目前,世界各国都面临着水污染严重、水资源短缺的现实问题。中国是全球水资源最为缺少的13个国家之一,水资源短缺已成为制约我国可持续发展的一个重要因素〔1〕。洗浴废水约占城市生活污水的30%,是一种可回收再利用的优质中水水源,将其处理后回用,将会缓解我国目前用水紧张的问题。因此,对洗浴废水的处理回用是一项具有现实意义的工作。 众多学者针对洗浴废水的处理方法进行了大量的研究工作,并取得了一定的研究成果。所涉及的处理方法包括混凝、吸附、高级氧化和生物法〔2-4〕。本研究通过纯种分离获得LAS优势降解菌,并以活性炭纤维为载体挂膜形成强化吸附性生物膜用于洗浴废水的处理,通过动态实验确定了其最佳运行参数。该项研究可为洗浴废水处理工艺的设计提供有益的借鉴。 1 LAS优势降解菌的筛选及菌种鉴定 考虑不同批次活性炭颗粒性能的差异,本研究采用深圳慧聪净化厂生产的实验用CF-Z黏胶基活性炭纤维毡代替活性炭颗粒,其中所含活性炭>130 g/m2,规格为1 m×1 m×5 mm,比表面积为1 500 m2/g。使用前用蒸馏水洗涤3次,然后煮沸1 h,再用蒸馏水洗涤3次,最后在120 ℃下烘焙48 h,备用。 为保证实验的重现性和实验结果的可比性,本实验所用水样为模拟实际洗浴废水水质自行配制,其水质:LAS(阴离子表面活性剂)为5 mg/L,CODCr为300 mg/L,NH3-N为20 mg/L。 1.1.2 主要测试方法 1.2 LAS优势降解菌的筛选及鉴定 1.2.2 LAS优势降解菌的富集 为了同步考察LAS优势降解菌对水样中COD和NH3-N的降解能力,将富集得到的LAS优势降解菌接种于LAS、COD和NH3-N分别为5、300、20 mg/L的水样中。按前述的方法,自接种后每隔24 h测定一次LAS、COD、NH3-N浓度,结果表明,水样中的COD、LAS在反应初期下降趋势明显,随着时间的延长,其下降趋势逐渐变缓;而在反应过程中NH3-N浓度不降反升。同时发现,LAS浓度在4 d后基本达到稳定,因此在后续实验中,取经过4 d培养的菌悬液进行实验。 1.2.3 LAS优势降解菌的鉴定 2 强化吸附性生物膜处理洗浴废水的动态实验研究 2.1 动态实验装置设计
图 1 动态实验装置示意 动态实验装置为自制的40 cm×30 cm×40 cm的玻璃容器,用隔板平均分为3格作为3个独立的反应器,即:反应器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。反应器Ⅰ、Ⅲ用作生物活性炭纤维反应器(BACF),反应器Ⅱ用作活性炭纤维反应器(ACF)。在各反应器中装填活性炭纤维,活性炭纤维的填充量为总容积的40%,有效容积约6 L。反应器Ⅱ直接用作活性炭纤维吸附床,反应器Ⅰ采用活性污泥直接挂膜,反应器Ⅲ采用LAS优势降解菌菌悬液挂膜。实验过程中,利用高位水箱自反应器的一端进水,在进水管路中设置控制阀,调节进水量;另一端靠近底部设置取样口。利用充氧机在生物反应器Ⅰ、Ⅲ的进水端进行曝气。为考察不同工艺对洗浴废水的处理效果,在相同的进水条件下,对3个反应器的处理效果进行对比实验。 2.2 动态实验过程及结果分析 取LAS优势降解菌菌悬液(OD=0.4)2 L加入到反应器Ⅲ内,采用上述相同的方法对反应器Ⅲ进行挂膜。 挂膜在常温(20~25 ℃)条件下进行,经过6 d的反复闷曝、排空后,肉眼可见反应器Ⅰ的曝气口端有淡黄的胶质黏性物质产生;反应器Ⅲ的曝气口则呈现乳白色的膜状物质,且较反应器Ⅰ中形成的生物膜厚度略薄。自洗浴废水流入后,随着时间的延长,反应器Ⅰ、Ⅲ生物膜不断地向外围扩散。 2.2.2 动态反应条件 2.2.3 实验结果分析 3种工艺对洗浴废水中LAS的去除效果见图 2。
图 2 3种工艺对洗浴废水中LAS的去除效果 从图 2可以看出,反应器Ⅰ连续运行14 d后对LAS的去除率才趋于稳定,稳定后的LAS去除率约为79.51%;反应器Ⅲ连续运行10 d后即对LAS的去除率趋于稳定,稳定后的LAS去除率约为87.14%;而反应器Ⅱ在运行初始阶段对LAS表现出良好的吸附性,但随着处理时间的延长,其对LAS的去除率日渐降低,实验观测期间平均LAS去除率仅为66.67%。 分析其原因主要是:反应器Ⅰ采用普通活性污泥挂膜,由于普通活性污泥中菌种复杂多样,可能引发了除LAS降解菌以外的其他菌体大量繁殖,从而影响了其对LAS的降解性能。而反应器Ⅲ采用LAS优势降解菌菌悬液进行挂膜,其对洗浴废水的适应能力较强,所以在较短的时间内就能达到稳定,进入稳定期后在活性炭纤维和生物膜的协同作用下,对LAS的去除率相对较高。反应器Ⅱ由于活性炭纤维的吸附容量有限,虽然在初始阶段表现出良好的吸附性,但随着对有机物吸附量的增大,多数吸附位被占用,影响了吸附的持久性,因此随着时间的增长,吸附能力逐渐下降。 3种工艺对洗浴废水中COD的去除效果见图 3。
图 3 3种工艺对洗浴废水中COD的去除效果 从图 3可以看出,反应器Ⅰ连续运行12 d后对COD的去除率趋于稳定,稳定后的COD去除率约为81.67%;反应器Ⅲ连续运行13 d后对COD的去除率趋于稳定,稳定后的COD去除率约为85.87%;而反应器Ⅱ在运行初始阶段对COD表现出良好的吸附性,但随着处理时间的延长,其对COD的去除率日渐降低,COD去除率最高可达73.67%。 分析其原因主要是:反应器Ⅰ在运行初期由于微生物刚刚附着于活性炭纤维表面,营养匮乏,生长较为缓慢,同时微生物的附着又占据了活性炭纤维的有效吸附位,因此在初始阶段其对COD的去除率相对较低;随着处理时间的延长,活性炭纤维不断使污水中的营养物质聚集在表面上,异养菌大量繁殖,COD去除率显著增加;达到稳定运行后,污泥中的杂质和菌种的代谢产物在挂膜期间占据了活性炭纤维上一定量的吸附位,致使出水COD相对较高。反应器Ⅲ由于菌种相对单一,其适应能力较弱,达到稳定运行的时间相对较长;但达到稳定运行后,活性炭纤维的吸附中心不会被大量占用,因此废水处理阶段反应器Ⅲ的吸附能力与微生物降解作用的协同效果明显,出水效果更佳。反应器Ⅱ单纯依靠活性炭纤维的吸附作用,对洗浴废水中COD的去除在运行初期比较稳定;随着运行时间的延长,其对COD的去除率逐渐下降,连续运行18 d后达到吸附平衡,测试期间平均COD去除率为59.94%。 3种工艺对洗浴废水中NH3-N的去除效果如图 4所示。
图 4 3种工艺对洗浴废水中NH3-N的去除效果 从图 4可以看出,反应器Ⅰ对NH3-N的去除相对较好,达到稳定去除NH3-N用时15 d,稳定后的平均NH3-N去除率为78.63%;反应器Ⅱ对NH3-N的去除率从运行初期就一直比较稳定,但NH3-N去除率仅为42.18%;反应器Ⅲ在启动初期NH3-N去除率较低,仅为12.90%,启动12 d后,NH3-N去除率开始迅速增加,直到第17天后,NH3-N去除率接近稳定,稳定后的平均NH3-N去除率为74.89%。 分析其原因主要是:NH3-N的去除依赖于生物膜中硝化菌的数量和活性,在反应初期,环境中有机物含量高,造成异养菌优势生长,对硝化菌的生长产生抑制作用,因此运行初期氨氮的去除效果较差,消耗的氮素营养仅用于异养菌的同化作用。随着对有机物去除的稳定,异养菌对硝化细菌的抑制减弱,大量的硝化细菌附着在载体上开始生长繁殖,氨氮去除率增大。活性污泥挂膜对NH3-N的处理效果之所以好于菌悬液挂膜,是由于接种用活性污泥中原本含有硝化细菌,挂膜初期被直接截留并附着于载体表面生长繁殖,待生物膜生长稳定后,在生物膜中硝化细菌所占的比例较高,因此其对氨氮的去除效果相对较好。。 3 结论 (1)对LAS优势降解菌菌种的鉴定结果表明, LAS优势降解菌属革兰氏阴性菌(G-),并呈短杆状;为硝酸盐还原阳性菌;呈甲基红阴性,可以将产生的酸性物质转化为中性;呈过氧化氢阳性,能够产生过氧化氢酶;经需氧性实验测定其为好氧菌。 (2)通过动态对比实验研究发现,在反应器Ⅰ、Ⅲ进水流量为1.5 L/h,HRT为4 h,曝气量为1.5 mg/L;反应器Ⅱ进水流量为3 L/h,HRT为 2 h的实验条件下,反应器Ⅲ对洗浴废水中LAS和COD的去除效果均好于反应器Ⅰ、Ⅱ,达到稳定运行后其去除率分别为87.14%和85.87%;对洗浴废水中NH3-N的去除效果,反应器Ⅰ好于反应器Ⅱ、Ⅲ,达到稳定运行后,其去除率为78.63%。 (3)在进水流量为1.5 L/h,HRT为4 h,曝气量为1.5 mg/L的动态实验条件下,采用LAS优势降解菌菌悬液挂膜形成的强化吸附性生物膜处理洗浴废水,LAS、COD和NH3-N去除率可分别达到87.14%、85.87%和74.89%。 |