微氣泡曝氣對(duì)生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行性能影響

劉 春,肖太民,張 晶,楊亞男,張 靜,楊景亮 (河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北省污染防治生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050018)

微氣泡曝氣對(duì)生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行性能影響

劉 春*,肖太民,張 晶,楊亞男,張 靜,楊景亮 (河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北省污染防治生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050018)

比較了微氣泡曝氣(MB)與傳統(tǒng)氣泡曝氣(CB)流化床生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行性能,以及生物膜形成過(guò)程與組成特性.結(jié)果表明,啟動(dòng)運(yùn)行中,MB反應(yīng)器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分別達(dá)到90.3%、92.7%和43.4%,而CB反應(yīng)器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分別為79.4%、86.3%和29.3%,MB反應(yīng)器污染物去除性能優(yōu)于CB反應(yīng)器.同時(shí),MB反應(yīng)器的氧利用率高達(dá)94.3%,顯著高于CB反應(yīng)器.MB反應(yīng)器中生物膜形成速率和穩(wěn)定生物膜生物量均高于CB反應(yīng)器,并且所形成的生物膜VSS/SS比值較高而EPS含量較低.因此,微氣泡曝氣能夠加速生物膜形成并獲得更高的活性生物量,從而提高生物膜反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行性能.

微氣泡曝氣；生物膜反應(yīng)器；啟動(dòng)運(yùn)行；生物膜形成；胞外聚合物(EPS)

生物膜反應(yīng)器利用填料表面生物膜內(nèi)微生物的代謝活動(dòng)去除污染物,是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的一種高效污水處理系統(tǒng)[1-3].與活性污泥法相比,生物膜反應(yīng)器具有系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、有機(jī)物去除率高、污泥產(chǎn)率低和生物活性高等特點(diǎn)[4-7].生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵是形成成熟穩(wěn)定的生物膜[8-9].該過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,包括細(xì)菌的吸附、生物膜發(fā)展與成熟以及衰亡與脫落等階段[10-11];而細(xì)菌吸附是生物膜形成的最初階段,對(duì)形成生物膜的結(jié)構(gòu)與性能具有重要的影響[8,12].

微氣泡曝氣是一種新型曝氣方式,在廢水處理中具有強(qiáng)化氣-液傳質(zhì)及提高污染物去除效率的潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì),日益受到關(guān)注[13-15].微氣泡曝氣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生物膜反應(yīng)器連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,并且獲得接近 100%的氧利用率[16].同時(shí),微氣泡對(duì)親水性固體表面具有較強(qiáng)的吸附性能[17],包括污泥絮體和膠體物質(zhì)[16].

因此,微氣泡曝氣可能會(huì)有利于懸浮細(xì)菌在填料表面吸附,從而促進(jìn)生物膜的形成,并對(duì)生物膜特性產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響生物膜反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行性能.目前相關(guān)研究較少.

本研究同時(shí)運(yùn)行微氣泡曝氣(MB)和傳統(tǒng)氣泡曝氣(CB)流化床生物膜反應(yīng)器,比較了不同曝氣方式下生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行性能,包括污染物去除性能、生物膜形成過(guò)程和生物膜組成特性,分析了微氣泡曝氣對(duì)生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行性能的影響,以期為微氣泡曝氣在廢水生物處理中的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用SPG(Shirasu Porous Glass)膜系統(tǒng)進(jìn)行空氣微氣泡曝氣,采用陶瓷微孔曝氣頭進(jìn)行傳統(tǒng)氣泡曝氣,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.在SPG膜系統(tǒng)中,采用孔徑 0.6μm的管式親水 SPG膜,膜面積為1.57×10-3m2.微氣泡產(chǎn)生過(guò)程中,SPG膜管內(nèi)液體循環(huán)流速 1.34～1.49m/s,空氣流量為 35mL/min,產(chǎn)生微氣泡平均直徑約為33.8μm.傳統(tǒng)氣泡曝氣的空氣流量為2L/min.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

1.2 生物膜反應(yīng)器

生物膜反應(yīng)器為柱狀結(jié)構(gòu),直徑和高分別為250mm和600mm,有效容積為15L.反應(yīng)器內(nèi)采用聚丙烯流化床填料(圖1),比表面積為860m2/m3,填料填充率為33%.填料在反應(yīng)器內(nèi)均處于流化態(tài).

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

向反應(yīng)器內(nèi)接種城市污水處理廠二沉池回流污泥,初始污泥濃度約為 0.3g/L,在不同曝氣方式下開(kāi)始反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程,并且不控制懸浮污泥隨出水的流失.在MB和CB反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,均采用相同的模擬生活污水[18],其平均 COD濃度為 361.8mg/L,平均 NH4+-N濃度30.8mg/L,水力停留時(shí)間均控制在 12h.反應(yīng)器運(yùn)行溫度為(30±2)℃.每 2d對(duì) SPG膜進(jìn)行在線清洗[16],以控制SPG膜污染對(duì)微氣泡產(chǎn)生效果的不利影響,保證SPG膜微氣泡曝氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

在MB和CB反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,測(cè)定進(jìn)出水COD、NH4+-N和TN濃度變化,以比較污染物去除性能;測(cè)定填料表面生物膜生物量的變化,以比較生物膜的形成過(guò)程;測(cè)定生物膜中總 EPS、總蛋白(TPN)、總糖(TPS)的含量變化,并對(duì)生物膜細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行觀察,以分析生物膜的組成特性.

1.4 分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

COD、NH4+-N采用國(guó)標(biāo)方法測(cè)定.溶解氧(DO)通過(guò)溶解氧測(cè)定儀(WTW cellOx 325,德國(guó))測(cè)定.TN采用TOC分析儀(TOC-VCPN,島津,日本)測(cè)定.生物膜生物量(以填料洗脫 SS計(jì))與活性生物量(VSS)參照文獻(xiàn)[19]進(jìn)行測(cè)定.生物膜內(nèi)總 EPS通過(guò)熱處理方法提取[20],總 EPS的量以TOC計(jì)[18].總蛋白測(cè)定根據(jù)考馬斯亮藍(lán) G-250法[21],總糖測(cè)定根據(jù)蒽酮比色法[22].生物膜細(xì)胞形態(tài)通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察[23].

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS Statistics 19軟件對(duì)MB反應(yīng)器和CB反應(yīng)器運(yùn)行中的污染物去除效果和生物膜特性變化進(jìn)行 t-檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析,以確定二者運(yùn)行性能是否存在顯著性差異.P表示t-檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量顯著性概率,當(dāng) P<0.05時(shí),說(shuō)明存在顯著差異;當(dāng)P<0.01時(shí),說(shuō)明存在極顯著差異.

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)運(yùn)行性能比較

2.1.1 COD去除性能 在微氣泡和傳統(tǒng)氣泡曝氣方式下,生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中 COD去除性能的變化如圖 2所示.生物膜反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程分為兩個(gè)階段:啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段.不同曝氣方式下,反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程大體相同,運(yùn)行 7d后COD去除率達(dá)到80%,而后基本穩(wěn)定,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段.在啟動(dòng)過(guò)程中,CB反應(yīng)器COD去除效果優(yōu)于MB反應(yīng)器對(duì),原因可能是CB反應(yīng)器中存在附著生物膜和懸浮污泥,而MB反應(yīng)器中由于微氣泡造成懸浮污泥上浮[24],使得反應(yīng)器中有效生物量下降,因此COD去除效率相對(duì)較低.

在穩(wěn)定運(yùn)行階段,MB和CB反應(yīng)器出水平均COD濃度分別為35.2mg/L和74.3mg/L,COD的平均去除率為90.3%和79.4%,COD的平均去除負(fù)荷為 0.65kg/(m3·d)和 0.57kg/(m3·d).對(duì) MB和CB反應(yīng)器出水COD濃度進(jìn)行t-檢驗(yàn)分析,二者存在極顯著差異(P<0.01).可見(jiàn),穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中,MB反應(yīng)器的COD去除性能優(yōu)于CB反應(yīng)器.在此階段,懸浮污泥基本流失,COD去除主要依賴于附著生物膜,因此生物膜特性是影響 COD去除性能的主要因素.

圖2 MB和CB反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中COD去除性能Fig.2 COD removal performance in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.1.2 氨氮(NH4+-N)去除性能 如圖3所示,和COD去除情況類似,在啟動(dòng)運(yùn)行7d后,MB和CB反應(yīng)器中NH4+-N去除率接近90%,而后趨于穩(wěn)定,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段.啟動(dòng)階段,CB反應(yīng)器比MB反應(yīng)器具有更高的NH4+-N去除性能.而在穩(wěn)定階段, MB和CB反應(yīng)器出水NH4+-N平均濃度分別為2.2mg/L和4.2mg/L,NH4+-N平均去除率分別為92.7%和86.3%,NH4+-N平均去除負(fù)荷為0.057kg/(m3·d)和0.053kg/(m3·d).對(duì)MB和CB反應(yīng)器出水NH4+-N濃度進(jìn)行t-檢驗(yàn)分析,二者存在極顯著差異(P<0.01).MB反應(yīng)器的NH4+-N去除性能同樣優(yōu)于CB反應(yīng)器.

圖3 MB和CB反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中NH4+-N去除性能Fig.3 NH4+-N removal performance in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.1.3 總氮(TN)去除性能 如圖4所示,反應(yīng)器進(jìn)水TN平均濃度為34.6mg/L, MB和CB反應(yīng)器出水 TN 平均濃度分別為 19.3mg/L和24.4mg/L,TN的平均去除率為 43.4%和 29.3%, TN 的平均去除負(fù)荷分別為 0.031kg/(m3·d)和0.020kg/(m3·d).對(duì)MB和CB反應(yīng)器出水TN濃度進(jìn)行 t-檢驗(yàn)分析,二者存在極顯著差異(P<0.01).生物膜反應(yīng)器中 TN的去除主要是由于同步硝化反硝化作用,而MB反應(yīng)器的TN去除性能優(yōu)于CB反應(yīng)器,表明MB反應(yīng)器中同步硝化反硝化效果更好.

以上結(jié)果表明,MB和CB反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程基本相同.在啟動(dòng)過(guò)程中,CB反應(yīng)器中的懸浮污泥逐漸流失,而MB反應(yīng)器中懸浮污泥由于微氣泡氣浮效應(yīng)而快速流失,造成MB反應(yīng)器有效生物量低于CB反應(yīng)器,因而污染物去除性能較差.在穩(wěn)定運(yùn)行階段,懸浮污泥基本流失而生物膜逐漸形成,污染物去除性能主要由生物膜特性決定,因此微氣泡曝氣對(duì)生物膜形成和特性的影響可能是MB反應(yīng)器污染物去除性能更高的主要原因.

圖4 MB和CB反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中TN去除性能Fig.4 TN removal performance in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.1.4 氧利用率 盡管MB反應(yīng)器空氣流量遠(yuǎn)低于CB反應(yīng)器,但是MB反應(yīng)器中DO濃度為(3.88±0.94)mg/L,接近于 CB反應(yīng)器中 DO濃度(4.17±1.58)mg/L,表明微氣泡曝氣有高效的氧傳質(zhì)效率.基于整個(gè)運(yùn)行階段 COD和氨氮的去除負(fù)荷,計(jì)算污染物去除所消耗的DO量,同時(shí)計(jì)算兩種曝氣系統(tǒng)理論上的供氧量,在此基礎(chǔ)上分別估算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氧利用率[16].估算結(jié)果表明,MB反應(yīng)器和CB反應(yīng)器的氧利用率分別為94.3%和2.4%.由于小試生物膜反應(yīng)器低液位(約 0.3m)不利于獲得較高的氧傳質(zhì)效率,因此 CB反應(yīng)器的氧利用率極低,然而在此條件下MB反應(yīng)器卻可以獲得很高的氧利用率,可見(jiàn)微氣泡曝氣具有高效的氣液傳質(zhì)性能和潛在的節(jié)能優(yōu)勢(shì).

2.2 生物膜形成

在微氣泡和傳統(tǒng)氣泡曝氣方式下,生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中生物膜生物量(以填料洗脫 SS計(jì))和 VSS/SS比值變化如圖 5所示.可以看到,MB和CB反應(yīng)器中生物膜生物量發(fā)展過(guò)程基本相同,大體可分為延滯階段、快速形成階段和穩(wěn)定階段.在延滯階段(0～5d),MB反應(yīng)器中生物膜形成過(guò)程明顯,而 CB反應(yīng)器中生物膜形成極為緩慢,可見(jiàn)微氣泡曝氣有利于初始階段懸浮微生物向載體表面的附著,從而加速生物膜形成.在快速形成階段,MB反應(yīng)器中生物膜形成速率高于CB反應(yīng)器.運(yùn)行20d后MB反應(yīng)器中生物膜生物量達(dá)到 4.32g/m2,而 CB反應(yīng)器中生物膜生物量在運(yùn)行25d后達(dá)到4.24g/m2.而后,兩反應(yīng)器中的生物膜生物量基本穩(wěn)定,MB反應(yīng)器中穩(wěn)定生物膜生物量略高于CB反應(yīng)器.對(duì)MB和CB反應(yīng)器生物膜生物量進(jìn)行 t-檢驗(yàn)分析,二者存在極顯著差異(P<0.01).可見(jiàn),微氣泡曝氣通過(guò)強(qiáng)化懸浮微生物向載體表面的附著,加速了生物膜反應(yīng)器在啟動(dòng)運(yùn)行中生物膜的形成.

此外,在穩(wěn)定階段,較高的生物膜生物量可以增加生物膜厚度,根據(jù)生物膜質(zhì)量估算法[25]可以估算MB反應(yīng)器和CB反應(yīng)器生物膜厚度分別為325μm和268μm.較厚的生物膜有利于改善同步硝化反硝化作用[26],使得MB反應(yīng)器內(nèi)TN的去除效果優(yōu)于CB反應(yīng)器.

同時(shí),MB反應(yīng)器不僅生物膜生物量高于CB反應(yīng)器,而且其穩(wěn)定階段生物膜 VSS/SS比值為0.90,也高于CB反應(yīng)器的0.86. 對(duì)MB和CB反應(yīng)器生物膜 VSS/SS比值進(jìn)行 t-檢驗(yàn)分析,二者存在顯著差異(P<0.05).這意味著 MB反應(yīng)器中生物膜具有更高的活性生物量(VSS),這可能是MB反應(yīng)器的運(yùn)行性能優(yōu)于CB反應(yīng)器的主要原因.

圖5 MB和CB反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中生物膜生物量(SS)和VSS/SSFig.5 Biofilm biomass and VSS/SS ratio in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.3 生物膜組成特性

在微氣泡和傳統(tǒng)氣泡曝氣方式下,生物膜反應(yīng)器中生物膜EPS濃度以及EPS中總蛋白(TPN)和總多糖(TPS)濃度變化如圖6所示.由圖6可見(jiàn)在MB和CB反應(yīng)器中生物膜EPS逐漸積累,濃度升高并趨于穩(wěn)定.CB反應(yīng)器中生物膜EPS濃度始終高于MB反應(yīng)器,且二者之間的差距逐漸擴(kuò)大.MB和CB反應(yīng)器穩(wěn)定生物膜EPS濃度分別為(69.9±8.1)mg/gVSS和(95.6±8.6)mg/gVSS.對(duì)MB和CB反應(yīng)器生物膜EPS濃度進(jìn)行t-檢驗(yàn)分析,二者存在極顯著差異(P<0.01).MB反應(yīng)器生物膜EPS積累量較低的原因可能是:(1)微氣泡附著于生物膜表面,造成生物膜局部高溶氧環(huán)境,生物活性高,部分 EPS作為基質(zhì)被利用[27];(2)由于微氣泡氣浮作用,降低混合液中溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)和膠體物質(zhì)含量,使得 EPS累積減少.同時(shí),圖 6也表明在所有測(cè)定的生物膜樣品中,TPN和TPS是EPS的主要組成成分[21,28],而且TPN含量高于TPS.對(duì)MB和CB反應(yīng)器生物膜EPS中TPN和TPS濃度進(jìn)行t-檢驗(yàn)分析,其均存在極顯著差異(P<0.01).

圖6 MB和CB反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行中生物膜EPS、總蛋白和總糖濃度Fig.6 Concentration of EPS, total protein (TPN) and total polysaccharides (TPS) in the biofilm samples from MB-reactor and CB-reactor during start-up and stable operation

對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行階段MB和CB反應(yīng)器中生物膜樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察,也可以反映二者生物膜組成特性的差異,如圖7所示.MB反應(yīng)器生物膜中,可以觀察到大量桿狀和球狀微生物細(xì)胞,而細(xì)胞間物質(zhì)積累不明顯(圖7A).而在CB反應(yīng)器生物膜中,可以觀察到大量細(xì)胞間物質(zhì)的存在,微生物細(xì)胞大部分被包裹在其中(圖 7B).這一觀察結(jié)果也反映了CB反應(yīng)器中生物膜細(xì)胞間EPS的積累量明顯高于MB反應(yīng)器.

如前所述,MB反應(yīng)器中生物膜具有更高的活性生物量(VSS),同時(shí)VSS中EPS含量較低,這就意味著生物膜中包含更多的活性微生物細(xì)胞.對(duì)生物膜樣品的直接觀察也表明 MB反應(yīng)器生物膜中微生物細(xì)胞數(shù)量更多(圖 7).可見(jiàn),生物膜形成更快、生物膜中活性微生物細(xì)胞更多、生物膜活性更強(qiáng),是MB反應(yīng)器具有更高效啟動(dòng)運(yùn)行性能的原因.

圖7 穩(wěn)定運(yùn)行階段MB反應(yīng)器(A)與CB反應(yīng)器(B)生物膜觀察Fig.7 SEM observation of biofilm samples at the stable operation phase in the MB-reactor (A) and CB-reactor (B)

3 結(jié)論

3.1 相同進(jìn)水條件下啟動(dòng)運(yùn)行中,MB反應(yīng)器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分別為90.3%、92.7%和43.4%,氧利用率高達(dá)94.3%;而CB反應(yīng)器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分別為79.4%、86.3%和29.3%.MB反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行性能優(yōu)于CB反應(yīng)器.

3.2 啟動(dòng)運(yùn)行中,MB反應(yīng)器生物膜的形成速率和穩(wěn)定生物量均明顯高于 CB反應(yīng)器,且形成的生物膜具有較高的VSS/SS比值和較少的EPS累積,表明微氣泡曝氣有助于加速生物膜形成并獲得更高的活性生物量,從而提高M(jìn)B反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行性能.

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Influence of microbubble aeration on start-up and performance of a biofilm reactor.

LIU Chun*, XIAO Tai-min,

ZHANG Jing, YANG Ya-nan, ZHANG Jing, YANG Jing-liang (Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3093～3098

Two fluidized biofilm reactors with microbubble aeration (MB) and conventional bubble aeration (CB) were operated simultaneously to compare their performances during start-up and stable operation. The biofilm formation and composition in both reactors were also investigated. The results showed the average removal efficiencies of COD, NH4+-N and TN were 90.3%, 92.7% and 43.4% in MB reactor during start-up and stable operation, respectively. The corresponding removal efficiencies in CB reactor were 79.4%, 86.3% and 29.3%, respectively. MB reactor presented more efficient performance of contaminant removal than CB reactor. In addition, the oxygen utilization efficiency in MB reactor reached 94.3%, which was much higher than that in CB reactor. Faster biofilm formation and larger biofilm biomass were achieved in MB reactor, compared with CB reactor. Moreover, the biofilm formed in MB reactor showed higher VSS/SS ratio and lower EPS content. These results demonstrated that biofilm formation was enhanced by microbubble aeration in MB reactor, which contained more active biomass.

microbubble aeration；biofilm reactor；start-up；biofilm formation；extracelluler substances (EPS)

X703

A

1000-6923(2014)12-3093-06

劉 春(1976-),男,河南安陽(yáng)人,副教授,博士,主要廢水生物處理技術(shù)研究工作.發(fā)表論文40余篇.

2014-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51008111);河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(11966726D)

* 責(zé)任作者, 副教授, liuchun@hebust.edu.cn