海水曝气生物滤器污染物沿程转化规律的研究张延青

中国环境科学2011,31(11)：1808~1814ChinaEnvironmentalScience海水曝气生物滤器污染物沿程转化规律的研究张延青1,陈江萍1,2,3,沈加正2,侯沙沙1,2,刘杨1,刘鹰2*(1.青岛理工大学环境与市政工程学院,山东青岛266033；2.中国科学院海洋研究所,山东青岛266071；3.煤炭工业石家庄设计研究院,河北石家庄050051)摘要：以竹制空心生化球填料生物滤器处理海水养殖废水为对象,在水力负荷为0.58m3/[m3(填料)h]、氨氮负荷为(0.35~0.46)g/[m3(填料)h]、有机负荷约为11.58g/[m3(填料)h]、气水比3:1、pH值为7.8~8.0、DO浓度2.8~5.8mg/L的条件下,考察了有机物和总氨氮(TAN)的沿程转化规律,分析了污染物的空间分布特性.结果表明:在给定的运行条件下,CODMn的主要去除区间在滤器的0~10cm高度,其中CODMn和溶解性CODMn在此处的去除率分别为49.12%和34.88%;TAN的主要去除区间为0~30cm,其中10cm处TAN的去除率为18%,30cm处为55%;生物量和生物活性由下向上呈递减的分布趋势;生物滤器污染物的主要去除区间为0~30cm,受到水质、水量冲击时,较高层的填料(30~60cm)起到了缓冲作用,将下层生物膜未能降解的污染物去除.关键词：海水养殖废水；生物滤器；污染物去除；生物量；生物活性中图分类号：X703文献识别码：A文章编号：1000-6923(2011)11-1808-07Astudyontransformationofmainpollutantsalongthewastewaterflowinbiologicalaeratedfilter.ZHANGYan-qing1,CHENJiang-ping1,2,3,SHENJia-zheng2,HOUSha-sha1,2,LIUYang1,LIUYing2*(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China；2.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China；3.ShijiazhuangDesignandResearchInstituteofCoalIndustry,Shijiazhuang050051,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(11)：1808~1814Abstract：Theperformancesofbiologicalaeratedfilter(BAF)withhollowbambooballsasfiltermediaforwastewatertreatmentinmarineaquaculturewasinvestigated.ThewastewaterwasconditionedatpHrangingfrom7.8~8.0,DOrangingfrom2.8~5.8mg/L,air-to-waterratioat3,hydraulicloadof0.58m3/(m3h),TANloadof0.35~0.46g/(m3h),andorganicloadof1.58g/(m3h).Transformationoforganicsubstancesandammonianitrogenalongthewaterflowwereevaluatedtodeterminethespatialdistributioncharacteristicsofpollutants.ResultsshowedthatmostCODMnwasremovedbetween0~10cmheight,with49.12%CODMnremovedand34.88%solubleCODMnremovedinthisrange,meanwhilemostTANremovedbetween0~30cmheight,with18%TANremovedat10cmand55%removedat30cm.Thebiomassandmicrobialactivitydecreasedfromthebottomofthefiltertothetop.Inconclusion,pollutantsweremainlyremovedbetweentheheightof0~30cm,andtheleftsectionofthefilteralwaysactedasabuffertoremovepollutantsremainedinthewastewater,incaseofsuddenwasteloadorhydraulicimpact.Keywords:marineaquaculturewastewater;biologicalaeratedfilter;pollutantremoval;biomass;biologicalactivity循环水养殖系统因具有高度集约化、水质容易调控等优点在国内外水产养殖业得到了广泛应用[1].生物滤器是RAS系统成功运行的关键,同时也是投资和能耗最大的水处理单元,它的主要功能是去除养殖废水中的水溶性有害物.尽管生物滤器是整个循环水处理系统的核心,但至今还缺少对其系统的研究,仍被认为是转化氨氮的“黑盒子”[2].陆斌等[3]研究了软性填料床缺氧-好氧生物脱氮工艺净化处理罗氏沼虾亲虾池和育苗池排污水,出水的各项指标达到回用水质要求.罗国芝等[4]研究了盐度为35‰的海水闭合系统生物滤器稳定成熟过程中,生物膜中生物相的构建及系统中氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐氮(三态收稿日期：2011-02-25基金项目：中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-EW-Q212);公益性行业科研专项(201003024);国家自然科学基金资助项目(30972267);国家贝类产业体系岗位专家经费*责任作者,研究员,[e-mail]11期张延青等：海水曝气生物滤器污染物沿程转化规律的研究1809氮)等水质指标的变化等.结合已有的研究成果,本文对有机物和三态氮沿生物滤器的转化情况,进行了进一步研究,继续考察生物滤器处理海水微污染水的性能.手段是通过监测反应器沿程各取样口的水质变化情况,分析有机物和TAN在生物滤器的沿程转化规律.与以往研究的不同之处在于本文同时研究了生物量和生物活性的沿程变化情况,以期对BAF处理海水养殖废水的设计与优化提供更全面的理论依据.1材料与方法1.1实验装置实验用生物滤器为圆柱形,如图1所示,为上流式生物滤器,由白色不透明PVC管材制成,直径Φ11cm、高120cm,填料高度为100cm,柱体的有效体积约为9.5L.滤器底部安装有穿孔布水板以支撑填料,另外还可以起到均匀布水的作用.人工配置的模拟海水养殖废水由潜水泵提升至高位水箱,由重力压差进入反应器底部.每个生物滤器的进水和曝气量都由液体流量计和气体流量计分别控制,以确保水力负荷和气水比,在滤器沿程布设了5个取样口,取样高度分别为10,30,60,80,100cm.高位水箱原水100cm出水口液体流量计布水板填料溢流口排污阀调节阀80cm采样口60cm采样口30cm采样口10cm采样口图1实验生物滤器示意Fig.1Schematicdiagramofbiofiltersystem1.2实验材料选用填料为竹制空心生化球填料(专利号:ZL02158870.8的改进型填料),以竹子为原料,其最大特点是自身能够提供有机物营养物质,加上其特殊的孔隙结构,较大的比表面积,更适合微生物的生长,且价格低廉、取材方便.已有研究表明,竹制空心生化球填料在模拟海水养殖废水处理中表现出较好的去除效果[5].实验用竹制空心生化球填料如图2所示.图2竹质空心生化球填料Fig.2Theactualbambooringmedium1.3人工配制的海水养殖废水由于养殖废水中的主要成分是未被摄食的残饵和养殖生物的粪便.为尽可能还原真实的养殖废水,本实验采用从鱼池排放水中收集的残铒、粪便来配水.表1源水水质指标Table1Waterqualityofsourcewater水质指标波动范围CODMn(mg/L)8~12总氨氮TAN(mg/L)0.6~0.8NO2--N(mg/L)0.003~0.013NO3--N(mg/L)0.5~0.6T()℃6~28pH值7.8~8.0DO(mg/L)1.8~3.8实验用残饵粪便收集于烟台天源水产有限公司,使用前将收集的残铒粪便晾晒后,用研磨机粉碎.配水时取200g溶于少量的水后,经100目筛绢过滤后,将浸出液倒入体积约为1.36m3原水桶1810中国环境科学31卷中混匀,剩余残渣弃去不用,测定相应水质指标见表1.1.4水质分析项目及方法实验期间,主要的水质指标有总氨氮(TAN)、NO2--N、NO3--N、CODMn、DO、pH值、温度等,具体测定方法参考海洋监测规范[6]及水和废水监测分析方法[7],详见表2.表2分析项目和方法Table2Analysisitemandmethods分析项目分析方法仪器CODMn碱性高锰酸钾法自动滴定器TAN纳氏试剂法UNIC7200紫外分光光度计NO2--NN-(1萘基)-乙二胺分光光度法UNIC7200紫外分光光度计NO3--N锌镉还原法UNIC7200紫外分光光度计pH仪器法YSI便携式pH计DO仪器法YSI便携式测量仪温度温度计温度计1.5生物活性的测定表征微生物活性的指标有各种酶(如脱氢酶、蛋白酶等)活性、ATP含量以及比耗氧速率(OUR)等.由于OUR测定较为简便、快捷,同时研究证明OUR同ATP含量具有较好的相关性[8],故本实验以OUR作为表示生物活性的指标.实验装置如下:便携式DO仪DO探头三角烧瓶三角烧瓶磁力搅拌器图3生物膜活性测定实验装置示意Fig.3Experimentalsetupformeasuringbiomembraneactivity操作步骤如下:从反应器沿程各取样口取出一定质量的竹制空心生化球填料,放入300mL三角烧瓶中,再将预先曝气的养殖废水缓缓倒入烧瓶中,直至有水溢出.然后放入DO探头,计时测定一段时间内DO的变化情况,并根据以下公式计算OUR:DO0.3OUR∆Xt(1)式中:DO=DO△1-DO2;△t=t1-t2;DO1为初始溶解氧量,mg/L;DO2为最终溶解氧量,mg/L;X为填料的重量,g;t为测定时间,h.1.6生物量的测定生物量的测定方法采用脂磷法,步骤如下:从反应器沿程各取样口取出一定量长有生物膜的填料(填料的取样量根据单位填料上的生物量多寡选定),置于具塞三角瓶中,加入萃取液(氯仿:甲醇:水为1:2:0.8的均相混合液),用力振摇10min,静置12h.向萃取液中加入氯仿和水,最终使氯仿:甲醇:水的比例变为1:1:0.9,此时混合液分为2层,下层为含有脂磷的氯仿相,静置12~24h.把含有脂磷的氯仿混合物移入消解管中,于65~70℃水浴中使氯仿蒸干.用过硫酸钾消解脂磷后测定磷含量,最终结果以nmolP/g载体表示,1nmolP约相当于大肠杆菌(E.coli)大小的细胞108个[9].1.7生物膜的培养反应器采用自然挂膜.将浸泡、消毒后的填料,在人工养殖废水中闷曝3d后,装入反应器中.在进水TAN=0.6~0.8mg/L,CODMn=10~20mg/L,T=6~20℃,pH值7.8~8.0,气水比为3:1的条件下,利用养殖废水本身所含有的微生物进行挂膜.初期,填料上的微生物较少,过快的流速会冲刷填料表面,使微生物较难附着在载体上,导致挂膜时间延长,故初始的水力停留时间为2~3h之间.随着生物膜的形成,不断缩短水力停留时间,待生物膜成熟后,停留时间HRT控制在1h.经过40d的挂膜,出