臭氧-生物活性炭技术在再生水深度处理中的应用.pdf

臭氧臭氧 － － 生物活性炭技术在再生水深度处理中的应用生物活性炭技术在再生水深度处理中的应用 ＊＊ 李建民 1 刘培斌 2 魏炜 2 傅海霞 1 1. 北京市环境保护科学研究院 国家城市环境污染控制工程技术中心 国家环境保护工业废水污染控制 工程技术 北京 中心，北京 100037;2. 北京市水利规划设计研究院，北京 100048 摘要 研究了臭氧 － 生物活性炭工艺对生活污水处理厂再生水 COD 和氨氮的去除效果， 并研究了生物活性炭层中菌群的分 布特征。研究结果表明 采用该工艺， 对 COD 和氨氮有较好的去除效果。随着取样口与进水口距离的增加， 活性炭层内生物 量具有逐渐减少的分布特征， 可培养微生物数量也逐渐减少。生物活性炭层上、 下层之间表现出不同的微生物多样性。 关键词 臭氧;生物活性炭;再生水;菌群 ADVANCED TREATMENT OF RECLAIMED WATER WITH OZONE- BIOLOGICAL ACTIVATED CARBON Li Jianmin1Liu Peibin2Wei Wei2Fu Haixia1 1. National Urban Environment Pollution Control Engineering Techniques ＆ National Environmental Protection Industrial Sewage Pollution Control Engineering Techniques BeijingCenter，Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection，Beijing 100037，China;2. Beijing Institute of Water Conservancy Planning and Design，Beijing 100048，China AbstractThe removal efficiency of COD and NH3-N in reclaimed water from domestic treatment plant treated by ozone- biological activated carbon process was studied． Besides，characteristics of colony distribution in biological activated carbon were studied． The results showed that with the technique，COD and NH3-N could be removed efficiently． Biomass in the carbon decreased gradually with the increase of the distance between the inlet and sampling points，and the quantity of culturable microorganism decreased correspondingly． Different microorganism diversity was shown in the upper and lower part of the biological activated carbon bed． Keywordsozone;biological activated carbon;reclaimed water;colony * 永定河生态构建与修复技术研究与示范 D090409004009004 。 目前将污水处理厂处理的再生水作为地表水补 充水时， 需要对这些再生水做进一步深度处理。臭氧 氧化法具有脱色、 杀菌和有效氧化废水中难降解有机 物的独特优势， 而活性炭具有巨大的表面积和丰富的 孔隙构造， 为微生物的栖息提供了场所 ［1- 2］。二者相 结合， 可以将臭氧氧化、 活性炭吸附、 生物降解、 过滤 等过程结合在一起， 对再生水和微污染地表水具有良 好的处理效果， 能将消毒副产物前质、 COD 及氨氮同 时加以削减， 并且使色、 臭、 味等多项指标全面得到改 善， 保证出水的稳定性 ［3- 4］。本文研究了采用臭氧 － 生物活性炭工艺处理生活污水处理厂再生水的出水 效果， 并对炭层中微生物的菌群分布进行了研究。 1实验设计 1. 1实验用水 采用再生水水质指标如表 1 所示。 表 1再生水水质指标 pH 浊度 / NTU 色度 嗅味 ρ BOD5/ mgL － 1 ρ COD/ mgL － 1 ρ NH 4-N/ mgL － 1 ρ TP/ mgL － 1 ＜ 8＜ 10＜ 50无＜ 1015 ～ 301 ～ 5＜ 5 1. 2实验装置 实验流程如图 1 所示。 1 臭氧接触反应柱 材质为有机玻璃， 柱子直径 100 mm， 高3. 0 m。上部进水， 底部出水， 底部装有钛 板曝气头使气泡均匀， 以提高臭氧的传质效率， 气源 为压缩空气。该柱主要作用是使臭氧与水中有机物 进行混合反应。 2 生物活性炭柱 材质为有机玻璃， 柱子直径 4 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 图 1臭氧 － 生物活性炭实验流程 150 mm， 柱高3. 0 m。上部进水， 下部出水。活性炭 填充高 度2. 0 m， 活 性 炭 层 下 部 设 有 承 托 层， 采 用 300 mm厚石英砂， 以免活性炭泄漏。 3 臭氧发生系统 臭氧发生器型号为 CF-G- 50， 系统冷却形式为水冷。 4 进水泵 型号为 12WG- 8， 最大流量为20 L/min， 最大扬程为10 m， 额定流量为8 L/min， 额定扬程为8 m。 5 反冲洗 采用气水反冲， 反冲洗水为自来水， 反冲洗水管直接与自来水管连接， 利用自来水的压力 进行反冲洗， 反冲气源来自空压机。 2实验结果 通过静态实验， 确定臭氧最佳投加量和接触时间 分别为3 mg/L和20 min。所确定臭氧投加量与孔令 宇 ［5］的研究吻合 臭氧投加量为3 mg/L时， AOC 和 BDOC 增加最多， 即3 mg/L臭氧投加量为最佳投加剂 量; 在炭层挂膜成功后， 开始连续运行。 2. 1COD 变化情况 连续运行约 1 年的时间， 进出水中 COD 浓度变化 如图 2 所示。实验进水平均ρ COD 为16. 9 mg/L， 前 期 0 ～ 270d 进 水 ρ COD 均 在15 mg/L 以 上， 后 期 270 ～ 390 d进 水 ρ COD有 所 下 降， 大 都 低 于 15 mg/L。出 水 平 均 ρ COD为 9. 2 mg/L，最 低 为 3. 9 mg/L。臭氧柱对 COD 的去除效果不如在活性炭 柱中的去除效果明显， 有时臭氧柱进出水 COD 浓度变 化不明显， 因此有机污染物的去除主要发生在活性炭 柱中。整个工艺中， COD 去除率最高为 66. 4 ， 平均 去除率为 43. 1 。实验后期 COD 去除率明显下降， 并 出现不稳状态， 原因 一是因为活性炭长期运行引起的 磨损和板结; 二是因为后期进水 COD 浓度降低。 2. 2氨氮变化情况 氨氮是城市污水中主要的无机氮类污染物， 在好氧 环境下， 可以被细菌转化为硝酸盐和亚硝酸盐。本实验 探讨了臭氧 － 生物活性炭工艺对 NH 4 -N 的去除性能， 氨氮浓度变化曲线见图 3。进水氨氮浓度相对较低， 一 图 2 COD 浓度变化曲线 般在1. 0 mg/L左右， 最高达1. 78 mg/L。臭氧柱和生物 活性炭柱对氨氮都有一定的去除。最终出水ρ 氨氮＜ 0. 1 mg/L， 出水平均ρ 氨氮 为0. 05 mg/L， 出水满足地 表水Ⅲ类标准＜0. 2 mg/L 。氨氮最高去除率接近 100， 平均去除率为 95. 6， 充分说明臭氧 － 生物活性 炭工艺对再生水中氨氮有较好的去除效果。 图 3氨氮浓度变化曲线 2. 3PCR-DGGE 技术解析臭氧 － 生物活性炭微生物 种群分布 为了研究生物活性炭层内污染物的迁移、 生物膜 对污染物的降解、 生物难降解物质透过生物膜向活性 炭孔内转移等一系列过程的规律， 分别在距活性炭顶 层 30， 60， 90， 120， 150 cm处取活性炭样品， 编号为 1 号5 号进行有效活菌数和种群分布分析。 根据 DGGE 水平胶指纹图谱， 臭氧 － 生物活性炭 系统中微生物菌群种类延垂直方向变化不大， 数量随 着深度的增加逐渐减少， 在生物活性炭柱90 cm深度 范围内， 微生物群落组成至少有 40 种， 而在90 cm及 更深范围微生物种属减少至 30 种左右， 生物活性炭 柱上、 下层之间表现出不同的微生物多样性。同时， 除少数菌随着深度的增加逐渐消亡或产生外， 大部分 菌群贯穿所有样品， 这与污水的水质延水流方向变化 幅度不大有直接关系。选取部分优势条带进行回收 测序， 将测序结果进行 BLAST 比对， 结果表明， 在生 物活性炭柱中大部分是不可培养细菌 Uncultured Bacterium ， 主 要包 括 某 些属于 Firmicutes 厚 壁 菌 5 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 门 、 alpha proteobacterium α-变形菌 的不可培养菌 异养菌， 是 COD 降解的主要参与者; 检测还发现少量 Acidovorax sp． 、 Nitrospira sp． 等不可培养种属， 其中 Nitrospira sp． 是硝化螺旋菌属， 有一定的硝化能力。 采用 BIO-RAD QUANTITY ONE4. 5. 1 软 件 对 DGGE 图谱进行相似性分析 见表 2 。 表 2 DGGE 图谱相似性矩阵 泳道12345 152. 865. 484. 383. 0100. 0 260. 870. 696. 1100. 083. 0 360. 772. 2100. 096. 184. 3 483. 4100. 072. 270. 665. 4 5100. 083. 460. 760. 852. 8 运用算数平均数的未加权对群法 简称 UPGMA 算法 ， 对 DGGE 图谱进行聚类分析 见图 4 。 图 4DGGE 图谱的 UPGMA 聚类分析 从图 4 可以看出 在生物活性炭柱的0 ～ 90 cm深 度获取的 1 号 ～ 3 号样品， 它们的 DGGE 指纹图谱相 似性很高， 说明生物活性炭柱上层约90 cm内微生物 菌群变化不明显; 90 cm以下采集的 4 号、 5 号样品之 间的相似性也较高， 说明生物活性炭柱下部的微生物 菌群结构相对稳定; 但上层和下层之间的相似性存在 差异， 表明其中的微生物菌群结构发生变化， 上、 下层 的微生物呈现出不同的菌群组成。其原因与该系统 中水质的变化有直接关系， 该系统采用下向流的布水 方式， 在污水下渗过程中， 污染物发生物理、 化学、 生 物等作用而发生变化， 因此， 降解这些污染物的微生 物也相应发生改变， 最终形成稳定的群落结构。 不同炭层出水中 COD 与氨氮平均值如图 5 和图 6 所示， 可见 COD 和氨氮的去除主要是发生在上层 范围， 随着炭层深度增加， COD 和氨氮浓度下降幅度 也逐渐降低， 与炭层中微生物的分布非常吻合， 说明 COD 和氨氮的降解与微生物量有直接的关系。 3结论 通过臭氧 － 生物活性炭工艺对生活污水处理厂 图 5不同炭层 COD 浓度的变化情况 图 6不同炭层氨氮浓度的变化情况 再生水出水进行实验， 可以得出以下结论 1 臭氧 － 生物活性炭工艺对于污水处理厂再生 水出水中的 COD 有良好的去除效果， 进水ρ COD 在 20 mg/L时， 出水 ＜ 10 mg/L。 2 臭氧 － 生物活性炭工艺对于再生水出水中的 氨氮有较好的去除效果， 进水ρ 氨氮＜ 2 mg/L， 出 水 ＜ 0. 1 mg/L， 有的甚至未检出， 完全可以满足地表 Ⅲ类水体的要求 ≤0. 2 mg/L 。 3 对臭氧 － 生物活性炭工艺中不同炭层中微生 物分析， 活性炭层内生物量具有沿炭层高度从上到下 逐渐减少的分布特征， 可培养微生物数量随着深度的 增加逐渐减少， 生物活性炭柱上、 下层之间表现出不 同的微生物多样性。 参考文献 ［1］黄国鑫， 黄继国， 金爱芳． 垃圾渗滤液两相厌氧 － 臭氧活性炭 联用处理［J］． 环境工程，2008，26 6 36- 38． ［2］金鹏康， 姜德旺， 张小峰． 臭氧 － 生物活性炭工艺中生物群落 分布特征［J］． 西安建筑科技大学学报 自然科学版 ，2007， 39 6 829- 833． ［3］陆少鸣， 王宁， 杨立． O3-BAC 给水深度处理工艺的优化运行 ［J］． 华南理工大学学报 自然科学版 ，2006，34 12 10- 14． ［4］王健， 陆少鸣， 陶光华， 等． 两级臭氧氧化与活性炭组合深度处 理工艺研究［J］． 环境工程， 2010， 28 S 133- 135． ［5］孔令宇， 张晓健， 王占生． 臭氧 － 生物活性炭组合工艺中最佳臭 氧投加剂量的确定［J］． 环境科学， 2006，27 7 1345- 1347． 作者通信处李建民100037北京市西城区北营房中街 59 号 1212 室 E- mailstudyljm 126． com 2012 － 01 － 04 收稿 6 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期