宜興市位于江蘇省南部，屬于太湖流域，其境內(nèi)多條河流均有不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，尤其是一些較小的支流，由于沿線各類污染源的貢獻(xiàn)，再加上大多流動(dòng)緩慢，因此，自凈能力較差，春夏季易爆發(fā)水華，嚴(yán)重影響居民的生活，急需治理。
人工浮島是一種在載體上種植植物的漂浮結(jié)構(gòu)，最旱是用來(lái)為生物提供棲息的場(chǎng)所。20世紀(jì)70年代，浮島技術(shù)首先在歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。90年代以后，才逐漸受到我國(guó)的重視。相比較一些傳統(tǒng)的治理富營(yíng)養(yǎng)化的方法，人工浮島具有占地面積小，應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以凈化水質(zhì)，而且可以起到美化景觀，消浪護(hù)岸的作用。
傳統(tǒng)的浮島屬于植物型浮島，是在載體上種植各類陸生或水生植物，利用植物吸收去除水體中的氮、磷，植物根系上所附著的微生物也能起到降解污染物的作用。因此，浮島就像漂浮在水中的濕地一樣，可對(duì)水體起到很好的原位修復(fù)作用。研究人員通過(guò)改進(jìn)浮島的結(jié)構(gòu)、植物的篩選等提高其水質(zhì)凈化效果。CALHEIROS等和KLOMJEK等研究了不同植物對(duì)水體的修復(fù)效果，為浮島植物的選擇提供了依據(jù)。但結(jié)果也顯示了植物型浮島的季節(jié)性明顯。WANC等指出植物在生長(zhǎng)過(guò)程中可以大量去除水體中的氮磷，LADISLAS等更指出植物以及根系微生物對(duì)一些重金屬也有相當(dāng)?shù)娜コ饔?，但他們都提出了其去除多依賴植物的收割，增加了管理的困難。
研究人員通過(guò)引入填料，來(lái)克服季節(jié)性明顯和管理困難的缺點(diǎn)。馬潮江等通過(guò)引入纖維束填料，研發(fā)了一種復(fù)合人工生態(tài)浮島載體，利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層支架固定纖維束填料，增加了浮島的凈化效果。湯穎等研發(fā)的人工浮島水體凈化裝置，在浮體下懸掛裝有顆粒型填料的網(wǎng)籠，兼有傳統(tǒng)生態(tài)浮床和吸附填料之長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，性能優(yōu)良的填料可以起到強(qiáng)化浮島凈化能力的作用。
在LU等和CHANC等的研究中都構(gòu)建了新型浮島，他們采用傳統(tǒng)的浮島聯(lián)合曝氣技術(shù)。LU等提出曝氣可以提高水體的氧化還原電位，抑制藻類生長(zhǎng)，CHANC等則指出曝氣可以促進(jìn)水質(zhì)均勻，大幅提高局部溶解氧濃度，改善水質(zhì)。因此，構(gòu)建新型浮島是可行的，但其對(duì)填料的研究過(guò)少?；诖?，我們提出構(gòu)建不依賴植物功能的新型浮島，主要以填料的生物膜凈化和吸附攔截作用為主，輔以植物的吸收作用，強(qiáng)化浮島的凈化效果。所以，本文主要從改進(jìn)填料的角度研究如何提高浮島的凈化效果。
目前，應(yīng)用于新型填料浮島技術(shù)的填料主要分為有機(jī)填料和無(wú)機(jī)填料2類。有機(jī)填料，包括纖維束填料(軟性、半軟性和復(fù)合填料)、顆粒型有機(jī)填料(環(huán)狀填料、柱狀填料、多面空心球均質(zhì)填料、內(nèi)置式填料和多孔旋轉(zhuǎn)球型填料)。無(wú)機(jī)填料有輕質(zhì)顆粒型無(wú)機(jī)填料，如陶粒和沸石等。有機(jī)填料的掛膜性能較好，凈化效果穩(wěn)定。無(wú)機(jī)顆粒主要吸附攔截去除污染物，起效快，但掛膜性能差，比重大，不適合單獨(dú)使用。對(duì)比顆粒型有機(jī)填料，纖維束填料不僅會(huì)發(fā)生堵塞和結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，而且需要懸掛或固定在框架上，安裝不便，影響了浮島的凈化效果和制作運(yùn)行成本。因此，本實(shí)驗(yàn)室研究擬采用顆粒型有機(jī)填料和輕質(zhì)顆粒型無(wú)機(jī)填料進(jìn)行合理的組合。
各種填料在掛膜速度、掛膜量及凈化效果等方面存在差異。國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此做了大量的研究，但主要針對(duì)有機(jī)填料強(qiáng)化污水處理能力，作為浮島基質(zhì)的相關(guān)研究較少。所以，該研究首先針對(duì)3種常用的顆粒型有機(jī)填料，在模擬宜興當(dāng)?shù)睾恿魉|(zhì)的條件下，通過(guò)對(duì)比各填料自身的性質(zhì)、掛膜性能、凈化效果及經(jīng)濟(jì)成本，篩選出一種性能良好，經(jīng)濟(jì)可行，適合應(yīng)用于新型浮島技術(shù)的有機(jī)填料，并以此為基礎(chǔ)，引入無(wú)機(jī)顆粒填料，提出一種可以進(jìn)一步提高凈化效果的組合填料，為新型浮島的進(jìn)一步研發(fā)提供重要支撐。
1實(shí)驗(yàn)部分
1. 1實(shí)驗(yàn)裝置與填料
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。為模擬浮島凈化水質(zhì)的情況，擬采用的反應(yīng)裝置主體為塑料桶，有效容積為45 L。在反應(yīng)器底部合適位置處以三腳架固定曝氣盤(pán)，該實(shí)驗(yàn)所使用的曝氣盤(pán)為直徑8 cm的高溫?zé)Y(jié)曝氣盤(pán)，通過(guò)軟管與氣泵相連，并采用時(shí)間繼電器控制曝氣時(shí)間。反應(yīng)器中部設(shè)置填料區(qū)(不銹鋼網(wǎng)籠，內(nèi)部裝填實(shí)驗(yàn)所用填料)，以塑料繩懸掛于曝氣盤(pán)之上，填料網(wǎng)籠以直徑3 mm的304不銹鋼條焊接而成，尺寸為10 cm X 10 cm X 15 cm，帶有可拆卸不銹鋼網(wǎng)蓋，供調(diào)節(jié)網(wǎng)籠容積，本文調(diào)節(jié)網(wǎng)籠有效容積均為1 L。實(shí)驗(yàn)采用手動(dòng)更換水的方式，每天更換一次，體積為1 L。
實(shí)驗(yàn)所用各種有機(jī)填料如圖2所示。3種有機(jī)填料均為聚乙烯材料注塑制成，其中，空心球直徑為25 mm，比表面積為460 m2˙m-3，堆積個(gè)數(shù)為85 000個(gè)˙m-3 ,鮑爾環(huán)為圓柱狀，底面直徑為25 mm，高度為25 mm，壁厚約為1. 2 mm，比表面積為175 m2˙m-3 ,K3填料為環(huán)狀，底面直徑為25 mm，高度為10一12mm，比表面積為860 m2˙m-3 。
1. 2實(shí)驗(yàn)水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)用水采用模擬宜興當(dāng)?shù)馗粻I(yíng)養(yǎng)化河水配制，以葡萄糖作為碳源，硝酸鈉和碳酸氫錢(qián)作為氮源，磷酸氫二鉀作為磷源。進(jìn)水各水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，其中低負(fù)荷水質(zhì)為根據(jù)宜興當(dāng)?shù)馗粻I(yíng)養(yǎng)化河水實(shí)際所測(cè)水質(zhì)配制，中負(fù)荷和高負(fù)荷水質(zhì)則分別用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)中為了測(cè)試目標(biāo)填料對(duì)沖擊性進(jìn)水負(fù)荷的反應(yīng)。其中，各反應(yīng)器配制低負(fù)荷水質(zhì)下各藥品的用量分別為:葡萄糖2. 5 g，碳酸氫錢(qián)740 mg，硝酸鈉790 mg,磷酸氫二鉀320 mg 。
1. 3實(shí)驗(yàn)方法
組裝并運(yùn)行反應(yīng)器，按低負(fù)荷水質(zhì)配制水樣，在室溫條件下連續(xù)運(yùn)行，控制溶解氧濃度為3一4 mg / L ，對(duì)比3種填料的掛膜性能。并將掛膜完成后的填料(1L)置于5 L新配制水樣中，研究不同填料掛膜后對(duì)各污染物的去除速率，篩選填料。通過(guò)改變污染物負(fù)荷、水溫和溶解氧濃度，研究所篩選出填料的性能，并對(duì)比單種的有機(jī)填料與組合填料凈化效果，研究浮島技術(shù)采用組合填料的可能性。
1. 4分析方法
COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑光度法測(cè)定，總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定，總磷采用鑰銻抗分光光度法測(cè)定，溶解氧采用便攜式溶解氧儀測(cè)定。
填料生物膜量測(cè)定方法:取一定數(shù)量掛膜后的填料置于燒杯中，加入適當(dāng)體積的超純水，超聲10 min ,使填料表面的生物膜脫落。將超聲后的生物膜溶液用濾紙過(guò)濾后，放入烘箱中105℃烘干至恒重，過(guò)濾前后重量差按填料堆積系數(shù)換算即可求得單位體積填料(1 L)的生物膜量。
DGGE高通量測(cè)序方法:取出掛膜后的填料，將填料表面的生物膜刮下，水樣先經(jīng)濾膜過(guò)濾后，采集富集于濾膜上的過(guò)濾物。提取采集到的生物樣品的DNA，利用通用引物擴(kuò)增其16S rRNA基因，然后將等摩爾的純化后的PCR產(chǎn)物混合上機(jī)測(cè)序。
2結(jié)果與討論
2. 1有機(jī)填料的比選
2.1.1有機(jī)填料掛膜性能對(duì)比
掛膜能力是評(píng)價(jià)填料的一個(gè)重要指標(biāo)，不同填料由于性質(zhì)差異，其掛膜速率和掛膜量均有差異，所以實(shí)驗(yàn)首先開(kāi)展了對(duì)于3種填料掛膜性能的研究，運(yùn)行反應(yīng)器，各填料在溶解氧濃度為3 mg / L，水溫為20 -22℃的條件下掛膜，其生物膜量隨時(shí)間的變化如圖3所示。在掛膜過(guò)程中，雖然反應(yīng)器在第2天就出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，懸浮微生物大量繁殖，但第4天微生物才附著于填料表面生長(zhǎng)。各填料自然條件下掛膜均需要約兩周時(shí)間，第14天之后，各填料表面的生物膜量趨于穩(wěn)定，標(biāo)志著有機(jī)填料掛膜成熟，掛膜階段結(jié)束。鮑爾環(huán)填料掛膜較空心球和K3填料遲緩，生物膜量也較少，穩(wěn)定后生物膜量?jī)H為0. 6 g / L 填料，掛膜能力較差。空心球和K3填料的終期掛膜量分別為1. 5 g / L填料和2. 2 g / L填料，所以3種填料以K3填料掛膜性能最優(yōu)。
2. 1. 2污染物去除速率
有機(jī)填料對(duì)污染物的去除能力是檢驗(yàn)填料優(yōu)劣的另一重要指標(biāo)，因此，本部分實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了填料掛膜后去除污染物能力的研究。取5L新配制的水樣倒入量杯，調(diào)節(jié)pH至7左右，將1L掛膜成熟后的填料連同網(wǎng)籠放入量杯內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣時(shí)長(zhǎng)與間隔使溶解氧濃度維持在3 mg / L ，擬合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線如圖4所示。
如表2所示，R2基本都在0. 97以上，該組實(shí)驗(yàn)可以較好地?cái)M合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。K值為反應(yīng)速率常數(shù)，其值越大說(shuō)明各底物的去除速率越大。綜合來(lái)看，在實(shí)驗(yàn)條件下，有機(jī)填料對(duì)COD和氨氮的去除效果較好，但對(duì)TN，尤其是TP的去除效果很不理想。鮑爾環(huán)對(duì)各指標(biāo)的去除均較差，其K值遠(yuǎn)低于另外2種填料。造成這種差異的主要原因是由于鮑爾環(huán)的比表面積小，所掛的生物膜量少。環(huán)狀K3填料和空心球相比，雖然各指標(biāo)的去除效果前者略好，但總體而言均相差不大，尤其是對(duì)COD和氨氮的去除差別更小。
2. 1. 3有機(jī)填料的工藝經(jīng)濟(jì)比選
綜合對(duì)比3種有機(jī)填料，鮑爾環(huán)的去除效果太差，不予考慮?？招那蚺cK3填料的凈化效果較好。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，直徑為25 mm空心球的價(jià)格為每個(gè)0. 02元，計(jì)算可知1 kg約為8元，而K3填料是種專利產(chǎn)品，市售價(jià)格為每千克25元，同樣堆積體積1耐的填料，空心球約為1 700元，K3填料約為2 650元。K3填料的尺寸較小，高度為10 - 12 mm，過(guò)水率較空心球小，并且粒徑越小管理越困難，易于流失，更加大了工藝的成本。本實(shí)驗(yàn)的目的是為浮島篩選填料，并應(yīng)用于工程，所以選擇綜合性價(jià)比高的空心球作為工藝使用的填料。
2. 2空心球填料性能的影響因素研究
掛膜過(guò)程的本質(zhì)是微生物附著在填料表面生長(zhǎng)，微生物會(huì)分泌一些粘性物質(zhì)，形成菌膠團(tuán)，使填料表面形成一層肉眼可見(jiàn)的有活性的生物膜。影響有機(jī)填料掛膜的因索很多，例如填料自身特性、水質(zhì)狀況、水溫和曝氣強(qiáng)度等。在本實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中可以觀察到，實(shí)驗(yàn)初期水質(zhì)澄清;進(jìn)入掛膜階段初期時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，填料表面無(wú)變化;隨著時(shí)間的推移，實(shí)驗(yàn)進(jìn)入掛膜后期，填料表面肉眼可見(jiàn)一層黃褐色的生物膜，該階段反應(yīng)器渾濁度仍較高;水質(zhì)穩(wěn)定后，標(biāo)志著掛膜階段結(jié)束，可見(jiàn)反應(yīng)器水質(zhì)恢復(fù)澄清。
2. 2. 1污染物負(fù)荷對(duì)空心球掛膜及凈化效果的影響
(1)對(duì)掛膜的影響
不同污染物負(fù)荷條件下，空心球生物膜量隨時(shí)間的變化如圖5所示。不同污染物負(fù)荷條件下空心球掛膜的速率不同，較高的污染物負(fù)荷可以提高生物膜的增長(zhǎng)速率。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，污染物負(fù)荷相對(duì)較低的條件下，在第14天，生物膜量才達(dá)到穩(wěn)定值。而污染物負(fù)荷較高的水質(zhì)下達(dá)到最大生物膜量?jī)H需要10 d。
較差的水質(zhì)含有較多的碳源、氮源等微生物生長(zhǎng)繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)元索，可以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。在填料的掛膜階段，水質(zhì)較差的反應(yīng)器內(nèi)，水體的渾濁度也較高，而更多的有機(jī)生長(zhǎng)的微生物可以促進(jìn)微生物向填料表面的富集，加速生物膜的生長(zhǎng)。并且水質(zhì)較差的反應(yīng)器中填料穩(wěn)定后的生物膜量也較大，是因?yàn)楦邼舛任廴疚锟梢源龠M(jìn)向內(nèi)層生物膜的傳質(zhì)，使生物膜生長(zhǎng)的更厚。
(2)對(duì)凈化效果的影響
在其他條件不變的情況下，提高進(jìn)水污染物濃度，研究污染物負(fù)荷對(duì)空心球凈化效果的影響。如圖6所示，進(jìn)水COD負(fù)荷從平均68. 16增加至151.77 mg / (L填料˙d)，去除率從61. 80%增加至72. 73 %，反應(yīng)器的濁度也有一定的增加。雖然污染物負(fù)荷增加了，但COD的去除率有所升高，是因?yàn)镃OD的去除主要靠異養(yǎng)菌，從不同水質(zhì)對(duì)掛膜的影響實(shí)驗(yàn)可知，較多的碳源促進(jìn)了異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)。進(jìn)水氨氮負(fù)荷從2. 82增加至4. 22 mg / ( L填料˙d)，去除率從81. 45%增加至87. 21 %，在一定程度上提高進(jìn)水的氨氮濃度對(duì)硝化作用是有利的，進(jìn)水氨氮負(fù)荷繼續(xù)增加至8. 01 mg / ( L填料˙d)，氨氮的去除率下降至80. 12%，這是由于異養(yǎng)菌與自養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)所致，較大的COD促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，硝化菌由于其相對(duì)較小的最大比增長(zhǎng)速率而在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，使去除率有所下降。隨著污染物負(fù)荷的增加，雖然TN和TP的絕對(duì)去除量有所增加，但填料對(duì)TN和TP的去除率卻隨進(jìn)水濃度的上升呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。這說(shuō)明對(duì)空心球填料的TN和TP有效去除率來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)合適的TN和TP負(fù)荷范圍。
2.2.2水溫對(duì)空心球掛膜的影響
該組實(shí)驗(yàn)在低負(fù)荷水質(zhì)條件下進(jìn)行。該組實(shí)驗(yàn)是對(duì)比夏季和冬季兩組實(shí)驗(yàn)的空心球填料掛膜情況。不同溫度區(qū)間范圍，空心球填料生物膜量隨時(shí)間的變化如表3所示?？梢钥闯觯疁貙?duì)掛膜的影響較大，尤其是掛膜的啟動(dòng)階段。低水溫條件下，反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)所需時(shí)間明顯延長(zhǎng)，在第5天反應(yīng)器水體才明顯可見(jiàn)渾濁現(xiàn)象，比水溫20 -22℃條件下延遲了3d。低溫條件下生物膜的增長(zhǎng)速率也較慢，較高水溫下，掛膜階段生物膜的平均增長(zhǎng)速率為0.149 g ˙ /(L填料˙d)^-1，低水溫下為0.124 g ˙ /(L填料˙d)^-1。掛膜時(shí)間也有所延長(zhǎng)，低溫條件下達(dá)到最大生物膜量相比較多2d。對(duì)比2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其終期的生物膜量差別不大，說(shuō)明水溫雖然影響掛膜過(guò)程，但對(duì)填料最終的單位面積的生物膜量影響不大。
2. 2. 3 DO對(duì)空心球掛膜及凈化效果的影響
(1)對(duì)掛膜的影響
該組實(shí)驗(yàn)在溫度為20一25℃、低負(fù)荷水質(zhì)的條件下進(jìn)行，主要研究曝氣所致溶解氧濃度變化對(duì)空心球掛膜的影響。如圖7所示，不同曝氣強(qiáng)度下，空心球掛膜的差異較大。溶解氧濃度維持在3一4 mg / L時(shí)，其膜增長(zhǎng)速度快，所掛生物膜量大，掛膜良好。理論上，高溶解氧濃度有利于掛膜，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溶解氧維持在6一7 mg / L的反應(yīng)器，其掛膜狀況較中等溶解氧濃度差，主要是因?yàn)楦邚?qiáng)度的曝氣雖然可以促進(jìn)有機(jī)微生物的生長(zhǎng)，但不利于微生物向填料表面富集，使填料表面掛膜過(guò)程難以啟動(dòng)。而且曝氣強(qiáng)度過(guò)高，也會(huì)導(dǎo)致生物膜松散，易于脫落。溶解氧濃度為0. 5一1 mg / L的反應(yīng)器填料生物膜量極少，是由于在該條件下，填料表面主要生長(zhǎng)的為缺氧膜。由于實(shí)驗(yàn)配制水樣為微污染水體，硝酸鹽濃度較低，不利于反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖，使該反應(yīng)器的填料掛膜情況遠(yuǎn)比另外兩組反應(yīng)器差。
(2) DO對(duì)去除COD,NH獷-N ,TN和TP的影響
在填料掛膜成熟后，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣時(shí)間間隔控制反應(yīng)器溶解氧濃度分別為5,3,2和0. 5 mg / L ，研究不同溶解氧濃度對(duì)COD的降解、氨氮的轉(zhuǎn)化、以及TN和TP去除效果的影響。反應(yīng)器在水質(zhì)為低負(fù)荷，水溫為室溫(20一25℃)的條件下運(yùn)行，每個(gè)條件下水質(zhì)穩(wěn)定后運(yùn)行15 d。
1)對(duì)COD和氨氮的去除。從圖8中可以看出，隨著溶解氧濃度的逐漸降低，COD和氨氮的去除率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在4個(gè)溶解氧水平條件下，COD的平均去除率分別為63 . 16 % , 61. 10 % , 54. 64%和48. 34 % ,氨氮的平均去除率分別為80. 97% ,81. 45% ,63. 32%和35. 07%。當(dāng)溶解氧從5降低至3 mg / L時(shí)，COD和氨氮的去除并沒(méi)有受到明顯影響，較高的溶解氧濃度利于生物膜內(nèi)的傳質(zhì)，有利于增加其對(duì)COD和氨氮的去除能力，但高強(qiáng)度的曝氣也會(huì)導(dǎo)致外層生物膜松散和脫落，使填料表面的生物膜量變少。在這2種效應(yīng)的共同作用下，雖然溶解氧濃度得到了提高，但COD和氨氮去除率并沒(méi)有明顯增加。溶解氧低于3 mg / L時(shí)，隨著溶解氧濃度的降低，COD和氨氮的去除率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，溶解氧低至0. 5 mg / L時(shí)，反應(yīng)器中氧氣傳質(zhì)效果差，無(wú)法滿足微生物需求，使填料形成較厚的缺氧層，填料的生物膜變黑。而COD和氨氮的去除主要以好氧菌群為主，所以此時(shí)其去除率有明顯的降低。
2)對(duì)TN的去除。不同溶解氧濃度條件下，總氮的平均去除率分別為34. 82% ,58. 60% ,56. 97%和48. 19%。較高和較低的溶解氧濃度都不利于總氮的去除，溶解氧為2和3 mg / L時(shí)，總氮的去除率較高且相差不大。HE等的研究表明，有機(jī)填料同步硝化反硝化脫氮過(guò)程中，影響硝化的因索主要為氧在生物膜內(nèi)的傳質(zhì)，充足的溶解氧可以促進(jìn)COD和氨氮的去除，氧氣由于生物膜的消耗而呈現(xiàn)濃度梯度，使內(nèi)層的生物膜處于缺氧狀態(tài)，成為反硝化過(guò)程的主要場(chǎng)所。溶解氧濃度為5 mg / L時(shí)，氧氣的傳質(zhì)能力強(qiáng)，不僅懸浮生長(zhǎng)的微生物均處于好氧狀態(tài)，填料表面的生物膜也難以形成一定規(guī)模的缺氧層，雖然氨氮可以大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，但由于反硝化菌的活性受到抑制，反應(yīng)器內(nèi)硝氮大量累積，難以轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴南到y(tǒng)中去除，導(dǎo)致脫氮能力較差。溶解氧濃度為2 mg / L時(shí)，雖然氨氮的氧化效率降低，但反硝化效率有所提高，所以總氮的去除率仍維持較高水平。隨著溶解氧進(jìn)一步的降低，氨氮的氧化成為限制脫氮的主要因素，總氮的去除率明顯下降。對(duì)比氨氮和總氮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，最適宜脫氮的溶解氧濃度為3 mg / L 在CAO等的實(shí)驗(yàn)中，也模擬了填料型浮島，采用了一種柱狀懸浮填料，并設(shè)置空白組對(duì)比了凈化效果，其模擬的浮島對(duì)TN的凈化效果接近60%，這與該實(shí)驗(yàn)的結(jié)論吻合。
3)對(duì)TP的去除。從圖10中可以看出，溶解氧濃度越低，總磷的去除率也越低，4個(gè)階段總磷的去除率分別為35. 23% ,31. 62% ,23. 99%和11. 53%。在鄭作添研究球形填料的實(shí)驗(yàn)中，其總磷的去除率可達(dá)75 %，對(duì)比本實(shí)驗(yàn)，總磷的去除主要靠微生物的同化作用，并沒(méi)有去除底泥的過(guò)程，所以總磷的去除率總體不高，對(duì)于不依賴植物的浮島，單一的有機(jī)填料在自然狀態(tài)下除磷效果不好。溶解氧較高的條件下，好氧區(qū)好氧微生物大量繁殖，提高了通過(guò)同化作用吸收磷的能力。與缺氧微生物相比，好氧微生物具有生長(zhǎng)率高、世代時(shí)間短等特點(diǎn)，所以，在同化作用除磷方面具有主要的影響。因此，隨著溶解氧濃度的降低，總磷的去除率也呈明顯下降趨勢(shì)。
對(duì)比空白組出水和填料組出水的COD,氨氮,TN和TP濃度變化可以看出，空白組對(duì)于各指標(biāo)的去除效果均較填料組差，所以在該實(shí)驗(yàn)中，填料是除溶解氧外另一個(gè)污染物去除的關(guān)鍵因索。隨溶解氧濃度變化，空白組COD的濃度變化略有上升，并不明顯，說(shuō)明溶解氧對(duì)COD的去除影響不大，填料所起的作用占主要地位。而對(duì)于氮磷的去除則受溶解氧影響較大。
2. 3以空心球?yàn)橹鞯慕M合填料的凈化效果
在實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)無(wú)機(jī)填料在氮磷去除方面研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取對(duì)除磷效果最好的鋼渣和吸附氨氮能力最強(qiáng)的沸石進(jìn)行組合，作為無(wú)機(jī)填料與空心球組成組合填料。根據(jù)浮島技術(shù)的要求，填料的比重不應(yīng)過(guò)大，若填料過(guò)重，會(huì)使為浮島提供浮力的浮體過(guò)大，不僅降低了浮島靈活的應(yīng)用性，而且造成資源的浪費(fèi)。若填料中無(wú)機(jī)填料部分過(guò)少，雖能滿足浮體為浮島提供浮力的要求，但會(huì)使無(wú)機(jī)填料所起的作用尤其是除磷效果過(guò)小，喪失采用組合填料的意義。以組合后的平均密度為依據(jù)，無(wú)機(jī)填料選用粒徑為1一2 cm的沸石和鋼渣，組合填料的密度約為1.2g / cm^3。
在篩選出空心球填料并對(duì)其性能進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比空心球填料與組合填料對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)的凈化效果。實(shí)驗(yàn)取出掛膜成熟后的兩種填料各1L置于網(wǎng)籠內(nèi)，放入裝有新配制的低負(fù)荷水質(zhì)的水樣中，調(diào)節(jié)曝氣使水體溶解氧濃度為3 mg / L，每隔一段時(shí)間測(cè)定水樣的各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)。
由表4可知，采用組合填料可以有效的提高對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)指標(biāo)的凈化效果，尤其是強(qiáng)化了脫氮除磷的效果。TN和TP的去除量分別從1. 54 、0. 13mg / ( L填料˙h)增加至2.87、0.20 mg / (L填料˙h)，但COD的去除效果增加不明顯，在該實(shí)驗(yàn)條件下，去除量?jī)H從36. 74增加至41. 52 mg / (L填料˙h)。無(wú)機(jī)填料對(duì)氮磷有較強(qiáng)的吸附攔截作用，可以將水體中的氮磷富集于填料區(qū)內(nèi)，提高填料區(qū)氮磷的濃度，一方面促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，另一方面較高的濃度梯度有利于向生物膜內(nèi)部的擴(kuò)散，這2種作用使組合填料對(duì)氮磷的去除能力有顯著的提高。由于采用的無(wú)機(jī)填料沸石和鋼渣對(duì)COD的吸附作用較差，所以該組合填料對(duì)COD的去除效果沒(méi)有明顯的提高。
在以空心球?yàn)橹鞯慕M合填料中，其DGGE的高通量測(cè)序結(jié)果檢測(cè)到的菌種主要包括變形菌門(mén)(甲型變形菌綱(Alphoproteobacteria )、乙型變形菌綱(Betaproteobacteria )、丙型變形菌綱(Gammaproteobacteria) 、δ變形菌綱(Deltaproteobacteria ) )、異常球菌綱(Dein ococci )、放線菌綱(Actin abacteria)和一些桿菌(如黃桿菌綱(Clo.striafa )、擬桿菌綱(Bacteroldla ))等。圖11中，h. b.代表空心球表面，zeo代表沸石，S. S.代表鋼渣，sus.代表懸浮生長(zhǎng)的微生物，Ano代表填料處于缺氧條件下，Aer代表填料處于好氧條件下。從圖11中可以看出，2種條件下填料表面均以生長(zhǎng)變形菌門(mén)為主，甲型變形菌綱在好氧區(qū)水體及填料表面的生物膜中占的比例比缺氧區(qū)高，主要包含一些代謝C化合物的菌種。乙型變形菌包括很多好氧和兼性細(xì)菌，在微生物的屬圖中，該實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到好氧條件下填料表面存在可以將氨氧化的亞硝化單胞菌屬(Nitro.somona.s ) 。δ一變形菌主要包括鉆細(xì)菌和嚴(yán)格厭氧的一些種類，種類較少，在缺氧區(qū)懸浮相微生物中所占比例較大。好氧區(qū)含有更多的大球菌，其生物膜松散。對(duì)污染物的去除起主要作用的為變形菌、球菌、桿菌和芽袍桿菌等，這幾類菌種占所有檢測(cè)到的菌群的80%以上，所以，填料確能對(duì)水體起到很好的凈化作用。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3結(jié)論
1)在20 - 22℃、溶解氧3 mg / L的條件下自然掛膜，K3填料、空心球和鮑爾環(huán)終期掛膜量分別可達(dá)約2. 2,1. 5和0. 6 g / L。與之相對(duì)應(yīng)，3種填料以K3填料對(duì)COD,氨氮,TN和TP的去除效果最好，空心球其次，但與K3填料相差不大。3種填料中，K3填料對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果最佳，但空心球的性價(jià)比最高。
2)對(duì)于空心球而言，污染物負(fù)荷越大，溫度越高，其掛膜速度越快，但在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的溫度對(duì)最終掛膜量并沒(méi)有影響。保持較高的溶解氧濃度有利于COD,氨氮和TP的去除，但5 mg / L以上的溶解氧濃度不利于總氮的去除，溶解氧濃度為3 mg / L時(shí)對(duì)總氮去除率最高。受生物膜工藝除磷機(jī)制的限制，空心球?qū)α椎娜コЧ^差。
3)無(wú)機(jī)填料對(duì)氮磷有較強(qiáng)的吸附攔截作用，可以將水體中的氮磷吸附攔截于填料區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致填料區(qū)局部氮磷濃度較高，一方面促進(jìn)氮磷向生物膜內(nèi)的傳質(zhì)，同時(shí)也促進(jìn)生物膜的生長(zhǎng)和提高微生物活性。因此，采用組合填料能進(jìn)一步提高浮島的脫氮除磷效果，提高幅度在53%一86%。
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