核桃殼、陶粒曝氣生物濾池反沖洗特性的研究*

丁紹蘭 王娟娟 謝林花

(陜西科技大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710021)

核桃殼、陶粒曝氣生物濾池反沖洗特性的研究*

丁紹蘭 王娟娟#謝林花

(陜西科技大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710021)

以氣沖-氣水聯(lián)沖-水沖為反沖洗方式、反沖洗周期為4d的工況對核桃殼、陶粒填料曝氣生物濾池(BAF)進行反沖洗，確定氣、水沖洗強度分別為0.4、22.89mL/(m2·min)，監(jiān)測不同時間下的濁度、氨氮和能耗來研究BAF反沖洗特性。結(jié)果表明：(1)核桃殼和陶粒BAF反沖洗后出水中，影響氨氮去除率、濁度的最大因素均為氣沖時間；影響能耗的最大因素為氣水聯(lián)沖時間。(2)綜合考慮各因素對評價指標的影響，確定核桃殼BAF最佳反沖洗參數(shù)為氣沖時間3.0min、氣水聯(lián)沖時間4.5min、水沖時間4.0min；陶粒BAF最佳反沖洗參數(shù)為氣沖時間3.0min、氣水聯(lián)沖時間3.0min、水沖時間4.0min。

核桃殼 陶粒 曝氣生物濾池 反沖洗

Abstract: Determined the backwashing way were air backwashing，air-water backwashing and water backwashing. It carried out backwashing every 4 days in a certain intensity of air backwashing strength was 0.4 mL/(m2·min) and water backwashing strength was 22.89 mL/(m2·min). In order to investigate the BAFs backwashing characteristics，analyzed for effluent turbidity，the concentration of ammonia nitrogen and energy consumption in different time. The results shows that：(1) in the effluent of walnut shell and ceramsite BAFs after backwashing，the main factors that affect the removal rate of ammonia nitrogen and turbidity were air backwashing time. However，the biggest factor influencing energy consumption was air-water backwashing time. (2) Considering the influence of various factors on the evaluation index，it was indicated that walnut shell BAF optimistic condition as follows：single air backwashing time was 3.0 min，air-water backwashing time was 4.5 min and water backwashing time was 4.0 min;ceramsite BAF backwashing optimistic condition as follows：single air backwashing time was 3.0 min，air-water backwashing time was 3.0 min and water backwashing time was 4.0 min.

Keywords: walnut shell; ceramsite; biological aerated filter; backwashing

曝氣生物濾池(BAF)是在19世紀80—90年代發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù)，被普遍接受并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有污水處理廠，在很多方面與傳統(tǒng)生物濾池相似，與其他污水處理技術(shù)，如活性污泥法、生物接觸氧化法和給水過濾法相比，BAF對去除COD和氨氮具有顯著優(yōu)勢[1-3]。

填料的特性很大程度上決定了BAF的性能[4]。常用的填料包括砂粒、碎石、礦渣、焦炭、無煙煤、沸石和陶粒[5]。核桃殼是核桃取仁后的廢棄物，目前大都被農(nóng)戶用作燃料，利用價值低，且污染環(huán)境。核桃殼是一種釋碳能力強、具有多孔骨架支持作用、性能穩(wěn)定的填料[6]。本課題組將其應(yīng)用于BAF處理氨氮廢水取得了良好的效果，試驗證明，核桃殼是一種較理想的BAF填料[7]。

BAF隨著運行時間的延長，由于填料的機械截留和接觸凝聚以及生物凝聚作用，使懸浮無機膠體顆粒不斷截留在填料的空隙中[8]。另外，生物膜厚度的增加，導(dǎo)致填料空隙減少，水頭損失增加[9]。一般認為，生物膜厚度應(yīng)控制在300～400 μm，此時生物膜的新陳代謝能力強，出水水質(zhì)好。生物膜的厚度超過這一范圍時，氧的傳遞速率減小，影響微生物的繁殖，對處理效果影響很大[10]。因此，必須定期對BAF進行反沖洗，反沖洗過程是維持BAF正常運行的關(guān)鍵[11]。

反沖洗的基本要求[12-13]：在較短的反沖洗時間內(nèi)，使填料得到清洗，恢復(fù)其除污能力，即清除填料顆粒間所截留的SS及填料表面脫落的老化生物膜，但必須保留適當?shù)纳锬?。目前，工程中的反沖洗參數(shù)大多憑經(jīng)驗或借鑒其他工程確定[14]，關(guān)于反沖洗的理論模型、機制等方面的研究并沒有取得一致的觀點。本研究采用核桃殼、陶粒BAF分別處理模擬氨氮廢水，利用正交試驗重點考察了不同反沖洗因素對反沖洗效果的影響，并確定了最佳反沖洗參數(shù)，為工程實踐應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 裝置與材料

BAF(見圖1)均采用有機玻璃制作，內(nèi)徑90 mm，外徑100 mm，高1.0 m，總?cè)莘e為6 L，有效容積為5 L。底部由下到上依次填充粒徑為40～50、20～30、10～<20 mm的光滑鵝卵石承托層，其總高度為0.1 m；承托層底部中心設(shè)砂芯曝氣頭，并用聚氯乙烯軟管與空氣壓縮泵相連，以空氣流量計控制曝氣量。核桃殼/陶粒BAF承托層上方，均勻填充粒徑4～6 mm的核桃殼/陶粒填料，裝填高度為0.6 m。因核桃殼密度較小，故在核桃殼填料層上方另填充50 mm厚的生物陶粒填料，以防止核桃殼反沖洗時被水帶出，引起填料損失。

1—廢水箱；2—蠕動恒流泵；3—水樣取樣口；4—填料層；5—承托層；6—曝氣頭；7—空氣流量計；8—空氣壓縮泵；9—支座圖1 BAF示意圖Fig.1 Schematic diagram of the BAF

核桃殼購自西安市當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場，用自來水洗去雜質(zhì)，去瓤留殼后破碎，分別過4、6 mm篩，將篩余物(粒徑4～6 mm)用去離子水浸泡，除去浮于水中的殘余核桃瓤和果皮，重復(fù)多次，以確保所得核桃殼形狀、尺寸及密度的均一性。經(jīng)處理的核桃殼在 105 ℃烘干后備用。

生物陶粒購自江西某化工填料有限公司，洗去雜質(zhì)后在105 ℃烘干后備用。

試驗所用進水為模擬氨氮廢水，投加適量的葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀配制。主要水質(zhì)指標：COD 272～376 mg/L，氨氮24.60～59.22 mg/L，pH 7.5～8.5，溫度16～26 ℃，DO 3.5～4.5 mg/L。廢水由管道經(jīng)廢水箱從BAF底部泵入。反沖洗的進水和曝氣采用同一系統(tǒng)進行。

1.2 主要測試項目及方法

濁度：WGZ-1B型濁度儀；氨氮：《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)。

1.3 試驗內(nèi)容

采用自來水進行反沖洗，反沖洗周期為4 d，采用三段式反沖洗，即氣沖-氣水聯(lián)沖-水沖。反沖洗控制整個填料層膨脹率為10%～30%，并確定氣、水沖洗強度分別為0.4、22.89 mL/(m2·min)。反沖洗水、氣分別由蠕動式恒流泵和電磁式空氣壓縮泵經(jīng)多孔板均勻分配后進入承托層和填料層。

為確定最佳反沖洗參數(shù)，按3因素(氣沖時間(ta，min)、氣水聯(lián)沖時間(taw，min)、水沖時間(tw，min))、3水平進行正交試驗，詳見表1。

表1 正交試驗因素與水平

試驗發(fā)現(xiàn)，由于填料層內(nèi)生物量的損失，與反沖洗前出水相比，反沖洗后出水中COD、氨氮等有升高的現(xiàn)象。但隨著過濾時間的延長，這些指標會恢復(fù)到原有水平。因此，可用反沖洗后出水的氨氮去除率作為評價指標。反沖洗前后出水濁度變化較大，將反沖洗后出水的濁度作為評價系統(tǒng)反沖洗效果的指標[15]。以綜合能耗指標(ECIi)表示反沖洗的能耗，作為另外一個評價指標，公式[16]為：

(1)

式中：Cwi為第i組試驗耗水量，L；Cai為第i組試驗耗氣量，L。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃殼BAF正交試驗

由表2可知，從氨氮去除率看，影響最大的是氣沖時間，其次為氣水聯(lián)沖、水沖時間，最優(yōu)水平為ta3、taw3、tw3。較長時間的沖刷使過厚的生物膜得到很好的沖洗，達到反沖洗的效果，出水水質(zhì)得以改善。從濁度看，影響最大的是氣沖時間，然后為氣水聯(lián)沖、水沖時間，最優(yōu)水平為ta1、taw1、tw3。在氣沖過程中，空氣的攪動促使顆粒間碰撞加強和剪切力增大，使填料表面的生物膜脫落，一定的反沖強度保證填料有一定的膨脹，以便沖洗下來的懸浮物順利排出柱外，而濁度增大的主要原因就是SS，所以要使?jié)岫冉档停瑧?yīng)適當減少氣沖時間。從能耗看，影響最大的是氣水聯(lián)沖時間，其次是水沖、氣沖時間，最優(yōu)水平為ta1、taw1、tw1。為了降低能耗，在保證反沖洗效果的前提下，應(yīng)盡可能縮短氣水聯(lián)沖時間。 對氨氮去除率而言，在反沖洗過程中需要較長時間的沖刷使過厚的生物膜得到很好的沖刷；而對濁度而言，要使?jié)岫冉档?，?yīng)適當減少氣沖時間；對能耗而言，在保證反沖洗效果的前提下，應(yīng)盡可能縮短氣水聯(lián)沖時間。因此，綜合考慮確定核桃殼BAF最佳反沖洗參數(shù)為氣沖時間3.0 min、氣水聯(lián)沖時間4.5 min、水沖時間4.0 min。

表2 核桃殼BAF反沖洗正交試驗結(jié)果

2.2 陶粒BAF正交試驗

由表3可知，從氨氮去除率看，影響最大的是氣沖時間，其次為水沖、氣水聯(lián)沖時間，最優(yōu)水平為ta3、taw1、tw3。從濁度看，影響最大的是氣沖時間，然后為水沖、氣水聯(lián)沖時間，最優(yōu)水平為ta1、taw1、tw2。從能耗看，影響最大的是氣水聯(lián)沖時間，其次是水沖、氣沖時間，最優(yōu)水平為ta1、taw1、tw1。因此，綜合考慮確定陶粒BAF最佳反沖洗參數(shù)為氣沖時間3.0 min、氣水聯(lián)沖時間3.0 min、水沖時間4.0 min。

2.3 兩個BAF出水性能的比較

綜合濁度及氨氮去除率，相比于核桃殼BAF而言，水沖時間對陶粒BAF影響更顯著。可能是因為陶粒填料表明光滑，水沖時更易沖刷掉其表明附著的微生物。

濁度和氨氮去除率是兩個相互矛盾的指標。加大反沖洗的時間，填料層更易沖洗干凈，氨氮去除率由此升高，過濾周期延長。但這樣會造成對生物膜的過度沖刷，使填料脫落的生物膜增大，致使?jié)岫壬?。因此，BAF反沖洗的關(guān)鍵是尋求反沖洗后出水水質(zhì)與生物膜性能間的平衡，做到兩者兼顧，同時應(yīng)盡量降低反沖洗的能耗。

在整個試驗過程中，發(fā)現(xiàn)核桃殼BAF反沖洗后出水的濁度變化不大，由于核桃殼特殊的表面結(jié)構(gòu)，在反沖洗后截留了一部分微生物，使沖刷掉的生物膜不能順利的排放出去，使?jié)岫茸兓淮?。而陶粒表面光滑，不易附著脫落的生物膜，在反沖洗后濁度升高，但很快恢復(fù)。核桃殼BAF反沖洗后出水的氨氮去除率變化較大，說明反沖洗后核桃殼BAF恢復(fù)較慢，因此核桃殼BAF的沖洗周期應(yīng)該適當延長。相比于核桃殼BAF，陶粒BAF反沖洗后出水的氨氮去除率變化不大，較穩(wěn)定，說明反沖洗后陶粒BAF恢復(fù)很快。

表3 陶粒BAF反沖洗正交試驗結(jié)果

2.4 反沖洗前后生物膜的變化情況

BAF運行一段時間填料表面出現(xiàn)大量白色絮狀體，填料內(nèi)部幾乎被微生物膜堵塞，出水發(fā)臭、水質(zhì)變差且水中懸浮有大量脫落的微生物膜，此時鏡檢填料底部脫落的微生物膜，發(fā)現(xiàn)有較多的絲狀菌、線蟲生長，鐘蟲等微生物的量明顯減少，甚至出現(xiàn)孢囊生長，且越接近進水口，生物膜的狀況越糟糕。此時，微生物膜過厚，已不適宜繼續(xù)處理污水，需要立即對BAF進行反沖洗。自第1次反沖洗后，填料的堵塞情況得到了有效解決，填料上的生物膜逐步恢復(fù)生長，并且分布更均勻。

3 結(jié) 論

(1) 核桃殼和陶粒BAF反沖洗后出水中，影響氨氮去除率、濁度的最大因素均為氣沖時間；影響能耗的最大因素為氣水聯(lián)沖時間。

(2) 綜合考慮各因素對評價指標的影響，確定核桃殼BAF最佳反沖洗參數(shù)為氣沖時間3.0 min、氣水聯(lián)沖時間4.5 min、水沖時間4.0 min；陶粒BAF最佳反沖洗參數(shù)為氣沖時間3.0 min、氣水聯(lián)沖時間3.0 min、水沖時間4.0 min。

(3) 反沖洗后，填料的堵塞情況得到了有效解決，填料上的生物膜逐步恢復(fù)生長，并且分布更均勻。

[1] FENG Yan，YU Yanzhen，DUAN Qinan，et al.The characteristic research of ammonium removal in grain-slag biological aerated filter (BAF)[J].Desalination，2010，263(1)：146-150.

[2] YAN Gang，XU Xia，YAO Lirong，et al.Process of inorganic nitrogen transformation and design of kinetics model in the biological aerated filter reactor[J].Bioresource Technology，2011，102(7)：4628-4632.

[3] QIU Liping，ZHANG Shoubin，WANG Guangwei，et al.Performances and nitrification properties of biological aerated filters with zeolite，ceramic particle and carbonate media[J].Bioresource Technology，2010，101(19)：7245-7251.

[4] SANG J，ZHANG X，LI L，et al.Improvement of organics removal by bio-ceramic filtration of raw water with addition of phosphorus[J].Water Research，2003，37(19)：4711-4718.

[5] PICANCO A P，VALLERO M V G，GIANOTTI E P，et al.Influence of porosity and composition of supports on the methanogenic biofilm characteristics developed in a fixed bed anaerobic reactor[J].Water Science and Tecnology，2001，44(4)：197-204.

[6] 鄭志鋒，鄒局春，花勃.核桃殼化學組分的研究[J].西南林學院學報，2006，26(2)：33-36.

[7] 賈麗娟.核桃殼填料曝氣生物濾池去除廢水中氨氮的研究[D].西安：陜西科技大學，2012.

[8] 王劼，劉陽，江樹志.BAF反沖洗過程中懸浮物濃度的變化規(guī)律[J].中國給水排水，2011，27(8)：99-102.

[9] 鄒偉國，朱月海.濾池汽水反沖洗應(yīng)用技術(shù)研究[J].中國給水排水，1996，12(1)：10-13.

[10] STEPHENSON T，MANN A.The small footprint wastewater treatment process chemistry and industry[J].Chemistry & Industry，1993，19(14)：533-536.

[11] 彭舉威，王曉軒，王宏哲.曝氣生物濾池反沖洗過程的研究[J].中國資源綜合利用，2006，24(11)：31-33.

[12] 王凱軍，賈立敏.城市污水生物處理新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[13] 孫芮，陳玲，陳季華.曝氣生物濾池反沖洗特性的研究[J].環(huán)境科技，2008，21(6)：20-23.

[14] 邱立平，馬軍.曝氣生物濾池膜的特性[J].中國環(huán)境科學，2005，25(2)：214-217.

[15] 唐文峰，胡友彪，孫豐英.BAF預(yù)處理微污染水源水反沖洗試驗研究[J].合肥大學學報，2015，38(1)：109-112.

[16] 曹相生，孟雪征，張杰，等.正交實驗確定好氣濾池氣水反沖洗參數(shù)的研究[J].水處理技術(shù)，2004，30(5)：279-281.

Walnutshellandceramsitebackwashingperformanceinvestigationinbiologicalaeratedfilters

DINGShaolan，WANGJuanjuan，XIELinhua.

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，Xi’anShaanxi710021)

2016-04-13)

丁紹蘭，女，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事污染防治、清潔生產(chǎn)、分析檢測技術(shù)研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.21347004)；陜西省教育廳專項科研基金資助項目(No.15JK1100)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.006