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升流式生物活性炭系统中生物量、活性及净水效果研究
作者:管理员    发布于:2017-11-27 14:02:27    文字:【】【】【

  升流式生物活性炭系统中生物量、活性及净水效果研究智翔1廖晓斌2张晓健2陈超2谢曙光w 1.北京大学环境科学与工程学院,北京100871;2.清华大学环境学院,北京100084;t通信作者,E-mail:xiesgpku.edu.cn可有效去除污染物,BAC滤池对CODMn,UV254和氨氮的平均去除率分别高达43.3,45.7和92.9.大部分污染物在炭柱的前400 mm滤料层中被去除,这与生物量分布规律一致。生物量沿水流方向而减少,磷脂量1.12x107CFU/cm3;单位体积炭的SOUR在10-2mg/(cm3.h)的数量级,具有与生物量不同的变化规律。此外,BAC滤池出水具有生物安全性。生物活性炭;生物量;生物活性;生物安全性X172近年来,许多地区的饮用水水源受污染较严重,为了达到日益严格的饮用水水质标准,许多自来水厂必须兴建深度处理工程。生物活性炭(BAC)滤池是目前国内外常用的深度处理技术之一,它通过吸附和生物降解作用去除污染物。Velten等认为炭池运行90天后,吸附作用可忽略,生物膜对溶解性有机物的去除占主导作用。刘建广等认为活性炭的吸附周期仅为60天,其对污染物的去除主要依赖于生物作用。Hammes等也认为,随着运行时间的延长,炭池终变成生物炭池后,溶解性有机物的去除主要归功于生物降解。因而,生物膜的生长情况将直接影响污染物的去除效果,炭池中生物量和活性的认识将有助于炭池设计及维护良好的运行效果。

  虽然BAC滤池是去除污染物的有效工艺,但由于活性炭成为生物载体后,会在炭层中积累大量生物颗粒和非生物颗粒,可能会随出水流出,对供水生物安全构成潜在风险,因而炭池出水的生物安全性备受关注。

  目前关于降流式BAC滤池中生物量、生物活性及出水安全性的研究报道已经较多,然而,对升流式BAC滤池中的生物膜特性和出水安全性的研究仍然很少。本文采用脂磷法和平板菌落计数法(HPC)测定升流式BAC滤池中微生物量,采用比耗氧速率(SOUR)测定生物膜活性,并结合出水水质(CODMn,UV254和氨氮)评价BAC滤池的净水效果。

  此外,还将考察炭池出水的总细菌数、大肠杆菌、耐热大肠杆菌、贾第鞭毛虫和隐孢子虫的数量。

  1试验装置及方法1.1试验装置及运行参数BAC系统由于层高受限制,因此设计由两级炭柱组成。炭柱材质为不锈钢,直径400 mm,每级柱高1900 mm,底层铺100 mm厚的砾石作为承托层,炭层装填高度为1000 mm,每个炭柱设4个水取样口(每隔200mm设置一个,用数字1至8表示),分别在每根炭柱的上部(离炭层表面200 mm)和下部(离炭层表面800 mm)侧壁设置炭取样口(用字母A至D表示)。炭柱的尺寸如所示(单位mm)。

  采用山西大同生产的8x30目破碎炭,碘值1018mg/g,亚甲蓝195mg/g,堆积密度为378g/L.BAC系统的进水是臭氧氧化后出水,流量为1m3/h,空床停留时间为8 m/h,采用气-水联合反冲方式,反冲周期23天。炭柱从2011年4月31日开始运行,到2011年9月8日,运行期间水温为2425°C,进水水质如表1所示。

  由表1可知,运行期间炭柱进水水质浊度不高,平均值仅为0.89NTU;pH值在6.917.78之间;溶解氧充足,为6.688.05 mg/L;炭柱进水CODMn变化较大,在2.885.16 mg/L之间,平均值为3.91mg/L;但UV254波动不大,平均值为0.067cm-1. 1.2试验方法1.2.1生物量和活性的测定生物量采用脂磷法和平板菌落计数法测定。

  脂磷法:先取10 g炭置于100 mL具塞三角瓶中,加氯仿、甲醇和水萃取混合液(体积比为1:2:0.8)19mL,用力摇10分钟,静置12小时后加入氯仿和水各5mL,再静置12小时以萃取炭上微生物磷脂组分,取5mL含有脂类组分的氯仿相至10mL具塞刻度试管,70C水浴蒸干后加0.8 mL过硫酸钾溶液,加水至10mL置于高压蒸汽灭菌锅消解20分钟,消解后测定其磷酸盐量,以单位体积(由堆积密度计算得到,以下同)炭表面磷含量(nmol-P/cm3填料)表示炭柱生物量。

  表1运行期间炭柱进水水质项目浊度/NTU氨氮/(mg大值小值平均值取样点沿水流方向各污染物的浓度变化Fig.平板法:先取10g炭置于100mL具塞三角瓶中,加100mL解絮剂(0.01无菌焦磷酸钠溶液),用200rpm的转速振荡2小时,然后进行不同倍数的稀释,通过平板菌落计数法计算样品的细菌数。

  单位体积炭的生物活性采用比耗氧摄取速率(specificoxygenuptakerate,SOUR),表示单位体积生物量在单位时间内消耗的2的量(mgO2/(cm3-h))。测定时取10g炭置于100mL磨口塞瓶,加满臭氧后出水,用装有溶解氧仪探头的木塞塞紧,开动磁力搅拌器到大适当转速,待读数稳定后记录初始DO,用秒表开始计时,待DO降低1mg/L或时间到达45分钟停止搅拌。

  微生物安全性指标都按照国标GB/T5750.12― 2006的方法测定。

  1.2.2其他分析项目与方法CODMn用酸性高锰酸钾法(GB11892―89)测定;UV254表示在254nm下的紫外吸收值,采用紫外分光光度计测定(型号:752N,上海精科);氨氮用纳氏试剂分光光度法测定。

  2结果与讨论2.1污染物的沿程去除为沿着水流方向各污染物(CODMn,UV254和氨氮)的去除情况,各指标测定3次以上,每次测定两个平行样。由可知,两级BAC滤池对有机物和氨氮沿水流方向同步去除,空间并没有明显的先后顺序。CODMn和氨氮主要都是在水取样口1和2之间的炭层得以去除,而UV254反而在水取样口6和7之间得到较多的去除。此外,从(c)可以看出,从BAC1出水到BAC2进水的取样口5的氨氮增加,这可能是管道中一些生物膜脱落造成,部分有机氮转化成氨氮。

  由还可知,BAC滤池对各种污染物都有良池对CODMn,UV254和氨氮的平均去除率分别高达43.345.7c和92.9 2.2沿层生物量和生物活性分布2.2.1生物量分布通过脂磷法和HPC法测得各断面炭层生物量结果如所示。

  由可知,通过对生物炭池中不同滤层的微生物量测定,发现基于脂磷法测得的炭池生物量在4.867.49nmol/cm3之间,而用HPC法测得的生物脂类物质是所有细胞中生物膜的主要组分,9098的生物膜脂类是以磷脂形式存在的。由(a)可知,用脂磷法测定炭柱不同滤层的生物量,发现单位体积滤料的磷脂含量沿水流方向逐渐减少,由降低至4.86nmol/cm3,这与生物膜所处的营养水平一致。有机物和氨氮沿水流方向不断被消耗,微生物能获得的营养减少,因而生物量降低,这与刘建广等的研究结果一致。

  (b)为基于HPC法的生物量分析结果,与基于脂磷法的研究结果一致,滤池内生物量也是沿着水流方向逐渐降低,由取样口A的2.26x107CFU/cm3对比两种分析方法的结果可知,HPC法不能反映炭上所有细菌量。以炭1下为例,由于1nmol磷约相当于尤⑶//大小的细胞108个,炭1下的磷脂炭,而HPC法测定的活细胞数为2.26x107CFU/cm3炭,因而后者仅为前者的3.0.这是由于HPC法反映了炭上的总活菌数,而自然界中大部分微生物属于有活性但不可培养的,因而脂磷法能更全面地反映细菌总量。这一结果与于鑫等的研究结论一致,即HPC法测得的生物量仅为脂磷法测得的2.2.2生物活性生物量是表征生物滤池运行效果的重要指标,但仅仅利用这一个指标只能表征活性炭滤池运行的某些特征,而生物活性炭滤池运行的好坏还取决于滤柱内的生物活性,生物活性可以通过SOUR的变化来表征。测得炭层各滤层的生物活性结果如取样点SOUR法测定不同高度炭柱内的生物活性Fig.4Changeofbioactivityinthe所示。

  由可知,基于SOUR法所得单位体积填料的SOUR在10-2mg/(cm3.h)数量级,虽然升流式炭柱前端(下部)生物量比上部高,但上部(后端)活性却比前端高,即生物活性炭柱内单位体积填料的生物活性分布正好与生物量相反。这与于鑫等和伍治林等的研究结论一致。这可能是由于生物膜厚度的增加,对基质和溶解氧的传质过程产生限制作用,使得生物活性降低。

  此外,由发现,在同一炭柱内,后端的生物活性高于前端,这与生物膜的厚度及DO含量有关,而炭2下的生物量高于炭1上,但前者的生物活性却比后者低,这可能与DO含量有关,升流式炭柱的前端溶解氧低于上部。因而,基质和溶解氧都影响生物活性,炭柱1的基质浓度稍高于炭柱2,所以在同一滤层高度,生物活性前者高于后者。而在同一根炭柱,由于采用的是上向流,炭柱下部(前端)的生物膜厚度较厚,所以其生物活性反而低于上部(后端)。

  2.2.3生物量及活性与污染物去除关系方向的降低趋势与的生物量变化一致,说明污染物的去除与生物量有着密切的关系,而生物活性和污染物去除之间没有明显相关性,这可能是由于升流式炭柱中DO充足,生物活性较高,所以没有成为限制因素。

  此外,UV254的降低趋势和生物量相关性也不高((b)和),这可能是由于UV254所代表的含苯环类物质分子量较大,其去除主要靠吸附作用,而不是通过微生物降解作用。

  2.3炭柱出水的生物安全性生物活性炭工艺在运行过程中,炭层中积累的大量生物颗粒和非生物颗粒可能会随水流流出,使得活性炭出水中细菌增多,给饮用水的生物安全性带来隐患。因而有必要考察其出水的生物安全性,生物学测试结果如表2所示。

  由表2可知,炭柱出水的大肠杆菌、耐热大肠杆菌、大肠埃希氏菌、病原原生动物(如贾第鞭毛虫和隐孢子虫卵)均未检出,出水总菌落总数也仅为4CFU/mL,远远低于生活饮用水标准的限值100CFU/mL,这表明升流式生物活性炭工艺的出水水质能满足饮用水生物安全性要求。

  表2炭柱出水的生物安全性Table取样口总细菌数/(CFU-mL-1)总大肠杆菌/ L)-1)隐孢子虫/(个-(10 L-1))原水260421010未检出3出水4未检出未检出未检出未检出未检出3结论BAC滤池内生物量的高低对活性炭处理效果影响较大。生物量越高,CODMn和氨氮的去除效果越好,但对UV254的影响不大明显。由于DO充足,生物活性与污染物的去除没有明显的相关性。总大肠杆菌、耐热大肠杆菌、大肠埃希氏菌、贾第鞭毛虫囊和隐孢子虫卵均未在BAC滤池出水检出,其出水总菌落总数也仅为4CFU/mL,因而出水具有很高的生物安全性。

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