凹凸棒曝气生物滤池挂膜启动特性研究孔宇

-59-第34卷第2期非金属矿Vol.34No.22011年3月Non-MetallicMinesMarch,2011曝气生物滤池属生物膜法的一种，它集生物降解、固液分离于一体，具有占地少、传质效率高、产泥量小、抗冲击负荷能力强、出水水质好等优点，被广泛应用于污水处理领域[1]。凹凸棒复合滤料以天然凹凸棒土作为主要原料，加入一定比例的其它黏土矿物，经过复配、造粒、焙烧加工制成的均质颗粒滤料，具有比表面积大，吸附性能好，表面粗糙，易于微生物附着挂膜等优点，是曝气生物滤池预处理微污染原水的理想滤料[2]。本实验通过对凹凸棒曝气生物滤池预处理微污染原水进行挂膜启动试验，研究曝气生物滤池在挂膜启动阶段对CODMn和NH3-N的去除效果及判断挂膜成功的指标体系，同时使用能谱仪分析挂膜前后滤料碳元素含量变化，提出了一种全新的生物量评价分析工具：能谱分析法，为评价凹凸棒复合曝气生物滤池的挂膜特性，具体量化生物膜含量，提供了有效的辅助手段。1 材料与方法1.1凹凸棒复合滤料本研究所使用的凹凸棒复合滤料由江苏正本净化节水科技实业有限公司生产，直径3mm左右，滤料的主要化学组成见图1和表1。图1凹凸棒复合滤料表面的能谱图表1 凹凸棒复合滤料的化学元素组成成分OSiAlFeCaMgTi含量/%43.0533.1315.405.811.380.620.61利用美国micromeritics公司产AutoPore9510型压汞仪测定滤料内部微观孔径分布，结果见图2。从图2可看出，滤料的总孔体积接近0.35mL/g，主要孔径分布范围为5~40nm，直径为13nm的孔分布最为凹凸棒曝气生物滤池挂膜启动特性研究孔 宇1 沈 巍1* 王 郑2 林子增2 杨铠诚2（1南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京210008；2南京林业大学土木工程学院，江苏南京210037）摘 要利用凹凸棒复合滤料为填料，研究曝气生物滤池对微污染水源水预处理的挂膜启动特性。研究结果表明：凹凸棒曝气生物滤池25天左右挂膜成功，CODMn和NH3-N去除率分别可达30%和65%，NH3-N的去除率可以作为曝气生物滤池挂膜成功的标志；能谱分析结果显示滤料表面碳含量为12.1%，8.86%来源于滤料吸附的有机物，3.24%来源于滤料表面附着的微生物，能谱分析法是一种评价生物量的有效辅助工具。关键词凹凸棒土曝气生物滤池挂膜启动能谱分析生物量中图分类号：X703;TD985文献标识码：A文章编号：1000-8098(2011)02-0059-04StudyonFilmFormationandStart-upofAttapulgiteBiologicalAerationFilterKongYu1ShenWei1*WangZheng2LinZizeng2YangKaicheng2(1NanjingMunicipalDesignandResearchInstituteCo,LTD,Nanjing210008;2CollegeofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037)AbstractThestart-upcharacteristicofbiologicalaerationfiltertothepretreatmentofmicro-pollutedwaterwasstudiedwithattapulgitecompositefiltermaterial.Theresultsshowedthatattapulgitebiologicalaerationfiltersucceededafter25days.TheremovalrateofCODMnandammonia-Ncouldachieve30%and65%respectively.Theremovalrateofammonia-Nwasusedasasymbolforitssuccess.Energyspectrumanalysisshowedthatcarbonelementofattapulgitecompositefiltermaterial’ssurfacewas12.1%,whichorganicadsorptionfromwaterwas8.86%andadherentmicroorganismonfiltermaterial’ssurfacewas3.24%.Energyspectrometermethodcouldbeaneffectiveevaluationofbiomassauxiliarytool.Keywordsattapulgitebiologicalaerationfilterfilmformationandstart-upenergyspectrometermethodbiomass收稿日期：2010-12-29基金项目：2009年度南京市市政设计研究院有限责任公司学术带头人基金项目资助。*通讯作者，E-mail:[e-mail]。图2凹凸棒复合滤料孔径分布图-60-第34卷第2期非金属矿2011年3月集中，滤料内部平均孔直径为22.1nm。1.2进水水质本试验采用人工模拟微污染原水作为试验用水，模拟微污染水采用葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾、氯化铵、腐殖酸等配置，进水水质指标见表2。表2 进水水质指标水质指标水温/℃pH值CODMn/(mg/L)NH3-N/(mg/L)进水水质范围10~216.7~8.35~135~111.3试验装置本研究试验装置见图3，采用上向流的曝气生物滤池，装置为直径10cm、高230cm的有机玻璃柱，滤柱内部结构由下至上依次是承托层（由不同粒径的鹅卵石按级配由大到小依次堆成，高20cm）和填料层（高120cm）。滤柱填料层中自承托层每隔20cm设一个取样口。底部设曝气头，进水及反冲洗布水管，进水和进气由水泵和气泵从底部打入滤柱，水量和气量大小由玻璃转子流量计和阀门控制，处理出水由滤料层上部40cm处的取水口流出，反冲洗废水由顶部溢流口排放。图3凹凸棒曝气生物滤池简图1.4检测项目与方法试验以高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）作为曝气生物滤池预处理微污染水效果的评价指标。CODMn用酸性高锰酸钾滴定法测定；NH3-N用纳氏试剂分光光度法测定[3]。1.5试验方法曝气生物滤池从2010年3月11日起开始启动，结合原水水质（试验所用原水为人工配制，原水中自有微生物含量相对自然水体低）和水温低等特点，采用人工接种挂膜。取河流底泥注入曝气生物滤池，完全浸没滤料，进行闷曝,每隔12h换水一次，3天后改为小流量进水，整个挂膜启动期间水力负荷为1m/h，气水比为0.5∶1，水温10℃~21℃。进水期间每天测定进出水CODMn和NH3-N，并取稳定运行一段时间后曝气生物滤池滤层下部的凹凸棒复合滤料，使用OxfordInstrumentsINCA能谱仪对滤料表面和剖面进行化学元素分析。2 结果与讨论2.1CODMn的去除效果挂膜阶段CODMn的去除效果，见图4。从图4可看出，在曝气生物滤池挂膜启动初期，CODMn去除率就可以达到30%左右，这主要是由于凹凸棒复合滤料具有合理的孔径分布，内部微孔的平均直径为22.1nm，相关研究表明，吸附剂的最佳孔径大小范围为吸附质的1.7~6倍[4]，由于配制微污染原水中的有机物主要为大分子有机物，所以凹凸棒复合滤料对水中溶解性大分子有机物有很好的吸附作用。同时滤料的粒径较小，具有较强的截留能力，拦截了部分非溶解性有机物。第4天以后，曝气生物滤池对CODMn的去除率有所下降，这可能是因为凹凸棒复合滤料的吸附容量接近饱和，去除CODMn的异养菌还未开始发挥生物降解作用，同时去除率的数据也没有表现出很强的规律性。第8天开始，出现短期寒潮，水温度降至10℃左右，CODMn的去除率出现下降。之后随着气温的回升，去除率又持续上升并趋于稳定，虽然这个时期去除率并不稳定，但总体上呈现出上升的趋势，到第17天，CODMn去除率已经到达了30%，并逐渐稳定，这是因为凹凸棒复合滤料表面较为粗糙，易于被微生物附着挂膜，且去除有机物的异养菌时代周期较短，生长繁殖较快，加上原水中有机物可生化性比较强，异养菌已经在填料上开始生长，并发生了生物降解作用。在第18天到第25天的运行中，CODMn的去除率都稳定在30%到34%之间，填料上异养菌的种类、数量趋于稳定，滤料表面和内部附着的生物膜中的异氧菌基本成熟。相关研究表明，生物膜对CODMn的去除率主要依赖于原水中可生化有机物量的多少,因而对曝气生物滤池而言不宜采用CODMn去除率作为判断生物膜成熟的标志[5]。图4挂膜阶段CODMn的去除效果2.2NH3-N的去除效果挂膜阶段NH3-N的去除效果，见图5。从图5可以看出，在曝气生物滤池挂膜启动初期，NH3-N去除率在30%左右，这主要是因为凹凸棒复合滤料对进水中NH3-N具有良好的吸附作用[6]。随后去除率便开始逐渐下降，这主要是因为这一阶段NH3-N的去除主要依靠凹凸棒复合滤料的物理吸附作用，随着滤料中NH3-N吸附量不断增加，-61-滤料对NH3-N的吸附作用逐渐减弱，去除率不断下降。NH3-N去除率在第6天降到18%，随后去除率开始上升，虽然到了第8天，水温度降至10℃左右，NH3-N的去除率并未像CODMn那样出现下降。温度是影响微污染原水生物预处理填料挂膜的最重要因素，硝化菌世代周期比异养菌长得多，对外界条件变化敏感[7]。本试验中NH3-N去除率并未受温度下降的影响，这主要是因为凹凸棒复合滤料比表面积较大，亲水性和吸附性良好，与氧和营养物质接触机会较多，有利于世代周期长的硝化细菌附着生长。到第9天，NH3-N去除率达到40%左右，说明硝化菌已经逐渐在滤料上附着，并且开始与滤料表面和内部吸附的NH3-N进行硝化反应，此后NH3-N去除率不断增加，说明硝化细菌还在不断增殖。第20天，在进水NH3-N浓度为3.2mg/L时，NH3-N去除率已达67%，说明曝气生物滤池的生物硝化作用已基本实现，并将去除率稳定在65%之上，NH3-N去除效果稳定标志着曝气生物滤池挂膜的成功[8]。图5挂膜阶段NH3-N的去除效果2.3凹凸棒复合滤料中碳元素质量变化评价微生物生长状况时，生物量是一个直接、有效的指标，一般以单位载体的生物膜中所附着的微生物量来表示。其测定方法可分为两类：一类是测定微生物的数量，如显微镜直接计数法、荧光计数法、稀释平板菌落计数法及比浊法等；另一类是测定微生物的重量，如称重法、定氮法、DNA含量的测定及脂磷法等。目前平板菌落计数法、称重法及脂磷法在国内外已经得到较为广泛的应用[9]，但上述方法测定程序普遍较为繁琐，每种测定方法之间定量误差较大。本研究提出一种快速简洁的生物量辅助检测手段：能谱分析法，能谱分析是利用谱线强度与纯元素或成分已知的标准化合物的谱线强度作比较，并校正获知浓度信息-定量分析，是材料科学研究领域的一种化学元素分析的重要方法。本研究结合对运行稳定后曝气生物滤池中凹凸棒复合滤料的扫描电镜分析，取稳定运行一段时间后曝气生物滤池滤层下部滤料，使用OxfordInstrumentsINCA能谱仪对滤料表面和剖面进行化学元素分析，用碳元素含量的变化验证挂膜前后滤料中生物量的变化。从图1及其能谱仪自动生成结果可以看出，凹凸棒复合滤料本身不含有碳元素。从图7、图8及其能谱仪自动生成结果可以看出，挂膜成功后凹凸棒复合滤料表面碳含量变为扫描面内元素总质量的12.1%，剖面碳含量变为扫描面内元素总质量的8.86%，滤料表面的碳含量高于内部。碳元素是生物体的最基本元素，也是水中有机物的骨架元素。分析挂膜后滤料碳元素的来源，一是来源于滤料表面附着的生物膜及其代谢产物，另一个来源就是滤料微孔吸附的有机物。凹凸棒复合滤料具有较强的吸附性能，一部分小分子有机物可以通过扩散吸附进入滤料内部孔隙，虽然滤料内部也会生长微生物，但相对于滤料表面，特别是在挂膜启动完成的初期阶段，内部的微生物量相对表