沸石滤料曝气生物滤池处理水产养殖废水的工艺特性.docx

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沸石滤料曝气生物滤池处理水产养殖废水的工艺特性

第31卷第3期2010年3月

环境科学ENVIRONMENTALSCIENCE

Vo.l31,No.3

Mar.,2010

沸石滤料曝气生物滤池处理水产养殖废水的工艺特性

蒋轶锋1

刘大华2

孙同喜1

陈建孟

1

（11浙江工业大学生物与环境工程学院,杭州310032;21浙江菲达脱硫工程有限公司,杭州310051

摘要:

采用上流式沸石滤料曝气生物滤池（ZBAF对水产养殖废水进行处理.结果表明,沸石的高效吸附作用可使系统获得快速启动,异养菌和硝化菌生物膜的成熟分别只需7d和25d;系统在水力负荷0125m/h及气水比20B1工艺条件下运行效能最佳,COD和NH+42N去除率分别稳定在85%和70%左右.通过对ZBAF滤柱沿程水质、微生物等指标分析,异养菌和硝化菌主要聚居区分别在滤料层下端和上端,DO值的低谷位置可作为其聚居区分界线;生物量（磷脂2P和生物活性（好氧速率沿高程的分布大体一致,其最大值均出现在滤柱底部,分别为114112nmol/g和0167mg/（g#h.关键词:

曝气生物滤池;水产养殖废水;沸石滤料;工艺特性;启动

中图分类号:

X70311文献标识码:

A文章编号:

025023301（20100320703206

收稿日期:

2009205213;修订日期:

2009209228

基金项目:

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX074212

002,2008ZX071012006207,2008ZX071062222;国家科技支撑计划专题项目（2007BZE58B07;浙江省重大科技专项（2007C13081;杭州市重大科技攻关项目（20062912A06;浙江工业大学重中之重学科开放基金项目（20080210

作者简介:

蒋轶锋（1978~,男,博士,副教授,主要研究方向为高效

生物脱氮除磷技术,E2mai:

ljy@fzjut.edu.cn

ProcessCharacteristicsofZeoliteMediaBiologicalAeratedFilterforTreating

AquacultureWastewater

JIANGYi2feng1

LIUDa2hua2

SUNTong2xi1

CHENJian2meng

1

（11CollegeofBiologicalandEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China;21Zhejiang

FeidaDesulfurizationEngineeringCo.Ltd.,Hangzhou310051,China

Abstract:

Inthisstudy,anup2flowzeolitemediabiologicalaeratedfilter（ZBAFwasdevelopedandemployedforthetreatmentofaquaculturewastewater.TheresultsshowedthatZBAFcouldstartupquicklyafter7dand25dinviewpointofmineralizationandnitrification.0125m/hand20B1werefoundtobetheoptimalhydraulicloadingandgas/waterratio,underwhicharound85%ofCOD

and70%ofNH+

42NwereremovedstablyintheZBAF.Throughanalysisofwaterqualityandmicroorganismalongtheflowdirection,theheterotrophicandnitrifyingpopulationoccupiedrespectivelyinthebottomandtopofthefiltercolumn,andlowerDOconcentrationwasregardedastheboundaryzoneforthesetwodifferentgroupsofchemotrophicbacteria.Thechangingprofilesofbiomass（phospholipid2Pandactivity（oxygenuptakerateshowedthesimilarmodealongtheheightofZBAF,andtheirmaximumvaluesof114112nmol/gand0167mg/（g#hweredetectedatthebottomofthefilter.Keywords:

biologicalaeratedfilter;aquaculturewastewater;zeolitemedia;processcharacteristics;start2up

中国是世界渔业大国,随着集约化水产养殖模式的迅猛发展,水质恶化与废水排放直接制约了产业的可持续发展,加剧了水体的富营养化.世界各国对水产养殖废水处理技术进行了大量的研究,但现有生化法和化学法等多未能实现资源的合理利用

[1,2].针对当前大量水产养殖废水高COD、高

NH+

42N的特点,本研究将采用沸石滤料曝气生物滤池（ZBAF对污染物进行处理.沸石具有孔隙率高、

比表面积大的特点,对NH+

42N有很强的选择性离子吸附和交换能力

[3~6]

作为BAF的理想载体可有效

减小含氮废水的冲击负荷,有利于硝化菌等微生物生存,并且沸石价格仅是常用陶粒滤料的1/4~1/6,应用前景广阔

[6~9]

.

本试验通过对ZBAF的挂膜启动、稳定运行,以及微生物群落、数量和活性等特性的研究,探讨

COD和NH+

42N的去除规律和机制,以期为优化ZBAF运行工况提供有益参考.

1材料与方法111试验装置

如图1,ZBAF由有机玻璃制成,高径分别为

1500和50mm;采用上流式配水,底部缓冲区成倒三角状,内设曝气管兼作反冲洗布气管;采用天然斜发沸石为滤料,工作层高1350mm,底部承托板50mm以上填充有粒径10~15mm的沸石,其余均3~8mm;水样和生物取样口（直径20mm,利于取滤料样品沿高程分布,间距约300mm,由下而上依次编号为0号（进口和1号、2号、3号、4号（出口,

环境科学31卷

以跟踪监测水质和滤料上微生物指标变化

.1.电控柜2.配水箱3.进水计量泵4.反冲水箱5.反冲水计量泵6.空压机7.转子流量计

8.反应器（ZBAF图1试验装置流程Fig.1FlowdiagramoftheZBAF

112废水水质

试验用水取自杭州市余杭区某水产养殖场,初步沉淀后储存于配水箱,然后由计量泵注入反应器底部,主要水质指标如表1所示.113ZBAF运行

在保持曝气量充足（DO\4mg/L条件下,以水力负荷0110m3

/（m2

#h启动挂膜;挂膜后,进行水力负荷、气水比等工艺考察;在最佳参数下稳定运行35d,考察水质及生物指标的沿程变化,揭示ZBAF的除污规律.运行参数如表2所示.

ZBAF对进水中SS的截留及生物膜的生长会导致滤料层堵塞和出水水质下降,采用气2水+气2水三阶段反冲方式:

单独气冲10min,进气强度为8L/（m2

#s;气水联合反冲5min,其中进气和

进水强度分别为5和3L/（m2

#s;单独水漂洗10min,进水强度为3L/（m2

#s.

114分析方法

11411水质指标测定

COD、NH+

42N、TN和TP等水质指标根据国家标准方法进行分析

[10],pH和DO分别采用WTWpH2

330i和OXi2330i型便携式分析仪检测.

表1进水水质

Table1Influentwaterquality

项目COD/mg#L-1

NH+42N/mg#L-1

TN/mg#L-1

TP/mg#L-1

SS/mg#L-1

pH范围280~3603112~4317

3513~5514

213~41726~78610~816平均值

325

4012

5110

311

54

716

表2运行参数

Table2OperationalparametersfortheZBAF

运行参数挂膜考察水力负荷考察气水比考察稳定运行水力负荷/m#h-1

01100110,0125,0140,0160

最佳水力负荷最佳水力负荷气水比30B130B15B1,10B1,20B1,30B1,40B1

最佳气水比

运行时间/d

42

28

28

35

11412微生物指标测定

于反应器停运放干后用小铲从生物取样口处取出适量滤料（至少可布满反应器的一个横截面进行生物量和生物活性测定,分别以磷脂中的磷含量（磷脂2P和好氧速率（OUR表示.磷脂2P（以P计,nmol/g通过比色法来测定

[11]

在100mL具塞三角

瓶中进行;OUR[mg/（g#h]表示单位滤料上微生物消耗氧气的速率（以O2计,于已灭菌的BOD瓶中,按照参考文献[12]进行分析计算.2结果与讨论211ZBAF启动

采用接种挂膜法进行ZBAF启动.种泥取自杭州四堡污水处理厂好氧池,VSS/SS在018左右且活性良好;向反应器内接种2L该污泥混合液,闷曝3d并每天更换一定量的新鲜水产养殖废水;3d后改用连续流并对监测进出水水质.

启动期间COD的去除如图2所示.尽管启动初期系统中滤料表面并未形成稳定的生物膜,大量离散菌被不断淘洗出ZBAF,但依靠沸石的吸附作用

以及微生物的降解作用,ZBAF获得了快速启动[13]

.COD去除率随挂膜的进行而快速提高,7d时COD的去除率达到了80%以上,之后一直稳定在80%~95%之间,且出水清澈透明,这表明沸石表面的异养

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3期蒋轶锋等:

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图2ZBAF启动期间COD去除情况

Fig.2CODremovalduringtheperiodofZBAFstart2up

菌微生物膜趋于成熟.1号取样口处的电镜照片（图3也显示7d时滤料表面已有大量微生物生长.

启动期间NH+

42N去除情况如图4所示.在前15d,NH+

42N的去除率都高达90%以上,而第17d骤降至51%,然后随运行缓慢上升,至25d后,稳定在65%~75%之间.这表明沸石对NH+

42N的吸附作用和生物的硝化作用呈现此消彼长的现象.在前15d,自养型硝化微生物膜由于自身增值速率较慢并未成熟,NH+

42N的去除主要依靠沸石的吸附、离子交换

以及异养菌的同化作用;至17d左右时,沸石对

NH+42N的吸附容量快速下降至吸附饱和状态,而大

图3挂膜前后滤料表面电镜照片

Fig.3

ComparisonofSEMimagesbeforeandaftertheformationofthebiofilm

图4启动期间NH+42N去除情况

Fig.4

AmmoniaremovalduringtheperiodofZBAFstart2up

部分NH+

42N在硝化菌作用下被氧化为NOx-

2N（NO-22N+NO-

32N,如图4所示,在17~25d内,NOx-2N含量由610mg/L迅速积累至2010mg/L,之后一直稳定在2010mg/L左右,表明系统硝化功能启动完成.由此认为,自养硝化菌微生物膜25d左右成熟,比异养菌微生物膜所需时间长.但沸石滤料对NH+

4

2N的吸附

[3~5,13]

避免了系统在启动期间由

于硝化功能低下而引起出水NH+

42N浓度较高的问题,改善了传统陶粒滤料BAF的抗冲击负荷的

能力.

212ZBAF运行21211水力负荷的影响

挂膜完成后,ZBAF运行稳定,试验在保持气量充足的情况下（DO\4mg/L,考察了4种水力负荷

下的COD和NH+

42N的去除效果,如图5.水力负荷由0110m/h提高到0125m/h时,COD和NH+

42N的去除率分别下降了414%和510%;当水力负荷升高到0140m/h和0160m/h时,COD去除率下降不明显,而NH+

42N的去除率和NOx-2N积累量迅速下降.

随着水力负荷提高,微生物与底物的接触反应时间减少,不利于污染物的去除;同时,较高滤速也增大了滤层间的过流速度和水力剪切力,使生物膜更易被洗脱

[14],因而去除率呈不断下降的趋势;但

显然,ZBAF中异养菌和自养菌的共存及其不同的生理生化特性导致系统表现为不同的COD和NH+

42N抗冲击负荷能力,硝化菌较小的增长速率和生物量上的劣势使得其更易受到水力负荷、底物浓

度等环境条件的影响,进水的有机负荷增加使得滤

料中下段的异养微生物群落所占的空间增加,压缩了硝化微生物群落所占的空间及其对DO、NH+

42N

705

环境科学

31卷

的亲和力,从而不利于NH+

42N的硝化去除

[15,16]

.由

图5可知,当水力负荷升高到0140m/h以上时,NH+

42N的去除率和NO-

x2N积累量迅速下降,因此,为保证系统对COD和NH+

42N的同时高效去除,提高反应器使用效率,0125m/h应为最适水力负荷

.

图5不同水力负荷条件下COD和NH+42N

的去除率Fig.5

RemovalsofCODandammoniaunderdifferenthydraulicloads

21212气水比的影响

保持系统0125m/h的水力负荷,调节气量考察气水比（5B1~40B1对运行效能的影响.如图6所示,气水比的增加有利于系统对污染物的降解,在大于10B1气水比时,COD和NH+

42N的平均去除率分别达到了90%和70%左右.根据双膜理论,氧气传递速率的大小由气液两相停滞膜的阻力决定,气水比越大,膜间传质越小,生物膜内溶解氧浓度越高,相应的提高了微生物的活性和生物的降解速率

[17~19]

.

另外,滤料中硝化菌在气液扰动增强时更易获得反应底物,硝化功能持续改善;而较少的NO-x2N积累表明系统在20B1的气水比条件下,滤料中存在明显的同步反硝化作用

[20,21]

.更高气水比（40B1无助于

污染物进一步去除,COD的去除率反而略微下降,表明部分生物膜可能由于受到强烈冲刷而被淘洗出系统.因此认为气水比20B1对于本系统而言是适宜的,进水中较高的有机物和悬浮物含量是引起本研究气水比偏高的主要原因.213ZBAF除污规律

图7为各个取水口COD、NH+4

2N、DO和NO-x

2N浓度变化.在0~1号段滤料内,近60%的COD被去除、而NH+

42N去除率仅16%;在3~4号段内,COD的去除率为415%,而NH+

4

2N去除率高达36%（占总去除率的50%;在2号取样口处DO值出现低谷;NO-x

2N积累量随反应器高度的增加而增加,

并且增

图6不同气水比条件下COD和NH+42N的去除率Fig.6RemovalratesofCODandammonianitrogenunder

differentconditionsofgas2waterrati

o

图7COD、NH+42

N、DO和NO-x2N浓度沿程变化Fig.7

ChangesofCOD,NH+42N,DOandNO-x2NconcentrationsalongZBAFcolumn

长速度越来越快,在3~4号段内NO-

x2N积累量激增50%以上.

BAF的固有特性及微生物的分布状况使ZBAF

在处理水产养殖废水时表现特定的污染物去除规律.滤料的0~1号段内,异养菌在充足的有机底物条件下快速生长,COD被快速去除,引起DO大量消耗,使得硝化菌处于生态竞争上的劣势,故NO-

x2N积累量很小,NH+

42N的去除主要通过异氧菌的同化作用;随着有机底物的去除及DO增加,在3~4号

段内,硝化菌得以快速增殖,大部分NH+

42N被硝化去除,NO-

x2N积累量猛增50%以上.而在1~3号段为异养菌和硝化菌竞争共存区域,由于同时存在COD和NH+42N生物氧化作用,导致在2号取样口处DO出现低谷,此处可以作为异养菌和硝化菌聚居

区的分界线[22]

.

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3期蒋轶锋等:

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污染物的去除规律也符合ZBAF中的生物量和生物活性分布特点,由图8可见,最大生物量、生物活性和单位生物量的生物活性都出现在1号取样口处,最大值分别为114112nmol/g、0167mg/（g#h和5186@10-3

mg/（nmol#h.单位生物量的生物活性在出水口附近（4号取样口有明显的升高趋势

.

图8生物量和生物活性的沿程变化

Fig.8

Changesofbiomassandbiologicalactivityalongmedia

进水端的滤料截留了大量的悬浮固体,使营养基质扩散受到限制,而1号取样口附近,微生物膜受悬浮物和惰性物质的影响较小,传质效果较好,并且此处异养型微生物增殖迅速,活性达到最大.之后,生物量和活性沿水流方向渐次减小,这与COD的含量降低相关.在反应器上半段,虽然硝化菌迅速繁

殖、数量增多（NH+

42N下降,但由于硝化菌的比增长率较低

[22,23]

导致总体数量和活性不高

[24,25]

.

生物活性与生物量的比值进一步反映了滤柱中生物膜基质去除能力的沿程变化

[26]

由图8可知,

在0~3号段,单位生物量的生物活性的沿程规律与生物量、生物活性的变化规律相似,但是在3~4号段,单位生物量的生物活性有明显的升高趋势.这表明顶端生物膜相对较薄,其内部和表面的差距小,底物和溶解氧的传质距离缩短,传质阻力缩小[11,17,18].虽然3~4号段内生物量比较低,但是单位生物量的新陈代谢活性较高,故具有较高的底物去除能力,这也是NH+

42N能在此段大量去除的一个重要原因.3结论

（1尽管水产养殖废水具有高有机负荷、高NH+

42N的特点,但沸石的强吸附作用使得ZBAF仍能快速启动;异养菌微生物膜比硝化菌的成熟快,分别需要7d和25d时间;系统运行的最适水力负荷为0125m/h,最佳气水比为20B1,该工况下COD和

NH+

42N去除率分别稳定在为80%~95%和65%~75%.

（2在反应器的下端主要是异养菌聚居区,上

端主要是硝化菌聚居区;2号取样口附近,异养菌与硝化菌竞争最为激烈,DO消耗最大,出现低谷,此处可以作为异养菌和硝化菌聚居区的分界线.

（3生物量和生物活性沿滤料高度的分布大体一致,最大生物量、生物活性和单位生物量的生物活性都出现在1号取样口处附近（距底部300mm左右,最大值分别为

114112nmol/g、0167

mg/（g#h和5186@10-3

mg/（nmol#h;在滤料顶端附近,硝化微生物膜相对比较薄,底物和溶解氧传质阻力缩短,故单位生物量的生物活性在此处出现

明显的升高趋势.

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