水力負荷及填料對微動力生物滴濾池凈水效果分析

張文寧

(九江綠野環(huán)境工程咨詢有限公司，江西 九江 332000)

隨著社會經(jīng)濟及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，加劇了人與自然的矛盾，一系列環(huán)境問題應(yīng)運而生，特別是水環(huán)境污染問題，對于國家可持續(xù)發(fā)展和人民身體健康具有重要影響[1]，因此，國家有關(guān)單位對于污水處理的要求日益緊迫，各種水處理技術(shù)也相繼問世[2- 7]。但是，傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)需要投入大量的資金和人力，對于部分財政收入困難的地區(qū)很難實現(xiàn)污水處理的全面覆蓋，故而研究一種低能耗、低成本的污水處理工藝對于解決村鎮(zhèn)困難地區(qū)的水環(huán)境凈化問題具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，常用的污水處理技術(shù)包括物理處理、化學(xué)處理和生物處理，其中，生物處理法具有成本低、凈化效果更好、處理過程溫和、適用范圍廣等多重優(yōu)勢，已逐步在污水處理中推廣使用。生物處污水處理包括活性污泥法和生物膜法，所謂微動力生物滴濾池法即屬于后者，其具有-結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、剩余污泥量少、能耗較低、運行維護成本低等諸多優(yōu)勢，因此成為很多地區(qū)污水處理的首選[8- 12]。

當(dāng)前對于微動力生物滴濾池主要集中于材料組合方面，對于外部環(huán)境與內(nèi)部材料組成相結(jié)合的影響研究還相對較少，故而本文對浮石填料和聚氨酯填料兩種填料滴濾池在不同水力負荷下的凈水效果進行了對比分析，以期能為微動力滴濾池的推廣運用提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及儀器

試驗用水取自九江市主城區(qū)某河段，經(jīng)實驗檢測分析，得到水質(zhì)情況為：COD濃度102～1245mg/L，氨氮濃度16～92.5mg/L，TN濃度20～119mg/L，TP濃度1～5.2mg/L，pH值范圍為6～9。試驗填料是微動力生物滴濾池的核心組成部分，對凈水效果起著決定性作用，根據(jù)前人研究經(jīng)驗，本次試驗主要選取產(chǎn)自山西的浮石填料(粒徑6～12mm)以及產(chǎn)自杭州的聚氨酯填料(粒徑50mm)。采用間歇式進水方式，通過不斷增大水力負荷測定各指標(biāo)的凈水效果，試驗過程中所使用的主要儀器設(shè)備包括：酸度計、分光光度儀、干燥箱、蠕動泵、電子顯微鏡、液位繼電器、時間繼電器、電子分析天平等。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)包括填料層、承托層及支撐板、集水區(qū)、間隙層等，上層和中間層尺寸均為16cm×17cm×15cm，下層填料的尺寸稍大為16cm×17cm×30cm，層與層之間設(shè)置有5cm厚空隙，滴濾池各部分的尺寸及高度情況見表1。采用自然通風(fēng)方式對系統(tǒng)進行供氧，通風(fēng)孔位于中部和底部共計24個通風(fēng)孔，通風(fēng)孔下方設(shè)置集水池，出水口則則設(shè)置于翻反應(yīng)器集水區(qū)附近，直徑為10mm，生物滴濾池系統(tǒng)示意如圖1所示。

表1 生物滴濾池各層高度尺寸

圖1 生物滴濾池試驗流程示意圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 COD去除率分析

試驗得到的不同水力負荷下兩種填料的COD去除情況隨時間的變化關(guān)系如圖2所示。從圖2(a)中可以看到：進水口的COD濃度值在不同時間下呈現(xiàn)不規(guī)律的變化特征；對于浮石填料，當(dāng)逐漸增大水力負荷后，出水口的COD濃度值保持在相對穩(wěn)定狀態(tài)(100～150mg/L)，1月30日前后出現(xiàn)突變可能與當(dāng)時進水水質(zhì)有關(guān)；當(dāng)水力負荷為0.73m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為76.72%，當(dāng)水力負荷為0.85m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為83.04%，當(dāng)水力負荷為1.20m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為78.39%，當(dāng)水力負荷為1.45m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為69.24%；隨著水力負荷的不斷增大，浮石填料生物滴濾池的COD去除率呈先增大后減小的變化趨勢；從整體上來講，改變水力負荷對于COD去除率的影響不大，表明了浮石填料生物滴濾池具有較強的抗COD沖擊負荷能力。

從圖2(b)可以觀察到：進水口的COD濃度值在不同時間下呈現(xiàn)較大的波動特征，隨著水力負荷的逐漸增大，出水口的COD濃度值也呈動態(tài)變化特征(50～250mg/L)；當(dāng)水力負荷為0.48m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為73.52%，當(dāng)水力負荷為0.85m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為75.6%，當(dāng)水力負荷為1.19m3/(m2·d)時，COD的平均去除率為57.89%；隨著水力負荷的不斷增大，聚氨酯填料滴濾池的COD去除率也呈先增后減特征，但其波動性明顯高于浮石填料，說明聚氨酯填料生物滴濾池的抗COD沖擊負荷能力相對于浮石填料而言更弱。

對比兩種填料的COD去除效果可知：浮石填料生物滴濾池和聚氨酯填料生物滴濾池對COD去除的最佳水力負荷為0.85m3/(m2·d)，去除率分別達到83.04%和75.6%，但浮石填料生物滴濾池的穩(wěn)定性更好。

圖2 COD去除效果對比

2.2 氨氮去除率分析

試驗得到的不同水力負荷下兩種填料的氨氮去除情況隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。從圖3(a)中可以看到：進水口的氨氮濃度值相對變化幅度較大(20～55mg/L)，導(dǎo)致出水口的氨氮濃度也呈較大的波動變化特征；隨著水力負荷的增加，浮石填料滴濾池的氨氮出去效果呈先增后減的變化特征，最佳水力負荷為0.85m3/(m2·d)，平均去除率達到79.68%，表明在0.85水力負荷下硝化細菌的硝化作用和氨氮負荷之間呈最好的匹配狀態(tài)，能夠達到最佳的氨氮去除效果，當(dāng)水力負荷大于0.85m3/(m2·d)后，氨氮的去除率呈陡然下降趨勢，然后又呈動態(tài)平衡變化，當(dāng)水力負荷達到1.20m3/(m2·d)后，去除率再次出現(xiàn)陡然下降特征，然后又呈動態(tài)平衡變化，表明了浮石填料滴濾池對于氨氮去除的階段性特征；聚氨酯填料生物滴濾池去除氨氮的最佳水力負荷仍然是0.85m3/(m2·d)，但平均去除率僅為31.25%。兩種填料氨氮去除率相差如此之大的原因在于：①浮石填料本身具有吸附氨氮的能力，而聚氨酯填料沒有，因此硝化細菌更容易在前者里面繁殖生長；②聚氨酯填料的孔隙率更大，對污水的阻力更小，使得污水在填料層的歷經(jīng)時間更短，故而硝化分解不充分。浮石填料滴濾池對氨氮的去除能力優(yōu)于聚氨酯填料。

圖3 氨氮去除效果對比

2.3 氮、磷去除率分析

試驗得到的兩種填料在不同水力負荷下的總氮、總磷的去除率情況如圖4所示。當(dāng)水力負荷為0.85m3/(m2·d)，浮石填料生物滴濾池對總氮、總磷的去除效果最好，分別達到45.6%和38.4%；隨著水力負荷的不斷增加，聚氨酯填料生物滴濾池對總氮、總磷的去除率呈線性降低趨勢，當(dāng)水力負荷達到1.19m3/(m2·d)時，對氮磷的去除率接近于0；總體而言，浮石填料生物滴濾池對于氮磷的去除能力優(yōu)于聚氨酯填料生物滴濾池；聚氨酯填料對于氮磷去除效果較差，其主要原因：①孔隙率較大，通風(fēng)效果較好，不利于硝化反應(yīng)；②填料上生物膜數(shù)量相對較少(即掛膜效果不佳)，影響對氨氮的去除效果，從而影響總氮的去除率；③對總磷的去除主要依靠微生物的同化作用以及生物膜的截留作用，但是聚氨酯填料中沒有形成聚磷菌喜好的好氧- 厭氧環(huán)境。

圖4 總氮、總磷去除率情況

3 結(jié)語

(1)當(dāng)水力負荷為0.85m3/(m2·d)時，生物滴濾池對于COD的去除效果最佳；浮石填料生物滴濾池的抗COD沖擊負荷能力相對于聚氨酯填料而言更強。

(2)當(dāng)水力負荷為0.85m3/(m2·d)時，生物滴濾池對于氨氮的去除效果最好；浮石填料生物滴濾池對氨氮的去除效果優(yōu)于聚氨酯填料，前者去除率為79.68%，后者去除率僅為31.25%。

(3)浮石填料總氮、總磷去除率隨水力負荷增加呈先增后減趨勢，最佳水力負荷為0.85m3/(m2·d)；聚氨酯填料總氮、總磷去除率隨水力負荷增加呈線性遞減；浮石填料生物滴濾池對于氮磷的去除能力優(yōu)于聚氨酯填料生物滴濾池。