微气泡曝气对生物膜反应器启动运行性能影响

刘 春,肖太民,张 晶,杨亚男,张 静,杨景亮 (河北科技大学环境科学与工程学院,河北省污染防治生物技术重点实验室,河北 石家庄 050018)

微气泡曝气对生物膜反应器启动运行性能影响

刘 春*,肖太民,张 晶,杨亚男,张 静,杨景亮 (河北科技大学环境科学与工程学院,河北省污染防治生物技术重点实验室,河北 石家庄 050018)

比较了微气泡曝气(MB)与传统气泡曝气(CB)流化床生物膜反应器启动运行性能,以及生物膜形成过程与组成特性.结果表明,启动运行中,MB反应器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分别达到90.3%、92.7%和43.4%,而CB反应器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分别为79.4%、86.3%和29.3%,MB反应器污染物去除性能优于CB反应器.同时,MB反应器的氧利用率高达94.3%,显著高于CB反应器.MB反应器中生物膜形成速率和稳定生物膜生物量均高于CB反应器,并且所形成的生物膜VSS/SS比值较高而EPS含量较低.因此,微气泡曝气能够加速生物膜形成并获得更高的活性生物量,从而提高生物膜反应器的启动运行性能.

微气泡曝气；生物膜反应器；启动运行；生物膜形成；胞外聚合物(EPS)

生物膜反应器利用填料表面生物膜内微生物的代谢活动去除污染物,是目前国内外应用广泛的一种高效污水处理系统[1-3].与活性污泥法相比,生物膜反应器具有系统运行性能稳定、抗冲击负荷能力强、有机物去除率高、污泥产率低和生物活性高等特点[4-7].生物膜反应器启动运行的关键是形成成熟稳定的生物膜[8-9].该过程是一个动态过程,包括细菌的吸附、生物膜发展与成熟以及衰亡与脱落等阶段[10-11];而细菌吸附是生物膜形成的最初阶段,对形成生物膜的结构与性能具有重要的影响[8,12].

微气泡曝气是一种新型曝气方式,在废水处理中具有强化气-液传质及提高污染物去除效率的潜在应用优势,日益受到关注[13-15].微气泡曝气技术能够实现生物膜反应器连续稳定运行,并且获得接近 100%的氧利用率[16].同时,微气泡对亲水性固体表面具有较强的吸附性能[17],包括污泥絮体和胶体物质[16].

因此,微气泡曝气可能会有利于悬浮细菌在填料表面吸附,从而促进生物膜的形成,并对生物膜特性产生影响,进而影响生物膜反应器的启动运行性能.目前相关研究较少.

本研究同时运行微气泡曝气(MB)和传统气泡曝气(CB)流化床生物膜反应器,比较了不同曝气方式下生物膜反应器启动运行性能,包括污染物去除性能、生物膜形成过程和生物膜组成特性,分析了微气泡曝气对生物膜反应器启动运行性能的影响,以期为微气泡曝气在废水生物处理中的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置

采用SPG(Shirasu Porous Glass)膜系统进行空气微气泡曝气,采用陶瓷微孔曝气头进行传统气泡曝气,实验装置如图1所示.在SPG膜系统中,采用孔径 0.6µm的管式亲水 SPG膜,膜面积为1.57×10-3m2.微气泡产生过程中,SPG膜管内液体循环流速 1.34～1.49m/s,空气流量为 35mL/min,产生微气泡平均直径约为33.8µm.传统气泡曝气的空气流量为2L/min.

图1 实验装置系统示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

1.2 生物膜反应器

生物膜反应器为柱状结构,直径和高分别为250mm和600mm,有效容积为15L.反应器内采用聚丙烯流化床填料(图1),比表面积为860m2/m3,填料填充率为33%.填料在反应器内均处于流化态.

1.3 实验过程

向反应器内接种城市污水处理厂二沉池回流污泥,初始污泥浓度约为 0.3g/L,在不同曝气方式下开始反应器的启动运行过程,并且不控制悬浮污泥随出水的流失.在MB和CB反应器的启动运行过程中,均采用相同的模拟生活污水[18],其平均 COD浓度为 361.8mg/L,平均 NH4+-N浓度30.8mg/L,水力停留时间均控制在 12h.反应器运行温度为(30±2)℃.每 2d对 SPG膜进行在线清洗[16],以控制SPG膜污染对微气泡产生效果的不利影响,保证SPG膜微气泡曝气系统的稳定运行.

在MB和CB反应器的启动运行过程中,测定进出水COD、NH4+-N和TN浓度变化,以比较污染物去除性能;测定填料表面生物膜生物量的变化,以比较生物膜的形成过程;测定生物膜中总 EPS、总蛋白(TPN)、总糖(TPS)的含量变化,并对生物膜细胞形态进行观察,以分析生物膜的组成特性.

1.4 分析项目及测定方法

COD、NH4+-N采用国标方法测定.溶解氧(DO)通过溶解氧测定仪(WTW cellOx 325,德国)测定.TN采用TOC分析仪(TOC-VCPN,岛津,日本)测定.生物膜生物量(以填料洗脱 SS计)与活性生物量(VSS)参照文献[19]进行测定.生物膜内总 EPS通过热处理方法提取[20],总 EPS的量以TOC计[18].总蛋白测定根据考马斯亮蓝 G-250法[21],总糖测定根据蒽酮比色法[22].生物膜细胞形态通过扫描电镜(SEM)观察[23].

1.5 统计分析

使用SPSS Statistics 19软件对MB反应器和CB反应器运行中的污染物去除效果和生物膜特性变化进行 t-检验统计分析,以确定二者运行性能是否存在显著性差异.P表示t-检验的统计量显著性概率,当 P<0.05时,说明存在显著差异;当P<0.01时,说明存在极显著差异.

2 结果与讨论

2.1 启动运行性能比较

2.1.1 COD去除性能 在微气泡和传统气泡曝气方式下,生物膜反应器启动运行中 COD去除性能的变化如图 2所示.生物膜反应器运行过程分为两个阶段:启动阶段和稳定运行阶段.不同曝气方式下,反应器的启动过程大体相同,运行 7d后COD去除率达到80%,而后基本稳定,进入稳定运行阶段.在启动过程中,CB反应器COD去除效果优于MB反应器对,原因可能是CB反应器中存在附着生物膜和悬浮污泥,而MB反应器中由于微气泡造成悬浮污泥上浮[24],使得反应器中有效生物量下降,因此COD去除效率相对较低.

在稳定运行阶段,MB和CB反应器出水平均COD浓度分别为35.2mg/L和74.3mg/L,COD的平均去除率为90.3%和79.4%,COD的平均去除负荷为 0.65kg/(m3·d)和 0.57kg/(m3·d).对 MB和CB反应器出水COD浓度进行t-检验分析,二者存在极显著差异(P<0.01).可见,稳定运行过程中,MB反应器的COD去除性能优于CB反应器.在此阶段,悬浮污泥基本流失,COD去除主要依赖于附着生物膜,因此生物膜特性是影响 COD去除性能的主要因素.

图2 MB和CB反应器启动运行中COD去除性能Fig.2 COD removal performance in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.1.2 氨氮(NH4+-N)去除性能 如图3所示,和COD去除情况类似,在启动运行7d后,MB和CB反应器中NH4+-N去除率接近90%,而后趋于稳定,进入稳定运行阶段.启动阶段,CB反应器比MB反应器具有更高的NH4+-N去除性能.而在稳定阶段, MB和CB反应器出水NH4+-N平均浓度分别为2.2mg/L和4.2mg/L,NH4+-N平均去除率分别为92.7%和86.3%,NH4+-N平均去除负荷为0.057kg/(m3·d)和0.053kg/(m3·d).对MB和CB反应器出水NH4+-N浓度进行t-检验分析,二者存在极显著差异(P<0.01).MB反应器的NH4+-N去除性能同样优于CB反应器.

图3 MB和CB反应器启动运行中NH4+-N去除性能Fig.3 NH4+-N removal performance in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.1.3 总氮(TN)去除性能 如图4所示,反应器进水TN平均浓度为34.6mg/L, MB和CB反应器出水 TN 平均浓度分别为 19.3mg/L和24.4mg/L,TN的平均去除率为 43.4%和 29.3%, TN 的平均去除负荷分别为 0.031kg/(m3·d)和0.020kg/(m3·d).对MB和CB反应器出水TN浓度进行 t-检验分析,二者存在极显著差异(P<0.01).生物膜反应器中 TN的去除主要是由于同步硝化反硝化作用,而MB反应器的TN去除性能优于CB反应器,表明MB反应器中同步硝化反硝化效果更好.

以上结果表明,MB和CB反应器启动过程基本相同.在启动过程中,CB反应器中的悬浮污泥逐渐流失,而MB反应器中悬浮污泥由于微气泡气浮效应而快速流失,造成MB反应器有效生物量低于CB反应器,因而污染物去除性能较差.在稳定运行阶段,悬浮污泥基本流失而生物膜逐渐形成,污染物去除性能主要由生物膜特性决定,因此微气泡曝气对生物膜形成和特性的影响可能是MB反应器污染物去除性能更高的主要原因.

图4 MB和CB反应器启动运行中TN去除性能Fig.4 TN removal performance in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.1.4 氧利用率 尽管MB反应器空气流量远低于CB反应器,但是MB反应器中DO浓度为(3.88±0.94)mg/L,接近于 CB反应器中 DO浓度(4.17±1.58)mg/L,表明微气泡曝气有高效的氧传质效率.基于整个运行阶段 COD和氨氮的去除负荷,计算污染物去除所消耗的DO量,同时计算两种曝气系统理论上的供氧量,在此基础上分别估算实验系统的氧利用率[16].估算结果表明,MB反应器和CB反应器的氧利用率分别为94.3%和2.4%.由于小试生物膜反应器低液位(约 0.3m)不利于获得较高的氧传质效率,因此 CB反应器的氧利用率极低,然而在此条件下MB反应器却可以获得很高的氧利用率,可见微气泡曝气具有高效的气液传质性能和潜在的节能优势.

2.2 生物膜形成

在微气泡和传统气泡曝气方式下,生物膜反应器启动运行中生物膜生物量(以填料洗脱 SS计)和 VSS/SS比值变化如图 5所示.可以看到,MB和CB反应器中生物膜生物量发展过程基本相同,大体可分为延滞阶段、快速形成阶段和稳定阶段.在延滞阶段(0～5d),MB反应器中生物膜形成过程明显,而 CB反应器中生物膜形成极为缓慢,可见微气泡曝气有利于初始阶段悬浮微生物向载体表面的附着,从而加速生物膜形成.在快速形成阶段,MB反应器中生物膜形成速率高于CB反应器.运行20d后MB反应器中生物膜生物量达到 4.32g/m2,而 CB反应器中生物膜生物量在运行25d后达到4.24g/m2.而后,两反应器中的生物膜生物量基本稳定,MB反应器中稳定生物膜生物量略高于CB反应器.对MB和CB反应器生物膜生物量进行 t-检验分析,二者存在极显著差异(P<0.01).可见,微气泡曝气通过强化悬浮微生物向载体表面的附着,加速了生物膜反应器在启动运行中生物膜的形成.

此外,在稳定阶段,较高的生物膜生物量可以增加生物膜厚度,根据生物膜质量估算法[25]可以估算MB反应器和CB反应器生物膜厚度分别为325µm和268µm.较厚的生物膜有利于改善同步硝化反硝化作用[26],使得MB反应器内TN的去除效果优于CB反应器.

同时,MB反应器不仅生物膜生物量高于CB反应器,而且其稳定阶段生物膜 VSS/SS比值为0.90,也高于CB反应器的0.86. 对MB和CB反应器生物膜 VSS/SS比值进行 t-检验分析,二者存在显著差异(P<0.05).这意味着 MB反应器中生物膜具有更高的活性生物量(VSS),这可能是MB反应器的运行性能优于CB反应器的主要原因.

图5 MB和CB反应器启动运行中生物膜生物量(SS)和VSS/SSFig.5 Biofilm biomass and VSS/SS ratio in MB and CB reactors during start-up and stable operation

2.3 生物膜组成特性

在微气泡和传统气泡曝气方式下,生物膜反应器中生物膜EPS浓度以及EPS中总蛋白(TPN)和总多糖(TPS)浓度变化如图6所示.由图6可见在MB和CB反应器中生物膜EPS逐渐积累,浓度升高并趋于稳定.CB反应器中生物膜EPS浓度始终高于MB反应器,且二者之间的差距逐渐扩大.MB和CB反应器稳定生物膜EPS浓度分别为(69.9±8.1)mg/gVSS和(95.6±8.6)mg/gVSS.对MB和CB反应器生物膜EPS浓度进行t-检验分析,二者存在极显著差异(P<0.01).MB反应器生物膜EPS积累量较低的原因可能是:(1)微气泡附着于生物膜表面,造成生物膜局部高溶氧环境,生物活性高,部分 EPS作为基质被利用[27];(2)由于微气泡气浮作用,降低混合液中溶解性微生物产物(SMP)和胶体物质含量,使得 EPS累积减少.同时,图 6也表明在所有测定的生物膜样品中,TPN和TPS是EPS的主要组成成分[21,28],而且TPN含量高于TPS.对MB和CB反应器生物膜EPS中TPN和TPS浓度进行t-检验分析,其均存在极显著差异(P<0.01).

图6 MB和CB反应器启动运行中生物膜EPS、总蛋白和总糖浓度Fig.6 Concentration of EPS, total protein (TPN) and total polysaccharides (TPS) in the biofilm samples from MB-reactor and CB-reactor during start-up and stable operation

对稳定运行阶段MB和CB反应器中生物膜样品进行扫描电镜观察,也可以反映二者生物膜组成特性的差异,如图7所示.MB反应器生物膜中,可以观察到大量杆状和球状微生物细胞,而细胞间物质积累不明显(图7A).而在CB反应器生物膜中,可以观察到大量细胞间物质的存在,微生物细胞大部分被包裹在其中(图 7B).这一观察结果也反映了CB反应器中生物膜细胞间EPS的积累量明显高于MB反应器.

如前所述,MB反应器中生物膜具有更高的活性生物量(VSS),同时VSS中EPS含量较低,这就意味着生物膜中包含更多的活性微生物细胞.对生物膜样品的直接观察也表明 MB反应器生物膜中微生物细胞数量更多(图 7).可见,生物膜形成更快、生物膜中活性微生物细胞更多、生物膜活性更强,是MB反应器具有更高效启动运行性能的原因.

图7 稳定运行阶段MB反应器(A)与CB反应器(B)生物膜观察Fig.7 SEM observation of biofilm samples at the stable operation phase in the MB-reactor (A) and CB-reactor (B)

3 结论

3.1 相同进水条件下启动运行中,MB反应器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分别为90.3%、92.7%和43.4%,氧利用率高达94.3%;而CB反应器的COD、NH4+-N和TN平均去除率分别为79.4%、86.3%和29.3%.MB反应器的启动运行性能优于CB反应器.

3.2 启动运行中,MB反应器生物膜的形成速率和稳定生物量均明显高于 CB反应器,且形成的生物膜具有较高的VSS/SS比值和较少的EPS累积,表明微气泡曝气有助于加速生物膜形成并获得更高的活性生物量,从而提高MB反应器的启动运行性能.

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LIU Chun*, XIAO Tai-min,

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Two fluidized biofilm reactors with microbubble aeration (MB) and conventional bubble aeration (CB) were operated simultaneously to compare their performances during start-up and stable operation. The biofilm formation and composition in both reactors were also investigated. The results showed the average removal efficiencies of COD, NH4+-N and TN were 90.3%, 92.7% and 43.4% in MB reactor during start-up and stable operation, respectively. The corresponding removal efficiencies in CB reactor were 79.4%, 86.3% and 29.3%, respectively. MB reactor presented more efficient performance of contaminant removal than CB reactor. In addition, the oxygen utilization efficiency in MB reactor reached 94.3%, which was much higher than that in CB reactor. Faster biofilm formation and larger biofilm biomass were achieved in MB reactor, compared with CB reactor. Moreover, the biofilm formed in MB reactor showed higher VSS/SS ratio and lower EPS content. These results demonstrated that biofilm formation was enhanced by microbubble aeration in MB reactor, which contained more active biomass.

microbubble aeration；biofilm reactor；start-up；biofilm formation；extracelluler substances (EPS)

X703

A

1000-6923(2014)12-3093-06

刘 春(1976-),男,河南安阳人,副教授,博士,主要废水生物处理技术研究工作.发表论文40余篇.

2014-03-30

国家自然科学基金项目(51008111);河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(11966726D)

* 责任作者, 副教授, liuchun@hebust.edu.cn