生物接觸氧化工藝實(shí)際應(yīng)用效果分析
——以合肥某河道水質(zhì)提升項(xiàng)目為例

張友德 戴曹培 章薔 何建軍 張?zhí)鹛?/p>

（安徽新宇環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，安徽合肥 230041）

1 引言

2015 年4 月《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“水十條”）實(shí)施，國(guó)家首次將城市黑臭水體納入治理范圍，國(guó)務(wù)院隨后出臺(tái)多項(xiàng)政策加強(qiáng)推進(jìn)全國(guó)黑臭水體整治工作，2018 年又印發(fā)了《城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》。截至2020 年年底，全國(guó)地級(jí)及以上城市2 914 個(gè)黑臭水體消除比例達(dá)到98.2%。隨之，縣級(jí)城市黑臭水體治理也提上日程，國(guó)家目標(biāo)是在“十四五”時(shí)期基本消除縣級(jí)城市建成區(qū)的黑臭水體。

黑臭水體的治理中，宜采取旁路治理的方式來(lái)應(yīng)對(duì)不能實(shí)現(xiàn)徹底截污或者無(wú)優(yōu)質(zhì)補(bǔ)給水源的水體。旁路治理是在受治理水體以外的地方實(shí)施處理辦法的一種技術(shù)思路，是將受污染的河水抽出，經(jīng)外部處理設(shè)施凈化后再返回原河道，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)提升，一定程度上還可促進(jìn)水體流動(dòng)。

2 項(xiàng)目概況

合肥市某河道水質(zhì)應(yīng)急提升項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)采用快速磁分離凈化設(shè)備+生物接觸氧化池+生態(tài)處理（生態(tài)塘）的組合工藝，以達(dá)到水質(zhì)應(yīng)急提升效果，是一個(gè)典型的黑臭水體旁路治理技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目。該項(xiàng)目需要提升的主要水質(zhì)指標(biāo)為化學(xué)需氧量、氨氮與總磷，設(shè)計(jì)各對(duì)應(yīng)水質(zhì)指標(biāo)出水皆需滿足地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，即檢測(cè)化學(xué)需氧量濃度需小于30 mg/L，檢測(cè)氨氮濃度需小于1.5 mg/L，檢測(cè)總磷濃度需小于0.3 mg/L?？焖俅欧蛛x凈化設(shè)備主要作用于總磷以及部分化學(xué)需氧量的去除，生物接觸氧化池工藝負(fù)責(zé)完成氨氮的削減任務(wù)［1］，生態(tài)塘承接生物接觸氧化池出水以進(jìn)一步提升水質(zhì)指標(biāo)。

生物接觸氧化工藝是一種在污水處理技術(shù)中相對(duì)成熟的處理工藝。其通過(guò)附著在填料上的多種微生物作用，進(jìn)行包括硝化與反硝化等在內(nèi)的一系列生化反應(yīng)，氧化分解污水中的污染物。工藝?yán)锏奶盍辖](méi)在污水中，為微生物生長(zhǎng)提供附著的場(chǎng)所。在所有填料長(zhǎng)滿生物膜的情況下，污水在填料之間穿行與生物膜接觸，微生物自身代謝吸收并轉(zhuǎn)化污染物，完成污染水體凈化的過(guò)程。生物接觸氧化工藝又稱為“淹沒(méi)式生物濾池”［2-3］，其所用的工藝填料見(jiàn)圖1。

圖1 工藝填料

本項(xiàng)目生物接觸氧化池實(shí)際尺寸為80 m×14 m×2.7 m，坡度1∶2.5，底部寬10 m，水力停留時(shí)間7～9 h，氣水比6 ∶1，有效水深2.2 m。池內(nèi)整體設(shè)計(jì)為填料區(qū)、沉淀區(qū)2 個(gè)功能區(qū)域，沉淀區(qū)面積30 m×14 m，填料區(qū)面積50 m×14 m。填料區(qū)分為曝氣區(qū)和靜置區(qū)，在曝氣區(qū)、靜置區(qū)均勻布置懸掛式填料。填料選用軟性填料與彈性填料，數(shù)量上2 種填料比例相同，施工時(shí)在池中將2 種填料互相平行穿插懸掛。曝氣區(qū)上方布置水面輸氧浮管，由軟管連接池底微孔曝氣頭，靜置區(qū)內(nèi)布置填料。布置示意如圖2 所示。

圖2 接觸氧化池布置示意

3 項(xiàng)目難點(diǎn)

本項(xiàng)目為應(yīng)急提升類型工程，設(shè)計(jì)施工上不僅要考慮工期緊的問(wèn)題，還需要注意后期恢復(fù)土地，所以不宜設(shè)計(jì)永久性或難以拆除的構(gòu)筑物。因此，在確定使用工藝時(shí)，生物接觸氧化池的設(shè)計(jì)方向上靈活參考了現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)土地條件，區(qū)別于常規(guī)池體混凝土澆筑的構(gòu)建思路，整體形式模仿了成熟且使用效果好的百樂(lè)克工藝（見(jiàn)圖3），就近選取一凹地直接進(jìn)行開(kāi)挖改造。

圖3 百樂(lè)克工藝

百樂(lè)克技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代國(guó)外研究的一種污水處理技術(shù)，通常為土池結(jié)構(gòu)，易于開(kāi)挖，完全滿足生化處理池功能上的要求，是一種低投資、低運(yùn)行成本、高效低耗的工藝。啟動(dòng)時(shí)，由可活動(dòng)的漂浮移動(dòng)式曝氣系統(tǒng)供氧，對(duì)氮類污染物有較好的去除效果［4］。

在挖好池體形狀后，施工組要在池底鋪設(shè)一層HDPE 防滲膜，以防止生產(chǎn)活動(dòng)中污水下滲對(duì)土壤造成新的污染。

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 掛膜調(diào)試

成功掛膜的填料是生物接觸氧化工藝能穩(wěn)定有效運(yùn)行的關(guān)鍵，通?？梢詫⑻盍辖胛鬯?jīng)過(guò)一定時(shí)間放置讓微生物生長(zhǎng)自然掛膜，也可以直接加入污泥進(jìn)行人工接種掛膜。生物接觸氧化工藝的填料上需要繁殖出大量微生物，在施工調(diào)試過(guò)程中為追求效率，縮短工期，人工接種掛膜的方式應(yīng)用更多一些。本項(xiàng)目調(diào)試時(shí)也采用人工接種掛膜的方法，調(diào)試接種污泥來(lái)源于本地一污水處理廠二沉池。調(diào)試當(dāng)日，首先在池內(nèi)蓄滿待提升水質(zhì)的河水，保證所有填料浸入水中，將污泥拋入生物接觸氧化池中與填料接觸進(jìn)行人工接種。接種后，接觸氧化池內(nèi)持續(xù)悶曝，悶曝8 h 后開(kāi)啟循環(huán)泵，將接觸氧化池尾端水打至接觸氧化池進(jìn)水端，使之形成內(nèi)循環(huán)，循環(huán)4 h 再靜置12 h。維持悶曝-內(nèi)循環(huán)-靜置的過(guò)程，其間適時(shí)補(bǔ)充新的河水，增加營(yíng)養(yǎng)源。7 d 后可小流量通水測(cè)試低負(fù)荷運(yùn)行，約14 d 后接觸氧化池填料基本完成接種掛膜。具體步驟見(jiàn)表1。

表1 掛膜調(diào)試步驟 h

4.2 運(yùn)行使用

本項(xiàng)目的接觸氧化池主要負(fù)責(zé)削減氨氮，是整個(gè)提升治理系統(tǒng)的第二階段處理工藝。項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)，受污染的河水經(jīng)由前端快速磁分離凈化設(shè)備處理，水體中懸浮物、總磷含量已經(jīng)很低，水體透亮，雜質(zhì)含量極少。磁分離凈化后的河水轉(zhuǎn)入接觸氧化池中，接觸氧化池內(nèi)采用連續(xù)不間斷的曝氣方式，以保證氧氣供應(yīng)。河水穿過(guò)多層填料與附著在其上的生物膜充分接觸（見(jiàn)圖4），進(jìn)行硝化反應(yīng)。污染河水凈化后，接觸氧化池出水再接入后端生態(tài)塘。

圖4 掛膜后的填料

5 項(xiàng)目運(yùn)行效果分析

該項(xiàng)目運(yùn)行以來(lái)，對(duì)其進(jìn)出水進(jìn)行連續(xù)6 個(gè)月的取樣監(jiān)測(cè)，平均每月取樣1 次，根據(jù)生物接觸氧化工藝的特點(diǎn)，對(duì)氨氮指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)分析。由圖5 可見(jiàn)，生物接觸氧化工藝對(duì)氨氮有著顯著的削減效果，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均去除率達(dá)到79 %以上。從10 月到次年2 月5 次監(jiān)測(cè)到生物接觸氧化池進(jìn)水氨氮含量基本都在8 mg/L 以上，最高水平為次年2 月，氨氮含量達(dá)10.6 mg/L，對(duì)應(yīng)生物接觸氧化池出水氨氮含量為2.35 mg/L。通過(guò)生物接觸氧化工藝處理，出水中氨氮含量至少可以達(dá)到或接近Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，即小于2.0 mg/L。

圖5 連續(xù)取樣氨氮含量對(duì)比

另一方面，對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的氨氮去除率的變化曲線分析得到，生物接觸氧化池在12 月到次年的2 月期間，氨氮削減能力低于6 次監(jiān)測(cè)的平均水平（見(jiàn)圖6）。從11 月開(kāi)始，去除率曲線呈明顯下降趨勢(shì)，最低到次年1 月去除率已降至70%左右。主要因?yàn)槲覈?guó)在每年12 月至次年2 月期間為冬季，項(xiàng)目所在地區(qū)冬季室外溫度存在零下的情況。隨著外界溫度降低，生物活性受到抑制，接觸氧化效果開(kāi)始下降。2 月以后氣溫回暖，生物接觸氧化池氨氮去除率開(kāi)始回升。

圖6 氨氮去除率變化曲線

6 項(xiàng)目工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

6.1 生物接觸氧化工藝的優(yōu)點(diǎn)

（1）掛膜接種方便，工藝啟動(dòng)時(shí)間短

本項(xiàng)目實(shí)際的接種生長(zhǎng)時(shí)間7 d 左右，在確認(rèn)填料上有效附著微生物后，開(kāi)始低負(fù)荷通水試運(yùn)行。整體上的馴化時(shí)間可壓縮在15 d 內(nèi)。

（2）對(duì)負(fù)荷的變動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)

生物接觸氧化法的容積負(fù)荷為3～10 kg BOD5/（m3·d），是普通活性污泥法的3～5 倍［5］。

（3）維護(hù)管理方便，成本低

相較于傳統(tǒng)活性污泥法，生物接觸氧化法不用進(jìn)行污泥回流且污泥產(chǎn)量很低，因此不需要考慮污泥膨脹問(wèn)題，工藝運(yùn)行能耗也節(jié)省很多，管理成本隨之下降，并且本項(xiàng)目采用因地制宜的建設(shè)思路，節(jié)約建設(shè)成本。

（4）凈化效果好，出水穩(wěn)定

由上述分析可知，在氧氣供應(yīng)充足的前提下，生物接觸氧化法具備較高且穩(wěn)定的去除污染物能力，可穩(wěn)定發(fā)揮良好凈化效果。

（5）微生物種類豐富

因?yàn)楸卷?xiàng)目選用本地污水處理廠排出的活性污泥接種，不僅易于馴化而且形成的生物膜富含多種微生物，同時(shí)因?yàn)榻梃b百樂(lè)克工藝構(gòu)筑方法，池內(nèi)微生物聯(lián)合填料生物膜共同作用在污水處理中，處理效果更優(yōu)。

6.2 項(xiàng)目工藝待改進(jìn)的問(wèn)題

（1）污泥脫落形成淤積

由于本項(xiàng)目為應(yīng)急工程，未在生物接觸氧化池填料區(qū)安置排泥設(shè)備。在微生物繁衍過(guò)程中，舊的生物膜脫離填料在池底堆積。一段時(shí)間后，氧化池下層水域形成淤泥并將填料掩埋，直接減少生物反應(yīng)接觸面積，工藝的凈化效果隨之受到影響。此問(wèn)題在以后的工藝應(yīng)用中應(yīng)引起重視，對(duì)于不同運(yùn)行期限的處理設(shè)施需有所考量。

（2）工藝受溫度影響明顯

生物接觸氧化工藝本質(zhì)上還是通過(guò)微生物消除污染的方法。大部分微生物適宜生長(zhǎng)的環(huán)境溫度為20～35 ℃，此時(shí)生物活性較為強(qiáng)烈。當(dāng)外界溫度低于10 ℃時(shí)，微生物基本處于休眠狀態(tài)；當(dāng)外界溫度低于4 ℃時(shí)，微生物開(kāi)始出現(xiàn)死亡。硝化反應(yīng)的適宜溫度是20～30 ℃，15 ℃以下時(shí)硝化反應(yīng)速率下降，5 ℃時(shí)完全停止。低溫影響生物活性是無(wú)法回避的問(wèn)題，一般建議冬季在生化端增加供氧量。

7 結(jié)論

相較更為發(fā)達(dá)的地級(jí)市，在縣級(jí)城市中低污染河流有一定占比，這些河流往往只是生態(tài)系統(tǒng)輕度失衡，自身無(wú)法及時(shí)消化污染物，慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)楹诔羲w，這些水體中氮的主要存在形式為氨氮。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，生物接觸氧化工藝可以對(duì)氨氮進(jìn)行有效去除，并且有啟動(dòng)快、成本低、凈化效果好、出水穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在縣級(jí)城市黑臭水體治理中有很好的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目應(yīng)用的池體構(gòu)建方法能因地制宜，極好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的地形，顯著縮短生物接觸氧化池單元的構(gòu)建工期，同時(shí)有效降低了建設(shè)成本，如在后期需要拆除也非常方便，產(chǎn)生的建筑廢料極少。在某些特殊的地質(zhì)條件下，如地震多發(fā)地區(qū)、土質(zhì)疏松地區(qū)，其優(yōu)點(diǎn)也得到更充分的體現(xiàn)，為數(shù)量廣大的縣級(jí)城市提供了一種較好的黑臭水體治理思路。