隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展, 環(huán)境問(wèn)題日益突出,尤其是城市水環(huán)境的惡化, 加劇了水資源的短缺, 已經(jīng)成為城市可持續發(fā)展的嚴重制約因素。生活污水是城市污水的重要組成部分, 對于南方大部分城市,由于雨量大, 氣溫高等原因, 生活污水中的有機物濃度普遍較低, 僅250 mg/ L 左右。而且生活污水的排放源相對分散, 特別是一些難以集中處理的低濃度小區生活污水, 由于得不到有效治理, 任意排放所造成的水體污染, 已經(jīng)到了較為嚴重的地步。曝氣生物濾池(BAF) 采用球形輕質(zhì)陶粒作為填料, 集生物氧化和截留懸浮固體為一體, 節省了后續二沉池,具有體積小、處理效率高、出水水質(zhì)好及流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)11, 22。因此針對南方特有的低濃度生活污水, 探討了在低曝氣條件下( 氣水比為3÷1) , 影響曝氣生物濾池容積負荷的主要因素。
1 材料和方法
1. 1 試驗裝置
試驗裝置見(jiàn)圖1, 反應器采用直徑為15 cm、高280 cm 的有機玻璃柱, 每隔20 cm 設一個(gè)取樣口。底部設有穿孔曝氣管和反沖洗布水管, 污水由上部進(jìn)入, 底部排出。以陶粒作為填料, 其中填料體積35 L, 填料層高200 cm, 填料粒徑2~ 4 mm, 堆積密度Q= 1. 16 @103 kg/ m3。反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖, 反沖液由頂部溢流口排放。
1. 2 試驗水質(zhì)和方法
試驗用水來(lái)自華南理工大學(xué)校園生活污水, 分別取自?xún)蓚�(gè)不同的排污口, 試驗階段平均氣溫28~30 e , 綜合水質(zhì)指標: pH 為6. 8~ 7. 5, CODCr 65. 4~ 161. 5 mg/ L, BOD534. 5~ 60. 4 mg/ L, NH3- N 5~ 41. 3 mg/ L, SS 45~ 84 mg/ L。
1. 3 分析方法和儀器
CODCr: XJ- 1 型COD 消解裝置; 氨氮: TU -1800SPC 紫外可見(jiàn)分光光度計, 納氏試劑光度法。
2 試驗結果及分析
2. 1 掛膜
掛膜采用先悶曝5 d, 然后在進(jìn)水流量為13. 5L/ h, 氣水比為3÷1 的條件下連續曝氣, 運行一段時(shí)間后, 肉眼可見(jiàn)反應器頂部?jì)缺谏细街?zhù)大量絲狀絮體, 陶粒表面包裹的生物膜顏色逐漸加深, 由灰白色絨狀變?yōu)闇\黃色生物膜, 經(jīng)剝離后, 顯微鏡下觀(guān)察發(fā)現, 生物膜中有大量的絲狀微生物, 以及鐘蟲(chóng)、變形蟲(chóng)等。同時(shí)出水CODCr 和氨氮的去除率均達到75% 以上, 至此掛膜完成。
2. 2 氣水比對反應器容積負荷的影響
氣水比是影響曝氣生物濾池運行效果的主要因素之一, 比較了在相同水力負荷0. 9 m3/ (m2# h) 條件下(HRT = 2. 2 h) , 進(jìn)水有機物質(zhì)量濃度為113. 9~ 135. 04 mg/ L, 不同氣水比對反應器容積負荷的影響, 試驗結果見(jiàn)圖2。
在該實(shí)驗條件下, 當氣水比小于4. 5÷1 時(shí), 反應器容積負荷隨氣水比的增加而增加。氣水比為1.5÷1, 3÷1 和4. 5÷1 時(shí), CODCr 對應的容積負荷分別為1. 06 kg/ ( m3#d) , 1. 29 kg/ ( m3#d) 和1. 34 kg/ (m3#d) 。進(jìn)一步增大氣水比, 容積負荷呈下降趨勢。當氣水比為6÷1 時(shí), CODCr 對應的容積負荷為1. 28kg/ (m3# d) 。這是由于曝氣生物濾池采用連續曝氣, 反應器中氧氣的傳輸主要通過(guò)界面轉移途徑, 即氣泡中的氧氣與生物膜表面直接接觸而被微生物利用。根據雙膜理論, 氧氣傳遞速率的大小由氣液兩停滯膜的阻力決定, 氣水比越大, 相對于膜間的傳質(zhì)阻力也越小, 在其他條件相近的情況下, 生物膜內溶解氧濃度也越高, 相應的降解有機物的好氧異養菌的活性也隨之提高, 從而提高了反應器的容積負荷132。但曝氣量過(guò)大, 反應體系中氧的濃度受平衡溶解度限制, 溶解氧不僅不再增加, 過(guò)強的湍流反而造成水中溶解氧的解析及填料上生物膜脫落, 降低了固定化微生物的濃度, 導致反應器容積負荷的降低。同時(shí)曝氣量增大, 相應的動(dòng)力消耗也將增加, 因此本試驗確定的最佳氣水比為3÷1。
2. 3 水力負荷對反應器容積負荷的影響
在進(jìn)水CODCr 質(zhì)量濃度為122. 11 ~ 128. 89mg/ L, NH3- N 質(zhì)量濃度為37. 84 ~ 40. 79 mg/ L,氣水比為3÷1 條件下, 當水力負荷分別為0. 7 m3/(m2#h) , 1. 1 m3/ (m2#h) , 1. 3 m3/ (m2#h) , 1. 7 m3/(m2#h) 時(shí), CODCr和氨氮的容積負荷及去除率的變化見(jiàn)圖3、圖4。容積負荷在此范圍內隨水力負荷的增加而增加, CODCr容積負荷由0. 969 kg/ ( m3#d) 增加到1. 60 kg/ ( m3# d) ; 氨氮容積負荷由0. 11 kg/(m3#d) 提高到0. 46 kg/ (m3#d) 。CODCr去除率呈現先增加后降低的趨勢, 而氨氮的去除率則受水力負荷的變化影響較小, 均保持在80% 左右。其中, 當水力負荷為1. 1 m3/ ( m2#h) 時(shí), 對應的CODCr 和氨氮的去除率分別為97. 37% 和82. 28% , 出水有機物和氨氮質(zhì)量濃度分別為3. 4 mg/ L 和6. 94 mg/ L。這是因為當水力負荷較低時(shí), 相應的濾速也較低, 一方面氣、水在曝氣生物濾池中的傳遞輸移的阻力較
大, 容易造成濾池中氣、水分布不均勻; 另一方面水力負荷較低的情況下, 進(jìn)水有機負荷也很低, 導致微生物出現營(yíng)養不足的現象, 使得反應器容積負荷降低。當進(jìn)水流量增大時(shí), 水力負荷的提高改善了濾池中的傳質(zhì)條件, 加大了對陶粒表面的沖刷, 有利于膜的更新和有機物的去除。同時(shí)進(jìn)水有機負荷也隨之升高, 使微生物得到足夠的營(yíng)養, 促進(jìn)生物膜的生長(cháng), 提高生物活性, 從而提高了整個(gè)反應器的容積負荷。但進(jìn)一步提高水力負荷, 超過(guò)一定限度時(shí)會(huì )使污水在濾池中的停留時(shí)間過(guò)短, 使有機物尚未降解便被水流帶走導致CODCr去除率下降142 。
2. 4 進(jìn)水有機物濃度對反應器容積負荷的影響
在進(jìn)水流量為15. 8 L/ h, 氣水比為3÷1, 進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為11. 44~ 14. 78 mg/ L 的條件下, 進(jìn)水有機物濃度對反應器容積負荷的影響見(jiàn)圖5。反應器容積負荷隨進(jìn)水有機物濃度的增加而增加, 而CODCr去除率, 在進(jìn)水有機物質(zhì)量濃度超過(guò)128. 29mg/ L 時(shí), 略有下降。因為提高進(jìn)水有機物濃度, 微生物可利用的營(yíng)養物質(zhì)相應增加, 促進(jìn)了微生物的生長(cháng)和繁殖, 使反應器中生物量增加, 提高了反應器的容積負荷, 另外, 隨著(zhù)進(jìn)水有機物濃度的提高, 微生物的耗氧量也隨之增加, 氣水比成為微生物降解有機物的限制因素, 當進(jìn)水有機物濃度的增加超過(guò)了載體表面生物膜的分解能力時(shí), 導致CODCr的去除率略有降低。
2. 5 碳氮比對容積負荷的影響
當碳氧化和氮硝化處于同一反應器中時(shí), 氧化有機物的異養菌和硝化氨氮的自養菌之間存在著(zhù)空間、溶解氧和營(yíng)養物質(zhì)的競爭。特別是可生物降解的含碳有機物與含氮物質(zhì)的濃度之比, 是影響生物硝化速率過(guò)程的重要因素132。在氣水比為3÷1, 進(jìn)水流量為15. 8 L/ h, 平均進(jìn)水的有機物質(zhì)量濃度為114. 5mg/ L 的條件下, 反應器容積負荷隨碳氮比1 m(C)÷m( N) 2的變化見(jiàn)圖6。m(C)÷m(N) 由2. 3增加到4. 33時(shí), CODCr容積負荷由1. 2 kg/ (m3#d) 提高到1. 61 kg/ (m3#d) , 而對應的氨氮容積負荷則由0. 43 kg/ ( m3#d) 降低至0. 13 kg/ (m3#d) 。這說(shuō)明,在此碳氮比范圍內, 氧化有機物的異養菌較硝化氨氮的自養菌占優(yōu)勢, 反應器以降解有機物為主。當m( C)÷m(N) > 4. 33 時(shí), 氨氮容積負荷基本保持不變, 而CODCr容積負荷在m( C) ÷m(N) 為4. 33~6. 83范圍內下降了約40%; 當m( C) ÷m(N) > 6. 83時(shí),CODCr容積負荷基本保持在1 kg/ ( m3#d) 左右。m( C) ÷m(N) 對反應器CODCr容積負荷的影響較對氨氮容積負荷的影響更為明顯。
2. 6 填料層高度對反應器容積負荷的影響
當碳氧化和硝化在同一反應器中進(jìn)行時(shí), 由于氧化有機物的異養菌和硝化氨氮的自養菌間要競爭生物膜表面空間和溶解氧, 因此在不同床層高度處氧化有機物和硝化氨氮的能力也不同152, 容積負荷和氨氮負荷沿床層高度的變化見(jiàn)圖7。其中進(jìn)水有機物質(zhì)量濃度和氨氮質(zhì)量濃度分別為122. 11 mg/ L和26. 9 mg/ L, 濾速為1. 04 m/ h, 氣水比為3÷1。
圖7 說(shuō)明, 在填料層的上部, 為異養菌的活躍層, 主要以降解有機物為主, 異養菌競爭底物、溶解氧和填料表面空間的能力比硝化菌強而占優(yōu)勢。同時(shí), 由于該段為SS 的主要截獲區, SS 的截獲也提高了CODCr的負荷值。氨氮負荷在最初的0~ 40 cm高度處, 僅增加0. 05 kg/ ( m3#d) , 而在40~ 100 cm之間, 氨氮負荷由0. 05 kg/ (m3#d) 上升至0. 25 kg/(m3#d) , 說(shuō)明硝化菌的活躍層較異養菌要低。由于硝化細菌比增長(cháng)速率低, 世代周期長(cháng), 與異養菌相比屬于弱勢菌種, 污水向下流動(dòng)過(guò)程中, 含碳有機物濃度因生物降解逐漸降低, 使得異養菌因營(yíng)養缺乏而減少, 此時(shí)硝化菌才可能進(jìn)行正常的代謝活動(dòng), 使氨氮負荷提高。而在40~ 60 cm 高度處, CODCr 容積負荷和氨氮容積負荷均有較明顯的增加, 說(shuō)明異養菌和硝化菌在此段的積累最為迅速且都有較高的活性。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
( 1) 在該試驗條件下, 氣水比為1. 5÷1, 3÷1 和4.5÷1 時(shí), 對應的CODCr容積負荷分別為1. 06 kg/ (m3#d) , 1. 29 kg/ (m3# d) 和1. 34 kg/ (m3#d) 。進(jìn)一步增大氣水比, 容積負荷呈下降趨勢, 確定最佳氣水比為3÷1。
( 2) 當水力負荷在0. 7 ~ 1. 7 m3/ ( m2# h) 范圍內變化時(shí), CODCr和氨氮的容積負荷均隨水力負荷的增加而增加。水力負荷的變化對氨氮去除率的影響較小。
( 3) 反應器CODCr容積負荷隨進(jìn)水有機物濃度的增加而增加。受氣水比的限制, 當進(jìn)水有機物質(zhì)量濃度超過(guò)128 mg/ L 時(shí), 有機物去除率略有下降。
( 4) 當m(C)÷m(N) 為2. 3~ 4. 33 時(shí), CODCr 容積負荷增加而氨氮容積負荷降低, 氧化有機物的異養菌較硝化氨氮的自養菌占優(yōu)勢, 反應器以降解有機物為主; 當m( C)÷m(N) > 4. 33 時(shí), 氨氮容積負荷基本保持不變, 而CODCr 容積負荷在m( C) ÷m(N) = 4. 33~ 6. 83 范圍內下降了約40%; 當m( C)÷m(N) > 6. 83 時(shí), CODCr 容積負荷基本保持不變。m( C) ÷m(N) 對反應器CODCr容積負荷的影響較對氨氮容積負荷的影響更為明顯。
( 5) CODCr 容積負荷和氨氮容積負荷隨填料層高度的變化表明, 對于下向流式曝氣生物濾池, 硝化細菌的活躍層較異養菌要深。在填料層高度為40~ 60 cm 處, CODCr容積負荷和氨氮負荷增加最為顯著(zhù), 說(shuō)明在此段高度范圍內, 微生物積累最快, 并具有較高的活性。（華南理工大學(xué)造紙與環(huán)境工程學(xué)院）
