兩段上向流曝氣生物濾池脫氮性能的研究

　　曝氣生物濾池(Biological aerated filter，BAF)是 20 世紀80 年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的一種新型生物膜法污水處理工藝，并經(jīng)歷了下流式、下流兩段式、上流式、上流兩段式曝氣生物濾池4 種工藝形式，從單一的結構逐漸發(fā)展到綜合結構。它將接觸氧化工藝和給水快濾池工藝結合在一起，用于去除水中的有機物，也可以通過(guò)硝化反硝化達到脫氮效果〔1, 2, 3〕，具備了容積負荷高、水力負荷大、水力停留時(shí)間短、所需基建投資少、出水水質(zhì)好、運行能耗低、運行費用省等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　筆者采用兩段上向流曝氣生物濾池(UBAF)處理城市污水，通過(guò)控制運行條件，研究了影響兩段 UBAF 脫氮效果的各種因素。

　　1 試驗裝置及方法

　　1.1 試驗裝置

　　試驗中采用的兩段UBAF 工藝流程如圖 1 所示。該兩段UBAF 中所加填料為陶粒，其性能參數如 表 1 所示。A 段曝氣生物濾池主要是對原污水中的少部分氨氮及有機物進(jìn)行去除，B 段曝氣生物濾池主要對剩余COD 及氨氮進(jìn)行去除。兩座曝氣生物濾池均采用上向流的運行方式，其結構設計參數完全相同，主體材料為有機玻璃，設計尺寸為D 0.25 m× 2.5 m，填料層高1.50 m。底部設有反沖洗供氣管、放空管、穿孔配水管。

　　圖 1 試驗裝置

　　1.2 啟動(dòng)方式及掛膜

　　采用接種掛膜，接種液取自某污水廠(chǎng)原水混合液。以曝氣量15~18 L/h 連續悶曝24 h 后將濾柱排空，重復2 次。第3 天小流量進(jìn)水(有利于硝化菌的生長(cháng)固定)，以濾速0.55 m/h(流量約為16 L/h)、曝氣量16 L/h 運行，第5 天濾速增加到0.75 m/h(流量約為21 L/h)、曝氣量增至31 L/h。期間對各柱DO 進(jìn)行檢測，出水DO 均在4 mg/L 以上。26 d 后將濾速均增至0.89 m/h，按氣水比3∶1 運行，此時(shí)對COD、 NH4+-N、濁度均有很好的去除效果，將濾料表面生物膜剝落，鏡檢發(fā)現生物膜中有大量絲狀菌，同時(shí)有鐘蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)、變形蟲(chóng)、輪蟲(chóng)等微型動(dòng)物。

　　1.3 試驗方法及水質(zhì)

　　兩反應器從底部進(jìn)水，氣水同向，控制A 段水力負荷為0.81 m/h、氣水比為3∶1，研究了相同水力負荷下B 段氣水比分別為3∶1、2∶1、1∶1 時(shí)，反應器的運行情況。試驗中各項水質(zhì)指標按照文獻〔4〕中提供的標準方法進(jìn)行監測，其中：DO，儀器法;NO3--N，紫外分光光度法;NO2--N，N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NH3-N，納氏試劑光度法;COD，重鉻酸鉀法; TN，過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法。試驗用水來(lái)自某污水廠(chǎng)進(jìn)水端配水井，試驗期間原水水質(zhì)見(jiàn)表 2。

　　2 結果與討論

　　2.1 溫度對UBAF 脫氮性能的影響

　　當濾速為0.8 m/h，氣水比為2∶1，且系統穩定運行時(shí)，分別于7~10、10~20、21~28 ℃條件下考察反應器對氨氮、總氮的去除效果，結果表明：水溫是影響微生物生長(cháng)和生物代謝活性的主要因素。當水溫在 7~10 ℃時(shí)，UBAF 對NH4+-N、TN 的平均去除率分別為69.19%、25.35%，出水NH4+-N、TN 的質(zhì)量濃度分別為11.8、40.32 mg/L; 水溫10~20 ℃時(shí)，UBAF 對 NH4+-N、TN 的平均去除率分別為80.15%、33.68%，出水NH4+-N、TN 的質(zhì)量濃度分別為7.48、41.09 mg/L;水溫為21~28 ℃時(shí)，UBAF 對NH4+-N 的去除率明顯升高，平均去除率達89.16%，對TN 的平均去除率也有所提高，達38.75%，出水NH4+-N、TN 的質(zhì)量濃度分別為4.93、37.68 mg/L。這說(shuō)明，水溫對UBAF 去除NH4+-N、TN 具有很大的影響，水溫越高，UBAF 硝化和反硝化效果越好;反之，則越差。而且，在低溫條件下，UBAF 對NH4+-N、TN 的去除率都比較低，水溫變化對脫氮效果影響最大;常溫時(shí)，NH4+-N、TN 的去除率升高，水溫變化對脫氮效果影響較小;較高水溫時(shí)，NH4+-N、TN 的去除率明顯升高，水溫變化對曝氣生物濾池脫氮效果影響最小。這是因為大多數硝化菌合適的生長(cháng)溫度是25～30 ℃之間，當溫度低于25 ℃或者高于30 ℃時(shí)硝化菌生長(cháng)減慢，水溫低于15 ℃時(shí)，反硝化速率明顯降低。此外，硝化細菌的繁殖速度要比異養菌低幾個(gè)數量級，在低溫條件下繁殖速度更低，影響硝化效果，導致UBAF 對 NH4+-N 的去除率下降; 反硝化菌的增殖速率降低，代謝速率也降低，相應的TN 去除率也下降。

　　2.2 水力負荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　在氣水比為2∶1，水溫為16～25 ℃，進(jìn)水NH4+-N 為28.56~57.29 mg/L，TN 為44.2~75.36 mg/L 時(shí)，考察了水力負荷對UBAF 去除TN 的影響，結果顯示：當水力負荷由0.8 m/h 增加至1.2 m/h 時(shí)，UBAF 對 NH4+-N 的平均去除率由87.48%降為84.94%，下降了2.54% ，對TN 的平均去除率由36.40% 降為 32.38%，下降了4.02%;水力負荷由1.2 m/h 增至1.8 m/h 時(shí)，UBAF 對NH4+-N 的平均去除率為78.70%，下降了6.24%，對TN 的平均去除率為26.67%，下降了5.71%�？梢�(jiàn)，水力負荷對UBAF 的脫氮性能影響較大，隨著(zhù)水力負荷加大，UBAF 對NH4+-N、TN 的去除率逐漸降低，而且降幅越來(lái)越大。分析認為，一方面是由于硝化細菌的世代期較長(cháng)，而隨著(zhù)水力負荷的增大，生物膜的迅速更新，這樣不利于硝化細菌的附著(zhù)和增殖，而且形成的生物膜厚度較薄，有利于氧傳遞到生物膜內部，破壞其內部的厭氧環(huán)境，不利于反硝化反應的進(jìn)行;另一方面，水力負荷增加導致有機負荷隨之也增加，在較高的有機物濃度下，降解有機質(zhì)的異養菌處于絕對優(yōu)勢，抑制了自養性硝化細菌的增殖和活性。

　　2.3 有機負荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　當濾速為0.8 m/h，氣水比為2∶1，水溫為16～ 25 ℃，且系統穩定運行時(shí)，有機容積負荷對UBAF 除NH4+-N 效果的影響見(jiàn)圖 2。

　　圖 2 有機負荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　由圖 2 可以看出，隨著(zhù)系統有機容積負荷的增加，UBAF 對NH4+-N、TN 的去除率逐漸下降�？梢�(jiàn)，當有機容積負荷升高時(shí)，有機容積負荷對NH4+-N 的去除有明顯的抑制作用，此時(shí)異養菌降解有機物的區間會(huì )沿濾料高度方向上移，異養菌的生存空間亦隨之向上拓展，壓縮了硝化自養菌的活動(dòng)空間，而且，由于異養菌的比生長(cháng)速率要遠大于硝化自養菌，在爭奪溶解氧和營(yíng)養基質(zhì)的競爭中，往往是異養菌優(yōu)先利用水中的氧，在有機底物較為豐富的條件下大量繁殖，使硝化自養菌的增殖受到限制。有機容積負荷越高時(shí)，異養菌對硝化自養菌的抑制就越強烈，從而使得UBAF 硝化性能呈現較大幅度的下降。隨著(zhù)有機容積負荷的增加，系統的硝化性能下降，硝酸鹽氮濃度降低，可供反硝化菌用作電子受體的硝酸鹽氮減少，反硝化菌的生長(cháng)受到抑制，使得系統的脫氮性能下降。

　　2.4 氨氮容積負荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　當濾速為0.8 m/h，氣水比為2∶1，水溫為16～ 25 ℃，且系統穩定運行時(shí)，NH4+-N 容積負荷對 UBAF 除NH4+-N 效果的影響見(jiàn)圖 3。

　　圖 3 氨氮容積負荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　由圖 3 可知，UBAF 對NH4+-N 的去除率隨進(jìn)水 NH4+-N 容積負荷的增加而降低。這是因為，硝化細菌屬于化能自養菌，比增長(cháng)速率小、世代周期長(cháng)、對環(huán)境條件變化較為敏感。當NH4+-N 容積負荷較高時(shí)，高NH4+-N 濃度會(huì )抑制硝化自養菌的生長(cháng)，影響 UBAF 的硝化性能。硝化性能的下降，使可供反硝化菌用作電子受體的硝酸鹽氮減少，反硝化菌的生長(cháng)受到抑制，TN 的去除率逐漸下降，可見(jiàn)，NH4+-N 容積負荷的增加會(huì )對UBAF 系統的脫氮效果產(chǎn)生較為不利的影響。

　　2.5 氣水比對UBAF 脫氮性能的影響

　　在濾速為0.8 m/h，水溫為16～25℃，進(jìn)水NH4+-N 質(zhì)量濃度為27.89~41.36 mg/L 時(shí)，考察了氣水比對 UBAF 去除NH4+-N、TN 的影響，結果顯示：當氣水比為1∶1 時(shí)，出水中的DO 為0.77~1.35 mg/L，UBAF 對 NH4+-N、TN 的平均去除率分別為79.34%、29.77%;氣水比增加至2∶1 時(shí)，出水中的DO 為1.76~2.65 mg/L，UBAF 對NH4+-N、TN 的平均去除率分別為 86.83%、35.44%; 氣水比增至3∶1 時(shí)，出水中的DO 為2.32~3.35 mg/L，UBAF 對NH4+-N、TN 的平均去除率分別為87.98%、33.89%。

　　可見(jiàn)，隨著(zhù)氣水比的增加，UBAF 對NH4+-N 的去除率呈上升的趨勢。這是因為水中溶解氧充足有利于氨氮的氧化。氣水比是控制DO 的主要操作條件，DO 隨氣水比增大而增大。根據雙膜理論，氧氣傳遞速率的大小由氣液兩相停滯膜的阻力決定，氣水比越大，膜間傳質(zhì)阻力越小，生物膜內溶解氧濃度也越高，相應地提高了好氧微生物的活性和生物降解速率。但當氣水比較大時(shí)，溶解氧穿過(guò)生物膜較深，生物膜的兼氧及厭氧層薄，內部難以形成缺氧區，大量的氨氮被轉化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，因此反硝化效果較差，TN 的去除率比較低，出水TN 濃度較高;而當氣水比較小時(shí)，生物膜內的厭氧層加厚，反硝化效果變好;但當氣水比為1∶1 時(shí)，因硝化作用進(jìn)行的不徹底致使TN 去除效果又變差。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結論和建議

　　(1)水溫對UBAF 脫氮效果影響較大。當水溫小于10 ℃時(shí)，UBAF 對NH4+-N、TN 的平均去除率分別為69.19% 、25.35% ; 水溫10 ~20 ℃時(shí)，UBAF 對 NH4+-N、TN 的平均去除率為80.15%、33.68%; 在水溫大于20 ℃時(shí)，NH4+-N、TN 的平均去除率分別為 89.16%，38.75%。水溫越高，UBAF 脫氮效果越好。

　　(2)在水溫為16～25 ℃，氣水比為2∶1 時(shí)，當水力負荷由0.8 m/h 增加至1.2 m/h 時(shí)，UBAF 對NH4+-N 的平均去除率下降了2.54%，對TN 的平均去除率下降了4.02%;水力負荷由1.2 m/h 增至1.8 m/h 時(shí)， UBAF 對NH4+-N 的平均去除率下降了6.24%，對 TN 的平均去除率下降了5.71%。隨著(zhù)水力負荷的升高，UBAF 脫氮效果呈下降趨勢。

　　(3)氣水比對脫氮效果影響較大，在水力負荷為 0.8 m/h，水溫為16～25 ℃，氣水比為1∶1 時(shí)，UBAF 對 NH4+-N、TN 的平均去除率為79.34%、29.77%; 氣水比增加至2∶1 時(shí)，UBAF 對NH4+-N、TN 的平均去除率為86.83%、35.44%; 氣水比增至3∶1 時(shí)，UBAF 對 NH4+-N、TN 的平均去除率為87.98%、33.89%。

　　(4)兩段UBAF 對TN 的去除效果不佳，為了增加其對TN 的去除效果，達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918—2002) 中的一級標準，筆者建議增加缺氧濾池進(jìn)行反硝化，以達到最佳的脫氮效果。