水流流态和防止污水短流, 确保污水与生态膜面有充足的接触反应机会。它具有较高的氧传递效率和较高的去污效率。生物膜反应器长2m, 容积为0.24m3, 反应器共设置6 道槽, 槽中均匀摆放生态膜片。试验装置的流程图如图1 所示。
1.2 试验水质
采用某高校生活污水作为试验用水。其水质情况为pH6~9、浊度10~13NTU、COD100~250mg/L、NH3- N8.0~16.0mg/L。
1.3 填料的组分
从经济实用角度, 选定混凝土生态膜组分材料主要为水泥、黄沙、碎石、粉煤灰和活性材料ATV- C。本课题研制的混凝土生态膜采用预留贯通孔的结构形式, 通过实验确定了最佳配比和最佳结构, 膜片具有较大的比表面积, 防堵性能好。
1.4 分析监测仪器与方法
分析仪器: pHS- 3C 型pH 值计, 721 分光光度计,CTL- 12 型化学需氧量速测仪, HG85- I 型性电热恒温干燥箱, SARTORIUS 电子天平, YSI- 58 型溶解氧测定仪, SA3300 照相光学显微镜, Leica DMIRB 倒置荧光显微镜等。
细菌计数: 培养异养细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基[6], 稀释度为103～106, 37℃培养2～3d, 重复数为2,平板法计数; 藻类、原生动物及后生动物的计数: 采用普通光学显微镜直接计数方法; 生物膜厚度: 采用测微尺测定10 块膜片取平均值; 生物膜量: 减重法; 生物膜活性: 采用耗氧速率(SOUR)表示。
1.5 试验过程
试验在温度25～35℃的条件下, 采用循环挂膜法进行。接种污泥取自广州猎德污水处理厂沉淀池中的沉淀污泥, 先将污泥进行培养, 定时投加牛肉膏、蛋白胨、葡萄糖、氯化钠等配制成的营养液, 扩大培养2~4d。再把预先培养好的活性污泥与生活污水混合后加入到反应器中, 2 个反应器都在进水槽中进行同样的预曝气。在反应器中水以推流方式流过透水的生态混凝土膜片, 最后通过反应器的出水管流入进水池, 循环进行。每天定期把上清液外排, 同时再加入相应体积的营养液和生活污水。
1 号反应器直接采用设计流量的循环挂膜法进行挂膜, 进水流量360L/h。
2 号反应器采用逐步增大流量的循环挂膜法进行挂膜, 第1~4 天进水流量采用120L/h, 第5~9 天进水流量采用240L/h, 第10 天后增加至360L/h。
2 试验结果及讨论
2.1 不同挂膜方法对COD 去除情况分析
从图2 可知, 1 号和2 号反应器在挂膜初期( 2～4d) 对COD 没有明显的去除效果; 2 号反应器到第10天去除率基本稳定, 此后COD 平均去除率约为69%,此时可以认为挂膜成功。填料表面由点状分散的菌胶团逐渐形成团块状或片状的菌膜, 团块状或片状膜进一步连接而覆盖了填料表面, 其颜色也经历了填料原色、浅泥黄色、浅褐色、褐色的变化。1 号反应器在第6天后的挂膜期间对COD 的去除情况明显没有2 号反应器好, 但是到第15 天, 两个反应器对COD 的去除情况基本一致。
两个反应器在挂膜初期( 2～4d) 对COD 表现出一定的去除率, 这部分COD 的去除可以认为是混凝土生态膜填料初期的物理过滤和化学吸附作用导致的。在第6 天后1 号反应器的挂膜期间对COD 的去除情况明显没有2 号反应器好, 可能是小流量进水有利于微生物的生长和附着。
2.2 生物膜厚度生物量及生物活性分析
生物膜厚度是由其所处的扰动条件和水中生物可降解基质浓度决定的。当考察生物膜厚度时, 重要的是区分膜的总厚度和活性厚度, 据报道[7],生物膜总厚度介于0.07～4.0mm 之间, 当受机械或水动力学控制时, 通常在0.2mm 以下。薄的生物膜比不受外力控制的厚生物膜具有更高的基质去除速率。
在挂膜过程中对两个反应池生物膜厚度的进行了观察。挂膜3天后, 有少量絮状物附着在膜片上, 8天后膜片上出现粘粘的絮状物, 其厚度在0.2～0.7mm, 15天后其厚度在0.3～1.5 mm之间, 两个反应池同一位置的生物膜厚度难以区别。但对同一个反应池中前后不同位置填料上生物膜厚度观测发现( 生物反应池分前槽( 第1, 2槽) 、中槽( 第3, 4槽) 、后槽( 第5, 6槽) 三段) , 中槽填料上生物膜覆盖得多一些, 前槽填料次之, 后槽混凝土填料覆盖得少, 其膜厚约0.2mm。通过测定混凝土填料表面生物膜厚度除凹陷处有较厚的生物膜外, 一般维持在1mm 左右。这表明, 反应池的填料类型、扰动条件与运转方式可控制生物膜的活性厚度。生物膜的结构、厚度也受微生物类型、生长表面、液相流动类型、反应器类型、生物膜脱落等因素的影响[8]。
反应器内的生物量是微生物活性的物质基础,在一定的环境条件下, 总生物量与总的微生物活性呈正相关。图3 表明, 随着挂膜时间的延长, 两个反应器内填料的生物量是逐渐增加的( 取自中槽相同位置上生物膜) , 2 号反应器的生物量比1 号多。
图4 则显示出挂膜期间两个反应器内混凝土生态膜填料表面的生物活性( 单位生物量的氧吸收率)大致相同, 均在4.19~4.85mgO2/g·h 之间。这与两反应器的COD 的去除变化情况相吻合, 即在生物活性大致相同的情况下, 生物量越多, COD 去除率也越高。由于2 号反应器的进水流量小, 因此在反应器内部造成的水力剪切力小, 同时也增加了水中微生物在反应器
内的停留时间, 这样有利于微生物的附着, 所以2 号反应器内相同位置的生物量较1 号反应器多。实验过程第12 天时发现有生物膜少量脱落现象, 造成了图4中生物活性出现低谷情况。
2.3 不同挂膜方法对NH3- N 去除情况分析
从图5中可以明显看出, 2号反应器对NH3- N的去除情况好于1号反应器。2号反应器在第6天对NH3- N的去除率为17%, 第15天的去除率达到38%左右。这说明采用小流量进水延长了水力停留时间, 有利于生长缓慢、世代周期长的硝化菌的生长和固定。
2.4 反应器中生物相
反应器中生物相包括填料表面的生物膜和反应器底部颗粒污泥。用光学显微镜对两个反应器中前槽、中槽、后槽的混凝土填料上的生物膜形成过程进行观察, 发现挂膜过程填料上原生动物的附着生长与细菌的生长几乎同步进行; 原生动物绝大多数是纤毛类; 随着挂膜过程的深入, 处理池后槽和出水端的原生动物种类与 数量减少, 主要集中于池的前槽、中槽。挂膜到一定时候后细菌数维持在106～108 个/L; 原生动物如豆形虫、肾形虫、纤毛虫、钟虫等在挂膜初期就出现了, 而后生动物只是在挂膜成熟后才观察到。用光学显微镜拍摄得到的成熟生物膜照片见图6。通过观察发现载体表面的生物膜大致可分为内、外两层, 其中内层基膜(比较密实)主要由大量球菌、杆菌及其胞外分泌物组成,而表膜(较疏松, 易脱落)主要是由丝状细菌的菌丝组成, 且菌丝的表面附着生长有球菌、杆菌等。挂膜过程中通过显微镜镜检对两个反应器中生物膜上( 中槽上) 的细菌、原生动物与后生动物进行观察计数的结果如表1 所示, 可以看出2 号反应器的生物量较多, 所以其对COD 去除率也较高。
表1 挂膜过程中反应器生物膜上微生物种类的镜检结果与计数( 个/mL)
在反应器的底部有一层颗粒状的污泥, 其平均粒径为1～4mm。在光学显微镜下观察颗粒污泥时, 可看到其内部有一个比较密实的核心, 颗粒状污泥由大量的丝状细菌的菌丝缠绕而成, 在菌丝表面也附着生长有一些球菌和杆菌。同时也能观察到纤毛虫、钟虫、轮虫等。
由此可见, 载体表面的生物膜和颗粒污泥的生物相组成相近, 共同起到降解有机物的作用。
3 结论
混凝土填料的挂膜速度较快, 10 天左右生物膜成熟, 对COD 的去除率稳定在69%左右。启动初期采用先以小流量进水, 然后逐渐增加进水流量到设计流量的方法可以加快渠式反应器的启动, 启动时间少于直接采用设计流量进水的方法。
混凝土生物膜上微生物生长特性较好, 反应池中原水与生物膜接触效率较高。挂膜过程填料表面的生物活性变化很小, 两个反应器内填料表面的生物活性( 单位生物量的氧吸收率) 在4.19~4.85mgO2 /g·h 之间。
生物处理的净化效果主要决定于生物膜量与膜的活性, 填料类型、工程运行措施与净化效果关系密切。新型生态混凝土填料在废水处理中的工程应用还存在许多问题有待深入进行研究。
[参考文献]
[1] C P Leslie Grady, Jr Glen, T Daigger 著, 张锡辉,刘勇弟译.废水生物处理[M]. 北京:化学工业出版社. 2003.
[2] 刘雨,赵庆良. 生物膜法污水处理技术[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2000, 3.
[3] Lazarova V, Manem J. Biofilm Characterization andActivity Analysis in Water and Wastewater Treatment [J].Wat Res, 1995, 29(10):2227- 2245.
[4] 玉井元治. エココンクリ一トの将来展望[J]. コンクリ一ト工学, 1998, 36(3):49- 51.
[5] 陈志山,刘选举. 生态混凝土净水技术处理生活污水[J]. 给水排水, 2003, 29(2): 10- 13.
[6] 周群英,高廷耀. 环境工程微生物学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.
[7] Yeun C W, Smith E D. 龙腾锐, 译. 固定膜法的理论与实例———城市与工业废水处理[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 1987,
[8] Gjaltema A, Arts P A M, Vanloosdrecht, et al. Heterogeneityof biofilm in rotating annular reactors: occurrence, structureand consequences [J]. Biotechnol Bioeng, 1994, 44(2):194-204.
