BAF預(yù)處理微污染水源水反沖洗試驗(yàn)研究

胡友彪(1963-),男,江蘇泰州人,安徽理工大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

BAF預(yù)處理微污染水源水反沖洗試驗(yàn)研究

唐文鋒1,2,胡友彪1,孫豐英1

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001; 2.淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑工程系,安徽 淮南232038)

摘要:文章采用曝氣生物濾池(BAF)預(yù)處理微污染水源水,對(duì)反沖洗參數(shù)、最佳反沖洗工況下出水SS和不同掛膜方法下系統(tǒng)反沖洗前后生物量變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:氣沖洗強(qiáng)度、水漂洗時(shí)間、氣預(yù)沖洗時(shí)間分別是反沖洗前后濾池生物活性變化率、反沖洗結(jié)束時(shí)出水濁度及反沖洗能耗的最大影響因素;BAF預(yù)處理微污染水源水最佳反沖洗工藝條件如下:氣沖洗強(qiáng)度為7.5 L/(s·m2),氣預(yù)沖洗時(shí)間為6 min,水沖洗強(qiáng)度為1.5 L/(s·m2),氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間為4.5 min,水漂洗時(shí)間為4 min。在最佳反沖洗工況下,反沖洗出水SS變化基本與反沖洗出水濁度變化相吻合;反沖洗前后,接種掛膜、自然掛膜下系統(tǒng)生物量分別減少27.43%、21.44%。

關(guān)鍵詞:微污染水源;曝氣生物濾池;反沖洗;生物活性

收稿日期：2013-12-27；修回日期：2014-03-03

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金資助項(xiàng)目(2011SQRL197);淮南市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013A4202)

作者簡介：唐文鋒(1979-),男,河南商丘人,安徽理工大學(xué)博士生,淮南聯(lián)合大學(xué)副教授;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.023

中圖分類號(hào):X524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Experimentalstudyofbackwashingparametersofbiologicalaerated

filterusedforthepretreatmentofmicro-pollutedwater

TANGWen-feng1,2,HUYou-biao1,SUN Feng-ying1

(1.SchoolofEarthScienceandEnvironmentalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China; 2.Dept.ofCivilEngineering,HuainanUnionUniversity,Huainan232038,China)

Abstract:The technology of biological aerated filter(BAF) was used for the pretreatment of micro-polluted water. The backwashing parameters, the SS of effluent under the optimal condition of backwashing and the biomass changes of BAF with different formation methods after backwashing were discussed. The experimental result shows that air-backwashing intensity, water-backwashing time and single air-backwashing time are the most important impact factor of the change rate of bioactivity, the turbidity of backwashing water and the energy consumption of backwashing respectively. The optimal backwashing parameters of BAF used for the pretreatment of micro-polluted water are as follows: air-backwashing intensity is 7.5 L/(s·m2), single air-backwashing time is 6 min, water-backwashing intensity is 1.5 L/(s·m2), air-water-backwashing time is 4.5 min and single water-backwashing time is 4 min. The change of SS in backwashing water is coincident with the turbidity of backwashing water under the optimal condition of backwashing, and the amount of biomass formatted by inoculated formation or natural formation in BAF decreases by 27.43% and 21.44% respectively after backwashing.

Keywords:micro-pollutedwaterresource;biologicalaeratedfilter(BAF);backwashing;bioactivity

近年來,水質(zhì)性缺水問題非常嚴(yán)重。許多城市雖然水資源豐富,但是水源水受到了嚴(yán)重的污染,主要表現(xiàn)為氨氮濃度上升,溶解氧下降,有機(jī)污染加重,原水水質(zhì)呈下降態(tài)勢(shì)[1],但污染物濃度相對(duì)較低,通常被稱為微污染水[2]。面對(duì)地表水質(zhì)的不斷惡化,常規(guī)水處理工藝已不能有效去除CODMn、氨氮等污染物[3],尋求替代或改進(jìn)工藝是必然趨勢(shì)。目前,對(duì)微污染水進(jìn)行生物預(yù)處理成為研究的熱點(diǎn)。曝氣生物濾池(BAF)集生物過濾、生物吸附和生物氧化于一體,可同時(shí)起到普通曝氣池、二沉池和砂濾池的作用,是一種高效、低耗的水處理工藝[4-5]。但濾池運(yùn)行一定時(shí)間后,填料表面和濾床空隙中的生物顆粒和非生物顆粒不斷積累,濾池的過水通道減小,濾池內(nèi)的水頭損失增大,出水量減小,發(fā)生“穿透”現(xiàn)象[6],從而使出水水質(zhì)變差,濾池需要再生以恢復(fù)其處理能力。而反沖洗是維持曝氣生物濾池正常功能的關(guān)鍵[7]。本試驗(yàn)以某水庫水為研究對(duì)象,采用升流式曝氣生物濾池(UBAF)進(jìn)行預(yù)處理研究,利用正交試驗(yàn)重點(diǎn)討論了不同反沖洗參數(shù)對(duì)反沖洗效果的影響,以期確定最佳反沖洗參數(shù),為工程實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1　試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)用水

試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1,28.氣泵　2,8,21,29.流量計(jì)　3,30.曝氣器

BAF反應(yīng)器為由有機(jī)玻璃加工而成的圓柱體,內(nèi)徑為90mm,總高1.5m,內(nèi)置φ2～3mm陶粒濾料,陶粒堆積密度為0.75 ～0.95g/cm3,表觀密度為1.4～1.8g/cm3,空隙率27%～29%,比表面積2.6×104cm2/g;濾柱一側(cè)沿濾料頂部向下設(shè)6個(gè)取樣口,間距為200 mm;下部配水區(qū)高150 mm,配水區(qū)上部為墊層,墊層為一種白色陶粒濾料,粒徑為φ3～5mm;墊層、濾層高分別為200、800mm;在墊層頂部設(shè)有曝氣頭,為微生物提供所需的氧;在墊層底部設(shè)有反沖洗曝氣頭和反沖洗水管,為濾柱提供反沖洗氣和反沖洗水。試驗(yàn)裝置底部裝設(shè)溫控儀和加熱器,可通過溫控儀自動(dòng)控制加熱器的開啟,以調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度。

為便于測(cè)試,試驗(yàn)裝置設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室,試驗(yàn)用水采用15個(gè)125L塑料桶3～5d采集1次。

試驗(yàn)采用某水庫水作為試驗(yàn)用水,其水質(zhì)如下:ρ(CODCr)為3.5～6.5mg/L，ρ(NH3-N)為0.5～1.5 mg/L，濁度為7.5～24 NTU，水溫為3.0～24.0 ℃，pH值為6.0～8.5。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1　測(cè)試項(xiàng)目及方法

濁度,WGZ-20型濁度儀;微生物活性,OUR測(cè)定法;生物量,脂磷法;SS,濾紙烘干稱重法。

1.2.2　試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)以自然掛膜系統(tǒng)為研究對(duì)象,探討了不同反沖洗參數(shù)對(duì)反沖洗效果的影響。系統(tǒng)啟動(dòng)后連續(xù)運(yùn)行,有機(jī)負(fù)荷以CODCr計(jì)為193.5～301.5g/(m3·d)、水力負(fù)荷為3 m3/(m2·h)、氣水體積比為1∶1、進(jìn)水溫度為18～20 ℃,系統(tǒng)正常運(yùn)行期間對(duì)CODCr、NH3-N和濁度的去除率分別為35.6%～42.5%、45.4%～57.5%和46.4%～51.6%。

試驗(yàn)時(shí)間為2013年3—6月,為創(chuàng)造良好的微生物生長環(huán)境,采用濾后水進(jìn)行反沖洗,運(yùn)行周期由出水濁度確定,當(dāng)出水濁度大于1NTU時(shí)即進(jìn)行反沖洗,并以反沖洗結(jié)束時(shí)出水濁度作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)反沖洗效果的指標(biāo)[8],反沖洗控制整個(gè)濾料層膨脹率為10%～30%,并以此經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定反沖洗強(qiáng)度范圍。

試驗(yàn)采用3段式反沖洗,即氣預(yù)沖洗、氣水聯(lián)合反沖洗、水漂洗。

1.2.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定最佳反沖洗參數(shù),采用正交試驗(yàn)[9],既可減少試驗(yàn)次數(shù),又能保證試驗(yàn)的有效性。本試驗(yàn)按5因素(氣沖洗強(qiáng)度Qa、氣預(yù)沖洗時(shí)間ta、水沖洗強(qiáng)度Qw、氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間taw、水漂洗時(shí)間tw)、3水平進(jìn)行,詳見表1所列。

為評(píng)價(jià)各因素在各水平上的優(yōu)劣,本試驗(yàn)采用反沖洗前后濾池生物活性變化率、反沖洗結(jié)束時(shí)出水濁度及反沖洗能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中能耗以綜合能耗指標(biāo)ECI表示[10],公式為:

其中,Cwi為第i組試驗(yàn)耗水量;CGi為第i組試驗(yàn)耗氣量。

表1　正交試驗(yàn)因素與水平

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)方案,選用L18(35)正交表,正交試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析法進(jìn)行分析，結(jié)果見表3所列。由表3可知,對(duì)反沖洗前后濾池生物活性變化率影響最大的因素是氣沖洗強(qiáng)度,然后依次為水漂洗時(shí)間、氣預(yù)沖洗時(shí)間、氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間、水沖洗強(qiáng)度,影響生物活性變化率的各因素中優(yōu)水平分別為Qa3、ta3、Qw3、taw1、tw2(下標(biāo)中數(shù)字為各因素的水平編號(hào));影響反沖洗結(jié)束時(shí)出水濁度的各因素根據(jù)影響程度由大到小分別為水漂洗時(shí)間、氣沖洗強(qiáng)度、氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間、氣預(yù)沖洗時(shí)間、水沖洗強(qiáng)度,各因素中的優(yōu)水平分別為Qa3、ta3、Qw1、taw3、tw3;對(duì)反沖洗能耗影響最大的因素為氣預(yù)沖洗時(shí)間,然后依次分別為水沖洗強(qiáng)度、氣沖洗強(qiáng)度、氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間、水漂洗時(shí)間,各因素的優(yōu)水平分別為Qa1、ta1、Qw1、taw1、tw1。綜合考慮各因素對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響可確定最佳反沖洗參數(shù)如下:氣沖洗強(qiáng)度為7.5L/(s·m2),氣預(yù)沖洗時(shí)間為6 min,水沖洗強(qiáng)度為1.5 L/(s·m2),氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間為4.5 min,水漂洗時(shí)間為4 min。

表3　極差分析結(jié)果

2.2　最佳工況下反沖洗出水 SS變化

在反沖洗試驗(yàn)中,按上述所確定的最佳反沖洗參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反沖洗,并測(cè)定氣水聯(lián)合反沖洗開始后反沖洗出水SS隨時(shí)間的變化情況,如圖2所示。

圖2　濾池反沖洗出水 SS變化曲線

由圖2可以看出濾池反沖洗出水SS隨時(shí)間的變化規(guī)律。在氣水同時(shí)反沖洗開始后的前2.5min內(nèi),反沖洗出水中SS迅速增加,在3min時(shí)反沖洗出水中SS即達(dá)最大,此時(shí)反沖洗出水ρ(SS)為1 053.75mg/L,隨后出水ρ(SS)逐漸降低;到氣水同時(shí)反沖洗結(jié)束時(shí)(即4.5min時(shí)),出水ρ(SS)為675.48mg/L左右;從水漂洗開始至結(jié)束,反沖洗出水ρ(SS)由675.48mg/L降至52.75mg/L。通過測(cè)定反沖洗過程中相應(yīng)時(shí)點(diǎn)出水濁度變化,發(fā)現(xiàn)濁度基本上與反沖洗出水ρ(SS)變化相吻合。氣水同時(shí)反沖洗初期,濾池出水混濁不清,間雜有塊狀懸浮物,疑為老化生物膜物質(zhì),隨著沖洗過程的進(jìn)行,反沖洗出水逐漸變得清澈透明,到漂洗結(jié)束前出水中基本上看不到懸浮物質(zhì),此時(shí)測(cè)試出水濁度平均為1.25左右。

2.3　不同掛膜方法下反沖洗生物量變化

在BAF系統(tǒng)啟動(dòng)之初,筆者進(jìn)行了BAF不同掛膜方法預(yù)處理微污染水源水試驗(yàn)[11],本試驗(yàn)重點(diǎn)考察了最佳反沖洗工況下反沖洗對(duì)不同掛膜方法下反沖洗前后生物量的變化情況,結(jié)果見表4所列。其中1#濾池采用接種掛膜,2#濾池采用自然掛膜。穩(wěn)定運(yùn)行期間,對(duì)1#濾池、2#濾池分別進(jìn)行了3個(gè)運(yùn)行周期的反沖洗試驗(yàn),對(duì)比反沖洗對(duì)其生物量變化的影響。

由表4可知,反沖洗前1#濾池、2#濾池生物量基本相同。反沖洗后,接種掛膜的1#濾池生物量平均減少27.43%,自然掛膜的2#濾池生物量平均減少21.44%,為維持BAF的有效運(yùn)行,反沖洗使適量的生物量減少是正常的,這是去除老化生物膜的必然結(jié)果。

表4　1 #、2 #濾池反沖洗前后生物量及變化　nmol/g

由表4亦知,在相同反沖洗工況下,反沖洗后1#濾池、2#濾池生物量變化率相差5.99%。究其原因,一方面可能是自然掛膜的生物附著力比接種掛膜的生物強(qiáng),生物活性較強(qiáng),不易脫落;另一方面可能是接種掛膜的1#濾池活性較差的生物量就比自然掛膜的2#濾池生物量多,經(jīng)反沖洗脫落較多。

3結(jié)論

(1) 采用反沖洗前后濾池生物活性變化率、反沖洗結(jié)束時(shí)出水濁度及反沖洗能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo),在氣沖洗強(qiáng)度、氣預(yù)沖洗時(shí)間、水沖洗強(qiáng)度、氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間和水漂洗時(shí)間5個(gè)因素中,通過正交實(shí)驗(yàn)可知,影響生物活性變化率的最大因素為氣沖洗強(qiáng)度,影響出水濁度的最大因素為水漂洗時(shí)間,而影響反沖洗能耗的最大因素為氣預(yù)沖洗時(shí)間。

(2) 采用3段式反沖洗,綜合考慮各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響,確定BAF預(yù)處理微污染水源水最佳反沖洗參數(shù)如下:氣預(yù)沖洗時(shí)間為6min，氣、水沖洗強(qiáng)度分別為7.5、1.5L/(s·m2)，氣水聯(lián)合沖洗時(shí)間為4.5 min，水漂洗時(shí)間為4 min。

(3) 在最佳反沖洗工況下,氣水聯(lián)合反沖洗3min時(shí),反沖洗出水ρ(SS)最大,達(dá)1 053.75mg/L,水漂洗結(jié)束時(shí),反沖洗出水ρ(SS)最低為52.75mg/L,基本與反沖洗出水濁度變化相吻合;反沖洗前后,接種掛膜、自然掛膜下系統(tǒng)生物量均有不同程度的減少,分別減少27.43%、21.44%,后者較前者低5.99%。

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(責(zé)任編輯張淑艷)