ACFFBBR处理城市生活污水的研究龚丽影

ACF-FBBR处理城市生活污水的研究龚丽影1，赵如金1，李一晖1，刘巧1，朱海东1，杨启志2，陆军3（1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江212000；2.江苏大学农业装备工程学院，江苏镇江212000；3.徐州伟世通科技有限公司，江苏徐州221000）［摘要］以黏胶基活性炭纤维（ACF0）及改性填料ACF1、ACF2作为微生物载体，对比研究了3种填料挂膜及用于污水处理时的效果。结果表明，ACF1、ACF2表面生物膜量明显高于ACF0，且含ACF2的反应器污水处理效果更好。以ACF2为填料设计制作ACF-FBBR，在最佳运行条件下处理实际生活污水，COD、NH4+-N的平均去除率分别为89.80%、74.74%。填料ACF2对接种污泥表现出更好的亲和性，表面生物膜的脱氢酶活性最大。［关键词］活性炭纤维；固定床生物膜反应器；城市生活污水［中图分类号］X703.1［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2017）11-0038-05ResearchonACF-FBBRfortreatingurbandomesticsewageGongLiying1，ZhaoRujin1，LiYihui1，LiuQiao1，ZhuHaidong1，YangQizhi2，LuJun3（1.SchoolofEnvironmentandSafetyEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212000，China；2.SchoolofAgriculturalEquipmentEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212000，China；3.XuzhouWSTScienceandTechnologyCo.，Ltd.，Xuzhou221000，China）Abstract：UsingRayon⁃basedactivatedcarbonfiber（ACF0）andmodifiedfillers（ACF1，ACF2）asmicrobecarri⁃ers，theeffectsofthefilmformingofthreekindsofbiofilmsandtheirapplicationtosewagetreatmenthavebeencom⁃paredandresearched.TheresultsshowthatthebiofilmamountsonthesurfaceofACF1andACF2aresignificantlyhigherthanthatofACF0.Inaddition，thesewagetreatmenteffectofthereactorcontainingACF2isbetter.UsingACF2asfillers，ACF⁃FBBRhasbeendesignedandfabricated.Aftertherealdomesticsewagehasbeentreatedun⁃deroptimumoperationconditions，theaverageremovingratesofCODandNH4+-Nare89.80%and74.74%，respec⁃tively.FillerACF2showsbetteraffinitytoinoculatedsludge，andthedehydrogenaseactivityofsurfacebiofilmreac⁃toristhehighest.Keywords：activatedcarbonfiber；fixed⁃bedbiofilmreactor；urbandomesticsewage第37卷第11期2017年11月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol.37No.11Nov.，2017龚丽影，等［基金项目］国家自然科学基金项目（51675239）；江苏省2015年度普通高校研究生实践创新计划项目（SJLX15_0510）；徐州经济技术开发区紧缺型高层次人才资助项目目前城市生活污水处理方法中，生物法应用较为普遍〔1-2〕。其中，较为成熟的生物法污水处理工艺主要有活性污泥法和生物膜法两种。生物膜法虽然起步较晚，但随着研究的深入，该技术在城市生活污水、微污染水源水和工业有机废水处理等方面有着广泛的应用〔3-4〕。填料是微生物附着生长的载体，也是生物膜工艺的核心。近年来，对生物膜填料的研制、生产和应用等方面进行了大量的研究〔5-8〕。但有些填料还存在一定的缺陷，如以聚乙烯和聚丙烯为代表的有机载体及以陶粒为代表的无机载体在使用过程中常存在微生物附着性能差、容易造成堵塞和易缠结等问题〔9-17〕。因此，研发性能良好、适用性强的新型生物膜载体填料，是今后生物膜填料研究的发展方向。活性炭纤维因其比表面积大、吸附性能好、可塑性强和具有良好的生物相容性等特点，在污水吸附处理领域中有着较广泛的应用〔18-23〕，但以活性炭纤维、改性活性炭纤维作为生物膜载体处理污水的系统研究还不多见。笔者制作了以黏胶基活性炭纤维及自制改性黏胶基活性炭纤维为生物膜填料，用于固定床生物膜反应器（ACF-FBBR）处理污水，为活性炭纤维提供了新的应用途径。1材料与方法1.1试验装置试验装置见图1。该装置由固定床生物膜反--38工业水处理2017-11，37（11）龚丽影，等：ACF-FBBR处理城市生活污水的研究应器（FBBR）、原水储存池、转子流量计、空压机、气体流量计和沉淀池等组成。在试验装置中，反应器主体为直径300mm、高800mm、有效容积为15L的有机玻璃柱，内部投加组装好的黏胶基活性炭纤维填料。填料主体置于穿孔布气板之上。反应器底部设有布水器和曝气装置，水气从穿孔布气板底部进入，上流式进水，溢流式出水。进水由液体流量计精确控制，曝气量由气体流量计控制，溶解氧值由溶氧仪测定。1—原水储存池；2—转子流量计；3—空气压缩机；4—气体流量计；5—FBBR；6—布水器；7—布气器；8—沉淀池；9—ACF填料。图1试验装置1.2试验用水模拟城市生活污水由葡萄糖、NH4Cl、NaHCO3、KH2PO4等配制而成，城市生活污水取自江苏省镇江市京口区污水处理厂，具体水质指标如表1所示。表1污水水质项目模拟污水实际污水COD/（mg·L-1）375~440100~360NH4+-N/（mg·L-1）18~286.5~28TP/（mg·L-1）1~51~5SS/（mg·L-1）45~10037~70pH6.5~96~91.3试验方法试验所用活性炭纤维填料，制备时利用塑料圆环压扣活性炭纤维，使纤维束均匀分布，形成填料单元。双圈大塑料环直径为70mm，活性炭纤维长约100mm，宽约20mm。每组填料由5个填料单元串连组合而成，单元间相隔80mm。其中，活性炭纤维分别采用3种方式处理，制得不同填料，分别记为ACF0、ACF1、ACF2。ACF0是将活性炭纤维放入适量蒸馏水，煮沸2h后取出，然后用二次蒸馏水冲洗3次，置于100℃的烘箱中烘干，然后放入干燥器中冷却15min后密封保存制得；ACF1是将ACF0放入微波炉中加热100s制得；ACF2是将ACF0于300℃下在恒温鼓风干燥箱中加热氧化处理2h制得。试验过程中，水质指标COD、NH4+-N分别采用重铬酸钾法、纳氏试剂分光光度法测定；填料表征主要采用红外光谱分析（FT-IR）及Boehm滴定分析；填料的脱氢酶活性采用氯化三苯基四氮唑法（TTC法）测定；DO采用JPB-607便携式DO测定仪测定。2试验结果与分析2.1挂膜试验研究将使用不同填料的FBBR分别记作ACF0-FBBR、ACF1-FBBR、ACF2-FBBR，考察它们挂膜期间对污染物的去除效果及挂膜效果。试验采用接种活性污泥快速排泥法进行挂膜。挂膜期间，ACF0-FBBR、ACF1-FBBR、ACF2-FBBR均使用模拟城市生活污水，控制HRT=8h、DO=3.0mg/L、pH=7、填料填充密度约4.5g/L。结果表明，挂膜初期，ACF0、ACF1、ACF2填料表面附着生物量呈明显增长趋势，且ACF1和ACF2表面生物膜量增长速度大于ACF0。9d后，ACF0、ACF1、ACF2表面生物膜量逐渐稳定，ACF1和ACF2表面附着的生物量明显高于ACF0。ACF0-FBBR、ACF1-FBBR、ACF2-FBBR稳定运行时，对COD的去除率分别保持在88.1%、92%、94.2%左右。ACF1-FBBR、ACF2-FBBR出水NH4+-N均在挂膜启动后第10天达到稳定，稳定时对NH4+-N去除率分别保持在84.7%、88.6%左右，而ACF0-FBBR出水NH4+-N在挂膜启动第14天后才达到稳定，稳定后对NH4+-N去除率为80.5%左右。3个反应器对COD与NH4+-N的去除率变化趋势均不完全一致，这可能与生物膜中降解有机物的好氧异养菌和硝化菌的竞争生长有关。总体来说，ACF1-FBBR、ACF2-FBBR达到稳定的时间和对COD、NH4+-N的去除效果优于ACF0-FBBR，这可能是因为，改性后ACF1和ACF2的比表面积、表面官能团等表面特性均有改变，直接影响了挂膜容易程度、微生物的附着量及挂膜周期，从而影响了反应器对污水中污染物的处理效果。后面实验均以ACF2为填料，反应器记作ACF-FBBR。2.2HRT对污染物去除效果的影响以ACF2为填料的ACF-FBBR处理模拟城市生活污水，控制DO=3.0mg/L，pH=7，填料填充密度4.5g/L，研究HRT对系统COD、NH4+-N去除效果的影响，结果见图2。--39工业水处理2017-11，37（11）试验研究图2HRT对COD、NH4+-N去除效果的影响结果表明，当HRT为8~16h时，反应器对COD去除效果较好，平均去除率约为89.6%，出水COD约41.5mg/L。这是由于HRT达到一定时间，反应器中微生物有足够的时间充分接触污水，降解污染物，此时再增加HRT，对COD的去除效果影响不大。当HRT在4~8h时，随着HRT增加，NH4+-N的去除率上升较为明显，由4h时的42.1%上升到了8h时的84.2%，这是因为，HRT的增加保证了硝化细菌有足够时间降解NH4+-N。而当HRT在8~16h时，NH4+-N去除率波动较小，稳定在87.0%左右，出水NH4+-N约3mg/L。这说明当HRT8h时，通过延长HRT提高反应器对NH4+-N的去除率效果甚微。这是由于当HRT8h时，微生物因营养物质缺乏而生长缓慢，活性降低，且HRT的增加会减少生物膜中的缺氧区，影响反硝化反应的进行，进而影响对NH4+-N的去除。2.3DO对污染物处理效果的影响以ACF2为填料的ACF-FBBR处理模拟城市生活污水，当HRT=8h，pH=7，填料填充密度为4.5g/L时，考察DO对COD、NH4+-N去除效果的影响，结果见图3。图3DO对COD、NH4+-N去除效果的影响ACF-FBBR对COD、NH4+-N去除率随着DO的增加呈现先上升后下降的趋势，在DO为3mg/L附近达到最大值。当DO为3~4mg/L时，系统对COD的平均去除率达到88.53%，平均出水COD为46.89mg/L（＜50mg/L）。当DO为3mg/L时，系统对NH4+-N去除率达到最大值，约为91.37%，出水NH4+-N为1.66mg/L。而当DO再增加时，COD、NH4+-N去除率略有下降，这可能是由于曝气量过大形成的强气流对生物膜的剪切力增强，使得生物膜磨损程度增大，从而造成生物膜一定程度的脱落，不利于世代时间较长的硝化细菌的生长繁殖〔24-25〕，因此降低了对COD及NH4+-N的去除率。2.4填料填充密度对污染物去除效果的影响以ACF2为填料的ACF-FBBR处理模拟城市生活污水。当HRT=8h，pH=7，DO为3mg/L时，考察填料填充密度对COD、NH4+-N去除效果的影响，结果见图4。图4填充密度对COD、NH4+-N去除效果的影响当填料填充密度在1.5~4.5g/L时，