包埋硝化菌流化床处理温瑞塘河河水的中试研究

　第１期２０１１年１月华东师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１１文章编号：１０００５６４１（２０１１）０１０１７９０６包埋硝化菌流化床处理温瑞塘河河水的中试研究张业健，　叶海仁，　郑向勇，　严　立（温州大学生命与环境科学学院，浙江温州　３２５０００）摘要：以快速去除温瑞塘河河水中的氨氮为目的，研究了包埋硝化菌流化床中试装置处理河水的特性．研究结果表明，在实验条件下，当进水氨氮平均值为６．１５ｍｇ／Ｌ时，氨氮平均去除率可达到４５．５０％，且转化产物基本上以硝酸盐氮为主．此外，中试装置对河水中的ＣＯＤＭｎ也具有一定的去除效果．包埋硝化菌流化床可以对河水中毒害性较大的氨氮进行快速转化，在城市河道的治理方面具有一定的应用前景．关键词：包埋硝化菌流化床；　温瑞塘河；　中试研究中图分类号：Ｘ５２２　　文献标识码：Ａ　　犇犗犐：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００５６４１．２０１１．０１．０２１　收稿日期：２０１０１０　基金项目：国家科技重大专项（２００９ＺＸ０７３１７００６０１０１）　第一作者：张业健，男，讲师，研究方向为水污染控制工程．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．　通讯作者：严立，男，副教授，研究方向为水污染控制工程．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]．犘犻犾狅狋狊犮犪犾犲狊狋狌犱狔狅狀狋犺犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狅犳狑犪狋犲狉犻狀犠犲狀狉狌犻狋犪狀犵犚犻狏犲狉犫狔犳犾狌犻犱犻狕犲犱犫犲犱狉犲犪犮狋狅狉狑犻狋犺犲犿犫犲犱犱犲犱狀犻狋狉狅犫犪犮狋犲狉犻犪ＺＨＡＮＧＹｅｊｉａｎ，　ＹＥＨａｉｒｅｎ，　ＺＨＥＮＧＸｉａｎｇｙｏｎｇ，　ＹａｎＬｉ（犆狅犾犾犲犵犲狅犳犔犻犳犲犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲，犠犲狀狕犺狅狌犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犠犲狀狕犺狅狌犣犺犲犼犻犪狀犵　３２５０００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：　ＴｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｐｉｌｏｔｓｃａｌｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｅｍｂｅｄｄｅｄｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｏｒａｐｉｄｌｙｒｅｍｏｖｅａｍｍｏｎｉａｆｒｏｍＷｅｎｒｕｉｔａｎｇＲｉｖｅｒ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ４５．５０％ｏｆｔｈｅａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｔｈｅＷｅｎｒｕｉｔａｎｇＲｉｖｅｒｗａｓｒｅｍｏｖｅｄｂｙｔｈｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｔｈｅａｖｅｒａｇｅｉｎｆｌｕｅｎｔａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ６．１５ｍｇ／Ｌ．Ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｄｕｃｔｏｆｔｈｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｎｉｔｒａｔｅｎｉｔｒｏｇｅｎ．ＣＯＤＭｎｃｏｕｌｄａｌｓｏｂｅｒｅｍｏｖｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ．Ｈａｒｍｆｕｌａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｉｎｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｓｃｏｕｌｄｂｅｒａｐｉｄｌｙｂｅｒｅｍｏｖｅｄｂｙｔｈｅｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｅｍｂｅｄｄｅｄｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａ．Ｔｈｉｓｃｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｕｒｂａｎｒｉｖｅｒｗａｔｅｒ．犓犲狔狑狅狉犱狊：　ｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒｗｉｔｈｅｍｂｅｄｄｅｄｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒｉａ；　ＷｅｎｒｕｉｔａｎｇＲｉｖｅｒ；　ｐｉｌｏｔｓｃａｌｅｓｔｕｄｙ０　引　　言温瑞塘河水系位于温州市瓯江以南，飞云江以北的温瑞平原，整个水系河网总长度华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年１１７８．４ｋｍ，其中主河道长３３．８ｋｍ，流域人口近１５０万，具有防洪、排涝、供水、航运、灌溉、景观、旅游、生态和环保等多种功能，对温州的城市建设和经济社会发展起着十分重要的作用，被温州人民称为母亲河．进入２０世纪８０年代以后，随着温州经济的迅猛发展，温瑞塘河水系的水污染问题越来越突出，水体普遍黑臭，严重制约了温州经济社会的可持续发展．针对温瑞塘河的水污染问题，有关部分目前已经采取一系列手段进行治理，主要包括截污纳管、生态调水、重点污染源治理和河道生态修复等［１］．虽然已实施的治理措施取得了一定的成绩，但是当前温瑞塘河的水质情况仍然为劣Ｖ类水平［２］，其中氨氮的污水情况也不容乐观，如２００９年省控监测站的监测年均值高达７．８４ｍｇ／Ｌ．城市河道的氨氮值超标会直接引起水体富营养化现象的发生，破坏河道的生态，影响城市影响等一系列问题．去除河道中氨氮的技术主要包括生物技术处理、生态治理和物化吸附等，但目前已应用的技术尚不能取得令人满意的效果，因此需要开发适合河道氨氮去除的新技术．固定化技术是指利用化学或物理手段将游离的生物催化剂（细胞或酶）定位于限定的空间区域，并使其保持活性和可反复使用的一项技术［３］，其优点是可减少生物量流失，提高反应器中的生物量，也便于固液分离，提高系统的处理能力和适应性，因此，正是基于固定化技术的优点，已经有不少学者利用包埋固定化技术，用于自来水水源水中氨氮的降解、城市污水处理厂出水中氨氮的进一步去除等［４６］．正是基于包埋硝化菌处理氨氮的良好效果，因此本论文旨在研究包埋硝化菌对温瑞塘河河水中氨氮的去除效果，同时考察其对ＣＯＤＭｎ和总氮等的去除情况，探讨包埋硝化菌流化床用于河水中氨氮去除的可行性．１　材料与方法１．１　包埋硝化菌颗粒本试验所用的包埋硝化菌颗粒来自上海交通大学张振家研究团队，采用高分子化合物聚乙二醇作为载体进行包埋，颗粒大小为３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍ，浅棕黄色，无明显气味，比水略重，密度约为１．０２ｇ／ｃｍ３，经适量曝气后可均匀悬浮于水相．颗粒表面光滑、手感柔软有弹性，具有基质通透性好、载体物理强度高和化学稳定性好等特点．１．２　实验装置本实验装置的示意图如图１所示：图１　实验装置流程图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕｐ０８１第１期张业健，等：包埋硝化菌流化床处理温瑞塘河河水的中试研究　　流化床用钢板制成，形状为长方体形，有效容积２．１０ｍ３，断面为０．６ｍ×１．４ｍ，有效水深２．５ｍ．在２．２ｍ高处设置隔网（不锈钢制），孔径２ｍｍ×２ｍｍ，以防止包埋菌颗粒流失．底部进水进气，曝气头设在距底部２５ｃｍ处．底部设置３０°斜坡，以防止颗粒沉积死角．河水由水泵提升，经精密过滤器除去水中粗大颗粒后进入大水箱，通过阀门调节反应器的进水量．空气由风机从反应器底部鼓入，空气首先通过高效多级过滤器，去除气流中携带的油雾，再通过阀门控制进气量．反应器内设有两块斜板，颗粒在曝气作用下于反应器内呈流化状态．颗粒被隔网拦截在反应器中，处理后的水则通过隔网排出，实现固液分离．包埋菌颗粒按填充率（狏／狏）为１０％的比例投放于反应器中，进水流量保持在０．５ｍ３／ｈ，进气流量在５ｍ３／ｈ左右，进气压力在０．０４６～０．０４８ＭＰａ之间，ＤＯ维持在４ｍｇ／Ｌ以上．中试装置在投入包埋颗粒后进行驯化启动，启动之后，装置连续自动进水进行正常运行，实验装置在完成驯化之后，从２００９年１２月至２０１０年５月共自动运行约５个月，期间进行不定期采集水样监测，以分析其处理效果．期间，约１个半月由于节假日原因未测水质指标．１．３　测试方法本研究水质测试方法如下：氨氮（ＮＨ＋４Ｎ），纳氏试剂分光光度法；亚硝酸盐氮（ＮＯ－２Ｎ），Ｎ（１萘基）乙二胺光度法；总氮（ＴＮ），过硫酸钾氧化紫外分光光度法；硝酸盐氮（ＮＯ－３Ｎ），酚二磺酸紫外分光光度法；ＣＯＤＭｎ，高锰酸钾消解滴定法．２　结果与讨论２．１　氨氮值的变化情况在装置的运行阶段，ＮＨ＋４Ｎ随时间的变化如图２所示：图２　ＮＨ＋４Ｎ的变化情况Ｆｉｇ．２　ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＨ＋４Ｎ　　由图２可以看出，中试装置的进水即塘河河水中的氨氮含量较高，其变化范围为３．０１～９．８４ｍｇ／Ｌ，在运行期间其平均值达到６．１５ｍｇ／Ｌ，远高于地表水Ｖ类标准，除了个别次数，流化床中试装置从连续运行开始进水中的氨氮一直维持在较高的水平，出水氨氮平均值达３．１６ｍｇ／Ｌ，平均去除率达到４５．５０％．目前，塘河河水中的氨氮值较高，主要原因可能在于沿河截污工作没有到位，生活污水与工业废水等污染源的排入导致河水中氨氮值明显偏高，在中试的运行期间，在水力停留时间仅为４．２ｈ的条件下，就可以将塘河河水中的氨氮值降低一半左右，说明包埋硝化菌流化１８１华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年床可以对河水中的氨氮进行有效处理，特别是随着塘河污染整治工作的开展，塘河水中氨氮值异常偏大的情况可到妥善解决之后，有望利用包埋硝化菌流化床对塘河水中的氨氮进行强化处理．２．２　硝酸盐氮值的变化情况在装置的不同运行阶段，ＮＯ－３Ｎ随时间的变化如图３所示．图３　ＮＯ－３Ｎ的变化情况Ｆｉｇ．３　ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＯ－３Ｎ　　从图３可以看出，在实验期间，经过包埋硝化菌流化床处理后，塘河河水中的ＮＯ－３Ｎ有明显的上升趋势．在运行期间，流化床进水中的ＮＯ－３Ｎ平均值达０．６２ｍｇ／Ｌ，处理出水的ＮＯ－３Ｎ平均值达２．７５ｍｇ／Ｌ．由前文的讨论，氨氮的平均浓度为６．１５ｍｇ／Ｌ，而经过流化床处理后，其平均的去除率达４５．５０％．可见，流化床中包埋硝化颗粒的硝化性能良好，氨氮经过其处理之后，大部分转变成为硝酸盐氮．塘河河水中的氨氮经过包埋硝化菌流化床处理变成硝酸盐氮之后，可以降低氨氮对水生动物的危害作用，解决氨氮浓度高时所带来的城市河道河水的臭味等问题．而出水中的硝酸盐氮则可以通过生态修复等手段加以去除．２．３　亚硝酸盐氮值的变化情况在装置的不同运行阶段，ＮＯ－２Ｎ随时间的变化如图４所示．图４　ＮＯ－２Ｎ的变化情况Ｆｉｇ．４　ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＮＯ－２Ｎ　　从图４可以看出，在实验期间，经过包埋硝化菌流化床处理后，塘河河水中的ＮＯ－２Ｎ２８１第１期张业健，等：包埋硝化菌流化床处理温瑞塘河河水的中试研究有上升的趋势，在运行期间，流化床进水中的ＮＯ－２Ｎ平均值达０．１２ｍｇ／Ｌ，处理出水的ＮＯ－２Ｎ平均值达０．３８ｍｇ／Ｌ．虽然经过流化床处理之后，ＮＯ－２Ｎ有上升的趋势，但是其平均值相对ＮＯ－３Ｎ的平均值要低，说明ＮＯ－２Ｎ的积累程度不算太明显．至于生成的ＮＯ－２Ｎ进入水体之后，可以在河道中通过进一步的硝化作用及植物吸收的手段加以净化．２．４　总氮的变化情况在装置的不同运行阶段，ＴＮ随时间的变化如图５所示．图５　ＴＮ的变化情况Ｆｉｇ．５　ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＴＮ　　由图５可以看出，包埋硝化菌流化床对塘河河水中的ＴＮ去除效果不是很理想，在运行期间，进水ＴＮ的平均值为５．５８ｍｇ／Ｌ，出水ＴＮ的平均值为５．６３ｍｇ／Ｌ，两者相差不大．由于包埋硝化菌流化床在好氧条件下只是对氨氮进行硝化，并不能将生成的硝酸盐氮进一步通过反硝化转化为氮气而去除，因而其对进水中ＴＮ的去除非常有限．实验中出现进水ＴＮ平均值小于出水ＴＮ平均值，且进水ＴＮ平均值小于进水氨氮平均值，其原因可能是由于测试误差引起．２．５　ＣＯＤＭｎ的变化情况在装置的不同运行阶段，ＣＯＤＭｎ随时间的变化如图６所示．图６　ＣＯＤＭｎ的变化情况Ｆｉｇ．６　ＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＣＯＤＭｎ　　由图６可以看出，包埋硝化菌流化床对ＣＯＤＭｎ具有一定的去除效果，进水中ＣＯＤＭｎ的平均值为１８．８６ｍｇ／Ｌ，经过处理后出水的ＣＯＤＭｎ的平均值为１２．１６ｍｇ／Ｌ，平均去除率为３８１华东师范大学学报（自然科学版）２０１１年３７．２９％．虽然包埋硝化菌颗粒经过驯化之后［４６］，其颗粒内部主要为自养型的硝化菌为主，但是随着系统的运行，颗粒表面会长出一层异养菌生物膜，从而在曝气的条件下对水中的有机物进行一定程度的去除，进一步净化水质．３　结　　论（１）包埋硝化菌流化床中试装置对温瑞塘河河水中的氨氮能进行有