不同载体强化生物膜法处理西北农村微污染水源水

张莉红 杨超 张鹏 朱雪燕 邢晓红

摘要 模拟西北农村微污染水源作为处理对象，对比不同载体的挂膜效果，研究优选载体生物膜法降解高锰酸盐指数（COD Mn）及氨氮的影响因素。结果表明，聚氨酯轻质悬浮载体明显优于其他4种载体，启动挂膜快，处理效果好，聚氨酯轻质悬浮载体在DO=1～3 mg/L、pH=8～9、填充率为20%，采用间歇式的运行方式，COD Mn的去除率可达88%，出水COD Mn在2 mg/L左右，氨氮的去除率约84%，出水氨氮浓度达01 mg/L，均满足饮用水源水的Ⅱ类水质标准。

关键词 微污染水源;COD Mn;氨氮;生物膜法;聚氨酯轻质悬浮载体

中图分类号 X52文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）05-0083-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.05.023

开放科學（资源服务）标识码（OSID）：

Treatment of Micro-polluted Rural Water Source in Northwest by Different Carrier Enhanced Biofilm Method

ZHANG Li-hong1，2，3， YANG Chao1， ZHANG Peng2，3 et al

（1.School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070;2.Gansu Membrane Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.， Lanzhou，Gansu 730020;3.Key Laboratory for Resources Utilization Technology of Unconventional Water of Gansu Province，Lanzhou，Gansu 730020）

Abstract The micro-polluted water in northwest rural area were simulated， the film hanging effects of different carriers were compared.The factors affecting the degradation of COD Mn and ammonia nitrogen by biofilm were studied. The results showed that the lightweight suspension carrier of polyurethane was obviously superior to the other four carriers. Polyurethane light suspended carrier in DO = 1-3 mg/L， pH=8-9， filling rate was 20%， the intermittent operation mode， the removal rate of COD Mn could reach 88%， COD Mn about 2 mg/L in effluent， the ammonia nitrogen removal rate was about 84%， up to 0.1 mg/L， met the drinking water source water Ⅱ water quality standards.

Key words Micro-polluted water;COD Mn;Ammonia nitrogen;Biofilm process;Lightweight suspension carrier of polyurethane

微污染水源主要是指饮用水水源受有机物污染，其主要以高锰酸盐指数（COD Mn）和氨氮的污染为主。西北农村地区受自然环境条件的影响，水源水资源本身就很匮乏[1]，其水质最明显的特征是矿化度较高、水质污染现象比较严重[2]。传统饮用水处理工艺对COD Mn和氨氮的去除率低，采用氯消毒时易形成“三致物”（致癌物、致突变物、致畸物）[3-4]。而生物膜法因其污染物去除效率较高、减少“三致物”前体物的含量、增加饮用水的生物稳定性等优点得到了广泛应用和研究[5]。

悬浮载体是微生物主要的生存场所，它在生物膜法水处理中起着核心作用[6-7]。生物载体的外形和性质直接影响着生物膜法工艺的处理效率。朱洁等[8]采用固定式填料和悬浮式填料的生物预处理工艺净化长江三角洲的污染水源，结果表明悬浮填料对NH 3-N和COD Mn的平均去除率分别为80%、18%。魏东洋等[9]采用新型载体——纳米凹凸棒土复合亲水性聚氨酯泡沫强化生物转盘处理微污染河水，COD Mn、NH 3-N的平均去除率分别达84.37%、86.22%。鉴于此，选用易于挂膜启动、不易堵塞、比表面积大、生物附着性好的5种不同载体强化生物膜法降解西北农村微污染水源水中COD Mn和氨氮，考察不同载体挂膜效果及因素对处理效果的影响，为处理西北农村微污染水源水强化生物膜法载体填料的选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验用水。

试验用水采用模拟废水。氨氮和COD Mn分别控制在0.5～1.0和8.0～11.0 mg/L。

1.1.2

试验试剂。淀粉、草酸钠、聚合氯化铝、碘化钾。

1.1.3

主要仪器。紫外-可见分光光度计（752N）、电子分析天平（CP114）、六联同步搅拌机（JJ-4A）、臭氧发生器（ZYJS-100）、六孔恒温水浴锅（DK-98-Ⅱ）。

1.1.4 试验中所选悬浮生物填料的作用及特性。

轻质悬浮载体与传统硬质粒状载体相比，在孔隙率、比表面积、纳污能力等方面具有较大的优势（表1）。

1.2 试验方法

反应器有效容积为4 L，采用静态自然挂膜法。试验接种污泥取自某污水厂二沉池，活性污泥混合悬浮液浓度为4 000 mg/L。同时开启5组平行反应器，加入3 920 mL微污染水和表1中5种不同的轻质悬浮载体填料，填料体积为800 cm3，填充率为20%，闷曝7 d后采用间歇运行方式运行，每12 h为一个周期，每周期换水比均为50%[10]，DO浓度控制在1～3 mg/L。

1.3 分析方法

COD Mn采用GB 11892—89酸性高锰酸钾滴定法;氨氮采用纳氏试剂分光光度法。

2 结果与分析

2.1 不同載体生物反应器的启动挂膜比较

2.1.1 不同类载体挂膜效果比较。

从图1可以看出，随反应器启动时间的延长，5种载体均呈现出较好的去除效果。反应器挂膜7 d后出现COD Mn的去除，在25 d左右出现光滑模体，30 d各反应器对氨氮的降解都出现减缓趋势，在50 d左右时对COD Mn、氨氮的去除基本趋向于平稳。第40天对载体进行镜检，可观察到生物相丰富的原生生物。

聚氨酯载体（A）、纤维球载体（W）和玫瑰型载体（G）对氨氮的去除效果良好，氨氮的去除效果可达46%左右。聚氨酯载体对COD Mn的降解效果明显优于其他4种载体，35 d时COD Mn的去除率达到75%左右。

2.1.2 不同载体的甄选。

从图2可以看出，12 h前随时间的延长，COD Mn、氨氮的去除率逐渐增大，在12 h时达到最大，之后基本趋于平稳状态。玫瑰型载体（G）、纤维球载体（W）、聚氨酯载体（A）对COD Mn和氨氮均有良好的处理效果，COD Mn去除率可达55%～60%，因此，选择这3种进行优选载体的筛选试验。

从图3可以看出，在进水COD Mn浓度持续增大条件下，对COD Mn的去除也呈现增加趋势。以COD Mn 浓度划分，当COD Mn ≤8 mg/L时，添加聚氨酯载体的反应器出水COD Mn浓度低，COD Mn去除效果最佳，可达65%;当COD Mn > 8 mg/L时，整体观察发现添加玫瑰型载体的反应器出水COD Mn浓度低，COD Mn去除效果最佳;当COD Mn增大超过12.5 mg/L左右时，添加纤维球载体的反应器对COD Mn去除率骤增，可达85%。

与COD Mn去除不同，随原水中氨氮浓度的升高，3种反应器对于氨氮的去除并未出现明显提高，聚氨酯载体和纤维球载体的生物膜量充足，处理效果也优于玫瑰型载体，针对微污染水的水质特点，筛选聚氨酯载体为最优载体。

采用聚氨酯载体强化生物膜法对COD Mn和氨氮的降解如图4所示。对于COD Mn的去除率基本达到78%，且处理效果稳定在75%～80%;对于氨氮的去除，其去除率表现出随周期的稳定性，属于优质的载体选择。

2.2 优选载体生物膜法对COD Mn及氨氮的降解

2.2.1 反应时间的影响。

从图5可以看出，随着反应时间的延长，COD Mn和氨氮的去除率呈先迅速升高后保持平稳的趋势。12 h后聚氨酯载体（A）对COD Mn的去除效果较好，达60%;纤维球载体（W）对氨氮的去除较好，达60%。综合考虑，最佳反应时间应该为12 h。

2.2.2 溶解氧的影响。

从图6可以看出，不同溶解氧（DO）条件下，玫瑰型载体（G）对COD Mn的去除无影响，而纤维球载体（W）和聚氨酯载体（A）对COD Mn的去除均呈现出第3个周期前DO=1～

3 mg/L时效果较好，第3～4个周期DO=4～6 mg/L时效果较好，第4个周期后DO=1～3 mg/L时效果较好。玫瑰型载体和纤维球载体对氨氮的去除第2～4个周期DO=4～6 mg/L时效果较好，第4个周期后DO=1～3 mg/L时效果较好;聚氨酯载体DO=1～3 mg/L时对氨氮的去除效果较好。因此，最佳DO为1～3 mg/L。

2.2.3 pH的影响。

从图7可以看出，整体来看，pH对COD Mn的去除影响并不显著，而对氨氮的去除则呈现出较大的差异。相对而言，pH=8～9时对氨氮的去除效果较好，可能是因为氨氮去除过程中，酸性产物逐渐积累，使反应器中的pH逐渐下降，氨氧化菌的活性受到抑制。综合考虑，最佳pH应该为8～9。

2.2.4 填充率的影响。

载体的填充率直接影响生物膜量，进而影响出水的水质。从图8可以看出，玫瑰型载体（G）的填充率对COD Mn的去除率基本无影响，说明玫瑰型载体挂膜速度不佳、生物膜量较少;纤维球载体（W）和聚氨酯载体（A）在填充率为20%时效果最佳，对COD Mn的去除率分别达85%、80%左右。

从氨氮的降解来看，玫瑰型载体和聚氨酯载体在填充率为20%时效果最好，对氨氮的去除率分别达56%、68%;而纤维球载体在填充率为30%时处理效果较好，氨氮的去除率达60%。考虑到30%填充率会导致反应器中生物膜层厚度太大，贴近填料内部，易导致出现过厚厌氧区，抑制氨氧化菌的作用，影响反应进程，使氨氮的去除效率降低[11]。综合来看，聚氨酯载体最佳反应器填充率为20%。

2.2.5 不同运行方式的影响。

从图9可以看出，采用间歇式的运行方式对于COD Mn和氨氮的降解呈现出波动大的趋势，而采用连续式的运行方式对于COD Mn和氨氮的去除效果稳定，反应5 h后，间歇式运行方式下的降解效果始终较好。综合反应时间来看，采用间歇式的运行方式较为稳妥。

2.3 優化条件下降解效果研究

选择聚氨酯载体作为最佳填料，进行生物膜反应试验，且整合以上优化条件，溶解氧DO控制在1～3 mg/L，pH控制在8～9，填充率为20%，采用间歇式的运行方式。结果如图10所示。

从图10可看出，在反应时间1 h前，COD Mn和氨氮的去除率均直线上升，COD Mn和氨氮的去除率分别达70%、50%左右;3 h后COD Mn的去除率保持稳定，最大去除率达到88%左右，出水COD Mn浓度在2 mg/L左右;从氨氮的降解来看，反应时间1～5 h氨氮的去除率也迅速增长，在5 h之后趋于平稳，最大氨氮去除率约84%，出水氨氮浓度约0.1 mg/L。

3 结论

（1）在反应器闷曝挂膜过程中，5种载体填料均有较好的挂膜效果，各反应器大致在25 d出现光滑膜体，挂膜7 d后出现COD Mn的去除;40 d对载体进行镜检，可观察到载体中附着大量的生物膜，生物膜中的生物相丰富。聚氨酯载体、纤维球载体和玫瑰型载体对氨氮的去除效果良好，最终氨氮的去除效果可达46%左右。聚氨酯载体对COD Mn的降解效果明显优于其他4种载体，35 d时COD Mn的去除率大致可达75%。

（2）控制反应时间、溶解氧、pH、填充率、运行方式5种单因素进行试验，不同条件下对比处理效果，以聚氨酯载体的反应器对COD Mn和氨氮的去除效果最佳，并且反应器的处理体系相对稳定。通过试验得出反应周期最佳选择12 h、溶解氧控制在1～3 mg/L、pH为8～9、填充率取20%、在间歇式运行的条件下，聚氨酯载体反应器对COD Mn的去除率达88%，氨氮的去除率达84%，达到饮用水源水的Ⅱ类水质标准。

参考文献

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