原水生物膜預處理工藝啟動與運行性能強化研究.pdf

1、隨著我國城鎮(zhèn)化快速推進，現(xiàn)代農業(yè)規(guī)模化集約化不斷提升，水環(huán)境污染問題日益突出，嚴重影響飲用水的安全。鑒于混凝沉淀、過濾消毒等常規(guī)飲水處理工藝在高有機物高氨氮原水處理中性能受限制，生物膜預處理技術逐漸得到廣泛應用。論文以我國東部河網地區(qū)高有機物高氨氮污染原水為處理對象，針對寡營養(yǎng)生境生物膜富集難、工藝啟動周期長和運行性能差等問題，開展污染原水生物膜預處理工藝快速啟動與運行性能強化研究，應用模型解析、高通量測序等手段，揭示預處理工藝的性能強

2、化機制，并在中試尺度上開展了技術應用與性能提升研究，主要結果如下：
　　1、針對寡營養(yǎng)條件下微生物生長速率低、生物膜富集慢等問題，研究營養(yǎng)添加、菌源強化和水力攪拌等方式對生物膜預處理工藝啟動性能的影響。結果表明，營養(yǎng)添加可明顯促進生物膜形成，提高系統(tǒng)的氨氧化速率(AOR)和TOC去除速率(ORR)，且AOR和ORR與初始氨氮、TOC濃度分別呈指數關系(AOR=0.4558e0.0450x，R2=0.9999)和正相關(ORR=0.

3、3255x-1.016，R2=0.9995)，試驗范圍內體系最高AOR和ORR分別達到6.43和28.50mg L-1 d-1。研究發(fā)現(xiàn)低溫條件下AOR和ORR受到不同程度抑制，通過水力攪拌可明顯增強系統(tǒng)運行性能。
　　分析不同強化措施下的生物膜群落結構發(fā)現(xiàn)，通過營養(yǎng)水平強化、接種河道底泥和接種生物膜預處理工藝出水的措施可提高生物膜群落多樣性，Shannon多樣性指數H分別為3.15、3.31和2.87，分別是對照組的1.44、1

4、.51和1.31倍。然而，盡管營養(yǎng)添加和接種底泥可強化生物膜富集，但提高了生物膜對基質的表觀親和力常數Ks值，而接種底泥易導致出水UV254升高和生物膜有機組成下降。相比而言，縮短換水周期能夠提高系統(tǒng)營養(yǎng)通量，有效強化生物膜預處理系統(tǒng)的啟動與運行性能。
　　2、以實際污染原水為處理對象，彈性填料、組合填料、聚氨酯填料為生物膜載體，應用低水平營養(yǎng)添加與出水回流策略啟動生物膜預處理工藝，研究工藝連續(xù)流運行穩(wěn)定性及生物膜富集特征。結果表

5、明，低水平營養(yǎng)添加與出水回流的啟動策略使得負載不同填料的生物膜系統(tǒng)在20d內成功啟動。彈性填料、組合填料、聚氨酯填料反應器的氨氮去除率分別為84.0±7.5％、80.1±11.1％和79.6±10.7％，TOC去除率分別為8.8±5.4％、18.1±8.4％和4.4±5.5％;相比而言，負載彈性填料的生物膜系統(tǒng)具有較高的氨氮去除性能，而組合填料對TOC去除性能最佳。然而，低營養(yǎng)強化啟動仍存在Ks增高、生物膜脫落等問題，但可通過負荷調節(jié)及

6、長期寡營養(yǎng)馴化進行調控。當彈性填料系統(tǒng)ALR大于臨界ALR值6.29 mg L-1 d-1時，AOR受Ks影響不大，長期的馴化可有效降低其Ks值并增加生物量、ATP和EPS值，實現(xiàn)工藝長期穩(wěn)定運行。
　　鑒于硅藻土的高效多孔吸附特性，研發(fā)了硅藻土強化生物膜預處理新工藝(Bio-diatomite biofilm process，BDBP)。新工藝采用低水平營養(yǎng)添加與出水回流完成啟動后，AOR和ORR分別為9.33和5.13 mg

7、L-1 d-1，連續(xù)流運行過程中TOC、氨氮和TN去除速率分別為7.87、14.1和1.93 mg L-1 d-1，明顯高于對照反應器。研究還發(fā)現(xiàn)，硅藻土的投加可降低消毒副產物的生成，系統(tǒng)潛在THMs去除率增加6.3％。生物膜鏡檢與組分分析發(fā)現(xiàn)，填料表面大量硅藻土與生物膜交錯富集，生物量高達3.75 mg DOC g-1載體，是對照組的1.44倍，同時生物膜ATP含量也高達251.6μg g-1 TOC，表明硅藻土的投加有利于微生物富集

8、及其活性增強。
　　3、針對原水生物膜預處理工藝長期運行過程藻類易生長、脫氮性能待提升等問題，開展藻類影響與控制以及工藝性能強化研究。結果表明，預掛膜填料生物膜系統(tǒng)出水NH4+-N平均濃度穩(wěn)定在0.30 mg L-1左右，NO2--N累積現(xiàn)象得到明顯抑制。在原水處理過程中，系統(tǒng)葉綠素含量累計超過200 mg m-3，當藻類破碎時出水NH4+-N是進水0.78-4.33倍且有明顯的亞硝酸鹽積累。采取人工除藻和遮光曝氣等措施，系統(tǒng)藻類

9、生長和富集得到有效控制，出水氨氮濃度均低于0.5mgL-1，且無任何亞硝酸鹽積累。
　　研究曝氣強度及溫度對生物膜預處理工藝運行性能的影響發(fā)現(xiàn)，預處理工藝硝化反應的最佳DO濃度和溫度分別為1.0-2.6 mg L-1和21-22℃。在此工況下，最大NH4+-N去除率從70.0％提高到91.1％，DOC的平均去除率達到25.4±19.9％，UV254從前期幾乎無去除提升到了13.2±11.3％，而潛在THMs生產量減少了9.2-21

10、.8％。
　　4、基于前期小試研究成果，在海寧第二水廠建設了兩組規(guī)模為3.6m3的中試裝置，開展生物膜預處理工藝性能強化研究。結果表明，采用彈性填料-懸浮球填料-彈性填料組合的工藝在不曝氣-曝氣-不曝氣分區(qū)供氣模式下獲得最優(yōu)性能，氨氮、CODMn和濁度的平均去除率分別為89.4±9.9％、32.4±9.2％和76.7±7.9％，明顯高于相同曝氣模式下全懸浮球填料反應器的對應值88.7±9.9％、26.1±11.1％和17.2±12

11、.6％。與此同時系統(tǒng)對TN的去除性能得到強化，減少了超過50％的供氣能耗和曝氣裝置建設成本并可減少47.0％-76.7％的濁度去除所需的混凝劑用量，具有明顯的經濟效益。分析表明底泥營養(yǎng)釋放、進水懸浮物微生物富集作用以及DO分布導致的功能分區(qū)是系統(tǒng)運行性能提高的關鍵。
　　5、應用Illumina MiSeq高通量測序技術分析小試、中試和全規(guī)模原水生物膜預處理系統(tǒng)的生物膜菌群結構與變化規(guī)律，結果表明原水生物膜預處理工藝生物膜的菌群結

12、構受運行時間、載體、基質和DO等多種運行因素的影響，反應器啟動初期生物膜菌群多樣性指數較低，但無論小試、中試還是全規(guī)模預處理系統(tǒng)載體生物膜都含有主要菌群Proteobacteria、Bacteroidetes、Planctomycetes、Firmicutes、Actinobacteria、Verrucomicrob ia、Acidobacteria和Gemmatimonadetes,其中Proteobacteria基本上占優(yōu)勢。有機物