沸石生物滴滤器处理分散式生活污水的性能及生物膜特征

中国环境科学2016,36(12)：3601~3609ChinaEnvironmentalScience沸石生物滴滤器处理分散式生活污水的性能及生物膜特征郭俊元∗,周明杰,甘鹏飞,谭显东,郭子豪,付琳,黄婉怡,柏雪(成都信息工程大学资源环境学院,四川成都610225)摘要：构建沸石生物滴滤器处理农村生活污水,研究了滴滤器的挂膜启动特征、进水水力负荷对滴滤器处理生活污水性能的影响.滴滤器采用连续进水的方式挂膜,挂膜26d后,COD和氨氮去除率分别达到85%和68%以上,且COD和氨氮相邻两次监测结果的相对偏差均低于10%,表明滴滤器挂膜成功,并基本达到了稳定的运行状态.滴滤器表现出对进水水力负荷变化较强的适应性,水力负荷为300L/(m2·d)时,滴滤器对COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分别达到90.8%、87.1%、67.2%、90.1%.滴滤器对有机物和氮磷的去除途径结果表明,微生物降解和转化作用对污水中COD、氨氮、TN的去除贡献率最大,填料的吸附则是TP去除的主要途径,铁屑的氧化是影响填料吸附去除TP的重要因素.生物量及生物膜的分布特征表明,滴滤器内生物膜中细菌的多样性十分丰富.关键词：沸石生物滴滤器；生活污水；水力负荷；生物膜中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)12-3601-09Performanceofzeolitetricklingfilterintreatmentofdomesticwastewaterandcharacteristicsofthebiofilm.GUOJun-yuan∗,ZHOUMing-jie,GANPeng-fei,TANXian-dong,GUOZi-hao,FULin,HUANGWan-yi,BAIXue(CollegeofResourcesandEnvironment,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(12)：3601~3609Abstract：Zeolitetricklingfilter(ZTF)wasdevelopedtotreatdomesticwastewater.Biofilmcolonizationandtheeffectsofhydraulicloadingrate(HLR)onthetreatmentofdomesticwastewaterbytheZTFwereinvestigated.Inbiofilmcolonizationstage,theinfluentwassetasthe“continuousmanner”,andafter26d,CODandammoniaremovalefficienciesreached85%and68%,evenmore,respectively,moreover,relativedeviationofthetwoadjacenttestresultsofCODandammoniawerelessthan10%inthisperiod,indicatedthatthebiofilmcolonizationwassuccessandtheZTFreachedastableoperationstate.TheZTFexhibitedastrongadaptabilityonthevariationofhydraulicloadingrate(HLR),andaverageremovalefficienciesofCOD,ammonia,TN,TPreached90.8%,87.1%,67.2%,and90.1%,respectively,whentheHLRwasadjustedto300L/(m2·d).InthetreatmentprocessbytheZTF,COD,ammonia,andTNcouldbeefficientlyremoved,andthebiologicaldecompositionandbiotransformationprocessesofmicroorganismswerethemostimportantpathwayforpollutantsremoval,whiletheadsorptionofphosphorousontothezeolitesubstratescouldexplainedasthemainremovalmechanism,inwhichmetalironsoxidizedintoferrichydroxideswasthekeyfactorforadsorptionofphosphorus.Moreover,thebacterialdiversityintheZTFwasveryrich,whichcouldbeprovedbythecharacteristicsofbiomassandmicroorganismpopulationdistributionKeywords：zeolitetricklingfilter(ZTF)；domesticwastewater；hydraulicloadingrate(HLR)；biofilm我国广大农村地区生活污水具有较大的分散性,且处理率很低[1-2].目前,农村生活污水处理常用的技术有化粪池、土地处理系统、人工湿地等,然而这些技术均存在各自的缺陷,例如:化粪池对氮磷去除效果差;土地处理系统需要占用大量土地,易造成地下水污染;人工湿地技术长期运行会导致土壤有机质积累和板结[3-4].因此,开发环境可持续、易控制生活污水中氮磷营养盐的技术很有必要.滴滤和渗滤技术是一种典型的利用反应器中微生物净化污水的方法,通过合理设计收稿日期：2014-04-11基金项目：国家自然科学基金资助项目(51508043);四川省科技厅应用基础项目(2016JY0015);成都市科技局科技惠民技术研发项目(2015-HM01-00149-SF);成都信息工程大学中青年学术带头人科研人才基金(J201515)*责任作者,讲师,[e-mail]3602中国环境科学36卷反应器构型、构建反应器中的载体填料,可以有效去除污水中的有机物和氮磷营养盐,如:吴为中等研发了多层土壤渗滤系统,并成功用于滇池入湖河水、受污染河水、垃圾渗滤液等的强化脱氮除磷[5-8];Luo等[9-10]研发了生物滴滤+多层土壤渗滤组合系统,并成功用于处理生活污水.吴为中团队通过在反应器中构建不同载体填料、进而形成好氧-厌氧微环境,实现有机物和氮磷的高效去除[5-10].鉴于此,针对农村分散式生活污水,本实验设计了沸石生物滴滤器处理技术,通过构建滴滤器中的填料,使整个滴滤器系统具备生物降解有机物和生物脱氮除磷功能.具体而言:沸石生物滴滤器内填充粗粒沸石填料,并创新地在其间均匀摊铺铁屑薄层,污水长期以滴状洒在沸石填料表面,污水中的氨氮首先被沸石吸附,污水中的微生物则在沸石表面和间隙逐渐形成生物膜,污水、空气与生物膜接触传质,进而实现了污水中有机物的分解去除;长期稳定运行过程中,由于生物膜逐渐增长变厚,溶解氧通过扩散作用通常只能进入生物膜表层,因此生物膜上同时存在好氧区和厌氧区,使整个系统具有生物脱氮的功能;沸石填料表面均匀摊铺铁屑层,污水中的PO43-易与Fe3+发生化学吸附而沉淀析出,并被过滤截留,进而去除.本实验主要研究进水水力负荷对沸石生物滴滤器处理农村分散式生活污水性能的影响、滴滤器对生活污水中有机物和氮磷的去除途径、滴滤器内污染物的行为特征,并分析滴滤器内生物膜的分布特征、表观形貌、及生物量的动态变化.1材料与方法1.1实验污水水质配置模拟生活污水,水质为:COD220mg/L、氨氮45mg/L、总氮50mg/L、总磷5mg/L.1.2实验装置如图1所示,实验装置由支撑铁架、沸石生物滴滤器组成.沸石生物滴滤器由普通市售的有机玻璃板制作而成,规格为600mm×450mm×250mm,无盖,底部打孔(孔径8mm),打孔面积占底部总面积的30%(模拟滴滤池结构),滴滤器内的填料为卵石和粒径3~5mm的颗粒沸石,为了促进废水中磷的去除,沸石填料层中均匀摊铺了铁屑.铁架进水管道水泵进水水箱收集水箱收集水箱出水管道卵石层铁屑层沸石层布水设备600mm100mm450mm250mm图1实验装置示意Fig.1Experimentaldevice1.3实验运行方法模拟生活污水通过定时继电器(DHC19S-S)控制启停的水泵和自制的布水设备布散于滴滤器的填料中,处理出水由置于滴滤器底部的收集水箱和排水管道收集并排出.设置运行条件,启动滴滤器,采用连续进水方式挂膜,为加快生物膜的生长,滴滤器初始进水为模拟生活污水与活性污泥的混合液(体积比为2:1),接种污泥来自成都科雅污水处理有限公司(航空港污水处理厂),待观察到填料颗粒之间被一些生物絮体围绕,进水由混合液调整为模拟生活污水.1.4检测方法分别采用重铬酸钾-微波消解法、纳氏试剂分光光度法、过硫酸钾消解-紫外分光光度法、硫酸钾消解-钼蓝比色法测定污水中COD、氨氮、总氮(TN)、总磷(TP)浓度;污水pH值采用pH计(pHS-3C)检测.2结果与讨论2.1沸石生物滴滤器的挂膜启动滴滤器连续运行7d后,可以明显观察到,原本表面清洁边界清晰的沸石填料,表面逐渐变得粗糙模糊、色泽由起初的灰白色逐渐变成土褐色,其上生长有很多绒状的生物絮体,表明滴滤器内初步形成了生物膜[10].在此阶段,随着时间的延12期郭俊元等：沸石生物滴滤器处理分散式生活污水的性能及生物膜特征3603长,COD和氨氮去除率逐渐上升,最高可分别达到36%、29%,这是由于活性污泥中的微生物通过水力条件和自身运动逐渐从水相转移到填料表面和间隙中,摄取污水中的部分有机物质、氮磷等不断生长繁殖,进而形成生物膜[11].第8d开始,滴滤器进水由混合液调整为模拟生活污水,进水水力负荷为200L/(m2·d),对处理出水中COD和氨氮进行连续检测,结果如图2所示,污水中COD和氨氮去除率稳步上升,挂膜最后阶段(26~30d),COD和氨氮去除率分别可达到85%和68%以上(出水COD浓度低于35mg/L、氨氮浓度低于15mg/L),处理出水中COD和氨氮相邻两次监测结果的相对偏差均低于10%,基本达到了稳定的运行状态,表明滴滤器达到了较好的挂膜效果.此外,随着滴滤器挂膜时间的延长,可以观察到吸附在填料表面和间隙中的生物量逐渐增多,且覆盖在填料上的生物膜颜色不断加深.810121416182022242628304080120160200240进水COD出水CODCOD去除率挂膜时间(d)COD浓度(mg/L)20406080100COD去除率(%)(a)810121416182022242628301020304050进水氨氮出水氨氮氨氮去除率挂膜时间(d)氨氮浓度(mg/L)20406080100氨氮去除率(%)(b)图2挂膜期间滴滤器出水COD和氨氮的变化Fig.2CODandammoniaconcentrationsofthezeolitetricklingfilter(ZTF)effluentduringthebiofilmcolonization2.2水力负荷对沸石生物滴滤器处理生活污水性能的影响水力负荷的大小会影响污水在滴滤器内的停留时间、生物膜的更新速度,进而影响污水的处理效果.实验过程中,沸石生物滴滤器的进水水力负荷设置为200、300、400L/(m2·d),滴滤器在每个水力负荷条件下稳定运行10d后依次递增.如图3(a)所示,水力负荷分别为200、300、400L/(m2·d)时,沸石生物滴滤器对污水中COD的平均去除率分别为84.8%、90.8%、84.9%,出水COD浓度均小于50mg/L,满足城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)[12]一级