我国是一个淡水资源紧缺的国家, 且目前河湖水氮磷污染日益严重.生物转盘法因其具有耐冲击负荷、能耗低、便于管理维护、设施占地面积小、不存在二次污染等优点, 在处理生活污水 、工业废水各污染物时具有较好的效果.然而, 传统生物转盘因其难挂膜的特性少见用于处理污染物含量较低的污染河水.
生物转盘盘片作为微生物附着生长的载体是影响污染物去除效率的重要因素, 传统的盘片材料比表面积小, 挂膜性能差、挂膜生物量低等[5, 6].而活性炭虽具有比表面积大、吸附能力强等特点, 但因其大多为块状、颗粒状、粉末状的特性, 较多地应用于污染物的物理吸附, 少见其作为微生物的载体尤其是用于生物转盘来生物处理污染河水.
本研究采用比表面积大、具有一定机械强度的新型网状活性炭填料, 因其具有一定的舀水结构能增大与污染物的接触时间, 是微生物良好的生存载体.将其负载在盘片表面, 采用河水直接挂膜的方式来处理污染河水.水力停留时间作为影响污染物降解与去除效率、维持系统正常运行、发挥净化效果的重要参数, 探究活性炭生物转盘不同水力停留时间下对NH4+-N、TP、高锰酸盐指数、生物膜特性的影响, 以期为污染水体原位修复工艺工程化应用提供技术支持, 并为用于处理污染水体强化净化技术提供重要的发展方向.
1 材料与方法 1.1 实验材料和装置
反应器装置如图 1所示, 氧化槽有效容积为10 L, 盘片直径为40 cm, 盘片之间间隔5 cm.本实验采用填料取自南通海蓝洁净科技有限公司, 是一种以3~4 mm孔径的铝蜂窝为基底, 负载含量50%~60%的活性炭的填料, 厚度为5 mm、比表面积为1 200 m2·m-3.
1.2 实验水质和检测方法
实验用水取自江南大学校内河水, 其NH4+-N、TN、高锰酸盐指数、TP质量浓度分别为0.2~2.4, 1.0~3.8, 3.6~10.6, 0.06~0.9 mg·L-1, 该水质属于劣Ⅴ类水以上. DO为6.31~8.28 mg·L-1, 温度为18~24℃, pH呈近中性.
高锰酸盐指数、NH4+-N、TP等均按文献中标准方法测定. DO采用梅特勒溶氧仪, pH采用pH计测量.
1.3 生物膜指标测量方法
生物膜脱氢酶活性采用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法, 以单位体积每12 h内产生三苯基甲肼(TF)的量作为TTC-脱氢酶活性, μg·(mL·12 h)-1; 胞外多聚物(EPS)采用NaCl提取法; 蛋白采用考马斯亮蓝法测定; 多糖采用蒽酮-硫酸比色法测定; 采用Hitachi F-7000荧光分光光度计对S-EPS、LB-EPS、TB-EPS进行三维荧光光谱扫描.
1.4 活性炭填料吸附实验
取200 mL NH4+-N(氯化铵配制)、TP(磷酸二氢钾配制)、COD(葡萄糖配制, 用高锰酸盐指数表征)浓度如表 1所示的5组模拟水, 每组分别放入8×3(设置3个平行)个锥形瓶中, 加入3 cm×25 cm×5 mm的活性炭填料(按实际活性炭生物转盘反应器处理200 mL水的量), 放入恒温振荡器中(模拟实际反应器动态过程), 分别在1.5、3、4.5、6、7.5、9、12、24 h(按实际水力停留时间设置)取水样测量NH4+-N、TP、高锰酸盐指数质量浓度.
1.5 盘片挂膜启动及稳定
3组反应器均采用河水直接挂膜.挂膜期间, 水力停留时间(HRT)为12 h, 转速为3 r·min-1连续进水, 定期监测进出水水质, 当盘片表面出现一层薄的生物膜且高锰酸盐指数去除率达到30%以上, 即可认为挂膜成功.
1.6 控制变量和研究HRT的影响
分别设置活性炭生物转盘, HRT为12 h, 设置常转速1、2、3、4 r·min-1, 探求该生物转盘的最佳转速.活性炭生物转盘在该最佳转速下, 分别设置HRT为6、3、1.5 h, 探究各污染物的去除效率以及生物膜的特性差异.采用Origin8.5软件制图以及SPSS21.0软件单因素方差法进行统计分析.
2 结果与讨论 2.1 水力停留时间(HRT)对活性炭填料吸附的影响
吸附实验得出结果, 在水力停留时间为6 h时, 各阶段吸附基本达到平衡, 利用活性炭吸附时, 常用Freundlich公式来表示平衡关系, 绘制吸附等温线如图 2所示.依据Freundlich公式lnQe=lnKf+
2.2 转速对各污染物的影响
由图 3可知, 在转速为3 r·min-1时, NH4+-N、TP、高锰酸盐指数平均去除率分别为86.05%、81.28%、77.09%, 达到最高去除率.
2.3 水力停留时间(HRT)对各污染物去除效率的影响 2.3.1 反应器NH4+-N去除效率
如图 4所示, 挂膜启动期间约前30 d, 3组反应器NH4+-N去除率差异性分析显示无显著性差异(P>0.05).根据NH4+-N去除情况挂膜启动期间大致分为适应期、快速增长期和稳定期3个阶段.前11 d, 由于水中微生物含量较少且进水不稳定导致NH4+-N去除率波动较大. 11~20 d活性炭生物转盘上负载了一定量的微生物, 微生物利用水中的污染物进行代谢繁殖进入快速增长期, NH4+-N去除率快速升高. 20 d后, 3组反应器进入了挂膜稳定期, NH4+-N平均去除率达86.05%.挂膜启动时间较长, 原因是污染河水中有机物等浓度较低且微生物含量较少, 活性炭生物转盘利用网状活性炭比表面积大的优势富集水中的微生物需要一定的时间.第31 d分别设置3组反应器HRT为1.5、3、6 h, 如图 4所示NH4+-N平均去除率分别降至57.87%、65.38%、71.59%, 且差异性分析显示在不同水力停留时间下, NH4+-N去除率存在显著性差异(P < 0.05).由图 5的HRT与去除率相关性分析可知, R2=0.983 3(R2>0.9)说明在一定水力停留时间下, HRT与NH4+-N平均去除率呈显著线性相关.分析去除率降低原因一是水力停留时间变短时, 微生物与污染物之间的接触几率与反应时间大大降低不能充分降解水中NH4+-N; 二是HRT变短即水力负荷增大高锰酸盐指数升高, 导致了异养菌和硝化细菌对生存空间的竞争, 会影响硝化细菌的生存环境, 此外处理NH4+-N的硝化细菌较之异养菌敏感, 导致系统处理效率下降.同时, HRT变短导致NH4+-N去除率波动明显增大, 也与硝化细菌较敏感有关.
2.3.2 反应器TP去除效率
如图 6所示, 采用SPSS对挂膜启动过程3组反应器TP去除率进行差异性分析, 不存在显著性差异(P > 0.05). 3组反应器在连续进水前15d, TP的平均去除率达52.21%.原因一方面是生物转盘上的活性炭填料对磷进行了物理吸附; 另一方面是生物转盘盘片的转动不断给反应器提供充足的溶解氧, 反应器不能达到厌氧状态, 虽然生物除磷中聚磷菌厌氧释放磷是好氧吸收和除磷的前提条件, 但尹军等提出厌氧条件下聚磷菌充分释放磷并不是决定除磷能力的必要条件, 陈洪波等也提出活性污泥接种到SBR反应器后直接进行曝气也能实现生物强化除磷.河水是一个相对兼性的环境, 必然存在以聚磷菌为主的兼性异养菌.在挂膜启动的过程中, 活性炭生物转盘对水中的聚磷菌等进行富集并利用水中的污染物进行代谢以及繁殖, 这也造成了TP前15 d去除率有波动且异养菌较之硝化细菌生长较快从而能有一定的TP去除. 15 d后, 磷的物理吸附占有小部分, 主要是微生物的代谢作用降解了TP, 由图 6所示TP去除率在15~19 d急剧升高, 原因是因为微生物进入了快速增长期, 20 d后反应器TP去除率达到稳定为81.28%.第31 d设置了HRT分别为1.5、3、6 h, 相应地TP去除率分别为54.41%、64.31%、69.79%.差异性分析显示, HRT为1.5h的反应器分别与HRT为3、6 h的反应器, TP的去除率存在极显著差异(P < 0.01), 而HRT为3 h与HRT为6 h的反应器存在显著差异(P < 0.05).此外, 如图 7所示, R2=0.936 8(R2>0.9)说明在一定水力停留时间下, HRT与TP平均去除率呈显著线性相关. HRT差异性较大的原因是短时间内进水负荷超出了盘片上生物膜的接受处理能力, 且较大的水流对生物膜造成冲击使原先被吸附在盘片表面的磷冲出系统导致磷去除效率降低. HRT变短去除率降低的原因一是HRT变短, 水中的有机物等增加, 使得异养菌能大量地繁殖; 但同时由于污水与盘片接触时间变短, 不能充分地吸附代谢磷而导致磷去除率降低; 二是物理吸附较不稳定, 过短的水力停留时间导致了磷容易脱附重新进入水体; 三是由于过短的水力停留时间对生物膜造成了一定的冲击, 导致部分生物膜的脱落.
2.3.3 反应器高锰酸盐指数去除效率
如图 8所示, 对3组反应器在挂膜启动阶段进行差异性分析, 无显著差异(P > 0.05). 3组反应器运行0~15 d, 该阶段为适应期, 硝化细菌以及异养菌的生长均需要碳源, 所以在适应期阶段反应器高锰酸盐指数去除率较为稳定. 15 d后微生物均进入快速增长期, 需消耗大量的碳源直至挂膜成功, 高锰酸盐指数平均去除率达77.09%.第31 d改变3组反应器的HRT分别为1.5、3、6 h, 在31~36 d内, 3组反应器高锰酸盐指数去除率先上升后下降, 原因是本实验所用污染河水相对生活污水、工业废水高锰酸盐指数较低, 缩短水力停留时间即具有更高的水力负荷, 使得短时间内反应器中高锰酸盐指数急剧升高.硝化细菌等贫营养微生物在营养物竞争中具有较大优势, 而高锰酸盐指数的升高对异养菌群更为适宜, 这将使得大量的碳源被消耗从而高锰酸盐指数去除率升高.但是随着HRT持续降低对反应器造成了一定的冲击使得高锰酸盐指数去除率下降. 37 d后, 3组反应器适应了HRT的变化，高锰酸盐指数去除率分别为71.37%、75.88%、76.88%. SPSS差异性分析显示, HRT为1.5 h和6 h的反应器高锰酸盐指数去除率存在显著差异(P < 0.05), 而HRT为3 h的反应器分别与HRT为1.5 h和6 h的反应器高锰酸盐指数去除率不存在显著差异(P > 0.05).此外由图 9可知, R2=0.5127, 均表明在一定的水力停留时间下, 高锰酸盐指数去除率变化不显著, 与HRT不存在显著线性关系.原因是在反应时间一定时底物浓度越低, 其反应速度越慢, 对底物的降解程度越小, 而缩短HRT相当于增加了底物浓度, 这使得异养菌能大量地繁殖.此外生物转盘对高锰酸盐指数良好稳定的去除性能(改变HRT, 去除率变化不大)可能与活性炭盘片为微生物生长提供了稳定接触面和较好的生长环境有关.但当水力停留时间变短时, 水流过快会导致部分的生物膜脱落流出从而高锰酸盐指数有些许下降但不明显, 高锰酸盐指数去除率的变化趋势进一步吻合了NH4+-N去除率的变化.
2.4 水力停留时间对生物膜的影响
2.4.1 HRT变化对生物膜活性以及多糖(PS)和蛋白(PN)影响
由表 2可知, 在水力停留时间为1.5、3、6 h时, 各污染物指标达到稳定阶段, 反应器HRT为6 h时生物膜VSS/TSS的比值为32.76%, TTC-脱氢酶活性为(12.27±0.11) μg·(mL·12 h)-1.这表明水力停留时间为6 h时生物膜具有更高的活性.这一结果与NH4+-N、高锰酸盐指数在HRT为6 h时去除率较高相一致.此外随着HRT的缩短, VSS/TSS值变小, 原因是水中污染物浓度较低, 这导致活性炭生物转盘上的微生物膜较薄较易受到外界环境的影响, 而过快的流速会对反应器上的生物膜造成一定的冲击, 造成生物膜的脱落.
Nielsen等将EPS分为溶解性EPS(S-EPS)和结合型EPS(B-EPS), 而Ramesh等提出B-EPS具有双电层结构, 包括松散附着的LB-EPS以及紧密附着的TB-EPS.且有研究表明, EPS的70%~80%是由蛋白质和多糖构成, 余下的20%~30%来自于腐殖酸、核酸和脂类等.如图 10、11所示, 为不同水力停留时间下, EPS中3个组分蛋白和多糖比较.从中可知, 在S-EPS中, 生物膜中蛋白和多糖的含量均随着HRT的延长而增多, 原因是S-EPS为溶解性的胞外多聚物易受外界环境干扰, 过短的HRT对生物膜造成冲击带走一部分S-EPS.在LB-EPS中, 蛋白和多糖的含量与HRT呈负相关, 原因是松散型结合的EPS处于紧密型结合的TB-EPS和S-EPS之间, HRT变短时较之S-EPS受到的冲击较少而对外界环境变化具有一定的缓冲作用, 且此时水中含有较多的有机物而胞外聚合物含有较为丰富的官能团(如羟基、羧基、氨基等), 能大量地吸附水中的污染物.在TB-EPS中, 由于这种EPS紧密地结合在细胞表面, HRT缩短使得异养菌生长占有优势, 且内层的TB-EPS基本不受到水力停留时间变短对其的冲击.此外HRT缩短导致微生物的大量死亡以及细胞自溶导致EPS中总的蛋白质、多糖等含量的增加.总EPS蛋白多糖含量与水力停留时间呈正相关, 而周健等提出磷的去除能力与EPS的含量呈正相关, 这与本实验结果TP去除率随HRT变短而下降相一致.
2.4.2 HRT变化对EPS三维荧光光谱的影响
依据文献[28]将三维荧光区域划分为：Ⅰ.芳香族蛋白质Ⅰ、Ⅱ.芳香族蛋白质Ⅱ、Ⅲ.富里酸、Ⅳ.溶解性微生物产物、Ⅴ.腐殖酸5类.如图 12(a)~12(c)为不同水力停留时间活性炭生物转盘上生物膜S-EPS的三维荧光扫描图, 图 12(d)~12(f)为不同水力停留时间活性炭生物转盘上生物膜LB-EPS的三维荧光扫描图, 图 12(g)~12(i)为不同水力停留时间活性炭生物转盘上生物膜TB-EPS的三维荧光扫描图.从中可知不同水力停留时间下均有Peak S1、Peak L1、Peak T1为溶解性微生物产物; Peak S2、Peak L2、Peak T2为芳香族蛋白质Ⅱ; Peak S3、Peak L3、Peak T3为芳香族蛋白质Ⅰ.结果表明S-EPS以及分别位于生物膜外层和内层的LB-EPS、TB-EPS, 组分和物质结构基本相同, 均由蛋白质和溶解性微生物产物构成. HRT为1.5 h和3 h时均有Peak T4(类溶解性微生物产物), 而HRT为6 h时荧光峰消失, 产生了峰的偏移, 李志华等提出这与高锰酸盐指数、NH4+-N的去除率有相关性, 这与实验结果HRT=6 h时高锰酸盐指数、NH4+-N具有较高的去除效率相一致.同时图 12中腐殖质的峰较低, 不为主要峰. Mopper等曾指出类腐殖质荧光代表老化的溶解有机物, 这表明了生物膜的腐殖程度较低, 均具有较高的活性, 从而说明活性炭生物转盘能很好富集水中的微生物.
由表 3可知, 随着水力停留时间的延长, Peak S1、Peak T1荧光强度变强, 原因是HRT适量延长增加了生物膜与污水的接触时间, 使得微生物能大量的繁殖.而Peak S2、Peak S3、Peak L2、Peak T2、Peak T3荧光强度均先变强后变弱, 变强的原因一是HRT的适量延长, 有利于微生物分泌蛋白, 二是微生物数量增多导致衰老和死亡细胞增多, 而破碎降解这些细胞是溶解有机物类蛋白荧光的一个重要来源.变弱的原因是过长的HRT会使得微生物大量繁殖导致从外界摄取的营养物质不足, 从而消耗自身LB-EPS中的蛋白供给生命活动. Peak L1、Peak L3峰值随HRT的异常变化, 可能是由于LB-EPS处于外层较易变化的S-EPS和内层不易改变的TB-EPS之间, 改变HRT的同时造成了两边EPS对其的影响.同时HRT较长时微生物消耗自身储存的LB-EPS中溶解性微生物代谢产物、蛋白类物质和腐殖酸类物质.实际上EPS中荧光峰所代表的溶解性代谢产物、蛋白类等物质是影响水质中高锰酸盐指数和NH4+-N去除率的重要因素.
3 结论
(1) 活性炭生物转盘对污染河水中的微生物有很好的吸附及富集作用, 能实现水中低污染条件下的快速直接挂膜.且能较好地吸附降解水中的污染物, 达到地表水Ⅰ、Ⅱ类水的标准.转速对活性炭生物转盘有影响, 转速为3 r·min-1时, 各污染物去除率达到最佳.
(2) 水力停留时间对污染物去除率各有影响, 不同HRT之间NH4+-N、TP去除率存在显著差异(P < 0.05), 而高锰酸盐指数去除率不存在显著性差异(P>0.05).此外, NH4+-N、TP去除率与HRT存在显著线性关系(R2>0.9), 而高锰酸盐指数不存在显著线性关系.
(3) 水力停留时间对VS/TS、多糖以及蛋白有影响, 这三者表征了生物膜的活性.在一定HRT范围内, HRT越长, VS/TS越大, 生物膜活性越高. S-EPS、TB-EPS中多糖和蛋白与HRT呈正相关, 而LB-EPS中多糖和蛋白与HRT呈负相关.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
(4) 水力停留时间主要对生物膜EPS三维荧光中类芳香族蛋白质Ⅰ、类芳香族蛋白质Ⅱ、类溶解性微生物产物的峰值造成较大的影响, 从而影响水质中高锰酸盐指数和NH4+-N以及TP的去除效率.