快速滲濾系統(tǒng)處理微污染水生物膜培養(yǎng)中試研究
摘要：采用快速滲濾系統(tǒng)處理微污染水，以河砂或風(fēng)塵砂為濾料，以水庫底泥或活性污泥作為接種微生物，進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)階段生物膜培養(yǎng)試驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)過程中的各種影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，COD去除率可達(dá)59.9％－69.3％，其它各項(xiàng)指標(biāo)均可以達(dá)到地表水三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：微污染水 快速滲濾 生物膜
0 前言
由于人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，北京市對(duì)水量的要求也逐漸增加，而大量污水的無序排放，使得曾作為北京市水源地的官廳水庫常年水質(zhì)在Ⅳ-Ⅴ類之間，逐漸失去了供水功能。在沒有其它水源可供選擇的情況下，研究恢復(fù)官廳水庫微污染水供水功能的水處理技術(shù)就顯得尤為必要。目前國內(nèi)外自來水廠對(duì)微污染水采用的處理方法是前加氯，但氯化過程會(huì)產(chǎn)生有機(jī)鹵化物，這些有機(jī)鹵化物可能對(duì)人體健康產(chǎn)生更大的危害［1］。清華大學(xué)的王占生教授提出的接觸氧化法處理微污染水，效果良好，但運(yùn)行費(fèi)用較高。而快速滲濾處理系統(tǒng)不僅處理效果好，運(yùn)行費(fèi)用低［2］，同時(shí)能避免鹵化物的生成，提高水質(zhì)的安全性？焖贊B濾處理系統(tǒng)是將待處理水投放于滲透性能好的濾料表面，使其在向下滲濾的過程中經(jīng)歷不同的物理、化學(xué)和生物作用，最終達(dá)到污染水凈化的目的［3］。其中生物處理發(fā)揮主要作用，而生物處理效果良好的前提條件是系統(tǒng)微生物的生長狀況良好，因此系統(tǒng)啟動(dòng)過程中微生物的前期培養(yǎng)是系統(tǒng)發(fā)揮生物降解作用、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)期間水庫水質(zhì)狀況
本試驗(yàn)時(shí)間為6月7日至6月26日，歷時(shí)20d。試驗(yàn)期間官廳水庫各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)見表1，從COD值來看，部分時(shí)間水庫水質(zhì)屬于國家標(biāo)準(zhǔn)《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅴ類水質(zhì)。
表1 官廳水庫水質(zhì)情況
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COD(mg/L) |
PH |
EH(mv) |
DO(mg/L) |
T(℃) |
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最大值 |
65.0 |
8.9 |
118 |
6.2 |
26 |
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最小值 |
7.8 |
8.7 |
106 |
4.8 |
23 |
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平均值 |
32 |
8.3 |
89 |
5.4 |
19 |
1.2 試驗(yàn)工藝條件
本試驗(yàn)采用的中試處理工藝如圖1所示，待處理水由水泵經(jīng)篩網(wǎng)后抽入高位水箱，依靠重力作用流入柱中，柱中裝填滿足一定級(jí)配的砂作為濾料，下部出水并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，進(jìn)水水面高度由進(jìn)水閥門控制。
試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)快速滲濾柱，柱高2m，直徑為0.1m。濾料層高度為1.6m，濾料下邊是配水系統(tǒng)和集水系統(tǒng)，柱高0.4－0.5m，濾料上設(shè)0.5m的保護(hù)高度，其中1、2、3、4號(hào)柱裝填風(fēng)塵砂作為濾料，5、6號(hào)柱裝填河砂作為濾料，3、6號(hào)柱采用水庫底泥進(jìn)行微生物培養(yǎng)，1、2、4、5號(hào)柱采用污水處理廠活性污泥進(jìn)行微生物培養(yǎng)。
圖1 快速滲濾處理系統(tǒng)工藝圖
1.3 系統(tǒng)啟動(dòng)階段生物膜的培養(yǎng)
1.3. 1 培養(yǎng)方法
在兩個(gè)50L水桶內(nèi)加入水庫水25L，分別以水庫底泥和污水處理廠活性污泥接種，投加相同量的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行曝氣培養(yǎng)，停止曝氣靜置沉淀后，取上清液加入快速滲濾柱中，與原水混合進(jìn)行培養(yǎng)。
1.3.2 營養(yǎng)物來源
為了微生物的快速生長，必須保證一定的營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)，而且所供給的營養(yǎng)物質(zhì)必須匹配，所以本試驗(yàn)培養(yǎng)初期在水中投加了一些營養(yǎng)物質(zhì)，具體投加物為CH3OH、NH4CL和Na2HPO412H2O，分別作為C、N、P的來源，同時(shí)保證C、N、P的投加比為100:5:1（摩爾比）［4］。
2 結(jié)果與討論
2.1 檢測項(xiàng)目
試驗(yàn)期間分別檢測水庫水和系統(tǒng)進(jìn)出水，檢測項(xiàng)目為COD、 PH 、DO 、水力負(fù)荷、水溫等。
2.2 活性污泥與水庫底泥為菌種對(duì)比培養(yǎng)試驗(yàn)
5、6號(hào)柱分別以活性污泥和水庫底泥進(jìn)行生物膜培養(yǎng)試驗(yàn)，培養(yǎng)初期桶中活性污泥比水庫底泥生長得略快，但隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，兩種微生物的生長速度大致相同。經(jīng)觀察得知5、6號(hào)柱濾料表面的顏色由灰白色，逐漸變成淺黑色。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，5、6號(hào)柱濾料表層生物膜厚度均達(dá)到了1mm。5、6號(hào)柱出水COD的變化如圖2所示。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，6號(hào)柱的出水COD值略高于5號(hào)柱，但高出的幅度不到1%，說明采用水庫底泥和活性污泥進(jìn)行生物膜培養(yǎng)，都可以達(dá)到比較理想的效果，因此5、6號(hào)柱對(duì)水庫微污染水的COD去除情況沒有明顯差別。
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| 圖2 5、6號(hào)柱出水COD變化曲線 | 圖3 1、5號(hào)柱出水COD變化曲線 |
2.3 風(fēng)塵砂與河砂為濾料對(duì)比試驗(yàn)
1 、5號(hào)柱分別以風(fēng)塵砂和河砂為濾料，其出水COD變化情況如圖3所示？鞚B柱進(jìn)行生物膜培養(yǎng)的最初2d，5號(hào)柱的出水COD值高于1號(hào)柱，是由于5號(hào)柱進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門出現(xiàn)問題，致使進(jìn)水流速突然增大，影響了微生物在濾料上的附著掛膜，濾料上的生物量少，COD的降解作用就小。經(jīng)排除故障，使1、5號(hào)柱在同一水力條件下運(yùn)行，之后5號(hào)柱的出水COD值一直保持較低的水平，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其出水COD值比1號(hào)柱低48mg/l，這是由濾料的性質(zhì)決定的，因?yàn)楸驹囼?yàn)河砂的比表面積比風(fēng)塵砂大，有利于微生物在短期內(nèi)迅速附著掛膜[5]，因此以河砂為濾料的5號(hào)柱中的微生物掛膜情況好于以風(fēng)塵砂為濾料的1號(hào)柱，且從對(duì)生物量的觀察上來看，5號(hào)柱濾料中的生物量也明顯多于1號(hào)柱，使其能夠滿足水處理的需要，充分發(fā)揮生物降解作用，對(duì)COD的去除效果也就好于1號(hào)柱。因此，從整個(gè)培養(yǎng)過程來看，用河砂作為濾料處理水庫微污染水的效果好于風(fēng)塵砂。
2.4 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的COD 去除情況
經(jīng)過15d的培養(yǎng)，系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過濾料的機(jī)械過濾作用，生物膜的生化吸附、降解作用，COD平均去除率在59.9％－69.3％之間，具體結(jié)果如表2所示，處理效果均良好，其它各項(xiàng)指標(biāo)也達(dá)到了地表水三類標(biāo)準(zhǔn)。其中6號(hào)柱濾料比其它柱的濾料更利于微生物的掛膜，濾料中生物量多，對(duì)COD的去除效果就好。
表2 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各柱對(duì)COD的平均去除率
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1號(hào)柱 |
2號(hào)柱 |
3號(hào)柱 |
4號(hào)柱 |
5號(hào)柱 |
6號(hào)柱 |
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COD去除率(%) |
68.1 |
68.7 |
62.4 |
59.9 |
69.1 |
69.3 |
2.5 影響因素分析
2.5.1 營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響
營養(yǎng)物質(zhì)的濃度大小直接影響微生物的生長發(fā)育，濃度低微生物生長量少，生物膜難以形成，培養(yǎng)時(shí)間長，濃度太高則成為細(xì)菌生長的抑制因素［4］。本試驗(yàn)采用CH3OH、NH4CL和Na2HPO412H2O 分別作為營養(yǎng)物質(zhì)C、N、P的來源，根據(jù)微生物生長情況及時(shí)調(diào)整微生物營養(yǎng)物質(zhì)濃度，使其有利于微生物的生長。培養(yǎng)過程中甲醇濃度變化情況如圖4所示，試驗(yàn)前期微生物生長緩慢，出水COD濃度較高，后來增加營養(yǎng)物投量以刺激微生物的快速生長，強(qiáng)化生物膜的培養(yǎng)效果。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，出水COD濃度逐漸降低時(shí)，逐漸降低營養(yǎng)物質(zhì)的投加量，直至不投加為止。至此系統(tǒng)生物膜培養(yǎng)完成，進(jìn)入正式運(yùn)行階段。
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| 圖4 甲醇投加量變化曲線 | 圖5 平均水力負(fù)荷變化曲線 |
2.5.2 滲濾柱水力負(fù)荷的影響
滲濾柱水力負(fù)荷對(duì)柱中微生物的繁殖有較大的影響，水力負(fù)荷過小，水在柱中停留時(shí)間過長，溶解氧降低，不利于微生物的生長，導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。水力負(fù)荷過大，由于水流的剪切力作用，不利于微生物在濾料上掛膜，影響微生物在濾料上的附著效果[5]。因此微生物培養(yǎng)過程中需人為調(diào)節(jié)水力負(fù)荷，使微生物逐步適應(yīng)水力條件，達(dá)到良好的生長狀態(tài)。培養(yǎng)過程中平均水力負(fù)荷變化情況如圖5所示，培養(yǎng)前期微生物量少，還沒有在濾料上穩(wěn)定附著，此時(shí)水力負(fù)荷調(diào)節(jié)為最小，當(dāng)生物膜在濾料表面形成一定厚度能夠穩(wěn)定生長，則逐漸增加水力負(fù)荷。培養(yǎng)后期生物膜掛膜良好，滿足出水水質(zhì)需要，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)期，水力負(fù)荷較高［6］。
3 結(jié)論
① 采用河砂為濾料的快速滲濾技術(shù)處理微污染水，用水庫底泥或活性污泥接種，培養(yǎng)15～20d，系統(tǒng)可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，COD去除率可達(dá)59.9％－69.3％，其它指標(biāo)也可以達(dá)到地表水三類標(biāo)準(zhǔn)。
② 在試驗(yàn)條件下，快速滲濾處理系統(tǒng)啟動(dòng)前期微生物培養(yǎng)的主要影響因素是濾料的選擇，營養(yǎng)物的投量，水力負(fù)荷的調(diào)節(jié)。
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