不同填料类型污染源水生物预处理的比较

朱 洁,东刘成,陈洪斌,何群彪 (同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

不同填料类型污染源水生物预处理的比较

朱 洁,东刘成,陈洪斌*,何群彪 (同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

中国南方水质性缺水地区污染广泛采用生物预处理工艺净化污染水源,微生物载体以固定式填料和流化型填料为主.为考察 2种类型填料的运行效能和微型生物多样性,以长江三角洲地区的污染源水为例,利用现场生产性试验和连续流中试研究了半软性弹性立体填料和悬浮填料的主要污染物去除效能、填料的积泥和冲洗、微型动物的生长和分布规律.研究结果表明,夏秋季相同源水水质和运行参数等条件下,悬浮填料和弹性填料对NH3-N的平均去除率分别为80%和65%左右, CODMn的去除率分别为18%和16%左右;悬浮填料上的微型动物种类和数量均低于固定式弹性立体填料,且少见群居性微型动物.生产性装置运行结果表明,源水水质相对较差的条件下,悬浮填料对NH3-N和CODMn的去除率分别比弹性填料高 5%～10%;悬浮填料没有出现群居性微型动物大量生长现象,无需定期反冲洗;固定式弹性填料的某些区域出现苔藓虫等群居性微型动物大量生长现象,且积泥严重,需定期反冲洗,甚至使用高压水枪强制冲洗.流化型悬浮填料更有利于污染源水生物预处理工程应用.

污染源水；生物预处理；弹性填料；悬浮填料；生物多样性

微污染原水生物预处理能有效去除水中的多类有机物、氨氮,改善水的混凝沉淀性能[1]、减少混凝剂和氯用量,是南方地区许多微污染原水预处理的重要手段[2-5].填料作为微生物的载体,不仅对于生物预处理效果起着关键作用,而且由于其附着生长微型动物,会对运行效果影响很大[6-7].微污染原水生物预处理的填料应用最多的有两类:捆绑式填料和悬浮状填料,前者以弹性立体填料为代表,在南方地区广泛使用;另一类是悬浮生物填料,近几年在长江三角洲地区应用很多.

2种填料用于污染源水生物预处理的效果差异性和微型动物的生长与分布规律尚无任何探讨,污染原水生物预处理工程如何选择最适宜的微生物载体有待研究.本文对长江三角洲地区等几个源水水质较差、采用生物预处理工艺的水厂开展了近半年现场生产性试验,以YDT弹性立体填料和悬浮填料为例分析污染物去除效果的差异性、微型动物多样性分布以及某些团聚型后生动物的生长趋势,再以黄浦江上游原水并适当添加某些污染物成分为例,考察连续流条件下两类生物填料在相同工况条件下对主要污染物的去除效果差异性和微型动物多样性差异,为生物预处理填料的选择提供依据和参数.

1 材料与方法

1.1 污染源水生物预处理的填料类型

选择南方地区应用最多的两类填料开展对比实验,一类属于固定式填料,以 YDT弹性立体填料为代表,见图1.另一类属于流化型填料,以球状或柱状的悬浮填料为主,见图2.

图1 YDT弹性立体填料布置图和布置形式Fig.1 The outlook of YDT elastic packing

图2 生物预处理池的悬浮填料和单个填料球外观Fig.2 The outlook of suspended carrier

1.2 实验方法

包括现场实验和连续流中试实验.现场实验依托利用嘉兴地区的生物接触氧化预处理工程开展,主要研究2种类型填料的源水生物预处理污染物去除效能、运行管理方式和微型动物多样性.连续流中试装置用于对比污染源水生物预处理2种填料的处理效果及微型动物的生长状况,设计生物接触氧化装置两套,大小均为 0.4m× 0.4m×1m,体积 160L;底部进水,上部出水,穿孔管曝气.试验采用YDT弹性立体填料和直径25mm的悬浮球填料,其中YDT弹性立体填料共4根,每根长度为1米,直径150mm;悬浮柱状填料的填充比 30%.连续流实验过程中通过添加可溶性淀粉和氨氮等调整原水的CODMn和氨氮浓度,考察相同条件下不同原水水质的两种填料的除污染效果为微型动物分布规律.

1.3 取样与分析测试方法

现场生产性试验和连续流中试的水质分析指标和方法:CODMn采用酸式法滴定,NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定,温度、pH值和DO采用温度计、pH计和溶解氧仪现场测定,锰采用过硫酸铵比色法测定,铁采用二氮杂菲分光光度法测定.微生物取样镜检方法:对于2种填料生物膜上生长的微型动物采用生物镜检的方式,观察其种类,并通过计数板来统计微生物数量.取样方式是在选择相同表面积上附着的生物膜,YDT弹性填料的镜检选择长度为6cm的填料丝进行微生物计数;对于悬浮球填料,则选取 1cm×1cm的填料表面积进行微生物计数.

2 结果与讨论

2.1 不同类型填料生物预处理工程的运行状况对比

对嘉兴、桐乡、海宁等源水水质较差的生物预处理装置开展了近半年现场生产性试验,5个水厂生物预处理装置的微生物载体分别为 YDT弹性立体填料或悬浮填料.

2.1.1 YDT弹性立体填料 (1) 生物预处理工程对NH3-N和CODMn的去除效果;嘉兴地区的甲水厂的生物预处理池运行至今已有 10余年,采用 YDT弹性立体填料,至今没有更换,实际运行的HRT为0.8～1.3h.从生产性装置的运行统计看,CODMn去除率一般为 5%～20%之间,平均为16.5%;NH3-N的去除率与进水的NH3-N和温度有关:夏季当进水NH3-N浓度小于1.0mg/L时,去除率为50%左右,进水NH3-N浓度大于1.5mg/L时,去除率达60%～80%;冬季低温时进水NH3-N浓度达到3mg/L或更高,去除率仅有20%左右,当水温低于8℃时NH3-N的去除率低于10%.

(2) YDT弹性立体填料的积泥现象及清洗:调查发现,生物预处理池的YDT弹性填料非曝气区域积泥现象突出,无法自行脱落,需采用增加曝气量的方式,通过加强水力扰动来使老化的生物膜和积泥脱落;或者降低水位,用压力水冲洗以彻底清洗填料.从观察填料看,生物预处理池前 1/3区域的积泥量大.装置每运行2～3d就需要排泥一次,单次排泥历时约 2min.取样发现,曝气区域 YDT弹性填料中心绳周围的纤维丝容易积泥,有时甚至把生物膜完全包裹,对预处理效果有一定影响.

(3) YDT弹性立体填料的微型动物多样性:分别在不同季节对嘉兴地区的生物预处理池YDT填料进行了生物镜检.苔藓虫在长江三角洲的生物预处理池有较多发现.3～4月份填料上仅零星发现苔藓虫生长;4月中旬在填料上肉眼即可观察到相当多数量的苔藓虫,成丛状交叉生长,由体外分泌的胶质形成骨骼固着于填料上.镜检发现其他微型动物有漫游虫、聚缩虫、吸管虫、杆吻虫、线虫等,生物膜的颜色呈黑褐色,聚集的形态大而牢固.随着水温升高,填料上的微型动物种类和数目呈现增加的趋势.5月中旬采样可见,生物预处理池的前半段填料上可发现弹性填料丝上团簇状的苔藓虫,整根填料的大部分区域均可发现并积泥,但是没有出现苔藓虫包裹填料的现象.分析认为,苔藓虫的大量生长不仅与水质和环境因素有关,而且与YDT弹性填料的结构有关.捆绑式固定填料的结构形式和静止状态为苔藓虫的蔓延生长提供了可能,生物预处理池内较高的污染物浓度高、微型生物数量丰富、溶解氧大于4mg/L及夏秋季水温皆有利于其生长.夏秋季取样发现,苔藓虫群体生长稳定后,填料上的生物多样性趋于稳定,环节动物和椎实螺等大量生长,再次组成稳定的生态系统,对污染源水的生物净化有一定的促进作用. 2.1.2 悬浮生物载体 (1) 生物预处理工程对NH3-N和CODMn的去除效果:桐乡市2个水厂和海宁市某水厂的生物预处理装置均采用悬浮填料球,其中桐乡甲水厂生物预处理装置的HRT为1.5h,对 NH3-N的去除率可保持 70%左右,对CODMn的去除率在 10%～15%左右.桐乡乙水厂生物接触预处理池水力停留时间为 50min,除冬季低温(高于10℃)外,其他季节的NH3-N去除效果可达到90%以上,CODMn的去除效率为10%左右;冬季低温条件下,NH3-N的浓度达到 2mg/L以上,NH3-N的去除效果降低到 50%或更低,但是明显优于YDT弹性立体填料.海宁市某水厂的生物预处理装置的HRT为45min,对NH3-N的去除率保持在 60%左右,对 CODMn的去除率在12%～15%左右.

(2) 悬浮填料的积泥与冲洗:桐乡甲水厂和海宁水厂采用的悬浮球填料采用穿孔管曝气方式,形成了曝气区(上向流)和非曝气区(下向流),由于悬浮填料的密度与水接近,可以随水流连续通过曝气区和非曝气区,从而交替完成生物膜的生长和脱落过程并有效防止积泥.悬浮填料生物预处理池的运行情况看,流化的悬浮球填料没有积泥现象,能很好地保持生物膜的活性,排泥周期一般为7d,排泥历时仅30s.由于悬浮球填料直接投放,无需填料支架,易于维护保养;更换时停止曝气,填料浮于表面,用网兜打捞即可,避免了弹性填料更换时的复杂程序.

(3) 悬浮填料的微型动物状况:悬浮填料生物预处理池的镜检发现,桐乡甲水厂、海宁市某水厂悬浮填料球上的主要微型动物种类有:轮虫、钟虫、线虫、漫游虫、变形虫、表壳虫、吸管虫、太阳虫、杆吻虫以及苔藓虫,但是微型动物的个体大小和数量均低于YDT填料.悬浮球填料上没有出现苔藓虫大量生长的现象,仅在填料的某些区域零星出现.分析原因可能在于悬浮球填料缺少适宜苔藓虫大量生长的空间条件,且生物预处理池内流化程度较高,水气剪切力大,苔藓虫不容易形成团簇状结构.值得注意的是,经过数年运行,某些悬浮球填料上发现贝壳类动物的大量生长,填料球的重量增加后沉降到池底,影响悬浮填料球的流化.

在3个采用悬浮填料的生物预处理装置中,桐乡某水厂采用了直径为25mm的悬浮圆柱形填料,其比表面积可达到 500m3/m2以上,而另外两个池投加直径 100mm的球状悬浮填料,填料的比表面积为 200m3/m2,前者对运河源水的净化效果更优,而微型动物的种类和数量与悬浮球(直径 100mm)填料生物膜上微型动物的种类和数量情况类似.

2.2 相同原水水质和运行条件下两种填料的净化效果对比和微型动物多样性

图3 启动挂膜过程中2种填料的NH3-N和CODMn去除率Fig.3 The removal rate of NH3-N and CODMn during the biofilm startup

2.2.1 不同水质条件下 2种填料对 NH3-N和CODMn的去污效率 利用中试装置考察了相同进水和运行参数条件下两种填料对NH3-N和有机物的去除效果,生物预处理装置启动及填料挂膜阶段的时间在夏季,进水的 NH3-N浓度为0.13～0.41mg/L、CODMn为 5.54～6.58mg/L,启动的工况控制均为HRT为1h、穿孔管曝气方式、气水比(1～1.2):1,水温为 26-29℃.启动成功后分别开展了现有原水水质、进水添加氯铵、进水同时添加氯铵与可溶性淀粉提高CODMn和NH3-N的实验,高 NH3-N进水的 NH3-N浓度 3.9～ 4.9mg/L,CODMn浓度为 5.8～6.6mg/L;高 NH3-N和高CODMn进水的NH3-N浓度为3.9～4.9mg/L, CODMn浓度为 8.1～9.6mg/L.挂膜期间两种填料对NH3-N和CODMn的去除率变化曲线见图3.

生物预处理装置放入悬浮填料,气温为25℃以上、HRT为1h时,启动成功、填料挂膜完成的表观特征是 NH3-N去除率稳定于 60%左右, CODMn的去除率则稳定于10%～20%;YDT弹性填料生物预处理装置启动成功、填料挂膜完成的表现是NH3-N去除率稳定于55%左右, CODMn的去除率则同样稳定于 10%～20%,两者的启动挂膜速度均很快,前者略优.

图4 不同原水条件下两种填料对氨氮和CODMn的去除效果对比Fig.4 The removal effects of NH3-N and CODMn of two carriers in different conditions

稳定运行期不同原水条件的净化效果对比见图4.

自然源水条件下,悬浮填料对NH3-N的平均去除率为 54.3%,对 CODMn的平均去除率为17.8%;高NH3-N进水条件下,弹性填料对NH3-N的平均去除率为72%,悬浮填料对NH3-N的去除效果在79%,2种填料对CODMn的去除率变化不大.高NH3-N和高COD的进水条件下,2种填料对 NH3-N的去除率基本保持不变,2种填料对CODMn的去除率略有上升.可以认为,在相同的进水水质条件和运行条件下,无论是自然源水还是半人工配制源水,总的来说,悬浮填料对NH3-N和COD的去除效果均略优于YDT弹性立体填料.这可能是因为,悬浮球填料的传质效率高,因其池内呈流化状态,碰撞频繁,与弹性填料相比,微生物、溶解氧以及有机污染物之间的传质效率更高.

2.2.2 挂膜期填料上微型动物的组成和数量变化 生物预处理装置中YDT填料挂膜过程和悬浮柱状填料挂膜过程中,原生动物和后生动物种类与数量变化对比整理得表1.

表1 填料挂膜过程微型动物组成与数量的变化(个/cm2)Table 1 the change of microfauna composition and quantity during biofilm startup (/cm2)

由表1可知,生物膜上的微型动物绝大多数属于清水型动物,从挂膜开始到稳定运行,生物膜上的生物均是按照食物链由低等向高等演化.挂膜初期,两种填料表面都有浅黄色半透明的生物膜分布,此时生物膜发育尚不成熟,表现为仅覆盖载体颗粒部分表面,厚度较小,絮状物松散,不致密[8],此时,出现于填料上的原生动物极少,偶见漫游虫和变形虫,微型后生动物基本没有.挂膜中后期,开始出现固着型纤毛虫,游泳型纤毛虫和变形虫数量增多,YDT填料上的游泳型纤毛虫由1个/cm2增加到5个/cm2,后生动物出现了轮虫、线虫和涡虫.两种填料上的固着型纤毛虫数量逐渐增多,游泳型纤毛虫稍有增加,漫游虫有减少的趋势.

此时 2种填料上的微型后生动物的优势群体为线虫和轮虫,数量成倍增加.两周以后大量菌胶团附着在填料表面,生物膜呈黄褐色,均匀分布于载体颗粒表面,越靠近载体表面越致密.此时,

固着型纤毛虫成为生物膜上的优势种群,轮虫和线虫等后生动物数量稳定,标志着生物膜发育成熟.相比而言,YDT弹性填料上的纤维丝更利于微生物的附着,更易挂膜,细菌更易利用原水中的氨氮和有机物在纤维丝上繁殖,从而以细菌为食的原生动物大量繁殖,以原生动物为食的后生动物数量也较悬浮填料多.采用悬浮球填料的预处理装置中水流的紊动程度比较高,因此填料上附着的微型动物等容易受水力冲刷影响而脱落,随水流走,其生长和繁殖皆受到限制.

2.2.3 不同水质条件下 2种填料上微型动物种类和数量差异性 挂膜完成后填料上生物膜稳定运行时,为探索不同水质条件下2种填料上的微型动物种类和数量差异性,以及微型动物生长情况的改变对处理效果的影响,在源水中添加NH4Cl和溶解性淀粉提高进水的 NH3-N和CODMn浓度,以模拟高氨氮浓度或有机污染物丰富的源水水质.污染源水的 NH3-N浓度在0.3mg/L以下,CODMn浓度为6mg/L左右.高氨氮半人工配水的NH3-N浓度为4mg/L左右,CODMn为6mg/L左右;高氨氮和高COD的配水NH3-N为4mg/L左右,CODMn为9mg/L左右,此水质已属于劣V类水质,与嘉兴、桐乡等地的微污染水源水质相近.每次改变水质后,生物膜经过一周左右的迟滞期才稳定运行.在各个稳定运行期多次取样,测定填料上的微型动物种类和数量,算得各个运行期2种填料上微型动物数量和种类如表2.

表2 挂膜稳定后填料上微型动物种类和数量 (个/cm2)Table 2 the change of microfauna composition and quantity during biofilm working (/cm2)

由表2可知,当进水的NH3-N、CODMn浓度低时,生物膜上的优势原生动物为固着型纤毛虫类,即钟虫、累枝虫、聚缩虫等,其中数目最多的原生动物是钟虫类和累枝虫类,其数目可达16个/cm2;生物膜运行良好时,游泳的原生动物一般数量少,而且都在生物膜附近活动;优势后生动物为轮虫和颤蚓.当进水的 NH3-N浓度持续高于3.0mg/L、CODMn大于7.0mg/L,生物膜上的原生动物活动十分旺盛,优势原生动物仍为固着型纤毛虫,游泳型的纤毛虫如喇叭虫和漫游虫,以及变形虫等耐污型原生动物数量增多;后生动物中涡虫(喜生活于食物丰富的环境)每 6cm填料纤维的个体数可达 8～10个,偶见水螅;耐污的颤蚓数量逐渐增加,颤蚓喜在填料上生物膜外的泥中生活.苔藓虫数目增加,但是没有形成骨骼交错层叠的复杂结构,没有产生包裹住填料丝的现象,在连续流中试生物预处理装置内,苔藓虫仅零星出现,没有出现爆发性生长现象发生,可能与运行时间短有关[9].

从YDT弹性填料和悬浮球填料的镜检结果对比来看,挂膜结束后2种填料上的微生物群落都较稳定,但弹性填料上微型动物的种类和数量都明显多于悬浮填料,其原因如下:(1)、YDT填料相对静止或扰动少,而悬浮填料随水流翻滚,前者更利于微型动物的附着和生长,后者受水力冲刷不易附着;(2)、对于苔藓虫来说,合适的温度和水质条件下,在弹性填料上大量生长并包裹缠绕在中心绳周围,呈现出层叠状结构,其他微型动物在苔藓虫的外骨骼上生长,形成稳定的生物群落;悬浮球填料内壁的生长空间相对较为有限,苔藓虫不易包裹填料;(3)、从脱膜来看,YDT弹性立体填料存在非曝气区域,生物膜不易脱落,生物群落可进一步发展成更复杂的结构;而悬浮填料在水中持续处于运动状态,生物群落处于非稳定状态,种群的数量和种类均处于动态变化中,微型动物个体明显小于YDT填料.

2.3 污染源水生物预处理的填料选择探讨

填料污染源水生物预处理的关键.目前,污染源水的生物预处理冬季净化效果不佳、填料的积泥和定期冲洗等是生产性装置最主要的问题.捆绑式填料由于价格便宜且可长期使用,一些大型水厂往往采用了固定式捆绑填料.如东深源水生物预处理工程多年来一直使用弹性立体填料,十多年间仅更换了一次.不锈钢支架在设计之初已考虑到填料的积泥和清出等问题,迄今为止仍正常发挥功能.悬浮状填料近几年开始在生物预处理领域大量应用,发展快速.由于悬浮填料的比表面积是捆绑式填料的数倍以上,有机物与填料上的微型动物接触更加充分,特别是在冬季,悬浮填料对污染物的净化效果显著优于捆绑式填料.

从现场生产性试验和连续流实验来看,悬浮填料无论是污染物净化效果、积泥和排泥的难易程度、生物膜的更新速度以及微型后生动物的异常生长控制等方面均有明显的优势,虽然其价格远高于捆绑式填料,但是考虑到捆绑式填料的支架和反冲洗管道等费用,综合认为,污染源水生物预处理设施采用悬浮填料是最佳选择.为了强化冬季源水生物预处理装置的运行效果,需要弄清冬季低温条件下单位比表面积对污染物的去除能力.一般地,可适当提高悬浮填料的投配率至50%或更高.当冬季水温低至 7℃以下,微生物的代谢活动很弱,即使投加更多填料,其除污染效率仍很低.

3 结论

3.1 对长三角地区等几个源水水质较差、采用生物预处理工艺的水厂进行的现场调研表明,固定式弹性填料的某些区域会出现苔藓虫等群居性微型动物大量生长现象,积泥严重,需定期反冲洗;悬浮填料不易积泥,但长期运行会出现贝壳类动物的大量生长的问题,影响悬浮填料球的流化.

3.2 在相同的进水水质条件和运行条件下,无论是自然源水还是半人工配制源水,悬浮填料对NH3-N和CODMn的去除效果均优于YDT弹性立体填料;且源水水质越差,两种填料对 NH3-N和CODMn的去除率均有所提高.

3.3 高氨氮和高 CODMn的水质条件下,微型动物在 2种填料上的生长都更为旺盛,因此对NH3-N和 CODMn的去除率更高.考察了挂膜期间和稳定运行后两种填料上微型动物的生长规律,解释了实际生产中弹性填料容易积泥,悬浮填料上微型动物数量和种类较少但处理效果较好的原因.

3.4 研究结果表明,流化型悬浮填料更有利于污染源水生物预处理工程应用.冬季为提高生物预处理效果,建议提高悬浮填料的投配率至 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

国家水专项课题(2008ZX07421-002);国家自然科学基金(50678118)

* 责任作者, 教授, bhctxc@ tongji.edu.cn

致谢：本实验的现场采样工作在嘉兴地区的自来水厂以及上海以黄浦江为原水的自来水厂进行,在此表示感谢.

朱 洁(1984-),女,湖北黄石人,同济大学在读博士研究生,研究方向为污染原水净化技术.