混凝土生態(tài)膜掛膜實驗研究

摘要: 將水泥、碎石、粉煤灰及活性材料CRLT- 1 等制作的透水混凝土生態(tài)膜在渠式反應(yīng)器中進行掛膜實驗, 通過實驗對2 種掛膜方法進行了比較, 對2 種掛膜方法下填料上的生物量和生物活性及反應(yīng)器對COD 和NH3- N 等指標的去除情況進行了測定和分析。結(jié)果表明, 逐漸增加進水流量的循環(huán)掛膜法可以加快反應(yīng)器啟動, 10d 后COD 的去除率穩(wěn)定在69%左右, 啟動時間少于直接采用設(shè)計流量進水的循環(huán)掛膜法, 2 種情況下生物活性在4.19~4.85mgO2/g·h 之間。

關(guān)鍵詞: 混凝土生態(tài)膜; 渠式反應(yīng)器; 掛膜; 生物膜情況

中圖分類號: X132 文獻標識碼: A 文章編號: 1003- 6504(2007)01- 0008- 03

　　近年來, 在廢水及微污染水處理領(lǐng)域, 生物膜法得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1- 3]。填料作為微生物的載體,影響著微生物的生長、繁殖、脫落和形態(tài), 因而, 對反應(yīng)器的運行效果及能耗都有十分重要的影響。新型低成本生態(tài)膜是以水泥、砂石、電廠粉煤灰和活性材料等廉價材料制成的, 通過微生物培養(yǎng)法使膜體表面粘掛多種微生物, 形成具有物理過濾、生物吸附、化學(xué)吸附等多種功能的復(fù)合水處理材料, 其建設(shè)成本和運行成本可望降低到傳統(tǒng)活性污泥處理法的1/3, 而處理出水水質(zhì)將可望接近傳統(tǒng)二級處理出水水質(zhì)。從理論上講, 它具有造價低、運行費用少、處理效率高、管理和維護方便的特點和優(yōu)勢, 可望滿足大中型住宅區(qū)污水處理的實際需要。關(guān)于生態(tài)混凝土的研究也是近10 余年開展起來的。1995 年日本混凝土工學(xué)協(xié)會提出了生態(tài)混凝土的概念[4]。陳志山等[5]采用普通水泥和砂石等材料制作生態(tài)混凝土, 研制了一種沉淀、過濾和曝氣三合一的(側(cè)濾)處理裝置較好地解決了固體物質(zhì)在生態(tài)混凝土上的堆積問題, 在應(yīng)用于上海市某小區(qū)、金山鎮(zhèn)等地的生活污水處理實驗中, 取得了比較好的結(jié)果。本文對自行研制開發(fā)的新型填料采用2 種掛膜方法進行了試驗, 以期找到適合渠式反應(yīng)器的掛膜方法。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗裝置

　　采用自行研究的小型渠式反應(yīng)器, 通過合理布置生態(tài)膜在渠式反應(yīng)器內(nèi)的排列方式, 可有效改善反應(yīng)器內(nèi)的水流流態(tài)和防止污水短流, 確保污水與生態(tài)膜面有充足的接觸反應(yīng)機會。它具有較高的氧傳遞效率和較高的去污效率。生物膜反應(yīng)器長2m, 容積為0.24m3, 反應(yīng)器共設(shè)置6 道槽, 槽中均勻擺放生態(tài)膜片。試驗裝置的流程圖如圖1 所示。

1.2 試驗水質(zhì)

　　采用某高校生活污水作為試驗用水。其水質(zhì)情況為pH6~9、濁度10~13NTU、COD100~250mg/L、NH3- N8.0~16.0mg/L。

1.3 填料的組分

　　從經(jīng)濟實用角度, 選定混凝土生態(tài)膜組分材料主要為水泥、黃沙、碎石、粉煤灰和活性材料ATV- C。本課題研制的混凝土生態(tài)膜采用預(yù)留貫通孔的結(jié)構(gòu)形式, 通過實驗確定了最佳配比和最佳結(jié)構(gòu), 膜片具有較大的比表面積, 防堵性能好。

1.4 分析監(jiān)測儀器與方法

　　分析儀器: pHS- 3C 型pH 值計, 721 分光光度計,CTL- 12 型化學(xué)需氧量速測儀, HG85- I 型性電熱恒溫干燥箱, SARTORIUS 電子天平, YSI- 58 型溶解氧測定儀, SA3300 照相光學(xué)顯微鏡, Leica DMIRB 倒置熒光顯微鏡等。

　　細菌計數(shù): 培養(yǎng)異養(yǎng)細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基[6], 稀釋度為103～106, 37℃培養(yǎng)2～3d, 重復(fù)數(shù)為2,平板法計數(shù); 藻類、原生動物及后生動物的計數(shù): 采用普通光學(xué)顯微鏡直接計數(shù)方法; 生物膜厚度: 采用測微尺測定10 塊膜片取平均值; 生物膜量: 減重法; 生物膜活性: 采用耗氧速率(SOUR)表示。

1.5 試驗過程

　　試驗在溫度25～35℃的條件下, 采用循環(huán)掛膜法進行。接種污泥取自廣州獵德污水處理廠沉淀池中的沉淀污泥, 先將污泥進行培養(yǎng), 定時投加牛肉膏、蛋白胨、葡萄糖、氯化鈉等配制成的營養(yǎng)液, 擴大培養(yǎng)2~4d。再把預(yù)先培養(yǎng)好的活性污泥與生活污水混合后加入到反應(yīng)器中, 2 個反應(yīng)器都在進水槽中進行同樣的預(yù)曝氣。在反應(yīng)器中水以推流方式流過透水的生態(tài)混凝土膜片, 最后通過反應(yīng)器的出水管流入進水池, 循環(huán)進行。每天定期把上清液外排, 同時再加入相應(yīng)體積的營養(yǎng)液和生活污水。

　　1 號反應(yīng)器直接采用設(shè)計流量的循環(huán)掛膜法進行掛膜, 進水流量360L/h。

　　2 號反應(yīng)器采用逐步增大流量的循環(huán)掛膜法進行掛膜, 第1~4 天進水流量采用120L/h, 第5~9 天進水流量采用240L/h, 第10 天后增加至360L/h。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 不同掛膜方法對COD 去除情況分析

　　從圖2 可知, 1 號和2 號反應(yīng)器在掛膜初期( 2～4d) 對COD 沒有明顯的去除效果; 2 號反應(yīng)器到第10天去除率基本穩(wěn)定, 此后COD 平均去除率約為69%,此時可以認為掛膜成功。填料表面由點狀分散的菌膠團逐漸形成團塊狀或片狀的菌膜, 團塊狀或片狀膜進一步連接而覆蓋了填料表面, 其顏色也經(jīng)歷了填料原色、淺泥黃色、淺褐色、褐色的變化。1 號反應(yīng)器在第6天后的掛膜期間對COD 的去除情況明顯沒有2 號反應(yīng)器好, 但是到第15 天, 兩個反應(yīng)器對COD 的去除情況基本一致。

　　兩個反應(yīng)器在掛膜初期( 2～4d) 對COD 表現(xiàn)出一定的去除率, 這部分COD 的去除可以認為是混凝土生態(tài)膜填料初期的物理過濾和化學(xué)吸附作用導(dǎo)致的。在第6 天后1 號反應(yīng)器的掛膜期間對COD 的去除情況明顯沒有2 號反應(yīng)器好, 可能是小流量進水有利于微生物的生長和附著。

2.2 生物膜厚度生物量及生物活性分析

　　生物膜厚度是由其所處的擾動條件和水中生物可降解基質(zhì)濃度決定的。當考察生物膜厚度時, 重要的是區(qū)分膜的總厚度和活性厚度, 據(jù)報道[7],生物膜總厚度介于0.07～4.0mm 之間, 當受機械或水動力學(xué)控制時, 通常在0.2mm 以下。薄的生物膜比不受外力控制的厚生物膜具有更高的基質(zhì)去除速率。

　　在掛膜過程中對兩個反應(yīng)池生物膜厚度的進行了觀察。掛膜3天后, 有少量絮狀物附著在膜片上, 8天后膜片上出現(xiàn)粘粘的絮狀物, 其厚度在0.2～0.7mm, 15天后其厚度在0.3～1.5 mm之間, 兩個反應(yīng)池同一位置的生物膜厚度難以區(qū)別。但對同一個反應(yīng)池中前后不同位置填料上生物膜厚度觀測發(fā)現(xiàn)( 生物反應(yīng)池分前槽( 第1, 2槽) 、中槽( 第3, 4槽) 、后槽( 第5, 6槽) 三段) , 中槽填料上生物膜覆蓋得多一些, 前槽填料次之, 后槽混凝土填料覆蓋得少, 其膜厚約0.2mm。通過測定混凝土填料表面生物膜厚度除凹陷處有較厚的生物膜外, 一般維持在1mm 左右。這表明, 反應(yīng)池的填料類型、擾動條件與運轉(zhuǎn)方式可控制生物膜的活性厚度。生物膜的結(jié)構(gòu)、厚度也受微生物類型、生長表面、液相流動類型、反應(yīng)器類型、生物膜脫落等因素的影響[8]。

　　反應(yīng)器內(nèi)的生物量是微生物活性的物質(zhì)基礎(chǔ),在一定的環(huán)境條件下, 總生物量與總的微生物活性呈正相關(guān)。圖3 表明, 隨著掛膜時間的延長, 兩個反應(yīng)器內(nèi)填料的生物量是逐漸增加的( 取自中槽相同位置上生物膜) , 2 號反應(yīng)器的生物量比1 號多。

　　圖4 則顯示出掛膜期間兩個反應(yīng)器內(nèi)混凝土生態(tài)膜填料表面的生物活性( 單位生物量的氧吸收率)大致相同, 均在4.19~4.85mgO2/g·h 之間。這與兩反應(yīng)器的COD 的去除變化情況相吻合, 即在生物活性大致相同的情況下, 生物量越多, COD 去除率也越高。由于2 號反應(yīng)器的進水流量小, 因此在反應(yīng)器內(nèi)部造成的水力剪切力小, 同時也增加了水中微生物在反應(yīng)器

　　內(nèi)的停留時間, 這樣有利于微生物的附著, 所以2 號反應(yīng)器內(nèi)相同位置的生物量較1 號反應(yīng)器多。實驗過程第12 天時發(fā)現(xiàn)有生物膜少量脫落現(xiàn)象, 造成了圖4中生物活性出現(xiàn)低谷情況。

2.3 不同掛膜方法對NH3- N 去除情況分析

　　從圖5中可以明顯看出, 2號反應(yīng)器對NH3- N的去除情況好于1號反應(yīng)器。2號反應(yīng)器在第6天對NH3- N的去除率為17%, 第15天的去除率達到38%左右。這說明采用小流量進水延長了水力停留時間, 有利于生長緩慢、世代周期長的硝化菌的生長和固定。

2.4 反應(yīng)器中生物相

　　反應(yīng)器中生物相包括填料表面的生物膜和反應(yīng)器底部顆粒污泥。用光學(xué)顯微鏡對兩個反應(yīng)器中前槽、中槽、后槽的混凝土填料上的生物膜形成過程進行觀察, 發(fā)現(xiàn)掛膜過程填料上原生動物的附著生長與細菌的生長幾乎同步進行; 原生動物絕大多數(shù)是纖毛類; 隨著掛膜過程的深入, 處理池后槽和出水端的原生動物種類與　　數(shù)量減少, 主要集中于池的前槽、中槽。掛膜到一定時候后細菌數(shù)維持在106～108 個/L; 原生動物如豆形蟲、腎形蟲、纖毛蟲、鐘蟲等在掛膜初期就出現(xiàn)了, 而后生動物只是在掛膜成熟后才觀察到。用光學(xué)顯微鏡拍攝得到的成熟生物膜照片見圖6。通過觀察發(fā)現(xiàn)載體表面的生物膜大致可分為內(nèi)、外兩層, 其中內(nèi)層基膜(比較密實)主要由大量球菌、桿菌及其胞外分泌物組成,而表膜(較疏松, 易脫落)主要是由絲狀細菌的菌絲組成, 且菌絲的表面附著生長有球菌、桿菌等。掛膜過程中通過顯微鏡鏡檢對兩個反應(yīng)器中生物膜上( 中槽上) 的細菌、原生動物與后生動物進行觀察計數(shù)的結(jié)果如表1 所示, 可以看出2 號反應(yīng)器的生物量較多,　所以其對COD 去除率也較高?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?/P>

　　表1 掛膜過程中反應(yīng)器生物膜上微生物種類的鏡檢結(jié)果與計數(shù)( 個/mL)

　　在反應(yīng)器的底部有一層顆粒狀的污泥, 其平均粒徑為1～4mm。在光學(xué)顯微鏡下觀察顆粒污泥時, 可看到其內(nèi)部有一個比較密實的核心, 顆粒狀污泥由大量的絲狀細菌的菌絲纏繞而成, 在菌絲表面也附著生長有一些球菌和桿菌。同時也能觀察到纖毛蟲、鐘蟲、輪蟲等。

　　由此可見, 載體表面的生物膜和顆粒污泥的生物相組成相近, 共同起到降解有機物的作用。

3 結(jié)論

　　混凝土填料的掛膜速度較快, 10 天左右生物膜成熟, 對COD 的去除率穩(wěn)定在69%左右。啟動初期采用先以小流量進水, 然后逐漸增加進水流量到設(shè)計流量的方法可以加快渠式反應(yīng)器的啟動, 啟動時間少于直接采用設(shè)計流量進水的方法。

　　混凝土生物膜上微生物生長特性較好, 反應(yīng)池中原水與生物膜接觸效率較高。掛膜過程填料表面的生物活性變化很小, 兩個反應(yīng)器內(nèi)填料表面的生物活性( 單位生物量的氧吸收率) 在4.19~4.85mgO2 /g·h 之間。

　　生物處理的凈化效果主要決定于生物膜量與膜的活性, 填料類型、工程運行措施與凈化效果關(guān)系密切。新型生態(tài)混凝土填料在廢水處理中的工程應(yīng)用還存在許多問題有待深入進行研究。

[參考文獻]

　　[1] C P Leslie Grady, Jr Glen, T Daigger 著, 張錫輝,劉勇弟譯.廢水生物處理[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 2003.

　　[2] 劉雨,趙慶良. 生物膜法污水處理技術(shù)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2000, 3.

　　[3] Lazarova V, Manem J. Biofilm Characterization andActivity Analysis in Water and Wastewater Treatment [J].Wat Res, 1995, 29(10):2227- 2245.

　　[4] 玉井元治. エココンクリ一トの將來展望[J]. コンクリ一ト工學(xué), 1998, 36(3):49- 51.

　　[5] 陳志山,劉選舉. 生態(tài)混凝土凈水技術(shù)處理生活污水[J]. 給水排水, 2003, 29(2): 10- 13.

　　[6] 周群英,高廷耀. 環(huán)境工程微生物學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

　　[7] Yeun C W, Smith E D. 龍騰銳, 譯. 固定膜法的理論與實例———城市與工業(yè)廢水處理[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1987,

　　[8] Gjaltema A, Arts P A M, Vanloosdrecht, et al. Heterogeneityof biofilm in rotating annular reactors: occurrence, structureand consequences [J]. Biotechnol Bioeng, 1994, 44(2):194-204.