鞏子傲，汪思宇，呂錫武

(1. 東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096；2. 東南大學無錫太湖水環(huán)境工程研究中心，江蘇無錫 214000)

作為支持鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要一環(huán)，農(nóng)村人居環(huán)境整治工作的不斷推進使農(nóng)村生活污水的處理率大大提高，越來越多農(nóng)村生活污水處理工程建成并投入運行，SBR技術(shù)、接觸氧化技術(shù)、小型一體化反應(yīng)器等生物處理技術(shù)和人工濕地、穩(wěn)定塘等生態(tài)處理技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)農(nóng)村生活污水不含有毒有害物質(zhì)且富含氮磷資源的特點，本著“因地制宜、資源化利用”的設(shè)計理念與“高效低耗、可持續(xù)發(fā)展”的功能要求[1]，開發(fā)出“缺氧調(diào)節(jié)-好氧-經(jīng)濟型人工濕地”的生物生態(tài)組合工藝，在污染物凈化的同時實現(xiàn)污水灌溉回用與氮磷資源回收。

作為組合工藝中的生物處理單元技術(shù)，水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤利用水流從高處跌落轉(zhuǎn)化的動能驅(qū)動水車，繼而帶動兩側(cè)生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，滿足處理要求的同時節(jié)省了曝氣能耗以及機械損耗[2]，在農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域具有廣闊的前景。對生物轉(zhuǎn)盤而言，轉(zhuǎn)盤的材料選擇一直是研究的熱點。陳志強等[3]研究表明，在盤片表面附載柔性掛膜填料可以有效實現(xiàn)反應(yīng)器快速啟動，增大盤片微生物量。在眾多填料中，毛氈因其表面粗糙、利于生物附著、來源廣泛經(jīng)常被作為生物膜法處理的填料使用[4-5]；碳氈由于其高孔隙率、機械強度以及低成本的特點經(jīng)常被用作微生物燃料電池的陽極[6-7]，具有較好的生物親和性；無紡布也因其比表面積大、孔徑范圍廣、耐腐蝕、成本低等特點，在水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8-10]。

因此，本研究對上述3種掛膜填料開展小試篩選，確定出最適的掛膜填料，考察填料附載對水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動效果和復(fù)氧效能的影響，探究改進后生物轉(zhuǎn)盤工藝段的啟動過程和污染物去除規(guī)律，提出一種適用于水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤掛膜啟動與穩(wěn)定運行的填料。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

使用小試裝置對3種掛膜填料進行篩選(圖1)，裝置共分為3個槽，每槽內(nèi)布置5個盤片。槽體由有機玻璃板黏接制成，單槽有效容積為1.3 L，盤片材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，盤片直徑為12 cm。所有盤片均串聯(lián)在Φ為12 mm的實心不銹鋼軸上，依靠減速電機驅(qū)動保持相同轉(zhuǎn)速。分別將毛氈、碳氈、無紡布3種填料黏附在盤片兩側(cè)進行填料掛膜試驗，使用精密蠕動泵控制裝置進出水。

圖1 填料掛膜試驗小試裝置Fig.1 Schematic Diagram of Biofilm Carrier Selection Device

篩選得到最佳填料后，將其應(yīng)用于水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤，開展反應(yīng)器啟動試驗，試驗裝置如圖2所示。

圖2 水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤裝置Fig.2 Schematic Diagram of wdRBC

裝置包含兩級生物轉(zhuǎn)盤，每級轉(zhuǎn)盤處理槽材質(zhì)為有機玻璃，長×寬×高為42.1 cm×28 cm×15 cm，有效容積為10 L。轉(zhuǎn)盤材質(zhì)為ABS塑料，直徑為20 cm，每級設(shè)置14片，轉(zhuǎn)盤浸沒率為45%，表面黏附合適的掛膜填料。驅(qū)動水車材質(zhì)為有機玻璃，直徑為21 cm，寬為8 cm，含6片葉輪。

兩級轉(zhuǎn)盤之間高差為0.6 m，利用蠕動泵將出水槽中部分處理出水提升至高位水箱后下落驅(qū)動各級水車轉(zhuǎn)動，污水則通過另一臺蠕動泵提升，從高位水箱兩側(cè)的三角堰溢流向下布水，依次經(jīng)過兩級生物轉(zhuǎn)盤處理后排放。試驗時可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動水泵泵速控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)進水泵泵速控制水力停留時間(HRT)。

1.2 試驗用填料

生物膜法使用的填料一般要求其對微生物無毒害、易于微生物附著、具備一定的機械強度、質(zhì)輕、比表面積大和孔隙率高[11]。對于分散式農(nóng)村生活污水處理而言，生物填料價廉易得也是需要考慮的重要因素之一。試驗選擇市售常見毛氈、碳氈和無紡布作為生物掛膜填料(表1)，考察其污染物去除性能以及微生物富集特性并優(yōu)選合適填料。

表1 3種掛膜填料規(guī)格與表觀特征Tab.1 Specifications and Appearance Characteristics of Three Types of Biofilm Carriers

1.3 進水水質(zhì)與反應(yīng)器啟動方法

試驗用原水為人工配水。填料掛膜小試裝置進水CODCr為108～119 mg/L，氨氮為14.46～34.01 mg/L，總磷(TP)按2 mg/L配置，并投加碳酸氫鈉保持堿度，添加微量元素營養(yǎng)液維持微生物的正常生長代謝。試驗過程保證生物轉(zhuǎn)盤盤片CODCr面積負荷控制在5 g/(m2·d)左右，進水氨氮負荷由初期的0.66 g/(m2·d)逐步升高至1.56 g/(m2·d)，每個反應(yīng)槽的HRT控制為6 h。采用快速排泥法[12]啟動，將成熟的好氧污泥和試驗原水按照3∶1的體積比混勻倒入反應(yīng)器，啟動調(diào)速電機控制轉(zhuǎn)速為2 r/min，悶曝48 h后排空，之后開展連續(xù)進水試驗。

水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤啟動試驗的進水CODCr為96～108 mg/L，氨氮為 32.90～35.61 mg/L，TP約為2 mg/L，在配水桶內(nèi)加入適量的碳酸氫鈉(按硝化反應(yīng)理論堿度消耗量配置，質(zhì)量濃度為179 mg/L)和微量元素液，微量元素液配方[13]如表2所示。采用快速排泥法啟動反應(yīng)器，調(diào)節(jié)驅(qū)動水泵泵速使生物轉(zhuǎn)盤保持2 r/min運行。

表2 微量元素液配方Tab.2 Components of Trace Elements Nutrient Solution

1.4 測試指標與數(shù)據(jù)處理

(1)水質(zhì)指標：COD采用哈?？焖傧夥y定(哈希消解器DRB200，哈?？梢姽夥止夤舛扔婦R3900)，氨氮使用納氏試劑分光光度法測定(HJ 535—2009)。COD與氨氮均取兩平行樣檢測結(jié)果的平均值進行分析比較。

(2)填料富集生物量測定：為縮短試驗周期，將3種填料浸沒于實驗室培養(yǎng)的成熟好氧污泥中進行微生物富集試驗，污泥培養(yǎng)使用與1.3中一致的進水水質(zhì)。于開始試驗的第1、4、7、10、14 d取等量的3種填料，超聲處理30 min后,水洗刮擦獲取附著在其上的所有生物膜[14]測定VSS含量[15]。每次每種填料測3組平行，結(jié)果以g VSS/m2表示。

(3)反應(yīng)器驅(qū)動效果與復(fù)氧效能測定：對于水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤而言，驅(qū)動水量越大則轉(zhuǎn)速越快，為了更全面地比較每組驅(qū)動水量水平下的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，設(shè)計試驗考察轉(zhuǎn)速與驅(qū)動水量之間的關(guān)系并繪制二者關(guān)系曲線，認為在固定相同驅(qū)動水量前提下，轉(zhuǎn)速越快則驅(qū)動效果越佳。

根據(jù)氣體傳遞原理[11]，氧總傳質(zhì)系數(shù)KLa可以用于表征反應(yīng)器的復(fù)氧效能，其值越大則說明復(fù)氧效能越強。反應(yīng)器液相中溶解氧(DO)濃度和時間計算如式(1)。

(1)

其中：Cs——飽和DO質(zhì)量濃度，mg/L；

Ci——復(fù)氧后ti時刻反應(yīng)器內(nèi)DO質(zhì)量濃度，mg/L；

C0——初始t0時刻反應(yīng)器內(nèi)DO質(zhì)量濃度，mg/L;

t——反應(yīng)時間，min。

試驗開始前，使用無水亞硫酸鈉和CoCl2配置無氧水[16]，并使用塑料薄膜分隔，防止驅(qū)動水濺入兩側(cè)處理槽。DO使用雷磁JPSJ-605F溶解氧測定儀測定，Cs值依照《水質(zhì) 溶解氧的測定 電化學探頭法》[17]選取，每組試驗做3組平行。為減小溫度對KLa的影響，試驗周期不超過2 d。

(4)數(shù)據(jù)處理：使用Origin 2016繪制圖表，Excel 2016和SPSS Statistics 25進行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同掛膜填料對COD、氨氮的去除效果

采用快速排泥法進行掛膜啟動，毛氈、碳氈、無紡布3種填料對COD和氨氮的去除效果如圖3和圖4所示。

圖3 不同掛膜填料的CODCr去除效果Fig.3 CODCr Removal Efficiency of Different Biofilm Carriers Formation

圖4 不同掛膜填料的氨氮去除效果Fig.4 Ammonia Nitrogen Removal Efficiency of Different Biofilm Carriers Formation

由圖3可知，掛膜階段開始3 d后，各填料的COD去除率基本趨于穩(wěn)定，毛氈、碳氈以及無紡布的平均去除率分別為74.9%、82.2%和84.3%，CODCr出水均接近或小于30 mg/L，3種掛膜填料穩(wěn)定后的平均CODCr去除負荷分別為3.84、4.21、4.32 g/(m2·d)。各填料間的差異具體表現(xiàn)為碳氈盤片和無紡布盤片的處理效果較為相近，大于毛氈盤片的處理效果。初步推測是因為填料的表面粗糙度以及內(nèi)部比表面積等理化性質(zhì)的不同[18]，除此之外，各填料上富集的微生物量不同也是重要的影響因素之一。

Fuchigami等[19]探究了網(wǎng)狀生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器對市政生活污水的處理效果，在進水CODCr負荷為22 g/(m2·d)的條件下達到了67%的CODCr去除率。本試驗掛膜啟動階段保持的有機物進水負荷處于較低水平，各填料的COD去除率可能相對較高。而Hassard等[20]在進水有機物負荷為5 g/(m2·d)的條件下，針對附載類聚氯乙烯網(wǎng)狀材料、聚酯纖維材料和聚氨酯材料的生物轉(zhuǎn)盤開展去除效果探究，對CODCr的去除率分別為47%、46%和39%，均不及本試驗選用的3種掛膜填料。

與COD去除效果相比，幾種填料對于氨氮的處理效果差異性更為明顯。在啟動掛膜階段的3 d后，毛氈、碳氈、無紡布的氨氮去除率分別達到77.8%、64.0%和80.5%。隨著進水氨氮負荷的提升，毛氈盤片的處理效果略有下降，碳氈盤片的處理效果則持續(xù)上升并于掛膜第6 d超過毛氈試驗組。無紡布盤片對氨氮的降解效果則一直穩(wěn)定在較高水平，掛膜穩(wěn)定后的平均去除率達到82.5%，毛氈盤片和碳氈盤片分別為72.5%和74.2%，3種填料對氨氮的平均去除負荷分別為1.02、1.07、1.18 g/(m2·d)。陳洪一[21]的研究結(jié)果表明，無紡布相對于其他兩種填料，其纖維之間互相穿插交錯形成復(fù)雜、立體的通道與孔洞，這種結(jié)構(gòu)的存在使富集的微生物免受水流沖刷和水力剪切的影響，快速形成致密、穩(wěn)定的生物膜[22]，填料的顯微鏡鏡檢結(jié)果也與此相符。與此同時，填料纖維間的孔隙可以提升裝置整體的DO水平，從而使硝化菌更好地發(fā)揮其活性[23]。

2.2 不同填料微生物富集效果比較

在選擇生物膜反應(yīng)器的填料時，能否在短期內(nèi)富集較多微生物、形成具有活性的生物膜往往是重要的指標之一[24]。因此，為進一步探究3種填料的微生物富集特性，從微生物角度解釋出現(xiàn)COD、氨氮去除率差異的原因，對3種填料開展微生物富集試驗。試驗周期內(nèi)各填料上富集微生物量(以g VSS/m2表示)如圖5所示。

圖5 不同填料微生物富集效果Fig.5 Microbial Enrichment Performance of Different Biofilm Carriers

試驗結(jié)束時，無紡布填料上富集的微生物量最大，其次為碳氈和毛氈，分別達到了(24.58±1.82)、(12.45±1.78)、(7.14±1.56)g VSS/m2，這也從另一方面印證了無紡布試驗組對COD、氨氮較高去除率的現(xiàn)象。除此之外，無紡布填料上的微生物累積速率也要大大超過其余兩種填料，說明其具備快速富集微生物并形成穩(wěn)定生物膜的特性。朱海東[25]的研究結(jié)果表明，無紡布的纖維結(jié)構(gòu)使其具備較高的表面粗糙度和較大的比表面積。此外，填料所含的某些表面官能團以及較高的Zeta電位[26]也可能是導致填料生物親和性高的原因。

綜合2.1和2.2的試驗結(jié)果，選擇無紡布作為水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤的掛膜附載填料開展后續(xù)研究。

2.3 反應(yīng)器驅(qū)動及復(fù)氧效果評價

水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤本質(zhì)上屬于一種被動生物轉(zhuǎn)盤[27]，不需要電機驅(qū)動而是以水流跌落產(chǎn)生的動能作為驅(qū)動力，該種驅(qū)動方式對轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動過程中受到的阻力反饋更為明顯。文獻表明，填料附加的轉(zhuǎn)盤自重[22]、驅(qū)動流量[28]以及轉(zhuǎn)盤浸沒率[29]均會對被動式生物轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動效果產(chǎn)生影響。本節(jié)試驗以空轉(zhuǎn)盤和附載無紡布填料轉(zhuǎn)盤作為研究對象，考察改進前后反應(yīng)器的驅(qū)動效果及復(fù)氧效能，試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 空轉(zhuǎn)盤與無紡布轉(zhuǎn)盤驅(qū)動效果比較Fig.6 Comparison of Driving Effect between Control Group and Non-Woven Loading Group

圖7 空轉(zhuǎn)盤與無紡布轉(zhuǎn)盤復(fù)氧效能比較Fig.7 Comparison of Reoxygenation Effect between Control Group and Non-Woven Loading Group

可以看出，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與驅(qū)動水量呈線性關(guān)系(R2均大于0.99)，此時，曲線斜率越大說明驅(qū)動效果越好。因此，以轉(zhuǎn)速-驅(qū)動水量曲線斜率為因變量表征驅(qū)動效果，以是否添加無紡布作為強化掛膜填料為自變量作單因素方差分析，按α=0.05水準，得P=0.007<0.05，對應(yīng)F為26.315，可以認為無紡布轉(zhuǎn)盤與空轉(zhuǎn)盤在驅(qū)動效果均值方面存在統(tǒng)計學差異。

對KLa進行單因素方差分析，按α=0.05水準，P遠小于0.05，對應(yīng)的F為1 343.891，遠大于26.315，因此，認為無紡布轉(zhuǎn)盤與空轉(zhuǎn)盤在KLa均值方面存在顯著差異。綜上，在轉(zhuǎn)盤表面添加無紡布為掛膜填料將大幅提高反應(yīng)器的復(fù)氧效能，其對轉(zhuǎn)盤驅(qū)動效果造成的影響則相對不顯著。

2.4 反應(yīng)器的掛膜啟動

以初始HRT為3 h啟動反應(yīng)器掛膜，運行6 d后縮短HRT為2 h運行，得到COD、氨氮去除效果曲線(圖8～圖9)。

圖8 掛膜啟動階段CODCr去除效果Fig.8 CODCr Removal Efficiency of Reactor at Biofilm Start-Up Stage

圖9 掛膜啟動階段氨氮去除效果Fig.9 Ammonia Nitrogen Removal Efficiency of Reactor at Biofilm Start-Up Stage

由圖8可知，掛膜啟動3 d后，反應(yīng)器的CODCr去除效率從初始的59.3%上升至82.9%；之后第4～6 d的CODCr去除率一直保持在85%以上，平均去除負荷為8.16 g/(m2·d)；當HRT變化后，反應(yīng)器第7 d的CODCr去除效率降至63.5%；第8 d又回升至83.8%；并于第9～12 d繼續(xù)保持85%以上的去除效果，此時的CODCr平均去除負荷為11.74 g/(m2·d)。

氨氮去除率在掛膜啟動2 d后由初始的84.7%上升至96.5%；之后第3～6 d的去除率保持在97%以上，氨氮平均去除負荷為3.00 g/(m2·d)；HRT變化后，反應(yīng)器整體氨氮去除效果雖降至92%左右但能保持相對穩(wěn)定；第7～12 d反應(yīng)器的氨氮平均去除負荷降為2.87 g/(m2·d)。綜合考慮COD和氨氮的去除效果，可以認為兩級生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器掛膜完成。此時可以明顯觀察到第二級生物轉(zhuǎn)盤氨氮去除效果受HRT變化影響相對第一級更小。推測原因是第一級轉(zhuǎn)盤主要承擔去除COD負荷的作用，其生物膜中的硝化功能菌群相對豐度更低[30-31]，因此，耐氨氮沖擊能力小于第二級轉(zhuǎn)盤。

2.5 掛膜穩(wěn)定期反應(yīng)器運行效果

掛膜啟動完成后繼續(xù)運行水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤2周，考察兩級轉(zhuǎn)盤污染物去除效果。

兩級水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤的CODCr平均去除率為86.76%±0.85%。由圖10可知，對于COD而言，其主要去除過程主要發(fā)生在第一級轉(zhuǎn)盤內(nèi)。一級轉(zhuǎn)盤CODCr平均去除率為77.3%±0.99%，其對CODCr總?cè)コ实呢暙I達到了89.1%。較高的COD負荷使得轉(zhuǎn)盤表面生物膜較厚，盤片局部區(qū)域伴有少量絲狀菌存在。

圖10 掛膜穩(wěn)定階段污染物去除效果Fig.10 Pollutants Removal Efficiency during the Stable Period of Biofilm Formation

裝置對氨氮的平均去除率為92.15%±1.49%，氨氮的去除則主要發(fā)生在第二級轉(zhuǎn)盤內(nèi)。二級轉(zhuǎn)盤氨氮平均去除率為87.9%±2.37%，對氨氮總?cè)コ实呢暙I達到62.0%。轉(zhuǎn)盤表面生物膜厚度較第一級而言,較薄且顏色偏棕黃，由于較低的COD負荷以及存在氮、磷營養(yǎng)鹽，處理槽邊壁處出現(xiàn)少量藻類。

3 結(jié)論

(1)毛氈、碳氈、無紡布3種填料的掛膜小試試驗表明，以無紡布作為掛膜填料的生物轉(zhuǎn)盤具有良好的污染物去除性能，穩(wěn)定后的CODCr、氨氮去除率分別達到84.3%和80.5%。同時，無紡布具有快速富集微生物并形成穩(wěn)定生物膜的特性，14 d后填料表面的微生物量達到24.58 g VSS/m2。

(2)水車驅(qū)動好氧生物轉(zhuǎn)盤盤片在附載無紡布填料后驅(qū)動效果有所下降，但反應(yīng)器復(fù)氧效能大幅度提升，KLa由0.005 44 min-1提升至0.018 86 min-1。

(3)應(yīng)用無紡布填料的生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器穩(wěn)定階段對CODCr、氨氮的平均去除率分別為86.76%±0.85%和92.15%±1.49%。裝置出水的CODCr、氨氮分別為12～15 mg/L和1.3～3.4 mg/L。