-
曝气生物滤池是继普通生物滤池、高负荷生物滤池后发展起来的第三代生物滤池技术[1],具有高水力负荷、高容积负荷、高生物膜活性等特点及生物降解兼截留SS固液分离的功能,被广泛应用于污水二级或三级处理单元[2-4],但也存在对预处理工艺要求高、水头损失大、产泥量大、运行管理复杂等不足[5-7]。
在曝气生物滤池中,颗粒填料是微生物的重要载体,常用的烧结陶粒填料具有机械强度高、生物兼容性好、廉价易得等优点[8-9],但由于高温熔融冷却后形成的质密颗粒孔隙较少,附载生物量偏低,限制了曝气生物滤池处理效率提升。研发新型具有结构和功能优势的颗粒填料能够优化曝气生物滤池的处理能力,进一步提高污水处理厂的处理效率,加强水资源循环利用;另外,生物膜作为生物滤池技术核心,研究生物膜动力学模型能够反映生物膜内传质特性和反应动力学特征,优化生物膜反应器的运行。但传统生物滤池工艺中生物膜微生物动力学参数研究方法具有局限性[10-11],其作为生物滤池技术基础研究的难点一直没有很好解决。
本研究设计了一种间歇式完全混合循环流态化反应器,采用重量法、重铬酸钾快速消解法和TTC比色法等方法,对自主研发的破碎秸秆纤维煅烧造孔的粉煤灰基颗粒填料、商品化的粉煤灰免烧陶粒和石英砂颗粒填料的挂膜速率、动力学参数以及生物膜活性等生物膜特性进行比较,探索不同填料反应器的污染物降解效率,旨在为新型生物滤池技术发展提供参考。
秸秆粉煤灰基颗粒填料生物膜特性的比较
Comparative on biofilm properties of straw and fly ash-based granular fillers
-
摘要: 为提高曝气生物滤池处理效率、研发新型具有结构和功能优势的颗粒填料,采用间歇式完全混合循环流态化反应器,探究了自制复合颗粒A、自制复合颗粒B、中劲陶粒及石英砂颗粒填料在4个水力停留时间下的挂膜性能、动力学参数及生物膜活性等生物膜特性,建立了生物膜微生物动力学参数实验测定的新方法。结果表明:当水力停留时间为8~12 h时,自制复合颗粒A、B挂膜性能优于石英砂和中劲陶粒,生物膜增殖速率分别为95.83 、63.75 mg·(L·h)−1(以COD去除率标准评价)和54.13、29.23 mg·(L·h)−1(以氨氮降解率标准评价);装填复合颗粒A的完全混合循环流态化反应器氨氮降解效率最高,相应生物膜表观产率系数最低,剩余污泥量最少;当水力停留时间超过8 h后,复合颗粒附着生长生物膜的脱氢酶活性、表面蛋白质、多糖含量最高。由此可知,以自制复合颗粒A、B为颗粒填料能优化曝气生物滤池的处理效率。本研究结果可为新型生物滤池技术的发展提供参考。Abstract: In order to improve the treatment efficiency of biological aerated filter, the new granular fillers with structural and functional advantages were developed. A fully mixed circulating fluidized batch reactor was used to study the film hanging properties, kinetic parameters and biofilm activity of self-made composite particles A and B, ceramsite and quartz sand at four hydraulic residence times. A new method for the experimental determination of microbial kinetic parameters of biofilm was established, then the kinetics of ammonia degradation and microbial proliferation were studied. The results showed that when the hydraulic retention time was 8~12 h, the film hanging performance of the self-made composite particles A and B was better than that of quartz sand and ceramite, the proliferation rates of biofilm on them were 95.83 mg·(L·h)−1and 63.75 mg·(L·h)−1 (as COD removal rate), 54.13 and 29.23 mg·(L·h)−1 (as ammonia nitrogen degradation rate), respectively. The fully mixed circulation fluidized reactor loaded with composite particle A had the highest ammonia nitrogen degradation efficiency, the lowest apparent yield coefficient of the corresponding biofilm, and the least amount of excessive sludge. When the hydraulic retention time exceeded 8 h, the dehydrogenase activity, surface protein and polysaccharide contents of the growing biofilm attached on composite particles were the highest. In conclusion, the treatment efficiency of biological aerated filter can be optimized by using self-made composite particles A and B as particle fillers. The results of this study can provide a reference for the development of the novel biological filter technology.
-
Key words:
- fly ash-based granular filler /
- biofilm properties /
- film hanging /
- kinetic parameters
-
表 1 4种颗粒填料的理化性质
Table 1. Physical and chemical properties of four particle fillers
颗粒类型 粒径/mm 堆积密度/(g·cm−3) 表观密度/(g·cm−3) 密度/(g·cm−3) 比表面积/(m2·g−1) 孔隙率/% 破碎率及磨损率之和/% 中劲陶粒 3~5 0.70~1.10 1.20~1.80 1.30~1.60 >7.00 >40.00 <6.0 复合颗粒A 2~5 0.84 1.38 1.51 16.25 40.1 2.66 复合颗粒B 2~5 0.63 1.47 1.61 14.68 57.26 2.02 石英砂 1~2 1.10~1.30 1.30~1.50 1.50~1.90 2.00~6.00 40.00~60.00 <4.0 表 2 水力停留时间对实验批次的影响
Table 2. Effect of the hydraulic retention time on the experimental batches
水力停留时间/h COD去除率稳定时所需实验批次 中劲陶粒 复合颗粒A 复合颗粒B 石英砂 6 6 6 6 6 8 5 5 5 6 10 4 4 4 5 12 4 4 4 5 表 3 不同水力停留时间对挂膜速率和COD去除率的影响
Table 3. Effect of the different hydraulic retention time on the film hanging rate and COD removal rate
水力停留
时间/h中劲陶粒 复合颗粒A 复合颗粒B 石英砂 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 6 54.85 73.23 46.53 83.64 95.83 80.67 46.45 86.37 8 41.58 79.00 63.75 91.03 78.45 89.22 54.18 87.30 10 50.83 87.77 59.95 94.00 71.75 91.00 50.45 89.23 12 39.95 89.08 48.18 94.90 57.7 93.20 38.68 94.36 表 4 水力停留时对实验批次的影响
Table 4. Effect of the hydraulic retention time on the experimental batches
水力停留时间/h 氨氮去除率稳定时所需实验批次 中劲陶粒 复合颗粒A 复合颗粒B 石英砂 6 4 4 4 6 8 4 4 4 5 10 3 3 3 4 12 3 3 3 4 表 5 不同水力停留时间对挂膜速率和氨氮去除率的影响
Table 5. Effects of the different hydraulic retention times on the film hanging rate and removal rate of ammonia nitrogen
水力停留
时间/h中劲陶粒 复合颗粒A 复合颗粒B 石英砂 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 挂膜速率/
(mg·(L·h)−1)去除率/% 6 64.55 91.53 65.83 97.29 135.33 93.25 79.35 86.37 8 38.25 98.58 73.08 97.70 103.83 94.66 68.65 87.30 10 55.30 99.60 62.88 98.75 103.43 95.27 61.83 89.23 12 59.80 99.80 66.18 98.94 76.73 96.61 47.05 94.36 表 6 有机物降解动力学参数
Table 6. Kinetic parameters of organic matter degradation
颗粒类型 拟合方程 拟合系数R2 最大比降解速率Vmax/d−1 半速率常数Ks/(mg·L−1) 中劲陶粒 y=0.008 66x 0.990 0.358 41.34 y=0.358x+205.89 0.936 复合颗粒A y=0.005 45x 0.989 0.209 38.35 y=0.209x+276.54 0.948 复合颗粒B y=0.005 42x 0.758 0.342 63.11 y=0.342x+232.93 0.894 石英砂 y=0.006 42x 0.994 0.500 77.88 y=0.500x+110.48 0.957 表 7 氨氮降解动力学参数
Table 7. Kinetic parameters of ammonia nitrogen degradation
颗粒类型 拟合方程 拟合系数R2 最大比降解速率Vmax/d−1 半速率常数Ks/(mg·L−1) 中劲陶粒 y=0.011 6x 0.824 0.003 85 0.332 y=0.00385x+14.14 0.827 复合颗粒A y=0.011 3x 0.900 0.025 2.212 y=0.025x+9.73 0.902 复合颗粒B y=0.013 7x 0.986 0.027 1.971 y=0.027x+6.58 0.934 石英砂 y=0.014 3x 0.873 0.025 1.748 y=0.025x+5.38 0.941 表 8 碳氧化菌增殖动力学参数
Table 8. Kinetic parameters of carbon oxidizing bacteria proliferation
颗粒类型 拟合方程 拟合系数R2 产率系数Y 衰减系数Kd/d−1 中劲陶粒 y=0.244x−0.018 0.984 0.244 0.018 复合颗粒A y=0.239x−0.016 0.982 0.239 0.016 复合颗粒B y=0.486x−0.008 0.978 0.486 0.008 石英砂 y=0.553x−0.053 0.974 0.553 0.053 表 9 硝化菌增殖动力学参数
Table 9. Kinetic parameters of nitrobacteria proliferation
颗粒类型 拟合方程 拟合系数R2 产率系数Y 衰减系数Kd/d−1 中劲陶粒 y=1.04x+0.097 0.993 1.040 −0.097 复合颗粒A y=0.7x+0.2 0.870 0.700 −0.200 复合颗粒B y=0.843x+0.293 0.880 0.843 −0.293 石英砂 y=0.976x+0.354 0.834 0.976 −0.354 -
[1] 俞敏. 粉煤灰陶粒制备及其在曝气生物滤池处理城市污水应用[D]. 太原: 太原理工大学, 2014. [2] 祝烨烨. 污水处理中曝气生物滤池应用研究[J]. 环境与发展, 2020, 32(7): 39. [3] 陈真贤, 张朝升, 荣宏伟. 曝气生物滤池的研究进展[J]. 广东化工, 2007(6): 89-92. [4] 崔福义, 张兵, 唐利. 曝气生物滤池技术研究与应用进展[J]. 环境污染治理技术与设备, 2005, 6(10): 4-10. [5] 马军, 邱立平. 曝气生物滤池及其研究进展[J]. 环境工程, 2002, 20(3): 7-11. [6] 龚鸣. 曝气生物滤池用于印染废水深度处理工艺研究[D]. 苏州: 苏州科技学院, 2015. [7] 王劼. 曝气生物滤池关键工艺参数优化研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2014. [8] 周靖淳. 免烧及烧结污泥陶粒滤料的开发及应用技术研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2017. [9] 王彦平. 水处理曝气生物滤池中填料的选择和研究[J]. 科技尚品, 2016, 8(1): 210. [10] 邱玉琴, 韩丹, 施汉昌, 周小红. 生物膜动力学参数的研究进展[J]. 给水排水, 2008, 44(S1): 59-63. [11] 邱玉琴, 周小红, 施汉昌. 废水生物膜动力学参数的研究方法[J]. 中国环境科学, 2008, 32(8): 679-682. [12] WU S B, WIESSNERA, DONG R J, et al. Performance of two laboratory-scale horizontal wetlands under varying influent loads treating artificial sewage[J]. Engineering in Life Sciences, 2012, 12(2): 178-187. doi: 10.1002/elsc.201100151 [13] 苗峻赫, 陈蓉, 廖强, 等. 膜生物反应器中生物膜的生长特性[J]. 环境工程学报, 2013, 7(2): 631-636. [14] 王曦曦, 伦琳, 张继彪, 等. 改进型曝气生物滤池的生物量和生物活性[J]. 环境工程学报, 2012, 6(6): 1829-1833. [15] 余瑞元、袁明秀、陈丽蓉, 等. 生物化学实验原理与方法[M]. 北京: 北京大学出版社, 1994. [16] 薛涛, 俞开昌, 关晶, 等. MBR污水处理工艺中活性污泥动力学参数测定[J]. 环境科学, 2011, 32(4): 1027-1033. [17] 徐大为. 玄武岩纤维填料生物膜反应器研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2019. [18] ZHANG X Y, LI J, YU Y B, et al. Biofilm characteristics in natural ventilation trickling filters (NVTFs) for municipal wastewater treatment: Comparison of three kinds of biofilm carriers[J]. Biochemical Engineering Journal, 2016, 106: 87-96. doi: 10.1016/j.bej.2015.11.009 [19] 胡小兵, 林睿, 张琳, 等. 载体内微孔孔径对生物膜特性及废水处理效果的影响[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3329-3338. [20] 刘良军, 万先凯, 乐翠华, 等. 关键参数对MBBR工艺生物膜活性的影响研究[J]. 环境工程, 2014, 32(S1): 358-363. [21] 郭磊, 成岳, 鲁莽, 等. 磁性多孔陶粒生物膜反应器处理垃圾渗滤液的试验研究[J]. 工业安全与环保, 2013, 39(8): 3-7.