固定化正式多孔陶瓷载体的挂膜试验研究.doc

精品文档多孔悬浮陶瓷载体的挂膜试验研究夏光华1邱含2 朱华清 1(1. 景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，景德镇，江西，333001；2. 江西省陶瓷研究所, 景德镇，江西，333001)摘 要 固定化多孔悬浮陶瓷载体的挂膜废水处理工艺吸收了传统活性污泥法、生物接触氧化法和生物流化床三种工艺优点，以预固定微生物的多孔悬浮陶瓷作为挂膜载体，用泡沫陶瓷板作曝气头进行底层曝气挂膜试验。模拟废水处理试验表明：COD降解率较空白载体的提高6.58%.关键词 固定化 悬浮陶瓷载体 生物膜Experimental Study on Membrane Forming of Porous Suspended Ceramic CarrierXia Guanghua1 Qiu Han2 Zhu Huaqing 1 (1.School of Material Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,333001;2. Jiangxi Research Institute of Ceramic, Jingdezhen ,333001)Abstract The wastewater treatment process on membrane forming of immobilized porous suspended ceramic carrier has absorbed the merits of traditionally activated sludge process, bio-contact oxidation process and bio-fluidized bed. It was the experiment of membrane forming using foamed ceramics board as aeration nob carrying out bottom aeration with the membrane forming carrier of immobilized porous suspended ceramic. The experiment of simulating waste-water treatment indicated that the degradation rates of COD had rised 6.58% than its resultation of the experiment on blank carrier.Key words immobilized； suspended ceramic carrier；biomembrane0 引言目前欧美国家和日本已广泛采用生物膜技术处理有机污染物废水。其净化污水均达到较好的效果。但这些工艺由于载体的比重多大于1,且布设专门的脱膜机,因此需要较大的动力消耗,才能使载体均匀悬浮于水中,并连续地剥离多余的生物膜，正是上述缺陷限制了该技术在我国水处理中的应用。基于此，新研发的多孔陶瓷悬浮载体不仅质量轻、机械强度高、耐磨性好，而且易于再生循环使用、寿命长、生产和使用的成本低，是目前最为理想的污水处理载体之一。其核心就是利用这种陶瓷载体填料在反应器水中能充分循环流态化并保持悬浮状态,微生物在载体孔道表面上生长挂膜，确保微生物充分利用溶解氧和良好的传质条件，提高氧转移效率、水力特性等，以及提高对有机污染物的去除率。在国外，悬浮载体移动膜工艺已进入使用阶段，而我国的悬浮载体移动膜工艺基本上还处于试验研究阶段【1】，它是悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法相结合的一种工艺技术。本文以多孔悬浮陶瓷载体进行微生物挂膜技术的水处理试验，考察它们的理化和生化特性，以广泛应用于过滤、吸附、生物工程等领域。1 载体与微生物固定化目前所采用的固定化载体材料主要有有机高分子载体、无机载体和复合载体三类。无机载体(如陶粒、活性炭、沙粒等)大多具有多孔结构，与微生物接触时利用吸附效应和电荷效应把微生物固定，具有机械强度大、对微生物无毒性、不易生物分解、耐酸碱、成本低等特性且制作简单易行，只需把载体放入一定浓度的微生物悬浮液中浸泡一段时间即可。但这些载体的比重大多在1.50g/cm3到2.50g/cm3之间。本次试验所使用的是以我们新研发的多孔悬浮陶瓷载体作为填料。它是利用工业废渣得到闭孔悬浮陶瓷内核，并与改性海泡石微孔材料相结合，构成具有孔梯度的高活性多孔悬浮陶瓷载体，呈部分开孔，部分闭孔，表面粗糙多孔，具有良好的亲水特性等【2】。在生物化学水处理过程中微生物在悬浮陶瓷载体上大量附着和繁殖。由于悬浮式载体的相对密度与水的相对密度近似，使用时可以直接无规律地堆放在曝气反应池中，在正常的曝气强度下，极易达到全池流态化。它是吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者的优点而成的一种高效的污水处理陶瓷载体。固定化细胞的制备方法按照固定载体与作用方式不同，可分为三种类型:吸附法、包埋法和交联法【3】。此次试验所采用的是吸附法-表面吸附固定技术。 表面吸附固定技术是指微生物与载体表面间直接发生作用，进而实现微生物在载体表面的固定，它可分为自然吸附固定以及通过化学键作用产生表面吸附的两种形式。在大多数生物膜反应器应用的早期，所应用的都是表面吸附固定原理。一般来讲，在应用表面吸附固定技术时，不需要在微生物与载体系统中加入其他介质。图1 反应器模型 2 挂膜试验内容2.1以悬浮陶瓷载体为主体的反应器模型反应器模型如图1，预固定生物膜生物的悬浮陶瓷载体均匀悬浮在反应器中，空气泵输出的压缩空气在泡沫陶瓷曝气板的分割下可均速搅动载体，保证有机物、DO等在反应器中混合均匀， 提高DO的利用效率，增强载体中孔道的传质效果【4，5，6】。2.2接种污泥的活化 Fig.1 Model of the reactor整个试验在室温条件下进行，实验所用活性污泥取自南昌朝阳洲污水处理厂氧化沟内成熟污泥。它的氧化沟部分设计参数如下表:表3.1南昌朝阳州污水处理厂氧化沟部分设计参数Table 3.1 Nanchang chaoyan zhou the sewage treatment plant oxidation ditch part design variable污泥龄(d)污泥浓度(kg/m3)设计污泥负荷(kgBOD5/kgMLSS.d)剩余污泥产率平均停留时间(h)平均需氧量(kgO2/kgBOD5)最大需氧量(标况,kgO2/h)11.12.80.150.607.11.171088.4在培养期间,每天停机两小时,之后倾去上清液,并投加同浓度的模拟废水（按COD:N:P=100:5:1的比例：将1g可溶性淀粉溶于1000mL蒸馏水中，加入0.3%尿素0.4%KH2PO40.3%酵母膏，摇匀备用。测其COD值为3770mg/L。），继续开机曝气。每一浓度运行3-7 d，通过镜检观察到活性污泥生长量增加，再调高一个浓度，如同前一个浓度的操作方法运行。以后逐级提高废水浓度，一直提高到原废水浓度为止【7，8】。2.3挂膜试验研究3.2.1 空白（未固定化）载体的挂膜试运行两至三个周期的污泥培养驯化后,向曝气容器内投入空白（未固定化）陶粒。每天仍停机沉降两小时,取出上清液并投加配制相同的模拟废水。同时,对运行周期进行COD,溶解氧连续的测定,以及进行微生物的镜检【9】。3.2.2 固定化载体的挂膜（1）悬浮陶瓷载体的固定化生物膜生物的分离培养采用稀释分离的方法分离出生物膜生物，根据菌落特征和负染结果确定生物膜生物。生物膜生物的增殖培养采用模拟废水对纯种生物膜生物进行增殖培养。生物膜生物在悬浮陶瓷载体上的固定用增殖的生物膜生物悬液完全覆盖经改性处理的悬浮陶瓷载体，缓慢振荡(100r/min)半小时，在放入冰箱中吸附三小时，然后倾去剩余的生物膜生物悬液，将载体表面粘附生物洗净备用。固定生物膜生物的悬浮陶瓷载体的挂膜试验将固定生物膜生物的悬浮陶瓷载体与实验污水按一定比例加入反应器中进行多周期、递增浓度的挂膜试验。（2）固定生物膜生物的悬浮陶瓷载体的挂膜试验将固定生物膜生物的悬浮陶瓷载体与实验污水按一定比例加入反应器中进行多周期、递增浓度的挂膜试验。同时,对运行周期进行COD的测定和进行微生物的镜检。以及通过生物膜厚度和生物膜耗氧速率的测定来评价生物膜的性能。3 试验结果与分析表4.1 不同情况下的COD降解率的比较Table 4.1 COD degradation rate in different situation时间未投加陶粒COD降解率投加空白陶粒COD降解率微生物固定化陶粒COD降解率12h50.92%60.32%67.90%24h76.65%80.95%在一个周期的相同时间内，经固定化的多孔悬浮陶瓷对与污水中化学需氧量的降解率最高，其次是直接投加空白多孔悬浮陶瓷，而未投加任何载体的最小。微生物固定化可以提高废水的处理效率。图1是悬浮陶瓷载体挂膜前后表面SEM图谱，从图中可以看出，挂膜前悬浮陶瓷表面凹凸不平，凹凸面非常明显，充分说明此时孔隙非常明显，且较多；而挂膜后悬浮陶瓷表面凹凸面不明显，说明已经有一定量的生物附着在其表面，并且可以看出有的地方生物量的厚度非常明显。ab图1 悬浮陶瓷载体挂膜前后表面SEM图谱（a:挂膜前b:挂膜后）Fig 1 The SEM image of Suspended ceramic carrier surface(a:fore bundle of film b: after bundle of film)表4.2不同情况下生物膜的重量Table 4.2 Biomembrance weight in different situation陶粒类型103-105下烘至恒重W1 /(g)550下灼烧至恒重W2 /(g)挥发性生物膜重量W/(g)生物膜重量/总重量 /（%）未固定化空白陶粒挂膜3.2403.1790.0611.9188%固定化悬浮陶瓷3.3403.3170.0330.9949%固定化悬浮陶瓷挂膜3.7933.7200.0731.9623%普通陶粒挂膜4.3994.3430.0561.2894%从表4.2可得出，多孔悬浮陶瓷载体无论是否经过固定化，在相同时期内，悬浮陶瓷载体表面附着的生物膜重量都要高于普通陶粒。其中多孔悬浮陶瓷载体的表面生物膜重量与载体重量的比值1.9188%较明显的高于普通陶粒1.2894%。表4.3 生物膜厚度的测定Table 4.3 Thickness determination of living thing film初刻度132130126132122136104116120138末刻度138106128130140146130118108136刻度值206176202198218210226202188198厚度(m)10388101991091051131019499平均厚度=m试验结果表明，固定化微生物可以密集微生物，维持反应器的生物量浓度，并且有利于实现固液分离，悬浮陶瓷载体固定化生物膜后能在实验污水中快速挂膜，对于化学需氧量（COD）的降解率最高可达到80.95%，因此可以显著的提高对污水的处理能力。在投加多孔悬浮陶瓷的运行过程中，生物膜最高耗氧率为0.252mg/（gmin），生物膜平均厚度达到101.2m，每克悬浮陶瓷载体挂上生物膜0.01962g。通过对传统生物膜反应进行改进，对悬浮陶瓷载体进行微生物的固定化，实现了固定化多孔悬浮陶瓷载体的挂膜和废水处理试验【10】。该技术处理废水反应器装置具有微生物量高、容积负荷高、耐冲击负荷能力强、便于固液分离、剩余污泥量少、适用范围广、运转灵活能连续运行等优点，而且悬浮陶瓷载体填料的密度接近于水,所以在气量较小时就可以使之在反应器中呈均匀循环流化状态。4 结语4.1 以工业废渣为主要原料，并与改性海泡石微孔材料相结合的高活性多孔悬浮陶瓷载体，呈部分开孔，部分闭孔，表面粗糙多孔，具有良好的亲水特性等。在生化水处理过程中微生物在悬浮陶瓷载体上大量附着和繁殖，实现了固定化多孔悬浮陶瓷载体的挂膜和模拟废水处理试验，可广泛用于固定化酶载体和生物适应性载体。4.2多孔悬浮陶瓷载体在运行过程中，自身可以悬浮，可以减少机械动力的消耗，克服了因为无机载体密度大，在悬浮生物膜反应器工艺中的应用限制；可以直接无规律地堆放在曝气反应池中。在正常的曝气强度下，极易达到全池流态化翻动；微生物挂膜快，老化的生物膜靠水力冲刷、曝气搅动能自动脱落。并可通过（超声+化学）剥落生物膜，使陶粒再生，循环使用。4.3与其它陶瓷滤料比较，悬浮陶瓷载体固定化生物膜后可以密集微生物，能在污水中快速挂膜，并且有利于实现固液分离，COD的降解率最高可达到80.95%。试验表明，它是吸收了传统的流化床和生物接触氧化法两者优点而成的一种高效的污水处理陶瓷载体。参考文献1 刘雨,赵庆良,郑兴灿编. 生物膜法水处理技术(M). 北京：中国建筑工业出版社，2000.32 夏光华，喻佑华，魏恒勇 等.固定化多孔悬浮陶瓷载体及其制备方法(P). 中国专利,ZL200510113196.63 沈耀良,黄勇,赵丹等编. 固定化微生物污水处理技术(M). 北京：化学工业出版社，2002.54 王建龙著. 生物固定化技术与水污染控制(M). 北京：科学出版社，2002.7：5 陈铭，周晓云. 固定化细胞技术在有废水中的应用与前景J. 水处理技