探究生物接触转盘反应器对污水中目标污染物去除效能

探究生物接触转盘反应器对污水中目标污染物去除效能

借助城市污水养殖微藻,制备生物柴油,缓解水体污染与能源枯竭等问题,目前已经成为各国的研究焦点。藻类能为好氧异养微生物提供氧,而好氧微生物能够氧化分解污水中有机污染物,生成无机氮、磷化合物、二氧化碳等,为藻类补给营养物与碳源,从而循环构成藻菌共生关系。根据报道,藻菌共生系统可有效地去除有机污染物,又可以有效培养微藻。

生物转盘是一种生物膜法污水处理技术。近年,国内对该技术进行了深入研究,该体系已逐步完善。生物转盘盘面作为微生物生长表面,可以实现氧气在空气、水与生物膜中接触转移。目前,活动式填料已经逐步替代传统盘面以增大转盘表面积。藻生物转盘是结合生物接触转盘和藻菌共生系统优点的新型污水处理工艺。据报道,美国曾开发一种藻生物转盘Bacpac,中腔填充悬浮填料,利用细菌进行常规处理,氧化分解污水中有机污染物,为藻类补给营养物;藻类吸附于外部幅板,释放氧气维持细菌代谢。但该技术负荷小,仅适用于微污染环境或个人家庭。目前,将藻生物转盘用于实际城市污水处理的研究报道较少,故开展相关研究具有重要的现实意义。

本实验尝试研制一种基于藻菌生物系统的生物接触转盘反应器,探究该反应体系的最佳运行条件及接种藻后反应器的处理效能,以降低城市污水中的有机物以及氮磷含量,同时回收藻内油脂作为生物柴油原料,实现资源再生。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本实验选用自行设计装置(新型三级藻菌生物接触转盘反应器),流程装置见图1,主要由一沉池、一级、二级转盘等15个部分构成。选取耐高温有机玻璃材质,呈长方体,焊接铁架支撑,底部阀门用于反应器的清洗与放空。内部填料、外部幅板构成生物转盘的主体,其内部是铁丝网包围而成的柱状空腔,腔体被布满圆孔的矩形有机玻璃板平分为5个区域,填料均匀布设在每个小腔室内,设置幅板与水平方向成60°角。该转盘选用气体驱动,电磁式空气压缩机提供驱动力,气棒用橡胶吸盘固定于各级反应池底部的后端位置,控制转盘转速。鉴于天气变化,为满足微藻的生长需要,选用品牌三防灯为强化光源,灯管均分、平铺于装置底部,水平间隔245 mm,全天持续照射。中空纤维膜组件镶嵌于三级反应装置中,以进一步保持反应器内藻生物量,避免随出水流出。装置主要参数如表1所示。

  图1 实验装置流程图

1.2 实验运行

随着反应的进行,反应器内接种的微藻,挂膜于填料中的污泥内的细菌,构成藻菌共生系统。城市污水从污水井由泵抽取至总容积1 m3贮水桶内(塑料材质),经取水泵由一沉池上部管路进入池内进行初次沉淀。该池水从双边三角堰出水,流入一级转盘的前端。经出气棒驱动后的三级转盘组,其中幅板在上升气泡的作用下,带动转盘转动,促使体系中藻液与微生物的接触更为充分,混合液混合效果良好。转盘组出水经膜组件拦截筛分,进行藻水分离后,排入市政管网,蠕动泵抽吸膜组件出水。

1.3 实验材料

实验选用中国科学院武汉水生生物研究所藻种库中的二形栅藻(编号959)。取样的生活污水来自深圳西丽大学城,经测试为中低浓度有机污水,其中布设取样点是原污水、一沉池出水、一级和二级转盘出水、膜前、膜后的出水。因反应器中投加微藻会对一级、二级转盘出水与膜前出水引起一定的检测误差,所以水样先经3 000 r·min−1的离心机离心10 min后,对上清液进行分组检测。实验进水的主要水质指标见表2。

  表2 进水离心后水质平均值

1.4 实验方法

1.4.1 填料挂膜方法

将准备接种的活性污泥混合液静置后,取上清液(含有多种所需的游离菌种)作为挂膜菌种。将接种活性污泥的上清液引入反应器中,投加污水的体积比为1:1,此时填料上几乎无膜。3周后,开始连续进水,并逐步提高进水量,逐渐形成黄色透明的生物膜,出水水质也较为稳定。经2周后,挂膜完成,整体颜色,由奶黄色转为土黄色,最后变为棕褐色。

1.4.2 微藻的扩大培养

因反应器中所需微藻量较大,所以在使用时应对微藻进行扩大培养。在0.5 L和1 L的锥形瓶中,选用培养基对其进行扩大培养,借助砂石曝气头充气,封口后平放并置于恒温培养室。当微藻数达到一定浓度后,将其迁出,放置于室外的玻璃箱中再次进行培养,采用曝气条进行曝气。玻璃箱进行加盖处理,确保藻液不被外部环境侵染。

1.5 分析方法

1.5.1 污水常规指标检测

选用检测方法及标准见表3。

表3 常指标检测方法及标准

  1.5.2 微藻细胞数量的测定

采用血球计数板计数法,每组计数3次,取平均值。

1.5.3 微藻细胞干重的测定

藻细胞的干重用重量法测定,称取50 mL藻液置于离心管,离心速度3 000 r·min−1,离心10 min,用去离子水将所得藻细胞进行二次悬浮离心,再次弃去上清液。再置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,用分析天平[18]称量。

2 结果与讨论

2.1 反应器运行条件及有机负荷优化

每天上午9点测量反应器的运行参数,取平均值。温度24.9 ℃、自然光照强度16 663 lx、灯管3支,光强5 500~12 000 lx、转盘进气压0.011 5 MPa、一级转盘转速1.32 r·min−1、二级转盘转速1.73 r·min−1。在此环境下,考察进水流量40、60和80 L·h−1,对应有机负荷(以COD计)为1.75、2.71、3.63 kg·(m3·d)−1时,反应器中一沉池、一级转盘、二级转盘和三级反应池对各污染物的去除效能。

不同进水流量下, COD的去除情况如图2所示。

  图2 不同水力负荷下COD的去除

由图2可知,在有机负荷(以COD计)为1.75、2.71、3.63 kg·(m3·d)−1时,反应器对COD的去除率分别为75%、77%、70%,出水COD的浓度分别为53、48、68 mg·L−1。结果显示,有机负荷(以COD计)增加至3.63 kg·(m3·d)−1, COD的去除率有所下降,导致这一现象的原因,据推测可能是由于生物膜量随有机负荷的增加而增加,并且导致了生物膜脱落周期缩短,从而出水中混入脱落的生物膜,进而影响出水的水质。

不同有机负荷下,SS去除情况见图3,SS的平均去除率分别为88%、87%、83%,对应的出水SS浓度为22、21和25 mg·L−1,均略高于达标排放值。这表明水力负荷过高时,污水与反应器接触时间减少,处理效果降低,反应器处理能力在一定程度上受到抑制。

  图3 不同水力负荷下SS的去除

不同有机负荷下,反应器对NH4+-N和TN、TP的去除情况如图4~图6所示。NH4+-N的平均去除率分别为78%、80%、70%,TN的平均去除率分别为34%、39%、32%,出水TN浓度均略高于达标排放值;TP的去除率分别为37%、43%、34%,出水TP浓度同样低于标准。由此可以看出,在不投加微藻的情况下,仅通过改变反应器的有机负荷,很难改善TN、TP去除不佳的情况。而根据进水水质相应调控反应器内微藻含量,则可以有效地利用进水中的TN、TP,最终可使出水中TN、TP符合排放标准。综合各项指标的处理效果,当有机负荷(以COD计)为2.71 kg·(m3·d)−1,进水流量60 L·h−1时,本反应器可达到最优运行状态。

  图4 不同水力负荷下NH4+-N的去除

  图5 不同水力负荷下TN的去除

  图6 不同水力负荷下TP的去除

2.2 反应器中微藻的生长

按既定实验,微藻后期扩大培养应在室外的玻璃箱进行。实验开展后发现,经封闭的玻璃箱仍受外界环境污染,诱发藻类产生团聚现象。细胞浓度峰值达到1.00×107 cell·mL−1,选定此浓度作为本实验藻的饱和细胞浓度。5次共投加的总藻液折算为饱和浓度后为30.5 L,体积占反应器总体积的9.4%。假设反应器内的藻液实现完全混合分布,则理论初始藻细胞浓度应为9.4×105 cell·mL−1,在藻浓度最大的一级反应池中,实际藻浓度与理论值相差甚远,可能是由于部分微藻被污泥所包裹或吸附在反应池壁引起的。反应器内的藻细胞浓度随时间变化情况如图7所示,30 d后3个反应池内藻细胞浓度分别为1.50×106、1.75×106和2.10×106 cell·mL−1,表明外加光源对微藻生长有一定的促进作用,但仍未达到相同条件下室外玻璃箱培养的饱和浓度,可能是因为光强不足。

  图7 反应器中藻的细胞浓度

2.3 投加藻后反应器的处理效能

投加微藻后,COD的去除情况如图8所示,COD的膜前和膜后平均去除率分别为62%和79%,对应的膜前和膜后出水中COD值分别为41 mg·L−1和20 mg·L−1。产生差异的原因是部分藻细胞在离心时破裂,溶解后释放出部分COD值,而膜后出水中并不含藻细胞,膜对污水中小颗粒物截留作用使膜后出水中的COD降低。

  图8 反应器对COD的去除

投加微藻后,反应器对SS的膜前和膜后平均去除率分别为61%~75%和88%~96%,膜前出水SS浓度平均值为15 mg·L−1,膜后出水SS浓度小于4 mg·L−1,如图9所示。这一差异是由于膜的分离和截留作用所导致的。SS的去除率较低是因为实验用水经离心后SS值较低,平均值仅为46 mg·L−1。

  图9 反应器对SS的去除

NH4+-N的膜前和膜后平均去除率分别为87%和88%,如图10所示。由于离心时除去了大部分影响NH4+-N值的大颗粒有机物,因此膜前和膜后去除率都较为稳定。膜后去除率比膜前去除率高时,由于微藻对氮的吸收作用,经过膜对藻体的截留作用,膜后出水中不含微藻,故NH4+-N的去除率提高。

  图10 反应器对NH4+-N的去除

TN的膜前和膜后去除率如图11所示。微藻会吸收污水中的氮用于生长,从而对TN的去除起促进作用,但从实验数据来看,这种效果不够明显,投加微藻后TN的去除率变化有限。可能是因为低浓度微藻可吸收氮量有限,或是离心时藻细胞破裂导致吸收的氮又释放到了水中。

  图11 反应器对TN的去除

TP的膜前和膜后去除率如图12所示。TP的去除率较低可能是因为反应器内无明显厌氧区且运行期间不排泥所致。理论上投加微藻后,TP的去除率应得到提高,但从实验数据来看并无明显效果,同TN的去除相似,这可能是因为微藻的浓度较低或离心导致藻体破裂所致。

  图12 反应器对TP的去除

2.4 反应器中膜的工作状况

2.4.1 膜污染

本实验采用的中空纤维膜组件表面孔径为小于微藻的直径(0.1μm),可有效截留微藻。本实验用水未经预处理,因此,存在大粒径的颗粒物,并且水中还含有一定量的微藻,故膜组件在污水中的膜通量相对于纯水通量要小得多。膜压力也会随着膜通量的减小而增大,在蠕动泵转速恒定时,膜通量随膜面压力的变化情况如图13所示。在膜污染程度相同时,通过提高蠕动泵的转速,可增大膜通量,但随着污染的加剧,改变蠕动泵的转速不再能获得所需要的膜通量,而且蠕动泵转速太高会损坏膜丝。表明膜污染很严重,需要更换膜并对其进行物理或化学清洗以恢复膜通量。

  图13 膜通量与膜面压力的关系

2.4.2 膜污染周期及清洗

中空纤维膜组件运行过程中膜通量随运行时间的变化如图13所示,在运行30 d后,膜污染越来越严重,膜通量大幅下降,膜面负压达到0.032 MPa,已无法满足反应器出水量的要求,此时需要对膜组件进行清洗,清洗周期为30 d。本实验采用酸碱洗法,清洗剂为pH=12的NaOH和pH=2的HCl溶液,在室温下先用碱液冲洗10~15 min,再用酸冲洗10~15 min,或者先碱后酸,分别浸泡1~2 h。清洗后,膜通量可恢复至原始值的80%以上

3 结论

1)设计和运行了新型藻菌共生生物转盘反应器装置,通过接种二形栅藻,成功构建了藻菌共生系统。经过藻菌共生系统处理后,污水中NH4+-N去除率分别可达88%,相较未投加藻类时均有明显提升,表明微藻可有效去除污水中的氨氮和氮磷。

2)该反应器的最佳设计和运行条件为:转盘组二级,有机负荷(以COD计)为2.71 kg·(m3·d)−1,水力停留时间4.8 h,膜清洗周期为30 d,自然光照辅以24 h外加光源,藻回收周期为30 d。(来源:环境工程学报 作者:张剑桥)