兩級(jí)木炭曝氣生物濾池的掛膜啟動(dòng)研究

江小林，肖 云

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢，430065）

曝氣生物濾池集污水生物處理和濾池本身的截留過(guò)濾作用于一體，能有效去除污水中的各種污染物。它因占地面積小、工藝流程簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)好、基建和運(yùn)行費(fèi)用低、易于管理、可間斷運(yùn)行、對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注［1－5］。在曝氣生物濾池的處理工藝中，濾料的選擇直接影響到污水處理效率和成本［6］。活性炭因具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和良好的吸附性能而在污水處理領(lǐng)域倍受青睞，但其生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)成本偏高。相比之下，木炭的制造工藝簡(jiǎn)單，制作原材料來(lái)源廣泛，價(jià)格較低，雖然其吸附性能比活性炭略差，且質(zhì)地疏松易碎，但在污水處理領(lǐng)域仍具有良好的應(yīng)用前景。與目前常用的陶粒填料（比表面積為3.99m2／g，對(duì)氨氮的吸附能力為0.21mg／g）相比，木炭的比表面積（100m2／g）較大，對(duì)氨氮的吸附能力（0.24mg／g）略強(qiáng)［1］。同時(shí)，木炭的孔隙結(jié)構(gòu)更有利于原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖，也使其反沖洗周期稍長(zhǎng)于陶粒填料。因此，本文以木炭作為曝氣生物濾池的填料，以城市污水處理廠二沉池回流污泥為接種污泥，以初沉池出水為原水啟動(dòng)掛膜，研究?jī)杉?jí)木炭曝氣生物濾池的各級(jí)掛膜啟動(dòng)狀況，考察其在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)水中污染物的去除情況。

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置如圖1所示。兩濾柱均采用內(nèi)徑為80mm的有機(jī)玻璃柱加工而成，其有效高度為2000mm，柱內(nèi)裝填粒徑為2～8mm的木炭，底部配水區(qū)高度為100mm，以保證進(jìn)水的均勻性。濾料層高度為1600mm，清水區(qū)高度為200 mm，濾料層沿水流方向每隔300mm設(shè)一取樣口，每級(jí)濾柱共設(shè)5個(gè)。高位水箱用來(lái)保證水壓恒定，出水用儲(chǔ)存箱收集，以便為反沖洗提供水源。在兩個(gè)濾柱的底部均設(shè)曝氣和氣水反沖洗裝置，采用上向流方式運(yùn)行。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment equipment

試驗(yàn)開始于2011年7月9日，在水溫為25.4～29.6℃的條件下，兩濾柱均采用接種掛膜法，以城市污水處理廠二沉池的回流污泥作為接種污泥。掛膜分為兩個(gè)階段：（1）靜態(tài)掛膜，即向兩濾柱內(nèi)分別注入活性污泥進(jìn)行悶曝，曝氣量為20 L／h，2天后放空悶曝后的濾柱，注入新的活性污泥；（2）連續(xù)培養(yǎng)，7月14日排出濾柱內(nèi)沒能有效掛膜的懸浮微生物（放空濾池），以初沉池出水為原水連續(xù)進(jìn)水（濾速約為1m／h），同時(shí)進(jìn)行曝氣，啟動(dòng)過(guò)程中DO濃度控制在3～5mg／L，7月19日開始將兩級(jí)濾柱改為串聯(lián)運(yùn)行并逐漸提高濾速，使其適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)的變化。在整個(gè)通水運(yùn)行期間對(duì)原水和各級(jí)出水的COD以及NH3－N濃度進(jìn)行檢測(cè)。

另外，在掛膜啟動(dòng)期間，為了避免掛膜后濾柱內(nèi)微生物的過(guò)量繁殖以及進(jìn)水中攜帶的部分懸浮固體使濾柱內(nèi)的孔隙率減小、水頭損失增大甚至造成堵塞，需要對(duì)濾柱進(jìn)行定期的低強(qiáng)度反沖洗。一級(jí)濾柱（除碳段）每5天反沖一次，二級(jí)濾柱（硝化段）每8天反沖一次。兩個(gè)濾柱的反沖洗周期不同，當(dāng)其中一個(gè)濾柱處于反沖后的恢復(fù)期間時(shí)，另一個(gè)能有效地穩(wěn)定出水水質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

運(yùn)行初期，木炭填料漂浮于水中，位于濾柱中下部的填料表面有透明黏性物質(zhì)，隨后木炭表面出現(xiàn)淺黃色絮體，并沿濾柱高度上升；從第3天開始，濾柱上出現(xiàn)黃褐色斑點(diǎn)，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，斑點(diǎn)不斷擴(kuò)散；到第7天，木炭上已附著了一層黃褐色的生物膜，木炭也因此而逐漸沉下來(lái)。通過(guò)顯微鏡可觀察到生物膜中包裹著大量絲狀菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，如線蟲、草履蟲、鞭毛蟲、輪蟲等。

啟動(dòng)過(guò)程中原水和各級(jí)出水的COD變化如圖2所示，COD去除率的變化如圖3所示。圖2中虛線所示位置為兩級(jí)濾柱串聯(lián)運(yùn)行前后的分界點(diǎn)。由圖2和圖3可見，盡管原水的COD（168～345mg／L）波動(dòng)較大，兩個(gè)濾柱分別通水運(yùn)行5天后，其出水COD均可達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，一級(jí)濾柱出水COD平均值為116.4mg／L，二級(jí)濾柱出水COD平均值為117.8mg／L，兩個(gè)濾柱對(duì)COD的初始去除率均超過(guò)60%。

圖2 原水和各級(jí)出水的COD變化Fig.2 COD changes of raw water and outflow water

圖3 COD去除率隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of COD removal rate with time

從圖3中可以看出，串聯(lián)運(yùn)行后一級(jí)濾柱對(duì)COD的去除率較高且很穩(wěn)定，其平均COD去除率為82.27%；二級(jí)濾柱對(duì)COD的去除率較低且波動(dòng)較大，COD去除率最高時(shí)達(dá)到27.42%，最低時(shí)為－5.44%，其平均值僅為11.47%。造成這一現(xiàn)象的主要原因是曝氣生物濾池對(duì)COD的去除效果與進(jìn)水COD值有關(guān)，進(jìn)水COD越高，COD去除率就越高［7］。由于二級(jí)濾柱的進(jìn)水為一級(jí)濾柱的出水，易于降解的污染物已經(jīng)在一級(jí)濾柱中分解，當(dāng)一級(jí)濾柱的COD去除率達(dá)到飽和后，如果其出水COD仍然很高，那么二級(jí)濾柱對(duì)COD的去除率會(huì)相應(yīng)提高，反之則降低，甚至出現(xiàn)COD去除率為負(fù)的現(xiàn)象。

從圖3中還可以看出，在每次反沖洗之后，各級(jí)濾柱的COD去除率均有所下降，其原因是反沖洗在去除濾柱堵塞物的同時(shí)，也沖掉了木炭中生長(zhǎng)的部分懸浮態(tài)微生物，導(dǎo)致濾柱對(duì)COD的降解能力下降。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，濾柱內(nèi)懸浮態(tài)微生物減少，固著態(tài)微生物大量增殖，反沖洗后COD去除率的降幅減小。掛膜啟動(dòng)后期，COD的累計(jì)去除率均達(dá)到80%以上且相當(dāng)穩(wěn)定。

啟動(dòng)過(guò)程中原水和各級(jí)出水的NH3－N濃度變化如圖4所示，NH3－N去除率的變化如圖5所示。由圖4可見，原水NH3－N濃度為10～41 mg／L，串聯(lián)運(yùn)行后，二級(jí)濾柱出水的 NH3－N濃度很快就低于10mg／L。由圖5可見，一級(jí)濾柱對(duì)NH3－N的去除率極不穩(wěn)定，平均去除率僅為35.70%，而二級(jí)濾柱對(duì)NH3－N的去除效果明顯好于一級(jí)濾柱，啟動(dòng)運(yùn)行后第7天和第10天，二級(jí)濾柱對(duì)NH3－N的去除率分別達(dá)到64%和88.9%，其平均NH3－N去除率為75.30%，因此，二級(jí)濾柱對(duì)NH3－N的去除起主要作用。

圖4 原水和各級(jí)出水的NH3－N濃度變化Fig.4 NH3－N concentration changes of raw water and outflow water

圖5 NH3－N去除率隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes of NH3－N removal rate with time

在兩級(jí)濾柱串聯(lián)運(yùn)行后的第20天（此時(shí)水力負(fù)荷為4m／h、進(jìn)水 COD 為237mg／L、NH3－N濃度為15mg／L），曝氣生物濾池中 COD和NH3－N濃度的沿程變化如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可見，各級(jí)濾柱的出水COD和NH3－N濃度均隨填料高度的增加而降低。沿水流方向前60cm填料對(duì)COD的去除效果最好，第2個(gè)取樣口處出水COD去除率已達(dá)到59.1%，填料高度在60～150cm之間時(shí)，COD去除率增速變緩。這是因?yàn)?，進(jìn)水中有機(jī)物濃度沿濾柱高度方向不斷降低，導(dǎo)致其降解速率也不斷降低。沿水流方向60cm以后，填料對(duì)NH3－N的去除率迅速上升，第5個(gè)取樣口處的出水NH3－N去除率已達(dá)到57.3%。這主要是因?yàn)?，此時(shí)異養(yǎng)型微生物因得不到充足的營(yíng)養(yǎng)而處于減速增殖期［8］，致使生物膜的增長(zhǎng)速度緩慢，而隨著填料高度的增加，溶解氧越來(lái)越多，自養(yǎng)型硝化細(xì)菌增殖速度加快，活性增強(qiáng)，NH3－N的氧化速度加快，其去除率迅速上升。

圖6 不同取樣口處的出水CODFig.6 COD of outflow water at different sample taps

圖7 不同取樣口處的出水NH3－N濃度Fig.7 NH3－N concentration of outflow water at different sample taps

3 結(jié) 論

（1）采用木炭作為曝氣生物濾池的填料來(lái)處理生活污水，對(duì)COD和NH3－N的去除均能達(dá)到滿意效果，掛膜啟動(dòng)后期COD和NH3－N的去除率均達(dá)到80%以上。

（2）采用接種掛膜法使木炭表面及內(nèi)部空間積存大量的活性污泥，并且能夠在較短時(shí)間內(nèi)在填料表面形成穩(wěn)定的生物膜，顯著提高了污染物的初始去除率，啟動(dòng)初期兩個(gè)濾柱對(duì)COD的初始去除率均達(dá)到60%以上。

（3）兩級(jí)曝氣生物濾池能充分發(fā)揮各級(jí)優(yōu)勢(shì)，使?fàn)I養(yǎng)類型不同的微生物在各自適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖。一級(jí)濾柱主要用于去除COD，二級(jí)濾柱主要用于去除氨氮，同時(shí)穩(wěn)定出水水質(zhì)。

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