挂膜方式对模拟河道生物反应器启动与稳态运行的影响

中国环境科学2010,30(8)：1091~1096ChinaEnvironmentalScience挂膜方式对模拟河道生物反应器启动与稳态运行的影响徐京,朱亮,丁炜,冯丽娟,徐向阳*(浙江大学环境工程系,浙江杭州310029)摘要：对比研究了自然挂膜和改进型闷曝排泥挂膜2种启动方式对模拟河道生物反应器修复微污染水源水过程特性的影响.结果表明,采用改进型闷曝排泥挂膜法有效缩短了弹性填料的挂膜周期,该反应器的NH3-N去除率比自然挂膜组提前1周达到70%以上.挂膜成熟后,闷曝排泥挂膜组附着的生物膜量和胞外多聚物含量分别为自然挂膜组的1.38倍和1.41倍,生物膜结构亦较为致密,2组反应器的NH3-N、CODMn平均去除率最终分别稳定在92%和82%以上.通过改变曝气强度和方式开展系统运行工况研究,发现2组反应器的NH3-N和CODMn去除性能呈现不同程度的波动,相比而言,采用闷曝排泥挂膜法启动的反应器对工况变化具有较强的适应能力,P(NH3-N)为0.001,一定程度上说明不同挂膜方式对填料附着的生物膜群落结构以及微污染水源水修复系统稳态运行性能影响显著.关键词：挂膜方式；模拟河道生物反应器；微污染水源水；弹性填料中图分类号：X703.3文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)08-1091-06Effectsofbiofilmgrowingmethodsonstart-upandperformancesforsimulatedriverbioreactor.XUJing,ZHULiang,DINGWei,FENGLi-juan,XUXiang-yang*(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(8)：1091~1096Abstract：Effectsoftwobiofilmgrowingmethodsonthestart-upandperformanceofsimulatedriverbioreactorswerestudied.Theriverbioreactoroperatedbyenhancedbiofilmgrowingmethodperformedbetterthanthenaturalbiofilmgrowingone,reducingthestart-upperiodforitsearliermaturationindicatedby70%removalefficiencyofNH3-N.Inthesteadyrunningstage,theremovalefficienciesofNH3-NandCODMnintwobioreactorsbothreached92%and82%,respectively.ThebiomassandEPSconcentrationoftheenhancedgrowingbiofilmwere1.38and1.41timesmorethanthenaturalone,anditsbiofilmstructurewasmorecompactaswell.TheremovalefficienciesofNH3-NandCODMninbothbioreactorsfluctuatedwhenaerationconditionchanged,andtheenhancedbiofilmgrowingmethodmadetheecosystemofbiofilmsteadiercomparedwiththenaturalone.TtestshowedthatP(NH3-N)0.001,whichsuggestedthatthereweresignificanteffectsofthebiofilmgrowingmethodsonthecommunitystructureofbiofilmandstabilityofbio-system.Keywords：biofilmgrowingmethods；simulatedriverbioreactor；micro-pollutedsourcewater；elasticfiller众多研究表明,饮用水源水中过量的有机物和“三氮”加重氯化消毒副产物的生成并引起高铁血红蛋白症、肠胃癌等疾病,严重影响生态安全和人类健康[1].生物膜法是目前国内外广泛应用的污(废)水生物处理和自来水厂预处理技术,针对我国微污染水源水有机物浓度较低、水质波动相对较明显等特点,具有极大的应用潜力[2-6].研究表明,启动方式是影响污(废)水生物处理系统运行性能的关键因素之一,挂膜周期的长短及形成生物膜的活性与稳定性直接影响工程应用效果.目前,国内外在污(废)水生物处理领域研究较多的挂膜方式有自然挂膜法[7]、快速排泥挂膜法[8-9]、接种闷曝挂膜法[10]、流量递增挂膜法[11-13]等,上述不同挂膜方式通过改变接种泥源、曝气和排泥方式等工艺参数,以期达到反应器快速启动、系统性能稳定高效的目的.但自然的或单一的人工强化挂膜工艺条件不足以赋予寡营养生境功能微生物有利的生存环境,难以实现生物系统快速启动及高效稳定运行.针对寡营养生境下微生物生长速率低、挂膜启动慢等突出问题,本研究通过对自然挂膜和改进型闷曝排泥挂膜2种启动方式下模拟河道生物反应器启动运行特性的比较,寻求在寡营养环境下快速挂收稿日期：2009-12-18基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAJ08B01)*责任作者,教授,[e-mail]1092中国环境科学30卷膜、功能微生物活性稳定持留的启动方式,以期为微污染水体原位修复工艺工程化应用提供技术支持.1材料与方法1.1试验装置试验所用装置为自行设计的模拟河道生物反应器,有效容积45L,上底宽30cm,下底宽16cm,高30cm,长75cm,坡度75°,坡降0.5%;反应器构型参见文献[14].1.2生物填料及布设方式系统内置生物填料选用TA-Ⅱ型弹性立体填料(杭州天宇环保工程有限公司),比表面积216m2/m3.自行加工为直径20cm、高27cm的弹性填料串,上部由铁丝固定悬挂于反应器中,每组反应器布设3串,填料填充率为2.33%(V/V).1.3源水水质基于前期调查的历年杭嘉湖地区典型水源地水质情况,配制了模拟微污染源水,其CODMn,NH3-N,NO3--N,TN,TP分别为6.44~10.96,2.61~4.81,1.83~3.50,5.01~6.98,0.26~0.65mg/L.1.4接种底泥与挂膜方式接种底泥取自杭嘉湖地区3个自来水厂取水口,经筛网筛除螺蛳、河蚌及水草等动植物后,按一定体积比混合,每组反应器底部铺设3L.试验选用自然挂膜(R1)和改进型闷曝排泥挂膜(R2)2种启动方式,具体参数见表1.系统稳定运行2周后,通过改变曝气强度和方式开展系统运行工况调整模拟试验,进一步考察系统运行稳定性.表1两种挂膜方式工艺参数Table1Differentconditionsfortwobiofilmgrowingmethods挂膜方式接种底泥3h/3h间歇曝气量(L/h)进水流量(mL/min)R1一直平铺于反应器底部1~15d120,15d后25030R2闷曝2d后全部排出1~2d250,3~15d120,15d后2503~7d15,每隔5d逐渐增至301.5分析项目与方法NH3-N、NO3--N、TN、TP、CODMn、TSS、VSS等均按《水和废水监测分析方法》[15]标准方法测定;DO和温度用YSIModel52溶解氧仪测定;EPS中多糖含量采用酚-硫酸方法[16]测定,蛋白含量采用牛血清白蛋白(BSA)为标准物的考马斯亮蓝法[17]测定;生物膜镜检和结构分析采用LeicaDMLB显微镜和XL-30-ESEM型环境扫描电镜(Philips公司);生物膜量采用超声预处理重量法[18]测定.2结果与讨论2.1挂膜启动过程NH3-N去除性能图1为自2009年1月1日以来模拟河道生物反应器挂膜启动与稳定运行过程的NH3-N去除性能.由图1可知,根据NH3-N去除情况挂膜启动大致可分为适应期、快速增长期和稳定期3个阶段[19].挂膜前期,采用自然挂膜启动方式的R1反应器比闷曝排泥挂膜启动的R2反应器的NH3-N去除率略高.随着反应器继续运行至42d时,R2反应器的出水NH3-N浓度低于1mg/L,去除率达70%左右,至此认为低温条件下该反应器已挂膜成功[7,20];而此时R1反应器的NH3-N去除率仅约40%,1周后逐渐增至70%,出水亦可达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[21]的Ⅲ类标准.2组反应器运行稳定后,R1出水NH3-N浓度为0.25~0.37mg/L,平均去除率为92.5%,R2分别为0.19~0.23mg/L和94.7%,均达到GB3838-2002的II类标准.总体而言,2组反应器运行期间NH3-N去除率波动较明显,可能与硝化细菌的生化条件敏感有关[22].分析认为,挂膜初期R1反应器NH3-N去除主要由接种底泥中持留的硝化细菌所贡献,而R2在闷曝排泥后,主要依靠填料表面附着的少量硝化细菌,故自然挂膜组启动初期NH3-N去除率略高.随着试验条件下接种污泥逐渐老化与菌群演替,填料表面硝化细菌富集程度成为系统NH3-N去除的关键.R2反应器采用闷曝促进接种底泥中更多微生物附着于填料表面,同时通过排泥将底泥中大量异养细菌带走,削弱了其与硝化细菌竞争DO和生存空间的能力[23-24],进而采取流量递8期徐京等：挂膜方式对模拟河道生物反应器启动与稳态运行的影响1093增的进水方式,保证了生长速率缓慢的硝化细菌有足够的停留时间于反应器内生长繁殖.为此,改进型闷曝排泥挂膜为硝化细菌富集创造了多种有利条件,使R2反应器在挂膜42d后率先挂膜成熟.鉴于改进型闷曝排泥挂膜工艺操作过程相对复杂,实际运用时可在受污染河道附近建立人工反应渠道,填料于反应渠道内挂膜成熟后再布设于河道中.因此,综合考虑挂膜启动速率和实际可操作性,改进型闷曝排泥挂膜法具有较大的应用潜力.01020304050607080901001104710131619363942464952565963707277798388919700.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0时间(d)NH3-N(mg/L)2h/4h间歇曝气去除率(%)3h/3h间歇曝气图1模拟河道反应器NH3-N去除性能Fig.1RemovalperformanceofNH3-Nintwosimulatedriverbioreactors进水R1出水R2出水R1去除率R2去除率5055606570758085901471013161936394246495256596370727779838891971001040246810121416时间(d)CODMn(mg/L)2h/4h间歇曝气去除率(%)3h/3h间歇曝气图2模拟河道反应器CODMn去除性能Fig.2RemovalperformanceofCODMnintwosimulatedriverbioreactors进水R1出水R2出水R1去除率R2去除率1094中国环境科学30卷2.2挂膜启动过程CODMn去除性能由图2可知,2组模拟河道生物反应器在启动42d,CODMn平均去除率分别为69.4%和66.8%,推测接种底泥中异养菌活性较高,增长速率较快,在低温下可迅速成为生物膜中优势菌[22,24-25],所以CODMn去除率一直保持较高水平.随着反应器逐渐挂膜成熟,CODMn平均去除率最终稳定在82%以上.整个挂膜过程2组反应器的出水CODMn浓度分别为1.44~4.56mg/L、1.41~4.98mg/L,均能达到GB3838-2002的Ⅲ类标准.2.3挂膜启动过程生物膜结构演变镜检分析发