针对目前生物法中的常规填料只能提供二维生物附着面,而无法形成类似好氧颗粒的三维多膜层结构的问题,我们提出了“生物巢”的概念:经过电活性改性的柔性玄武岩纤维在水中的分散性和生物亲和性有明显的提升,经过合理编制的改性玄武岩纤维填料在水力作用下对微生物进行高效缠绕、包裹、支撑,以形成大尺寸的活性污泥聚集体(直径可达10 cm以上)。其所拥有的丰富微生物种群以及明显的三维多膜层微环境结构理论上可实现污废水中C、N、P、S等污染物质在单一反应器中的同步去除,可有效缩短水处理工艺流程。本文将对所提出的“生物巢”进行概念解释,并对其构建过程中的填料选择、形成过程以及作用机制等方面进行理论分析。 Currently, the traditional packing can only provide a two-dimensional attachment surface, and the attached bacteria can’t form the three-dimensional multilayered structure which is like aerobic sludge granular. In allusion to these problems, “bio-nest” as a novel concept is proposed, in order to treat the wastewater with a special three-dimensional multilayered structure. The “bio-nest” is based on soft Basalt Fibre (BF) packing which is modified in the surface electrical behavior. And the modified BF (MBF) shows excellent dispersibility in water and biocompatibility. The MBF packing can offer the effects of winding, parcels and support to the bacteria under the hydraulic agitation, and a globular activated sludge aggregate is formed with a large diameter of more than 10 cm. In addition, the removal of C, N, P, S and other pollutants by “bio-nest” is in a single reactor synchronously in theory due to the three-dimensional multilayered structure and the abundant biological species. Thus, in this work, the confirmation of packing materials, the parameters for the forming process and working mechanism of the “bio-nest” is analyzed systematically in theory.
吴智仁1,2*,蒋素英2,周向同2,蔡培杰2,谢菁2,陈园园2,石玲珑2,张波1,罗志军1
1江苏大学环境健康与生态安全研究院,江苏 镇江
2江苏艾特克环境设计研究院有限公司,江苏 宜兴
收稿日期:2016年7月25日;录用日期:2016年8月12日;发布日期:2016年8月15日
针对目前生物法中的常规填料只能提供二维生物附着面,而无法形成类似好氧颗粒的三维多膜层结构的问题,我们提出了“生物巢”的概念:经过电活性改性的柔性玄武岩纤维在水中的分散性和生物亲和性有明显的提升,经过合理编制的改性玄武岩纤维填料在水力作用下对微生物进行高效缠绕、包裹、支撑,以形成大尺寸的活性污泥聚集体(直径可达10 cm以上)。其所拥有的丰富微生物种群以及明显的三维多膜层微环境结构理论上可实现污废水中C、N、P、S等污染物质在单一反应器中的同步去除,可有效缩短水处理工艺流程。本文将对所提出的“生物巢”进行概念解释,并对其构建过程中的填料选择、形成过程以及作用机制等方面进行理论分析。
关键词 :生物巢,玄武岩纤维,三维多膜层结构,活性污泥法
中国是一个水资源相对匮乏的国家,我国的人均水资源量只有2300立方米,仅为世界平均水平的1/4,是全球人均水资源最贫乏的国家之一。作为最大的发展中国家,我国已经成为用水量最大的国家。同时,由于污废水的肆意排放,直接导致了淡水资源的急剧萎缩,用水的环境压力日趋严重。水利部于2016年1月公布的《地下水动态月报》显示,我国八成的浅层地下水属IV或V类水,不能直接饮用,这只是中国水环境现状的一个缩影。因此,加大污废水的治理,最大限度地实现达标排放,将是国家实行可持续发展战略的必经之路。
污废水的处理方法主要包括物理法、化学法、生物法以及基于以上方法的组合方法 [
1991年,Mishillla等发现了基于活性污泥法的“好氧颗粒污泥”技术 [
在传统的活性污泥水处理工艺中,为了实现COD、NH3-N、TN、TP、S等污染物的去除,需要拉长工艺流程(即对处理工艺进行有效组合),以实现较好的处理效果(达标排放),但其会进一步地提高基建用地面积与以及投资成本。而由于“生物巢”的尺寸较大,活性污泥的堆叠明显,受限于氧气的传质等因素,其具有和好氧颗粒污泥类似的三维多膜层结构(好氧层、兼氧层和厌氧层),可以通过“生物巢”中不同微生物种群的协同作用以实现COD、NH3-N、TN、TP、S等的同步去除。这将极大地缩短污废水处理工艺的流程,降低占地面积及投资成本。“生物巢”概念的提出,将打破活性污泥法占地面积大、工艺复杂、基建成本高等传统观念,为基于活性污泥法的水处理工艺的更大规模应用提供技术支撑。
在生物处理工艺中,填料作为微生物的载体材料可以强化生物法的水处理效能。现阶段,填料的种类有很多,从材料成分上可分为有机填料和无机填料;从呈现形式上可分为固定式填料、分散式填料和悬挂式填料。针对构建“生物巢”的实际需求,所需的填料能在水体中能自由分散,形成的笼状结构,对微生物的凝聚起到支撑、包裹的作用。在所有的填料类型中,柔性纤维类填料在水力作用下可自由分散,能形成无规则的笼状结构,这也是硬质和半柔性填料所不具备的性质。鉴于有机类柔性纤维填料生产过程不环保、使用寿命短、力学性能差的缺陷,无机类柔性填料因在生产过程相对环保、力学性能优异而成为构建“生物巢”的理想填料。
玄武岩纤维作为无机类柔性填料的典型代表,拥有其他纤维类填料所不具备的优异性能:1) 玄武岩纤维的生产过程产生的废弃物少,无CO2等污染气体排放,能耗低(仅为碳纤维生产能耗的1/16),产品废弃后可直接转入生态环境中或回收再加工,与传统的有机填料相比,玄武岩纤维是名副其实的可循环再生的绿色材料;2) 玄武岩纤维具有优良的力学性能,拉伸强度、弹性模量及断裂伸长率都比较大,与常用的玻璃纤维相比,其力学性能增强了30%,不易断裂;3) 玄武岩纤维耐酸、碱、盐性能好,耐紫外线老化能力强,比有机柔性纤维填料的使用寿命长;4) 经过数年的改性研究,玄武岩纤维表面的ζ电位可控在0~+30 mV范围之内,可有效消除细菌与玄武岩纤维表面的能量势垒,提高玄武岩纤维的表面生物亲和性,促进微生物在玄武岩纤维表面的高效附着;5) 玄武岩纤维的丝径为微米级(7~21 μm)且柔韧性好,在水力作用下很容易相互交错,自发地形成空间笼状结构,对已附着的高密度微生物具有缠绕、包裹、支撑作用。因此,我们认为玄武岩纤维将是构建“生物巢”的最优填料。
经过项目组多年的研究,已研究了多种玄武岩纤维表面电位改性的复合制剂,其主要由界面剂、活性剂、改质剂等组成,如聚丙烯树脂、EDTA和含钙试剂所组成的复合制剂可以使玄武岩纤维表面的ζ电位呈正电性。通过复合制剂的改性后发现玄武岩纤维表面的ζ电位可以实现可控修饰,控制范围为0~+30 mV。ζ电位是分散系稳定性的重要指标,随着玄武岩纤维表面的ζ电位(正)的增加,玄武岩纤维在水体中的分散性以及分散的稳定性将会得到增强,可以使其在水体中充分分散,增大其与微生物接触的几率,实现更多活性污泥的吸附;
与此同时,我们还开发了一种表征纤维材料表面生物亲和性的方法:将0.5 g的纤维放置在含有8.0 × 108个细菌的溶液中,经过两个小时后,通过观测溶液中的菌含量来估测纤维材料的表面亲和性。结果显示经过电活性改性后,使呈负电性的玄武岩纤维带上正电荷,其可以与带负电荷的微生物高效结合,数据显示改性玄武岩纤维的细菌吸附率可达95%以上。这说明该类改性可以有效地降低或消除微生物与玄武岩纤维表面的势能壁垒,提高玄武岩纤维表面的生物亲和性,增强了微生物在其表面的附着能力,增加了活性污泥的附着量,这将有利于“生物巢”的快速构建。
经过研究发现,玄武岩纤维的直径将直接影响材料在水中的分散性、力学性能、柔韧性等。如果玄武岩纤维的直径较粗,虽然在受力能力方面会有所增加,但在分散性、柔韧性方面会有明显减弱;如果玄武岩纤维的直径较细,虽然在分散性、柔韧性方面有所增加,但在受力能力方面会有所减弱。为了进一步验证我们的分析,我们对同等质量的7 μm、9 μm、11 μm、13 μm、17 μm、19 μm、21 μm改性玄武岩纤维填料进行了2个月的培养,并对所得到的“生物巢”的生物负载量(污泥负载量)进行了监测,结果如图1所示。结果表明,同等质量的改性玄武岩纤维填料随着纤维直径的减小,活性污泥的负载量呈不断上升的趋势,在13 μm处出现明显的拐点:增速变缓。这说明纤维直径越小,它的承载力会变弱,对于活性污泥的支撑力减弱;所以到后期,单丝直径较小的玄武岩纤维填料会因为过多过重的污泥而出现单丝断裂的现象,从而引发污泥剥落的情况,致使活性污泥附着量几乎无增加。与此同时,改性玄武岩纤维的制造成本随着纤维的单丝直径不断变小而不断攀升。综上,我们选择单丝直径为13 μm的改性玄武岩纤维作为构建新型填料的最佳直径。
与此同时,纤维束单丝的数量也影响到“生物巢”的构建。只有当玄武岩纤维的单丝达到一定数量的时候,才能在水力作用下,快速分散并形成笼状结构,对附着在玄武岩纤维表面的活性污泥起到包裹、支撑的作用。玄武岩纤维丝的数量过少,包裹、支撑能力不够,活性污泥无法高效附着;其数量过多,成本增加的同时,纤维细丝之间会相互干扰,影响其分散性,“生物巢”的球径增大也会受到干扰。通过对5~30万根纤维丝所构成的纤维束进行对比发现单丝达到20万根时(如图2所示),对“生物巢”的构建最为有利。
活性污泥在玄武岩纤维的层层包裹下,可形成直径达10 cm以上的球状活性污泥聚集体(如图3所示)。通过类比好氧颗粒污泥,我们认为“生物巢”同样具备多膜层结构。
之所以这么认为,主要基于以下几点认识:
图1. 同等质量、不同丝径改性玄武岩纤维填料的污泥负载量
图2. 玄武岩纤维填料
图3. “生物巢”
通常,生物膜具有异质性,组成膜的菌团、胞外聚合物及孔穴等在膜内离散分布。这种非均质性决定了流体能够通过扩散和对流等形式完成传质过程 [
与此同时,我们发现在“生物巢”的形成过程中,由于玄武岩纤维在水中分散过程中的无规则性,造成“生物巢”本体上会有一些无规则的孔洞,这将影响包括DO、营养物质等在巢体内的传质均匀性,这也是“生物巢”在物理结构上产生异质性的重要原因之一。
在好氧处理工艺中,随着DO从本体溶液向生物膜内部的传输与消耗,有序的好氧–缺氧和/或厌氧层就会出现。活性生物膜的厚度一般小于2 mm [
就本研究而言,成熟的“生物巢”在水体中的直径可达到10 cm以上,因此DO扩散和消耗造成的分层现象将会更加多样和明显。此外,各分层的厚度是限制DO或营养成分传输的一个重要因素 [
就普通生物膜而言,随着各膜层微环境的改变,菌群的组成与呼吸类型也存在分层化现象。比如,生物膜的好氧层存在着异养菌和自养硝化菌对氧(氧为其共同电子受体)的竞争,快速生长的异养菌更倾向于在生物膜表面生长,而自养硝化细菌由于生长缓慢通常在好氧层较深处生长 [
此外,在废水中存在多种电子供体(如有机物、S2−等)和受体(如
在前期的探索中发现,“生物巢”确实存在脱氮(硝化和反硝化同时存在)和除硫效果。上面的分析显示,硝化菌分布在好氧区,反硝化菌分布在缺氧区,而硫酸盐还原菌又是绝对的厌氧菌,存在于厌氧区。也就是说,脱氮和除硫的效果从一个侧面验证了“生物巢”存在多膜层结构。与此同时,我们对“生物巢”内部的菌群做了初步的分析。结果表明,“生物巢”内部存在着丰富的微生物菌群,其中存在包括硝化细菌、亚硝化单胞菌等好氧型自养菌群;也包括反硝化杆菌等兼性厌氧菌;也同时还存在包括硫酸盐还原菌等绝对厌氧菌群,直接证明了“生物巢”存在适合好氧、缺氧、厌氧菌群生长的环境,也从侧面证明“生物巢”可能存在的多膜层结构。而对于多膜层具体的内部结构还不得而知,需要进一步地研发。
综上所述,我们可以利用玄武岩纤维作为悬挂式柔性填料,通过控制其表面的ζ电位、细丝直径以及单体中细丝的数量,可以有效地控制玄武岩纤维填料在水中的分散性,表面的微生物附着能力以及承重能力,促进“生物巢”的快速高效的构建。受限于氧气的传质,“生物巢”呈现出明显多膜层结构。和好氧颗粒污泥类似,丰富的好氧、兼氧、厌氧菌群的同时存在,可以实现C、N、P、S等污染物的同步去除。也就是说“生物巢”不仅具备好氧颗粒污泥技术的不易膨胀、抗冲击力强、有机负荷承受能力大等优点,同时还具有结构稳定可控、生物量丰富等优点。
现阶段,水处理工艺包括A/O工艺、A2/O工艺、A2/O2工艺、氧化沟技术等都存在着工艺流程长,控制单元多,人力、物力、财力消耗严重等技术瓶颈,因此,工艺流程短,控制单元少,节能降耗的新工艺技术将备受青睐。而基于改性玄武岩纤维新型填料的“生物巢”因其丰富的生物量、明晰的多膜层结构,由于内部支撑所获得高效稳定性,可以实现在单一反应器中实现C、N、P、S等多组分的高效去除,这将促进水处理工艺流程的大大缩减。这也正是水处理工艺技术发展的方向。我们坚信“生物巢”技术将在未来的污废水治理领域占有一席之地。
感谢“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAC08B01);江苏省科技成果转化专项资金项目(BA2015017);江苏省重点研发计划项目(社会发展)(BE2016636)对本工作的资金支持。
吴智仁,蒋素英,周向同,蔡培杰,谢 菁,陈园园,石玲珑,张 波,罗志军. “生物巢”形成及其水处理机制的理论分析 The Theoretical Analysis for the Formation and Wastewater Treatment Mechanism of “Bio-Nest”[J]. 环境保护前沿, 2016, 06(04): 61-68. http://dx.doi.org/10.12677/AEP.2016.64009