改性聚氨酯填料生物膜系統(tǒng)脫氮特征及微生物學(xué)機(jī)制研究.pdf

1、生物膜法是污水生物脫氮處理技術(shù)之一。填料作為生物膜的載體,對(duì)生物膜的生長、結(jié)構(gòu)和活性均具有顯著影響。適宜的填料可促進(jìn)生物膜的形成和系統(tǒng)的啟動(dòng)過程,提高系統(tǒng)的處理效能,降低運(yùn)行成本。因此,對(duì)于新型填料的開發(fā)一直是污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。聚氨酯(PU)填料具有高孔隙率、高比表面積和低密度等諸多優(yōu)點(diǎn),可顯著提高系統(tǒng)的生物量和處理效能,已在各種有機(jī)廢水處理中得以應(yīng)用。但關(guān)于PU填料生物膜系統(tǒng)的脫氮效能及其生物學(xué)機(jī)制仍然缺乏研究,限制了其在污

2、水生物脫氮處理中的推廣應(yīng)用。本文采用自主研發(fā)的改性PU填料(MPU),構(gòu)建了批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)污水生物膜脫氮系統(tǒng),建立了基于改性PU填料的硝化反硝化動(dòng)力學(xué)模型,解析了填料負(fù)載的生物膜硝化功能菌群的分布特征,為經(jīng)濟(jì)高效生物膜脫氮系統(tǒng)的構(gòu)建提供了材料、技術(shù)和理論支撐。在對(duì)MPU生物膜脫氮效能和生物學(xué)機(jī)制研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)高氨氮和低C/N廢水的處理對(duì)PU進(jìn)行了改性試驗(yàn)制備出負(fù)載電氣石聚氨酯填料(TPU)和負(fù)載淀粉聚氨酯填料(SPU)

3、,并考察了以其構(gòu)建的生物膜系統(tǒng)的氨氧化和脫氮效能。
　　與采用常規(guī)聚乙烯(PE)填料構(gòu)建的SBBR的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究表明,在相同運(yùn)行條件下啟動(dòng)并達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定后,以MPU填料構(gòu)建的SBBR(MPU-SBBR),其氨氮和COD去除率與普通PE填料構(gòu)建的SBBR(PE-SBBR)相當(dāng),分別約為92.0％和85.5%,但MPU-SBBR系統(tǒng)可在15d內(nèi)啟動(dòng)成功并達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行,較PE-SBBR系統(tǒng)提前了21d,大幅縮短了生物膜脫氮系統(tǒng)的啟動(dòng)周期

4、。
　　對(duì)生物膜脫氮系統(tǒng)影響因素的研究表明,MPU-SBBR系統(tǒng)具有良好的脫氮效能。在常溫(20℃)條件下,其生物脫氮的適宜條件為HRT6h、pH7.0~8.5和DO1.5~2.5mg/L,總氮去除率為75.4%左右。在DO維持在較低的0.5~1.0mg/L水平時(shí),MPU-SBBR系統(tǒng)的總氮去除率仍可維持在70.6%上下。pH8.2最利于亞硝酸菌群的富集,系統(tǒng)的氨氮去除率可達(dá)90%以上。在水溫為12℃時(shí)對(duì)硝酸菌群(NOB)受到較亞

5、硝酸菌群(AOB)更大的抑制作用,系統(tǒng)會(huì)發(fā)生了亞硝酸鹽的累積,而溫度升高到15℃以上時(shí),這一抑制作用逐漸得以消除,系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率隨之提高。硝化反硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析表明,MPU生物膜系統(tǒng)在脫氮過程中的硝酸鹽飽和常數(shù)KD大于傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng),保持較高硝酸鹽濃度有利于MPU生物膜系統(tǒng)的穩(wěn)定脫氮。
　　生物膜的功能微生物分析表明,在HRT6h、pH7.0~8.5和DO1.5~2.5mg/L條件下,MPU-SBBR生物膜的微生物多樣性要

6、顯著高于其他工況,優(yōu)勢亞硝酸菌和硝酸菌分別以亞硝化單胞菌(Nitrosomonassp.)和硝化螺旋菌(Nitrospirasp.)為主,而反硝化細(xì)菌則以陶厄氏菌(Thauerasp.)和紅假單胞菌(Pseudomonassp.)占據(jù)優(yōu)勢。進(jìn)水C/N比(C和N分別以COD和總氮計(jì))對(duì)系統(tǒng)短程硝化反硝化影響顯著,C/N比越大,生物膜的生物多樣性越高,最佳的氨氮去除率92.9%和總氮去除率79.0%分別出現(xiàn)在C/N比分別為5.0和1.8時(shí),

7、其硝化功能優(yōu)勢微生物為氨氧化菌(Unculturedammonia-oxidizingbacterium)、Nitrospirasp和硝化桿菌(Nitrobactersp.),反硝化優(yōu)勢菌為Pseudomonassp.,工程中可以通過對(duì)進(jìn)水C/N比的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化和總氮去除的調(diào)控。
　　針對(duì)高氨氮污水的處理,采用電氣石負(fù)載對(duì)PU進(jìn)行了改性而制備一種新型載體材料TPU。研究表明,與改性前的PU相比,TPU填料表面更粗糙,持水

8、倍率更高,可對(duì)微環(huán)境pH進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。電氣石良好的熱電性和壓電性進(jìn)一步提高了填料的吸附性能,使TPU填料更有利于硝化細(xì)菌的富集。TPU填料生物膜中的亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌在數(shù)量上比PU填料生物膜分別提高了62.9%和46.4%,可顯著強(qiáng)化系統(tǒng)的硝化作用。對(duì)于COD和氨氮濃度分別為600~650mg/L和230~250mg/L的污水,與PU生物膜處理系統(tǒng)相比,TPU生物膜處理系統(tǒng)的氨氮去除率提高了12.3%。
　　針對(duì)低C/N比污水,