摘要：采用固定化微生物-曝氣生物濾池（IBAF）系統對北京市馬草河微污染水體進行了現場連續運轉中試研究。通過對進水與出水COD、氛氮和總磷的監測, 研究了IBAF系統對河湖微污染水體的處理性能。結果顯示：采用IBAF系統處理河流微污染水體, 處理后主要水質指標可達到地表水Ⅳ類水體標準；各污染物的去除率分別達到：CODcr60%以上、CODmn30%以上、氛氮90%以上和總磷在50%以上；克氏定氮法測定表明IBAF系統中的生物量為35g/L, 可極大地提高處理效率；IBAF系統在馴化完成后, 能夠滿足重復使用的要求；試驗還表明在溫度5-15℃的條件下, IBAF系統脫除氛氮性能未受影響, 這對低溫脫氮的研究具有重要的意義。
關鍵詞：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化的治理一直是一個世界性的難題。固定化微生物技術已成功地用于處理高濃度有機污水和高氨氮污水, 得到了COD尤其是氨氮去除率高于A/O工藝的結果。然而, 采用固定化微生物技術處理河湖微污染水體的治理在國際上尚未見報道。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成固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統,并以IBAF系統對北京市馬草河進行了現場連續運轉中試實驗。通過對進水與出水COD、氨氮和總磷的監測, 研究了IBAF系統對河湖微污染水體的處理性能。
1 固定化微生物技術原理與特點
1.1 技術原理
固定化微生物技術屬生物膜水質凈化技術的一種。其原理是在受污染水體中放置高吸附性填料載體, 使水體中的細菌、真菌類微生物和原生動物、后生動物類的微型動物附著在載體上生長繁育, 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部大量生長繁殖, 形成有機污染物一細菌一真菌一原生動物一后生動物的食物鏈。受污染水通過生物載體時, 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, 并被原生與后生動物所吞噬, 原生動物與后生動物又作為魚類的餌料, 從而形成比較完整的水生態系統, 凈化水質。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側深部即轉變為厭氧狀態, 形成厭氧性膜, 能夠去除水體中氮和磷。
1.2 技術特點
固定化微生物技術具有以下特點：
(1)工藝方面。①由于在生物膜上能夠形成穩定的生態系統和食物鏈, 最重要的是能夠生長氧化能力較強的球衣菌屬的絲狀菌, 減少了一般生物處理技術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呈立體結構密集的生物網, 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)運行方面。①對沖擊負荷有較強的適應能力, 在間歇運行條件下, 仍能保持良好的處理效果；②操作簡單、運行方便、易于維護管理, 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具有多種凈化功能, 除有效去除有機污染物外, 若運行得當,還具備脫氮和除磷的功能。
2 試驗材料、設備與方法
2.1 試驗材料
大孔網狀載體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, 微生物數量為30億-50億個/g；其他試劑均為化學純或分析純。
2.2 試驗工藝及設備
固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統試驗裝置為自制, 規格為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, 槽內裝填FPU載體1.3m3,采用底部進水, 上部堰口集水的推流式進水方式, 每臺反應槽布置曝氣頭12個, 通過1臺16孔曝氣機進行曝氣。同時與1個未裝FPU載體的同樣設備構成空白試驗裝置進行對照。試驗工藝流程見圖1。
2.3 試驗方法
試驗共分2個階段：第1階段為微生物的馴化與固定化, 時間為7d；第2階段為工藝參數、運行控制研究階段, 時間為90d。試驗步驟如下：
首先將河水泵入固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統, 充滿后開動曝氣, 保持DO為3-5mg/L,往每個生物池投入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流量連續進水, 每天定時檢測調節池河水和出水中的COD、氨氮值, 同時用克氏定氮法測定載體上固定的微生物量,如出水中COD、氨氮去除率超過40%, 即認為馴化、固定化階段基本完成, 再逐漸加大進水流量, 得出最佳的水力停留時間。然后進人第2階段, 連續檢測進出水各項指標。
2.4 試驗儀器
COD/CSB型COD快速測定儀, BSB/BOD型BOD5測定儀, HI93715型NH4+-N測定儀,YSI55型溶解氮測定儀, DP5000pH值在線檢測儀,HI93728型NO3-測定儀, 總磷測定儀HI93706,HI93708型NO2-測定儀。
3 試驗結果分析
3.1 固定化微生物對的去除效果分析
圖2是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統和空白對照池對河水中CODcr物質的去除效果圖。
由圖2可以看出：固定化微生物在運行初期CODcr去除率較低, 這主要是生物量較少的原因；隨著反應的進行, 附著在載體上的微生物量增加, 去除率也隨之提高, 進水CODcr在40-50mg/L時,出水CODcr在9-20mg/L,CODcr去除率在60%-70%, 最高達78%；出水符合Ⅳ類地表水要求。表明采用固定化微生物技術能有效地去除河流微污染水體中難于降解的CODcr物質。而空白對照組CODcr去除在5%左右, 表明河水中CODcr物質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CODmn的去除效果
圖3是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統和空白對照池對河水中CODmn物質的去除效果圖。河水進水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類出水標準, 去除率30%-40%, 最高50%；而空白對照池中的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 固定化微生物對氛氮去除效果
圖4是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統對氨氮去除效果圖。
結果表明：固定化微生物在經過了3d的馴化后, 硝化菌即成為優勢菌, 這主要是大孔載體所創造的微環境適于硝化菌群的生存所致, 故對氨氮去除效果非常好。在進水氨氮為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類水體標準。試驗結果表明在溫度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良的脫氮性能, 這對低溫脫氮的研究具有重要的意義。空白對照試驗對氨氮也有一定的去除率, 這主要是曝氣吹脫和生物蛋白質合成的結果。
3.4 固定化微生物對總磷去除效果
圖5是固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系
統對總磷的去除效果圖
由圖5可以看出在馴化階段的15d內, 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到設計要求, 15d之后, 出水總磷趨于穩定, 在進水總磷為0.73-1.09mg/L, 出水總磷大部分數據在0.2-0.3mg/L之間, 去除率50%-70%左右。固定化微生物除磷的機理處理與一般的生物除磷機理相同外, 還有固定化微生物和載體對水中金屬離子的富集作用而引起的化學沉淀除磷, 故效率比普通的生物法高, 但由于水體中碳、氮、磷已失調, 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合。空白試驗的總磷去除率僅為13.98%, 這主要是水體中自然物生物增殖的結果。
4 固定化微生物性能測試分析
4.1 固定化微生物負載量的測定和表征
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), 遠遠高于其他生物法, 這對提高處理效率、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行2個月后的電鏡照片(放大1000倍)。由圖7可以看出載體上負載大量的微生物, 但載體上的孔道仍然暢通, 從而避免了其他載體(如活性炭)由于微生物負載和增殖而堵塞孔道, 比表面積減小, 傳質推動力下降, 處理效果變差的后果。
4.2 固定化微生物的重復使用性能
IBAF系統在馴化完成后, 在不再投加微生物的情況下, 連續運轉3個多月, 在溫度5-28℃范圍內,IBAF系統有較好的生物活性, 出水中COD、氨氮未見反彈, 且運行越來越穩定, 證明了固定化微生物的活力沒有損失, 能夠滿足重復使用的要求。
5 結論
(1)采用大孔功能化載體FPU固定化微生物構成的固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統處理河流微污染水體, 處理后主要水質指標能達到地表水Ⅳ類水體標準。
(2)固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統對各污染物的去除率分別達到:CODcr60%以上、CODmn30%以上、氨氮90%以上和總磷在70%以上。
(3)試驗表明在溫度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良的脫氮性能, 這對低溫脫氮的研究具有重要的意義。
(4)克氏定氮法測定表明固定化微生物-曝氣生物濾池(IBAF)系統中的生物量為35g/L, 可極大地提高處理效率。
(5)IBAF系統在馴化完成后, 可不再連續投加微生物, 生物活性基本沒有損失, 能夠滿足重復使用的要求。
參考文獻
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作者簡介：廖日紅（1974-）, 男, 高級工程師。
來源：《北京水務》2006.2