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聚合氯化鋁

宜興市位于江蘇省南部,屬于太湖流域,其境內多條河流均有不同程度的富營養化現象,尤其是一些較小的支流,由于沿線各類汙染源的貢獻,再加上大多流動緩慢,因此,自淨能力較差,春夏季易爆發水華,嚴重影響居民的生活,急需治理。

人工浮島是一種在載體上種植植物的漂浮結構,最旱是用來爲生物提供棲息的場所。20世紀70年代,浮島技術首先在歐美和日本等發達國家得到廣泛的應用。90年代以後,才逐漸受到我國的重視。相比較一些傳統的治理富營養化的方法,人工浮島具有占地面積小,應用靈活等優點,不僅可以淨化水質,而且可以起到美化景觀,消浪護岸的作用。

傳統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汙染物的作用。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複作用。研究人員通過改進浮島的結構、植物的篩選等提高其水質淨化效果。CALHEIROS等和KLOMJEK等研究了不同植物對水體的修複效果,爲浮島植物的選擇提供了依據。但結果也顯示了植物型浮島的季節性明顯。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的去除作用,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,來克服季節性明顯和管理困難的缺點。馬潮江等通過引入纖維束填料,研發了一種複合人工生態浮島載體,利用網狀結構層支架固定纖維束填料,增加了浮島的淨化效果。湯穎等研發的人工浮島水體淨化裝置,在浮體下懸挂裝有顆粒型填料的網籠,兼有傳統生態浮床和吸附填料之長。由此可見,性能優良的填料可以起到強化浮島淨化能力的作用。

在LU等和CHANC等的研究中都構建了新型浮島,他們采用傳統的浮島聯合曝氣技術。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水質均勻,大幅提高局部溶解氧濃度,改善水質。因此,構建新型浮島是可行的,但其對填料的研究過少。基于此,我們提出構建不依賴植物功能的新型浮島,主要以填料的生物膜淨化和吸附攔截作用爲主,輔以植物的吸收作用,強化浮島的淨化效果。所以,本文主要從改進填料的角度研究如何提高浮島的淨化效果。

目前,應用于新型填料浮島技術的填料主要分爲有機填料和無機填料2類。有機填料,包括纖維束填料(軟性、半軟性和複合填料)、顆粒型有機填料(環狀填料、柱狀填料、多面空心球均質填料、內置式填料和多孔旋轉球型填料)。無機填料有輕質顆粒型無機填料,如陶粒和沸石等。有機填料的挂膜性能較好,淨化效果穩定。無機顆粒主要吸附攔截去除汙染物,起效快,但挂膜性能差,比重大,不適合單獨使用。對比顆粒型有機填料,纖維束填料不僅會發生堵塞和結團的現象,而且需要懸挂或固定在框架上,安裝不便,影響了浮島的淨化效果和制作運行成本。因此,本實驗室研究擬采用顆粒型有機填料和輕質顆粒型無機填料進行合理的組合。

各種填料在挂膜速度、挂膜量及淨化效果等方面存在差異。國內外研究者對此做了大量的研究,但主要針對有機填料強化處理能力,作爲浮島基質的相關研究較少。所以,該研究首先針對3種常用的顆粒型有機填料,在模擬宜興當地河流水質的條件下,通過對比各填料自身的性質、挂膜性能、淨化效果及經濟成本,篩選出一種性能良好,經濟可行,適合應用于新型浮島技術的有機填料,並以此爲基礎,引入無機顆粒填料,提出一種可以進一步提高淨化效果的組合填料,爲新型浮島的進一步研發提供重要支撐。

1實驗部分

1. 1实验装置与填料

实验装置如图1所示。为模拟浮岛净化水质的情况,拟采用的反应装置主体为塑料桶,有效容积为45 L。在反应器底部合适位置处以三脚架固定曝气盘,该实验所使用的曝气盘为直径8 cm的高温烧结曝气盘,通过软管与气泵相连,并采用时间继电器控制曝气时间。反应器中部设置填料区(不锈钢网笼,内部装填实验所用填料),以塑料绳悬挂于曝气盘之上,填料网笼以直径3 mm的304不锈钢条焊接而成,尺寸为10 cm X 10 cm X 15 cm,带有可拆卸不锈钢网盖,供调节网笼容积,本文调节网笼有效容积均为1 L。实验采用手动更换水的方式,每天更换一次,体积为1 L。

实验所用各种有机填料如图2所示。3种有机填料均为聚乙烯材料注塑制成,其中,空心球直径为25 mm,比表面积为460 m2·m-3,堆积个数为85 000个·m-3 ,鲍尔环为圆柱状,底面直径为25 mm,高度为25 mm,壁厚约为1. 2 mm,比表面积为175 m2·m-3 ,K3填料为环状,底面直径为25 mm,高度为10一12mm,比表面积为860 m2·m-3 。



表1  实验水质

1. 2实验水质

实验用水采用模拟宜兴当地富营养化河水配制,以葡萄糖作为碳源,硝酸钠和碳酸氢钱作为氮源,磷酸氢二钾作为磷源。进水各水质指标如表1所示,其中低负荷水质为根据宜兴当地富营养化河水实际所测水质配制,中负荷和高负荷水质则分别用于后续实验中为了测试目标填料对冲击性进水负荷的反应。其中,各反应器配制低负荷水质下各药品的用量分别为:葡萄糖2. 5 g,碳酸氢钱740 mg,硝酸钠790 mg,磷酸氢二钾320 mg 。

1. 3实验方法

组装并运行反应器,按低负荷水质配制水样,在室温条件下连续运行,控制溶解氧浓度为3一4 mg / L ,对比3种填料的挂膜性能。并将挂膜完成后的填料(1L)置于5 L新配制水样中,研究不同填料挂膜后对各污染物的去除速率,筛选填料。通过改变污染物负荷、水温和溶解氧浓度,研究所筛选出填料的性能,并对比单种的有机填料与组合填料净化效果,研究浮岛技术采用组合填料的可能性。

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。

填料生物膜量测定方法:取一定数量挂膜后的填料置于烧杯中,加入适当体积的超纯水,超声10 min ,使填料表面的生物膜脱落。将超声后的生物膜溶液用滤纸过滤后,放入烘箱中105℃烘干至恒重,过滤前后重量差按填料堆积系数换算即可求得单位体积填料(1 L)的生物膜量。

DGGE高通量测序方法:取出挂膜后的填料,将填料表面的生物膜刮下,水样先经滤膜过滤后,采集富集于滤膜上的过滤物。提取采集到的生物样品的DNA,利用通用引物扩增其16S rRNA基因,然后将等摩尔的纯化后的PCR产物混合上机测序。

2結果與討論

2. 1有机填料的比选

2.1.1有機填料挂膜性能對比

挂膜能力是评价填料的一个重要指标,不同填料由于性质差异,其挂膜速率和挂膜量均有差异,所以实验首先开展了对于3种填料挂膜性能的研究,运行反应器,各填料在溶解氧浓度为3 mg / L,水温为20 -22℃的条件下挂膜,其生物膜量随时间的变化如图3所示。在挂膜过程中,虽然反应器在第2天就出现浑浊现象,悬浮微生物大量繁殖,但第4天微生物才附着于填料表面生长。各填料自然条件下挂膜均需要约两周时间,第14天之后,各填料表面的生物膜量趋于稳定,标志着有机填料挂膜成熟,挂膜阶段结束。鲍尔环填料挂膜较空心球和K3填料迟缓,生物膜量也较少,稳定后生物膜量仅为0. 6 g / L 填料,挂膜能力较差。空心球和K3填料的终期挂膜量分别为1. 5 g / L填料和2. 2 g / L填料,所以3种填料以K3填料挂膜性能最优。



表2  填料污染物去除一级动力学

2. 1. 2污染物去除速率

有机填料对污染物的去除能力是检验填料优劣的另一重要指标,因此,本部分实验开展了填料挂膜后去除污染物能力的研究。取5L新配制的水样倒入量杯,调节pH至7左右,将1L挂膜成熟后的填料连同网笼放入量杯内,通过调节曝气时长与间隔使溶解氧浓度维持在3 mg / L ,拟合一级反应动力学曲线如图4所示。

如表2所示,R 基本都在0. 97以上,该组实验可以较好地拟合一级反应动力学。K值为反应速率常数,其值越大说明各底物的去除速率越大。综合来看,在实验条件下,有机填料对COD和氨氮的去除效果较好,但对TN,尤其是TP的去除效果很不理想。鲍尔环对各指标的去除均较差,其K值远低于另外2种填料。造成这种差异的主要原因是由于鲍尔环的比表面积小,所挂的生物膜量少。环状K3填料和空心球相比,虽然各指标的去除效果前者略好,但总体而言均相差不大,尤其是对COD和氨氮的去除差别更小。

2. 1. 3有机填料的工艺经济比选

综合对比3种有机填料,鲍尔环的去除效果太差,不予考虑。空心球与K3填料的净化效果较好。根据市场调研,直径为25 mm空心球的价格为每个0. 02元,计算可知1 kg约为8元,而K3填料是种专利产品,市售价格为每千克25元,同样堆积体积1耐的填料,空心球约为1 700元,K3填料约为2 650元。K3填料的尺寸较小,高度为10 - 12 mm,过水率较空心球小,并且粒径越小管理越困难,易于流失,更加大了工艺的成本。本实验的目的是为浮岛筛选填料,并应用于工程,所以选择综合性价比高的空心球作为工艺使用的填料。

2. 2空心球填料性能的影响因素研究

挂膜過程的本質是微生物附著在填料表面生長,微生物會分泌一些粘性物質,形成菌膠團,使填料表面形成一層肉眼可見的有活性的生物膜。影響有機填料挂膜的因索很多,例如填料自身特性、水質狀況、水溫和曝氣強度等。在本實驗的過程中可以觀察到,實驗初期水質澄清;進入挂膜階段初期時,反應器內出現渾濁現象,填料表面無變化;隨著時間的推移,實驗進入挂膜後期,填料表面肉眼可見一層黃褐色的生物膜,該階段反應器渾濁度仍較高;水質穩定後,標志著挂膜階段結束,可見反應器水質恢複澄清。

2. 2. 1污染物负荷对空心球挂膜及净化效果的影响

(1)對挂膜的影響

不同污染物负荷条件下,空心球生物膜量随时间的变化如图5所示。不同污染物负荷条件下空心球挂膜的速率不同,较高的污染物负荷可以提高生物膜的增长速率。对比实验结果,污染物负荷相对较低的条件下,在第14天,生物膜量才达到稳定值。而污染物负荷较高的水质下达到最大生物膜量仅需要10 d。

較差的水質含有較多的碳源、氮源等微生物生長繁殖所需的營養元索,可以促進微生物的生長。在填料的挂膜階段,水質較差的反應器內,水體的渾濁度也較高,而更多的有機生長的微生物可以促進微生物向填料表面的富集,加速生物膜的生長。並且水質較差的反應器中填料穩定後的生物膜量也較大,是因爲高濃度汙染物可以促進向內層生物膜的傳質,使生物膜生長的更厚。

(2)對淨化效果的影響

在其他条件不变的情况下,提高进水污染物浓度,研究污染物负荷对空心球净化效果的影响。如图6所示,进水COD负荷从平均68. 16增加至151.77 mg / (L填料·d),去除率从61. 80%增加至72. 73 %,反应器的浊度也有一定的增加。虽然污染物负荷增加了,但COD的去除率有所升高,是因为COD的去除主要靠异养菌,从不同水质对挂膜的影响实验可知,较多的碳源促进了异养菌的生长。进水氨氮负荷从2. 82增加至4. 22 mg / ( L填料·d),去除率从81. 45%增加至87. 21 %,在一定程度上提高进水的氨氮浓度对硝化作用是有利的,进水氨氮负荷继续增加至8. 01 mg / ( L填料·d),氨氮的去除率下降至80. 12%,这是由于异养菌与自养菌的竞争所致,较大的COD促进异养菌的生长,硝化菌由于其相对较小的最大比增长速率而在竞争中处于劣势,使去除率有所下降。随着污染物负荷的增加,虽然TN和TP的绝对去除量有所增加,但填料对TN和TP的去除率却随进水浓度的上升呈现明显的下降趋势。这说明对空心球填料的TN和TP有效去除率来说,存在一个合适的TN和TP负荷范围。

2.2.2水溫對空心球挂膜的影響

该组实验在低负荷水质条件下进行。该组实验是对比夏季和冬季两组实验的空心球填料挂膜情况。不同温度区间范围,空心球填料生物膜量随时间的变化如表3所示。可以看出,水温对挂膜的影响较大,尤其是挂膜的启动阶段。低水温条件下,反应器挂膜启动所需时间明显延长,在第5天反应器水体才明显可见浑浊现象,比水温20 -22℃条件下延迟了3d。低温条件下生物膜的增长速率也较慢,较高水温下,挂膜阶段生物膜的平均增长速率为0.149 g · /(L填料·d)^-1,低水温下为0.124 g · /(L填料·d)^-1。挂膜时间也有所延长,低温条件下达到最大生物膜量相比较多2d。对比2组实验结果发现,其终期的生物膜量差别不大,说明水温虽然影响挂膜过程,但对填料最终的单位面积的生物膜量影响不大。


表3  温度对空心球生物膜量随时间变化的影响

2. 2. 3 DO对空心球挂膜及净化效果的影响

(1)對挂膜的影響

该组实验在温度为20一25℃、低负荷水质的条件下进行,主要研究曝气所致溶解氧浓度变化对空心球挂膜的影响。如图7所示,不同曝气强度下,空心球挂膜的差异较大。溶解氧浓度维持在3一4 mg / L时,其膜增长速度快,所挂生物膜量大,挂膜良好。理论上,高溶解氧浓度有利于挂膜,但实验结果表明,溶解氧维持在6一7 mg / L的反应器,其挂膜状况较中等溶解氧浓度差,主要是因为高强度的曝气虽然可以促进有机微生物的生长,但不利于微生物向填料表面富集,使填料表面挂膜过程难以启动。而且曝气强度过高,也会导致生物膜松散,易于脱落。溶解氧浓度为0. 5一1 mg / L的反应器填料生物膜量极少,是由于在该条件下,填料表面主要生长的为缺氧膜。由于实验配制水样为微污染水体,硝酸盐浓度较低,不利于反硝化菌的生长繁殖,使该反应器的填料挂膜情况远比另外两组反应器差。

(2) DO对去除COD,NH犷-N ,TN和TP的影响

在填料挂膜成熟后,通过调节曝气时间间隔控制反应器溶解氧浓度分别为5,3,2和0. 5 mg / L ,研究不同溶解氧浓度对COD的降解、氨氮的转化、以及TN和TP去除效果的影响。反应器在水质为低负荷,水温为室温(20一25℃)的条件下运行,每个条件下水质稳定后运行15 d。

1)对COD和氨氮的去除。从图8中可以看出,随着溶解氧浓度的逐渐降低,COD和氨氮的去除率呈现降低的趋势。在4个溶解氧水平条件下,COD的平均去除率分别为63 . 16 % , 61. 10 % , 54. 64%和48. 34 % ,氨氮的平均去除率分别为80. 97% ,81. 45% ,63. 32%和35. 07%。当溶解氧从5降低至3 mg / L时,COD和氨氮的去除并没有受到明显影响,较高的溶解氧浓度利于生物膜内的传质,有利于增加其对COD和氨氮的去除能力,但高强度的曝气也会导致外层生物膜松散和脱落,使填料表面的生物膜量变少。在这2种效应的共同作用下,虽然溶解氧浓度得到了提高,但COD和氨氮去除率并没有明显增加。溶解氧低于3 mg / L时,随着溶解氧浓度的降低,COD和氨氮的去除率呈现明显的下降趋势,溶解氧低至0. 5 mg / L时,反应器中氧气传质效果差,无法满足微生物需求,使填料形成较厚的缺氧层,填料的生物膜变黑。而COD和氨氮的去除主要以好氧菌群为主,所以此时其去除率有明显的降低。

2)对TN的去除。不同溶解氧浓度条件下,总氮的平均去除率分别为34. 82% ,58. 60% ,56. 97%和48. 19%。较高和较低的溶解氧浓度都不利于总氮的去除,溶解氧为2和3 mg / L时,总氮的去除率较高且相差不大。HE等的研究表明,有机填料同步硝化反硝化脱氮过程中,影响硝化的因索主要为氧在生物膜内的传质,充足的溶解氧可以促进COD和氨氮的去除,氧气由于生物膜的消耗而呈现浓度梯度,使内层的生物膜处于缺氧状态,成为反硝化过程的主要场所。溶解氧浓度为5 mg / L时,氧气的传质能力强,不仅悬浮生长的微生物均处于好氧状态,填料表面的生物膜也难以形成一定规模的缺氧层,虽然氨氮可以大量转化为硝态氮,但由于反硝化菌的活性受到抑制,反应器内硝氮大量累积,难以转化为氮气从系统中去除,导致脱氮能力较差。溶解氧浓度为2 mg / L时,虽然氨氮的氧化效率降低,但反硝化效率有所提高,所以总氮的去除率仍维持较高水平。随着溶解氧进一步的降低,氨氮的氧化成为限制脱氮的主要因素,总氮的去除率明显下降。对比氨氮和总氮的实验结果可知,最适宜脱氮的溶解氧浓度为3 mg / L 在CAO等的实验中,也模拟了填料型浮岛,采用了一种柱状悬浮填料,并设置空白组对比了净化效果,其模拟的浮岛对TN的净化效果接近60%,这与该实验的结论吻合。


3)对TP的去除。从图10中可以看出,溶解氧浓度越低,总磷的去除率也越低,4个阶段总磷的去除率分别为35. 23% ,31. 62% ,23. 99%和11. 53%。在郑作添研究球形填料的实验中,其总磷的去除率可达75 %,对比本实验,总磷的去除主要靠微生物的同化作用,并没有去除底泥的过程,所以总磷的去除率总体不高,对于不依赖植物的浮岛,单一的有机填料在自然状态下除磷效果不好。溶解氧较高的条件下,好氧区好氧微生物大量繁殖,提高了通过同化作用吸收磷的能力。与缺氧微生物相比,好氧微生物具有生长率高、世代时间短等特点,所以,在同化作用除磷方面具有主要的影响。因此,随着溶解氧浓度的降低,总磷的去除率也呈明显下降趋势。

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,空白組對于各指標的去除效果均較填料組差,所以在該實驗中,填料是除溶解氧外另一個汙染物去除的關鍵因索。隨溶解氧濃度變化,空白組COD的濃度變化略有上升,並不明顯,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以空心球为主的组合填料的净化效果

在实验室前期对无机填料在氮磷去除方面研究结果的基础上,选取对除磷效果最好的钢渣和吸附氨氮能力最强的沸石进行组合,作为无机填料与空心球组成组合填料。根据浮岛技术的要求,填料的比重不应过大,若填料过重,会使为浮岛提供浮力的浮体过大,不仅降低了浮岛灵活的应用性,而且造成资源的浪费。若填料中无机填料部分过少,虽能满足浮体为浮岛提供浮力的要求,但会使无机填料所起的作用尤其是除磷效果过小,丧失采用组合填料的意义。以组合后的平均密度为依据,无机填料选用粒径为1一2 cm的沸石和钢渣,组合填料的密度约为1.2g / cm^3。

在筛选出空心球填料并对其性能进行研究的基础上,设计实验对比空心球填料与组合填料对富营养化水质的净化效果。实验取出挂膜成熟后的两种填料各1L置于网笼内,放入装有新配制的低负荷水质的水样中,调节曝气使水体溶解氧浓度为3 mg / L,每隔一段时间测定水样的各个水质指标。

由表4可知,采用组合填料可以有效的提高对富营养化水质指标的净化效果,尤其是强化了脱氮除磷的效果。TN和TP的去除量分别从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显,在该实验条件下,去除量仅从36. 74增加至41. 52 mg / (L填料·h)。无机填料对氮磷有较强的吸附拦截作用,可以将水体中的氮磷富集于填料区内,提高填料区氮磷的浓度,一方面促进微生物的生长,另一方面较高的浓度梯度有利于向生物膜内部的扩散,这2种作用使组合填料对氮磷的去除能力有显著的提高。由于采用的无机填料沸石和钢渣对COD的吸附作用较差,所以该组合填料对COD的去除效果没有明显的提高。



表4  单一空心球与组合填料对污染物的平均去除效果对比

在以空心球为主的组合填料中,其DGGE的高通量测序结果检测到的菌种主要包括变形菌门(甲型变形菌纲(Alphoproteobacteria )、乙型变形菌纲(Betaproteobacteria )、丙型变形菌纲(Gammaproteobacteria) 、δ变形菌纲(Deltaproteobacteria ) )、异常球菌纲(Dein ococci )、放线菌纲(Actin abacteria)和一些杆菌(如黄杆菌纲(Clo.striafa )、拟杆菌纲(Bacteroldla ))等。图11中,h. b.代表空心球表面,zeo代表沸石,S. S.代表钢渣,sus.代表悬浮生长的微生物,Ano代表填料处于缺氧条件下,Aer代表填料处于好氧条件下。从图11中可以看出,2种条件下填料表面均以生长变形菌门为主,甲型变形菌纲在好氧区水体及填料表面的生物膜中占的比例比缺氧区高,主要包含一些代谢C化合物的菌种。乙型变形菌包括很多好氧和兼性细菌,在微生物的属图中,该实验检测到好氧条件下填料表面存在可以将氨氧化的亚硝化单胞菌属(Nitro.somona.s ) 。δ一变形菌主要包括钻细菌和严格厌氧的一些种类,种类较少,在缺氧区悬浮相微生物中所占比例较大。好氧区含有更多的大球菌,其生物膜松散。对污染物的去除起主要作用的为变形菌、球菌、杆菌和芽袍杆菌等,这几类菌种占所有检测到的菌群的80%以上,所以,填料确能对水体起到很好的净化作用。具体参见资料或更多相关技术文档。

3結論

1)在20 - 22℃、溶解氧3 mg / L的条件下自然挂膜,K3填料、空心球和鲍尔环终期挂膜量分别可达约2. 2,1. 5和0. 6 g / L。与之相对应,3种填料以K3填料对COD,氨氮,TN和TP的去除效果最好,空心球其次,但与K3填料相差不大。3种填料中,K3填料对富营养化水体的净化效果最佳,但空心球的性价比最高。

2)对于空心球而言,污染物负荷越大,温度越高,其挂膜速度越快,但在实验范围内的温度对最终挂膜量并没有影响。保持较高的溶解氧浓度有利于COD,氨氮和TP的去除,但5 mg / L以上的溶解氧浓度不利于总氮的去除,溶解氧浓度为3 mg / L时对总氮去除率最高。受生物膜工艺除磷机制的限制,空心球对磷的去除效果较差。

3)無機填料對氮磷有較強的吸附攔截作用,可以將水體中的氮磷吸附攔截于填料區內,導致填料區局部氮磷濃度較高,一方面促進氮磷向生物膜內的傳質,同時也促進生物膜的生長和提高微生物活性。因此,采用組合填料能進一步提高浮島的脫氮除磷效果,提高幅度在53%一86%。


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