新型多級(jí)跌水曝氣生物濾池的運(yùn)行效能研究*

伍培　彭江華　王世雄　鄭應(yīng)亨

(重慶科技學(xué)院　重慶 401331)

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新型多級(jí)跌水曝氣生物濾池的運(yùn)行效能研究*

伍培彭江華王世雄鄭應(yīng)亨

(重慶科技學(xué)院重慶 401331)

摘要本文研究了在“跌水曝氣式生物濾塔”專利(專利號(hào)201020207090.9)基礎(chǔ)上增設(shè)電氣石纖維濾料層的多級(jí)跌水曝氣生物濾池的運(yùn)行效能，從水力負(fù)荷和容積負(fù)荷兩方面證明改造后的多級(jí)曝氣生物濾池處理低濃度生活有機(jī)污水的有效性和負(fù)離子材料對(duì)濾料層凈化效率的改進(jìn)效果，為類似多級(jí)跌水曝氣生物濾池的工藝設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞電氣石負(fù)離子材料生物濾池水力負(fù)荷容積負(fù)荷

Research on Operation Efficiency of the New Multistage Waterfall Aeration Biological Filter

WU PeiPENG JianghuaWANG ShixiongZHENG Yingheng

(ChongqingCollegeofScienceandTechnologyChongqing401331)

AbstractIn this paper the operation efficiency of the multistage water fall aeration biological filter equipped with tourmaline fiber filter material layer is studied based on “drop aeration biological filter tower" (patent no. 201020207090.9). From two aspects of hydraulic load and volume load, it is demonstrated the effectiveness of its processing low concentration organic sewage and the improvement effect of anion material on the purification efficiency of the filter material layer, which helps to provide references for the design of multistage drop aeration biological filter.

Key Wordstourmalineanion materialbiological filterhydraulic loadingvolume loading

0引言

在外界條件相對(duì)一致的情況下，研究水力負(fù)荷、容積負(fù)荷對(duì)增設(shè)電氣石濾料層的跌水曝氣生物濾池中的污染物去除能力的影響，探求其在實(shí)際運(yùn)行過程中最佳的運(yùn)行參數(shù)；研究不同工況下濾層對(duì)污染物的去除效果和檢驗(yàn)不同水力負(fù)荷工況下負(fù)離子材料對(duì)濾層凈化效率的改進(jìn)作用，可為類似工藝設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)情況

以校園生活污水為實(shí)驗(yàn)用水。濾池的外部骨架材料為角鋼，骨架內(nèi)部是由PVC材料粘成的濾料框，各濾料框的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為600 mm×480 mm×400 mm，各個(gè)濾料層里交錯(cuò)地布置著PVC材料折流擋板，整個(gè)裝置從上至下有5個(gè)過濾層，各層上下交錯(cuò)布置，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1[1]。污水通過校內(nèi)化糞池初次沉淀后流入貯水池，加入了適量的磷酸二氫鉀，然后由水泵提升至跌水曝氣生物濾池的頂部后，靠重力在濾池內(nèi)部逐級(jí)跌水曝氣形成生物膜處理污水。根據(jù)文獻(xiàn)[2]介紹，將電氣石粉末加入化學(xué)纖維紡絲液中制成負(fù)離子化學(xué)纖維網(wǎng)增設(shè)在四、五濾層上，污水經(jīng)過逐層處理，出水則直接排放。

實(shí)驗(yàn)過程中，常規(guī)指標(biāo)的分析測(cè)試采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)及《城市污水水質(zhì)檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 51—2004)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)氨氮的檢測(cè)作出了改進(jìn)[3]。

2對(duì)水力負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)研究

采用6種水力負(fù)荷(見表1)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，濾池相應(yīng)處理效果如表2所示。

表1　6種不同水力負(fù)荷工況

注：每個(gè)工況由3個(gè)不同的進(jìn)水水量所測(cè)得的數(shù)據(jù)形成。

表2　不同工況下的污水處理效果

注：“二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)。

1—布水器；2—濾料層；3—濾料框；4—布水管；5—塔身；

從工況1至工況6，水力負(fù)荷逐步增大，出水CODcr質(zhì)量濃度逐漸增加，其均值分別為59.1，61.6，66.0，77.6，78.8，104.3 mg/L，工況1至工況5的出水CODcr能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。工況1至工況3，CODcr的去除率分別為74.8%，74.3%，73.2%，差別不明顯。此時(shí)，水力負(fù)荷即使有25%的變化，對(duì)CODcr的去除率的影響也并不顯著。而在工況4、工況5、工況6中，水力負(fù)荷的提高就顯著影響著濾池對(duì)CODcr的去除率。如工況4較工況3的水力負(fù)荷僅提高20%多一點(diǎn)，但CODcr去除率卻下降了3%。

分析表明，NH3-N占TN的比例約為74%～81%。出水NH3-N和TN因?yàn)槭苓M(jìn)水NH3-N和TN水質(zhì)的沖擊，略有變化。出水中TP質(zhì)量濃度的平均值為3.2～3.7 mg/L。各污染物的去除率隨著水力停留時(shí)間的縮短而降低。濾池在各個(gè)工況下對(duì)TN和NH3-N的去除規(guī)律具有一致性。從工況1至工況6，隨著水力負(fù)荷的提高，濾池出水中TN和NH3-N的去除率分別由29.3%和38.9%下降到13.2%和21.3%。需要注意的是，由于生物濾池對(duì)氨氮和總氮的去除主要依靠濾池內(nèi)微生物的硝化和反硝化作用[4]，其脫氮效果應(yīng)隨水力負(fù)荷的增加而提高。

從工況1到工況6，濾池出水中總磷的出水質(zhì)量濃度均值穩(wěn)定于3～4 mg/L之間；平均去除率分別為23.1%，22.8%，18.6%，17.6%，13.7%，12.0%，總磷去除率偏低，說明短時(shí)間的水力停留不利于微生物的生長(zhǎng)從而減小了生物膜上微生物的數(shù)量，同時(shí)水力負(fù)荷的提高使得污水與生物膜的接觸時(shí)間縮短，懸浮球形填料和電氣石濾料層的物理吸附作用難以充分發(fā)揮。

在工況3[0.155 m3/(m2.h)～0.170 m3/(m2.h)]時(shí)，各污染物的去除效果相對(duì)較好。CODcr，NH3-N，TN，TP的去除率均值分別達(dá)73.2%，33.7%，23.2%，18.6%。出水質(zhì)量濃度均值分達(dá)66.0，37.3，58.7，3.6 mg/L。向污水投加工業(yè)用葡萄糖，將其COD提升至700 mg/L，控制流量在工況3范圍內(nèi)，COD出水質(zhì)量濃度穩(wěn)定在300～350 mg/L，然后回流再進(jìn)行處理，COD降至130～150 mg/L，初步證明了跌水曝氣污水處理裝置對(duì)高濃度有機(jī)污水處理的有效性。

3不同水力負(fù)荷工況下電氣石濾料層的凈化增效作用

以上實(shí)驗(yàn)裝置為設(shè)有電氣石濾料層多級(jí)跌水曝氣濾池，是根據(jù)專利(ZL201020207090.9)建造的多級(jí)跌水曝氣濾池四、五濾料層上增設(shè)電氣石化學(xué)纖維網(wǎng)，其作用除了纖維網(wǎng)本身的攔截效應(yīng)外，電氣石作為負(fù)離子天然材料還具有對(duì)廢水中的細(xì)小顆粒沉降的作用。電氣石能夠調(diào)節(jié)水體的氧化還原電位,使水體由還原態(tài)向氧化態(tài)轉(zhuǎn)變,而改進(jìn)水體微生物生存條件,促進(jìn)微生物降解水體中的有毒有害的有機(jī)物質(zhì)[5]。在采用表2中相同的工況下條件，改造后的曝氣濾池對(duì)不同污染物處理效果與表2對(duì)照，其去除的增效效果見表3。

表3　6種不同工況下的污染物處理增效百分點(diǎn)　%

注：增效百分點(diǎn)=增設(shè)電氣石濾料層后濾池的凈化效率-原濾池凈化效率。表3中電氣石濾料層對(duì)CODcr的增效作用能保持在3.0%左右，對(duì)NH3-N，TN有1.2%～1.4%的增效，對(duì)TP有近1%的增效作用。由于實(shí)驗(yàn)僅在四、五濾層增設(shè)電氣石化學(xué)纖維網(wǎng)，所以增效效果不是很明顯，但是從表3可以看出，電氣石化學(xué)纖維網(wǎng)對(duì)CODcr的增效作用比較高，有待在此方向進(jìn)一步進(jìn)行研究。而且表3數(shù)據(jù)顯示，其增效作用受水力負(fù)荷影響小。

4對(duì)容積負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)研究

4.1容積負(fù)荷對(duì)CODcr去除的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得到CODcr出水質(zhì)量濃度、去除率與CODcr容積負(fù)荷的關(guān)系如圖2所示。容積負(fù)荷為0.492～1.088 kg/(m3·d)時(shí)，CODcr出水質(zhì)量濃度隨著容積負(fù)荷的增加而增加。當(dāng)CODcr容積負(fù)荷低于0.81 kg/(m3·d)時(shí)，濾池對(duì)CODcr的去除率達(dá)到70%以上。當(dāng)濾池容積負(fù)荷大于0.81 kg/(m3·d)時(shí)，出水質(zhì)量濃度增加明顯；當(dāng)容積負(fù)荷增加至0.993～1.088 kg/(m3·d)時(shí)，濾池出水CODcr已超過100 mg/L，已達(dá)不到城鎮(zhèn)污水的二級(jí)排放要求了。

圖2　CODcr出水質(zhì)量濃度、去除率與CODcr容積負(fù)荷的關(guān)系

4.2容積負(fù)荷對(duì)NH3-N去除的影響

NH3-N出水質(zhì)量濃度、去除率與NH3-N容積負(fù)荷的關(guān)系如圖3所示，可以看出在較小的負(fù)荷區(qū)間[0.110，0.152]內(nèi)，濾池對(duì)NH3-N的去除效果較好，去除率在30%以上。此時(shí)，濾池內(nèi)硝化作用也相對(duì)較強(qiáng)，NH3-N負(fù)荷的增加對(duì)NH3-N的氧化反應(yīng)影響微小。當(dāng)容積負(fù)荷接近0.25 kg/(m3·d)時(shí)，NH3-N去除率下降至20%。

圖3　NH3-N出水質(zhì)量濃度、去除率

4.3容積負(fù)荷對(duì)TN去除的影響

TN出水質(zhì)量濃度、去除率與TN容積負(fù)荷的關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出TN出水質(zhì)量濃度隨TN容積負(fù)荷增大而增大，其去除效果雖然受到自身容積負(fù)荷的影響，但在較小的容積負(fù)荷范圍內(nèi)，容積負(fù)荷的變化對(duì)TN去除率的影響不明顯。在TN容積負(fù)荷低于0.22 kg/(m3·d)時(shí)，濾池對(duì)TN的去除率可達(dá)22%以上。當(dāng)TN容積負(fù)荷超過0.22 kg/(m3·d)而繼續(xù)增加時(shí)，TN的去除率下降的趨勢(shì)明顯在本試驗(yàn)中，TN容積負(fù)荷超過0.26 kg/(m3·d)時(shí)，NH3-N的去除率下降到16%。

圖4TN出水質(zhì)量濃度、去除率

與TN容積負(fù)荷的關(guān)系圖

4.4容積負(fù)荷對(duì)TP去除的影響

TP出水質(zhì)量濃度、去除率與TP容積負(fù)荷的關(guān)系如圖5所示，從圖中可以看出在曝氣生物濾池里，生物膜外部處好氧狀態(tài)，膜內(nèi)部可形成缺氧或厭氧狀態(tài)，所以能去除磷[6]。觀察圖5，當(dāng)進(jìn)水容積負(fù)荷低于0.013 kg/(m3·d)時(shí)，由于微生物細(xì)胞合成及填料的吸附作用[7]，TP的去除率超過20%；但隨著進(jìn)水流量增加、容積負(fù)荷增大，膜與污水接觸反應(yīng)時(shí)間變短，被截留的磷就很少了。當(dāng)容積負(fù)荷達(dá)到0.019 5 kg/(m3.d)時(shí)，TP的去除率僅為10%。

圖5　TP出水質(zhì)量濃度、去除率

5結(jié)論

本文從水力負(fù)荷和容積負(fù)荷方面研究了電氣石濾料層跌水曝氣生物濾池實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行效能，得出以下結(jié)論：

(1)該跌水曝氣生物濾池水力負(fù)荷為0.155～0.170 m3/(m2·h)時(shí)，對(duì)各污染物的去除效果相對(duì)理想。對(duì)CODcr，NH3-N，TN，TP的去除率均值分別達(dá)73.2%，33.7%，23.2%，18.6%。

在CODcr容積負(fù)荷低于0.81 kg/(m3·d)時(shí)，該跌水曝氣生物濾池對(duì)CODcr的去除率能達(dá)到70%以上；在NH3-N容積負(fù)荷低于0.152 kg/(m3·d)時(shí)，濾池對(duì)NH3-N的去除率在30%以上；在TN容積負(fù)荷低于0.22 kg/(m3·d)時(shí)，TN的去除率可達(dá)22%以上；TP容積負(fù)荷低于0.013 kg/(m3·d)時(shí)，濾池對(duì)TP的去除效率達(dá)20%以上。

(2)電氣石濾料層對(duì)濾池去除污染物有增效作用，在結(jié)構(gòu)四、五層增設(shè)該濾層時(shí)，工況3運(yùn)行狀態(tài)下CODcr，NH3-N，TN，TP的去除率增加值分別達(dá)2.8%，1.4%，1.0%，0.9%，且其增效受水力負(fù)荷影響較小。

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(收稿日期：2015-01-30)

作者簡(jiǎn)介伍培，男，1969年生，漢族，碩士，重慶科技學(xué)院教授，研究方向?yàn)槭姓敖ㄖ踩こ獭?/p>

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51376204)。