宜興市位于江蘇省南部,屬于太湖流域,其境內(nèi)多條河流均有不同程度的富營養(yǎng)化現(xiàn)象,尤其是一些較小的支流,由于沿線各類污染源的貢獻(xiàn),再加上大多流動(dòng)緩慢,因此,自凈能力較差,春夏季易爆發(fā)水華,嚴(yán)重影響居民的生活,急需治理。
人工浮島是一種在載體上種植植物的漂浮結(jié)構(gòu),最旱是用來為生物提供棲息的場所。20世紀(jì)70年代,浮島技術(shù)首先在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)用。90年代以后,才逐漸受到我國的重視。相比較一些傳統(tǒng)的治理富營養(yǎng)化的方法,人工浮島具有占地面積小,應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn),不僅可以凈化水質(zhì),而且可以起到美化景觀,消浪護(hù)岸的作用。
傳統(tǒng)的浮島屬于植物型浮島,是在載體上種植各類陸生或水生植物,利用植物吸收去除水體中的氮、磷,植物根系上所附著的微生物也能起到降解污染物的作用。因此,浮島就像漂浮在水中的濕地一樣,可對水體起到很好的原位修復(fù)作用。研究人員通過改進(jìn)浮島的結(jié)構(gòu)、植物的篩選等提高其水質(zhì)凈化效果。CALHEIROS等和KLOMJEK等研究了不同植物對水體的修復(fù)效果,為浮島植物的選擇提供了依據(jù)。但結(jié)果也顯示了植物型浮島的季節(jié)性明顯。WANC等指出植物在生長過程中可以大量去除水體中的氮磷,LADISLAS等更指出植物以及根系微生物對一些重金屬也有相當(dāng)?shù)娜コ饔?,但他們都提出了其去除多依賴植物的收割,增加了管理的困難。
研究人員通過引入填料,來克服季節(jié)性明顯和管理困難的缺點(diǎn)。馬潮江等通過引入纖維束填料,研發(fā)了一種復(fù)合人工生態(tài)浮島載體,利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層支架固定纖維束填料,增加了浮島的凈化效果。湯穎等研發(fā)的人工浮島水體凈化裝置,在浮體下懸掛裝有顆粒型填料的網(wǎng)籠,兼有傳統(tǒng)生態(tài)浮床和吸附填料之長。由此可見,性能優(yōu)良的填料可以起到強(qiáng)化浮島凈化能力的作用。
在LU等和CHANC等的研究中都構(gòu)建了新型浮島,他們采用傳統(tǒng)的浮島聯(lián)合曝氣技術(shù)。LU等提出曝氣可以提高水體的氧化還原電位,抑制藻類生長,CHANC等則指出曝氣可以促進(jìn)水質(zhì)均勻,大幅提高局部溶解氧濃度,改善水質(zhì)。因此,構(gòu)建新型浮島是可行的,但其對填料的研究過少?;诖?,我們提出構(gòu)建不依賴植物功能的新型浮島,主要以填料的生物膜凈化和吸附攔截作用為主,輔以植物的吸收作用,強(qiáng)化浮島的凈化效果。所以,本文主要從改進(jìn)填料的角度研究如何提高浮島的凈化效果。
目前,應(yīng)用于新型填料浮島技術(shù)的填料主要分為有機(jī)填料和無機(jī)填料2類。有機(jī)填料,包括纖維束填料(軟性、半軟性和復(fù)合填料)、顆粒型有機(jī)填料(環(huán)狀填料、柱狀填料、多面空心球均質(zhì)填料、內(nèi)置式填料和多孔旋轉(zhuǎn)球型填料)。無機(jī)填料有輕質(zhì)顆粒型無機(jī)填料,如陶粒和沸石等。有機(jī)填料的掛膜性能較好,凈化效果穩(wěn)定。無機(jī)顆粒主要吸附攔截去除污染物,起效快,但掛膜性能差,比重大,不適合單獨(dú)使用。對比顆粒型有機(jī)填料,纖維束填料不僅會(huì)發(fā)生堵塞和結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象,而且需要懸掛或固定在框架上,安裝不便,影響了浮島的凈化效果和制作運(yùn)行成本。因此,本實(shí)驗(yàn)室研究擬采用顆粒型有機(jī)填料和輕質(zhì)顆粒型無機(jī)填料進(jìn)行合理的組合。
各種填料在掛膜速度、掛膜量及凈化效果等方面存在差異。國內(nèi)外研究者對此做了大量的研究,但主要針對有機(jī)填料強(qiáng)化污水處理能力,作為浮島基質(zhì)的相關(guān)研究較少。所以,該研究首先針對3種常用的顆粒型有機(jī)填料,在模擬宜興當(dāng)?shù)睾恿魉|(zhì)的條件下,通過對比各填料自身的性質(zhì)、掛膜性能、凈化效果及經(jīng)濟(jì)成本,篩選出一種性能良好,經(jīng)濟(jì)可行,適合應(yīng)用于新型浮島技術(shù)的有機(jī)填料,并以此為基礎(chǔ),引入無機(jī)顆粒填料,提出一種可以進(jìn)一步提高凈化效果的組合填料,為新型浮島的進(jìn)一步研發(fā)提供重要支撐。
1實(shí)驗(yàn)部分
1. 1實(shí)驗(yàn)裝置與填料
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。為模擬浮島凈化水質(zhì)的情況,擬采用的反應(yīng)裝置主體為塑料桶,有效容積為45 L。在反應(yīng)器底部合適位置處以三腳架固定曝氣盤,該實(shí)驗(yàn)所使用的曝氣盤為直徑8 cm的高溫?zé)Y(jié)曝氣盤,通過軟管與氣泵相連,并采用時(shí)間繼電器控制曝氣時(shí)間。反應(yīng)器中部設(shè)置填料區(qū)(不銹鋼網(wǎng)籠,內(nèi)部裝填實(shí)驗(yàn)所用填料),以塑料繩懸掛于曝氣盤之上,填料網(wǎng)籠以直徑3 mm的304不銹鋼條焊接而成,尺寸為10 cm X 10 cm X 15 cm,帶有可拆卸不銹鋼網(wǎng)蓋,供調(diào)節(jié)網(wǎng)籠容積,本文調(diào)節(jié)網(wǎng)籠有效容積均為1 L。實(shí)驗(yàn)采用手動(dòng)更換水的方式,每天更換一次,體積為1 L。
實(shí)驗(yàn)所用各種有機(jī)填料如圖2所示。3種有機(jī)填料均為聚乙烯材料注塑制成,其中,空心球直徑為25 mm,比表面積為460 m2˙m-3,堆積個(gè)數(shù)為85 000個(gè)˙m-3 ,鮑爾環(huán)為圓柱狀,底面直徑為25 mm,高度為25 mm,壁厚約為1. 2 mm,比表面積為175 m2˙m-3 ,K3填料為環(huán)狀,底面直徑為25 mm,高度為10一12mm,比表面積為860 m2˙m-3 。
1. 2實(shí)驗(yàn)水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)用水采用模擬宜興當(dāng)?shù)馗粻I養(yǎng)化河水配制,以葡萄糖作為碳源,硝酸鈉和碳酸氫錢作為氮源,磷酸氫二鉀作為磷源。進(jìn)水各水質(zhì)指標(biāo)如表1所示,其中低負(fù)荷水質(zhì)為根據(jù)宜興當(dāng)?shù)馗粻I養(yǎng)化河水實(shí)際所測水質(zhì)配制,中負(fù)荷和高負(fù)荷水質(zhì)則分別用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)中為了測試目標(biāo)填料對沖擊性進(jìn)水負(fù)荷的反應(yīng)。其中,各反應(yīng)器配制低負(fù)荷水質(zhì)下各藥品的用量分別為:葡萄糖2. 5 g,碳酸氫錢740 mg,硝酸鈉790 mg,磷酸氫二鉀320 mg 。
1. 3實(shí)驗(yàn)方法
組裝并運(yùn)行反應(yīng)器,按低負(fù)荷水質(zhì)配制水樣,在室溫條件下連續(xù)運(yùn)行,控制溶解氧濃度為3一4 mg / L ,對比3種填料的掛膜性能。并將掛膜完成后的填料(1L)置于5 L新配制水樣中,研究不同填料掛膜后對各污染物的去除速率,篩選填料。通過改變污染物負(fù)荷、水溫和溶解氧濃度,研究所篩選出填料的性能,并對比單種的有機(jī)填料與組合填料凈化效果,研究浮島技術(shù)采用組合填料的可能性。
1. 4分析方法
COD采用重鉻酸鉀法測定,氨氮采用納氏試劑光度法測定,總氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定,總磷采用鑰銻抗分光光度法測定,溶解氧采用便攜式溶解氧儀測定。
填料生物膜量測定方法:取一定數(shù)量掛膜后的填料置于燒杯中,加入適當(dāng)體積的超純水,超聲10 min ,使填料表面的生物膜脫落。將超聲后的生物膜溶液用濾紙過濾后,放入烘箱中105℃烘干至恒重,過濾前后重量差按填料堆積系數(shù)換算即可求得單位體積填料(1 L)的生物膜量。
DGGE高通量測序方法:取出掛膜后的填料,將填料表面的生物膜刮下,水樣先經(jīng)濾膜過濾后,采集富集于濾膜上的過濾物。提取采集到的生物樣品的DNA,利用通用引物擴(kuò)增其16S rRNA基因,然后將等摩爾的純化后的PCR產(chǎn)物混合上機(jī)測序。
2結(jié)果與討論
2. 1有機(jī)填料的比選
2.1.1有機(jī)填料掛膜性能對比
掛膜能力是評(píng)價(jià)填料的一個(gè)重要指標(biāo),不同填料由于性質(zhì)差異,其掛膜速率和掛膜量均有差異,所以實(shí)驗(yàn)首先開展了對于3種填料掛膜性能的研究,運(yùn)行反應(yīng)器,各填料在溶解氧濃度為3 mg / L,水溫為20 -22℃的條件下掛膜,其生物膜量隨時(shí)間的變化如圖3所示。在掛膜過程中,雖然反應(yīng)器在第2天就出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象,懸浮微生物大量繁殖,但第4天微生物才附著于填料表面生長。各填料自然條件下掛膜均需要約兩周時(shí)間,第14天之后,各填料表面的生物膜量趨于穩(wěn)定,標(biāo)志著有機(jī)填料掛膜成熟,掛膜階段結(jié)束。鮑爾環(huán)填料掛膜較空心球和K3填料遲緩,生物膜量也較少,穩(wěn)定后生物膜量僅為0. 6 g / L 填料,掛膜能力較差。空心球和K3填料的終期掛膜量分別為1. 5 g / L填料和2. 2 g / L填料,所以3種填料以K3填料掛膜性能最優(yōu)。
2. 1. 2污染物去除速率
有機(jī)填料對污染物的去除能力是檢驗(yàn)填料優(yōu)劣的另一重要指標(biāo),因此,本部分實(shí)驗(yàn)開展了填料掛膜后去除污染物能力的研究。取5L新配制的水樣倒入量杯,調(diào)節(jié)pH至7左右,將1L掛膜成熟后的填料連同網(wǎng)籠放入量杯內(nèi),通過調(diào)節(jié)曝氣時(shí)長與間隔使溶解氧濃度維持在3 mg / L ,擬合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線如圖4所示。
如表2所示,R2基本都在0. 97以上,該組實(shí)驗(yàn)可以較好地?cái)M合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。K值為反應(yīng)速率常數(shù),其值越大說明各底物的去除速率越大。綜合來看,在實(shí)驗(yàn)條件下,有機(jī)填料對COD和氨氮的去除效果較好,但對TN,尤其是TP的去除效果很不理想。鮑爾環(huán)對各指標(biāo)的去除均較差,其K值遠(yuǎn)低于另外2種填料。造成這種差異的主要原因是由于鮑爾環(huán)的比表面積小,所掛的生物膜量少。環(huán)狀K3填料和空心球相比,雖然各指標(biāo)的去除效果前者略好,但總體而言均相差不大,尤其是對COD和氨氮的去除差別更小。
2. 1. 3有機(jī)填料的工藝經(jīng)濟(jì)比選
綜合對比3種有機(jī)填料,鮑爾環(huán)的去除效果太差,不予考慮??招那蚺cK3填料的凈化效果較好。根據(jù)市場調(diào)研,直徑為25 mm空心球的價(jià)格為每個(gè)0. 02元,計(jì)算可知1 kg約為8元,而K3填料是種專利產(chǎn)品,市售價(jià)格為每千克25元,同樣堆積體積1耐的填料,空心球約為1 700元,K3填料約為2 650元。K3填料的尺寸較小,高度為10 - 12 mm,過水率較空心球小,并且粒徑越小管理越困難,易于流失,更加大了工藝的成本。本實(shí)驗(yàn)的目的是為浮島篩選填料,并應(yīng)用于工程,所以選擇綜合性價(jià)比高的空心球作為工藝使用的填料。
2. 2空心球填料性能的影響因素研究
掛膜過程的本質(zhì)是微生物附著在填料表面生長,微生物會(huì)分泌一些粘性物質(zhì),形成菌膠團(tuán),使填料表面形成一層肉眼可見的有活性的生物膜。影響有機(jī)填料掛膜的因索很多,例如填料自身特性、水質(zhì)狀況、水溫和曝氣強(qiáng)度等。在本實(shí)驗(yàn)的過程中可以觀察到,實(shí)驗(yàn)初期水質(zhì)澄清;進(jìn)入掛膜階段初期時(shí),反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象,填料表面無變化;隨著時(shí)間的推移,實(shí)驗(yàn)進(jìn)入掛膜后期,填料表面肉眼可見一層黃褐色的生物膜,該階段反應(yīng)器渾濁度仍較高;水質(zhì)穩(wěn)定后,標(biāo)志著掛膜階段結(jié)束,可見反應(yīng)器水質(zhì)恢復(fù)澄清。
2. 2. 1污染物負(fù)荷對空心球掛膜及凈化效果的影響
(1)對掛膜的影響
不同污染物負(fù)荷條件下,空心球生物膜量隨時(shí)間的變化如圖5所示。不同污染物負(fù)荷條件下空心球掛膜的速率不同,較高的污染物負(fù)荷可以提高生物膜的增長速率。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,污染物負(fù)荷相對較低的條件下,在第14天,生物膜量才達(dá)到穩(wěn)定值。而污染物負(fù)荷較高的水質(zhì)下達(dá)到最大生物膜量僅需要10 d。
較差的水質(zhì)含有較多的碳源、氮源等微生物生長繁殖所需的營養(yǎng)元索,可以促進(jìn)微生物的生長。在填料的掛膜階段,水質(zhì)較差的反應(yīng)器內(nèi),水體的渾濁度也較高,而更多的有機(jī)生長的微生物可以促進(jìn)微生物向填料表面的富集,加速生物膜的生長。并且水質(zhì)較差的反應(yīng)器中填料穩(wěn)定后的生物膜量也較大,是因?yàn)楦邼舛任廴疚锟梢源龠M(jìn)向內(nèi)層生物膜的傳質(zhì),使生物膜生長的更厚。
(2)對凈化效果的影響
在其他條件不變的情況下,提高進(jìn)水污染物濃度,研究污染物負(fù)荷對空心球凈化效果的影響。如圖6所示,進(jìn)水COD負(fù)荷從平均68. 16增加至151.77 mg / (L填料˙d),去除率從61. 80%增加至72. 73 %,反應(yīng)器的濁度也有一定的增加。雖然污染物負(fù)荷增加了,但COD的去除率有所升高,是因?yàn)镃OD的去除主要靠異養(yǎng)菌,從不同水質(zhì)對掛膜的影響實(shí)驗(yàn)可知,較多的碳源促進(jìn)了異養(yǎng)菌的生長。進(jìn)水氨氮負(fù)荷從2. 82增加至4. 22 mg / ( L填料˙d),去除率從81. 45%增加至87. 21 %,在一定程度上提高進(jìn)水的氨氮濃度對硝化作用是有利的,進(jìn)水氨氮負(fù)荷繼續(xù)增加至8. 01 mg / ( L填料˙d),氨氮的去除率下降至80. 12%,這是由于異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌的競爭所致,較大的COD促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長,硝化菌由于其相對較小的最大比增長速率而在競爭中處于劣勢,使去除率有所下降。隨著污染物負(fù)荷的增加,雖然TN和TP的絕對去除量有所增加,但填料對TN和TP的去除率卻隨進(jìn)水濃度的上升呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這說明對空心球填料的TN和TP有效去除率來說,存在一個(gè)合適的TN和TP負(fù)荷范圍。
2.2.2水溫對空心球掛膜的影響
該組實(shí)驗(yàn)在低負(fù)荷水質(zhì)條件下進(jìn)行。該組實(shí)驗(yàn)是對比夏季和冬季兩組實(shí)驗(yàn)的空心球填料掛膜情況。不同溫度區(qū)間范圍,空心球填料生物膜量隨時(shí)間的變化如表3所示。可以看出,水溫對掛膜的影響較大,尤其是掛膜的啟動(dòng)階段。低水溫條件下,反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)所需時(shí)間明顯延長,在第5天反應(yīng)器水體才明顯可見渾濁現(xiàn)象,比水溫20 -22℃條件下延遲了3d。低溫條件下生物膜的增長速率也較慢,較高水溫下,掛膜階段生物膜的平均增長速率為0.149 g ˙ /(L填料˙d)^-1,低水溫下為0.124 g ˙ /(L填料˙d)^-1。掛膜時(shí)間也有所延長,低溫條件下達(dá)到最大生物膜量相比較多2d。對比2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),其終期的生物膜量差別不大,說明水溫雖然影響掛膜過程,但對填料最終的單位面積的生物膜量影響不大。
2. 2. 3 DO對空心球掛膜及凈化效果的影響
(1)對掛膜的影響
該組實(shí)驗(yàn)在溫度為20一25℃、低負(fù)荷水質(zhì)的條件下進(jìn)行,主要研究曝氣所致溶解氧濃度變化對空心球掛膜的影響。如圖7所示,不同曝氣強(qiáng)度下,空心球掛膜的差異較大。溶解氧濃度維持在3一4 mg / L時(shí),其膜增長速度快,所掛生物膜量大,掛膜良好。理論上,高溶解氧濃度有利于掛膜,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溶解氧維持在6一7 mg / L的反應(yīng)器,其掛膜狀況較中等溶解氧濃度差,主要是因?yàn)楦邚?qiáng)度的曝氣雖然可以促進(jìn)有機(jī)微生物的生長,但不利于微生物向填料表面富集,使填料表面掛膜過程難以啟動(dòng)。而且曝氣強(qiáng)度過高,也會(huì)導(dǎo)致生物膜松散,易于脫落。溶解氧濃度為0. 5一1 mg / L的反應(yīng)器填料生物膜量極少,是由于在該條件下,填料表面主要生長的為缺氧膜。由于實(shí)驗(yàn)配制水樣為微污染水體,硝酸鹽濃度較低,不利于反硝化菌的生長繁殖,使該反應(yīng)器的填料掛膜情況遠(yuǎn)比另外兩組反應(yīng)器差。
(2) DO對去除COD,NH獷-N ,TN和TP的影響
在填料掛膜成熟后,通過調(diào)節(jié)曝氣時(shí)間間隔控制反應(yīng)器溶解氧濃度分別為5,3,2和0. 5 mg / L ,研究不同溶解氧濃度對COD的降解、氨氮的轉(zhuǎn)化、以及TN和TP去除效果的影響。反應(yīng)器在水質(zhì)為低負(fù)荷,水溫為室溫(20一25℃)的條件下運(yùn)行,每個(gè)條件下水質(zhì)穩(wěn)定后運(yùn)行15 d。
1)對COD和氨氮的去除。從圖8中可以看出,隨著溶解氧濃度的逐漸降低,COD和氨氮的去除率呈現(xiàn)降低的趨勢。在4個(gè)溶解氧水平條件下,COD的平均去除率分別為63 . 16 % , 61. 10 % , 54. 64%和48. 34 % ,氨氮的平均去除率分別為80. 97% ,81. 45% ,63. 32%和35. 07%。當(dāng)溶解氧從5降低至3 mg / L時(shí),COD和氨氮的去除并沒有受到明顯影響,較高的溶解氧濃度利于生物膜內(nèi)的傳質(zhì),有利于增加其對COD和氨氮的去除能力,但高強(qiáng)度的曝氣也會(huì)導(dǎo)致外層生物膜松散和脫落,使填料表面的生物膜量變少。在這2種效應(yīng)的共同作用下,雖然溶解氧濃度得到了提高,但COD和氨氮去除率并沒有明顯增加。溶解氧低于3 mg / L時(shí),隨著溶解氧濃度的降低,COD和氨氮的去除率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,溶解氧低至0. 5 mg / L時(shí),反應(yīng)器中氧氣傳質(zhì)效果差,無法滿足微生物需求,使填料形成較厚的缺氧層,填料的生物膜變黑。而COD和氨氮的去除主要以好氧菌群為主,所以此時(shí)其去除率有明顯的降低。
2)對TN的去除。不同溶解氧濃度條件下,總氮的平均去除率分別為34. 82% ,58. 60% ,56. 97%和48. 19%。較高和較低的溶解氧濃度都不利于總氮的去除,溶解氧為2和3 mg / L時(shí),總氮的去除率較高且相差不大。HE等的研究表明,有機(jī)填料同步硝化反硝化脫氮過程中,影響硝化的因索主要為氧在生物膜內(nèi)的傳質(zhì),充足的溶解氧可以促進(jìn)COD和氨氮的去除,氧氣由于生物膜的消耗而呈現(xiàn)濃度梯度,使內(nèi)層的生物膜處于缺氧狀態(tài),成為反硝化過程的主要場所。溶解氧濃度為5 mg / L時(shí),氧氣的傳質(zhì)能力強(qiáng),不僅懸浮生長的微生物均處于好氧狀態(tài),填料表面的生物膜也難以形成一定規(guī)模的缺氧層,雖然氨氮可以大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,但由于反硝化菌的活性受到抑制,反應(yīng)器內(nèi)硝氮大量累積,難以轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴南到y(tǒng)中去除,導(dǎo)致脫氮能力較差。溶解氧濃度為2 mg / L時(shí),雖然氨氮的氧化效率降低,但反硝化效率有所提高,所以總氮的去除率仍維持較高水平。隨著溶解氧進(jìn)一步的降低,氨氮的氧化成為限制脫氮的主要因素,總氮的去除率明顯下降。對比氨氮和總氮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,最適宜脫氮的溶解氧濃度為3 mg / L 在CAO等的實(shí)驗(yàn)中,也模擬了填料型浮島,采用了一種柱狀懸浮填料,并設(shè)置空白組對比了凈化效果,其模擬的浮島對TN的凈化效果接近60%,這與該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論吻合。
3)對TP的去除。從圖10中可以看出,溶解氧濃度越低,總磷的去除率也越低,4個(gè)階段總磷的去除率分別為35. 23% ,31. 62% ,23. 99%和11. 53%。在鄭作添研究球形填料的實(shí)驗(yàn)中,其總磷的去除率可達(dá)75 %,對比本實(shí)驗(yàn),總磷的去除主要靠微生物的同化作用,并沒有去除底泥的過程,所以總磷的去除率總體不高,對于不依賴植物的浮島,單一的有機(jī)填料在自然狀態(tài)下除磷效果不好。溶解氧較高的條件下,好氧區(qū)好氧微生物大量繁殖,提高了通過同化作用吸收磷的能力。與缺氧微生物相比,好氧微生物具有生長率高、世代時(shí)間短等特點(diǎn),所以,在同化作用除磷方面具有主要的影響。因此,隨著溶解氧濃度的降低,總磷的去除率也呈明顯下降趨勢。
對比空白組出水和填料組出水的COD,氨氮,TN和TP濃度變化可以看出,空白組對于各指標(biāo)的去除效果均較填料組差,所以在該實(shí)驗(yàn)中,填料是除溶解氧外另一個(gè)污染物去除的關(guān)鍵因索。隨溶解氧濃度變化,空白組COD的濃度變化略有上升,并不明顯,說明溶解氧對COD的去除影響不大,填料所起的作用占主要地位。而對于氮磷的去除則受溶解氧影響較大。
2. 3以空心球?yàn)橹鞯慕M合填料的凈化效果
在實(shí)驗(yàn)室前期對無機(jī)填料在氮磷去除方面研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,選取對除磷效果最好的鋼渣和吸附氨氮能力最強(qiáng)的沸石進(jìn)行組合,作為無機(jī)填料與空心球組成組合填料。根據(jù)浮島技術(shù)的要求,填料的比重不應(yīng)過大,若填料過重,會(huì)使為浮島提供浮力的浮體過大,不僅降低了浮島靈活的應(yīng)用性,而且造成資源的浪費(fèi)。若填料中無機(jī)填料部分過少,雖能滿足浮體為浮島提供浮力的要求,但會(huì)使無機(jī)填料所起的作用尤其是除磷效果過小,喪失采用組合填料的意義。以組合后的平均密度為依據(jù),無機(jī)填料選用粒徑為1一2 cm的沸石和鋼渣,組合填料的密度約為1.2g / cm^3。
在篩選出空心球填料并對其性能進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對比空心球填料與組合填料對富營養(yǎng)化水質(zhì)的凈化效果。實(shí)驗(yàn)取出掛膜成熟后的兩種填料各1L置于網(wǎng)籠內(nèi),放入裝有新配制的低負(fù)荷水質(zhì)的水樣中,調(diào)節(jié)曝氣使水體溶解氧濃度為3 mg / L,每隔一段時(shí)間測定水樣的各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)。
由表4可知,采用組合填料可以有效的提高對富營養(yǎng)化水質(zhì)指標(biāo)的凈化效果,尤其是強(qiáng)化了脫氮除磷的效果。TN和TP的去除量分別從1. 54 、0. 13mg / ( L填料˙h)增加至2.87、0.20 mg / (L填料˙h),但COD的去除效果增加不明顯,在該實(shí)驗(yàn)條件下,去除量僅從36. 74增加至41. 52 mg / (L填料˙h)。無機(jī)填料對氮磷有較強(qiáng)的吸附攔截作用,可以將水體中的氮磷富集于填料區(qū)內(nèi),提高填料區(qū)氮磷的濃度,一方面促進(jìn)微生物的生長,另一方面較高的濃度梯度有利于向生物膜內(nèi)部的擴(kuò)散,這2種作用使組合填料對氮磷的去除能力有顯著的提高。由于采用的無機(jī)填料沸石和鋼渣對COD的吸附作用較差,所以該組合填料對COD的去除效果沒有明顯的提高。
在以空心球?yàn)橹鞯慕M合填料中,其DGGE的高通量測序結(jié)果檢測到的菌種主要包括變形菌門(甲型變形菌綱(Alphoproteobacteria )、乙型變形菌綱(Betaproteobacteria )、丙型變形菌綱(Gammaproteobacteria) 、δ變形菌綱(Deltaproteobacteria ) )、異常球菌綱(Dein ococci )、放線菌綱(Actin abacteria)和一些桿菌(如黃桿菌綱(Clo.striafa )、擬桿菌綱(Bacteroldla ))等。圖11中,h. b.代表空心球表面,zeo代表沸石,S. S.代表鋼渣,sus.代表懸浮生長的微生物,Ano代表填料處于缺氧條件下,Aer代表填料處于好氧條件下。從圖11中可以看出,2種條件下填料表面均以生長變形菌門為主,甲型變形菌綱在好氧區(qū)水體及填料表面的生物膜中占的比例比缺氧區(qū)高,主要包含一些代謝C化合物的菌種。乙型變形菌包括很多好氧和兼性細(xì)菌,在微生物的屬圖中,該實(shí)驗(yàn)檢測到好氧條件下填料表面存在可以將氨氧化的亞硝化單胞菌屬(Nitro.somona.s ) 。δ一變形菌主要包括鉆細(xì)菌和嚴(yán)格厭氧的一些種類,種類較少,在缺氧區(qū)懸浮相微生物中所占比例較大。好氧區(qū)含有更多的大球菌,其生物膜松散。對污染物的去除起主要作用的為變形菌、球菌、桿菌和芽袍桿菌等,這幾類菌種占所有檢測到的菌群的80%以上,所以,填料確能對水體起到很好的凈化作用。具體參見污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結(jié)論
1)在20 - 22℃、溶解氧3 mg / L的條件下自然掛膜,K3填料、空心球和鮑爾環(huán)終期掛膜量分別可達(dá)約2. 2,1. 5和0. 6 g / L。與之相對應(yīng),3種填料以K3填料對COD,氨氮,TN和TP的去除效果最好,空心球其次,但與K3填料相差不大。3種填料中,K3填料對富營養(yǎng)化水體的凈化效果最佳,但空心球的性價(jià)比最高。
2)對于空心球而言,污染物負(fù)荷越大,溫度越高,其掛膜速度越快,但在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的溫度對最終掛膜量并沒有影響。保持較高的溶解氧濃度有利于COD,氨氮和TP的去除,但5 mg / L以上的溶解氧濃度不利于總氮的去除,溶解氧濃度為3 mg / L時(shí)對總氮去除率最高。受生物膜工藝除磷機(jī)制的限制,空心球?qū)α椎娜コЧ^差。
3)無機(jī)填料對氮磷有較強(qiáng)的吸附攔截作用,可以將水體中的氮磷吸附攔截于填料區(qū)內(nèi),導(dǎo)致填料區(qū)局部氮磷濃度較高,一方面促進(jìn)氮磷向生物膜內(nèi)的傳質(zhì),同時(shí)也促進(jìn)生物膜的生長和提高微生物活性。因此,采用組合填料能進(jìn)一步提高浮島的脫氮除磷效果,提高幅度在53%一86%。
來源:中國污水處理工程網(wǎng)
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