环境科学  2020, Vol. 41 Issue (8): 3684-3690   PDF    
引用本文
江宇勤, 厉炯慧, 方治国. 多孔填料特性对生物膜形成影响[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3684-3690.
JIANG Yu-qin, LI Jiong-hui, FANG Zhi-guo. Effect of Porous Fillers Properties on Biofilm Growth[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3684-3690.
多孔填料特性对生物膜形成影响
江宇勤, 厉炯慧, 方治国     
浙江工商大学环境科学与工程学院, 杭州 310013
收稿日期: 2019-12-26; 修订日期: 2020-02-25
作者简介: 江宇勤(1994~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为废水处理与优化控制, E-mail:jyq793615055@163.com
通信作者: 厉炯慧, E-mail:56725362@qq.com
摘要: 多孔填料是曝气生物滤池（BAF）的重要构成部分，是影响BAF污水处理效果的关键.目前填料种类繁多，但其表面理化特性对生物膜形成的影响规律并不清楚，如何比选最佳生物填料一直是BAF工程应用的难题.通过研究BAF常用的几种多孔生物填料本身的物化特性，考察其物化特性与填料上生物膜的生物附着量及酶活性之间的相关性.结果表明，海绵填料虽然易吸附污泥，但是易堵塞，整体生物膜活性不高；立体空心填料虽然表面吸附的生物量较低，但是比表面积大，表面附着生长的生物膜活性较强；陶粒因具有良好的亲水性和较高的表面粗糙度，且Zeta电位最正，易于微生物附着生长，污泥附着性能最强，且生物膜活性最好.通过冗余分析（RDA）分析可知，影响填料表面生物量的主要因素是Zeta电位；影响填料表面污泥活性的主要因素是空隙率.通过6组反应器对NH4+-N的去除负荷可知，陶粒对NH4+-N的去除负荷最大，为68 g·（m3·d）-1，火山岩次之，为67 g·（m3·d）-1.综合上述因素比选出，陶粒最适合作为BAF的填料.
关键词: 填料      理化特性      生物量      脱氢酶活性      冗余分析(RDA)     
Effect of Porous Fillers Properties on Biofilm Growth
JIANG Yu-qin , LI Jiong-hui , FANG Zhi-guo     
School of Environmental Science and Engineering, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310013, China
Abstract: As an important part of biological aerated filters (BAFs), porous fillers are key to the effectiveness of BAF wastewater treatment. At present, there are many types of fillers, but the influence of the surface physical and chemical properties on biofilm formation is unclear, and how to compare and select the best biological filler remains a difficult problem in BAF engineering applications. In this study, the physical and chemical characteristics of several porous biological fillers that are commonly used in BAFs were studied, and the correlation between their physical/chemical properties and the biofilm attachment and enzyme activity of the biofilm on the filler was investigated. The results showed that the sponge filler could easily absorb sludge, but also clogged easily and the overall biofilm activity was not high. The three-dimensional hollow filler had a low surface-adsorbed biomass, but the specific surface area was large and the surface attachment growth biofilm activity was relatively strong. Ceramsite had a good hydrophilicity and high surface roughness, and the zeta potential was the most positive. Moreover, microorganisms easily attached and grew, it had the strongest sludge adhesion performance, and the best biofilm activity. According to a redundancy analysis (RDA), the main factor affecting the biomass on the surface of the fillers was the zeta potential, whereas the main factors affecting the surface sludge activity of the fillers was the clearance rate. According to the removal load of NH4+-N by six groups of reactors, the removal load of NH4+-N by ceramsite was the largest [68 g·(m3·d)-1], and was followed by volcanic rocks [67 g·(m3·d)-1]. Combined with the above factors, ceramsite was determined to be the most suitable filler for BAF.
Key words: filler      physical and chemical properties      biomass      dehydrogenase activity      redundancy analysis (RDA)     

曝气生物滤池(biological aerated filter, BAF)是一种集脱氮、除磷和COD降解, SS去除等功能为一体的综合污水处理工艺[1~3], 其去除机制主要有过滤、吸附和生物代谢[4].因具有占地面积小、处理效率高、出水水质好、挂膜容易和启动快等优点[5], BAF被广泛应用于各种污水处理厂提标改造过程当中[6~9].

填料是BAF的重要组成部分, 填料性能对BAF的运行效果有十分重要的影响[10~12].作为微生物的载体, 填料影响着微生物的生长、繁殖和脱落, 并兼具过滤截留和固液分离的功能[13, 14].填料的材质、强度、密度、比表面积、布水布气性能和造价等因素, 更是直接影响BAF的废水处理性能及其应用的可行性[15, 16], 因此填料的特性研究对BAF的推广和应用意义重大.

目前市面上各种类型的填料不断出现, 填料的种类和选择更加丰富[17~21].但目前尚不清晰哪些填料的表面性质决定生物膜的生物量和活性, 仍未有一个比较明确的填料比选方法.本研究选择海绵填料、空心球填料、立体空心填料和陶粒、沸石和火山岩这6种常用的BAF多孔生物填料, 考察并比较6种填料的基本物化性质, 填料表面附着生物量和生物活性随时间变化情况, 明确对BAF的污水处理性能影响较大的填料基本物化性质, 以期为多孔生物填料的选择提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 实验材料 1.1.1 实验用水和接种污泥

本实验所用接种污泥取自良渚污水处理厂的氧化沟, 该污水处理厂的运行状况良好, 活性污泥的颜色为深褐色.

本实验用水为模拟生活污水, 分别用葡萄糖和氯化铵作为碳源和氮源, 投加不定量的碳酸氢钠或盐酸用来调节pH, 投加适当微量元素保证微生物的附着生长.

1.1.2 填料

根据生物滤料的挑选原则, 选取海绵填料(25 mm, 正洁环保材料厂)、空心球填料(12.5 mm, 正洁环保材料厂)、立体空心填料(Φ 25 mm×12 mm, 正洁环保材料厂)、陶粒(5~10 mm, 河南希尧环保科技有限公司)、沸石(5~10 mm, 河南三益水处理科技有限公司)、火山岩(5~10 mm, 元泉水处理材料厂)进行实验.填料的表观形象如图 1所示.

图 1 6种填料的表观形态 Fig. 1 Surface morphology of different fillers

1.2 测试方法

填料的堆积密度、表观密度均采用重量法测定[22]; 磨损率采用《水处理用人工陶粒滤料(CJ/T 229-2008)》中的方法测定; 硬度采用邵氏D硬度计测试; 比表面积采用《GB/T 19587-2017气体吸附BET法》中的方法测定; 接触角采用接触角法测定[23]; Zeta电位采用Zeta电位仪测定; 生物量采用烘干法测定; 脱氢酶活性采用INT-DHA分光光度法测定[24].氨氮(NH4+-N)的测定采用纳氏试剂分光光度法; 化学需氧量(COD)的测定采用重铬酸钾消解法.

1.3 分析方法

用冗余分析(redundancy analysis, RDA)方法分析影响生物膜生长情况的主要填料物化性质.将填料本身的物化性质作为自变量, 分别以填料上的生物量和脱氢酶活性作为因变量, 而后运用Canoco5.0进行RDA分析和作图[25].

1.4 实验启动

设置R1、R2、R3、R4、R5和R6这6组2 L烧杯作为反应器进行实验, 分别于烧杯中投加海绵填料、空心球填料、立体空心填料和陶粒、沸石、火山岩作为填料进行挂膜.本研究采用的挂膜方式为自然挂膜：先将填料加入反应器中, 填料填充率约为50%, 再将污水处理厂取回的活性污泥与模拟生活污水混合(MLSS=3 000 mg·L-1、COD=50 mg·L-1、NH4+-N=25 mg·L-1和pH=7.5±0.5)后加入反应器中, 之后闷曝24 h使填料接种好微生物; 沉淀15 min后排出上清液1 L, 再进模拟生活污水回到2 L, 每隔8 h重复以上操作.

2 结果与讨论 2.1 填料的物化特性

表 1为实验所用6种填料的基本理化特性.

表 1 不同填料的物化性质 Table 1 Physical properties of different fillers

6种填料的空隙率大小由高到低依次为：海绵填料>空心球填料>立体空心填料>沸石>火山岩>陶粒; 密度大小由高到低依次为：沸石>火山岩>陶粒>立体空心填料>空心球填料>海绵填料.海绵填料、空心球填料、立体空心填料和陶粒因密度较小、空隙率大, 容易出现上浮现象, 为避免进行实验时跑料, 在反应器上层加孔径为50 mm的钢丝网.

不同填料的颗粒强度差别较大, 其中沸石强度(以邵氏硬度计, 下同)最大, 达到63.75HD, 而海绵填料和陶粒强度最小, 仅为0.50HD和19.50HD.填料只有具备足够的强度, 才能承受一定的摩擦挤压和水力剪切, 使布水布气均匀, 流态稳定.

6种填料中陶粒的磨损率最大, 达到2.77%, 最易破碎.因实验测定磨损率采用的方式为离心破碎, 该方法有局限性, 虽然测得的海绵填料、空心球填料和立体空心填料磨损率都为0.00%, 但是在实际现场长期使用时, 会出现明显的磨损现象.

不同填料比表面积差别较大, 其中立体空心填料比表面积最大为590.00 m2·g-1, 而沸石比表面积最小仅为2.16 m2·g-1.6种填料的比表面积大小由高到低依次为：立体空心填料>空心球填料>陶粒>火山岩>海绵填料>沸石.填料的比表面积越大, 有利于微生物附着、生长和生物膜形成; 但是反应器也容易被堵塞, 不易发挥深层填料的作用.

6种填料的接触角都小于90°, 为亲水性.其中海绵填料、陶粒、沸石的接触角都为0.00°, 亲水性最好, 而空心球填料、立体空心填料、火山岩的接触角分别为88.40°、84.70°和15.30°, 亲水性较差.填料的亲水性越好, 挂膜越快, 更耐高氨氮负荷的冲击.

6种填料的Zeta电位都在-20~-10 mV.一般来说, 微生物的表面呈负电, 因此本研究的6种填料Zeta电位越接近零, 微生物与填料之间的排斥力越小, 越有利于微生物附着.由表 1可知, 陶粒和海绵填料更适宜微生物的固定和生长, Zeta电位最高, 分别为-12.30 mV和-13.60 mV.

2.2 填料的生物膜形成

图 2为不同填料表面生物膜形成情况.从中可知, 6组反应器中填料表面的生物量都在运行初期增长很快, 生物量生长速率分别为2.44、1.20、1.26、6.94、2.81和5.58 g·(m3·d)-1.这可能是在实验初期填料上吸附的SS较少, 且系统中的环境比较适合微生物利用污水中丰富的营养物质进行快速繁殖, 因此微生物更易在填料表面吸附生长.在第6 d时生物量增长速度放缓; 在第20 d时趋于稳定, 分别为23.99、14.62、13.88、57.27、19.37和42.98 g·m-3; 在第30 d时, 陶粒表面所挂的生物量最大, 高达59.81 g·m-3, 而空心球填料和立体空心填料表面所挂的生物量最小, 分别为15.04 g·m-3和14.32 g·m-3.这可能是由于陶粒具有良好的亲水性和较高的表面粗糙度, 因此易于吸附污泥, 且吸附的污泥也不易脱落; 而空心球填料和立体空心填料亲水性较差, 且表面比较光滑, 因此吸附和截留污泥的性能较差.

图 2 不同填料的生物量变化 Fig. 2 Biomass change of different fillers

6种填料吸附和固定微生物的能力大小顺序为：陶粒>火山岩>海绵填料>沸石>空心球填料>立体空心填料, 相比于另外5种填料, 陶粒具有更强的吸附和固定微生物的能力.

2.3 填料生物膜活性

图 3为6组反应器的脱氢酶活性变化情况.由于反应器体积较小, 且曝气充足, 因此视为反应器内有机物及溶解氧基本平均分布, 所取的填料样品可以代表反应器其他部位填料的情况[26].从中可知, 填料上微生物的脱氢酶活性随着生物量的增长而不断升高.在运行初期填料的脱氢酶活性增长速度很快, 这可能是系统中的环境比较适合微生物在载体表面繁殖生长; 在第9 d时脱氢酶活性增长速度放缓; 在第20 d时趋于稳定; 在第30 d时, 陶粒的脱氢酶活性(以反应器内脱氢酶总量计, 下同)为158.66 g·m-3, 海绵填料的脱氢酶活性为19.44 g·m-3.虽然海绵填料上所挂的生物量较多, 仅次于陶粒和火山岩, 但是脱氢酶活性却很低, 这可能是因为海绵填料表面粗糙度大, 易于吸附污泥, 但是比表面积较小, 海绵填料吸附的污泥不易与气、液接触, 在填料内部形成堵塞; 而陶粒表面粗糙度大, 空隙率和Zeta电位也最高, 不仅易于吸附污泥, 且吸附的污泥能较好地与气、液接触, 不易形成堵塞, 因此生物量和脱氢酶活性都优于另外5种填料.

图 3 脱氢酶活性变化 Fig. 3 Changes of dehydrogenase activity

2.4 生物膜生长情况主坐标分析

表 2为通过RDA分析得出的填料的物化特性与生物膜的生长情况的相异性系数矩阵.显著性检验表明填料的物化特性对生物膜的生长情况是否密切相关, 重要性检验则体现该物化特性对生物膜的生长情况影响大小.RDA分析结果表明, 对于生物量生长情况, Zeta电位具有较高的显著性, 接触角和空隙率也有较好的显著性, 而吸水率和颗粒强度的显著性最低; 对于脱氢酶活性增长情况, 空隙率的显著性最高, 吸水率次之, 而比表面积不具有显著性.就重要性而言, Zeta电位对于生物量生长情况重要性最高, 空隙率次之, 而吸水率和颗粒强度的重要性最低; 对于脱氢酶活性增长情况, 空隙率的重要性最高, 吸水率次之, 而Zeta电位和比表面积的主要性最低.

表 2 相异性系数矩阵1) Table 2 Dissimilarity coefficient matrix

图 4为通过相异性系数矩阵分析, 去掉对于生物量生长情况、脱氢酶活性增长情况显著性最低的一个填料物化特性后, 得出的不同填料本身的物化特性对填料表面生物膜生长情况影响的RDA分析.由图 4(a)可知, 空隙率、比表面积、接触角、Zeta电位与生物量生长情况的连线之间的夹角较小, 说明其与生物量生长情况关系密切.其中Zeta电位呈显著水平的正相关性(P < 0.05), 而空隙率、比表面积、接触角与生物量生长情况则呈负相关性但并不显著, 说明填料的Zeta电位是影响生物量生长情况的主要影响因素, 且随着Zeta电位的增加, 生物量生长情况更具优势.由图 4(b)可知, 空隙率、吸水率、颗粒强度与脱氢酶活性生长情况的连线之间的夹角较小, 说明其与脱氢酶活性生长情况关系密切.其中空隙率呈显著水平的负相关性(P < 0.05), 而吸水率、颗粒强度与脱氢酶活性生长情况分别呈负相关性和正相关性, 且相关性并不显著, 说明填料的空隙率是影响脱氢酶活性生长情况的主要影响因素, 且随着空隙率的降低, 脱氢酶活性生长情况更具优势.

图 4 生物膜生长情况RDA分析 Fig. 4 Redun dancy analysis of biofilm growth

RDA分析图能直观地反映出填料各物化特性对生物膜生长情况的影响及影响程度, 因此通过分析可以看出空隙率和Zeta电位是影响生物膜生长情况的主要因子.

2.5 污染物去除性能

为了明确6种填料表面所挂生物膜的性能, 6组反应器中不再投加污泥, 只投加实验室配置的污水, 此时系统中的MLSS为0 mg·L-1、COD为50 mg·L-1和NH4+-N为25 mg·L-1, 测定系统中NH4+-N和COD浓度随时间的变化情况.图 5为不同填料的反应器对NH4+-N和COD去除负荷在短时间内的变化情况.

图 5 不同填料的反应器对NH4+-N和COD去除负荷的影响 Fig. 5 Effect of different filler reactors on the NH4+-N and COD removal load change

在实验进行的2 h内, 6组反应器对NH4+-N的平均去除负荷分别为36.11、23.24、30.02、33.47、30.37和34.20 g·(m3·h)-1; 对COD的平均去除负荷分别为114.00、82.50、96.75、120.75、107.25和111.00 g·(m3·h)-1.由图 5可知, 6种填料对NH4+-N和COD去除负荷都随时间明显上升, 在2 h时, 除空心球和立体空心填料的反应器外, 另外4组反应器的COD基本上都已经降解完全.

在反应器运行2 h时, 6组反应器对NH4+-N的去除负荷大小顺序为：海绵填料>火山岩>陶粒>立体空心填料>沸石>空心球填料; 对COD的去除负荷大小顺序为：陶粒≥海绵填料≥火山岩≥沸石>立体空心填料>空心球填料.6组反应器对NH4+-N的去除负荷大小顺序与填料上生物膜情况并不类似; 但除海绵填料外, 另外5组反应器对COD的去除负荷大小顺序与填料上脱氢酶活性的大小顺序类似.海绵填料的反应器对NH4+-N和COD的去除性能最好, 与前面的脱氢酶活性实验结果不一致, 这可能是因为海绵填料本身的结构使得吸附的污泥不易脱出, 反应器中仍留有部分污泥在海绵填料内, 对有机物起降解作用的不光是填料上的生物膜, 还有活性污泥.

反应器对NH4+-N的去除负荷与生物膜生长情况没有明显相关性, 而COD的去除负荷则与生物膜脱氢酶活性大小一致.反应器对氨氮的去除性能可能与填料表面粗糙度有关, 粗糙度越大, 在填料表面截留的活性污泥越多, 污染物去除性能越好.在RDA分析中发现, 空隙率与脱氢酶活性生长情况具有显著的负相关性, 因此认为填料的空隙率是不同填料反应器对COD去除性能的主要影响因子, 且空隙率越小, 污染物去除性能越好.

3 结论

(1) 不同填料物理特性差异较大：其中聚氨酯海绵填料密度最小, 容易上浮, 强度最小, 亲水性最好; 立体空心填料比表面积最大; 陶粒强度较小, 且最易磨损, 但Zeta电位最高; 沸石的密度最大, 容易堵塞, 且强度最大, 而比表面积最小.

(2) 填料的空隙率、Zeta电位是影响生物膜生长情况的首要影响因素.其中Zeta电位影响生物量的生长情况, 空隙率影响脱氢酶活性的生长情况, 随着Zeta电位的增加与空隙率的降低, 生物膜生长情况更具优势.

(3) 海绵填料虽然易于吸附污泥, 但容易形成堵塞, 脱氢酶活性最差; 立体空心填料虽然填料表面所挂的生物量不多, 却益于微生物附着生长; 而陶粒最易吸附和固定微生物, 且利于微生物的生长、繁殖, 最适合作为BAF挂膜启动的填料.

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