生物膜反應(yīng)器反滲透預(yù)處理

1、生物膜反應(yīng)器反滲透預(yù)處理    摘要：考察了一種新型生物膜填料-Biofilter在反滲透預(yù)處理中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，在水力停留時間（HRT）很短的情況下（6 h），該填料對COD的處理效果可達(dá)90%以上，對TN也有一定的處理效果，且出水SS可控制在100 mg/L以內(nèi)，無需二沉池，處理成本低。 關(guān)鍵詞：生物膜反應(yīng)器 填料 中水回用     隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對于水的的需求越來越大，然而水污染日益嚴(yán)重，對生產(chǎn)和生活構(gòu)成了很大的威脅。其中，生活廢水以其產(chǎn)量大、組成成分復(fù)雜、常規(guī)處理方法難以去除其污染物等特點而成為中水回用

2、中的難題。 大連熱電股份有限公司北海熱電廠中水回用項目的目的是解決購買城市自來水作為工業(yè)用水的資金壓力以及發(fā)電成本的上升等問題，目標(biāo)是建立一個規(guī)模400 t/h的中水回用裝置，將大連市春柳河污水處理廠排放水進(jìn)行反滲透深度處理，作為北海熱電廠冷卻水及鍋爐補(bǔ)給水的源水。而反滲透成功的關(guān)鍵是其前期的預(yù)處理工作。本試驗是在實驗室中做的預(yù)處理小試試驗的一部分。 生物膜法是根據(jù)土壤自凈原理發(fā)展起來的水處理法，它和活性污泥法同屬于好氧生物處理方法1。與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)相比，生物膜法具有以下特點：附著于填料表面的微生物對廢水水質(zhì)、水量的變化有很強(qiáng)適應(yīng)性；管理方便，操作簡單；能構(gòu)成穩(wěn)定的生態(tài)系；不造成二次污

3、染2。本文利用日本NET公司研制的Biofilter作為生物膜填料，對其在反滲透預(yù)處理中的應(yīng)用效果進(jìn)行了考察。 1  試驗裝置與方法 1.1  試驗裝置 試驗裝置如圖1所示，反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，有效容積18.7 L，采用溢流出水方式控制反應(yīng)器液位，填料以S形固定在支架上，浸沒在反應(yīng)器中，填料的下方設(shè)三根微孔曝氣管和兩個砂頭，為微生物提供必要的溶解氧的同時，在反應(yīng)器中形成湍流使溶液沖刷填料表面。由恒溫器控制生物膜反應(yīng)器的溫度在25 。 圖1  試驗裝置(部分) 1-生物膜反應(yīng)器; 2-上層清液出水口; 3-出水口;4-曝氣口；5-進(jìn)水口；6-進(jìn)水計量泵；7-空氣轉(zhuǎn)

4、子流量計；8-夾子； 9-量筒； 10-進(jìn)水箱；11-氣泵 1.2  生物膜填料 Biofilter為日本NET化工公司生產(chǎn)的一種新型生物膜填料，該填料的材質(zhì)為聚乙烯酯，外形為網(wǎng)狀，內(nèi)部有十字支撐，強(qiáng)度好，有良好的可伸展性，密度約為0.8 g/cm3，由于該填料有很強(qiáng)的掛膜能力，且掛膜密度大，故長滿生物膜后的比重大于1。 圖2  Biofilter填料照片 1.3  試驗用水     試驗用水為人工配制模擬大連市春柳河污水處理廠二沉池出水。選用蔗糖為碳源，尿素為氮源配水，CODN為101，并投加少量的MgCl2、CaCl2、NaCl和

5、KCl以提供微量元素，使用NaHCO3調(diào)節(jié)pH約為7。初始進(jìn)水的COD值為200 mg/L左右，當(dāng)處理效果穩(wěn)定一周后逐步增大進(jìn)水COD的濃度，每次在原水COD濃度的基礎(chǔ)上增大100 mg/L。 1.4  分析方法 溶解氧DO、pH、流量，MLSS、MLVSS、進(jìn)出水及上清液的CODCr、NH4-N、NO2-N、NO3-N及TN和出水懸浮物SS(濾紙法)的檢測方法按照水和廢水檢測分析方法3。 1.5  污泥馴化 活性污泥取自大連市春柳河污水處理廠回流污泥池，其MLVSS/MLSS為0.58；污泥顏色發(fā)黑，有H2S的臭味。首先將取來的污泥反復(fù)淘洗，去掉上層漂浮物和下層大塊沉積物

6、，留下顆粒細(xì)小的污泥；然后空曝氣若干小時，利用內(nèi)源呼吸作用，使異氧菌自身消耗并去掉有毒物質(zhì)；最后，把污泥倒入塑料桶中進(jìn)行間歇培養(yǎng)。 由于普通活性污泥以異氧菌為主，硝化菌數(shù)量極少，必須要進(jìn)行馴化培養(yǎng)，才能滿足正常硝化的需要。另外，硝化菌為高度好氧菌，專性化能自養(yǎng)，生長緩慢，產(chǎn)率低，對環(huán)境條件反應(yīng)敏感，所以馴化培養(yǎng)的時候要特別注意控制反應(yīng)條件。用NaHCO3控制pH在78，溫度維持在25左右。連續(xù)曝氣，每隔一天換一次水。排水時，停止曝氣，污泥沉淀后，倒出上清液的三分之二，換以新配制的水。經(jīng)數(shù)次后，污泥外觀顏色轉(zhuǎn)為棕褐色，在顯微鏡下，可觀察到污泥絮體密實，菌膠團(tuán)透明度高，原生動物較多，主要為鐘蟲和累

7、枝蟲，這說明污泥的馴化培養(yǎng)過程結(jié)束。 1.6  載體掛膜 所謂載體掛膜就是將培養(yǎng)好的污泥移入反應(yīng)器中，使菌膠團(tuán)和少量的細(xì)菌截留附著在載體表面，這些固著的微生物將攝取廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行新陳代謝等生命活動，并在載體表面生長繁殖，逐漸形成薄的膠質(zhì)粘膜。隨著時間的推移，微生物不斷增長，從載體表面向外擴(kuò)散，逐步覆蓋已形成的膜層，進(jìn)而形成成熟的生物膜4。 將培養(yǎng)好的污泥倒入反應(yīng)器中，同時加入碳源、氮源和微量元素，使反應(yīng)器中的CODN=201，調(diào)節(jié)pH至7.58.0，維持反應(yīng)器溫度在25 左右。本實驗掛膜方法采用排泥掛膜法5，整個掛膜共分兩個階段進(jìn)行。 （1） 靜態(tài)掛膜期間，不連續(xù)進(jìn)出水，定時

8、向反應(yīng)器內(nèi)投加一些營養(yǎng)物質(zhì)，連續(xù)曝氣。靜態(tài)生物掛膜主要起生物接種作用，即將接種污泥加入反應(yīng)器，為部分污泥截留附著在載體表面并在其上繁殖生長創(chuàng)造適宜的條件，期間每運行到24 h重新添加碳源和氮源，靜態(tài)掛膜一般持續(xù)2-3 d。 （2） 動態(tài)掛膜：靜態(tài)掛膜2-3 d后，開始對反應(yīng)器進(jìn)行動態(tài)掛膜。動態(tài)掛膜期間，連續(xù)進(jìn)水和出水。并根據(jù)COD的降解情況逐步縮短水力停留時間（從6 h開始逐步縮短）。 1.7  生物膜電子顯微鏡照片觀察分析 從反應(yīng)器中取一小部分生物膜，置于電子顯微鏡（JXA840）下進(jìn)行不同放大倍數(shù)的觀察和拍照。通過觀察發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器中生物膜的微生物分為生物膜微生物和生物膜面生物。2&

9、#160; 試驗結(jié)果與討論 2.1  載體掛膜 圖3為靜態(tài)掛膜期間的填料照片，從圖中可以看出，白色的載體略微變黃，已有部分污泥被附著在填料上。 圖3  靜態(tài)掛膜后填料照片 動態(tài)掛膜后，可觀察到幾乎所有載體表面都有淺黃色半透明的生物膜分布，但此時生物膜發(fā)育尚不成熟，表現(xiàn)為僅覆蓋載體部分表面，厚度較小，絮狀物松散，不致密，在此后的運行中，生物膜不斷發(fā)育，標(biāo)志生物絮體發(fā)育良好的固著型纖毛蟲、鐘蟲的數(shù)量也越來越多6，大約一個月左右，生物膜發(fā)育成熟，此時，生物膜均勻分布于載體表面，越靠近載體表面越致密，反之越松散，同時載體顏色變深，標(biāo)志整個反應(yīng)器系統(tǒng)掛膜成功。 圖4  動態(tài)

10、掛膜后填料照片 通過測量掛膜前后反應(yīng)器溶液的MLSS，可以計算出填料上所附著活性污泥的質(zhì)量，進(jìn)而求出掛膜階段初期平均每克填料上負(fù)載0.42 g活性污泥。 掛膜23星期后，生物膜進(jìn)入成熟期，此時生物膜生長與衰亡的速率達(dá)到平衡，在反應(yīng)器中形成了穩(wěn)定的生態(tài)體系，因此對污染物的去除效果趨于穩(wěn)定。 圖5  生物膜成熟后的填料照片 2.2  污染物質(zhì)去除效果 2.2.1  生物膜對COD的去除效果 從圖6可以看出，掛膜后大約兩個星期的時間屬于停滯期；在這個階段，細(xì)菌不立即生長繁殖，經(jīng)一段適應(yīng)期才能在新的環(huán)境中生長繁殖，有的細(xì)菌產(chǎn)生適應(yīng)酶，菌體的細(xì)胞物質(zhì)開始增加，細(xì)菌總數(shù)不增加

11、，有的細(xì)菌不適應(yīng)新環(huán)境而死亡，所以，細(xì)菌數(shù)有所減少，造成COD的去除效果不是十分明顯；兩個星期后，適應(yīng)的細(xì)菌生長到一定程度便開始細(xì)胞分裂，進(jìn)入加速期；此時細(xì)菌的生長繁殖速度逐漸加快，細(xì)菌總數(shù)迅速增加，生物膜處于高速生長階段，呈濃密羊毛狀，流動性很大，且生物膜已經(jīng)生長成熟，反應(yīng)器中形成了穩(wěn)定的生態(tài)體系，反應(yīng)器有足夠的生物活性，對原水COD的處理能力可達(dá)90%以上；在運行28 d后將原水COD的負(fù)荷從250 mg/L增加到350 mg/L，運行42 d后將原水COD的負(fù)荷從350mg/L增加到450mg/L，運行56 d后將原水COD的負(fù)荷從450mg/L增加到600mg/L，以及運行72 d后將

12、原水COD負(fù)荷從600 mg/L增加到700 mg/L時，生物膜反應(yīng)器均需要一定的時間使系統(tǒng)重新達(dá)到平衡，實驗發(fā)現(xiàn)，COD負(fù)荷增加以后，需要5 d左右的時間使反應(yīng)器達(dá)到平衡，COD的降解能力重新達(dá)到90%以上。 圖6  COD去除效果圖 2.2.2  生物膜對TN的去除效果 從圖7可以看出，TN的去除效果不是十分理想。這是由于系統(tǒng)的曝氣量為0.2 m3/h，DO平均值為6.0 mg/L，供氧充分，且大曝氣量的沖刷作用使得菌膠團(tuán)較小，主要是好氧菌存在，硝化反應(yīng)占絕對優(yōu)勢，故反硝化作用不明顯，TN去除率較低。 2.2.3 出水SS變化效果 出水SS是水質(zhì)一個十分重要的指標(biāo)，它的

13、大小直接關(guān)系著該工藝流程的經(jīng)濟(jì)性和可行性。出水SS越小，對二沉池和膜過濾裝置的要求越低，從而降低了成本，具有很高的應(yīng)用價值。 圖7  TN去除效果圖 圖8  SS變化效果圖 從圖8可以看出，出水SS一直保持在100 mg/L以下。這是由于Biofilter填料外形為網(wǎng)狀，內(nèi)部有十字支撐，這些特點使得生物膜在填料表面生長得十分牢固，具有很強(qiáng)的耐沖刷能力，不易脫落；而且反應(yīng)器中存在大量的濾池掃除生物，例如輪蟲、線蟲、寡毛類的沙蠶等，它們有去除反應(yīng)器污泥、防止污泥積聚和堵塞的功能，降低了出水SS7。 2.3 生物膜電子顯微鏡照片觀察分析 生物膜微生物是以菌膠團(tuán)為主要組分，輔以球衣

14、菌、藻類等。生物膜面生物是固著型的纖毛蟲（例如鐘蟲、累枝蟲、獨縮蟲等）及游泳型纖毛蟲（例如楯纖蟲、斜管蟲、尖毛蟲、豆形蟲等），它們促進(jìn)反應(yīng)器凈化速度，提高反應(yīng)器整體的處理效率；此外，還有大量的濾池掃除生物。 圖9和圖10中分別是通過電子顯微鏡觀察到的生物膜的菌膠團(tuán)中輪蟲和絲狀菌的照片。 圖9  輪蟲在電子顯微鏡下的照片 圖10  絲狀菌在電子顯微鏡下的照片 另外，從反應(yīng)器中取出幾塊填料，將填料上負(fù)載的生物膜用水沖刷掉，取平行樣測定生物膜的MLVSS/MLSS，從而推斷出生物膜的活性大小；并可以計算出單位質(zhì)量填料所負(fù)載生物膜的質(zhì)量。本實驗測得該填料上所負(fù)載生物膜的MLVSS/

15、MLSS=90.1；平均每克填料上負(fù)載0.54 g生物膜，與掛膜初期階段相比，平均每克填料上負(fù)載的生物膜的量增加了0.12 g。以上數(shù)據(jù)說明Biofilter填料有很強(qiáng)的掛膜能力，單從負(fù)載能力來說，Biofilter填料是普通填料的35倍；而且從MLVSS/MLSS可以分析出Biofilter填料上所負(fù)載的生物膜不僅多，而且有很強(qiáng)的生物活性。 3  結(jié)  論 （1） 通過實驗發(fā)現(xiàn)Biofilter填料掛膜速度快，一般只需一周左右的時間即可完成；掛膜能力強(qiáng)，其掛膜能力是普通填料的35倍。 （2） 在6 h的水力停留時間下，對原水COD的處理效果可達(dá)90%以上，減少了有機(jī)物對反

16、滲透膜的幾率。 （3） 出水SS始終保持在100mg/L以下，因此對二沉池和膜過濾裝置的要求比較小，減少了占地面積，降低了成本，這被視為是Biofilter填料最大的優(yōu)點。參考文獻(xiàn) 1  鄭元景，沈光范，鄔揚(yáng)善. 生物膜法處理污水. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1983.34 2  劉  雨. 生物膜法污水處理技術(shù). 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2000. 34 3  國家環(huán)保局水和廢水監(jiān)測分析方法編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法. 第3版. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1989.246274 4  Liang Y M. Research on the characteristics of start up and operation of treating brewery wastewater with an AFB reactor