固定化微生物处理河流微污染水体试验研究（廖日红,王培京,许志兰）

摘要：采用固定化微生物-曝气生物滤池（IBAF）系统对北京市马草河微污染水体进行了现场连续运转中试研究。通过对进水与出水COD、氛氮和总磷的监测, 研究了IBAF系统对河湖微污染水体的处理性能。结果显示：采用IBAF系统处理河流微污染水体, 处理后主要水质指标可达到地表水Ⅳ类水体标准；各污染物的去除率分别达到：CODcr60%以上、CODmn30%以上、氛氮90%以上和总磷在50%以上；克氏定氮法测定表明IBAF系统中的生物量为35g/L, 可极大地提高处理效率；IBAF系统在驯化完成后, 能够满足重复使用的要求；试验还表明在温度5-15℃的条件下, IBAF系统脱除氛氮性能未受影响, 这对低温脱氮的研究具有重要的意义。

关键词：固定化微生物 处理 微污染水体 低温脱氮

河湖微污染水体富营养化的治理一直是一个世界性的难题。固定化微生物技术已成功地用于处理高浓度有机污水和高氨氮污水, 得到了COD尤其是氨氮去除率高于A/O工艺的结果。然而, 采用固定化微生物技术处理河湖微污染水体的治理在国际上尚未见报道。本文采用自制功能化大孔载体FPU固定化微生物B11, 所得固定化微生物置于曝气池中构成固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统,并以IBAF系统对北京市马草河进行了现场连续运转中试实验。通过对进水与出水COD、氨氮和总磷的监测, 研究了IBAF系统对河湖微污染水体的处理性能。

1 固定化微生物技术原理与特点

1.1 技术原理

固定化微生物技术属生物膜水质净化技术的一种。其原理是在受污染水体中放置高吸附性填料载体, 使水体中的细菌、真菌类微生物和原生动物、后生动物类的微型动物附着在载体上生长繁育, 并在其上形成膜状生物污泥——生物膜。生物膜上微生物高度密集, 并在膜的表面及膜内部大量生长繁殖, 形成有机污染物一细菌一真菌一原生动物一后生动物的食物链。受污染水通过生物载体时, 水中的污染物, 为生物膜上的微生物所摄取、降解, 并逐渐消耗掉水中的氧气, 需要人工曝气。在此过程中, 微生物自身也得到繁衍增殖, 并被原生与后生动物所吞噬, 原生动物与后生动物又作为鱼类的饵料, 从而形成比较完整的水生态系统, 净化水质。生物膜在成熟后, 厚度不断增加, 在增厚到一定程度后, 氧不能传递到膜的内侧深部即转变为厌氧状态, 形成厌氧性膜, 能够去除水体中氮和磷。

1.2 技术特点

固定化微生物技术具有以下特点：

(1)工艺方面。①由于在生物膜上能够形成稳定的生态系统和食物链, 最重要的是能够生长氧化能力较强的球衣菌属的丝状菌, 减少了一般生物处理技术常见的污泥膨胀的可能性；②由于丝状菌的大量滋生, 在生物膜上形成了一个呈立体结构密集的生物网, 污水在其中通过, 类似过滤作用, 有效地提高了净化效果；③生物膜表面不断地接受曝气吹脱, 有利于保持生物膜的活性, 也宜于提高氧的利用率。

(2)运行方面。①对冲击负荷有较强的适应能力, 在间歇运行条件下, 仍能保持良好的处理效果；②操作简单、运行方便、易于维护管理, 勿需污泥回流；③污泥生成量少, 污泥颗粒大, 易于沉淀。

(3)功能方面。生物接触氧化处理技术具有多种净化功能, 除有效去除有机污染物外, 若运行得当,还具备脱氮和除磷的功能。

2 试验材料、设备与方法

2.1 试验材料

大孔网状载体FPU专用微生物菌群B11, 含28种专用微生物及纤维酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶,堆密度为0.6-0.8g/cm3, 微生物数量为30亿-50亿个/g；其他试剂均为化学纯或分析纯。

2.2 试验工艺及设备

固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统试验装置为自制, 规格为2100mm×1000mm×1000mm,有效水深为900mm, 有效容积1.9m3, 分为2格, 中间采用折流板防止短流, 槽内装填FPU载体1.3m3,采用底部进水, 上部堰口集水的推流式进水方式, 每台反应槽布置曝气头12个, 通过1台16孔曝气机进行曝气。同时与1个未装FPU载体的同样设备构成空白试验装置进行对照。试验工艺流程见图1。

2.3 试验方法

试验共分2个阶段：第1阶段为微生物的驯化与固定化, 时间为7d；第2阶段为工艺参数、运行控制研究阶段, 时间为90d。试验步骤如下：

首先将河水泵入固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统, 充满后开动曝气, 保持DO为3-5mg/L,往每个生物池投入100g高效微生物B11, 然后开始闷曝, 第2d至第7d依次投菌100g、50g、50g、30g、30g和20g, 闷曝3d后开始以250L/h流量连续进水, 每天定时检测调节池河水和出水中的COD、氨氮值, 同时用克氏定氮法测定载体上固定的微生物量,如出水中COD、氨氮去除率超过40%, 即认为驯化、固定化阶段基本完成, 再逐渐加大进水流量, 得出最佳的水力停留时间。然后进人第2阶段, 连续检测进出水各项指标。

2.4 试验仪器

COD/CSB型COD快速测定仪, BSB/BOD型BOD5测定仪, HI93715型NH4+-N测定仪,YSI55型溶解氮测定仪, DP5000pH值在线检测仪,HI93728型NO3-测定仪, 总磷测定仪HI93706,HI93708型NO2-测定仪。

3 试验结果分析

3.1 固定化微生物对的去除效果分析

图2是固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统和空白对照池对河水中CODcr物质的去除效果图。

由图2可以看出：固定化微生物在运行初期CODcr去除率较低, 这主要是生物量较少的原因；随着反应的进行, 附着在载体上的微生物量增加, 去除率也随之提高, 进水CODcr在40-50mg/L时,出水CODcr在9-20mg/L,CODcr去除率在60%-70%, 最高达78%；出水符合Ⅳ类地表水要求。表明采用固定化微生物技术能有效地去除河流微污染水体中难于降解的CODcr物质。而空白对照组CODcr去除在5%左右, 表明河水中CODcr物质不能被自然微生物有效地降解, 即水体的自净能力较差。

3.2 固定化微生物对CODmn的去除效果

图3是固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统和空白对照池对河水中CODmn物质的去除效果图。河水进水CODmn维持在8-12mg/L之间, 固定化微生物出水CODmn维持在6-8mg/L之间, 出水符合地表水Ⅳ类出水标准, 去除率30%-40%, 最高50%；而空白对照池中的CODmn基本无去除效果, 表明河水中自然微生物已不能有效地去除水中污染物, 水体的自净能力很差。

3.3 固定化微生物对氛氮去除效果

图4是固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统对氨氮去除效果图。

结果表明：固定化微生物在经过了3d的驯化后, 硝化菌即成为优势菌, 这主要是大孔载体所创造的微环境适于硝化菌群的生存所致, 故对氨氮去除效果非常好。在进水氨氮为5-20mg/L的情况下, 固定化微生物的出水氨氮在0.0-0.3mg/L, 去除率在90%以上, 出水氨氮符合地表水Ⅲ类水体标准。试验结果表明在温度5-15℃的条件下, 固定化微生物处理出水氨氮在0.5mg/L左右, 显示了固定化微生物在低温下优良的脱氮性能, 这对低温脱氮的研究具有重要的意义。空白对照试验对氨氮也有一定的去除率, 这主要是曝气吹脱和生物蛋白质合成的结果。

3.4 固定化微生物对总磷去除效果

图5是固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统对总磷的去除效果图

由图5可以看出在驯化阶段的15d内, 总磷的去除并不十分明显, 这主要是载体中的生物量没有达到设计要求, 15d之后, 出水总磷趋于稳定, 在进水总磷为0.73-1.09mg/L, 出水总磷大部分数据在0.2-0.3mg/L之间, 去除率50%-70%左右。固定化微生物除磷的机理处理与一般的生物除磷机理相同外, 还有固定化微生物和载体对水中金属离子的富集作用而引起的化学沉淀除磷, 故效率比普通的生物法高, 但由于水体中碳、氮、磷已失调, 仅靠固定化微生物除磷, 其作用有限如要彻底除磷, 必须和其他方法相结合。空白试验的总磷去除率仅为13.98%, 这主要是水体中自然物生物增殖的结果。

4 固定化微生物性能测试分析

4.1 固定化微生物负载量的测定和表征

从IBAF池取一定量的载体, 放在漏斗上滤干后, 用蒸馏水冲洗2-3次, 放人烘箱102-105℃条件下烘干至恒重, 用克氏定氮法测定固定化微生物的含氮量, 折算为23-42g/L(H2O), 平均35g/L(载体以50%体积计), 远远高于其他生物法, 这对提高处理效率、减少占地面积具有重要的作用。

图6是FPU载体放大100倍的电镜照片。图7是FPU载体固定化微生物运行2个月后的电镜照片(放大1000倍)。由图7可以看出载体上负载大量的微生物, 但载体上的孔道仍然畅通, 从而避免了其他载体(如活性炭)由于微生物负载和增殖而堵塞孔道, 比表面积减小, 传质推动力下降, 处理效果变差的后果。

4.2 固定化微生物的重复使用性能

IBAF系统在驯化完成后, 在不再投加微生物的情况下, 连续运转3个多月, 在温度5-28℃范围内,IBAF系统有较好的生物活性, 出水中COD、氨氮未见反弹, 且运行越来越稳定, 证明了固定化微生物的活力没有损失, 能够满足重复使用的要求。

5 结论

(1)采用大孔功能化载体FPU固定化微生物构成的固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统处理河流微污染水体, 处理后主要水质指标能达到地表水Ⅳ类水体标准。

(2)固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统对各污染物的去除率分别达到:CODcr60%以上、CODmn30%以上、氨氮90%以上和总磷在70%以上。

(3)试验表明在温度5-15℃的条件下, 固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统处理出水氨氮在0.5mg/L左右, 显示了固定化微生物在低温下优良的脱氮性能, 这对低温脱氮的研究具有重要的意义。

(4)克氏定氮法测定表明固定化微生物-曝气生物滤池(IBAF)系统中的生物量为35g/L, 可极大地提高处理效率。

(5)IBAF系统在驯化完成后, 可不再连续投加微生物, 生物活性基本没有损失, 能够满足重复使用的要求。

参考文献

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作者简介：廖日红（1974-）, 男, 高级工程师。

来源：《北京水务》2006.2