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(jì)80 年代末在歐美發(fā)展起來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(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到綜合結(jié)構(gòu)。它將接觸氧化工藝和給水快濾池工藝結(jié)合在一起，用于去除水中的有機(jī)物，也可以通過硝化反硝化達(dá)到脫氮效果〔1, 2, 3〕，具備了容積負(fù)荷高、水力負(fù)荷大、水力停留時(shí)間短、所需基建投資少、出水水質(zhì)好、運(yùn)行能耗低、運(yùn)行費(fèi)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，通過控制運(yùn)行條件，研究了影響兩段 UBAF 脫氮效果的各種因素。

　　1 試驗(yàn)裝置及方法

　　1.1 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)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(shù)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(jī)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(yùn)行方式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同，主體材料為有機(jī)玻璃，設(shè)計(jì)尺寸為D 0.25 m× 2.5 m，填料層高1.50 m。底部設(shè)有反沖洗供氣管、放空管、穿孔配水管。

　　圖 1 試驗(yàn)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原水混合液。以曝氣量15~18 L/h 連續(xù)悶曝24 h 后將濾柱排空，重復(fù)2 次。第3 天小流量進(jìn)水(有利于硝化菌的生長固定)，以濾速0.55 m/h(流量約為16 L/h)、曝氣量16 L/h 運(yùn)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(yùn)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(xiàn)生物膜中有大量絲狀菌，同時(shí)有鐘蟲、線蟲、變形蟲、輪蟲等微型動(dòng)物。

　　1.3 試驗(yàn)方法及水質(zhì)

　　兩反應(yīng)器從底部進(jìn)水，氣水同向，控制A 段水力負(fù)荷為0.81 m/h、氣水比為3∶1，研究了相同水力負(fù)荷下B 段氣水比分別為3∶1、2∶1、1∶1 時(shí)，反應(yīng)器的運(yùn)行情況。試驗(yàn)中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)按照文獻(xiàn)〔4〕中提供的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行監(jiān)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，過硫酸鉀消解紫外分光光度法。試驗(yàn)用

來自某污水廠進(jìn)水端配水井，試驗(yàn)期間原水水質(zhì)見表 2。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 溫度對UBAF 脫氮性能的影響

　　當(dāng)濾速為0.8 m/h，氣水比為2∶1，且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，分別于7~10、10~20、21~28 ℃條件下考察反應(yīng)器對氨氮、總氮的去除效果，結(jié)果表明：水溫是影響微生物生長和生物代謝活性的主要因素。當(dāng)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(dá)89.16%，對TN 的平均去除率也有所提高，達(dá)38.75%，出水NH4+-N、TN 的質(zhì)量濃度分別為4.93、37.68 mg/L。這說明，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?yàn)榇蠖鄶?shù)硝化菌合適的生長溫度是25～30 ℃之間，當(dāng)溫度低于25 ℃或者高于30 ℃時(shí)硝化菌生長減慢，水溫低于15 ℃時(shí)，反硝化速率明顯降低。此外，硝化細(xì)菌的繁殖速度要比異養(yǎng)菌低幾個(gè)數(shù)量級，在低溫條件下繁殖速度更低，影響硝化效果，導(dǎo)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(yīng)的TN 去除率也下降。

　　2.2 水力負(fù)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(fù)荷對UBAF 去除TN 的影響，結(jié)果顯示：當(dāng)水力負(fù)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(fù)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?，水力負(fù)荷對UBAF 的脫氮性能影響較大，隨著水力負(fù)荷加大，UBAF 對NH4+-N、TN 的去除率逐漸降低，而且降幅越來越大。分析認(rèn)為，一方面是由于硝化細(xì)菌的世代期較長，而隨著水力負(fù)荷的增大，生物膜的迅速更新，這樣不利于硝化細(xì)菌的附著和增殖，而且形成的生物膜厚度較薄，有利于氧傳遞到生物膜內(nèi)部，破壞其內(nèi)部的厭氧環(huán)境，不利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行;另一方面，水力負(fù)荷增加導(dǎo)致有機(jī)負(fù)荷隨之也增加，在較高的有機(jī)物濃度下，降解有機(jī)質(zhì)的異養(yǎng)菌處于絕對優(yōu)勢，抑制了自養(yǎng)性硝化細(xì)菌的增殖和活性。

　　2.3 有機(jī)負(fù)荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　當(dāng)濾速為0.8 m/h，氣水比為2∶1，水溫為16～ 25 ℃，且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，有機(jī)容積負(fù)荷對UBAF 除NH4+-N 效果的影響見圖 2。

　　圖 2 有機(jī)負(fù)荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　由圖 2 可以看出，隨著系統(tǒng)有機(jī)容積負(fù)荷的增加，UBAF 對NH4+-N、TN 的去除率逐漸下降。可見，當(dāng)有機(jī)容積負(fù)荷升高時(shí)，有機(jī)容積負(fù)荷對NH4+-N 的去除有明顯的抑制作用，此時(shí)異養(yǎng)菌降解有機(jī)物的區(qū)間會沿濾料高度方向上移，異養(yǎng)菌的生存空間亦隨之向上拓展，壓縮了硝化自養(yǎng)菌的活動(dòng)空間，而且，由于異養(yǎng)菌的比生長速率要遠(yuǎn)大于硝化自養(yǎng)菌，在爭奪溶解氧和營養(yǎng)基質(zhì)的競爭中，往往是異養(yǎng)菌優(yōu)先利用水中的氧，在有機(jī)底物較為豐富的條件下大量繁殖，使硝化自養(yǎng)菌的增殖受到限制。有機(jī)容積負(fù)荷越高時(shí)，異養(yǎng)菌對硝化自養(yǎng)菌的抑制就越強(qiáng)烈，從而使得UBAF 硝化性能呈現(xiàn)較大幅度的下降。隨著有機(jī)容積負(fù)荷的增加，系統(tǒng)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，反硝化菌的生長受到抑制，使得系統(tǒng)的脫氮性能下降。

　　2.4 氨氮容積負(fù)荷對UBAF 脫氮性能的影響

　　當(dāng)濾速為0.8 m/h，氣水比為2∶1，水溫為16～ 25 ℃，且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，NH4+-N 容積負(fù)荷對 UBAF 除NH4+-N 效果的影響見圖 3。

　　圖 3 氨氮容積負(fù)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(fù)荷的增加而降低。這是因?yàn)?，硝化?xì)菌屬于化能自養(yǎng)菌，比增長速率小、世代周期長、對環(huán)境條件變化較為敏感。當(dāng)NH4+-N 容積負(fù)荷較高時(shí)，高NH4+-N 濃度會抑制硝化自養(yǎng)菌的生長，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，反硝化菌的生長受到抑制，TN 的去除率逐漸下降，可見，NH4+-N 容積負(fù)荷的增加會對UBAF 系統(tǒng)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(jié)果顯示：當(dāng)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，隨著氣水比的增加，UBAF 對NH4+-N 的去除率呈上升的趨勢。這是因?yàn)樗腥芙庋醭渥阌欣诎钡难趸馑仁强刂艱O 的主要操作條件，DO 隨氣水比增大而增大。根據(jù)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(nèi)溶解氧濃度也越高，相應(yīng)地提高了好氧微生物的活性和生物降解速率。但當(dāng)氣水比較大時(shí)，溶解氧穿過生物膜較深，生物膜的兼氧及厭氧層薄，內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)，大量的氨氮被轉(zhuǎn)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(dāng)氣水比較小時(shí)，生物膜內(nèi)的厭氧層加厚，反硝化效果變好;但當(dāng)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。

　　3 結(jié)論和建議

　　(1)水溫對UBAF 脫氮效果影響較大。當(dāng)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(dāng)水力負(fù)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(fù)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%。隨著水力負(fù)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(fù)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(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002) 中的一級標(biāo)準(zhǔn)，筆者建議增加缺氧濾池進(jìn)行反硝化，以達(dá)到最佳的脫氮效果。