不同載體強化生物膜法處理西北農村微污染水源水

張莉紅 楊超 張鵬 朱雪燕 邢曉紅

摘要 模擬西北農村微污染水源作為處理對象，對比不同載體的掛膜效果，研究優選載體生物膜法降解高錳酸鹽指數（COD Mn）及氨氮的影響因素。結果表明，聚氨酯輕質懸浮載體明顯優于其他4種載體，啟動掛膜快，處理效果好，聚氨酯輕質懸浮載體在DO=1～3 mg/L、pH=8～9、填充率為20%，采用間歇式的運行方式，COD Mn的去除率可達88%，出水COD Mn在2 mg/L左右，氨氮的去除率約84%，出水氨氮濃度達01 mg/L，均滿足飲用水源水的Ⅱ類水質標準。

關鍵詞 微污染水源;COD Mn;氨氮;生物膜法;聚氨酯輕質懸浮載體

中圖分類號 X52文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）05-0083-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.023

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Treatment of Micro-polluted Rural Water Source in Northwest by Different Carrier Enhanced Biofilm Method

ZHANG Li-hong1，2，3， YANG Chao1， ZHANG Peng2，3 et al

（1.School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070;2.Gansu Membrane Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.， Lanzhou，Gansu 730020;3.Key Laboratory for Resources Utilization Technology of Unconventional Water of Gansu Province，Lanzhou，Gansu 730020）

Abstract The micro-polluted water in northwest rural area were simulated， the film hanging effects of different carriers were compared.The factors affecting the degradation of COD Mn and ammonia nitrogen by biofilm were studied. The results showed that the lightweight suspension carrier of polyurethane was obviously superior to the other four carriers. Polyurethane light suspended carrier in DO = 1-3 mg/L， pH=8-9， filling rate was 20%， the intermittent operation mode， the removal rate of COD Mn could reach 88%， COD Mn about 2 mg/L in effluent， the ammonia nitrogen removal rate was about 84%， up to 0.1 mg/L， met the drinking water source water Ⅱ water quality standards.

Key words Micro-polluted water;COD Mn;Ammonia nitrogen;Biofilm process;Lightweight suspension carrier of polyurethane

微污染水源主要是指飲用水水源受有機物污染，其主要以高錳酸鹽指數（COD Mn）和氨氮的污染為主。西北農村地區受自然環境條件的影響，水源水資源本身就很匱乏[1]，其水質最明顯的特征是礦化度較高、水質污染現象比較嚴重[2]。傳統飲用水處理工藝對COD Mn和氨氮的去除率低，采用氯消毒時易形成“三致物”（致癌物、致突變物、致畸物）[3-4]。而生物膜法因其污染物去除效率較高、減少“三致物”前體物的含量、增加飲用水的生物穩定性等優點得到了廣泛應用和研究[5]。

懸浮載體是微生物主要的生存場所，它在生物膜法水處理中起著核心作用[6-7]。生物載體的外形和性質直接影響著生物膜法工藝的處理效率。朱潔等[8]采用固定式填料和懸浮式填料的生物預處理工藝凈化長江三角洲的污染水源，結果表明懸浮填料對NH 3-N和COD Mn的平均去除率分別為80%、18%。魏東洋等[9]采用新型載體——納米凹凸棒土復合親水性聚氨酯泡沫強化生物轉盤處理微污染河水，COD Mn、NH 3-N的平均去除率分別達84.37%、86.22%。鑒于此，選用易于掛膜啟動、不易堵塞、比表面積大、生物附著性好的5種不同載體強化生物膜法降解西北農村微污染水源水中COD Mn和氨氮，考察不同載體掛膜效果及因素對處理效果的影響，為處理西北農村微污染水源水強化生物膜法載體填料的選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗用水。

試驗用水采用模擬廢水。氨氮和COD Mn分別控制在0.5～1.0和8.0～11.0 mg/L。

1.1.2

試驗試劑。淀粉、草酸鈉、聚合氯化鋁、碘化鉀。

1.1.3

主要儀器。紫外-可見分光光度計（752N）、電子分析天平（CP114）、六聯同步攪拌機（JJ-4A）、臭氧發生器（ZYJS-100）、六孔恒溫水浴鍋（DK-98-Ⅱ）。

1.1.4 試驗中所選懸浮生物填料的作用及特性。

輕質懸浮載體與傳統硬質粒狀載體相比，在孔隙率、比表面積、納污能力等方面具有較大的優勢（表1）。

1.2 試驗方法

反應器有效容積為4 L，采用靜態自然掛膜法。試驗接種污泥取自某污水廠二沉池，活性污泥混合懸浮液濃度為4 000 mg/L。同時開啟5組平行反應器，加入3 920 mL微污染水和表1中5種不同的輕質懸浮載體填料，填料體積為800 cm3，填充率為20%，悶曝7 d后采用間歇運行方式運行，每12 h為一個周期，每周期換水比均為50%[10]，DO濃度控制在1～3 mg/L。

1.3 分析方法

COD Mn采用GB 11892—89酸性高錳酸鉀滴定法;氨氮采用納氏試劑分光光度法。

2 結果與分析

2.1 不同載體生物反應器的啟動掛膜比較

2.1.1 不同類載體掛膜效果比較。

從圖1可以看出，隨反應器啟動時間的延長，5種載體均呈現出較好的去除效果。反應器掛膜7 d后出現COD Mn的去除，在25 d左右出現光滑模體，30 d各反應器對氨氮的降解都出現減緩趨勢，在50 d左右時對COD Mn、氨氮的去除基本趨向于平穩。第40天對載體進行鏡檢，可觀察到生物相豐富的原生生物。

聚氨酯載體（A）、纖維球載體（W）和玫瑰型載體（G）對氨氮的去除效果良好，氨氮的去除效果可達46%左右。聚氨酯載體對COD Mn的降解效果明顯優于其他4種載體，35 d時COD Mn的去除率達到75%左右。

2.1.2 不同載體的甄選。

從圖2可以看出，12 h前隨時間的延長，COD Mn、氨氮的去除率逐漸增大，在12 h時達到最大，之后基本趨于平穩狀態。玫瑰型載體（G）、纖維球載體（W）、聚氨酯載體（A）對COD Mn和氨氮均有良好的處理效果，COD Mn去除率可達55%～60%，因此，選擇這3種進行優選載體的篩選試驗。

從圖3可以看出，在進水COD Mn濃度持續增大條件下，對COD Mn的去除也呈現增加趨勢。以COD Mn 濃度劃分，當COD Mn ≤8 mg/L時，添加聚氨酯載體的反應器出水COD Mn濃度低，COD Mn去除效果最佳，可達65%;當COD Mn > 8 mg/L時，整體觀察發現添加玫瑰型載體的反應器出水COD Mn濃度低，COD Mn去除效果最佳;當COD Mn增大超過12.5 mg/L左右時，添加纖維球載體的反應器對COD Mn去除率驟增，可達85%。

與COD Mn去除不同，隨原水中氨氮濃度的升高，3種反應器對于氨氮的去除并未出現明顯提高，聚氨酯載體和纖維球載體的生物膜量充足，處理效果也優于玫瑰型載體，針對微污染水的水質特點，篩選聚氨酯載體為最優載體。

采用聚氨酯載體強化生物膜法對COD Mn和氨氮的降解如圖4所示。對于COD Mn的去除率基本達到78%，且處理效果穩定在75%～80%;對于氨氮的去除，其去除率表現出隨周期的穩定性，屬于優質的載體選擇。

2.2 優選載體生物膜法對COD Mn及氨氮的降解

2.2.1 反應時間的影響。

從圖5可以看出，隨著反應時間的延長，COD Mn和氨氮的去除率呈先迅速升高后保持平穩的趨勢。12 h后聚氨酯載體（A）對COD Mn的去除效果較好，達60%;纖維球載體（W）對氨氮的去除較好，達60%。綜合考慮，最佳反應時間應該為12 h。

2.2.2 溶解氧的影響。

從圖6可以看出，不同溶解氧（DO）條件下，玫瑰型載體（G）對COD Mn的去除無影響，而纖維球載體（W）和聚氨酯載體（A）對COD Mn的去除均呈現出第3個周期前DO=1～

3 mg/L時效果較好，第3～4個周期DO=4～6 mg/L時效果較好，第4個周期后DO=1～3 mg/L時效果較好。玫瑰型載體和纖維球載體對氨氮的去除第2～4個周期DO=4～6 mg/L時效果較好，第4個周期后DO=1～3 mg/L時效果較好;聚氨酯載體DO=1～3 mg/L時對氨氮的去除效果較好。因此，最佳DO為1～3 mg/L。

2.2.3 pH的影響。

從圖7可以看出，整體來看，pH對COD Mn的去除影響并不顯著，而對氨氮的去除則呈現出較大的差異。相對而言，pH=8～9時對氨氮的去除效果較好，可能是因為氨氮去除過程中，酸性產物逐漸積累，使反應器中的pH逐漸下降，氨氧化菌的活性受到抑制。綜合考慮，最佳pH應該為8～9。

2.2.4 填充率的影響。

載體的填充率直接影響生物膜量，進而影響出水的水質。從圖8可以看出，玫瑰型載體（G）的填充率對COD Mn的去除率基本無影響，說明玫瑰型載體掛膜速度不佳、生物膜量較少;纖維球載體（W）和聚氨酯載體（A）在填充率為20%時效果最佳，對COD Mn的去除率分別達85%、80%左右。

從氨氮的降解來看，玫瑰型載體和聚氨酯載體在填充率為20%時效果最好，對氨氮的去除率分別達56%、68%;而纖維球載體在填充率為30%時處理效果較好，氨氮的去除率達60%。考慮到30%填充率會導致反應器中生物膜層厚度太大，貼近填料內部，易導致出現過厚厭氧區，抑制氨氧化菌的作用，影響反應進程，使氨氮的去除效率降低[11]。綜合來看，聚氨酯載體最佳反應器填充率為20%。

2.2.5 不同運行方式的影響。

從圖9可以看出，采用間歇式的運行方式對于COD Mn和氨氮的降解呈現出波動大的趨勢，而采用連續式的運行方式對于COD Mn和氨氮的去除效果穩定，反應5 h后，間歇式運行方式下的降解效果始終較好。綜合反應時間來看，采用間歇式的運行方式較為穩妥。

2.3 優化條件下降解效果研究

選擇聚氨酯載體作為最佳填料，進行生物膜反應試驗，且整合以上優化條件，溶解氧DO控制在1～3 mg/L，pH控制在8～9，填充率為20%，采用間歇式的運行方式。結果如圖10所示。

從圖10可看出，在反應時間1 h前，COD Mn和氨氮的去除率均直線上升，COD Mn和氨氮的去除率分別達70%、50%左右;3 h后COD Mn的去除率保持穩定，最大去除率達到88%左右，出水COD Mn濃度在2 mg/L左右;從氨氮的降解來看，反應時間1～5 h氨氮的去除率也迅速增長，在5 h之后趨于平穩，最大氨氮去除率約84%，出水氨氮濃度約0.1 mg/L。

3 結論

（1）在反應器悶曝掛膜過程中，5種載體填料均有較好的掛膜效果，各反應器大致在25 d出現光滑膜體，掛膜7 d后出現COD Mn的去除;40 d對載體進行鏡檢，可觀察到載體中附著大量的生物膜，生物膜中的生物相豐富。聚氨酯載體、纖維球載體和玫瑰型載體對氨氮的去除效果良好，最終氨氮的去除效果可達46%左右。聚氨酯載體對COD Mn的降解效果明顯優于其他4種載體，35 d時COD Mn的去除率大致可達75%。

（2）控制反應時間、溶解氧、pH、填充率、運行方式5種單因素進行試驗，不同條件下對比處理效果，以聚氨酯載體的反應器對COD Mn和氨氮的去除效果最佳，并且反應器的處理體系相對穩定。通過試驗得出反應周期最佳選擇12 h、溶解氧控制在1～3 mg/L、pH為8～9、填充率取20%、在間歇式運行的條件下，聚氨酯載體反應器對COD Mn的去除率達88%，氨氮的去除率達84%，達到飲用水源水的Ⅱ類水質標準。

參考文獻

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