基于不同濾料的生物濾池處理污染湖水的研究

李思敏，唐珍芳，趙靜霄，李傳龍

(1.河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲056038;2.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056038)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，河流、湖泊水污染不斷加劇，進(jìn)而導(dǎo)致了城市河湖水體水質(zhì)及水生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化。生物濾池是將生物膜處理技術(shù)和過(guò)濾技術(shù)結(jié)合在一起的水處理技術(shù)，集生物降解、過(guò)濾、吸附于一體，具有去除SS、COD、－ N、脫氮除磷等作用［1]。濾料作為生物濾池的重要載體，它的選擇直接影響到整個(gè)工藝的運(yùn)行效果。李亞新［2]對(duì)生物砂濾池處理微污染原水中的氨氮、濁度和酚類(lèi)等進(jìn)行了靜態(tài)研究;李德生等［3]采用生物活性濾料和石英砂組成的雙層濾料濾池，研究了其對(duì)受污染原水的氨氮、有機(jī)物等的去除效果;鄭俊等［4]的研究表明，生物陶粒濾池出水水質(zhì)較火山巖濾池好，同時(shí)在濾池運(yùn)行初期掛膜和反沖洗后恢復(fù)期方面優(yōu)勢(shì)明顯。因此，選擇處理高效、價(jià)格低廉的濾料，對(duì)生物濾池工藝的應(yīng)用具有重要意義［5－6]。本文選用了2種不同粒徑的活性炭、兩種不同粒徑的石英砂和陶粒等5種不同濾料，對(duì)比考察了不同濾料的濾池對(duì)受污染湖水中的濁度、CODMn、NH4+－N和TN的去除效果。

1 材料及方法

1.1 原水水質(zhì)

原水水質(zhì)及分析方法如表1所示。

1.2 濾料

選用了2種不同粒徑的活性炭、2種不同粒徑的石英砂和陶粒濾料，分別填充5個(gè)生物濾柱進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，濾料參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用5個(gè)濾柱結(jié)構(gòu)及尺寸均相同，均由有機(jī)玻璃制成，截面面積為140 mm×140 mm，總高度2 100 mm，其中承托層高度300 mm、濾料高度900 mm、濾料以上過(guò)濾水頭900 mm。1、2號(hào)濾柱裝填不同粒徑的活性炭濾料，3、4號(hào)濾柱中裝填不同粒徑的石英砂濾料，5號(hào)濾柱中裝填陶粒濾料。每個(gè)濾柱沿程設(shè)取樣口，上部設(shè)進(jìn)水口和反沖洗排水口，下部設(shè)出水口和曝氣口。其中1號(hào)裝置示意圖如圖1所示。

表1 原水水質(zhì)及檢測(cè)方法Tab.1 Raw water quality and monitoring method

表2 濾料及參數(shù)Tab.2 Parameters of filter media

試驗(yàn)采用穿孔管曝氣，反沖洗方式采用氣－水聯(lián)合反沖洗，反沖洗過(guò)程及操作參數(shù)為:單獨(dú)氣洗1.5 min，氣洗強(qiáng)度14 L/(m2·s);氣 － 水聯(lián)合沖洗3 min，氣洗強(qiáng)度10 L/(m2·s)，水洗強(qiáng)度18 L/(m2·s);單獨(dú)水洗 3 min，強(qiáng)度 20 L/(m2·s);1、2號(hào)濾柱反沖洗周期為96 h，3、4號(hào)濾柱反沖洗周期為72 h，5號(hào)濾柱反沖洗周期為120 h。

2 結(jié)果與討論

當(dāng)原水 pH值為6.6～7.8、水溫為16～22℃、水力負(fù)荷為5 m3/(m2·h)、氣水比為1.5:1時(shí)，分別考察了5個(gè)濾柱穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)對(duì)濁度、CODMn、NH4+－N和TN的去除效果。

2.1 對(duì)濁度的去除效果

各濾柱對(duì)濁度的去除率如圖2所示。

由圖2可知，生物濾池對(duì)濁度有很好的去除效果。在進(jìn)水濁度為5.3～18.2NTU時(shí)，1～5號(hào)濾柱對(duì)濁度的去除率分別為80.1% ～91.87%、78.3% ～ 91.59%、82.1% ～ 92.56%、83.1% ～94.02%和71.3% ～ 84.6%，平均去除率分別為84.45%、84.26%、87.02%、87.91% 和 75.63%。生物濾柱對(duì)濁度的去除主要是依靠濾料的截留和吸附作用，另外濾料上生物膜的吸附及粘附作用等對(duì)濁度也有一定的去除效果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，石英砂濾料的除濁效果較好，同種濾料小粒徑的對(duì)濁度的去除效果優(yōu)于大粒徑的，這是由于小粒徑的濾料空隙率小、截留作用更加充分。結(jié)果顯示，4號(hào)柱的除濁效果最佳，這是因?yàn)?號(hào)濾柱石英砂濾料粒徑較小，且比重大、空隙率小，因而濾料對(duì)懸浮物的物理截留較充分。由于5號(hào)柱的陶粒濾料粒徑較大，導(dǎo)致部分懸浮物未被截留而直接隨出水流走，因而除濁效果較差。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水力負(fù)荷對(duì)濁度的去處效果影響較小，原水的濁度直接影響濁度的去除率，原水濁度高時(shí)的除濁率高于低濁度時(shí)的除濁率。

2.2 對(duì)CODMn的去除效果

各濾柱對(duì)CODMn的去除率如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)進(jìn)水CODMn在3.8～ 9.7 mg/L時(shí)，1～5號(hào)濾柱對(duì) CODMn的去除率分別為31.44% ～ 41.97%、29.77% ～ 38.79%、26.33%～ 33.89%、28.41% ～ 34.86% 和 31.7% ～39.85%，平均去除率分別為 36.82%、35.05%、30.63%、32.43% 和 35.79%。可見(jiàn)，活性炭對(duì)CODMn的去除效果較好，陶粒次之，石英砂相對(duì)較差。這是因?yàn)椋到釩ODMn主要依靠濾料上附著的生物膜，因此單位濾料體積的微生物量越多，對(duì)CODMn的去除效果越好。1、2號(hào)濾柱中裝填的活性炭濾料因其比表面積大，因而附著生長(zhǎng)的生物量較多。

同時(shí)由于活性炭濾料有較大的孔隙率和較高的粗糙度，因此反沖洗后生物活性恢復(fù)較快，去除效果較好(因試驗(yàn)中活性炭濾料不是新料，其吸附能力已經(jīng)趨于飽和，所以吸附性能不予考慮)。5號(hào)濾柱陶粒濾料粒徑較大、空隙率大、比表面積較大，對(duì)大分子有機(jī)物具有很強(qiáng)的吸附作用，因此對(duì)CODMn也有較強(qiáng)的去除效果。石英砂濾柱中，由于濾料孔隙率較小，濾柱中生物量相對(duì)活性炭濾柱、陶粒濾柱較少，因而去除效果較差。同種濾料，粒徑小的比表面積較大，因而其對(duì)CODMn的去除效果略好于大粒徑的。試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，石英砂濾料由于密度較大，長(zhǎng)期處于過(guò)濾狀態(tài)后濾柱水頭損失增長(zhǎng)較快，因而反沖洗周期較短。

2.4 對(duì)TN的去除效果

各濾柱對(duì)TN的去除率如圖5所示。

圖5結(jié)果表明，生物濾池對(duì)TN有一定的去除效果。當(dāng)進(jìn)水TN濃度為4.6～8.6 mg/L時(shí)，1～5號(hào)濾柱對(duì) TN的去除率分別為 8.24% ～11.59%、8.08% ～ 11.24%、6.47% ～ 9.52%、6.83% ～ 10.14%和 7.21% ～ 10.84%，平均去除率分別為 10.19%、9.69%、7.91%、8.46% 和8.85%?？梢?jiàn)，活性炭對(duì)TN去除效果最好，陶粒次之，石英砂較差;對(duì)于同種濾料，小粒徑濾料的去除效果優(yōu)于大粒徑的。生物濾柱對(duì)TN去除效果較差，主要是由于原水中污染物濃度較低，在這種好氧貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中濾料表面所形成的生物附著膜厚度較薄，再加之水中溶解氧濃度較高、C/N較低，因而限制了反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖。因此，為達(dá)到更好的脫氮效果，可根據(jù)反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的環(huán)境特點(diǎn)，考慮在現(xiàn)有的生物濾池前(或?yàn)V池后)加設(shè)缺氧柱，并適當(dāng)投加碳源，如甲醇［8]。通過(guò)改善濾池環(huán)境和碳氮比，從而改善濾池對(duì)TN的去處效果。

3 結(jié)論

3)陶粒濾料由于粒徑較大，空隙率大，因此對(duì)濁度的去除率較差，對(duì)濁度、－N和TN 的去除率分別為 75.63%、35.79%、80.06% 和8.85%。

4)石英砂濾料除濁效果好，在微污染景觀(guān)湖水的生物過(guò)濾處理中可以滿(mǎn)足有機(jī)物及－N的處理要求，成本較活性炭低廉，采用石英砂濾料即可取得良好的水質(zhì)改善效果。

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