楊波，姜天翔，郝建安，張曉青，張愛君，王靜，張雨山

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

功能生物填料處理大生活用污海水的凈化技術(shù)研究

楊波，姜天翔，郝建安，張曉青，張愛君，王靜，張雨山

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

將篩選到的耐鹽凈污復(fù)合菌群培養(yǎng)后，采用循環(huán)流動法固定于陶粒和活性炭組成的混合填料上，形成功能生物填料，并將其用于曝氣生物濾池處理大生活用污海水。考察了水力停留時間、氣水比、水力負(fù)荷、反沖洗方式對有機物降解的影響。結(jié)果表明：在水力停留時間為120 min、氣水比為（3～5）∶1、水力負(fù)荷為1.5～3.5 m3·m－2·h－1的最佳運行條件下，COD、氨氮、總磷的去除率分別達到82.7%、86.8%、74.1%；處理污水的出水水質(zhì)基本穩(wěn)定在COD 35～60 mg·L－1、氨氮＜8 mg·L－1、總磷值在0.35～0.70 mg·L－1范圍內(nèi)。采用氣洗-氣水聯(lián)合沖洗-水洗的反沖洗方式，處理能力可在4 h內(nèi)恢復(fù)。

功能生物填料；大生活用污海水；生物吸附；曝氣生物濾池

大生活用海水是指利用海水替代淡水資源作為居民生活用水（主要用于沖廁）［1］，是海水直接利用領(lǐng)域的開源節(jié)流技術(shù)之一。大生活用海水由于具有較高的鹽度，后處理工藝的研究開發(fā)遭遇了一定的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)的活性污泥法、生物膜法等城市污水處理工藝在處理高鹽污海水時常遇到以下問題：高含鹽量產(chǎn)生較高滲透壓，導(dǎo)致微生物的細胞膜破裂、生物酶喪失活性等，從而降低處理效率；同時鹽度的升高也導(dǎo)致了污泥中微生物群落的改變，使污泥的凈污作用大打折扣。因而迫切需要研發(fā)出針對大生活用污海水的專用生物凈化工藝。

固定化微生物技術(shù)是將具有特殊凈污功能的微生物固定在載體上，使功能微生物高度密集并保持良好的生物降解活性，在適宜的工作條件下能夠迅速繁殖并發(fā)揮功效的生物水處理技術(shù)。這一技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠有效提高反應(yīng)器內(nèi)功能微生物的濃度，有利于微生物抵抗不良環(huán)境的影響，大大縮短處理時間，提高處理效率。然而，對于特定的污染源，天然環(huán)境中的微生物濃度較低、消耗速度快，凈污效率不高，不足以滿足廢水處理的需求。因此，添加具有特定降解功能的固定化微生物能有效地提高廢水的處理效率，簡化污水處理工藝。該技術(shù)在處理有機廢水及生活廢水的脫氮除磷方面具有一定的優(yōu)勢。

目前國際上對高鹽度污水的生化處理技術(shù)研究已從單純污泥馴化轉(zhuǎn)到依靠優(yōu)勢菌群的培養(yǎng)和耐鹽微生物的引入上來。作者將從富含氮、磷等的污染海水和污泥中篩選出的耐鹽微生物復(fù)合培養(yǎng)，共同固定于固體填料上，形成功能生物填料，用于對大生活用污海水的生物吸附凈化，考察了水力停留時間、氣水比、水力負(fù)荷、反沖洗方式對有機物降解的影響。

1 實驗

1.1 材料、菌種與培養(yǎng)基

1.1.1 大生活用污海水

葡萄糖300 mg·L－1，NH4Cl41 mg·L－1，K2HPO49.4 mg·L－1，MgSO4·7H2O 50 mg·L－1，pH值6.5～7.5，大生活用污海水中海水比例為40%，海水取自天津塘沽天堿海水凈化廠沉清池。

1.1.2 菌種

菌種，從天津市塘沽泥灘中篩選的高效耐鹽凈污微生物復(fù)配而形成的復(fù)合菌群，自行保存。

1.1.3 培養(yǎng)基

2216E培養(yǎng)基：蛋白胨5 g，酵母膏1 g，磷酸高鐵0.01 g，加陳海水定容至1 L，pH值為7.6，在121℃下高壓蒸汽滅菌20 min。

1.2 方法

1.2.1 功能生物填料的生成

采用陶粒和活性炭組合作為大生活用污海水吸附凈化技術(shù)的固體填料，其中上層和下層的陶粒填料高度均為25 cm，中層的活性炭填料高度為50 cm。先將復(fù)合菌群培養(yǎng)，再經(jīng)寡營養(yǎng)鹽馴化后，采用循環(huán)流動法固定于陶粒和活性炭組成的混合填料上，形成功能生物填料。

1.2.2 水力停留時間對處理效果的影響

設(shè)定大生活用污海水在固定化生物填料柱中的水力停留時間分別為30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min，測定出水的COD、氨氮和總磷的去除率，確定最佳的水力停留時間。

1.2.3 氣水比對處理效果的影響

選擇最佳水力停留時間，填料高度100 cm，水溫20～30℃，進水量3 L·h－1，在氣水比（1～7）∶1范圍內(nèi)改變進氣量，連續(xù)穩(wěn)定運行后，測定出水的COD、氨氮和總磷的去除率，確定最佳的氣水比。

1.2.4 水力負(fù)荷對處理效果的影響

選擇最佳氣水比，填料高度100 cm，水溫20～30℃，在1.5～6.0 m3·m－2·h－1范圍內(nèi)改變水力負(fù)荷，連續(xù)穩(wěn)定運行后，測定出水的COD、氨氮和總磷的去除率。

1.2.5 大生活用污海水凈化的反沖洗方式研究

將出水水質(zhì)的明顯變化作為是否需要采取反沖洗的判定標(biāo)準(zhǔn)。反沖洗采用“氣洗-氣水聯(lián)合沖洗-水洗”的氣水聯(lián)合沖洗方式，對濾池進行反沖洗。具體過程如下：

（1）氣洗，強度為15～19 L·m－2·s－1，持續(xù)時間約3 min，作用是使老化的生物膜脫落，松動填料層，防止老化生物膜的結(jié)塊；

（2）氣水聯(lián)合沖洗，氣沖強度11～15 L·m－2· s－1，水沖強度4～6 L·m－2·s－1，約2 min；

（3）水洗，徹底除去脫落的污泥，沖洗時間約3 min。通過測定反沖洗后的出水的COD和氨氮來評價大生活用污海水凈化的反沖洗效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力停留時間對處理效果的影響（圖1）

圖1 水力停留時間對大生活用污海水處理效果的影響Fig.1 The effect of hydraulic retention tim e on treatment efficiency of domestic seawater

由圖1可以看出，水力停留時間對出水水質(zhì)的影響較大。在水力停留時間為30 min時，COD、氨氮和總磷的去除率均在55%以下，出水COD濃度大于150 mg·L－1，在120 min以內(nèi)COD、氨氮的去除率變化較大，出水COD濃度由原水的294.5 mg·L－1降至55.9 mg·L－1，COD去除率達80%以上，氨氮的去除率從49%提升到80%以上；120 min后，COD和氨氮的去除率變化不明顯。

隨著水力停留時間的延長，含鹽污水中總磷的去除率呈波浪形上升的趨勢。水力停留時間在120 min以內(nèi)時，混合填料柱對總磷的去除率從52%上升至73%，120 min后在70%上下波動，變化范圍較大。

綜合COD、氨氮以及總磷的去除效果可以看出，對于混合填料的曝氣生物濾池，當(dāng)水力停留時間超過120 min后，COD、氨氮以及總磷的去除率趨于穩(wěn)定。當(dāng)水力停留時間為120～180 min時，去除率保持在較高的水平?？紤]到儀器運行的經(jīng)濟成本，確定最佳水力停留時間為120 min。

有研究表明［4］：常規(guī)的生物反應(yīng)器主要依賴生物膜對有機污染物的降解作用，而在曝氣生物濾池中，填料與填料間的生物絮體對大部分有機物的氧化降解起主要作用。同時通過生物絮體對污水中污染物的截留、吸附等作用，延長了被降解物在功能生物填料柱中的停留時間，從而使附著在填料上的生物膜絮體充分發(fā)揮氧化降解作用。在不延長水力停留時間的同時，延長了微生物對有機污染物的降解時間，提高了降解效率，有效降低了投資成本。

2.2 氣水比對處理效果的影響（圖2）

圖2 氣水比對大生活用污海水處理效果的影響Fig.2 The effect of air-water ratio on treatm ent efficiency of domestic seawater

由圖2可知，隨著氣水比的升高，即隨進氣量的逐步增加，COD去除率增大；當(dāng)氣水比為4∶1時，COD去除率達到最大，為84.5%，COD濃度由進水的287.63 mg·L－1降低到44.03 mg·L－1，出水水質(zhì)保持在較好的水平；當(dāng)氣水比進一步升高時，即進氣量進一步增大時，COD去除率則呈下降趨勢。這是因為，當(dāng)氣水比較低時，進氣量少，水中溶解氧的濃度較低，填料中微生物的供氧不足，新陳代謝處于低水平狀態(tài)，因此不能完全分解污水中的有機污染物，導(dǎo)致COD的去除率較低。隨著氣水比逐漸升高，進氣量不斷增多，當(dāng)溶解氧濃度為2～4 mg·L－1時，氧的利用率保持在較高水平，微生物能夠充分利用污水中的營養(yǎng)物質(zhì)，長期處于活躍的生長代謝狀態(tài)，因而能夠快速降解代謝水中的有機污染物，使出水COD濃度保持較低水平，氣水比達到最佳。隨著氣水比的進一步增大，進氣量不斷增多，強大的氣流對填料產(chǎn)生巨大的震動，增強了填料與填料間的碰撞和摩擦，同時對附著的絮體和生物膜產(chǎn)生強大的沖擊力，導(dǎo)致大部分生物膜從填料上脫落并隨水流排出填料柱，大幅減弱了微生物對有機污染物的降解作用，使有機物尚未被微生物分解便排出填料柱。在實際使用中確定最佳氣水比時，在節(jié)約經(jīng)濟成本的同時，使氧氣達到較高的使用效率，對大生活用污海水的后處理達到理想的效果。

隨著氣水比的升高，大生活用污海水中氨氮的去除率也是先升后降。但氨氮的去除率均在65%以上，穩(wěn)定性相對較好。這是因為，生物脫氮分為氨化反應(yīng)、硝化作用和反硝化作用3個反應(yīng)過程：首先是有機氮在氨化細菌的作用下分解為氨態(tài)氮，這一反應(yīng)過程相對容易且速度很快，在一般的廢水處理過程中不是限速步驟；然后在好氧條件下，好氧異養(yǎng)微生物在有氧條件下進行硝化作用，使氨態(tài)氮氧化成硝態(tài)氮；最后在厭氧環(huán)境下，反硝化菌使硝態(tài)氮最終還原成氮氣溢出，完成反硝化作用。當(dāng)氣水比較低時，進氣量少，水中溶解氧含量低，好氧微生物生長緩慢，不利于硝化作用，含氮有機物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮后，只有少量被好氧微生物完全分解成氨，從而限制了脫氮作用的進行，因而氨氮的去除率相對較低；而當(dāng)氣水比較高時，進氣量較多，含氮有機物雖然能完成硝化作用轉(zhuǎn)化為氨，但不利于填料內(nèi)部厭氧環(huán)境的形成，導(dǎo)致反硝化作用大幅減弱，不能將硝化作用生成的氨反硝化為氮氣溢出，因而氨氮去除率也處于較低水平。只有氣水比穩(wěn)定在4∶1左右時，既有利于好氧菌對溶解氧的利用進行硝化作用，也能為反硝化作用營造適當(dāng)?shù)膬?nèi)部厭氧環(huán)境，使硝化、反硝化達到一個較為平衡的狀態(tài)，使得氨氮的去除率較高，達到80%以上。同時，當(dāng)氣水比穩(wěn)定在4∶1時，由于反沖洗及進水水質(zhì)的變化，導(dǎo)致生物膜的降解效率存在變化，從而氨氮去除率存在一定的波動性。

總磷的去除率隨氣水比的升高而增大，在氣水比為（3～5）∶1時，總磷去除率保持相對穩(wěn)定，之后隨著氣水比的升高，總磷去除率開始下降。生物活性填料系統(tǒng)中總磷的去除主要依靠填料的吸附除磷和生物的降解除磷共同作用。當(dāng)固體填料的吸附作用達到飽和后，則主要依靠生物的降解除磷作用。生物除磷依賴厭氧和好氧交替運行的動態(tài)條件，完成微生物好氧攝取磷、厭氧水解釋放磷的動態(tài)過程。當(dāng)氣水比在（3～5）∶1時，通過物理吸附和掛膜微生物的生物除磷作用使大生活用污海水中總磷的去除率保持在70%以上。然而隨進氣量的進一步增多，巨大的氣流對掛膜微生物產(chǎn)生較強的沖擊力，導(dǎo)致部分生物膜脫落，同時破壞內(nèi)部微小的厭氧環(huán)境，使得總磷的去除率下降。

綜合考慮出水的COD、氨氮以及總磷的去除率，確定功能生物填料處理大生活用污海水的最佳氣水比為（3～5）∶1。

2.3 水力負(fù)荷對大生活用污海水處理效果的影響（圖3）

圖3 水力負(fù)荷對大生活用污海水處理效果的影響Fig.3 The effect of hydraulic loading on treatment efficiency of domestic seawater

從圖3可以看出，隨著水力負(fù)荷的不斷升高，COD去除率顯著下降。當(dāng)水力負(fù)荷為1.5 m3·m－2·h－1時，COD去除率為83.3%，COD濃度由進水的298.15 mg·L－1降至出水的49.77 mg·L－1。在水力負(fù)荷為1.5～3.5 m3·m－2·h－1時，COD去除率穩(wěn)定在80%以上，出水COD濃度＜60 mg·L－1，其抗沖擊負(fù)荷能力較強。當(dāng)水力負(fù)荷提升至6.0 m3·m－2·h－1時，COD去除率下降到52.7%，出水COD濃度上升至141.03 mg·L－1。這是因為，初期隨著水力負(fù)荷的升高，水中可利用的有機物數(shù)量隨之增多，微生物的生長繁殖更為迅速，且隨著水力負(fù)荷的升高，對填料的沖刷作用也不斷增強，進而有利于老化生物膜的脫落，有利于生物活性保持在較高水平，有機物去除效率提高［5-6］。當(dāng)水力負(fù)荷進一步升高時，污染物數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致微生物所處的環(huán)境營養(yǎng)過剩，且隨著水力負(fù)荷的升高，水力停留時間縮短，污水中的有機物尚未被微生物充分吸收分解就隨出水排出，大大降低了去除率。其次水力負(fù)荷過高時，生物膜在較大的水力沖擊作用下不易保持穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生脫落［7］，也影響了污水的處理效率。

水力負(fù)荷為1.5～3.5 m3·m－2·h－1時，氨氮去除率較穩(wěn)定，最高達到83.7%，氨氮濃度由進水的36.34 mg·L－1降至出水的5.92 mg·L－1?？偭鬃罡呷コ蔬_到75.3%，總磷濃度由進水的2.32 mg·L－1降至出水的0.57 mg·L－1。這主要是因為，隨著水力負(fù)荷的升高，功能生物填料柱內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，有利于功能微生物的繁殖，污染物去除能力不斷增強。此外，隨著水力負(fù)荷的升高，溶解氧的含量也隨之增加，內(nèi)層的硝化菌在溶解氧的作用下能更好地生長代謝，完成硝化反應(yīng)。然而當(dāng)水力負(fù)荷進一步升高時，有機物數(shù)量和濃度也不斷增加，異氧菌的生長代謝不斷增強，進而抑制了自養(yǎng)菌的反硝化作用，同時產(chǎn)生了不利于厭氧菌的生長環(huán)境，因而氨氮和總磷的去除率隨之降低。

綜合考慮出水的COD、氨氮及總磷的去除率，確定功能生物填料處理大生活用污海水的最佳水力負(fù)荷為1.5～3.5 m3·m－2·h－1。

2.4 大生活用污海水凈化的反沖洗研究

反沖洗是關(guān)系到曝氣生物濾池凈污效率十分關(guān)鍵的一步，反沖洗的目的是通過氣水聯(lián)合沖洗將填料縫隙間的懸浮物釋放、且不損害并快速更新生物膜、恢復(fù)反應(yīng)器的過濾能力［8］。因此，曝氣生物濾池的出水水質(zhì)、運行能效和周期與反沖洗效果密切相關(guān)。若反沖洗不充分，老化生物膜不能完全脫落，使得微生物的生長和更新速度大幅降低，嚴(yán)重影響濾池的處理能效，導(dǎo)致濾池運行周期大幅縮短；若反沖洗過量，導(dǎo)致濾料間的摩擦力過大，加上水流或氣流的剪切力，致使很大一部分活性微生物從生物膜上脫落，排出濾池，同樣影響微生物生化功能的發(fā)揮，導(dǎo)致出水質(zhì)量下降。所以，曝氣生物濾池反沖洗的效果可以從反應(yīng)器的恢復(fù)時間及微生物耗氧速率的變化兩方面進行評價［9］。

2.4.1 反沖洗后出水COD去除率恢復(fù)曲線

由于反沖洗導(dǎo)致老化生物膜的脫落，致使填料柱中微生物數(shù)量減少，因而降解有機物的能力會暫時減弱。隨著微生物的生長繁殖，功能生物填料會逐步恢復(fù)最佳處理能力。對功能生物填料柱進行反沖洗后，出水COD濃度及去除率如圖4所示。

圖4 出水COD去除率恢復(fù)曲線Fig.4 The restoring curve of COD removal rate of the effluent

由圖4可知，進水COD濃度約為281.85 mg· L－1，反沖洗1 h后出水COD濃度為148.25 mg·L－1，保持在較高水平，COD去除率較低。這主要是因為，反沖洗的沖擊作用使老化生物膜脫落，進而使得填料層內(nèi)截留的大部分微生物隨反沖洗的氣流和水流一同排出功能生物填料柱，從而導(dǎo)致柱內(nèi)微生物數(shù)量的減少，功能生物填料對有機物的處理能力降低。隨著運行時間的延長，在4 h時出水COD濃度已經(jīng)降為57.22 mg·L－1，去除率達80%左右?？梢姡δ苌锾盍现礇_洗4 h即可恢復(fù)先前的處理水平。

2.4.2 反沖洗后出水氨氮去除率恢復(fù)曲線

對功能生物填料柱進行反沖洗后，出水氨氮濃度及氨氮去除率恢復(fù)曲線見圖5。

在相同的環(huán)境條件下，硝化菌、反硝化菌的生長速度明顯低于好氧異養(yǎng)菌，因而生長速度較快的異養(yǎng)菌形成的生物膜比硝化菌、反硝化菌形成的生物膜更為疏松，反沖洗更容易導(dǎo)致異養(yǎng)菌形成的生物膜脫落。而自養(yǎng)菌形成的生物膜由于更為致密，硝化菌和反硝化菌具有更強的抗沖擊能力，從而使氨氮的去除效果能夠保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，受反沖洗的影響相對不大，恢復(fù)速度相對更快。由圖5可知，反沖洗4 h后，出水氨氮濃度由1 h的14.45 mg·L－1降至4 h的7.83 mg·L－1，氨氮去除率已經(jīng)恢復(fù)到80.6%。

圖5 出水氨氮去除率恢復(fù)曲線Fig.5 The restoring curve of-N rem oval rate of the effluent

綜上所述，反沖洗會對功能生物填料的處理效果有暫時的削弱作用，但會在較短時間內(nèi)恢復(fù)正常水平。在本實驗條件下，COD和氨氮均可在4 h內(nèi)恢復(fù)先前的處理能力。

3 結(jié)論

研究了復(fù)合型生物吸附凈化技術(shù)對大生活用污海水的處理效果：耐鹽凈污微生物復(fù)合菌群固定化于陶粒和活性炭的混合填料生成的功能生物填料，對大生活用污海水具有較好的凈化能力和抗沖擊能力。在室溫條件下，大生活用污海水復(fù)合生物凈化技術(shù)的最佳參數(shù)條件：水力停留時間為120 min、氣水比為（3～5）∶1、進水流速為3 L·h－1、水力負(fù)荷1.5～3.5 m3· m－2·h－1。在該條件下，功能生物填料反應(yīng)器對COD、氨氮和總磷的平均去除率可以達到較理想的狀態(tài)。當(dāng)進水COD在170～350 mg·L－1范圍內(nèi)波動時，出水COD保持在35～60mg·L－1范圍內(nèi)，出水氨氮穩(wěn)定在8 mg·L－1以下，總磷值在0.35～0.70 mg·L－1范圍內(nèi)波動。其中填料種類、水力停留時間、氣水比及水力負(fù)荷是影響大生活用污海水復(fù)合生物凈化技術(shù)的主要因素。采用氣水聯(lián)合沖洗的方式對填料柱進行反沖洗，處理能力在4 h內(nèi)可恢復(fù)到之前的水平。說明該功能生物填料在大生活用污海水及含鹽污水的處理方面具有較好的處理效果，應(yīng)用前景廣闊。

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Research on Purification Technology of Domestic Seawater by Functional Biological Filler M aterials

YANG Bo，JIANG Tian-xiang，HAO Jian-an，ZHANG Xiao-qing，ZHANG Ai-jun，WANG Jing，ZHANG Yu-shan
（The Institute of Seawater Desalination and Multi-purpose Utilization，SOA，Tianjin 300192，China）

Salt-tolerant compound microorganism was screened and cultivated，and then fixed on ceramsite and active carbonmixed filler by circulating flow method to get the functional biological fillermaterials.Then itwas used as filtermedium of biological aerated filter to dealwith domestic seawater.The effectof hydraulic retention time，air-water ratio，hydraulic loading and backwash mode on degradation of orangic compoundswere studied.The results showed that，the optimal operation parameterswere as follows：hydraulic retention time 120 min，air-water ratio（3～5）∶1 and hydraulic loading 1.5～3.5 m3·m－2·h－1.Under above conditions，the removal rates of COD，-N，TP were 82.7%，86.8%，74.1%，respectively.The effluentwater quality was basically stable in COD 35～60 mg·L－1，and-N＜8 mg·L－1，TPwithin the scope of0.35～0.70mg·L－1.Processing power can be restored within 4 h if the gas-gas，water joint-water backwash mode was used.

functional biological fillermaterials；domestic seawater；biosorption；biological aerated filter

X 703

A

1672-5425（2015）07-0047-05

10.3969/j.issn.1672－5425.2015.07.013

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（K-JBYWF-2013-G11），海洋公益性行業(yè)科研專項項目（201105026）

2015-01-18

楊波（1982－），女，河北人，工程師，研究方向：海水利用技術(shù)，E-mail：yangbo82@21cn.com；通訊作者：張雨山，博士，研究員，E-mail：yushanzhang@hotmail.com。