生物掛膜降解模擬污水COD的研究

趙立虹，張左立，周緒申，林 超，康立新，郭麗峰

（1.天津碧波環(huán)境資源開發(fā)有限公司，天津 300170；2.海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300170；3.海河流域水資源保護(hù)局，天津 300170）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，生活污水的排放量急劇增加，水體污染日趨嚴(yán)重，威脅了自然生態(tài)系統(tǒng)平衡、人類健康和社會經(jīng)濟(jì)乃至人類自身的可持續(xù)發(fā)展[1]。目前，污水處理技術(shù)方法較多，其中微生物處理技術(shù)具有成本低、不易產(chǎn)生2 次污染等優(yōu)點(diǎn)，為水處理領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[2]。生物膜處理污水為微生物處理技術(shù)的主要方式，生物膜系統(tǒng)為將微生物細(xì)胞附著在固體載體上，通過微生物的吸收、降解及共代謝處理污水中的污染物，而載體的選擇為該方面的重要研究內(nèi)容。

COD 為衡量水體污染程度的重要化學(xué)指標(biāo)，COD 降解程度為檢驗(yàn)污水凈化程度的重要依據(jù)。為尋求適于本地區(qū)微生物處理污水技術(shù)，采用本地易獲取材料為膜載體，利用天津第二工人文化宮湖水及模擬生活污水進(jìn)行了COD 降解實(shí)驗(yàn)，以期尋求經(jīng)濟(jì)適用、便捷有效污水COD 降解方法，對本區(qū)域生活污水處理積累經(jīng)驗(yàn)和提供相應(yīng)參考。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用棉花、腈綸棉、多孔濾網(wǎng)和碎石作為掛膜載體，各載體性能參數(shù)見表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

表1 載體性能參數(shù)

采用小型生物反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置為5 L 容器，外部由曝氣器和控制閥門等組成。裝置內(nèi)部填充載體（棉花、腈綸棉），由多孔濾網(wǎng)包裹，裝置底部均放入1 cm 高直徑5～7 mm 碎石，載體填充率40%。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 實(shí)驗(yàn)樣用水

實(shí)驗(yàn)中所取用的污水為天津第二工人文化宮湖水和人工配制模擬生活污水，其中模擬生活污水COD 值為538 mg/L、天津第二工人文化宮湖水COD值為70 mg/L。人工配制模擬生活污水組成成分[3]，見表2。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)為微生物培養(yǎng)、馴化掛膜法，生物膜馴化在1、2#裝置中進(jìn)行，1#容器中載體為腈綸棉、多孔過濾網(wǎng)，2#容器中載體為棉花、多孔過濾網(wǎng)，在24～26 ℃室溫下進(jìn)行培養(yǎng)，容器中模擬生活污水與湖水配比為4∶1，采用間歇曝氣進(jìn)行，隔天進(jìn)行曝氣，實(shí)驗(yàn)過程中分別在第8 天、第14 天、第20 天置換容器中溶液1 L。

表2 模擬生活污水配制

生物膜降解COD 在3、4#裝置中進(jìn)行，分別配制4 L 模擬生活污水溶液加入到兩裝置中，再將1、2#裝置中掛有生物膜的基質(zhì)放入3#裝置中，同時對3、4#裝置進(jìn)行曝氣。

COD 測試方法如下：采用連華科技儀器（紫外智能型多參數(shù)水質(zhì)分析儀5B-3A、5B-1 型COD 快速測試儀）進(jìn)行COD 測試。膜成分鑒定采用蔡司顯微鏡鑒定方法檢測。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 生物膜馴化階段主要組成與COD 變化

間歇曝氣進(jìn)行5d 后，容器中基質(zhì)表面有生物膜附著，經(jīng)顯微鏡觀察產(chǎn)生的生物膜主要構(gòu)成分別為：1#為輪蟲、原生動物、細(xì)菌、藻類；2#為原生動物、細(xì)菌。膜馴化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，載體表面有灰色的生物膜生成，與疏明君等研究結(jié)果相類似[4]，1、2#裝置中均有細(xì)小絮狀體出現(xiàn)，其中多孔載體更加明顯。隨著時間的推移生物膜呈淺黃色且透明，13 d 后生物膜厚度增加，生物膜逐漸成熟。

實(shí)驗(yàn)開始第13 天，經(jīng)顯微鏡觀察，生物膜主要構(gòu)成分別為：1#為光合細(xì)菌、細(xì)菌、纖毛蟲、草履蟲、顫藻；2#為光合細(xì)菌、細(xì)菌、纖毛蟲、草履蟲，生物膜厚度增加。生物馴化實(shí)驗(yàn)COD 降解，如圖2 所示。

圖2 生物馴化實(shí)驗(yàn)COD 降解

兩裝置中COD 變化如圖2 所示。從圖2 可知，實(shí)驗(yàn)1～14 d 兩組實(shí)驗(yàn)COD 降解趨勢明顯且下降較快，腈綸棉基質(zhì)實(shí)驗(yàn)COD 去除率達(dá)到42.9%，棉花基質(zhì)實(shí)驗(yàn)COD 去除率達(dá)到64.7%。而在實(shí)驗(yàn)14～20 d 投加棉花基質(zhì)實(shí)驗(yàn)的COD 值有突增現(xiàn)象，這可能與投加棉花在水中部分降解有關(guān)，使水質(zhì)的COD 值超出原始水質(zhì)COD 值近兩倍； COD 值增大可能與細(xì)菌生長特點(diǎn)有關(guān)系，細(xì)菌在生長衰亡期死亡菌數(shù)量增加，菌體中一些物質(zhì)被釋放出來致使溶液COD 值增大。

3.2 生物膜降解COD 效果

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第2 天，COD 值下降最為明顯，投加基質(zhì)實(shí)驗(yàn)COD 值下降91.3%，對比實(shí)驗(yàn)COD 值下降60.5%。

投加基質(zhì)實(shí)驗(yàn)后期COD 值有所上升，可能由于模擬生活污水中大部分營養(yǎng)物質(zhì)被消耗、生物膜成分部分死亡所致。第13 天兩組實(shí)驗(yàn)COD 去除率分別為：投加基質(zhì)實(shí)驗(yàn)COD 去除率為90.4%，對比試驗(yàn)COD 去除率為49.3%。

投加生物膜較對比實(shí)驗(yàn)COD 降解效果高約41.1%，生物膜處理效果明顯。生物膜治污實(shí)驗(yàn)COD降解曲線，如圖3 所示。

圖3 生物膜治污實(shí)驗(yàn)COD 降解曲線

4 結(jié)論

本次微生物掛膜實(shí)驗(yàn)效果明顯，兩種不同載體膜成分略有不同，馴化前期COD 變化差別不大，COD 值下降明顯，后期棉花載體易分解而使COD值上升。利用馴化的生物膜進(jìn)行模擬生活污水處理，第2 天COD 值下降最為明顯，投加基質(zhì)實(shí)驗(yàn)COD值下降91.3%，效果高約41.1%，生物膜處理效果明顯。

活性良好載體是掛膜成功的重要因素，基質(zhì)的比表面積大，可提供較大的生物棲息空間，適合微生物生長、繁殖[5]。從利用角度來看，棉花載體具有較大的比表面、較大生物棲息空間，較腈綸棉適合微生物生長、繁殖，但棉花基質(zhì)有降解可能從而影響實(shí)驗(yàn)COD 值變化，腈綸棉作為載體雖在掛膜中不如棉花，但不易降解，在實(shí)際應(yīng)用中適用于生物膜載體。利用微生物快速掛膜技術(shù)凈化水質(zhì)是一個實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)的處理方法，本次實(shí)驗(yàn)達(dá)到較好效果，可為篩選生物膜載體作技術(shù)鋪墊，為探索有效、可行、簡易的凈化水質(zhì)的方法提供參考。

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[3]馮華軍，沈東升. 分散式生活污水處理工藝開發(fā)及機(jī)理研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2008.

[4]疏明君，李友明，謝澄，等. 三相生物流化床處理中段廢水時掛膜實(shí)驗(yàn)的研究[J]. 黑龍江造紙，2002（1）：1-4.

[5]滕濟(jì)林，李星偉，殷杰，等. 廢水處理新型填料的掛膜試驗(yàn)研究[J]. 電力建設(shè)，2002，23（2）： 54-57.