水車驅動好氧生物轉盤附載填料掛膜的特性及處理效果

鞏子傲，汪思宇，呂錫武

(1. 東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096；2. 東南大學無錫太湖水環境工程研究中心，江蘇無錫 214000)

作為支持鄉村振興戰略的重要一環，農村人居環境整治工作的不斷推進使農村生活污水的處理率大大提高，越來越多農村生活污水處理工程建成并投入運行，SBR技術、接觸氧化技術、小型一體化反應器等生物處理技術和人工濕地、穩定塘等生態處理技術得到了廣泛應用。根據農村生活污水不含有毒有害物質且富含氮磷資源的特點，本著“因地制宜、資源化利用”的設計理念與“高效低耗、可持續發展”的功能要求[1]，開發出“缺氧調節-好氧-經濟型人工濕地”的生物生態組合工藝，在污染物凈化的同時實現污水灌溉回用與氮磷資源回收。

作為組合工藝中的生物處理單元技術，水車驅動好氧生物轉盤利用水流從高處跌落轉化的動能驅動水車，繼而帶動兩側生物轉盤轉動，滿足處理要求的同時節省了曝氣能耗以及機械損耗[2]，在農村生活污水處理領域具有廣闊的前景。對生物轉盤而言，轉盤的材料選擇一直是研究的熱點。陳志強等[3]研究表明，在盤片表面附載柔性掛膜填料可以有效實現反應器快速啟動，增大盤片微生物量。在眾多填料中，毛氈因其表面粗糙、利于生物附著、來源廣泛經常被作為生物膜法處理的填料使用[4-5]；碳氈由于其高孔隙率、機械強度以及低成本的特點經常被用作微生物燃料電池的陽極[6-7]，具有較好的生物親和性；無紡布也因其比表面積大、孔徑范圍廣、耐腐蝕、成本低等特點，在水處理領域得到廣泛應用[8-10]。

因此，本研究對上述3種掛膜填料開展小試篩選，確定出最適的掛膜填料，考察填料附載對水車驅動好氧生物轉盤的驅動效果和復氧效能的影響，探究改進后生物轉盤工藝段的啟動過程和污染物去除規律，提出一種適用于水車驅動好氧生物轉盤掛膜啟動與穩定運行的填料。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

使用小試裝置對3種掛膜填料進行篩選(圖1)，裝置共分為3個槽，每槽內布置5個盤片。槽體由有機玻璃板黏接制成，單槽有效容積為1.3 L，盤片材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，盤片直徑為12 cm。所有盤片均串聯在Φ為12 mm的實心不銹鋼軸上，依靠減速電機驅動保持相同轉速。分別將毛氈、碳氈、無紡布3種填料黏附在盤片兩側進行填料掛膜試驗，使用精密蠕動泵控制裝置進出水。

圖1 填料掛膜試驗小試裝置Fig.1 Schematic Diagram of Biofilm Carrier Selection Device

篩選得到最佳填料后，將其應用于水車驅動好氧生物轉盤，開展反應器啟動試驗，試驗裝置如圖2所示。

圖2 水車驅動好氧生物轉盤裝置Fig.2 Schematic Diagram of wdRBC

裝置包含兩級生物轉盤，每級轉盤處理槽材質為有機玻璃，長×寬×高為42.1 cm×28 cm×15 cm，有效容積為10 L。轉盤材質為ABS塑料，直徑為20 cm，每級設置14片，轉盤浸沒率為45%，表面黏附合適的掛膜填料。驅動水車材質為有機玻璃，直徑為21 cm，寬為8 cm，含6片葉輪。

兩級轉盤之間高差為0.6 m，利用蠕動泵將出水槽中部分處理出水提升至高位水箱后下落驅動各級水車轉動，污水則通過另一臺蠕動泵提升，從高位水箱兩側的三角堰溢流向下布水，依次經過兩級生物轉盤處理后排放。試驗時可通過調節驅動水泵泵速控制轉盤轉速，調節進水泵泵速控制水力停留時間(HRT)。

1.2 試驗用填料

生物膜法使用的填料一般要求其對微生物無毒害、易于微生物附著、具備一定的機械強度、質輕、比表面積大和孔隙率高[11]。對于分散式農村生活污水處理而言，生物填料價廉易得也是需要考慮的重要因素之一。試驗選擇市售常見毛氈、碳氈和無紡布作為生物掛膜填料(表1)，考察其污染物去除性能以及微生物富集特性并優選合適填料。

表1 3種掛膜填料規格與表觀特征Tab.1 Specifications and Appearance Characteristics of Three Types of Biofilm Carriers

1.3 進水水質與反應器啟動方法

試驗用原水為人工配水。填料掛膜小試裝置進水CODCr為108～119 mg/L，氨氮為14.46～34.01 mg/L，總磷(TP)按2 mg/L配置，并投加碳酸氫鈉保持堿度，添加微量元素營養液維持微生物的正常生長代謝。試驗過程保證生物轉盤盤片CODCr面積負荷控制在5 g/(m2·d)左右，進水氨氮負荷由初期的0.66 g/(m2·d)逐步升高至1.56 g/(m2·d)，每個反應槽的HRT控制為6 h。采用快速排泥法[12]啟動，將成熟的好氧污泥和試驗原水按照3∶1的體積比混勻倒入反應器，啟動調速電機控制轉速為2 r/min，悶曝48 h后排空，之后開展連續進水試驗。

水車驅動好氧生物轉盤啟動試驗的進水CODCr為96～108 mg/L，氨氮為 32.90～35.61 mg/L，TP約為2 mg/L，在配水桶內加入適量的碳酸氫鈉(按硝化反應理論堿度消耗量配置，質量濃度為179 mg/L)和微量元素液，微量元素液配方[13]如表2所示。采用快速排泥法啟動反應器，調節驅動水泵泵速使生物轉盤保持2 r/min運行。

表2 微量元素液配方Tab.2 Components of Trace Elements Nutrient Solution

1.4 測試指標與數據處理

(1)水質指標：COD采用哈希快速消解法測定(哈希消解器DRB200，哈希可見光分光光度計DR3900)，氨氮使用納氏試劑分光光度法測定(HJ 535—2009)。COD與氨氮均取兩平行樣檢測結果的平均值進行分析比較。

(2)填料富集生物量測定：為縮短試驗周期，將3種填料浸沒于實驗室培養的成熟好氧污泥中進行微生物富集試驗，污泥培養使用與1.3中一致的進水水質。于開始試驗的第1、4、7、10、14 d取等量的3種填料，超聲處理30 min后,水洗刮擦獲取附著在其上的所有生物膜[14]測定VSS含量[15]。每次每種填料測3組平行，結果以g VSS/m2表示。

(3)反應器驅動效果與復氧效能測定：對于水車驅動好氧生物轉盤而言，驅動水量越大則轉速越快，為了更全面地比較每組驅動水量水平下的轉盤轉速，設計試驗考察轉速與驅動水量之間的關系并繪制二者關系曲線，認為在固定相同驅動水量前提下，轉速越快則驅動效果越佳。

根據氣體傳遞原理[11]，氧總傳質系數KLa可以用于表征反應器的復氧效能，其值越大則說明復氧效能越強。反應器液相中溶解氧(DO)濃度和時間計算如式(1)。

(1)

其中：Cs——飽和DO質量濃度，mg/L；

Ci——復氧后ti時刻反應器內DO質量濃度，mg/L；

C0——初始t0時刻反應器內DO質量濃度，mg/L;

t——反應時間，min。

試驗開始前，使用無水亞硫酸鈉和CoCl2配置無氧水[16]，并使用塑料薄膜分隔，防止驅動水濺入兩側處理槽。DO使用雷磁JPSJ-605F溶解氧測定儀測定，Cs值依照《水質 溶解氧的測定 電化學探頭法》[17]選取，每組試驗做3組平行。為減小溫度對KLa的影響，試驗周期不超過2 d。

(4)數據處理：使用Origin 2016繪制圖表，Excel 2016和SPSS Statistics 25進行數據分析處理。

2 結果與討論

2.1 不同掛膜填料對COD、氨氮的去除效果

采用快速排泥法進行掛膜啟動，毛氈、碳氈、無紡布3種填料對COD和氨氮的去除效果如圖3和圖4所示。

圖3 不同掛膜填料的CODCr去除效果Fig.3 CODCr Removal Efficiency of Different Biofilm Carriers Formation

圖4 不同掛膜填料的氨氮去除效果Fig.4 Ammonia Nitrogen Removal Efficiency of Different Biofilm Carriers Formation

由圖3可知，掛膜階段開始3 d后，各填料的COD去除率基本趨于穩定，毛氈、碳氈以及無紡布的平均去除率分別為74.9%、82.2%和84.3%，CODCr出水均接近或小于30 mg/L，3種掛膜填料穩定后的平均CODCr去除負荷分別為3.84、4.21、4.32 g/(m2·d)。各填料間的差異具體表現為碳氈盤片和無紡布盤片的處理效果較為相近，大于毛氈盤片的處理效果。初步推測是因為填料的表面粗糙度以及內部比表面積等理化性質的不同[18]，除此之外，各填料上富集的微生物量不同也是重要的影響因素之一。

Fuchigami等[19]探究了網狀生物轉盤反應器對市政生活污水的處理效果，在進水CODCr負荷為22 g/(m2·d)的條件下達到了67%的CODCr去除率。本試驗掛膜啟動階段保持的有機物進水負荷處于較低水平，各填料的COD去除率可能相對較高。而Hassard等[20]在進水有機物負荷為5 g/(m2·d)的條件下，針對附載類聚氯乙烯網狀材料、聚酯纖維材料和聚氨酯材料的生物轉盤開展去除效果探究，對CODCr的去除率分別為47%、46%和39%，均不及本試驗選用的3種掛膜填料。

與COD去除效果相比，幾種填料對于氨氮的處理效果差異性更為明顯。在啟動掛膜階段的3 d后，毛氈、碳氈、無紡布的氨氮去除率分別達到77.8%、64.0%和80.5%。隨著進水氨氮負荷的提升，毛氈盤片的處理效果略有下降，碳氈盤片的處理效果則持續上升并于掛膜第6 d超過毛氈試驗組。無紡布盤片對氨氮的降解效果則一直穩定在較高水平，掛膜穩定后的平均去除率達到82.5%，毛氈盤片和碳氈盤片分別為72.5%和74.2%，3種填料對氨氮的平均去除負荷分別為1.02、1.07、1.18 g/(m2·d)。陳洪一[21]的研究結果表明，無紡布相對于其他兩種填料，其纖維之間互相穿插交錯形成復雜、立體的通道與孔洞，這種結構的存在使富集的微生物免受水流沖刷和水力剪切的影響，快速形成致密、穩定的生物膜[22]，填料的顯微鏡鏡檢結果也與此相符。與此同時，填料纖維間的孔隙可以提升裝置整體的DO水平，從而使硝化菌更好地發揮其活性[23]。

2.2 不同填料微生物富集效果比較

在選擇生物膜反應器的填料時，能否在短期內富集較多微生物、形成具有活性的生物膜往往是重要的指標之一[24]。因此，為進一步探究3種填料的微生物富集特性，從微生物角度解釋出現COD、氨氮去除率差異的原因，對3種填料開展微生物富集試驗。試驗周期內各填料上富集微生物量(以g VSS/m2表示)如圖5所示。

圖5 不同填料微生物富集效果Fig.5 Microbial Enrichment Performance of Different Biofilm Carriers

試驗結束時，無紡布填料上富集的微生物量最大，其次為碳氈和毛氈，分別達到了(24.58±1.82)、(12.45±1.78)、(7.14±1.56)g VSS/m2，這也從另一方面印證了無紡布試驗組對COD、氨氮較高去除率的現象。除此之外，無紡布填料上的微生物累積速率也要大大超過其余兩種填料，說明其具備快速富集微生物并形成穩定生物膜的特性。朱海東[25]的研究結果表明，無紡布的纖維結構使其具備較高的表面粗糙度和較大的比表面積。此外，填料所含的某些表面官能團以及較高的Zeta電位[26]也可能是導致填料生物親和性高的原因。

綜合2.1和2.2的試驗結果，選擇無紡布作為水車驅動好氧生物轉盤的掛膜附載填料開展后續研究。

2.3 反應器驅動及復氧效果評價

水車驅動好氧生物轉盤本質上屬于一種被動生物轉盤[27]，不需要電機驅動而是以水流跌落產生的動能作為驅動力，該種驅動方式對轉盤在轉動過程中受到的阻力反饋更為明顯。文獻表明，填料附加的轉盤自重[22]、驅動流量[28]以及轉盤浸沒率[29]均會對被動式生物轉盤的轉動效果產生影響。本節試驗以空轉盤和附載無紡布填料轉盤作為研究對象，考察改進前后反應器的驅動效果及復氧效能，試驗結果如圖6和圖7所示。

圖6 空轉盤與無紡布轉盤驅動效果比較Fig.6 Comparison of Driving Effect between Control Group and Non-Woven Loading Group

圖7 空轉盤與無紡布轉盤復氧效能比較Fig.7 Comparison of Reoxygenation Effect between Control Group and Non-Woven Loading Group

可以看出，轉盤轉速與驅動水量呈線性關系(R2均大于0.99)，此時，曲線斜率越大說明驅動效果越好。因此，以轉速-驅動水量曲線斜率為因變量表征驅動效果，以是否添加無紡布作為強化掛膜填料為自變量作單因素方差分析，按α=0.05水準，得P=0.007<0.05，對應F為26.315，可以認為無紡布轉盤與空轉盤在驅動效果均值方面存在統計學差異。

對KLa進行單因素方差分析，按α=0.05水準，P遠小于0.05，對應的F為1 343.891，遠大于26.315，因此，認為無紡布轉盤與空轉盤在KLa均值方面存在顯著差異。綜上，在轉盤表面添加無紡布為掛膜填料將大幅提高反應器的復氧效能，其對轉盤驅動效果造成的影響則相對不顯著。

2.4 反應器的掛膜啟動

以初始HRT為3 h啟動反應器掛膜，運行6 d后縮短HRT為2 h運行，得到COD、氨氮去除效果曲線(圖8～圖9)。

圖8 掛膜啟動階段CODCr去除效果Fig.8 CODCr Removal Efficiency of Reactor at Biofilm Start-Up Stage

圖9 掛膜啟動階段氨氮去除效果Fig.9 Ammonia Nitrogen Removal Efficiency of Reactor at Biofilm Start-Up Stage

由圖8可知，掛膜啟動3 d后，反應器的CODCr去除效率從初始的59.3%上升至82.9%；之后第4～6 d的CODCr去除率一直保持在85%以上，平均去除負荷為8.16 g/(m2·d)；當HRT變化后，反應器第7 d的CODCr去除效率降至63.5%；第8 d又回升至83.8%；并于第9～12 d繼續保持85%以上的去除效果，此時的CODCr平均去除負荷為11.74 g/(m2·d)。

氨氮去除率在掛膜啟動2 d后由初始的84.7%上升至96.5%；之后第3～6 d的去除率保持在97%以上，氨氮平均去除負荷為3.00 g/(m2·d)；HRT變化后，反應器整體氨氮去除效果雖降至92%左右但能保持相對穩定；第7～12 d反應器的氨氮平均去除負荷降為2.87 g/(m2·d)。綜合考慮COD和氨氮的去除效果，可以認為兩級生物轉盤反應器掛膜完成。此時可以明顯觀察到第二級生物轉盤氨氮去除效果受HRT變化影響相對第一級更小。推測原因是第一級轉盤主要承擔去除COD負荷的作用，其生物膜中的硝化功能菌群相對豐度更低[30-31]，因此，耐氨氮沖擊能力小于第二級轉盤。

2.5 掛膜穩定期反應器運行效果

掛膜啟動完成后繼續運行水車驅動好氧生物轉盤2周，考察兩級轉盤污染物去除效果。

兩級水車驅動好氧生物轉盤的CODCr平均去除率為86.76%±0.85%。由圖10可知，對于COD而言，其主要去除過程主要發生在第一級轉盤內。一級轉盤CODCr平均去除率為77.3%±0.99%，其對CODCr總去除率的貢獻達到了89.1%。較高的COD負荷使得轉盤表面生物膜較厚，盤片局部區域伴有少量絲狀菌存在。

圖10 掛膜穩定階段污染物去除效果Fig.10 Pollutants Removal Efficiency during the Stable Period of Biofilm Formation

裝置對氨氮的平均去除率為92.15%±1.49%，氨氮的去除則主要發生在第二級轉盤內。二級轉盤氨氮平均去除率為87.9%±2.37%，對氨氮總去除率的貢獻達到62.0%。轉盤表面生物膜厚度較第一級而言,較薄且顏色偏棕黃，由于較低的COD負荷以及存在氮、磷營養鹽，處理槽邊壁處出現少量藻類。

3 結論

(1)毛氈、碳氈、無紡布3種填料的掛膜小試試驗表明，以無紡布作為掛膜填料的生物轉盤具有良好的污染物去除性能，穩定后的CODCr、氨氮去除率分別達到84.3%和80.5%。同時，無紡布具有快速富集微生物并形成穩定生物膜的特性，14 d后填料表面的微生物量達到24.58 g VSS/m2。

(2)水車驅動好氧生物轉盤盤片在附載無紡布填料后驅動效果有所下降，但反應器復氧效能大幅度提升，KLa由0.005 44 min-1提升至0.018 86 min-1。

(3)應用無紡布填料的生物轉盤反應器穩定階段對CODCr、氨氮的平均去除率分別為86.76%±0.85%和92.15%±1.49%。裝置出水的CODCr、氨氮分別為12～15 mg/L和1.3～3.4 mg/L。