不同填料对黑臭水体氨氮的去除效果研究

不同填料对黑臭水体氨氮的去除效果研究

城市黑市水体的减少和改善已成为水环境管理的重要任务之一。《水污染防治行动计划》明确要求：到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体控制在10%以下；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除在实际黑臭水体治理中，人为添加的微生物菌剂因缺少载体进行附着生长，存在菌剂易流失、难以进行持续修复的问题有机软性填料中，聚丙烯纤维（polypropylenefiber,PF）具有材质轻、曝气时易于流化翻动、纤维状结构可加强对废水的剪切接触等优点1材料和方法1.1载体与微生物的配比试验用活性污泥取自松东污水处理厂二沉池，将其闷曝24h后进行人工驯化培养。每天曝气20h，静沉3.5h，进出水0.5h。保持DO(dissolutionoxygen）值≥6mg/L，θ≥20℃，pH值在7.5左右，MLSS(mixedliquidsuspendedsolids）值为2000mg/L左右。进水为人工配水，由自来水加入适量（NH分别将长12mm、直径31μm的丝状聚丙烯纤维（廊坊帅腾化工有限公司），粒径1mm的沸石（巩义市恒鑫净水材料有限公司）和粒径75μm的沸石（巩义市龙鑫净水材料有限公司）共3种载体与驯化完成的活性污泥均匀混合，其中，载体质量（以g计）与污泥体积（以mL计）比为1∶2。微曝气条件下培养，观察到载体表面出现膜状物，随着时间的增加，膜范围变大，12d后挂膜完成，取挂膜完成的填料进行试验。1.2小试验试验采用容量为1L的烧杯进行试验，待处理模拟废水由自来水加入（NH1.2.1不同载酒精填充对模拟废水中氨氮的去除的影响设置3个不同试验组，分别取8g挂膜完成的载菌填料对1L模拟废水进行处理，每12h检测其对模拟废水pH值、DO值和氨氮含量的影响。1.2.2菌沸石投加量的优化设置两个不同试验组，取载菌聚丙烯纤维与粒径为1mm的载菌沸石进行不同投加量试验，设置投加量分别为8、12和16g，用以处理1L模拟废水，每12h进行氨氮检测，考察最优投加量，为后续实际黑臭湖水的中试研究提供投加量参考。1.3添加底泥组泥采用容量65L的亚克力定制反应器（尺寸为50cm×36cm×36cm）进行试验。设置两个不同试验组，未添加底泥组水高28cm、添加底泥组泥高5cm、上覆水高28cm。黑臭湖水取自东华大学镜月湖黑臭较为严重的区域，并添加适量（NH分别将载菌聚丙烯纤维和粒径为1mm的载菌沸石固定于反应装置（含水50L）中，设置投加量为12g/L，采用微孔曝气装置进行曝气，控制水体DO值为2.1～2.4mg/L，每12h检测其对实际黑臭湖水氨氮、亚硝氮、硝氮、pH值的影响。1.4微生物形态观察NH试验结束后，取出反应器中的填料，预处理后采用Quanta-250型环境扫描电子显微镜（ESEM）进行微生物形态观察。预处理方法：用戊二醛质量分数为2.5%的溶液固定样品2.5h后，倒掉固定液，用1mol/L磷酸缓冲液（pH值7.0）清洗样品3次，每次15min。依次用50%、70%、80%、90%和95%的乙醇溶液对样品进行脱水处理，每次15min，再用100%乙醇溶液脱水处理两次，临界点干燥，喷金镀膜后观察。2试验结果与分析2.1ph值、氨氮去除效果微生物载体是生物膜法去除氨氮的关键，其对氨氮的去除效果有着显著影响由图1可知，3个试验组的pH值皆有不同程度的下降。粒径75μm载菌沸石试验组的pH值下降幅度最小，在反应36h后即趋于稳定，72h后仅由7.01下降至6.66，推测是填料内部氧的传质作用不佳，抑制了硝化反应的进行。载菌聚丙烯纤维试验组的pH值在反应72h后由6.96下降至6.31，略高于粒径1mm载菌沸石试验组（72h后由6.97下降至6.12），这是由于载菌聚丙烯纤维上生物膜更厚，厌氧区范围更大，反硝化过程产生更多碱度使得pH值下降幅度相对较小。此外，氧作为微生物代谢的最终电子受体，耗氧速率可直观反映微生物的代谢速率这3种载菌填料对模拟废水氨氮的去除效果如图2所示。由图2可知，在0～24h处理期内，粒径为1mm和75μm的载菌沸石的氨氮去除率分别为26.9%和28.2%，推测此阶段主要是由沸石对氨氮的吸附作用导致氨氮浓度降低总体而言，聚丙烯纤维和粒径为1mm的沸石作为微生物载体时，对模拟废水氨氮的去除能力显著优于粒径为75μm的沸石。微生物在不同的载体上有着不同的成膜能力生物膜法脱氮遵循硝化-反硝化机制，亚硝化菌将氨氮转化为亚硝氮，硝化菌将亚硝氮转化为硝氮，反硝化菌将硝氮还原为氮气，对亚硝化菌及硝化菌等好氧菌供氧不足会导致硝化反应难以进行。因此载菌填料的透气性对氨氮去除效果有着显著影响2.2载菌聚丙烯纤维投加量对生物活性的影响由2.1节可知，聚丙烯纤维和粒径为1mm的沸石载菌后的氨氮去除效果显著优于粒径为75μm的沸石，更适合作为微生物载体。因此取前两种载菌填料进行不同投加量试验，结果如图3所示。由图3可知，两种载菌填料对氨氮的去除趋势相同，氨氮去除效果与反应时间和投加量皆呈正相关。载菌聚丙烯纤维的投加量为12和16g/L时，其72h的氨氮去除率分别为82.6%和85.1%，显著高于投加量为8g/L的试验组（其72h的氨氮去除率为67.4%）。粒径为1mm的载菌沸石的投加量为12和16g/L时，其72h的氨氮去除率分别为80.0%和81.1%，同样显著高于投加量为8g/L的试验组（其72h的氨氮去除率为66.0%）。虽然投加量为16g/L的试验组氨氮去除率略高于12g/L的试验组，但两者氨氮去除效果差别微小，考虑到成本因素，最佳投加量为12g/L。在载菌填料粒径和表面性质固定的情况下，高投加量意味着高表面积与高生物量。但是，过高的投加量也增加了载体表面间的碰撞摩擦，使得生物膜脱落速率增加，并导致可利用的营养物质减少，从而影响微生物活性。不同投加量的研究结果表明，当投加量达到12g/L时，继续增大投加量则黑臭水体中氨氮的去除率增幅趋缓，这一现象与周珊等2.3载菌填料对黑臭湖氨氮去除的影响研究表明，水体DO值约为2mg/L时即可达到较好的氨氮去除效果由图4(a）可知，对于未添加底泥的实际黑臭湖水，在0～12h处理期内，粒径1mm载菌沸石的氨氮去除效果显著优于载菌聚丙烯纤维，此阶段主要为沸石吸附阶段。在12～48h处理期内，水体中氨氮质量浓度持续稳定的下降，两者在此阶段对氨氮的去除速率相近。处理48h后，载菌聚丙烯纤维的氨氮去除速率有了显著提高，氨氮去除效果显著优于粒径为1mm的载菌沸石。处理60h后，载菌聚丙烯纤维和粒径为1mm的载菌沸石对实际黑臭湖水的氨氮去除率分别达94.7%和88.3%。由图4(b）可知，对于添加底泥的实际黑臭湖水，在0～48h处理期内，载菌聚丙烯纤维和粒径为1mm的载菌沸石的氨氮去除率仅分别为13.5%和20.2%，这是由于随着曝气的加入，底泥中含氮有机物发生氨化作用导致了氨氮的缓慢释放水体亚硝氮含量变化如图5所示。由图5(a）可知，对于未添加底泥的实际黑臭湖水，载菌聚丙烯纤维及粒径为1mm的载菌沸石试验组的亚硝氮积累量在皆在反应60h后达到最高值，之后水体氨氮含量的降低使得氨氮的亚硝化速率变缓，且随着亚硝氮持续转化为硝氮，亚硝氮积累量逐渐降低（108h后分别为0.01及0.14mg/L）。由图5(b）可知，对于添加底泥的实际黑臭湖水，载菌聚丙烯纤维试验组的亚硝氮积累量在84h后达到最高值3.52mg/L，之后快速下降，反应108h后，亚硝氮积累量为0.13mg/L；而对于粒径为1mm的载菌沸石试验组，由于在整个反应时间段内的氨氮含量相对较高，氨氮转化为亚硝氮的速率高于亚硝氮转化为硝氮的速率，经过108h的处理后，亚硝氮积累量高达4.08mg/L。水体硝氮含量及pH值变化如图6。由图6可知，在氨氮通过硝化作用去除的过程中硝氮持续积累，未添加底泥的实际黑臭湖水中硝氮积累量最高达4.45mg/L，添加底泥的实际黑臭湖水中硝氮积累量最高达4.95mg/L。这是由于反应器内连续曝气，水体中充足的溶解氧环境使得反硝化过程受阻。此外，反应过程中，pH值的变化幅度较小，未添加底泥的实际黑臭湖水pH值稳定为7.2～7.6，添加底泥的实际黑臭湖水pH值稳定为7.2～7.7。这表明，在本研究实际黑臭湖水氨氮的去除中，应用该两种载菌填料对水体pH值的影响较小。实际黑臭湖水本身含有大量土著微生物，曝气装置的运行可改变水体溶解氧环境，刺激土著微生物中好氧菌的生长，使得土著微生物由厌氧菌向兼性菌及好氧菌转变，极大地提高了对氨氮的降解能力2.4载菌聚丙烯纤维膜厚度特征载体所负载生物量的多少对氨氮去除效果有着直接影响。对反应器中的填料表面进行ESEM观察，结果如图7所示。由图7可知：两种载体上的微生物是以细菌为主体的群体，载菌聚丙烯纤维表面所负载微生物以球状菌为主体，微生物的生长繁殖形成了大量菌胶团；粒径为1mm的载菌沸石表面所负载微生物以丝状菌为主体，生物膜的厚度显著小于载菌聚丙烯纤维。推测聚丙烯纤维纤维状的结构和较小的直径，使得比表面积相对更大，微生物可附着点位更多，利于挂膜，因此所载生物量显著高于粒径为1mm的载菌沸石，氨氮去除效果更好。同时较高的生物量也创造了厌氧微环境，使得硝化作用与反硝化作用同步进行，提高脱氮效果。此外，两者生物膜的结构也存在显著差异，相比粒径为1mm的载菌沸石，载菌聚丙烯纤维上的生物膜疏松多孔，这一结构不仅增加了生物膜的表面积，使得菌胶团内部的微生物可直接与液相接触，而且对于氧的传质作用具有显著的增强效果3中试研究结果(1）小试研究表明，载菌聚丙烯纤维及粒径为1mm的载菌沸石的氨