塑料填料曝氣生物濾池處理河水的應(yīng)用研究

吳 晶

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 200232)

曝氣生物濾池(BAF)作為一種有效的水處理工藝，以其出水效果好、運(yùn)行穩(wěn)定、占地小等優(yōu)點(diǎn)在水處理中得到重視，特別是在凈水處理和深度處理中應(yīng)用廣泛［1］。

填料是BAF的重要組成部分，它是微生物的載體，決定了反應(yīng)器內(nèi)附著生長(zhǎng)的微生物量，也影響著內(nèi)部傳質(zhì)效果，同時(shí)對(duì)懸浮物有一定的過(guò)濾作用。不同的填料，其基建投資、運(yùn)行成本和處理的效果都會(huì)有差異，選擇一種合適的填料是BAF工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有著重要的意義。

近年來(lái)一些研究和實(shí)踐顯示，塑料填料與傳統(tǒng)的陶粒填料相比，具有曝氣量和曝氣壓力損失小、反沖洗時(shí)不易破碎、更換頻率低、能耗及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究以河水為水源，以出水氨氮小于0.5mg/L為目標(biāo)，通過(guò)小試比選了四種塑料填料，并對(duì)通過(guò)中試對(duì)比選出的最佳填料的運(yùn)行條件和效果進(jìn)行了研究，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 塑料填料比選小試

1.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中四種填料性能參數(shù)和形狀如表1所示。

表1 四種不同塑料填料性能參數(shù)

1.1.2 試驗(yàn)方法

接種:分別將4種填料用河水淘洗之后浸入河水中放置一夜待用;分別將取自某污水處理廠的回流污泥10L，生活污水10L，以及河水25L，注入1～4號(hào)反應(yīng)器中，然后放入準(zhǔn)備好的填料，進(jìn)行曝氣并采集初始樣品。

試驗(yàn)流程:

a.每天8∶30、20∶30采集樣品，測(cè)定水體中氨氮與CODCr值，計(jì)算其耗氧速率與硝化速率。采集樣品后，加入碳源(醋酸鈉)與氮源(氯化銨)，維持反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度為 15mg/L，BOD5為 50mg/L。

b.在掛膜初期階段，為了降低加入碳源和氮源帶入的鹽分，每天停止曝氣半小時(shí)后，排出上清液15L，并注入等體積的新鮮河水。為了適當(dāng)降低器內(nèi)MLSS的濃度，從第六天開始，每天排出15L混合液，并注入等體積的河水。

c.用CaCO3緩沖溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)pH，使其維持在7～8之間。

d.測(cè)定培養(yǎng)期間溶解氧、pH及硝化速率變化狀況。

1.2 填料中試

1.2.1 掛膜

根據(jù)小試結(jié)果，將選出的最佳填料在中試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行接種掛膜。BAF反應(yīng)器直徑1m，總高度4.5m，填料高度2.5m，填充率約80%。

將經(jīng)過(guò)河水浸泡24h的填料同取自污水處理廠的活性污泥共同注入反應(yīng)池中。填料在反應(yīng)器中經(jīng)過(guò)四周左右的培養(yǎng)，以利于生物膜在填料表面的生長(zhǎng)。整個(gè)掛膜過(guò)程中，一天內(nèi)測(cè)定1～3次氨氮、CODCr、溶解氧、MLSS以及堿度，并根據(jù)測(cè)定結(jié)果，將 KH2PO4、Na2CO3、CH3COONa、和 NH4HCO3加入反應(yīng)器中以維持適宜的磷酸鹽、氨氮、CODCr、氨氮濃度和堿度。

在整個(gè)掛膜過(guò)程中，各試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 掛膜過(guò)程各營(yíng)養(yǎng)物濃度指標(biāo)

1.2.2 BAF運(yùn)行試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)四周左右的試驗(yàn)，掛膜完成，此時(shí)排空BAF后開始向BAF連續(xù)注入河水，最初BAF中河水的流量為1m3/h;不斷減少BAF的進(jìn)氣量，使BAF出水DO維持在最小4mg/L。此后四周中逐步增大BAF中河水流量，最大至6m3/h。

1.2.3 硝化速率的測(cè)定

通過(guò)兩種方法對(duì)其測(cè)定:

a.首先從反應(yīng)器中取12L填料，輕輕地用河水將填料沖洗3次，去除表面附著的懸浮物，并將填料平均放入三個(gè)燒杯中;然后將河水注入燒杯中直至5L;將氨氮加入燒杯中以提高氨氮濃度，并進(jìn)行曝氣，每隔1h取一次樣品并測(cè)定氨氮濃度。

b.利用1.2.2中BAF運(yùn)行試驗(yàn)所測(cè)定的進(jìn)、出水氨氮濃度計(jì)算BAF的硝化速率。

1.3 BAF氨氮沖擊負(fù)荷試驗(yàn)

為確保BAF出水氨氮能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，進(jìn)行BAF沖擊負(fù)荷試驗(yàn)。在上述試驗(yàn)完成后，通過(guò)人為改變進(jìn)水氨氮濃度，并測(cè)定、計(jì)算各濃度下BAF的硝化速率，以確定BAF的處理水量與進(jìn)水氨氮濃度之間的關(guān)系，計(jì)算不同處理水量下的最大氨氮負(fù)荷，為設(shè)計(jì)運(yùn)行提供可靠參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 填料比選小試

2.1.1 各填料掛膜與運(yùn)行情況

由圖1可見(jiàn)，硝化速率與水溫的變化趨勢(shì)一致。在培養(yǎng)的前7天，硝化速率明顯上升，一方面是因?yàn)樗疁厣仙?，另一方面可能是由于微生物量的增加。從培養(yǎng)第7天開始，水溫降低，而且循環(huán)換水過(guò)程使各反應(yīng)器內(nèi)活性污泥濃度降低，因此硝化速率顯著下降。隨著水溫回升和微生物量的增加，在培養(yǎng)第13天后各反應(yīng)體系硝化速率均出現(xiàn)上升趨勢(shì)。與培養(yǎng)前期相比，在相同的水溫條件下，培養(yǎng)后期即使在各反應(yīng)體系活性污泥濃度已大幅下降的情況下，其硝化速率仍維持在較高的水平，對(duì)于3、4號(hào)反應(yīng)體系而言，硝化速率還略高于前期培養(yǎng)階段，可見(jiàn)培養(yǎng)期間填料表面生物膜生長(zhǎng)良好。

圖1 小試期間各反應(yīng)器內(nèi)硝化速率與水溫變化情況

2.1.2 各填料硝化速率測(cè)定

從圖2可見(jiàn)，3號(hào)填料硝化速率最好，兩次測(cè)試中分別為0.8、1.0mgNH3-N/L/h以上;其次為4號(hào)填料，其兩次測(cè)試結(jié)果分別為0.6、0.8mgNH3-N/L/h左右;1、2號(hào)填料則幾乎沒(méi)有發(fā)生硝化反應(yīng)。從填料表面形態(tài)看，3、4號(hào)填料有明顯的生物膜生長(zhǎng)，1、2號(hào)則不明顯。

圖2 硝化速率測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

與4號(hào)填料相比，3號(hào)填料比重較大，在曝氣量小的情況下，基本沉在底層，便于生物膜的生長(zhǎng)。但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，特別是在反沖洗階段，可能會(huì)造成生物膜的大量脫落，影響處理效果。而4號(hào)填料流化效果好，即使在小曝氣量情況下，仍然會(huì)相互碰撞，因此生長(zhǎng)的生物膜會(huì)相對(duì)牢固。鑒于此，本研究認(rèn)為4號(hào)填料為最佳填料，并用4號(hào)填料進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 中試運(yùn)行

2.2.1 BAF運(yùn)行情況

圖3 不同進(jìn)水流量和氨氮濃度下的去除效果

圖3顯示了BAF在不同進(jìn)水量情況下氨氮的去除情況。從圖3可見(jiàn)，在各個(gè)水量條件下，出水氨氮均能夠滿足低于0.5mg/L的處理要求，其平均值為0.33mg/L。當(dāng)進(jìn)水流量增大到6m3/h時(shí)，出水氨氮稍微增加，這表明BAF的處理能力可能達(dá)到最大限度。

2.2.2 氣量要求

在BAF正常運(yùn)行狀況下，相比陶粒而言，塑料填料需要的氣量更少。經(jīng)過(guò)氣體流量計(jì)測(cè)定，顯示上述反應(yīng)階段的平均氣量為3m3/h，即氣水比為1∶2，這一氣量能充分滿足DO值保持4mg/L的要求。而對(duì)于陶粒填料，一般氣水比為3∶1，是當(dāng)前所用氣量的6倍。

2.2.3 硝化速率測(cè)定

2.2.3.1 燒杯試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)中進(jìn)行了四次硝化速率測(cè)定，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)擬合［2］，如圖4所示。最大硝化速率為1.67mg/(L·h)，以此所得填料表面積的最大硝化速率為50.1mg/(m2·d)。

圖4 填料硝化速率動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果

2.2.3.2 BAF運(yùn)行試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

利用圖3中所測(cè)定的進(jìn)、出水氨氮濃度計(jì)算BAF的硝化速率，并與燒杯試驗(yàn)擬合結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 填料硝化速率試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

從圖5可見(jiàn)，通過(guò)BAF運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的硝化速率波動(dòng)較大，其最大硝化速率為3.0mg/L·h，這一結(jié)果明顯高于燒杯試驗(yàn)所得的結(jié)果。之所以出現(xiàn)這種差異，是因?yàn)锽AF運(yùn)行過(guò)程中所得的測(cè)量結(jié)果精確性較差，且只有一個(gè)進(jìn)水、出水和流量數(shù)據(jù)，而燒杯試驗(yàn)每組數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，精確性較好。

2.3 BAF氨氮沖擊負(fù)荷試驗(yàn)

在BAF運(yùn)行30天后，開始向進(jìn)水中人工投加NH4HCO3，并在不同流量下對(duì)進(jìn)出水氨氮濃度及體系的氣量進(jìn)行測(cè)定，如圖6所示。

圖6 BAF進(jìn)出水氨氮、流量和氣量數(shù)據(jù)

從圖6可看出，在未投加NH4HCO3前，進(jìn)水氨氮濃度在0.43～1.29mg/L之間，當(dāng)進(jìn)水量從1m3/h逐漸升至6m3/h，出水氨氮濃度稍微增加但仍小于0.5mg/L，表明BAF的處理能力可能接近最大限;在BAF運(yùn)行到59～64天時(shí)，提高進(jìn)水量到7m3/h，進(jìn)水氨氮濃度維持在0.79～1.5mg/L，出水氨氮濃度為0.48～0.68mg/L，基本上不能達(dá)到0.5mg/L的控制標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，在正常進(jìn)水條件下，BAF能保持氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的最大進(jìn)水量為6m3/h。

在BAF運(yùn)行到第70～75天之間時(shí)，保持進(jìn)水量為6m3/h，進(jìn)水氨氮濃度提高到1.44～1.92mg/L，此時(shí)出水氨氮濃度為0.53～0.89mg/L，基本上不達(dá)標(biāo);而當(dāng)BAF運(yùn)行在第43～54天之間時(shí)，進(jìn)水量為5m3/h左右，進(jìn)水氨氮濃度在2.0mg/L以上，出水氨氮超標(biāo)率為55%。通過(guò)SPSS17.0相關(guān)分析，得出進(jìn)水氨氮負(fù)荷和出水氨氮濃度在0.01水平上存在顯著雙側(cè)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.77，兩者關(guān)系如圖7所示。

圖7 BAF進(jìn)水氨氮負(fù)荷和出水氨氮濃度的關(guān)系

從圖中可以看出，當(dāng)氨氮出水濃度為0.5mg/L時(shí)，進(jìn)水氨氮負(fù)荷為0.18kg/d，即91.72gNH3-N/(m3·d)，重現(xiàn)率為85.2%。因此可得出，BAF最大氨氮進(jìn)水負(fù)荷為91.72gNH3-N/(m3·d)。

3 結(jié)論和建議

a.小試中，通過(guò)對(duì)比四種塑料填料的硝化速率和運(yùn)行效果，4號(hào)填料為最佳填料。

b.中試采用4號(hào)填料，在正常河水進(jìn)水條件下，BAF系統(tǒng)最大進(jìn)水量為6 m3/h，出水氨氮可以穩(wěn)定達(dá)到小于0.5mg/L，氣量要求遠(yuǎn)低于常規(guī)陶粒濾料;此時(shí)填料表面積的最大硝化速率為50.1mg/(m2·d)。

c.BAF在沖擊負(fù)荷下最大氨氮進(jìn)水負(fù)荷為91.72gNH3-N/(m3·d)?！?/p>

1 劉旭陽(yáng)，杜茂安，范振強(qiáng).污水處理曝氣生物濾池填料性能研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(11):1835-1839.

2 徐斌，夏四清，胡晨燕.MBBR生物預(yù)處理工藝硝化工程動(dòng)態(tài)模型的建立［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(5):735-739.