膨脹床生物濾池用于凈化廠尾水提標(biāo)改造的中試研究

謝觀體， 李偉， 陸少鳴， 鄺自嬌， 劉建生， 王銘源

（1.東莞市樟村水質(zhì)凈化有限公司, 廣東 東莞 523808; 2.華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院, 廣州 510006）

目前， 深度去除氨氮最經(jīng)濟(jì)有效的方法是生物法， 主要有生物接觸氧化法、 曝氣生物濾池、 生化流化床等技術(shù)。 生物接觸氧化法運(yùn)行負(fù)荷低， 水力停留時(shí)間（HRT）一般在1 h 以上［1］， 且易出現(xiàn)積泥及濾料堵塞現(xiàn)象［2－3］。 曝氣生物濾池的過濾水頭損失一般較大， 沖洗強(qiáng)度大， 且易出現(xiàn)沖洗不充分而導(dǎo)致填料板結(jié)等問題［4］， 水力負(fù)荷一般較低， 濾速一般在6 m／h 以下， 空床接觸時(shí)間（EBRT） 一般為20～60 min［5］。 懸浮填料流化床或純膜MBBR 采用了與水密度接近的懸浮填料， 填料不易板結(jié)， 但為了保持填料的流化狀態(tài)， 填充率須低于67%， 且須保持高強(qiáng)度的曝氣［6－7］。 針對(duì)以上問題， 華南理工大學(xué)陸少鳴團(tuán)隊(duì)開發(fā)了膨脹床生物濾池工藝（EBF）， 該工藝采用浸潤密度與水接近的頁巖懸浮陶粒為濾料， 同時(shí)借鑒并優(yōu)化了曝氣生物濾池的池型結(jié)構(gòu)及沖洗方式， 克服了接觸氧化法水力負(fù)荷低， 曝氣生物濾池水頭損失大、 濾料層易積泥板結(jié)， 懸浮球流化床填料疏水、 填充率受限、 曝氣強(qiáng)度高等問題， 在微污染水源水［8］、 城鎮(zhèn)生活污水［9］、農(nóng)村污水［10］等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果良好。

本研究以東莞市某大型河道水質(zhì)凈化廠尾水為試驗(yàn)原水開展中試試驗(yàn)， 考察EBF 技術(shù)深度處理尾水氨氮的效果、 工藝參數(shù)及運(yùn)行特性， 驗(yàn)證其在該凈化廠的尾水深度處理技術(shù)改造中的可行性， 同時(shí)， 也為類似污水廠提標(biāo)改造提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1 所示。 膨脹床生物濾柱為全鋼柱， 直徑1.0 m， 高4.5 m， 底部進(jìn)水， 溢流出水。濾柱上下安裝濾網(wǎng)， 濾網(wǎng)之間放置專用的頁巖懸浮陶粒， 上下濾網(wǎng)之間的高度為2.85 m， 其中填料的高度為2.00 m。 濾柱底部裝有膜孔曝氣管， 采用HC40S 回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)曝氣， 風(fēng)量為0.61 m3／min，通過旁通閥調(diào)節(jié)氣量， 維持氣水體積比為1.5 ∶1～1.8 ∶1， 確保出水水質(zhì)達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖1 膨脹床生物濾池結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of expanded bed biological filter

陶粒粒徑為φ3 ～φ5 mm， 表觀密度為0.75 ～0.95 g／cm3， 堆積密度為0.4～0.6 g／cm3， 空隙率不小于35%， 按堆積體積計(jì)算比表面積不小于3.0×104m2／m3， 水浸潤顆粒密度為0.9～1.1 g／cm3。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)原水取自凈化廠沉淀池末端， 原工程對(duì)出水氨氮不作要求， 提標(biāo)后出水氨氮濃度要求達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，其余指標(biāo)仍滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（其中ρ（COD）≤60 mg／L）。 提標(biāo)后出水的主要水質(zhì)指標(biāo)以及該凈化廠2018 年的尾水水質(zhì)情況詳見表1 所示。

表1 提標(biāo)后出水水質(zhì)要求及2018 年尾水水質(zhì)Tab. 1 Effluent water quality requirement after upgrading and tail water quality of 2018

1.3 試驗(yàn)方法

開展動(dòng)態(tài)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)， 原水通過潛污泵定量泵入濾柱底部， 過濾后出水檢測(cè)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。 濾柱啟動(dòng)方法： 連續(xù)進(jìn)水自然掛膜， 進(jìn)水流量為70 m3／d， 濾速為3.7 m／h， 氣水體積比為1.5 ∶1， 連續(xù)運(yùn)行7 d 后， 檢測(cè)出水氨氮的濃度， 待氨氮的去除率穩(wěn)定在60%以上， 即可認(rèn)為掛膜成功［11］。

濾柱穩(wěn)定運(yùn)行后， 調(diào)整進(jìn)水流量為160 m3／d，濾速為8.5 m／h， 氣水體積比為1.5 ∶1～1.8 ∶1， 考察COD、 氨氮、 SS 等指標(biāo)的去除效果， 試驗(yàn)時(shí)間約2 個(gè)月。 沖洗采用氣沖洗加下排水的方式， 氣沖強(qiáng)度為7.1 L／（m2·s）， 氣沖5 min， 排水流速為2.6 L／s， 歷時(shí)約15 min。

1.4 分析方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定， COD 采用快速消解分光光度法測(cè)定， 亞硝酸鹽（以N 計(jì)）采用N－（1－萘基）－乙二胺分光光度法測(cè)定， SS 采用重量法測(cè)定， 水頭損失采用管道測(cè)壓法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定運(yùn)行階段氨氮的去除效果

在濾速為8.5 m／h， EBRT 約為14 min， 氣水體積比為1.5 ∶1～1.8 ∶1 的穩(wěn)定運(yùn)行期間， 進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為1.13 ～10.4 mg／L， 平均值為4.38 mg／L， 出水氨氮質(zhì)量濃度為0.03 ～1.50 mg／L， 平均值為0.41 mg／L， 穩(wěn)定達(dá)到GB 3838—2002 中Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)要求。 濾柱進(jìn)出水氨氮數(shù)據(jù)的變化見圖2。

圖2 氨氮的去除效果Fig. 2 Removal effect of ammonia nitrogen

由圖2 可知， 在高濾速、 短停留時(shí)間的條件下， 濾柱對(duì)氨氮的去除效果穩(wěn)定， 并且具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力， 氨氮的去除率穩(wěn)定在80% ～99%， 平均值為91.4%。 究其原因主要在于濾料的特性， 濾料是影響生物濾池處理效果的核心因素。一般認(rèn)為， 影響濾料處理效能的主要因素有密度、粒徑、 比表面積、 粗糙度、 表面特性等［12－13］。 本研究中的懸浮填料克服了傳統(tǒng)塑料懸浮填料表面親水性不足的劣勢(shì)， 采用天然頁巖為原材料， 制成的填料表面親水、 粗糙， 有利于自養(yǎng)菌生物膜牢固附著在濾料上生長， 且填料比表面積大， 硝化細(xì)菌生物量豐富； 其次， EBF 專用填料在水中的顆粒密度接近于水， 根據(jù)曝氣強(qiáng)度的大小， 濾料處于膨脹、 局部流化甚至全部流化狀態(tài)， 所有表面均與水流接觸， 保證了生物膜與氨氮、 溶解氧的高效傳質(zhì)， 為氨氮的快速硝化創(chuàng)造了優(yōu)越條件。

2.2 亞硝酸鹽的去除效果

在濾速為8.5 m／h， 氣水體積比為1.5 ∶1～1.8 ∶1 的條件下， 為了考察EBF 在去除氨氮的過程中是否會(huì)引起亞硝酸鹽積累， 試驗(yàn)前期對(duì)亞硝酸鹽的去除效果進(jìn)行了分析， 結(jié)果如圖3 所示。

圖3 亞硝酸鹽的去除效果Fig. 3 Removal effect of nitrite

由圖3 可知， 試驗(yàn)初期， EBF 出水的亞硝酸鹽含量比進(jìn)水高， 亞硝酸鹽在早期出現(xiàn)了積累。 究其原因主要是在好氧環(huán)境下， 氨氮的去除主要是通過氨氧化細(xì)菌與硝化細(xì)菌共同完成。 氨氧化細(xì)菌與硝化細(xì)菌具有互利共生的生態(tài)關(guān)系， 后者以前者的代謝產(chǎn)物為基質(zhì)， 且后者對(duì)氧的爭(zhēng)奪能力弱于前者， 當(dāng)硝化細(xì)菌的生長率和轉(zhuǎn)化能力與氨氧化細(xì)菌不協(xié)調(diào)時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致出水亞硝酸鹽積累［14］。 隨著EBF系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后， 硝化細(xì)菌的轉(zhuǎn)化能力逐漸與氨氧化細(xì)菌協(xié)調(diào)， 亞硝酸鹽不再積累。 本研究中濾柱從掛膜完成到亞硝酸鹽不積累， 歷時(shí)約15 d。

2.3 COD 的去除效果

在濾速為8.5 m／h， 氣水體積比為1.5 ∶1～1.8 ∶1 的條件下， 試驗(yàn)前期對(duì)COD 的去除效果進(jìn)行了分析， 結(jié)果如圖4 所示。

圖4 COD 的去除效果Fig. 4 Removal effect of COD

由圖4 可知， 濾池進(jìn)水COD 的質(zhì)量濃度為14 ～41 mg／L， 平均值為24 mg／L， 出水COD 的質(zhì)量濃度為12 ～41 mg／L， 平均值為21 mg／L， 最大去除率為26.1%， 平均去除率為13.3%， COD 去除效果穩(wěn)定， 試驗(yàn)后期未持續(xù)考察COD 的去除效果。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示， EBF 對(duì)COD 的去除率總體上并不高， 分析其原因可能是EBF 的HRT 較短， 濾柱的EBRT 為14 min， HRT 約為20 min。 邱立平等［15］研究了HRT 對(duì)曝氣生物濾池去除COD 的影響， 認(rèn)為HRT 為0.6～2.5 h 時(shí)， 對(duì)COD 去除效果的影響較??； 當(dāng)HRT 低于0.4 h 時(shí)， COD 的去除效果明顯下降。 本研究中濾柱HRT 約為20 min， 不足以保障COD 的去除效果。 同時(shí)， 由于進(jìn)水COD含量較低， 異養(yǎng)菌長期處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)， 難以成為優(yōu)勢(shì)菌種， 濾柱流速大， 表面生物膜易沖脫， 有機(jī)物的降解速率不高。

2.4 懸浮物的去除效果

在濾速為8.5 m／h， 氣水體積比為1.5 ∶1 ～1.8 ∶1 的條件下， 試驗(yàn)前期對(duì)懸浮物的去除效果進(jìn)行分析， 結(jié)果如圖5 所示。

圖5 懸浮物的去除效果Fig. 5 Removal effect of SS

由圖5 可知， 濾柱進(jìn)水懸浮物質(zhì)量濃度為5 ～53 mg／L， 平均值為17 mg／L， 波動(dòng)較大， 出水懸浮物質(zhì)量濃度為4 ～18 mg／L， 平均值為11 mg／L，平均去除率為31.6%。 EBF 對(duì)懸浮物的截留率不高， 這是EBF 工藝的特點(diǎn)。 EBF 的填料浸潤密度與水接近， 在正常運(yùn)行時(shí)處于膨脹乃至局部流化的狀態(tài)， 能大幅度降低對(duì)粗大顆粒的截留作用， 而懸浮固體的積累是導(dǎo)致濾池水頭損失增長的主要因素［16］。 通過減少對(duì)懸浮物的截留， EBF 工藝克服傳統(tǒng)濾池容易積泥， 易堵塞， 水頭損失大、 增長快的問題。 同時(shí)， 懸浮物的截留作用削弱后， 自養(yǎng)菌生物膜不易被惰性的懸浮物質(zhì)覆蓋， 能有效保障生物膜與水流之間的傳質(zhì)速率。

2.5 過濾水頭損失及沖洗方式

水頭損失是衡量生物濾池運(yùn)行狀況的重要控制指標(biāo)， 與進(jìn)水水質(zhì)、 填料表面特性和微生物生長情況密切相關(guān)。 水頭損失的大小和增長速度直接影響沖洗的強(qiáng)度和頻率。 試驗(yàn)期間， EBF 的水頭損失在0.2～1.0 kPa 之間， 遠(yuǎn)小于普通濾池5 ～9 kPa 的水頭損失［3］， 當(dāng)EBF 水頭損失增至1.0 kPa 后， 其增長速率顯著加快， 但出水水質(zhì)仍能滿足要求。 鑒于凈化廠尾水的富余水頭有限， 當(dāng)EBF 的水頭損失增長至約2.0 kPa 時(shí)， 進(jìn)行沖洗。 試驗(yàn)期間， 受水質(zhì)、 濾速、 氣水比等各種因素影響， 沖洗周期為7～20 d， 遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)濾池1 ～3 d 的沖洗周期。

EBF 填料的懸浮特點(diǎn)使得所需的沖洗強(qiáng)度較低， 沖洗方式為先氣沖5 min， 強(qiáng)度為7.1 L／（m2·s）， 再下排水15 min， 強(qiáng)度為2.6 L／s， 沖洗后水頭損失可降至0.2 ～0.5 kPa。

3 結(jié)論

（1） 采用EBF 工藝深度處理東莞市某凈化廠尾水， 在8.5 m／h 的高濾速下， EBRT 約為14 min，氣水比較小， 維持在1.5 ∶1 ～1.8 ∶1 之間。 EBF 對(duì)氨氮的硝化效果穩(wěn)定且徹底， 進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為1.13 ～10.4 mg／L， 平均值為4.38 mg／L， 出水氨氮平均質(zhì)量濃度為0.41 mg／L， 平均去除率為91.4%，出水氨氮濃度穩(wěn)定達(dá)到GB 3838—2002 中Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)要求（ρ（氨氮）≤1.5 mg／L）。

（2） EBF 工藝的運(yùn)行水頭損失小， 約0.2～1.0 kPa， 當(dāng)水頭損失增長至約2.0 kPa 時(shí)， 啟動(dòng)沖洗，周期為7 ～20 d， 沖洗周期較長。 采取氣沖洗＋下排水的沖洗方式， 無需氣水聯(lián)合沖洗， 沖洗強(qiáng)度小。

（3） EBF 工藝對(duì)懸浮固體的截留作用較曝氣生物濾池大大減弱， 不易堵塞， 水頭損失變化緩慢；對(duì)氨氮的硝化徹底， 硝化運(yùn)行過程中亞硝酸鹽不積累； 對(duì)水質(zhì)的抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)， 出水水質(zhì)穩(wěn)定。

（4） 在高濾速、 短停留時(shí)間條件下， EBF 能高效去除污水廠尾水的氨氮， 且效果穩(wěn)定， 水頭損失小， 沖洗周期長， 沖洗方式簡(jiǎn)單。 在目前我國污水廠普遍面臨提標(biāo)改造， 且用地緊張的大環(huán)境下，EBF 是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)， 尤其適用于尾水氨氮濃度較高且提標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)格的污水廠。