快速滲濾系統處理微污染水生物膜培養中試研究
摘要：采用快速滲濾系統處理微污染水，以河砂或風塵砂為濾料，以水庫底泥或活性污泥作為接種微生物，進行系統啟動階段生物膜培養試驗，對培養過程中的各種影響因素進行了系統的研究。當系統達到穩定狀態時，COD去除率可達59.9％－69.3％，其它各項指標均可以達到地表水三類水質標準。
關鍵詞：微污染水 快速滲濾 生物膜
0 前言
由于人口增長和經濟發展，北京市對水量的要求也逐漸增加，而大量污水的無序排放，使得曾作為北京市水源地的官廳水庫常年水質在Ⅳ-Ⅴ類之間，逐漸失去了供水功能。在沒有其它水源可供選擇的情況下，研究恢復官廳水庫微污染水供水功能的水處理技術就顯得尤為必要。目前國內外自來水廠對微污染水采用的處理方法是前加氯，但氯化過程會產生有機鹵化物，這些有機鹵化物可能對人體健康產生更大的危害［1］。清華大學的王占生教授提出的接觸氧化法處理微污染水，效果良好，但運行費用較高。而快速滲濾處理系統不僅處理效果好，運行費用低［2］，同時能避免鹵化物的生成，提高水質的安全性。快速滲濾處理系統是將待處理水投放于滲透性能好的濾料表面，使其在向下滲濾的過程中經歷不同的物理、化學和生物作用，最終達到污染水凈化的目的［3］。其中生物處理發揮主要作用，而生物處理效果良好的前提條件是系統微生物的生長狀況良好，因此系統啟動過程中微生物的前期培養是系統發揮生物降解作用、穩定運行的關鍵。
1 試驗部分
1.1 試驗期間水庫水質狀況
本試驗時間為6月7日至6月26日，歷時20d。試驗期間官廳水庫各項水質指標見表1，從COD值來看，部分時間水庫水質屬于國家標準《地面水環境質量標準》中的Ⅴ類水質。
表1 官廳水庫水質情況
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COD(mg/L) |
PH |
EH(mv) |
DO(mg/L) |
T(℃) |
|
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最大值 |
65.0 |
8.9 |
118 |
6.2 |
26 |
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最小值 |
7.8 |
8.7 |
106 |
4.8 |
23 |
|
平均值 |
32 |
8.3 |
89 |
5.4 |
19 |
1.2 試驗工藝條件
本試驗采用的中試處理工藝如圖1所示，待處理水由水泵經篩網后抽入高位水箱，依靠重力作用流入柱中，柱中裝填滿足一定級配的砂作為濾料，下部出水并進行現場監測，進水水面高度由進水閥門控制。
試驗共設6個快速滲濾柱，柱高2m，直徑為0.1m。濾料層高度為1.6m，濾料下邊是配水系統和集水系統，柱高0.4－0.5m，濾料上設0.5m的保護高度，其中1、2、3、4號柱裝填風塵砂作為濾料，5、6號柱裝填河砂作為濾料，3、6號柱采用水庫底泥進行微生物培養，1、2、4、5號柱采用污水處理廠活性污泥進行微生物培養。
圖1 快速滲濾處理系統工藝圖
1.3 系統啟動階段生物膜的培養
1.3. 1 培養方法
在兩個50L水桶內加入水庫水25L，分別以水庫底泥和污水處理廠活性污泥接種，投加相同量的營養物質進行曝氣培養，停止曝氣靜置沉淀后，取上清液加入快速滲濾柱中，與原水混合進行培養。
1.3.2 營養物來源
為了微生物的快速生長，必須保證一定的營養物質供應，而且所供給的營養物質必須匹配，所以本試驗培養初期在水中投加了一些營養物質，具體投加物為CH3OH、NH4CL和Na2HPO412H2O，分別作為C、N、P的來源，同時保證C、N、P的投加比為100:5:1（摩爾比）［4］。
2 結果與討論
2.1 檢測項目
試驗期間分別檢測水庫水和系統進出水，檢測項目為COD、 PH 、DO 、水力負荷、水溫等。
2.2 活性污泥與水庫底泥為菌種對比培養試驗
5、6號柱分別以活性污泥和水庫底泥進行生物膜培養試驗，培養初期桶中活性污泥比水庫底泥生長得略快，但隨著培養時間的增加，兩種微生物的生長速度大致相同。經觀察得知5、6號柱濾料表面的顏色由灰白色，逐漸變成淺黑色。當系統達到穩定運行狀態時，5、6號柱濾料表層生物膜厚度均達到了1mm。5、6號柱出水COD的變化如圖2所示。系統穩定運行時，6號柱的出水COD值略高于5號柱，但高出的幅度不到1%，說明采用水庫底泥和活性污泥進行生物膜培養，都可以達到比較理想的效果，因此5、6號柱對水庫微污染水的COD去除情況沒有明顯差別。
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| 圖2 5、6號柱出水COD變化曲線 | 圖3 1、5號柱出水COD變化曲線 |
2.3 風塵砂與河砂為濾料對比試驗
1 、5號柱分別以風塵砂和河砂為濾料，其出水COD變化情況如圖3所示。快滲柱進行生物膜培養的最初2d，5號柱的出水COD值高于1號柱，是由于5號柱進水調節閥門出現問題，致使進水流速突然增大，影響了微生物在濾料上的附著掛膜，濾料上的生物量少，COD的降解作用就小。經排除故障，使1、5號柱在同一水力條件下運行，之后5號柱的出水COD值一直保持較低的水平，系統穩定運行時，其出水COD值比1號柱低48mg/l，這是由濾料的性質決定的，因為本試驗河砂的比表面積比風塵砂大，有利于微生物在短期內迅速附著掛膜[5]，因此以河砂為濾料的5號柱中的微生物掛膜情況好于以風塵砂為濾料的1號柱，且從對生物量的觀察上來看，5號柱濾料中的生物量也明顯多于1號柱，使其能夠滿足水處理的需要，充分發揮生物降解作用，對COD的去除效果也就好于1號柱。因此，從整個培養過程來看，用河砂作為濾料處理水庫微污染水的效果好于風塵砂。
2.4 系統穩定運行時的COD 去除情況
經過15d的培養，系統基本達到穩定狀態。系統穩定運行時，經過濾料的機械過濾作用，生物膜的生化吸附、降解作用，COD平均去除率在59.9％－69.3％之間，具體結果如表2所示，處理效果均良好，其它各項指標也達到了地表水三類標準。其中6號柱濾料比其它柱的濾料更利于微生物的掛膜，濾料中生物量多，對COD的去除效果就好。
表2 系統穩定運行時各柱對COD的平均去除率
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1號柱 |
2號柱 |
3號柱 |
4號柱 |
5號柱 |
6號柱 |
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COD去除率(%) |
68.1 |
68.7 |
62.4 |
59.9 |
69.1 |
69.3 |
2.5 影響因素分析
2.5.1 營養物質濃度的影響
營養物質的濃度大小直接影響微生物的生長發育，濃度低微生物生長量少，生物膜難以形成，培養時間長，濃度太高則成為細菌生長的抑制因素［4］。本試驗采用CH3OH、NH4CL和Na2HPO412H2O 分別作為營養物質C、N、P的來源，根據微生物生長情況及時調整微生物營養物質濃度，使其有利于微生物的生長。培養過程中甲醇濃度變化情況如圖4所示，試驗前期微生物生長緩慢，出水COD濃度較高，后來增加營養物投量以刺激微生物的快速生長，強化生物膜的培養效果。隨著試驗的進行，出水COD濃度逐漸降低時，逐漸降低營養物質的投加量，直至不投加為止。至此系統生物膜培養完成，進入正式運行階段。
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| 圖4 甲醇投加量變化曲線 | 圖5 平均水力負荷變化曲線 |
2.5.2 滲濾柱水力負荷的影響
滲濾柱水力負荷對柱中微生物的繁殖有較大的影響，水力負荷過小，水在柱中停留時間過長，溶解氧降低，不利于微生物的生長，導致出水水質惡化。水力負荷過大，由于水流的剪切力作用，不利于微生物在濾料上掛膜，影響微生物在濾料上的附著效果[5]。因此微生物培養過程中需人為調節水力負荷，使微生物逐步適應水力條件，達到良好的生長狀態。培養過程中平均水力負荷變化情況如圖5所示，培養前期微生物量少，還沒有在濾料上穩定附著，此時水力負荷調節為最小，當生物膜在濾料表面形成一定厚度能夠穩定生長，則逐漸增加水力負荷。培養后期生物膜掛膜良好，滿足出水水質需要，系統進入穩定時期，水力負荷較高［6］。
3 結論
① 采用河砂為濾料的快速滲濾技術處理微污染水，用水庫底泥或活性污泥接種，培養15～20d，系統可達穩定狀態。系統穩定運行時，COD去除率可達59.9％－69.3％，其它指標也可以達到地表水三類標準。
② 在試驗條件下，快速滲濾處理系統啟動前期微生物培養的主要影響因素是濾料的選擇，營養物的投量，水力負荷的調節。
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