Ca2在净水生物膜团聚体培养中的影响研究

第3卷第9期 环境 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报 V。I．3，N。．9 1旦竺!堡竺旦 垦堕i翌旦!竺!竺坚!望皇!Q!垦翌!!!竺翌塑皇望!璺!垦里堑里皇竺堕望竖 墨!旦：三旦旦! Ca2+在净水生物膜团聚体培养中的影响研究 彭 瑜1 杨朝晖1 曾光明1 孙飒石2 曹 明1 徐峥勇1 孙红松1 (1．湖南大学环境科学与工程学院，长沙410082；2．云南大学环境与湖泊研究院，昆明650091) 摘 要 通过在5组相同型号的SBBR反臆器(A、B、C、D和E)内调节进水中的ca“含量，研究ca“在净水生物膜团 聚体培养过程的作用影响。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，进水Ca“投加浓度为25mg／L时驯化培养的生物膜团聚体具有较好的抗挤压能力， 抗压强度达到了22N／cm2，密度为1．059g／cm3，活性微生物的白．分含量达到了86．90％，远远高于一般污泥团聚体中的微 生物含量。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 运行效果，反应器C和D的生物膜团聚体通过29d的驯化培养就达到了一个比较好的净水效果，并能维 持稳定状态，相比于一般生物膜反应器的驯化时间有所缩短。不同进水负荷条件下氨氮的去除宰变化表明，反应器C和D 针对不同进水负荷表现出来的适应效果明显优于其他反应器。 关键词 生物膜团聚体 钙离子 活性微生物 驯化时间 水力负荷 氨氮去除率 中图分类号X703文献标识码 A 文章编号 1673—9108(2009)09—1615-05 EffectofCa2+oncultivationofbiomembraneaggregates OtWatertreatment PengYulrangZhaohuilZengGuangmin91SunPeishi2CaoMin91 XuZhengyon91SunHongson91 (1．CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，HunanUniversity，Changsha410082，China； 2．InstituteofEnvironmentandLakes，YunnanUniversity，Kunming650091，China) AbstractAneffectivewaytocultivateefficientbiomembraneaggregateswasresearchedbyregulatingthe Ca2+concentrationoftheinfluentinthefiveSBBRreactors(A，B，C，D，E)．WhentheCa2+concentrationofthe influentwas25m}g／L，thebiomembraneaggregateswhichwerecultivatedintheSBBRreactorDhadthebetter anti—extrusioncapacity．Theaveragecompressivestrengthofthebiomembraneaggregatesreached22N／cm2，the densitywas1．059g／cm3，andthepercentagecontentoftheactivemicroorganismswas86．90％．Theresultin- dicatedthatafter29daysthebiomembraneaggregatesinthereactorsCandDhadbettereffectinwastewater treatment，andthedomesticationtimeofthesereactorswasshorterthanthatofgeneralbiofilmreactor．Thetest resultoftheremovalrateofNH；·-Nwiththedifferenthydraulicloadoftheinfluentindicatedthattheeffectofad-- aptationofthebiomembraneaggregatesintheSBBRreactorsCandDwerebetterthantheothers． Keywordsbiomembraneaggregates；Ca“；activemicroorganism；domesticationtime；hydraulicload； removalratesofNH／．N 生物处理作为一种高效低耗的污水处理手段， 在水处理领域具有极其重要的作用，而提高生物处 理效率和稳定性的一个可能方向就是通过人工干预 构建高活性高抗性的微生物团聚体。微生物团聚体 主要是利用污水处理系统中各种互利共生的微生物 之间的协同作用，在人工干预的条件下形成结构稳 定、功能强化的微生态团体。 生物反应器是废水生物处理系统的核心，而序 批式生物膜反应器(SBBR)又基于生物膜良好的性 能，不但秉承了SBR 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 最成熟的可控制非稳态技 术特征，而且间歇式的进水可以提高系统的抗冲击 负荷的能力，同时生物膜能保证世代较长的微生物 (如厌氧氨氧化细菌)生存，利于厌氧氨氧化反应； 另一方面生物膜载体从表面到内部存在溶解氧浓度 的梯度现象，相应有好氧、兼氧和缺氧区共存的状 态，为直接脱氮提供了良好的环境，因而成为目前国 内外研究、应用的一种污水生物脱氮处理反应器研 究的热点¨。1。SBBR的反应潜能取决于反应器内 生存的生物膜团聚体的数量和活性。生物膜团聚体 是微生物固定的产物，其形成了一个任何微生物都 收稿日期：2008—1l一16；修订日期：2008—12—23 作者简介：彭瑜(1982一)，男，硕士研究生，主要从事水污染控制工 程方面的研究工作。E-mail：rin91982925@yahoo．cos．en 万方数据 1616 环境工程学报 第3卷 难以单独胜任的高效代谢网络。因此，生物膜团聚 体的富集不仅有助于微生物活性的发挥，而且也有 助于微生物数量的积累，它是生物反应器高效稳定 运行的莺要基础。 在对微生物团聚体的研究中，目前主要以颗粒 污泥拍“纠为主，颗粒污泥常见于各种厌氧处理设施 中，能一定程度地提高污泥浓度和活性。而在好氧 反应器中，较难形成颗粒污泥，一般以絮状污泥或生 物膜为主，絮状污泥和生物膜也是微生物团聚物的 主要形态。目前已有研究⋯“刘表明，Ca“在厌氧污 泥颗粒化过程中具有一定的作用，认为Ca2+的投加 有利于提高污泥颗粒的强度，同时在污泥培养过程 中添加Ca“能够加速污泥颗粒化进程并且生成的 颗粒体具有较大的尺寸。然而针对Ca“在生物膜 团聚体培养过程中的影响研究却鲜有报道。生物膜 团聚体作为生物膜净水工艺处理的核心功能团，其 结构的稳定性与强度大小将直接影响整个生物膜的 应用效果，进而影响整个工艺的处理水平。 本研究通过在SBBR反应器中投加适量的钙盐 的方式，在反应器中得到比较稳定的、结构紧密的生 物膜团聚体，分析了Ca“在生物膜团聚体构建过程 中的影响，探讨了加快SBBR反应器快速启动的可 行性，并对在不同Ca“浓度下驯化培养的生物膜团 聚体的去除污染物质的能力进行了相关研究。 1 实验部分 1．1材料 接种污泥取自长沙市第二污水处理厂二沉池回 流活性污泥。MLSS为86．45g／L，MLVSS为 60．0lg／L，MLVSS／MLSS为69．42％。 处理废水采用湘潭市某垃圾填埋场的垃圾渗滤 液，经测定渗滤液水质指标为：NHf-N5154-30mg／ L，TN5664-20mg／L，COD2650±150mg／L，BOD5 12004-50mg／L，pH7．6-t-O．1，渗滤液稀释5倍后 做实验进水。 1．2实验装置 采用如图1所示的SBBR反应器，该反应器为 圆柱形有机玻璃容器，有效容积4L，内部填充有机 高分子半软性填料，待生物膜成熟之后，反应器工作 容积为2．5L。反应器底部配备微孔曝气头，空压 机通过曝气头产生上升气流，为反应器提供氧气，气 流大小可通过流量计进行控制。反应器外层设置水 浴控温层，以此控制反应器的温度保持在28℃。 1．3实验方法 实验过程采用5个反应器进行生物膜团聚体驯 化培养，通过CaCI，溶液来调节进水中的Ca2+含量， 组合式填料 髀西器 人热水循环泵 丛 ．-一⋯j ?--L⋯一J 微孔曝≤霎亡二_——《≯————‘彳飞审压机牵气调节阀V 图1 SBBR反应器装置示意图 Fig．1SchematicchartofSBBRreactor 控制5种不同投加梯度(反应器A：实验进水Ca“ 投加浓度为0；反应器B：实验进水Ca“投加浓度为 10mg／L；反应器C：实验进水Ca“投加浓度为 20mg／L；反应器D：实验进水Ca“投加浓度为 25mg／L；反应器E：实验进水Ca“投加浓度为 40ms／L)，来研究Ca“在生物膜团聚体培养过程中 的作用影响以及生物膜团聚体处理废水的效果。 反应条件：进水pH值控制在7．4左右，温度保 持在28oC，DO控制在4mg／L。工作周期为12h，单 周期采用瞬时进水一反应(采用曝气3h一厌氧2h一 曝气3h．厌氧2h的反应方式)一静置一排水的运行 方式，其中静置期为出水前2h。 整个实验分为2个阶段，前35d为生物膜驯化 培养期，反应器进、出水采用1／5的换容比率；后 35d为不同进水负荷下的运行期。 1．4分析方法 NIV．N：纳氏试剂比色法；TN：过硫酸钾氧化一 紫外分光光度法；DO：溶解氧测定仪；COD：重铬酸 钾法；BOD；：稀释接种法；pH值：pH测定仪；MLSS、 MLVSS、泥样密度以及Ca“浓度等项目测定均采用 国家标准方法执行¨“，脱氢酶活性采用TTC．脱氢 酶活性检测方法m1，团聚体颗粒的抗压强度定义为 生物膜团聚体破裂时单位面积受到的最大挤压 力¨81，颗粒团聚体承受的最大挤压力采用力传感器 进行测量。 2结果与讨论 2．1处理工艺的快速启动 实验前48h，利用好氧活性污泥进行预挂膜，利 用废水对生物膜团聚体进行驯化，观察生物膜团聚 体的生长培养效果，并定期检测出水水质，如图2所 示，用以探究实验处理工艺的快速启动效果。 万方数据 第9期 彭瑜等：Ca2+在净水生物膜团聚体培养中的影响研究 1617 由图2(a)和(b)可见，在驯化培养期，由于没 有投加ca“，反应器A中的COD和BOD，去除率都 呈现一个缓慢上升的过程，到第35d分别只有 80．55％和87．01％，而反应器B、C、D和E中的 COD和BOD，去除率随驯化时间的增加都有一个比 较明显的增长趋势，并且在较短时间内对有机物的 去除达到了一个理想的效果，反应器C在第29d COD和BOD，的去除率分别达到了89．50％和 90．56％，反应器D在第29dCOD和BOD，的去除 率分别达到了90．20％和90．71％，驯化后期COD 和BOD，的去除率基本保持在89．90％以上，这是因 为培养中投加一定量的Ca“，促进了反应器内生物 膜团聚体的生长，团聚体中微生物菌群活性高，具有 良好的有机物代谢能力。图2(c)和(d)反映了生 物膜团聚体培养驯化期间，5个反应器中的生物膜 团聚体对水中氨氮和总氮的去除效果。由图所示， 当实验进行到第26d时，反应器c中的氨氮去除率 首先达到80．06％，到第27d，反应器D中的氨氮去 除率也达到了80．97％。而未投加Ca“的反应器A 的氨氮的去除效果始终不理想，到第35d氨氮去除 率也只有77．02％。反应器c、D和E中对于水中氨 氮的去除率从第29d开始，就都保持在84．69％以 冰 斟 凿 粕 Z ‘_ Z Z 1l 1315 17 19 2123252729313335 13期(d) ll 13 1517 19 2l23252729313335 日期(d) 上，且去除效果维持一个比较平稳的状态。而反应 器C和D中总氮的去除率到第28d也达到70％以 上，之后都能保持一个稳定的总氮去除水平，但是反 应器A和B中总氮的去除率始终没有达到70％。 通过图2，针对不同条件下的去除效果，可以看 出通过投加Ca“而驯化培养的生物膜团聚体对于 有机污染物和氨氮的去除能力都优于未投加Ca“ 驯化培养的生物膜团聚体，同时在生物膜团聚体驯 化过程中，ca“投加量稍大的反应器C和D中，团 聚体的去除效果更为明显。这是因为投加的微量元 素ca“能够增加生物膜团聚体中微生物菌群的生 物活性，促进了微生物菌群的形成以及稳定，有利于 生物膜团聚体的构建。同时可以看出，相对于反应 器A的去除效果，反应器c和D在29d的驯化期 内，针对COD、BOD。和氨氮基本达到了一个比较良 好的去除效果，工艺稳定运行的启动时间有所缩短， 这对于实现污水净化工艺反应器的快速启动提供了 一定的参考价值。通过图2看出反应器C和D的 处理效果大致相似，而在反应器E中更高Ca“浓度 条件下培养的生物膜团聚体的有机物及氨氮去除能 力有所下降，这可能是水体中ca“含量过高，产生 的钙盐结晶体颗粒附着生物膜表面上，一定程度上 32 幂 再24 凿 粕 置 16 图2驯化期间5个反应器中的COD、BOD，、Nn；一N和TN的去除效果 Fig．2RemovaleffectsofCOD，BOD5，NH；-NandTNinfivereactorsduringdomesticationperiod 万方数据 1618 环境工程学报 第3卷 占据了生物膜的有效表面积，阻碍了生物膜与有机 物分子和氧分子的结合，间接影响了生物膜团聚体 对有机物和氨氮的去除效果，因此在驯化培养生物 膜团聚体的时候，Ca“的投加量也不是越多越好，应 该有一个比较恰当的浓度范围，本实验条件下得到 的一个较优化的ca“浓度应该是在20—25mg／L 之间。 2．2 生物膜团聚体的物化特性及结构 生物膜团聚体培养35d后，对其物化特性进行 分析。从表1可以比较出不同Ca“投加量条件下 构建的生物膜团聚体的活性微生物百分含量、脱氢 酶活性、密度、含水率和抗压强度等。由表1可知， 投加了Ca“进行驯化的反应器B、C、D和E中构建 的生物膜团聚体的活性微生物(MLVSS／MLSS)百分 含量明显高于未投加Ca“进行驯化的反应器A中 所形成的生物膜团聚体，其中25mg／LCa2+投加量 条件下培养的生物膜团聚体的活性微生物百分含量 达到了86．90％，脱氢酶活性达到了183TF·mg／ (L·h)，远远高于未投加Ca“培养的生物膜团聚体 的脱氢酶活性。脱氢酶能使有机底物的氢原子活化 并传递给特定的受氢体，因而脱氢酶的活性反映了 活性微生物量及其对有机物的代谢能力。生物膜团 聚体形成后活性微生物的含量提高，有利于对废水 中COD、BOD。和氨氮等污染物的去除。团聚体中 微生物颗粒的密度也有所增加。同时25mg／L投加 量条件下培养的微生物团聚体的平均抗压强度达到 了22N／cm2，远远高于低浓度Ca“投加量条件下培 养的团聚体。 表1不同Ca2+投加量的生物膜团聚体的特性 Table1 Characteristicsofbiomembraneaggregate withdifferentCa2+concentrations 这是因为Ca2+可在生物膜团聚体表面形成 Ca2+一阴离子键并刺激产生胞外多糖⋯’，通过架桥 作用㈣·211促进微生物絮集形成团聚体，同时Ca2+的 加入可作为诱导核加速微生物凝聚⋯1，改善微生物 的生长环境并加速填料中生物膜团聚体的富集，因 此，在Ca“含量充足的条件下容易培养稳定性能 好、抗压性能强的生物膜团聚体。另外，由于Ca2+ 的添加能够加强微生物细胞的新陈代谢以及加速细 菌种内与种间的质子交换，所以ca“不但能促进生 物膜团聚体的生成，同时也有利于微生物的富集与 优势性生长，从而形成了比较密度大、微生物活性 高、韧性较好的生物膜团聚体结构。 2．3不同容积负荷下的处理效果 为了探究各个反应器内经不同ca”驯化培养 的生物膜团聚体处理废水性能的优劣，在整个实验 周期的第36d开始改变进水策略，定期增加进水氨 氮容积负荷，来比较各反应器内生物膜团聚体的抗 容积冲击负荷能力。以驯化期进水500mL为基准， 第36d每个反应器的进水量增加为600mL，之后每 5d增加100mL，直到进水量达到1000mL，之后再 降低进水负荷，比较各个反应器处理效果的变化 趋势。 图3各反应器内Nn；一N容积负荷 变化与去除效率变化曲线 Fig．3ChangeofNH4"一Nvolumeload andremovalefficiencyineachreactor 亨 J 马 耀 g 嚣 稚 军 受 如图3所示，每次改变进水负荷的时候，氨氮去 除率首先都会下降，这说明基质浓度的冲击性变化 对反应器内生物膜团聚体中的功能微生物的活性产 生了一定的抑制作用，经过一段时间的适应调整后， 各反应器去除率都有所改善，逐渐提高。从图中可 以看出，反应器c、D和E中氨氮去除率变化曲线比 较平缓，每次改变进水负荷时，氨氮去除率的波动变 化相对较小，并且去除率都保持在一个较高的水平， 表明反应器内生物膜团聚体的抗冲击负荷能力较 强。这是因为较高ca“浓度驯化培养的生物膜团 聚体结构稳定，与填料之间的附着力较强，彼此附和 的比较稳固，具有较大的抗水力冲击的能力。同时， 团聚体中含有较多的活性微生物，能够及时根据外 界环境的变化程度，做出相适应的条件反应，功能微 生物的活性在受到外界环境刺激的情况下恢复的比 万方数据 第9期 彭瑜等：Ca2+在净水生物膜团聚体培养中的影响研究 1619 较快。而反应器A中由于没有ca2+参与驯化培养 微生物团聚体，在外界水力负荷变化时受到影响就 比较大，团聚体中功能微生物的活性恢复也比较慢。 3 结 论 (1)通过较高Ca“含量培养构建的微生物团聚 体中具有较多的微生物，ca“投加量为20mg／L和 25111s／L条件下，培育构建的微生物团聚体中活性 微生物百分比分别达到了86．80％和86．90％，表明 了团聚体中的微生物数量较多。 (2)较高Ca“含量培养构建的微生物团聚体具 有较好的有机污染物代谢能力和脱氮能力，并且能 够在较短的时间内使反应器的运行处理效果达到稳 定，反应器c和D在第29d对于污水中的COD、 BOD，、NH；一N和TN去除率就分别达到了90％、 90．5％、86％和72％左右，并且在之后连续几天的 处理效果中能保持一个平稳的状态，这就为实现反 应器的快速启动提供了一定的参考价值。同时，反 应器c和D中的生物膜团聚体抗击水力负荷变化 的能力也相对要强。 (3)微量元素Ca2+能够促进微生物菌群的生 长，提高细菌的生长速度以及改善了微生物菌群的 生物活性，并能够改善生物膜反应器中生物膜与填 料之间的附着环境，有利于整个生物膜团聚体结构 的构建完善。 (4)微量金属元素对于细胞的形成与生长有着 十分重要的机理作用，影响整个生物菌群的生长趋 势，可以加大研究各种微量金属元素在生物膜团聚 体构建中的影响，为构造在净水处理方面具有高效 功能的工程微生物团聚体提供一定的贡献。 参考文献 [1]徐峥勇，杨朝晖，曾光明，等．序批式生物膜反应器(SB— BR)处理高氨氮渗滤液的脱氮机理研究．环境科学学 报，2006，26(1)：55—60 [2]李军，彭永臻，顾国维，等．SBBR同步硝化反硝化处理 生活污水的影响因素．环境科学学报，2006，26(5)：728 —733 [3]李军，王宝贞，聂梅生．序批式生物膜法的脱氮特性研 究．中国给水排水，2004，20(6)：1—4 [43ZhangZhi—yong，ZhouJi—ti，WangJing，eta1．Integrationof nitrificationanddenitrifyingdephosphatationinairliftloop sequencingbatchbiofilmreactor．ProcessBiochemistry， 2006，41(3)：599～608 [5]GiesekeaA．，ArnzbP．，AmannR．，eta1．SimultaneousP andNremovalinasequencingbatchbiofilmreactor：In- sightsfromreactor-andmicroscaleinvestigations．WaterRe。 search，2002，36(2)：501—509 [6]LiuY．，Tayj．H．Theessentialroleofhydrodynamicshear forceintheformationofbiofilmandgranularsludge．Water Research，2002，36(7)：1653—1665 [7]PengD．C．，NicolasB．，DelgenesJ．P．，eta1．Aerobic granularsludge：Acasereport．WaterResearch，1999，33 (3)：890—893 [8]ZhuJ．R．，WildererP．A．Effectofextendedidlecondi． tiononstructureandactivityforgranularactivatedsludge． WaterResearch，2003，37(9)：2013—2018 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