曝氣生物濾池處理低負(fù)荷生活污水試驗(yàn)研究

管緒友 謝 毫 胡瑞

（鎮(zhèn)江市丹陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 江蘇丹陽(yáng) 212300）

引言

曝氣生物濾池（BAF）是一種生物膜法污水處理技術(shù)[1][2]，其在生物接觸氧化基礎(chǔ)上演變而來(lái)，主要利用生物濾料表面經(jīng)馴化形成的生物膜。當(dāng)污水通過(guò)生物濾料時(shí)，在濾料的物理截留、過(guò)濾、吸附和生物膜的代謝作用下，氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）和懸浮物（SS）等污染物被去除[3]。曝氣生物濾池的主要特點(diǎn)是集濾料的物理吸附截留懸浮固體和生物氧化分解污染物質(zhì)功能于一體，簡(jiǎn)化了操作工藝，具有運(yùn)行負(fù)荷高、出水效果好、經(jīng)濟(jì)高效、易于管理等優(yōu)點(diǎn)[4]，同時(shí)，又有不易受水質(zhì)水量波動(dòng)影響、維護(hù)管理方便、能源消耗運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在各類污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。在我國(guó)煤礦區(qū)，生活污水常常來(lái)自浴室、食堂、辦公樓、宿舍等場(chǎng)所，水體中的主要污染物為懸浮物、化學(xué)需氧量和氨氮等，且化學(xué)需氧量和氨氮的含量較低[6][7]，在采用傳統(tǒng)的活性污泥、接觸氧化、膜生物反應(yīng)器（MBR）等方法處理這些污水時(shí)[8]，常會(huì)出現(xiàn)出水水質(zhì)不穩(wěn)定、管理養(yǎng)護(hù)復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題[9～11]。針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展利用曝氣生物濾池工藝技術(shù)處理礦區(qū)低負(fù)荷生活污水的研究，通過(guò)分析影響曝氣生物濾池的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以及曝氣生物濾池對(duì)氨氮、化學(xué)需氧量、懸浮物等污染物的處理效果，為曝氣生物濾池在礦區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水來(lái)自淮南礦區(qū)某煤礦生活污水，主要由浴室、食堂、辦公樓、宿舍等排水組成，經(jīng)檢測(cè)其水質(zhì)確定主要污染物含量分別為氨氮8.3～10.5mg/L，化學(xué)需氧量54.7～71.3mg/L，懸浮物45.2～61.5mg/L，pH 為7.4～8.2。

1.2 試驗(yàn)裝置

生物濾池試驗(yàn)裝置的小池尺寸為1m×1.2m×1.7m，其有效容積約為1.7m3，有效水深為1.5m，載體體積為0.96m3。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，濾池內(nèi)的微生物菌群已先后經(jīng)歷了養(yǎng)生、馴化、穩(wěn)定處理和正常運(yùn)行4 個(gè)階段，試驗(yàn)期間的進(jìn)水流量為50L/h，污水由上而下穿過(guò)生物載體，水溫為26.6～27.2℃。

1.3 測(cè)試方法

化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑光度法測(cè)定，懸浮物采用重量法測(cè)定，溶解氧（DO）使用YSI550A 型便攜式溶解氧儀采用電化學(xué)探頭法測(cè)定，pH 使用雷磁PHS-25 型pH 計(jì)采用玻璃電極法測(cè)定，生化需氧量采用微生物傳感器快速測(cè)定法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦區(qū)生活污水水質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)2020 年至2022 年淮南礦區(qū)生活污水水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)抽樣檢測(cè)和分析（見(jiàn)表1），確定其氨氮含量為1.64～11.77mg/L，化學(xué)需氧量為6～96mg/L，生化需氧量為3.6～49.8mg/L，懸浮物含量為2.5～100mg/L，其化學(xué)需氧量、生化需氧量和氨氮等污染物的含量相較于正常市政污水處理廠的進(jìn)水[12～14]，水質(zhì)負(fù)荷明顯偏低。

表1 淮南礦區(qū)生活污水主要污染物含量分析表

淮南礦區(qū)生活污水主要污染物含量箱式圖詳見(jiàn)圖1。從圖1 可以看出，懸浮物指標(biāo)的離散度最大，其平均值偏離在中位數(shù)之上，存在5 個(gè)異常值；化學(xué)需氧量指標(biāo)的平均值偏離中位數(shù)較遠(yuǎn)，基本接近四分位數(shù)75%，同時(shí)存在8 個(gè)異常值；生化需氧量指標(biāo)的平均值也是偏離在中位數(shù)之上，同時(shí)存在8 個(gè)異常值；氨氮指標(biāo)的離散度最小，平均值基本在中位數(shù)之上，同時(shí)異常值也最少，僅有3 個(gè)。由此可知，淮南礦區(qū)生活污水中懸浮物含量波動(dòng)較大，其次為化學(xué)需氧量，生化需氧量和氨氮含量相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 淮南礦區(qū)生活污水主要污染物含量箱式圖

2.2 主要技術(shù)參數(shù)對(duì)氨氮的處理效果影響分析

通過(guò)對(duì)淮南礦區(qū)生活污水水質(zhì)特點(diǎn)的分析可知，礦區(qū)生活污水中的化學(xué)需氧量較低，氨氮含量相對(duì)較高，故選取了氨氮指標(biāo)作為考察主要技術(shù)參數(shù)對(duì)處理效果的影響指標(biāo)。

2.2.1 水力停留時(shí)間（HRT）對(duì)氨氮處理效果影響分析

氨氮去除率隨水力停留時(shí)間（HRT）的變化如圖2 所示。從圖2 可以看出，HRT 從1.5h 增加到3.4h 時(shí)，氨氮去除率隨停留時(shí)間的增長(zhǎng)而明顯升高；當(dāng)HRT＜2h 時(shí)，去除率呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)HRT＞2h 時(shí)，去除率增長(zhǎng)速度明顯變緩；當(dāng)HRT=3.8h 時(shí)，去除率達(dá)到最大值97.2%；繼續(xù)增加停留時(shí)間氨氮去除率則無(wú)明顯變化。因此，根據(jù)HRT 試驗(yàn)結(jié)果，再結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，建議生物濾池的HRT 選定范圍為2～3h。

圖2 氨氮去除率與HRT 關(guān)系圖

2.2.2 溶解氧（DO）對(duì)氨氮處理效果影響分析

氨氮去除率隨溶解氧（DO）的變化如圖3所示，當(dāng)DO＜2.5mg/L 時(shí)，氨氮去除率隨DO 濃度的增大而明顯增大，這是由于DO 濃度過(guò)低時(shí)硝化細(xì)菌的活性將受到限制，從而影響硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行，隨著DO 濃度增大，硝化細(xì)菌的活性明顯加強(qiáng)，進(jìn)而提高了氨氮的去除率。

圖3 氨氮去除率與DO 關(guān)系圖

從圖3 還可以看出，當(dāng)DO＞2.5mg/L 時(shí)，氨氮去除率卻隨DO 濃度的增大而降低。一是由于曝氣量的增加使氧的供應(yīng)量增大，促進(jìn)了氧在生物膜中的滲透能力，增強(qiáng)了微生物的代謝活性，生物膜內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)則相應(yīng)不足，使得生物膜上部分微生物開(kāi)始進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段，生物膜量減少；二是由于曝氣量的增加使水流速度加快，水流和氣流的聯(lián)合加大了作用在生物膜上的水流剪切力，對(duì)生物膜的沖刷作用變強(qiáng)，使得生物膜的脫落量增加，生物膜量減少。生物膜量減少影響了氨氮的去除效率。

由此可知，生物濾池中DO 濃度直接影響生物脫氮系統(tǒng)的硝化反硝化程度，DO 過(guò)低會(huì)抑制含碳有機(jī)物的氧化及硝化反應(yīng)，DO 過(guò)高又會(huì)加大能耗。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦通過(guò)控制曝氣量使反應(yīng)器中DO 達(dá)到2.5mg/L 左右，以在不浪費(fèi)能量的情況下最大程度地保證系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率。

2.3 生物濾池對(duì)主要污染物處理效果分析

2.3.1 氨氮去除效果分析

正常運(yùn)行階段試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水中氨氮濃度及氨氮去除率的變化趨勢(shì)如圖4 所示。從圖4 可以看出，氨氮濃度變化范圍為6.89～10.3mg/L，雖然進(jìn)水中氨氮濃度波動(dòng)較大，但出水中氨氮的含量卻相當(dāng)穩(wěn)定，生物濾池對(duì)氨氮的去除率為82.3%～83.7%，平均值為82.9%，可見(jiàn)生物濾池對(duì)氨氮具有良好的處理效能，并具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力。這是由于在生物濾池中，受氧氣擴(kuò)散的限制，載體由外向內(nèi)形成DO 梯度，載體內(nèi)部形成缺氧的微環(huán)境[15]，可為亞硝化菌和硝化菌以及反硝化菌提供良好的生存區(qū)域，確保了硝化與反硝化反應(yīng)能夠在生物載體中同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)而保證了對(duì)氨氮的去除率。

圖4 正常運(yùn)行階段氨氮濃度及去除率變化趨勢(shì)

2.3.2 化學(xué)需氧量去除效果分析

正常運(yùn)行階段試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水中化學(xué)需氧量濃度及化學(xué)需氧量去除率的變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5 可以看出，化學(xué)需氧量濃度變化范圍為55.7～69.7mg/L，進(jìn)水化學(xué)需氧量濃度有一定波動(dòng)，但出水化學(xué)需氧量濃度相當(dāng)穩(wěn)定，生物濾池對(duì)化學(xué)需氧量的去除率為66.2%～67.2%，平均值為66.6%，雖然略遜色于氨氮去除率，但生物濾池對(duì)化學(xué)需氧量仍具有良好的處理效果。其原因在于，氨氮的去除主要由硝化細(xì)菌完成，有機(jī)物的去除則由異養(yǎng)菌完成[16]，而生物濾池中系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)較為充分，保證了系統(tǒng)內(nèi)DO 的充足，系統(tǒng)內(nèi)增殖的異養(yǎng)菌雖然消耗了部分DO，卻并不影響硝化細(xì)菌硝化作用的進(jìn)行，因此生物濾池對(duì)化學(xué)需氧量和氨氮均有良好的處理效果。

圖5 正常運(yùn)行階段化學(xué)需氧量濃度及去除率變化趨勢(shì)

2.3.3 懸浮物去除效果分析

試驗(yàn)裝置進(jìn)、出水中懸浮物的含量及懸浮物的去除率變化如圖6 所示。從圖6 可以看出，進(jìn)水中懸浮物濃度變化范圍為40.7～48.6mg/L，進(jìn)水中懸浮物濃度相對(duì)穩(wěn)定，生物濾池對(duì)懸浮物去除率為80.2%～84.2%，平均值為83.1%，可見(jiàn)生物濾池對(duì)懸浮物有著較好的去除效果。這是由于生物濾池的載體孔隙較小，對(duì)污水中的懸浮物和膠體物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附、截留作用，使得生物濾池對(duì)懸浮物的去除效果非常明顯[15][17]。

圖6 正常運(yùn)行階段懸浮物濃度及去除率變化趨勢(shì)

結(jié)論

污染物去除率在一定時(shí)間范圍內(nèi)均隨停留時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，但更長(zhǎng)的停留時(shí)間對(duì)污染物去除效果的提升有限，因此結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，建議生物濾池的HRT 選定范圍為2～3h。

當(dāng)生物濾池中DO 含量過(guò)低時(shí)，將抑制含碳有機(jī)物的氧化及硝化反應(yīng)，DO 含量過(guò)高時(shí)，又會(huì)加大能耗，且會(huì)影響對(duì)氨氮的去除，建議將DO 控制在2.5mg/L 左右。

生物濾池可在同一池中完成有機(jī)物的降解和氨氮的氧化，其對(duì)低負(fù)荷污水中的氨氮去除率達(dá)82.3%以上，對(duì)化學(xué)需氧量去除率達(dá)66.2%以上，對(duì)懸浮物去除率達(dá)80.2%以上，對(duì)于氨氮、化學(xué)需氧量和懸浮物均有較好的去除效果，但仍可采取多級(jí)串聯(lián)的方式進(jìn)一步提高各污染物的去除率。