間歇曝氣耦合內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池脫氮除磷性能研究*

柴蓓蓓 曹鋒鋒 任武昂#

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

曝氣生物濾池(BAF)是集生物氧化降解和濾料物理截留為一體的生物膜處理工藝[1]，具備占地面積小、處理效率高、經(jīng)濟(jì)成本低[2-3]等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于城市污水處理廠的深度處理單元[4-5]。與此同時(shí)，采用BAF作為二級(jí)生物處理工藝的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)例亦有文獻(xiàn)報(bào)道。傳統(tǒng)BAF去除COD和氨氮效果好[6]，但內(nèi)部環(huán)境的限制，導(dǎo)致出水硝酸鹽氮積累，TN、TP的去除效果不理想[7]。構(gòu)建硝化和反硝化BAF的兩級(jí)曝氣濾池，能有效解決傳統(tǒng)BAF脫氮效率低的問題，但存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增加基建和運(yùn)行費(fèi)用等弊端[8]。因此，優(yōu)化單級(jí)BAF的運(yùn)行操作條件、強(qiáng)化BAF同步脫氮除磷效果，對(duì)其在生活污水處理工程中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

郝曉地等[9]20在單級(jí)BAF實(shí)驗(yàn)裝置中增加出水內(nèi)回流，將系統(tǒng)的TN去除率提高了28%；然而，該方法并未改善單級(jí)BAF除磷效果。基于生物除磷理論[10]，在生物處理單元內(nèi)為聚磷菌(PAOs)創(chuàng)造厭氧/好氧交替的生存環(huán)境，可提高除磷效率[11]。而將BAF的曝氣方式調(diào)整為間歇性曝氣，可實(shí)現(xiàn)好氧/厭氧環(huán)境的交替。由此推斷，采用間歇曝氣可提升BAF的除磷性能。趙海霞等[12]在利用BAF深度處理二級(jí)出水的實(shí)驗(yàn)研究中，通過間歇曝氣的方式實(shí)現(xiàn)了TP去除效率的提升也證實(shí)了上述推斷。

綜上所述，在內(nèi)循環(huán)BAF中引入間歇曝氣的運(yùn)行操作方式，可強(qiáng)化單級(jí)BAF處理生活污水時(shí)的同步脫氮除磷效能，然而該方式是否會(huì)對(duì)BAF系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響仍未可知。為此，本研究首先將對(duì)間歇曝氣耦合內(nèi)循環(huán)BAF系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行情況進(jìn)行驗(yàn)證；隨后，考察優(yōu)化回流比和間歇曝氣的操作參數(shù)對(duì)BAF脫氮除磷效果的影響。本研究的結(jié)果可為推廣BAF處理分散式的生活污水提供技術(shù)指導(dǎo)，也可為農(nóng)村水環(huán)境衛(wèi)生整治的技術(shù)路線選擇提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

升流式BAF(UBAF)見圖1。反應(yīng)器為圓柱形，由聚氯乙烯制成，內(nèi)、外徑分別為15、25 cm，總高度250 cm，各分區(qū)之間用法蘭連接。底部是均勻配水區(qū)，高20 cm；上方是墊層區(qū)，高30 cm，在均勻布水板上鋪粒徑為1～4 cm鵝卵石，并在其內(nèi)部設(shè)置曝氣盤；填料區(qū)以生物陶粒裝填，堆積高度150 cm，陶粒主要物理參數(shù)為粒徑3～5 mm、堆積密度0.7～1.0 g/cm3、孔隙率大于30%；頂部是靜水區(qū)，高50 cm。在UBAF靜水區(qū)設(shè)置有連通底部配水區(qū)的硝化液回流管路，出水經(jīng)回流管實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)。

圖1 UBAF示意圖Fig.1 UBAF diagram

本研究采用的反沖洗流程為先氣洗3 min、再氣水混合洗5 min、最后水洗5 min，其中沖洗強(qiáng)度均為10 L/(m2·s)，反沖洗周期一般為5 d，反沖洗周期具體以實(shí)際出水水質(zhì)而定。另外，蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水量和回流量，曝氣量通過空壓機(jī)和氣體流量計(jì)控制。出水最終由集水水箱溢流排出。

1.2 原水水質(zhì)與運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用水取自某高校污水處理站調(diào)節(jié)池。為防止原水中含有較大雜質(zhì)堵塞UBAF，原水在水箱中經(jīng)30 min靜沉后，選擇上層靜水作為實(shí)驗(yàn)的原水，具體水質(zhì)指標(biāo)見表1。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)控制如下：進(jìn)水量3.2 L/h，水力停留時(shí)間6 h，曝氣和停曝周期1 h，氣水比為6∶1(體積比)。

1.3 接種污泥與掛膜啟動(dòng)

采用排泥法對(duì)UBAF進(jìn)行掛膜啟動(dòng)。接種污泥為某高校污水處理站膜生物反應(yīng)池的活性污泥，具有較好的污泥活性?；钚晕勰嗷旌弦河萌鋭?dòng)泵自下而上泵入U(xiǎn)BAF內(nèi)，投加量以淹沒陶粒填料層上表面為基準(zhǔn)，UBAF剩余部分用原水注滿。以30 L/h的曝氣量悶曝7 h，靜沉1 h，排出上清液并補(bǔ)充原水至原始高度。如此循環(huán)悶曝3 d后，開始以小流量進(jìn)水，分3個(gè)階段逐步增加進(jìn)水流量至設(shè)計(jì)流量3.2 L/h，各階段持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為8 d。

1.4 檢測(cè)指標(biāo)、方法和儀器

COD、TN、TP、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮測(cè)定均按照文獻(xiàn)[13]中標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行；DO及溫度選用哈希HQ30D便攜式溶氧儀測(cè)定；陶粒填料表面結(jié)構(gòu)選用JSM-7610F掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜啟動(dòng)結(jié)果

UBAF連續(xù)運(yùn)行27 d后，進(jìn)水COD、氨氮平均值為248.57、46.28 mg/L，出水COD、氨氮平均值為46.34、5.71 mg/L，COD、氨氮的平均去除率穩(wěn)定在81.36%和87.66%。通過肉眼可觀察到填料表面附著較厚的棕色黏稠物。如圖2所示，掛膜后填料外表面比掛膜前粗糙且具有更多的孔隙結(jié)構(gòu)。以上結(jié)果均表明，系統(tǒng)掛膜啟動(dòng)完成[14]。

表1 實(shí)驗(yàn)期間的原水水質(zhì)

圖2 掛膜前后陶粒填料表面的SEM圖Fig.2 SEM images of ceramsite filler before and after filming

2.2 回流比影響

回流比(R，%)對(duì)COD和氨氮去除效果的影響見圖3。UBAF連續(xù)運(yùn)行150 d，COD去除率穩(wěn)定在83%以上，出水平均值為41.54 mg/L。可見，回流比對(duì)COD的去除效率無明顯的影響，這說明UBAF陶粒填料上富集著大量的異養(yǎng)菌，可有效降解原水中的有機(jī)物。UBAF運(yùn)行期間，氨氮的平均去除率為91.26%，出水平均值為4.10 mg/L，表明系統(tǒng)內(nèi)部硝化細(xì)菌具有較強(qiáng)的代謝速率，幾乎能徹底去除污水中的氨氮[15]。綜上所述，回流比對(duì)UBAF去除COD和氨氮的效率無明顯影響，且出水平均值滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

回流比對(duì)TN和TP去除效果的影響見圖4。UBAF無回流的工況下，TN的平均去除率為41.78%，出水平均值為38.95mg/L；當(dāng)回流比為50%、100%、150%、200%時(shí)，TN的平均去除率依次為56.15%、72.79%、53.19%、45.62%，出水平均值依次為28.27、19.77、32.18、39.87 mg/L。這說明增加內(nèi)回流可促進(jìn)系統(tǒng)的反硝化作用，提升TN的去除效果，然而當(dāng)回流比過大(R>100%)時(shí)，出水TN濃度大幅增加是由于回流液DO高于6.0 mg/L，回流至系統(tǒng)底部時(shí)提升了區(qū)域生物膜外部的DO濃度，進(jìn)而破壞了生物膜內(nèi)的缺氧環(huán)境，使得反硝化效果變差，最終導(dǎo)致UBAF隨著回流比繼續(xù)增加出現(xiàn)了脫氮效率降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]28。在無回流的工況下，UBAF對(duì)于TP的去除效果不佳，平均去除率為46.63%，出水平均值為2.35 mg/L；當(dāng)回流比為50%、100%、150%、200%時(shí)，TP的平均去除率分別為49.81%、54.45%、63.89%、70.25%，出水平均值分別為1.95、1.85、1.59、1.43 mg/L?？梢娤到y(tǒng)對(duì)TP的去除性能是逐漸提升的。分析原因在于UBAF對(duì)TP的去除主要是依靠陶粒填料層的吸附作用和生物膜的同化作用[16]，回流比增加導(dǎo)致水流剪切作用提升，強(qiáng)化了水流對(duì)填料附著生物膜的沖刷作用，使得排出的生物膜量增加，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的除磷效果。

圖3 回流比對(duì)COD和氨氮去除效果的影響Fig.3 Effect of reflux ratio on COD and ammonia nitrogen removal

圖4 回流比對(duì)TN和TP去除效果的影響Fig.4 Effect of reflux ratio on TN and TP removal

綜合各項(xiàng)指標(biāo)的平均去除率，可確定最佳回流比為100%，此時(shí)UBAF的脫氮性能最優(yōu)，COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別為81.68%、89.78%、72.79%、54.45%，出水平均值分別為37.29、4.68、19.77、1.85 mg/L。為進(jìn)一步強(qiáng)化UBAF對(duì)TP的去除效果，下面的研究將基于最佳回流比，調(diào)整連續(xù)曝氣為間歇曝氣，并對(duì)主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.3 曝停比影響

如圖5所示，出水COD平均值隨著曝停比的改變呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。在曝停比由1∶1變化到2∶1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD的去除在曝氣階段依賴于好氧型異養(yǎng)菌的氧化分解，在停曝階段兼性厭氧型異養(yǎng)菌也可發(fā)揮降解作用，因此出水COD平均值相較于連續(xù)曝氣無太大的差異。當(dāng)曝停比為1∶2時(shí)，出水COD平均值首次超過50 mg/L達(dá)到64.12 mg/L。主要原因在于停曝時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致DO被生物消耗后，填料內(nèi)部存在大量缺氧區(qū)域，抑制了好氧型異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，從而影響COD的去除效果。進(jìn)一步說明UBAF對(duì)COD的降解起主導(dǎo)作用的優(yōu)勢(shì)菌種是好氧型異養(yǎng)菌[17]。當(dāng)曝停比為1∶1、2∶1、1∶2時(shí)，UBAF對(duì)氨氮的平均去除率依次為74.17%、86.35%、67.37%，出水平均值依次為12.22、6.34、15.69 mg/L。可見在一定的周期內(nèi)延長(zhǎng)曝氣時(shí)間可增強(qiáng)自養(yǎng)型硝化菌對(duì)氧氣的親和力，促進(jìn)硝化反應(yīng)，使得氨氮平均去除率增大。但UBAF在間歇曝氣的運(yùn)行工況下對(duì)氨氮的去除效果不如連續(xù)曝氣，這是因?yàn)殚g歇曝氣導(dǎo)致供氧量減小，影響了系統(tǒng)的硝化作用；此處可通過提升曝氣階段的供氧量?jī)?yōu)化間歇曝氣的硝化作用[18]。

如圖6所示，當(dāng)曝停比為1∶1、2∶1、1∶2時(shí)，TN的平均去除率分別為54.69%、75.23%、57.29%，出水平均值為31.18、16.82、28.16 mg/L。系統(tǒng)對(duì)于TN的去除效果差異較顯著。其中曝停比為2∶1時(shí)TN的去除效果最佳，并且優(yōu)于回流比為100%時(shí)連續(xù)曝氣的脫氮效果。停曝階段強(qiáng)化了反硝化作用，使得曝氣階段積累的硝酸鹽氮在缺氧環(huán)境依靠反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為N2，因此TN平均去除率也明顯升高。但停曝時(shí)間過長(zhǎng)影響了系統(tǒng)的硝化作用，進(jìn)而造成TN平均去除率下降。在間歇曝氣工況下，UBAF在整個(gè)運(yùn)行期間對(duì)TP的平均去除率和出水平均值分別為66.13%和1.43 mg/L，相比于回流比為100%時(shí)的連續(xù)曝氣階段，系統(tǒng)對(duì)TP的去除性能有明顯提升。主要原因是間歇曝氣可為UBAF提供交替的厭氧/好氧條件，使生物膜系統(tǒng)細(xì)菌群落的分布和相對(duì)豐度發(fā)生改變，可富集較多的PAOs，PAOs好氧吸磷后進(jìn)行反沖洗排出了脫落的生物膜，最終強(qiáng)化了UBAF的除磷效果。當(dāng)曝停比由1∶1變?yōu)?∶1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TP的平均去除率由61.46%增長(zhǎng)至76.08%，這是因?yàn)檠娱L(zhǎng)曝氣時(shí)間，可為PAOs吸磷提供有利的好氧環(huán)境；當(dāng)曝停比為1∶2時(shí)，TP去除率降為60.85%。說明好氧時(shí)間過短，抑制了濾料生物膜的除磷作用[19]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的曝氣量和曝停周期內(nèi)，隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)對(duì)TP去除率升高。當(dāng)曝停比為2∶1時(shí)，UBAF對(duì)TP的去除率高達(dá)76.08%，有效解決傳統(tǒng)BAF除磷效率低的問題。

注：曝停比1∶1、2∶1、1∶2分別表示曝氣30 min/停曝30 min、曝氣40 min/停曝20 min、曝氣20 min/停曝40 min。圖5 曝停比對(duì)COD和氨氮去除效果的影響Fig.5 Effect of aeration/interruption ratio on COD and ammonia nitrogen removal

圖6 曝停比對(duì)TN和TP去除效果的影響Fig.6 Effect of aeration/interruption ratio on TN and TP removal

綜上所述，UBAF在最佳回流比耦合間歇曝氣的工況下，對(duì)TP去除率均有不同程度的提高。其中，當(dāng)回流比為100%、曝停比為2∶1時(shí)，出水效果最佳，COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分別為85.56%、86.35%、75.23%、76.08%，出水平均值分別為28.19、6.34、16.82、1.13mg/L。

2.4 系統(tǒng)沿程DO變化規(guī)律

最佳曝停比和回流比的工況下，UBAF系統(tǒng)沿程DO變化規(guī)律見圖7。曝氣、停曝階段DO的變化趨勢(shì)相同，總體呈山谷型分布。進(jìn)水取自絕對(duì)厭氧環(huán)境的調(diào)節(jié)池，DO小于0.20 mg/L，曝氣階段出水DO平均值為6.07 mg/L，導(dǎo)致硝化液回流與進(jìn)水混合后反應(yīng)柱底部DO高達(dá)3.02 mg/L。反應(yīng)柱沿程高度為35～75 cm的區(qū)域DO濃度明顯較低，甚至在停曝20 min時(shí)出現(xiàn)了厭氧和缺氧環(huán)境，說明此段可能在富集了大量好氧生物的同時(shí)也存在厭氧、缺氧菌種，為生物脫氮除磷提供了必要的環(huán)境條件，可有效實(shí)現(xiàn)UBAF的同步脫氮除磷。

圖7 沿程DO變化規(guī)律Fig.7 DO changes along the way

2.5 間歇曝氣耦合內(nèi)循環(huán)BAF脫氮除磷性能對(duì)比分析

本研究以單級(jí)UBAF處理實(shí)際生活污水，采用對(duì)UBAF局部改造增加出水回流和調(diào)整連續(xù)曝氣為間歇曝氣的運(yùn)行模式，TN、TP的去除率分別提升了33.45百分點(diǎn)、29.45百分點(diǎn)，顯著強(qiáng)化了單級(jí)UBAF的同步脫氮除磷性能。由表2可知，與類似的組合式BAF實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，本研究中系統(tǒng)對(duì)TN和TP的最終去除率并不具有優(yōu)勢(shì)。其關(guān)鍵原因在于本實(shí)驗(yàn)所采用的進(jìn)水C/N平均僅為2.9，有機(jī)碳源的匱乏影響了間歇曝氣耦合內(nèi)循環(huán)的BAF脫氮除磷效果進(jìn)一步發(fā)揮。

表2 文獻(xiàn)中BAF及其組合工藝最佳的脫氮除磷效果

3 結(jié) 論

(1) 單級(jí)UBAF處理實(shí)際生活污水，回流比對(duì)COD和氨氮的去除效果沒有明顯的影響。當(dāng)回流比為100%時(shí)，TN去除效果最佳，平均去除率為72.79%，但TP的平均去除率僅為54.45%。

(2) 在間歇曝氣條件下，曝停比由1∶1變?yōu)?∶1，TN、TP的平均去除率由54.69%、61.46%增長(zhǎng)到75.23%、76.08%，系統(tǒng)脫氮除磷的效果有顯著提升。曝停比由2∶1變?yōu)?∶2，TN和TP平均去除率為57.29%、60.85%，停曝時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷不利，最終確定最佳曝停比為2∶1。

(3) 在最佳回流比100%耦合曝停比2∶1的工況下，COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分別為85.56%、86.35%、75.23%、76.08%；反應(yīng)柱沿程DO呈山谷型分布，停曝階段35～75 cm區(qū)域處于厭氧、缺氧環(huán)境，可有效實(shí)現(xiàn)UBAF的同步脫氮除磷。