不同填料類型污染源水生物預處理的比較

朱 潔,東劉成,陳洪斌,何群彪 (同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092)

不同填料類型污染源水生物預處理的比較

朱 潔,東劉成,陳洪斌*,何群彪 (同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092)

中國南方水質性缺水地區污染廣泛采用生物預處理工藝凈化污染水源,微生物載體以固定式填料和流化型填料為主.為考察 2種類型填料的運行效能和微型生物多樣性,以長江三角洲地區的污染源水為例,利用現場生產性試驗和連續流中試研究了半軟性彈性立體填料和懸浮填料的主要污染物去除效能、填料的積泥和沖洗、微型動物的生長和分布規律.研究結果表明,夏秋季相同源水水質和運行參數等條件下,懸浮填料和彈性填料對NH3-N的平均去除率分別為80%和65%左右, CODMn的去除率分別為18%和16%左右;懸浮填料上的微型動物種類和數量均低于固定式彈性立體填料,且少見群居性微型動物.生產性裝置運行結果表明,源水水質相對較差的條件下,懸浮填料對NH3-N和CODMn的去除率分別比彈性填料高 5%～10%;懸浮填料沒有出現群居性微型動物大量生長現象,無需定期反沖洗;固定式彈性填料的某些區域出現苔蘚蟲等群居性微型動物大量生長現象,且積泥嚴重,需定期反沖洗,甚至使用高壓水槍強制沖洗.流化型懸浮填料更有利于污染源水生物預處理工程應用.

污染源水；生物預處理；彈性填料；懸浮填料；生物多樣性

微污染原水生物預處理能有效去除水中的多類有機物、氨氮,改善水的混凝沉淀性能[1]、減少混凝劑和氯用量,是南方地區許多微污染原水預處理的重要手段[2-5].填料作為微生物的載體,不僅對于生物預處理效果起著關鍵作用,而且由于其附著生長微型動物,會對運行效果影響很大[6-7].微污染原水生物預處理的填料應用最多的有兩類:捆綁式填料和懸浮狀填料,前者以彈性立體填料為代表,在南方地區廣泛使用;另一類是懸浮生物填料,近幾年在長江三角洲地區應用很多.

2種填料用于污染源水生物預處理的效果差異性和微型動物的生長與分布規律尚無任何探討,污染原水生物預處理工程如何選擇最適宜的微生物載體有待研究.本文對長江三角洲地區等幾個源水水質較差、采用生物預處理工藝的水廠開展了近半年現場生產性試驗,以YDT彈性立體填料和懸浮填料為例分析污染物去除效果的差異性、微型動物多樣性分布以及某些團聚型后生動物的生長趨勢,再以黃浦江上游原水并適當添加某些污染物成分為例,考察連續流條件下兩類生物填料在相同工況條件下對主要污染物的去除效果差異性和微型動物多樣性差異,為生物預處理填料的選擇提供依據和參數.

1 材料與方法

1.1 污染源水生物預處理的填料類型

選擇南方地區應用最多的兩類填料開展對比實驗,一類屬于固定式填料,以 YDT彈性立體填料為代表,見圖1.另一類屬于流化型填料,以球狀或柱狀的懸浮填料為主,見圖2.

圖1 YDT彈性立體填料布置圖和布置形式Fig.1 The outlook of YDT elastic packing

圖2 生物預處理池的懸浮填料和單個填料球外觀Fig.2 The outlook of suspended carrier

1.2 實驗方法

包括現場實驗和連續流中試實驗.現場實驗依托利用嘉興地區的生物接觸氧化預處理工程開展,主要研究2種類型填料的源水生物預處理污染物去除效能、運行管理方式和微型動物多樣性.連續流中試裝置用于對比污染源水生物預處理2種填料的處理效果及微型動物的生長狀況,設計生物接觸氧化裝置兩套,大小均為 0.4m× 0.4m×1m,體積 160L;底部進水,上部出水,穿孔管曝氣.試驗采用YDT彈性立體填料和直徑25mm的懸浮球填料,其中YDT彈性立體填料共4根,每根長度為1米,直徑150mm;懸浮柱狀填料的填充比 30%.連續流實驗過程中通過添加可溶性淀粉和氨氮等調整原水的CODMn和氨氮濃度,考察相同條件下不同原水水質的兩種填料的除污染效果為微型動物分布規律.

1.3 取樣與分析測試方法

現場生產性試驗和連續流中試的水質分析指標和方法:CODMn采用酸式法滴定,NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定,溫度、pH值和DO采用溫度計、pH計和溶解氧儀現場測定,錳采用過硫酸銨比色法測定,鐵采用二氮雜菲分光光度法測定.微生物取樣鏡檢方法:對于2種填料生物膜上生長的微型動物采用生物鏡檢的方式,觀察其種類,并通過計數板來統計微生物數量.取樣方式是在選擇相同表面積上附著的生物膜,YDT彈性填料的鏡檢選擇長度為6cm的填料絲進行微生物計數;對于懸浮球填料,則選取 1cm×1cm的填料表面積進行微生物計數.

2 結果與討論

2.1 不同類型填料生物預處理工程的運行狀況對比

對嘉興、桐鄉、海寧等源水水質較差的生物預處理裝置開展了近半年現場生產性試驗,5個水廠生物預處理裝置的微生物載體分別為 YDT彈性立體填料或懸浮填料.

2.1.1 YDT彈性立體填料 (1) 生物預處理工程對NH3-N和CODMn的去除效果;嘉興地區的甲水廠的生物預處理池運行至今已有 10余年,采用 YDT彈性立體填料,至今沒有更換,實際運行的HRT為0.8～1.3h.從生產性裝置的運行統計看,CODMn去除率一般為 5%～20%之間,平均為16.5%;NH3-N的去除率與進水的NH3-N和溫度有關:夏季當進水NH3-N濃度小于1.0mg/L時,去除率為50%左右,進水NH3-N濃度大于1.5mg/L時,去除率達60%～80%;冬季低溫時進水NH3-N濃度達到3mg/L或更高,去除率僅有20%左右,當水溫低于8℃時NH3-N的去除率低于10%.

(2) YDT彈性立體填料的積泥現象及清洗:調查發現,生物預處理池的YDT彈性填料非曝氣區域積泥現象突出,無法自行脫落,需采用增加曝氣量的方式,通過加強水力擾動來使老化的生物膜和積泥脫落;或者降低水位,用壓力水沖洗以徹底清洗填料.從觀察填料看,生物預處理池前 1/3區域的積泥量大.裝置每運行2～3d就需要排泥一次,單次排泥歷時約 2min.取樣發現,曝氣區域 YDT彈性填料中心繩周圍的纖維絲容易積泥,有時甚至把生物膜完全包裹,對預處理效果有一定影響.

(3) YDT彈性立體填料的微型動物多樣性:分別在不同季節對嘉興地區的生物預處理池YDT填料進行了生物鏡檢.苔蘚蟲在長江三角洲的生物預處理池有較多發現.3～4月份填料上僅零星發現苔蘚蟲生長;4月中旬在填料上肉眼即可觀察到相當多數量的苔蘚蟲,成叢狀交叉生長,由體外分泌的膠質形成骨骼固著于填料上.鏡檢發現其他微型動物有漫游蟲、聚縮蟲、吸管蟲、桿吻蟲、線蟲等,生物膜的顏色呈黑褐色,聚集的形態大而牢固.隨著水溫升高,填料上的微型動物種類和數目呈現增加的趨勢.5月中旬采樣可見,生物預處理池的前半段填料上可發現彈性填料絲上團簇狀的苔蘚蟲,整根填料的大部分區域均可發現并積泥,但是沒有出現苔蘚蟲包裹填料的現象.分析認為,苔蘚蟲的大量生長不僅與水質和環境因素有關,而且與YDT彈性填料的結構有關.捆綁式固定填料的結構形式和靜止狀態為苔蘚蟲的蔓延生長提供了可能,生物預處理池內較高的污染物濃度高、微型生物數量豐富、溶解氧大于4mg/L及夏秋季水溫皆有利于其生長.夏秋季取樣發現,苔蘚蟲群體生長穩定后,填料上的生物多樣性趨于穩定,環節動物和椎實螺等大量生長,再次組成穩定的生態系統,對污染源水的生物凈化有一定的促進作用. 2.1.2 懸浮生物載體 (1) 生物預處理工程對NH3-N和CODMn的去除效果:桐鄉市2個水廠和海寧市某水廠的生物預處理裝置均采用懸浮填料球,其中桐鄉甲水廠生物預處理裝置的HRT為1.5h,對 NH3-N的去除率可保持 70%左右,對CODMn的去除率在 10%～15%左右.桐鄉乙水廠生物接觸預處理池水力停留時間為 50min,除冬季低溫(高于10℃)外,其他季節的NH3-N去除效果可達到90%以上,CODMn的去除效率為10%左右;冬季低溫條件下,NH3-N的濃度達到 2mg/L以上,NH3-N的去除效果降低到 50%或更低,但是明顯優于YDT彈性立體填料.海寧市某水廠的生物預處理裝置的HRT為45min,對NH3-N的去除率保持在 60%左右,對 CODMn的去除率在12%～15%左右.

(2) 懸浮填料的積泥與沖洗:桐鄉甲水廠和海寧水廠采用的懸浮球填料采用穿孔管曝氣方式,形成了曝氣區(上向流)和非曝氣區(下向流),由于懸浮填料的密度與水接近,可以隨水流連續通過曝氣區和非曝氣區,從而交替完成生物膜的生長和脫落過程并有效防止積泥.懸浮填料生物預處理池的運行情況看,流化的懸浮球填料沒有積泥現象,能很好地保持生物膜的活性,排泥周期一般為7d,排泥歷時僅30s.由于懸浮球填料直接投放,無需填料支架,易于維護保養;更換時停止曝氣,填料浮于表面,用網兜打撈即可,避免了彈性填料更換時的復雜程序.

(3) 懸浮填料的微型動物狀況:懸浮填料生物預處理池的鏡檢發現,桐鄉甲水廠、海寧市某水廠懸浮填料球上的主要微型動物種類有:輪蟲、鐘蟲、線蟲、漫游蟲、變形蟲、表殼蟲、吸管蟲、太陽蟲、桿吻蟲以及苔蘚蟲,但是微型動物的個體大小和數量均低于YDT填料.懸浮球填料上沒有出現苔蘚蟲大量生長的現象,僅在填料的某些區域零星出現.分析原因可能在于懸浮球填料缺少適宜苔蘚蟲大量生長的空間條件,且生物預處理池內流化程度較高,水氣剪切力大,苔蘚蟲不容易形成團簇狀結構.值得注意的是,經過數年運行,某些懸浮球填料上發現貝殼類動物的大量生長,填料球的重量增加后沉降到池底,影響懸浮填料球的流化.

在3個采用懸浮填料的生物預處理裝置中,桐鄉某水廠采用了直徑為25mm的懸浮圓柱形填料,其比表面積可達到 500m3/m2以上,而另外兩個池投加直徑 100mm的球狀懸浮填料,填料的比表面積為 200m3/m2,前者對運河源水的凈化效果更優,而微型動物的種類和數量與懸浮球(直徑 100mm)填料生物膜上微型動物的種類和數量情況類似.

2.2 相同原水水質和運行條件下兩種填料的凈化效果對比和微型動物多樣性

圖3 啟動掛膜過程中2種填料的NH3-N和CODMn去除率Fig.3 The removal rate of NH3-N and CODMn during the biofilm startup

2.2.1 不同水質條件下 2種填料對 NH3-N和CODMn的去污效率 利用中試裝置考察了相同進水和運行參數條件下兩種填料對NH3-N和有機物的去除效果,生物預處理裝置啟動及填料掛膜階段的時間在夏季,進水的 NH3-N濃度為0.13～0.41mg/L、CODMn為 5.54～6.58mg/L,啟動的工況控制均為HRT為1h、穿孔管曝氣方式、氣水比(1～1.2):1,水溫為 26-29℃.啟動成功后分別開展了現有原水水質、進水添加氯銨、進水同時添加氯銨與可溶性淀粉提高CODMn和NH3-N的實驗,高 NH3-N進水的 NH3-N濃度 3.9～ 4.9mg/L,CODMn濃度為 5.8～6.6mg/L;高 NH3-N和高CODMn進水的NH3-N濃度為3.9～4.9mg/L, CODMn濃度為 8.1～9.6mg/L.掛膜期間兩種填料對NH3-N和CODMn的去除率變化曲線見圖3.

生物預處理裝置放入懸浮填料,氣溫為25℃以上、HRT為1h時,啟動成功、填料掛膜完成的表觀特征是 NH3-N去除率穩定于 60%左右, CODMn的去除率則穩定于10%～20%;YDT彈性填料生物預處理裝置啟動成功、填料掛膜完成的表現是NH3-N去除率穩定于55%左右, CODMn的去除率則同樣穩定于 10%～20%,兩者的啟動掛膜速度均很快,前者略優.

圖4 不同原水條件下兩種填料對氨氮和CODMn的去除效果對比Fig.4 The removal effects of NH3-N and CODMn of two carriers in different conditions

穩定運行期不同原水條件的凈化效果對比見圖4.

自然源水條件下,懸浮填料對NH3-N的平均去除率為 54.3%,對 CODMn的平均去除率為17.8%;高NH3-N進水條件下,彈性填料對NH3-N的平均去除率為72%,懸浮填料對NH3-N的去除效果在79%,2種填料對CODMn的去除率變化不大.高NH3-N和高COD的進水條件下,2種填料對 NH3-N的去除率基本保持不變,2種填料對CODMn的去除率略有上升.可以認為,在相同的進水水質條件和運行條件下,無論是自然源水還是半人工配制源水,總的來說,懸浮填料對NH3-N和COD的去除效果均略優于YDT彈性立體填料.這可能是因為,懸浮球填料的傳質效率高,因其池內呈流化狀態,碰撞頻繁,與彈性填料相比,微生物、溶解氧以及有機污染物之間的傳質效率更高.

2.2.2 掛膜期填料上微型動物的組成和數量變化 生物預處理裝置中YDT填料掛膜過程和懸浮柱狀填料掛膜過程中,原生動物和后生動物種類與數量變化對比整理得表1.

表1 填料掛膜過程微型動物組成與數量的變化(個/cm2)Table 1 the change of microfauna composition and quantity during biofilm startup (/cm2)

由表1可知,生物膜上的微型動物絕大多數屬于清水型動物,從掛膜開始到穩定運行,生物膜上的生物均是按照食物鏈由低等向高等演化.掛膜初期,兩種填料表面都有淺黃色半透明的生物膜分布,此時生物膜發育尚不成熟,表現為僅覆蓋載體顆粒部分表面,厚度較小,絮狀物松散,不致密[8],此時,出現于填料上的原生動物極少,偶見漫游蟲和變形蟲,微型后生動物基本沒有.掛膜中后期,開始出現固著型纖毛蟲,游泳型纖毛蟲和變形蟲數量增多,YDT填料上的游泳型纖毛蟲由1個/cm2增加到5個/cm2,后生動物出現了輪蟲、線蟲和渦蟲.兩種填料上的固著型纖毛蟲數量逐漸增多,游泳型纖毛蟲稍有增加,漫游蟲有減少的趨勢.

此時 2種填料上的微型后生動物的優勢群體為線蟲和輪蟲,數量成倍增加.兩周以后大量菌膠團附著在填料表面,生物膜呈黃褐色,均勻分布于載體顆粒表面,越靠近載體表面越致密.此時,

固著型纖毛蟲成為生物膜上的優勢種群,輪蟲和線蟲等后生動物數量穩定,標志著生物膜發育成熟.相比而言,YDT彈性填料上的纖維絲更利于微生物的附著,更易掛膜,細菌更易利用原水中的氨氮和有機物在纖維絲上繁殖,從而以細菌為食的原生動物大量繁殖,以原生動物為食的后生動物數量也較懸浮填料多.采用懸浮球填料的預處理裝置中水流的紊動程度比較高,因此填料上附著的微型動物等容易受水力沖刷影響而脫落,隨水流走,其生長和繁殖皆受到限制.

2.2.3 不同水質條件下 2種填料上微型動物種類和數量差異性 掛膜完成后填料上生物膜穩定運行時,為探索不同水質條件下2種填料上的微型動物種類和數量差異性,以及微型動物生長情況的改變對處理效果的影響,在源水中添加NH4Cl和溶解性淀粉提高進水的 NH3-N和CODMn濃度,以模擬高氨氮濃度或有機污染物豐富的源水水質.污染源水的 NH3-N濃度在0.3mg/L以下,CODMn濃度為6mg/L左右.高氨氮半人工配水的NH3-N濃度為4mg/L左右,CODMn為6mg/L左右;高氨氮和高COD的配水NH3-N為4mg/L左右,CODMn為9mg/L左右,此水質已屬于劣V類水質,與嘉興、桐鄉等地的微污染水源水質相近.每次改變水質后,生物膜經過一周左右的遲滯期才穩定運行.在各個穩定運行期多次取樣,測定填料上的微型動物種類和數量,算得各個運行期2種填料上微型動物數量和種類如表2.

表2 掛膜穩定后填料上微型動物種類和數量 (個/cm2)Table 2 the change of microfauna composition and quantity during biofilm working (/cm2)

由表2可知,當進水的NH3-N、CODMn濃度低時,生物膜上的優勢原生動物為固著型纖毛蟲類,即鐘蟲、累枝蟲、聚縮蟲等,其中數目最多的原生動物是鐘蟲類和累枝蟲類,其數目可達16個/cm2;生物膜運行良好時,游泳的原生動物一般數量少,而且都在生物膜附近活動;優勢后生動物為輪蟲和顫蚓.當進水的 NH3-N濃度持續高于3.0mg/L、CODMn大于7.0mg/L,生物膜上的原生動物活動十分旺盛,優勢原生動物仍為固著型纖毛蟲,游泳型的纖毛蟲如喇叭蟲和漫游蟲,以及變形蟲等耐污型原生動物數量增多;后生動物中渦蟲(喜生活于食物豐富的環境)每 6cm填料纖維的個體數可達 8～10個,偶見水螅;耐污的顫蚓數量逐漸增加,顫蚓喜在填料上生物膜外的泥中生活.苔蘚蟲數目增加,但是沒有形成骨骼交錯層疊的復雜結構,沒有產生包裹住填料絲的現象,在連續流中試生物預處理裝置內,苔蘚蟲僅零星出現,沒有出現爆發性生長現象發生,可能與運行時間短有關[9].

從YDT彈性填料和懸浮球填料的鏡檢結果對比來看,掛膜結束后2種填料上的微生物群落都較穩定,但彈性填料上微型動物的種類和數量都明顯多于懸浮填料,其原因如下:(1)、YDT填料相對靜止或擾動少,而懸浮填料隨水流翻滾,前者更利于微型動物的附著和生長,后者受水力沖刷不易附著;(2)、對于苔蘚蟲來說,合適的溫度和水質條件下,在彈性填料上大量生長并包裹纏繞在中心繩周圍,呈現出層疊狀結構,其他微型動物在苔蘚蟲的外骨骼上生長,形成穩定的生物群落;懸浮球填料內壁的生長空間相對較為有限,苔蘚蟲不易包裹填料;(3)、從脫膜來看,YDT彈性立體填料存在非曝氣區域,生物膜不易脫落,生物群落可進一步發展成更復雜的結構;而懸浮填料在水中持續處于運動狀態,生物群落處于非穩定狀態,種群的數量和種類均處于動態變化中,微型動物個體明顯小于YDT填料.

2.3 污染源水生物預處理的填料選擇探討

填料污染源水生物預處理的關鍵.目前,污染源水的生物預處理冬季凈化效果不佳、填料的積泥和定期沖洗等是生產性裝置最主要的問題.捆綁式填料由于價格便宜且可長期使用,一些大型水廠往往采用了固定式捆綁填料.如東深源水生物預處理工程多年來一直使用彈性立體填料,十多年間僅更換了一次.不銹鋼支架在設計之初已考慮到填料的積泥和清出等問題,迄今為止仍正常發揮功能.懸浮狀填料近幾年開始在生物預處理領域大量應用,發展快速.由于懸浮填料的比表面積是捆綁式填料的數倍以上,有機物與填料上的微型動物接觸更加充分,特別是在冬季,懸浮填料對污染物的凈化效果顯著優于捆綁式填料.

從現場生產性試驗和連續流實驗來看,懸浮填料無論是污染物凈化效果、積泥和排泥的難易程度、生物膜的更新速度以及微型后生動物的異常生長控制等方面均有明顯的優勢,雖然其價格遠高于捆綁式填料,但是考慮到捆綁式填料的支架和反沖洗管道等費用,綜合認為,污染源水生物預處理設施采用懸浮填料是最佳選擇.為了強化冬季源水生物預處理裝置的運行效果,需要弄清冬季低溫條件下單位比表面積對污染物的去除能力.一般地,可適當提高懸浮填料的投配率至50%或更高.當冬季水溫低至 7℃以下,微生物的代謝活動很弱,即使投加更多填料,其除污染效率仍很低.

3 結論

3.1 對長三角地區等幾個源水水質較差、采用生物預處理工藝的水廠進行的現場調研表明,固定式彈性填料的某些區域會出現苔蘚蟲等群居性微型動物大量生長現象,積泥嚴重,需定期反沖洗;懸浮填料不易積泥,但長期運行會出現貝殼類動物的大量生長的問題,影響懸浮填料球的流化.

3.2 在相同的進水水質條件和運行條件下,無論是自然源水還是半人工配制源水,懸浮填料對NH3-N和CODMn的去除效果均優于YDT彈性立體填料;且源水水質越差,兩種填料對 NH3-N和CODMn的去除率均有所提高.

3.3 高氨氮和高 CODMn的水質條件下,微型動物在 2種填料上的生長都更為旺盛,因此對NH3-N和 CODMn的去除率更高.考察了掛膜期間和穩定運行后兩種填料上微型動物的生長規律,解釋了實際生產中彈性填料容易積泥,懸浮填料上微型動物數量和種類較少但處理效果較好的原因.

3.4 研究結果表明,流化型懸浮填料更有利于污染源水生物預處理工程應用.冬季為提高生物預處理效果,建議提高懸浮填料的投配率至 50%或更高.

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Comparative investigation of polluted raw water biological pretreatment with two kinds of packings.

ZHU Jie, DONG Liu-cheng, CHEN Hong-bin*, HE Qun-biao(School of Environment Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：447～453

Biological pre-treatment has been widely used in pollution-induced water shortage areas in south China, in this process, the microbial carrier are mainly suspended packing and elastic packing. In order to investigate the efficiency and micro biodiversity of the two packing, taking the micro-polluted raw water of Yangtze River Delta for example, researches had been done on the pollution removal ability, mud accumulation and flushing, the growth and distribution of microfauna of the two packing through full-scale test and pilot test. The results showed that, on the base of same water resource and same operation parameter in Summer and Autumn, the average ammoniacal nitrogen removal rate of the suspended packing and the elastic packing were about 80% and 65%, the average CODMnremoval rate were about 18% and 16%; the species and quantity of microfauna on the suspended packing were less than that of the elastic one, and the social type microfauna could rarely be found. The full-scale experiment showed that, when the water quality was poor, the ammoniacal nitrogen and CODMnremoval rate of the suspended packing were higher than that of the elastic one by 5%-10%; the mass growth of social type microfauna on the suspended packing never happened, and regular backwash was unnecessary; while the mass growth of bryozoan happened in some areas of the elastic packing, and its mud accumulation was severe and need backwash regularly, sometimes water blast gun was even used. So the suspended packing is fit for the biological pre-treatment of the micro-polluted raw water.

polluted raw water；biological pre-treatment；elastic packing；suspended carrier；biodiversity

X52

A

1000-6923(2012)03-0447-07

2011-07-14

國家水專項課題(2008ZX07421-002);國家自然科學基金(50678118)

* 責任作者, 教授, bhctxc@ tongji.edu.cn

致謝：本實驗的現場采樣工作在嘉興地區的自來水廠以及上海以黃浦江為原水的自來水廠進行,在此表示感謝.

朱 潔(1984-),女,湖北黃石人,同濟大學在讀博士研究生,研究方向為污染原水凈化技術.