磁性载体生物膜反应器处理生活污水的试验研究

中国环境科学2011,31(5)：734~739ChinaEnvironmentalScience磁性载体生物膜反应器处理生活污水的试验研究潘涌璋1*,张志永1,师波1,2(1.暨南大学环境工程系,广东省普通高校水土环境毒害性污染物防治与生物修复重点实验室,广东广州510632；2.广州市环境技术中心,广东广州510055)摘要：选取天然多孔矿物-浮石、网络状塑料外壳、磁铁为材料,开发出一种新型磁性载体,并将该载体应用于生物膜反应器中进行废水处理试验,结果表明:该磁性载体生物膜反应器在载体的挂膜性能及主要污染物去除功能上均优于非磁性载体生物膜反应器.磁性载体可在5d内完成挂膜,而非磁性载体则需8d,磁性载体生物膜反应器对COD、NH+4-N的去除率比非载体生物膜反应器分别高出5%和20%左右.在载体中心磁场强度为200Gs,水中溶解氧DO为2.0~3.5mg/L,水力停留时间HRT为5h的条件下,校园生活污水经磁性载体生物膜反应器处理后,出水中COD稳定在20mg/L左右,NH4+-N在5mg/L以下,两者的去除率均在90%左右,出水总氮为15mg/L,去除率在50%以上.实验结果还表明:连续运行60d后,磁性载体反应器内的生物膜量和悬浮污泥量仅为非磁性载体反应器的70%,说明磁场的存在有利于污泥减量化.磁载体生物膜反应器中载体外表面附着污泥及生物膜的SOUR值均大于非磁载体生物膜反应器,表明一定的磁场强度可以提高微生物活性.关键词：磁性载体；生物膜反应器；生活污水；污泥减量；生物膜活性中图分类号：X703.3文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)05-0734-06Domesticsewagetreatmentusingamagneticcarrierbioreactor.PANYong-zhang1*,ZHANGZhi-yong1,SHIBo1,2(1.KeyLaboratoryofWater/SoilToxicPollutantsControlandBioremediationofGuangdongHigherEudcationInstitutes,DepartmentofEnvironmentalEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China；2.GuangzhouEnvironmentalTechnologyCenter,Guangzhou510055,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(5)：734~739Abstract：Anewtypeofmagneticcarrierwaspreparedconsistingofpumice,magnetandretiformplasticball.Itwasusedinabioreactortotestthefunctiononbiofilmformationandbiologicaldegradationofdomesticsewage.Thestart-upproceduresofmagneticcarrierbioreactorandnonmagneticcarrierbioreactorwerefinishedwithin5dand8d,respectively.TheremovalefficienciesofCODandNH+4-Nbythemagneticbioreactorweremarkedhigherthannonmagneticbioreactor,with5%and20%increasingrespectively.Thedomesticsewagedegradationcapabilityofthemagneticcarrierwasthentested.Attheconditionsofthecentralmagneticfieldintensityofcarrierwas200Gs,theconcentrationofdissolvedoxygen(DO)was2.0~3.5mg/Landhydrodynamicretentiontime(HRT)wasat5h,theconcentrationofCOD,NH4+-NandTNintheeffluentfromthemagneticbioreactorwereabout20mg/L,5mg/Land15mg/L,withremovalratesof90%,90%and50%respectively.Thebiomassofbiofilmandsuspendedsludgequantityinthemagneticbioreactorwereabout70%ofthoseinthenonmagneticbioreactor,after60dtreatment,whichindicatedthatthemagneticfieldcouldimprovetheefficiencyofsludgereduction.Moreover,boththespecificoxygenuptakerates(SOUR)oftheattachedsludgeandthebiofilmonthemagneticcarrierwerehigherthanthoseonthenonmagneticcarrier,whichmeanthatthemagneticfieldcouldstimulatethemicrobeactivity.Keywords：magneticcarrier；bioreactor；domesticsewage；sludgereduction；microbeactivity在城市生活污水处理工艺中,生物接触氧化法具有运行管理方便、容积负荷较高、生物相稳定、微生物量较多等优点[1-2].随着生物载体的不断改进和创新,生物接触氧化技术已得到越来越多的应用[3-5],目前市场上常见的生物载体种类繁多,实际应用上也各有优劣,尽管接触氧化法具有污泥产量少等特点,但在实际应用过程中仍然出现载体污泥堵塞等问题,生物载体的选择对提收稿日期：2010-09-22基金项目：广州市污染防治新技术新工艺研究开发项目(GZHB2007001)∗责任作者,副教授,[e-mail]5期潘涌璋等：磁性载体生物膜反应器处理生活污水的试验研究735高接触氧化法工艺的处理效果和稳定性起着至关重要的作用[6-7].近年来,磁场对污水生物降解的影响效果已经受到了越来越多的关注,不少研究表明磁场作用可以显著提高废水生物降解的效率,有利于提高污水生物处理效率,克服生化处理设施占地面积大的缺点[8-13].本实验设计出一种磁性生物载体,并将其应用于生物膜反应器中,以校园生活污水为处理对象,考察磁性载体生物膜反应器处理实际生活污水的效果,以期开发出一种具有微生物强化功能的新型载体材料,并应用于生活污水、食品废水、制药废水和化工废水的处理中,达到较好的脱氮效果和污泥减量化效果.1试验装置和方法1.1载体试验中所用磁性载体由粒度4~6mm浮石,圆型磁铁块和直径为80mm网络状塑料外壳组成,磁性载体内中心磁场强度为200Gs,表面磁场强度为0~14Gs,见图1所示.非磁性载体不含圆型磁铁块.图1磁性载体形态Fig.1Configurationschemeofmagneticcarrier1.2工艺流程试验装置简图如图2所示.生物膜反应器用有机玻璃自行制作,尺寸为310mm×250mm×500mm,有效容积为34L,内置载体后有效容积为23.5L,载体的容积充填率为31%.进水方式为上流式,反应器底部装有曝气管曝气.通过充填磁性生物载体和非磁性生物载体分别制作2套结构大小完全相同的生物膜反应器,用于做平行对比试验.试验过程中,磁性载体中心磁场强度为200Gs,水力停留时间HRT为5h,水中溶解氧(DO)浓度在2.0~3.5mg/L之间.非磁性载体不含圆型磁铁块,水力停留时间5h,在同样曝气强度下,水中DO浓度略小于使用磁性载体时的DO浓度.进水为暨南大学校园生活污水,其水质为COD173.2~218.5mg/L;氨氮21.8~30.5mg/L;TN26.5~37.1mg/L;浊度32.3~48.2NTU;pH6.8~8.7.4231356356图2试验装置示意Fig.2Schematicoftheexperimentalapparatus1.原水箱2.进水泵3.生物膜反应器(磁性和非磁性)4.气泵5.曝气头6.出水1.3分析项目与方法测定项目采用国家规定的标准方法[14]进行.COD采用重铬酸钾法测定;NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定;总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;采用STZ-A24型浊度仪测定水样浊度;生物膜活性用微生物的比基质耗氧速率(SOUR)来评价,SOUR的测定方法见文献[15].MLSS、生物膜量和悬浮污泥量的测定采用重量法.采用恒流泵(DDB-210,上海之信仪器有限公司)控制进水流速;DO使用溶氧仪(JPB-607型)测定;扫描电镜(PHILIPSXL-30ESEM)用于观察载体的表面结构;高斯计(HT20,上海亨通磁电科技有限公司)用于测定磁场感应强度B.2结果与讨论2.1浮石性质736中国环境科学31卷浮石表面呈多孔状,灰白色,质轻,可浮于水面.容重约750kg/m3,松散容重为380kg/m3左右,孔隙率为69.5%~71.8%,吸水率为58%~61%,比表面积为0.4~0.6m2/g.浮石中主要含SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO等化合物,另外还含有少量的Mn、Mg、P、S等元素.图3为天然浮石的电镜扫描照片.由图3可知,浮石表面粗糙且密布着大量微孔,平均孔径在15µm左右,微孔之间的孔壁厚1~2µm,结构坚实,为微生物的附着提供了良好的条件.图3浮石的表面微观结构Fig.3TheSEMimageofsurfacestructureofpumice2.2挂膜性能研究本研究以有机物去除率作为判断生物膜是否成熟的指标性参数.试验在22~28℃的条件下,采用“快速排泥挂膜法”进行.接种污泥取自广州某污水处理厂二沉池的回流污泥,新鲜污泥SV为29%,MLSS为6.43g/L.将上述污泥和生活污水以1:3混合后,分别加入装有磁性载体和非磁载体的两个反应器中,浸没载体,进行闷曝.24h后排空悬浮污泥,重复操作1次,2d后改用小流量连续进水,进水流量为2L/h,反应器内DO保持在2.0mg/L以上.经观察、镜检,2d后载体表面开始出现粘性生物膜附着特征,随着挂膜时间的增加,载体表面的生物膜颜色逐渐由灰白色变成浅黄色,覆盖面积也逐渐增加,两反应器内均有丰富的钟虫、轮虫、线虫等原生和后生动物,如图4所示,其中可以观察到磁性载体生物膜反应器内的数量要略多于非磁载体生物膜反应器.钟虫线虫轮虫图4挂膜期间反应器内主要微型动物Fig.4Mainminisizecreatureinreactorduringbiofilmformation01020304050607080901000246810121416运行时间(d)去除率(%)磁性载体除氨氮非磁性载体除氨氮磁性载体除COD非磁性载体除COD图5挂膜期间2反应器NH4+-N和COD的去除率Fig.5NH4+-NandCODremovalefficienciesoftworeactorsduringbiofilmformation两反应器的NH4+-N去除率如图5所示.由图5可见,第4d起,磁性载体生物膜反应器内NH4+-N的去除率迅速提高,在第6d去除率达到85.8%,此后NH4+-N去除率一直稳定在80%以上;而非磁载体生物膜反应器内NH4+-N的去除率提高比较缓慢,在第8d才达到60%,此后NH4+-N去除率徘徊在60%~70%之间.由图5可以看出,到第6d以后2反应器内COD的去除率都稳定在80%以上.以上