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多面空心球载体新型生物转笼处理生活污水性能研究
2019-09-06 阅读：次
生物转盘是一种有效的生物膜法污水处理技术。对传统生物转盘进行改良，制成填料式生物转笼反应器，在转笼中投加多面空心球作为生物载体，研究该反应器对生活污水的处理效果。结果表明：转笼转速为 9～12r／min，在 HRT 从 10 h逐级降至 4．5 h的过程 中，当进水 COD、NH -N和 TN浓度分别为 215．9～241．0 mg／L、22．1～24．0 mg／L和 30．3— 33．9 mg／L时，率分别在 85．0％～90．2％，80．0％～98．3％及 21．3％～34．2％之间。实验验证了该反应器用于生活污水处理的可行性，为农村小规模生活污水的有效处理提供了适用技术。
随着农村城镇化和农民生活水平的提高，其生活污水的有效处理问题日益突出。因我国多数乡镇排水系统不完善、资金短缺，建成的小型生活污水处理设施较少。因此，开发处理效果好、投资少、运行费用低、占地小、管理方便的农村小型生活污水的处理技术为重要。生物转盘 (rotatingbiologicalcontactor，RBC)是一 种生物膜法废水处理技术，因其具有投资少、运行费用低、管理方便等点已广泛用于处理生活污水和工业废水 ’，特别适用于小规模的生活污水处理。但高性能的 RBC盘 片结构复杂、加工困难，限制了 RBC的推广应用。研究者们对生物转盘的改进进行了不断尝试，研制出了悬浮填料转笼式生物反应器，在转笼中投加悬浮填料、涤纶纤维球填料，研究了反应器的启动，处理受污染湖水的性能，取得了较好的效果 。但对采用不同载体的生物转笼反应器处理生活污水的性能缺乏系统研究。本研究采用已开发的新型生物转笼 ，通过在转笼内投加多面空心球载体，研究其处理生活污水的物去
1 材料与方法
随着农村城镇化和农民生活水平的提高，其生活污水的有效处理问题日益突出。因我国多数乡镇排水系统不完善、资金短缺，建成的小型生活污水处理设施较少。因此，开发处理效果好、投资少、运行费用低、占地小、管理方便的农村小型生活污水的处理技术为重要。生物转盘 (rotatingbiologicalcontactor，RBC)是一 种生物膜法废水处理技术，因其具有投资少、运行费用低、管理方便等点已广泛用于处理生活污水和工业废水 ’，特别适用于小规模的生活污水处理。但高性能的 RBC盘 片结构复杂、加工困难，限制了 RBC的推广应用。研究者们对生物转盘的改进进行了不断尝试，研制出了悬浮填料转笼式生物反应器，在转笼中投加悬浮填料、涤纶纤维球填料，研究了反应器的启动，处理受污染湖水的性能，取得了较好的效果 。但对采用不同载体的生物转笼反应器处理生活污水的性能缺乏系统研究。本研究采用已开发的新型生物转笼 ，通过在转笼内投加多面空心球载体，研究其处理生活污水的物去
除规律，可为小规模生活污水处理提供一种经济可行的实用技术。
1 材料与方法
1．1 实验装置及流程
生物转笼反应器由壳体、转笼及腿式支座组成,壳体用不锈钢制成，底部为半圆形；转笼表面用不锈钢筛网密闭；支座为钢架支承。反应器外形为长530mm、宽 440mm、高 350mm，总容积为 50L，有效容积为 35L，浸没面积 40％，表面筛网 60目；每个转笼直径为 300 mm，厚度为 68mm。反应装置流程如图 1所示。沿水流方向，将 3个转笼分为 1、2、3 转笼 。每个转笼共有 155个 qb25 mm 和 69个38mm填料。挂膜期间使用出水沉淀器，澄清出水同时回流污泥至反应器中污泥流失。
生物转笼反应器由壳体、转笼及腿式支座组成,壳体用不锈钢制成，底部为半圆形；转笼表面用不锈钢筛网密闭；支座为钢架支承。反应器外形为长530mm、宽 440mm、高 350mm，总容积为 50L，有效容积为 35L，浸没面积 40％，表面筛网 60目；每个转笼直径为 300 mm，厚度为 68mm。反应装置流程如图 1所示。沿水流方向，将 3个转笼分为 1、2、3 转笼 。每个转笼共有 155个 qb25 mm 和 69个38mm填料。挂膜期间使用出水沉淀器，澄清出水同时回流污泥至反应器中污泥流失。
1．2 实验材料
挂膜期间采用人工合成废水，废水为：葡萄糖 258 mg／L；NH4C147．8 mg／L；KH2PO411 mg／L；NaHCO3mg／L；CoSO4 •7H20 0．3 mg／L；MnSO4H20 0．5 mg／L；ZnSO4 ‘7H20 0．1 mg／L；NiC12 ‘6H，0 0．01mg／L。维持进水 COD：N：P=100：5：1，pH 在 7．0左右，反应温度为 17—22℃ 。
挂膜完成后实验用水采用四川大学学生宿舍生活污水，实验中根据浓度变化需要外加葡萄糖KH：PO 使进水 COD、NH -N、TP浓度符合四川省乡镇生活污水浓度 ，同时根据生活污水水质情况添加一定量的 NaHCO 。
填料选用直径为 25mm和 38mm 2种 聚丙烯塑料多面空心球，如图 2所示，产品技术指标见表 1。
填料选用直径为 25mm和 38mm 2种 聚丙烯塑料多面空心球，如图 2所示，产品技术指标见表 1。
1．3 测试方法
COD采用重铬酸钾法；pH采用玻璃电法；DO采用纳氏试剂分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；MLSS采用重量法；生物相采用 HITACHIS-450扫描电子显微镜观察。
2 结果与讨论
2．1 反应器启动
启动期 COD处理效果见图 3。1～23d填料填装率为 40％。其 中， 1～16天有污泥回流，出水COD浓度低于 50mg／L，肉眼可见 1 、2转笼表面已形成较致密的生物膜，3转笼表面生物膜基本成型，反应器内填料上未见明显生物膜； l7天停止回流排空污泥后运行，COD率下降，出水水质变差； 17—23天 ，出水 COD浓度大于 100mg／L，且填料挂膜情况无改善，表明本次反应器启动失败。
24天 ，多面空心球 100％填装，采用快速排泥挂膜法 ，出水 COD浓度逐渐降低 ，后连续 8d 稳定在 40mg／L以下，转笼表面及填料表面均附着生物膜，结合镜检生物相，可以判断反应器启
动成功。
可见多面空心球填装率影响启动效果，40％填装时挂膜失败，100％填装后反应器启动成功。这是如 们 如因为多面空心球不具有内孔，微生物只能在其光滑的表面生长，40％填装时，转笼内的填料随转笼转动，由底部上升到高点后，快速跌落到转笼底部，此时填料滚动迅速且撞击水面产生冲击力，填料表面受到强烈的水力冲刷，剪切力大，微生物难以附着，填料上无法形成生物膜；100％填装后，填料滚动缓慢，水力剪切力小，可生成生物膜，反应器可快速启动。
2．2 污水处理效果
参照文献[7]，基于转笼外边缘线速度基本相同的原则，控制实验期间转笼转速为 9～12r／min。
2．2．1 HRT对 COD率的影响
HRT对生物转笼 COD率有一定的影响。不同 HRT下 ，进出水 COD浓度及率见图4。由图 4看 出，进水 COD 浓度为 215．9～241．0 mg／L，HRT从 10h逐级降低到 4．5h过程中，出水 COD浓
2．2．1 HRT对 COD率的影响
HRT对生物转笼 COD率有一定的影响。不同 HRT下 ，进出水 COD浓度及率见图4。由图 4看 出，进水 COD 浓度为 215．9～241．0 mg／L，HRT从 10h逐级降低到 4．5h过程中，出水 COD浓
度稳定在 40mg／L以下 ，率在 85％ ～90．2％，表明该系统对生活污水 COD的性能良好。使用多面空心球填料时，出水 COD若要求满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918．2002)一级A标准，HRT不能低于 4．5h。
2．2．2 HRT对 NH，．N率的影响
HRT对生物转笼 NH．N率有明显的影响。不同 HRT下 ，系统对 NH-N的效果和不同容积负荷下 NH，一N的率分别见图 5和图 6。
由图 5可 以看出，NH一N进水浓度为 22．1～24．0mg／L，HRT从 10h逐级降低到 6h的过程中，出水 NH 一N平均浓度稳定在 3 mg／L以 下，率稳定在 80．0％ ～98．3％；且由图 6可以得知，系统NH一N容积负荷不断提高，当 NH．N容积负荷 <0．1kg／(nl •d)时，系统 NH -N率保持在 95％以上；当 NH ．N容积负荷达到 0．2 kg／(m’•d)时，氨氮率可稳定在 80％左右。结合图 5和 图 6分析，HRT大于 6 h时，对系统处理效果无明显影响，但当 HRT<4．5h时，出水 NH ．N浓度突然至 l0mg／L，后逐渐降低，但出水 NH 一N浓度波动较大，表明在低 HRT水平下，系统稳定性差，因此为保证系统对 NH．N 效果的稳定，HRT应大于4．5 h。
2．2．3 TN 的效果
不同 HRT下 ，系统对 TN的处理效果见图 7。由图 7可以看出，进水 TN浓度为 30．3～33．9mg／L，出水 TN浓度为 21．0～26．7mg／L，率为 21．3％ ～34．2％，表明该系统具有一定的脱氮能力。这是因为一方面微生物的同化反硝化作用消耗了一部分硝酸盐，另一方面是可能出现了同时硝化反硝化 (SND)作用。还可由图 7看出，单级生物转笼对 TN的效果不稳定，TN率较低。分析原因：一是自然环境下温度变化，反硝化菌脱氮能力受到影响；二是系统单级运行，反应器无回流措施，无缺氧段，依靠生物膜内部的缺氧区进行反硝化脱氮，不能保证反硝化效果；三是为保证 COD、 NH一N效果反应槽中 DO需保持较高水平，反硝化作用受到。
2．3 污泥量分析
为不影响反应器运行，在实验末期对污泥量进行测定。方法 为：每个转笼表面刮去 120 mm ×60mm的生物膜，直接烘干后称重，求得单位面积上的生物量，进而可得出转笼表面上的生物膜总量；在每个转笼内取 15个 (1)38mm 和 30个 (I)25 mm多 面空心球填料，先烘干后称重，掉填料上生物膜后再次烘干称重，根据 2次称重结果得出单个填料上附着的生物量，进而可得出填料上附着的生物总量；转笼表面上的生物总量加上填料上的生物总量即为反应器中的生物总量。污泥量 的测定结果见表 2。
由表 2可知 ，随着水流方向，转笼表面生物总量逐渐减少，填料上生物总量逐渐增多，单个转笼中生物总量基本相同。分析原因，反应器宏观上可视为完全混合式反应器，每个转笼上的生物总量则基本相同；转笼表面的微生物以异养菌为主，反应槽中各处 DO大致相同，但随着污水流向，物浓度逐渐降低，异养菌的势被削弱，所以，转笼表面的生物膜量为 1 >2 >3 ，故填料上的生物量为 1 <2<3
2．3 污泥量分析
为不影响反应器运行，在实验末期对污泥量进行测定。方法 为：每个转笼表面刮去 120 mm ×60mm的生物膜，直接烘干后称重，求得单位面积上的生物量，进而可得出转笼表面上的生物膜总量；在每个转笼内取 15个 (1)38mm 和 30个 (I)25 mm多 面空心球填料，先烘干后称重，掉填料上生物膜后再次烘干称重，根据 2次称重结果得出单个填料上附着的生物量，进而可得出填料上附着的生物总量；转笼表面上的生物总量加上填料上的生物总量即为反应器中的生物总量。污泥量 的测定结果见表 2。
由表 2可知 ，随着水流方向，转笼表面生物总量逐渐减少，填料上生物总量逐渐增多，单个转笼中生物总量基本相同。分析原因，反应器宏观上可视为完全混合式反应器，每个转笼上的生物总量则基本相同；转笼表面的微生物以异养菌为主，反应槽中各处 DO大致相同，但随着污水流向，物浓度逐渐降低，异养菌的势被削弱，所以，转笼表面的生物膜量为 1 >2 >3 ，故填料上的生物量为 1 <2<3
由表 2可以看出，转笼表面的生物量占反应器中总生物量的 27．8％，这表明污水中物主要由填料上的微生物完成，填料的挂膜效果对反应器的处理效果有决定性的影响。
2．4 生物相观察
生物转笼表面及填料表面微生物种群丰富。生物转笼表面生物膜在实验初期呈黑色，而后颜色逐渐变浅；实验末期生物膜呈黄褐色，质密，部分生物膜底层呈黑色；填料表面生物膜也为黄褐色，比笼面上生物膜颜色略深。经 60d运行 后，取 3个转 笼中的填料表面生物膜进行镜检，发现各转笼中球面上生物相基本类似，原生动物、后生动物数量和种类较多，运动活跃，观察到钟虫、累枝虫、楣纤虫、线虫、草履虫、轮虫和大型后生动物，生物膜中体系发展完善，种群丰富。
3 结 论
(1)填料填装率对生物转笼反应器启动及稳定运行至关重要，采用转笼内 100％填装填料 “快速排泥挂膜法”启动，可在 13d内完成挂膜并稳定运行。
(2)HRT对生物转笼反应器物有明显影响。HRT大于 4．5h，转笼转 速为 9～12r／min，进水 COD浓 度为 215．9～241．0 mg／L，NH 一N浓度为 22．1～24．0mg／L，TN浓度 为 30．3～33．9 mg／L，系统 COD和 NH-N率稳定在 85％ 以上，可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级 A标准要求；单级生物转笼 TN率为21．3％一34．2％，率不高。
(3)生物转笼表面及多面空心球填料表面，微生物种群丰富，体系发展完善。
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