顧萍 沈煒冰 樊昱昕
(上海城投污水處理有限公司曲陽污水處理廠 上海 201203)
氮是植物和微生物的主要營養(yǎng)性元素,當水體中的氮含量超過一定量就會產生富營養(yǎng)化。目前,大部分的污水處理廠多采用生物脫氮工藝,采用生物法脫氮能較徹底地去除廢水中的氮,且不易產生二次污染,能耗較物理化學法也低。但在環(huán)境溫度較低時,硝化與反硝化速率會降低,影響脫氮效果。本文以某沿海城市的污水處理廠為例,探討了在低溫環(huán)境下BIOSEMEDI生物濾池的除氮技術。
某沿海城市中心城區(qū)小型污水處理廠,設計日處理量6萬m3,采用雙污泥脫氮除磷處理工藝,工藝分為前后兩段,前段采用短泥齡的活性污泥法,后段為生物膜法。該工藝針對不同的污染因子,采用不同的處理方法,在一個系統(tǒng)中實現(xiàn)脫氮除磷的目的。
后段工藝中采用BIOSMEDI輕質濾料濾池,處理規(guī)模3萬m3/d,活性污泥段二沉池出水的50%進入生物濾池處理,出水與未經過生物濾池處理的二沉池出水混合后排放。
污水廠自投入運行以來,氣溫較高時,尤其在夏季出水氨氮較低,生物濾池除氮效果良好,氨氮的去除負荷一般在0.5kgNH3-N(m3/d)以上。但在冬季氣溫較低時,及氣溫剛回暖時,氨氮去除效果較難控制。
該濾池是一種淹沒式上向流生物濾池,正常運行時,污水通過進水槽進入濾池底部,空氣通過安裝于濾層下部混凝土上的穿孔布氣管進行充氧,污水流經濾層后,濾層表面吸附著大量的微生物,利用進水中的溶解氧降解有機物及氨氮,處理后出水溢流至出水收集槽排放。濾池的反沖洗采用脈沖沖洗的方法,可以將吸附在濾料上的懸浮物資脫落,反沖洗后,打開穿孔排泥閥,利用其它正在運行的生物濾池出水對濾層進行水漂洗。
濾池濾料選用EPS泡沫濾珠濾料,這是一種可發(fā)性聚苯乙烯泡沫濾珠,初期投運時直徑3~5mm,比表面積可達1000~1500m2/m3,堆密度80~100kg/cm3,孔隙率50%左右。
試驗從2012年12月21日起開始,此時濾池水溫逐步降低,同時4#濾池完成了濾料更換和補充,濾層厚度達2m。自2013年1月3日起水溫降至10℃以下,選取了濾料層厚度在2m左右的4#池,和濾料層厚度在1m左右的5#池的出水進行了對比。自1月28日起,增加了對生物濾池的進水水量,由原來的1224m3/h提高至1528m3/h,目的是提高了濾池的水力負荷。增加了生物濾池出水回流至曝氣池,回流比由原來的9%增加至18%。試驗期間每2天反沖洗一次,每次反沖洗時間約30min,周期結束時濾層阻力約3.92kpa,脈沖反沖洗次數(shù)為2~3次,然后用濾池出水進行漂洗,漂洗時間約10min。試驗中以測定氨氮的去除效果為主,以單位填料對氨氮的去除量和氨氮去除率來表示。
由于二沉池出水中存在諸多菌種,這些菌種以濾料為載體,省去了接種的麻煩,得到了大量的繁殖,生存條件十分優(yōu)越。
掛膜階段必須要有十分理想的菌種生存環(huán)境,所進的水中的氮、磷等營養(yǎng)元素含量、水溫、酸堿值等都必須達到一定的要求,值得一提的是必須要防治有毒物質的進入和肆意繁殖。掛膜剛剛啟動階段,應當采用低負荷進水方式,此時的進水量約為設計水量的40%上下,盡量避免生物膜的沖刷沖擊,為掛膜提速做好鋪墊工作。
BIOSMEDI生物濾池的調試過程是有PLC來進行控制的,是由反沖洗的時間間隔、反沖洗時間長短、排泥閥開度、濾池格數(shù)等因素來進行控制的。
3.2.1 反沖洗時間間隔的控制方法
通常濾池反沖洗時間間隔約為1~2天,冬季則適當延長,可根據(jù)運行狀態(tài)調整。比如,本試驗在掛膜期間2~3天反沖洗一次,間隔時間要根據(jù)運行水質、水量隨時調節(jié)。
3.2.2 反沖洗時間的控制方法
每次反沖洗時間長短會影響出水的SS和CODcr值。反沖洗時間不足,水力對濾料的沖刷效果差,老化的生物膜被沖刷得不徹底。反沖洗時間太長則能量消耗多,不經濟。反沖洗的強度即濾池表面水位下降高度,本試驗運行時控制不低于40cm,一般控制在50~60cm,即水位下降到濾板處為最佳狀態(tài)。進水量過小時可適當調大。本次試驗中反沖洗時水量調節(jié)到12~15m3/h,單次充氣26min就可以滿足反沖洗。
3.2.3 反沖洗排泥的控制方法
排泥的開度取決于池面的水位,排泥量太小,造成反沖洗水流入后續(xù)處理,影響水質。排泥量太大,濾池沒有充足的水進入后續(xù)處理,會造成暫時斷流的現(xiàn)象。對污水管網(wǎng)的沖擊力也會增大。運行時要根據(jù)實際水量和水質來確定排泥的開度,以略低于出水槽為宜。實踐表明,在運行中選取合適的反沖洗時間間隔和反沖洗時間,可顯著提高曝氣生物濾池的運行效果。通過實踐調整和對出水水質監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,確定此工藝中進水流量為1200~1500m3/h時,反沖洗充氣時間每次為26min,排泥時間為42min。第一次放氣后DN300的排泥開度為30~50%,排12min,第二次放氣后DN300排泥閥開度為100%開度排30min。反沖洗后由于脫落的生物膜在水力的作用下會部分上浮,導致水面會出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象,短時間內除氨氮值正常外,其他如SS、CODcr、濁度值增高,屬于正?,F(xiàn)象。正常情況下2h左右會恢復澄清。
在掛膜階段,利用微生物的新陳代謝能夠有效去除水中的污染物。在BIOSMEDI生物濾池的調試過程中,會產生大量的各種各樣的細菌、真菌,同時,水中還會有各種藻類、原生動物和后生動物生長和繁殖,這些復雜豐富的生物自然地組成了相對完整的水中生物鏈。然而,經過BIOSMEDI生物濾池的調試之后,混合液中仍然大量的古拙型纖毛蟲,這一現(xiàn)象證明了BIOSMEDI生物濾池除氮處理的優(yōu)良水質,BIOSMEDI生物濾池除氮效果十分理想。
進水區(qū)的生物膜增長速度快,反沖洗時生物膜大量脫落,但是由于營養(yǎng)物質和溶解氧充足,在反沖洗后能較快的恢復處理能力。同一天內不能頻繁地進行反沖洗,否則會影響生物膜的增殖。
污水經過下層的碳化硝化階段,基質和溶解氧的濃度逐漸減少,形成了一個濃度梯度,不同位置存在不同的微生物代謝優(yōu)勢區(qū),上層主要是硝化自氧菌,其代謝優(yōu)勢區(qū)將位于生物膜內部稍淺的區(qū)域。由于硝化菌的優(yōu)勢位置在內部,因此反沖洗后,對氨氮的處理能力更好。
BIOSMEDI生物濾池的調試試驗結果如圖1所示。
圖1 生物濾池濾速與氨氮去除率的影響
從圖1可以看出,濾速的增加有利于提高濾池的硝化速率。研究表明,在溶解氧充足、溫度適宜的情況下,濾速為20m/h時的氨氮去除負荷可達濾速為5m/h的2倍。本次試驗期間生物濾池平均水溫8.6℃,且水溫隨氣溫呈逐步下降趨勢。1月28日提高生物濾池進水流量后,濾速提高了25%,單位填料對氨氮的去除負荷由原來的0.16kgNH3-N/(m3·d)提高至0.33kgNH3-N/(m3·d),氨氮去除率提高近1倍。這是因為生物濾池進水來自于二沉池出水,有機物濃度較低,加大了濾池進水量后使濾料不斷受到沖刷,生物膜連續(xù)脫落,不斷更新,使得硝化速率得到提高。由于試驗構筑物池容的限制,試驗時無法進一步提高濾池濾速。
生物濾池部分出水硝化液回流至活性污泥段生物池缺氧段末端,不但可增加生物池碳源,還能提高生物濾池的水力負荷,當來水的水質和水量出現(xiàn)波動時,回流還有調節(jié)和穩(wěn)定進水的作用。由本次試驗可知,在水溫較低時(低于10℃),增加硝化液回流可為前端生物池提供部分堿度和能源。
濾層的上層和下層中生物膜量、微生物種類和去除有機物的速率各不相同。當濾層各層進水水質互不相同時,各層生物膜的微生物就不相同,處理污水的功能也隨之不同。隨著濾層厚度增加,微生物從低級趨向高級,種類逐漸增多,生物膜量從多到少。由于硝化反應速率與有機物濃度有關,而不同深度的處的有機物濃度不同,因此,各層濾層有機物去除率不同,有機物的去除率沿池深方向呈指數(shù)形式下降。由圖2可知,濾層厚度對生物濾池處理效果有明顯影響。本次試驗的生物濾池已運行近5年,濾珠濾料由原來的直徑3~5mm縮小至1~2mm,比表面積縮小84%~89%。這是因為在濾池運行中的進水、曝氣、反沖洗、排泥等過程中,輕質濾料不斷的彼此碰撞、摩擦,導致顆粒密度緊實,直徑縮小,使得因濾料直徑縮小后通過濾板隨著出水而流失。2012年12月對4#池更換濾料,濾層厚度2m,至試驗開始時已基本達到正常狀態(tài),氨氮去除率50~70%,比1#池氨氮去除率高10~30%。
圖2 濾層厚度對氨氮去除率的影響
本試驗表明,掛膜階段必須要有十分理想的菌種生存環(huán)境,掛膜剛剛啟動階段,應當采用低負荷進水方式。反沖洗后,對氨氮的處理能力更好;冬季水溫較低時(低于10℃),BIOSEMEDI生物濾池濾速提高25%,單位填料對氨氮去除負荷增加1倍,氨氮去除率增加近1倍。增加生物濾池硝化液回流量對提高氨氮去除效果也有一定作用;同時本次試驗還表明,生物濾池濾層厚度對氨氮去除效果也有顯著影響,濾層厚度增加1倍,氨氮去除率可增加10~30%。因此,及時補充或更換填料,對于確保生物濾池發(fā)揮正常效果尤其重要。
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