1、第31卷第3期2010年3月環(huán) 境 科 學(xué)ENV I R O N ME NT AL SCI E NCEVo.l 31,No .3M ar .,2010沸石濾料曝氣生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的工藝特性蔣軼鋒1,劉大華2,孫同喜1,陳建孟1(11浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,杭州 310032;21浙江菲達脫硫工程有限公司,杭州 310051摘要:采用上流式沸石濾料曝氣生物濾池(ZB AF 對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水進行處理.結(jié)果表明,沸石的高效吸附作用可使系統(tǒng)獲得快速啟動,異養(yǎng)菌和硝化菌生物膜的成熟分別只需7d 和25d ;系統(tǒng)在水力負荷0125m /h 及氣水比20B 1工藝條件下運行效能最佳,COD 和

2、N H +42N 去除率分別穩(wěn)定在85%和70%左右.通過對ZBAF 濾柱沿程水質(zhì)、微生物等指標分析,異養(yǎng)菌和硝化菌主要聚居區(qū)分別在濾料層下端和上端,DO 值的低谷位置可作為其聚居區(qū)分界線;生物量(磷脂2P 和生物活性(好氧速率沿高程的分布大體一致,其最大值均出現(xiàn)在濾柱底部,分別為114112n m ol/g 和0167m g/(g #h.關(guān)鍵詞:曝氣生物濾池;水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水;沸石濾料;工藝特性;啟動中圖分類號:X70311 文獻標識碼:A 文章編號:025023301(20100320703206收稿日期:2009205213;修訂日期:2009209228基金項目:國家水體污染控制與治理科技

3、重大專項(2008ZX074212002,2008ZX071012006207,2008Z X071062222;國家科技支撐計劃專題項目(2007BZE58B07;浙江省重大科技專項(2007C13081;杭州市重大科技攻關(guān)項目(20062912A06;浙江工業(yè)大學(xué)重中之重學(xué)科開放基金項目(20080210作者簡介:蔣軼鋒(1978,男,博士,副教授,主要研究方向為高效生物脫氮除磷技術(shù),E 2m ai:l j yf zj u t .edu .cnP rocess Character isti cs of Z eolite M ed ia B iol ogica l Aera ted F il

4、ter for Trea ti ngAquacu lture W aste wa terJI A NG Y i 2feng 1,LI U Da 2hua 2,S UN Tong 2xi 1,C H E N Ji a n 2meng1(11College of B iologi ca l and Environ m en tal Eng i neer i ng ,Zheji ang Un i versity of Technol ogy ,H angzhou 310032,Ch i na ;21Zheji angFe i da Desulf ur i zati on Engi neer i ng

5、 Co .Ltd .,H angzhou 310051,Chi naAbstr ac t :In t h is st udy ,an up 2fl o w zeolite m ed i a b i ologi ca l aera ted filter (Z BAF was developed and emp l oyed for the treat m ent of aquaculture waste water .The results sho wed t hat ZB AF could sta rt up quick l y afte r 7d and 25d in viewpoi n t

6、 of m i nera li zati on and n itr ificati on .0125m /h and 20B 1we re found to be the opti m al hydrauli c l oading and gas /wa ter ratio ,under wh ich around 85%of CODand 70%of NH +42N were removed stab l y i n t he Z BAF.Thro ugh ana l ysis of wa ter qua li ty and m i croorgan i s m a l ong t he f

7、lo w d i rectio n ,the heterotroph i c and nitrifyi ng populatio n occupied respec tive l y i n the botto m and top of the filter colu mn ,and l o wer DO co ncentra ti on was regarded as the bo undary zone for t hese t wo d ifferent gro ups of che m otroph ic bacte ria .The changi ng profil es of b

8、i o m ass (phospholi p i d 2P and acti vity (oxygen uptake ratesho wed the si m ilar m o de a l ong the he i ght of Z BAF ,and the ir m ax i m u m va l ues of 114112nmol/g and 0167m g/(g #h were detected a t the botto m of the filte r .K ey word s :b i ol ogical aerated filter ;aquaculture waste wat

9、er ;zeolite med i a ;process characteristi cs ;start 2up中國是世界漁業(yè)大國,隨著集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式的迅猛發(fā)展,水質(zhì)惡化與廢水排放直接制約了產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,加劇了水體的富營養(yǎng)化.世界各國對水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)進行了大量的研究,但現(xiàn)有生化法和化學(xué)法等多未能實現(xiàn)資源的合理利用1,2.針對當前大量水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水高C OD 、高NH +42N 的特點,本研究將采用沸石濾料曝氣生物濾池(Z BAF對污染物進行處理.沸石具有孔隙率高、比表面積大的特點,對N H +42N 有很強的選擇性離子吸附和交換能力36,作為B AF 的理想載體可有效減小含氮廢水的

10、沖擊負荷,有利于硝化菌等微生物生存,并且沸石價格僅是常用陶粒濾料的1/41/6,應(yīng)用前景廣闊69.本試驗通過對Z BAF 的掛膜啟動、穩(wěn)定運行,以及微生物群落、數(shù)量和活性等特性的研究,探討COD 和N H +42N 的去除規(guī)律和機制,以期為優(yōu)化ZB AF 運行工況提供有益參考.1 材料與方法111 試驗裝置如圖1,ZB AF 由有機玻璃制成,高徑分別為1500和50mm;采用上流式配水,底部緩沖區(qū)成倒三角狀,內(nèi)設(shè)曝氣管兼作反沖洗布氣管;采用天然斜發(fā)沸石為濾料,工作層高1350mm,底部承托板50mm 以上填充有粒徑1015mm 的沸石,其余均38mm ;水樣和生物取樣口(直徑20mm,利于取濾

11、料樣品沿高程分布,間距約300mm,由下而上依次編號為0號(進口和1號、2號、3號、4號(出口,環(huán) 境 科 學(xué)31卷以跟蹤監(jiān)測水質(zhì)和濾料上微生物指標變化 .1.電控柜 2.配水箱 3.進水計量泵 4.反沖水箱5.反沖水計量泵 6.空壓機 7.轉(zhuǎn)子流量計8.反應(yīng)器(ZB AF圖1 試驗裝置流程F i g .1 Flo w d i agra m of t he ZB AF112 廢水水質(zhì)試驗用水取自杭州市余杭區(qū)某水產(chǎn)養(yǎng)殖場,初步沉淀后儲存于配水箱,然后由計量泵注入反應(yīng)器底部,主要水質(zhì)指標如表1所示.113 ZB AF 運行在保持曝氣量充足(D O 4mg/L 條件下,以水力負荷0110m 3/(m

12、 2#h啟動掛膜;掛膜后,進行水力負荷、氣水比等工藝考察;在最佳參數(shù)下穩(wěn)定運行35d ,考察水質(zhì)及生物指標的沿程變化,揭示Z BAF 的除污規(guī)律.運行參數(shù)如表2所示.Z BAF 對進水中SS 的截留及生物膜的生長會導(dǎo)致濾料層堵塞和出水水質(zhì)下降,采用氣2水+氣2水三階段反沖方式:單獨氣沖10m i n ,進氣強度為8L /(m 2#s;氣水聯(lián)合反沖5m i n ,其中進氣和進水強度分別為5和3L /(m 2#s;單獨水漂洗10m i n ,進水強度為3L /(m 2#s.114 分析方法11411 水質(zhì)指標測定COD 、N H +42N 、T N 和TP 等水質(zhì)指標根據(jù)國家標準方法進行分析10,

13、pH 和D O 分別采用WT W pH 2330i 和OX i 2330i 型便攜式分析儀檢測.表1 進水水質(zhì)Tab le 1 In fl uen twater quality項目COD /mg #L -1NH +42N /m g #L -1TN /m g #L -1TP /m g #L -1SS/mg #L -1pH 范圍28036031124317351355142134172678610816平均值3254012511031154716表2 運行參數(shù)T ab l e 2 Operational para m eters f or t he ZB AF運行參數(shù)掛膜考察水力負荷考察氣水比考察

14、穩(wěn)定運行水力負荷/m #h -101100110,0125,0140,0160最佳水力負荷最佳水力負荷氣水比30B 130B 15B 1,10B 1,20B 1,30B 1,40B 1最佳氣水比運行時間/d4228283511412 微生物指標測定于反應(yīng)器停運放干后用小鏟從生物取樣口處取出適量濾料(至少可布滿反應(yīng)器的一個橫截面進行生物量和生物活性測定,分別以磷脂中的磷含量(磷脂2P和好氧速率(OUR表示.磷脂2P(以P 計,n mol/g通過比色法來測定11,在100mL 具塞三角瓶中進行;OUR mg/(g #h表示單位濾料上微生物消耗氧氣的速率(以O(shè) 2計,于已滅菌的BOD 瓶中,按照參考

15、文獻12進行分析計算.2 結(jié)果與討論211 ZB AF 啟動采用接種掛膜法進行ZB AF 啟動.種泥取自杭州四堡污水處理廠好氧池,VSS /SS 在018左右且活性良好;向反應(yīng)器內(nèi)接種2L 該污泥混合液,悶曝3d 并每天更換一定量的新鮮水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水;3d 后改用連續(xù)流并對監(jiān)測進出水水質(zhì).啟動期間COD 的去除如圖2所示.盡管啟動初期系統(tǒng)中濾料表面并未形成穩(wěn)定的生物膜,大量離散菌被不斷淘洗出Z BAF ,但依靠沸石的吸附作用以及微生物的降解作用,Z BAF 獲得了快速啟動13.COD 去除率隨掛膜的進行而快速提高,7d 時COD 的去除率達到了80%以上,之后一直穩(wěn)定在80%95%之間,且出水清

16、澈透明,這表明沸石表面的異養(yǎng)7043期蔣軼鋒等:沸石濾料曝氣生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的工藝特性 圖2 ZBAF 啟動期間COD 去除情況F i g .2 C OD re m ova l du ri ng t he p eri od of ZB AF start 2up菌微生物膜趨于成熟.1號取樣口處的電鏡照片(圖3也顯示7d 時濾料表面已有大量微生物生長.啟動期間N H +42N 去除情況如圖4所示.在前15d ,N H +42N 的去除率都高達90%以上,而第17d 驟降至51%,然后隨運行緩慢上升,至25d 后,穩(wěn)定在65%75%之間.這表明沸石對N H +42N 的吸附作用和生物的硝化作

17、用呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象.在前15d ,自養(yǎng)型硝化微生物膜由于自身增值速率較慢并未成熟,N H +42N 的去除主要依靠沸石的吸附、離子交換以及異養(yǎng)菌的同化作用;至17d 左右時,沸石對N H +42N 的吸附容量快速下降至吸附飽和狀態(tài),而大 圖3 掛膜前后濾料表面電鏡照片F(xiàn)i g .3Co m paris on of SE M i m ages b efore and after t h e for mati on of t h e b iofil m圖4 啟動期間NH +42N 去除情況F i g .4Ammon i a re m ova l du ri ng t he peri od of

18、ZB AF start 2up部分N H +42N 在硝化菌作用下被氧化為N O x -2N (NO -22N +NO -32N ,如圖4所示,在1725d 內(nèi),NO x -2N 含量由610mg /L 迅速積累至2010mg /L ,之后一直穩(wěn)定在2010mg /L 左右,表明系統(tǒng)硝化功能啟動完成.由此認為,自養(yǎng)硝化菌微生物膜25d 左右成熟,比異養(yǎng)菌微生物膜所需時間長.但沸石濾料對N H +42N 的吸附35,13,避免了系統(tǒng)在啟動期間由于硝化功能低下而引起出水N H +42N 濃度較高的問題,改善了傳統(tǒng)陶粒濾料BAF 的抗沖擊負荷的能力.212 ZB AF 運行21211 水力負荷的影響

19、掛膜完成后,ZB AF 運行穩(wěn)定,試驗在保持氣量充足的情況下(DO 4mg /L,考察了4種水力負荷下的COD 和NH +42N 的去除效果,如圖5.水力負荷由0110m /h 提高到0125m /h 時,COD 和N H +42N 的去除率分別下降了414%和510%;當水力負荷升高到0140m /h 和0160m /h 時,C OD 去除率下降不明顯,而N H +42N 的去除率和N O x -2N 積累量迅速下降.隨著水力負荷提高,微生物與底物的接觸反應(yīng)時間減少,不利于污染物的去除;同時,較高濾速也增大了濾層間的過流速度和水力剪切力,使生物膜更易被洗脫14,因而去除率呈不斷下降的趨勢;但

20、顯然,Z BAF 中異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌的共存及其不同的生理生化特性導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)為不同的C OD 和N H +42N 抗沖擊負荷能力,硝化菌較小的增長速率和生物量上的劣勢使得其更易受到水力負荷、底物濃度等環(huán)境條件的影響,進水的有機負荷增加使得濾料中下段的異養(yǎng)微生物群落所占的空間增加,壓縮了硝化微生物群落所占的空間及其對D O 、NH +42N705環(huán) 境 科 學(xué)31卷的親和力,從而不利于N H +42N 的硝化去除15,16.由圖5可知,當水力負荷升高到0140m /h 以上時,NH +42N 的去除率和NO -x 2N 積累量迅速下降,因此,為保證系統(tǒng)對COD 和N H + 42N 的同時高效去除

21、,提高反應(yīng)器使用效率,0125m /h 應(yīng)為最適水力負荷. 圖5 不同水力負荷條件下COD 和NH +42N的去除率Fi g .5Re m ova l s ofCOD and a m m on ia under d ifferent hydrau li c l oads 21212 氣水比的影響保持系統(tǒng)0125m /h 的水力負荷,調(diào)節(jié)氣量考察氣水比(5B 140B 1對運行效能的影響.如圖6所示,氣水比的增加有利于系統(tǒng)對污染物的降解,在大于10B 1氣水比時,COD 和NH +42N 的平均去除率分別達到了90%和70%左右.根據(jù)雙膜理論,氧氣傳遞速率的大小由氣液兩相停滯膜的阻力決定,氣水比

22、越大,膜間傳質(zhì)越小,生物膜內(nèi)溶解氧濃度越高,相應(yīng)的提高了微生物的活性和生物的降解速率1719.另外,濾料中硝化菌在氣液擾動增強時更易獲得反應(yīng)底物,硝化功能持續(xù)改善;而較少的NO -x 2N 積累表明系統(tǒng)在20B 1的氣水比條件下,濾料中存在明顯的同步反硝化作用20,21.更高氣水比(40B 1無助于污染物進一步去除,C OD 的去除率反而略微下降,表明部分生物膜可能由于受到強烈沖刷而被淘洗出系統(tǒng).因此認為氣水比20B 1對于本系統(tǒng)而言是適宜的,進水中較高的有機物和懸浮物含量是引起本研究氣水比偏高的主要原因.213 ZB AF 除污規(guī)律圖7為各個取水口COD 、N H +42N 、DO 和NO

23、-x2N 濃度變化.在01號段濾料內(nèi),近60%的COD 被去除、而NH +42N 去除率僅16%;在34號段內(nèi),COD 的去除率為415%,而NH +42N 去除率高達36%(占總?cè)コ实?0%;在2號取樣口處DO 值出現(xiàn)低谷;NO -x2N 積累量隨反應(yīng)器高度的增加而增加,并且增圖6 不同氣水比條件下CO D 和NH +42N 的去除率Fi g .6 Re m oval rates of C OD and am m on i a n itrogen underd i ff eren t cond i ti on s of gas 2water ratio圖7 COD 、NH +42N 、DO

24、 和NO -x 2N 濃度沿程變化F i g .7Changes of COD ,N H +42N,DO and NO -x 2N concen trati ons al ong ZB AF col umn長速度越來越快,在34號段內(nèi)NO -x 2N 積累量激增50%以上.B AF 的固有特性及微生物的分布狀況使Z BAF在處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水時表現(xiàn)特定的污染物去除規(guī)律.濾料的01號段內(nèi),異養(yǎng)菌在充足的有機底物條件下快速生長,COD 被快速去除,引起D O 大量消耗,使得硝化菌處于生態(tài)競爭上的劣勢,故NO -x 2N 積累量很小,NH +42N 的去除主要通過異氧菌的同化作用;隨著有機底物的去除及

25、DO 增加,在34號段內(nèi),硝化菌得以快速增殖,大部分N H +42N 被硝化去除,NO -x 2N 積累量猛增50%以上.而在13號段為異養(yǎng)菌和硝化菌競爭共存區(qū)域,由于同時存在COD 和N H +42N 生物氧化作用,導(dǎo)致在2號取樣口處DO 出現(xiàn)低谷,此處可以作為異養(yǎng)菌和硝化菌聚居區(qū)的分界線22.7063期蔣軼鋒等:沸石濾料曝氣生物濾池處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的工藝特性污染物的去除規(guī)律也符合ZB AF 中的生物量和生物活性分布特點,由圖8可見,最大生物量、生物活性和單位生物量的生物活性都出現(xiàn)在1號取樣口處,最大值分別為114112nmol/g 、0167mg/(g #h和518610-3mg /(n

26、mol #h.單位生物量的生物活性在出水口附近(4號取樣口有明顯的升高趨勢. 圖8 生物量和生物活性的沿程變化F i g .8Changes of b i o m ass and b i ological acti v i ty along m ed i a進水端的濾料截留了大量的懸浮固體,使營養(yǎng)基質(zhì)擴散受到限制,而1號取樣口附近,微生物膜受懸浮物和惰性物質(zhì)的影響較小,傳質(zhì)效果較好,并且此處異養(yǎng)型微生物增殖迅速,活性達到最大.之后,生物量和活性沿水流方向漸次減小,這與COD 的含量降低相關(guān).在反應(yīng)器上半段,雖然硝化菌迅速繁殖、數(shù)量增多(NH +42N 下降,但由于硝化菌的比增長率較低22,23

27、,導(dǎo)致總體數(shù)量和活性不高24,25.生物活性與生物量的比值進一步反映了濾柱中生物膜基質(zhì)去除能力的沿程變化26,由圖8可知,在03號段,單位生物量的生物活性的沿程規(guī)律與生物量、生物活性的變化規(guī)律相似,但是在34號段,單位生物量的生物活性有明顯的升高趨勢.這表明頂端生物膜相對較薄,其內(nèi)部和表面的差距小,底物和溶解氧的傳質(zhì)距離縮短,傳質(zhì)阻力縮小11,17,18.雖然34號段內(nèi)生物量比較低,但是單位生物量的新陳代謝活性較高,故具有較高的底物去除能力,這也是N H +42N 能在此段大量去除的一個重要原因.3 結(jié)論(1盡管水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水具有高有機負荷、高NH +42N 的特點,但沸石的強吸附作用使得ZB

28、AF 仍能快速啟動;異養(yǎng)菌微生物膜比硝化菌的成熟快,分別需要7d 和25d 時間;系統(tǒng)運行的最適水力負荷為0125m /h ,最佳氣水比為20B 1,該工況下COD 和N H +42N 去除率分別穩(wěn)定在為80%95%和65%75%.(2在反應(yīng)器的下端主要是異養(yǎng)菌聚居區(qū),上端主要是硝化菌聚居區(qū);2號取樣口附近,異養(yǎng)菌與硝化菌競爭最為激烈,DO 消耗最大,出現(xiàn)低谷,此處可以作為異養(yǎng)菌和硝化菌聚居區(qū)的分界線.(3生物量和生物活性沿濾料高度的分布大體一致,最大生物量、生物活性和單位生物量的生物活性都出現(xiàn)在1號取樣口處附近(距底部300mm 左右,最大值分別為114112nmol/g 、0167mg/(

29、g #h和518610-3mg /(n mol #h;在濾料頂端附近,硝化微生物膜相對比較薄,底物和溶解氧傳質(zhì)阻力縮短,故單位生物量的生物活性在此處出現(xiàn)明顯的升高趨勢.參考文獻:1 M elzer A .A quati c macrophytes as too l s f or l ake m anage m entJ.H ydrob i ol ogi a ,1999,395:1812190.2 Boop athy R,Bonv ill a i n C ,Fontenot Q ,et a l .Biol og i caltreat m en t of lo w 2sali n it y shr

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