固定化菌藻系统对污水处理厂出水的深度处理 6页

第6卷第10期环境工程学报Vol．6，No．102012年10月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringOct．2012固定化菌藻系统对污水处理厂出水的深度处理1，21*1严清高旭彭绪亚(1．重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045;2．重庆师范大学地理与旅游学院，重庆400047)摘要将海藻酸钠固定化活性污泥和小球藻制成颗粒小球，以自制的流化床反应器对重庆市某污水处理厂出水进行深度处理，探讨了系统对氨氮、TP、COD的去除效果，实验结果表明:在HRT=12h，溶解氧浓度为3．0mg/L左右，pH值为6．2至8．0之间，环境室温条件下，系统对氨氮、TP、COD均有较好的去除效果，系统稳定运行后对氨氮、TP、COD去除率基本维持在60%、60%和30%以上，出水氨氮、TP、COD浓度基本维持在8、0．5和40mg/L以下，出水浓度达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。这项研究显示固定化菌藻胶球系统在污水处理厂出水的深度处理中具有潜在的应用前景。关键词深度处理固定化菌藻氨氮CODTP中图分类号TU992．3文献标识码A文章编号1673-9108(2012)10-3629-06Advancedtreatmentofeffluentfromawastewatertreatmentplantbyembeddedimmobilizedbacteriaandalgaesystem1，211YanQingGaoXuPengXuya(1．FacultyofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China;2．CollegeofGeographyScienceandTourism，ChongqingNormalUniversity，Chongqing400047，China)AbstractCoimmobilizedactivatedsludgeandChlorellavulgariswithsodiumalginateasentrappingagentweremadeintobeadstotreateffluentfromawastewatertreatmentplantinthefluidizedbedreactorandthere-movalefficienciesofammonianitrogen，TPandCODwerestudied．Theexperimentindicatesthatunderthecon-ditionsofnaturaltemperature，HRT，DO，pHwere12hours，3mg/L，6．2to8．0，respectively，theembeddedimmobilizedbacteria-algaehasstrongabilitytoremoveammonianitrogen，TPandCOD，andtheremovalratesaremorethan60%，60%and30%，respectively．Theeffluentconcentrationsofammonianitrogen，TPandCODbasicallymaintainlessthan8，0．5and40mg/L，respectively，meetingthefirstlevelAcriteriaspecifiedintheDischargeStandardofPollutantsforMunicipalWastewaterTreatmentPlant(GB18918-2002)．ThisstudyshowsthatcoimmobilizationofactivatedsludgeandChlorellavulgarisinsmallbeadshasthepotentialapplicationprospectintheadvancedtreatmentofeffluentfromwastewatertreatmentplants．Keywordsadvancedwastewatertreatment;embeddedimmobilizedbacteria-algae;ammonianitrogen;COD;TP重庆主城区位于长江和嘉陵江的交汇处。由于接或间接的排入长江，因此长江流域三峡库区重庆受地形条件的影响，长江、嘉陵江既是重庆市生活饮范围内的污染物的有效控制，直接关系到库区水体用水、工业用水的主要水源，同时也是地面雨水、生水质好坏，同时涉及到长江中下游多个城市的饮水［1］活污水、工业废水的受纳水体。在最近十年的发展安全。为进一步保护三峡库区水环境，完善城镇中，重庆已成为中国人口密度最大、经济发展最快的城市之一。举世瞩目的三峡大坝截留工程的实施，使三峡库区的水流速度减缓，自净能力与水环境容基金项目:重庆市教委项目(KJ110612)量降低，三峡库区重庆段覆盖了大部分三峡库区范收稿日期:2011－08－25;修订日期:2011－11－20［1］作者简介:严清(1982～)，女，博士研究生，讲师，主要从事水污染控围，其面积约占整个三峡库区面积的85．6%，重庆主城区每日约160万t的污水经污水处理厂处理制理论与技术研究。E-mail:qyan2005@hotmail．com*通讯联系人，E-mail:gaoxu@cqu．edu．cn后(其中还有一部分未经处理直接排放的污水)直\n3630环境工程学报第6卷基础设施，重庆拟对污水处理厂进行提标改造，要求COD、氨氮和磷的去除效果。污水处理厂出水总磷、氨氮、COD等指标需达到《城1材料与方法镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。1．1固定化菌藻颗粒制备共生的菌藻生物膜系统在自然界中是普遍存在分别取一定体积的藻类细胞浓缩液(藻密度为［2-5］7的现象，生物膜废水处理技术已被广泛运用，为5×10个/mL)、同体积取自污水处理厂二沉池内的更有效地提高污染物的降解效果，20世纪末发展了新鲜活性污泥的浓缩液(新鲜活性污泥静置40一门新兴的技术———菌藻固定化技术，此项技术是min，弃去上清液后在3000r/min下离心15min后通过化学或物理的手段将菌和藻共同定位于限定的的活性污泥浓缩液)与4倍于藻细胞浓缩液的5%空间区域内，使微生物保持活性，利用菌、藻的协同的褐藻酸钠溶液均匀混合，形成一定浓度的褐藻酸［6］作用去除污水中有机污染物、氮磷等的技术。与钠与菌藻的混合液;用25mL的酸式滴定管将含菌传统悬浮藻系统相比其具有生物浓度高、反应速率体的粘状混合液滴入到3%的CaCl2溶液中，搅拌快、运行稳定可靠、藻细胞易于收获、较高有机物及1h后再在CaCl2溶液中交联16h，然后用蒸馏水冲氮磷营养物质的去除效果等优势，目前在环境水污洗，并在蒸馏水中脱盐1h，最终得到直径为4．1mm［7-13］染治理领域得到了广泛的研究及应用。但目前左右的菌藻固定化胶球颗粒(固定化操作流程见图的文献资料中还未见到共固定化小球藻与活性污泥1)。制成的颗粒呈褐色(类似活性污泥的颜色)，表系统来对污水处理厂尾水进行精处理的研究报道，面光滑，柔软而富有弹性，机械性能好，密度略大于为此，笔者通过实验设计，研究把活性污泥与小球藻水，故在流化床反应器中能流动。混合固定化，探索利用菌藻的协同作用对重庆某大1．2实验装置型污水处理厂的出水进行深度处理，考察了对实验装置如图2所示。\n第10期严清等:固定化菌藻系统对污水处理厂出水的深度处理3631反应器由有机玻璃制成，为圆柱体形，有效容积进水，试验期间进水水质指标为BOD7．72～22．8+为10L。包埋固定化菌藻颗粒在反应器中的体积mg/L，COD31～66mg/L，NH4-N6．31～19．1mg/填充率为20%。废水以一定的流速自下而上通过L，TP0．62～1．21mg/L，SS8～24mg/L，pH6．7～由固体颗粒组成的床层，颗粒由于水流流速及曝气8．1，色度30～62度。的作用而形成流化状态，被顶部带有网格的截留板重庆市某污水处理厂采用具有脱氮除磷功能的2截留，出水由设在截留板另一侧的溢流堰排出。A/O生物处理工艺，其处理后尾水离岸扩散排入长1．3实验进水水质江，其工艺流程如图3所示。以重庆市某污水处理厂的二沉池出水为反应器图3污水处理工艺图Fig．3Schematicdiagramofwastewatertreatment1．4实验条件包埋固定化菌颗粒在平均停留时间HRT=12h，整个实验在当地自然环境温度(24～32℃)下进行，并控制反应器内溶解氧浓度在3．0mg/L左右，pH为6．2～8．0之间，实验在平行的2套装置中进行。实验过程中发现，实验维持比较长的时间或是包埋的藻密度比较高就出现细胞渗漏和胶球破碎的2+问题，其原因是由于褐藻酸钙结合Ca的古洛糖醛2+图4流化床反应器中进水与出水氨氮浓度酸部分由于Ca的浓度不断被新一循环的污水所2+变化及氨氮去除率侵蚀，逐渐地丧失Ca，从而使胶质结构变得越来+Fig．4VariationofconcentrationofNH4-N越疏松，保持或结合藻细胞的能力下降，在胶质结构ininfluentandeffluentoffluidized疏松至一定程度时，导致藻细胞的泄漏。因此实验+bioreactorandremovalofNH4-N每运行4d将胶球取出重新浸泡于3%CaCl2护理溶液中进行16h的胶球再硬化加固，然后用蒸馏水充氮去除效果较低外，系统稳定运行后，对氨氮的去除分清洗胶球后置入新鲜污水中进行实验，实验连续率保持在60%以上，出水氨氮浓度基本保持在5运行一个月，每天10:00从装置取样口中取平行样。mg/L以下，仅在进水浓度相对较高的第11、12和1．5理化检验法20天(其进水氨氮浓度分别达到19．1、18．7和18．6COD采用重铬酸钾法测定(快速密闭催化消解mg/L)，且第11、12和20天的实验是在胶球重新浸+法);氨氮(NH4-N)采用纳氏试剂分光光度法;TP泡于CaCl2溶液中再硬化加固，然后重新置入下一采用过硫酸钾消解，钼酸铵分光光度法;pH值采用轮新鲜污水中进行实验2d或3d后，其出水氨氮浓LP115pH计测定;溶解氧采用MO128-2M溶解氧仪度才稍大于5mg/L;相对于进水氨氮浓度的变化幅－－测定;NO3-N采用紫外分光光度法;NO2-N采用N-度，出水氨氮浓度比较稳定，系统随时间的进行，耐(1-萘基)-乙二胺分光光度法。冲击能力增强，硝化能力较好。2结果与讨论固定化菌藻胶球中的小球藻在生长过程中利用光能以及CO2进行光合作用，产生的大量氧气为菌2．1对氨氮的去除效率类所用，细菌新陈代谢产生CO2则提供给藻类，大实验过程中对氨氮的去除效果见图4。从图4大提高了细菌和藻类的活性。菌藻同时吸收同化污可以看出，固定化系统对氨氮具有良好的去除效果，水中的氮，从而起到很好的脱氮作用，另外，固定化随进水氨氮浓度的变化而变化，除了系统运行初期基质海藻酸钙固定载体呈多孔结构，比表面积较大，由于固定化菌藻颗粒刚投入污水中还未适应，对氨\n3632环境工程学报第6卷［17］［18］［19］对氨氮和磷酸盐有一定的吸附能力，因此提高了固胞对N、P的去除率，李贺等和田丽等的研［10］定化菌藻系统对污水中氮磷的去除作用。同时究结果表明，短期的氮和磷饥饿处理并不影响藻细实验过程中对装置第1、5、15、30天出水中硝态氮的胞的增殖力，但却可以消耗细胞内的氮库和磷库，从－浓度进行了测定，发现整个实验运行到结束(NO3而提高藻细胞对氮和磷的去除效率。－+NO2)-N的浓度都没有超过5mg/L。由此可以但是对微藻的饥饿处理的时间不应过长。Her-［20］推断系统中氨氮浓度的降低并没有导致硝态氮浓度nandez等报道小球藻经过3d的饥饿处理后可的升高，氨氮浓度的降低并不是氮形态之间的转化;在一定程度上恢复生长并过量吸收磷营养盐，而经在含有藻的共固定化系统中，硝化作用受到限制或过5d饥饿处理的小球藻藻细胞数目却不断下降，实验中产生的硝态氮可能被藻所吸收利用。说明5d的饥饿处理对小球藻的生长产生了不可恢因此包埋固定化菌藻系统对污水处理厂二沉池复的负面影响。产生这一现象的原因可能是过长时低浓度的氨氮具有较强的去除能力和良好的抗冲击间的营养缺乏导致藻细胞的结构退化，抑制了微藻负荷能力，经固定化菌藻系统处理后，出水的氨氮浓的恢复生长。度基本达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》因此，固定化菌藻系统藻菌二者的共生关系应(GB18918-2002)的一级A标准。有助于提高体系对废水的抗冲击能力及去污效果;2．2对TP的去除效果而包埋固定化菌藻系统对污水处理厂二沉池出水的对TP的去除效果如图5所示。TP具有比氨氮更好的去除能力和良好的抗冲击负荷能力，经固定化菌藻系统处理后，系统稳定运行后出水的TP浓度在达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准。2．3对COD的去除效果实验对COD的去除效果见图6。图5流化床反应器进水与出水中的总磷浓度Fig．5ConcentrationsofTPininfluentandeffluentoffluidizedbioreactor从图5可以看出，系统运行初期，处于适应期，当系统稳定运行后，在进水TP浓度不稳定的情况下，出水TP浓度相对比较稳定，去除率基本达到60%以上。图6流化床反应器进水与出水的COD浓度Fig．6ConcentrationsofCODininfluent从图4和图5中得知，在每四天对菌藻颗粒重andeffluentoffluidizedbioreactor新浸泡于CaCl2溶液中再硬化加固，然后重新置入新鲜污水中进行实验的第1天对氨氮和TP的去除从图6可以看出，在实验运行初期，系统处于适率几乎全达到70%以上，可能存在两方面的原因，应期，当系统稳定运行后，在进水COD浓度不稳定其一可能跟系统中藻细胞数量增加，对氮磷的同化(环境温度较低的情况下出水COD相应较高)的情吸收有所增加有关;另外，可能是因为颗粒从污水中况下，出水COD浓度相对比较稳定，出水COD浓度取出重新浸泡于CaCl2溶液一定时间，在此过程中基本维持在40mg/L以下，出水COD浓度(CCOD＜藻细胞被短暂地剥夺了氮磷两种元素，再重新放入40mg/L)达到了《城镇污水处理厂污染物排放标培养基中时导致解除营养盐胁迫后对氮磷的过量吸准》(GB18918-2002)一级A标准。［14-16］收，这可用生物中的超补偿现象来解释。这也因为实际废水是一个十分复杂的混合体系，将［17］［18］［19］与Kaya等、李贺等和田丽等的实验结果一藻细胞和单一菌株或混合菌群共同包埋固定在载体［17］致，Kaya等通过饥饿处理提高了固定化栅藻细内，稳定性和抗冲击能力应当比用单一藻种处理更\n第10期严清等:固定化菌藻系统对污水处理厂出水的深度处理3633高。有研究也表明，两种紧密包埋在一起的微生物COD均有较好的去除效果，系统稳定运行后对氨［21］间进行气体分子的交换是可能的。在藻菌共生氮、TP、COD去除率基本维持在60%、60%和30%体系中，藻类光合作用产生的氧比曝气充氧更能为以上，出水氨氮、TP、COD浓度分别基本保持在5、细菌有效利用，不仅可以提高细菌吸收污染物的能0．5、40mg/L以下，达到了《城镇污水处理厂污染物力，而且可以节能降耗;同时，细菌可以利用藻类的排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，因此包代谢产物，并分解废水中的有机大分子，使之有利于埋固定化菌藻颗粒系统可用于目前污水处理厂出水藻类的吸收利用。因此，在共固定化体系中，藻菌二的深度处理，具有良好的应用前景。者的共生关系应有助于提高体系对废水的抗冲击能参考文献力及去污效果。［21］Chevalier等认为在共固定时，细菌产生的［1］罗晓容，李放．三峡库区重庆段水资源承载力研究．人CO2和一些代谢产物对藻的生长有好处;载体可以民长江，2010，41(21):35-38吸收富集周围环境中的营养物，同时一些代谢副产Lifang，LuoXiaorong．StudyonwaterresourcescarryingcapacityinChongqingreachofTGPreservoirarea．Yangtze品会释放入水中，不会影响固定化细胞的生长。［22］River，2010，41(21):35-38(inChinese)Huang等在用固定化小球藻降解偶氮染料的研［2］BaskaranK．，ScotP．H．，ConnorM．A．Biofilmsasan究中也发现将藻菌共固定会提高对染料的降解能aidtonitrogenremovalinsewagetreatmentlagoons．Water力，认为这是因为与细菌共固定可以提高藻细胞的ScienceandTechnology，1992，26(7-8):1707-1716合成代谢活性，生产更多的氧气和硝酸还原酶，从而［3］McleanB．M．，BaskaranK．，ConnorM．A．Theuseof［2］提高了脱色率。Baskaran等在生活污水处理塘的algal-bacterialbiofilmstoenhancenitrificationratesinla-研究中发现，固定于生物膜上的微生物脱氮速率要goons:Experienceunderlaboratoryandpilot-scalecondi-比悬浮微生物高很多，而有藻类存在时的出水质量tions．WaterScienceandTechnology，2000，42(10-11):明显好于只有细菌时，说明藻类的存在有利于污染187-194物的去除。Mclean等［3］用PVC板固定化微生物，研［4］SuYanyan，ArturM．BrigitteUrban．Municipalwastewater究了一系列影响硝化速率的因素，提出在藻菌共生treatmentandbiomassaccumulationwithawastewater-bornandsettleablealgal-bacterialculture．WaterResearch，系统中，要注意光照对藻细胞生长的影响，否则得不［23，24］2011，45(11):3351-3358到好的处理效果。Gonzalez等发现将细菌［5］MuozR．，GuieysseB．Algal-bacterialprocessesforthe(Azospiriilumbrasilense)与普通小球藻共固定于海藻treatmentofhazardouscontaminants:Areview．WaterRe-酸钙载体中，会大大促进小球藻的生长;还研究了普search，2006，40(15):2799-2815通小球藻与固氮菌(Phyllobacteriummyrsinacearun)［6］邹万生，刘良国，张景来等．固定化藻菌对去除珍珠蚌共固定后新陈代谢活性的变化，在此体系中，小球藻养殖废水氮磷的效果分析．农业环境科学学报，2011，的生物量大大提高了，但除氮能力却有所下降。30(4):720-725［25］Wong等指出在高速率氧化塘(HROP)中，细菌ZouWansheng，LiuLiangguo，ZhangJinglai，etal．Analy-可能与藻类争夺营养物质而成为影响藻细胞生长的sisabouteffectofalgae-bacteriaimmobilizedtreatnitrogen限制因素，但也可能在共生体系中更好地去除水中andphosphorusofpearlmusselaquaculturewastewater．的污染物。Lau等［26］研究了氮源种类和细菌存在JournalofAgro-EnvironmentScience，2011，30(4):720-725(inChinese)对藻类脱氮效果的影响，指出藻类在无菌条件下生［7］TamN．F．Y．，WongY．S．Effectofimmobilizedmi-长会明显依赖于有机氮的种类，而细菌的存在有利croalgalbeadconcentrationsonwastewaternutrientremov-于转移有机氮。al．EnvironmentalPollution，2000，107(1):145-1513结论［8］TraviesoL．Experimentsonimmobilizationofmicroalgaefornutrientremovalinwastewatertreatment．Bioresource采用装填包埋颗粒微生物的好氧流化床对污水Technology，1996，55(3):181-186处理厂出水进行深度处理，在溶解氧为3．0mg/L，［9］严清，孙连鹏．菌藻混合固定化及其对污水的净化实固定化颗粒装填百分比为20%，环境温度为24～验．水资源保护，2009，26(3):57-6032℃，pH为6．2～8．0的条件下，系统对氨氮、TP、YanQing，SunLianpeng．Purificationofwastewaterbyco-\n3634环境工程学报第6卷immobilizedbacteria-algaesystem．WaterResourcesPro-nutrientstarvationinairat100%relativehumidity．Bio-tection，2009，26(3):57-60(inChinese)technol．Bioengineer．，1995，46(4):459-464［10］张向阳，邢丽贞，张彦浩，等．固定化小球藻去除污水中［18］李贺，王起华，周春影，等．固定化小球藻对市政污水氮、磷的试验研究．中国给水排水，2008，24(1):95-101中N，P营养盐的深度处理Ⅱ．细胞负载和饥饿处理对ZhangXiangyang，XingLizhen，ZhangYanhao，etal．Ex-氮磷去除率的影响．辽宁师范大学学报(自然科学perimentalstudyonremovingnitrogenandphosphorus版)，2003，26(6):183-186fromwastewaterbyimmobilizedchlorella．ChinaWater＆LiHe，WangQihua，ZhouChuny，etal．TheTertiaryWastewater，2008，24(1):95-101(inChinese)TreatmentofN，PNutrientsfromMunicipalWastewater［11］韩士群，范成新，严少华．固定化微生物对养殖水体byImmobilizedChlorellasp．Ⅱ．Effectsofcellloadsand浮游生物的影响及生物除氮研究．应用与环境生物学starvationtreatmentontheremovingratesofNandPnu-报，2006，12(2):251-254trient．JournalofLiaoningNormalUniversity(NaturalHanShiqun，FanChengxin，YanShaohu．Effectofimmo-ScienceEdition)，2003，26(6):183-186(inChinese)bilizedmicrobesonplanktonandbiodenitrificationinaq-［19］田丽，姜超，贾丽丹，等．饥饿处理对固定化小球藻处uiculturewater．Chin．J．Appl．Environ．Bio．，2006，12理市政污水的影响研究．给水排水，2009，35(增刊):(2):251-254(inChinese)183-187［12］潘辉，熊振湖，孙炜．共固定化菌藻对市政污水中氮［20］Herna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