閆偉偉 陳小紅 顧睿等

摘要[目的]研究生物砂濾池在中水回用中的應(yīng)用。[方法]以某生態(tài)居民小區(qū)污水處理系統(tǒng)的出水為水源，分析了不同條件下生物砂濾池對TSS、CODCr、BOD5、TN、NH4+N、TP去除效果及規(guī)律。[結(jié)果]該生物砂濾池對于各種污染物都有明顯的去除效果，尤其是對TN和NH+4N有很高的去除率，處理后中水水質(zhì)完全能夠滿足該生態(tài)小區(qū)雜用水和景觀環(huán)境用水的需求。[結(jié)論]該研究為中水回用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞生物砂濾池；中水回用；氨氮；總氮

中圖分類號S181；X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）31-257-04

Application of Biological Sand Filter in Water Reuse

YAN Weiwei1， CHEN Xiaohong2， GU Rui3 et al

（1. Huangshi Environment Protection Institute， Huangshi， Hubei 435002； 2. Hubei Zhenhua Chemical Co.， Ltd.， Huangshi， Hubei 435001； 3. Appraisal Center for Environment & Engineering， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100012）

Abstract[Objective] The study aims to discuss the application of biological sand filter in water reuse. [Method] The removal effects and rules of TSS， CODCr， BOD5， TN， NH4+N and TP by the biological sand filter were analyzed using the effluent from the sewage disposal system in an ecological residential area as source water. [Result] The removal efficiency of every pollutant by the biological sand filter is apparent， especially TN and NH+4N， and the treated water can be used as miscellaneous water and scenic environment water of the ecological residential area. [Conclusion] The research can provide theoretical foundation for water reuse.

Key wordsBiological sand filter； Water reuse； Ammonia nitrogen； Total nitrogen

近年來，由于節(jié)能減排的大力推進(jìn)，國家和地方政府對于污染治理的管理也越來越嚴(yán)格，污染治理的范圍從宏觀控制到微觀實(shí)施都在有計(jì)劃的進(jìn)行。生物砂濾池是近年來用于處理微污染水的一種技術(shù)，對于微污染水中污染物尤其是NH4+N具有很好的去除效果[1]。城市生活污水主要來源于小區(qū)，而且對于小區(qū)生活污水的處理主要分為集中式和分散式處理，分散式處理主要使用生態(tài)技術(shù)，包括地下滲濾、快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流和人工濕地等處理技術(shù)[2]，近年來開發(fā)使用較多的生物砂濾池也是應(yīng)用于分散式處理小區(qū)生活污水較多的一種技術(shù)[3-4]。某生態(tài)居民小區(qū)處于黃石市內(nèi)重要湖泊邊，由于地理位置偏僻，市政管網(wǎng)未能鋪設(shè)到位，小區(qū)生活污水還未能進(jìn)入市政污水處理系統(tǒng)。為落實(shí)節(jié)能減排和建設(shè)綠色環(huán)保文明小區(qū)，保護(hù)湖泊水質(zhì)，以該生態(tài)小區(qū)現(xiàn)有污水處理站出水為源水，采取進(jìn)一步處理措施回用作為小區(qū)雜用水和湖泊景觀水尤為必要。筆者依托該生活小區(qū)，開展生物砂濾池對于中水深度處理的試驗(yàn)研究。

1材料與方法

1.1原水水質(zhì)

該生態(tài)小區(qū)原來對于產(chǎn)生的生活污水采用預(yù)處理+活性污泥+沉淀工藝，其運(yùn)行效果較差，出水水質(zhì)不穩(wěn)定，由于城市污水管網(wǎng)目前未覆蓋該小區(qū)，尾水只能就近排入附近湖泊。而依據(jù)國家、湖北省及黃石市關(guān)于湖泊保護(hù)的規(guī)定，尾水必須執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中一級A標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合處理后尾水用于綠化、道路澆灑及湖泊景觀用水要求，列出原水水質(zhì)及污染物對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求（表1）。

1.2試驗(yàn)工藝運(yùn)行參數(shù)及流程該試驗(yàn)是對小區(qū)污水處理站二沉池出水進(jìn)行深度處理，所以直接安裝了一套生物砂濾池進(jìn)行調(diào)試處理，其運(yùn)行參數(shù)基本上由出水和裝置設(shè)計(jì)而定。生物砂濾池高5 m，內(nèi)徑2.8 m，過濾面積為近8.0 m2，正常運(yùn)行時(shí)流量為40 m3/h，濾速為2～10 m/h；濾料采用天然海砂，高度為3.6 m（濾料顆粒平均粒徑為1 mm，填充率為2.5 kg/L）。通過管道導(dǎo)流進(jìn)入中心喇叭均勻布水，并采用單獨(dú)水反沖洗方式，反沖洗強(qiáng)度為125 L/（s·m2），反沖洗時(shí)間為5～7 min，反沖洗出水返回原污水處理站預(yù)處理沉淀。根據(jù)工藝需要選擇性進(jìn)行曝氣，空氣導(dǎo)入砂濾池底部通過微孔進(jìn)行曝氣，以提供微生物必須的氧氣。另外，在生物砂濾池運(yùn)行期間，根據(jù)其反應(yīng)原理，定期投加甲醇。試驗(yàn)工藝流程見圖1。

1.3樣品采集與分析

2013年6～8月試驗(yàn)期間，水溫為21～30 ℃。根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行合理采取水樣，針對性地測定水樣中有機(jī)污染物濃度，以了解生物砂濾池對各種污染物的處理效果和最佳運(yùn)行條件。研究表明，生物砂濾池對氮具有很好的去除效果[5-7]。為了解該生物砂濾池脫氮除磷效果，對主要污染物TN、NH4+N和TP進(jìn)行了多次取樣分析。該試驗(yàn)采樣次數(shù)不固定，依據(jù)生物濾池運(yùn)行時(shí)間不定期進(jìn)行采樣。總懸浮物（TSS）測定采用重量法；化學(xué)需氧量（CODCr）測定采用重鉻酸鉀法；五日生化需氧量（BOD5）測定采用重鉻酸鉀紫外光度法；總氮（TN）測定采用紫外分光光度法；氨氮（NH4+N）測定采用納氏試劑分光光度法；總磷（TP）測定采用鉬酸銨分光光度法。

43卷31期閆偉偉等生物砂濾池在中水回用中的應(yīng)用

2結(jié)果與分析

2.1對TSS的去除效果

由于生物砂濾池進(jìn)水為二沉池出水，本身TSS濃度不是很高。由圖2可知，進(jìn)水中TSS濃度小于30 mg/L時(shí)，其去除率很小，而TSS濃度大于30 mg/L時(shí)去除率明顯升高，這主要與生物濾池中天然海砂的粒徑和構(gòu)造有關(guān)[8-9]，也說明該裝置對于處理TSS濃度大于30 mg/L的二沉池出水是可行的。在試驗(yàn)期間，隨著生物濾池運(yùn)行時(shí)間加長和穩(wěn)定后，對TSS的去除率也在提高，升至75%后變化不大，這主要是因?yàn)楫?dāng)投藥量達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，微粒間的吸引力開始起作用，顆粒開始快速絮凝。由于此過程是從濾層表面到深部進(jìn)行的，有利于發(fā)揮深層濾料的截污能力。從水力學(xué)方面來看，連續(xù)過濾時(shí)，砂濾料孔隙內(nèi)水流呈層流狀態(tài)，它產(chǎn)生的速度梯度會使微絮凝體不斷旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其脫離自己的流線時(shí)，與砂粒接觸，就會產(chǎn)生足夠的吸引力被濾料吸附，從而從水中分離出去[10]。

2.2對CODCr的去除效果

由圖3可知，當(dāng)進(jìn)水CODCr濃度為50～90 mg/L時(shí)，出水CODCr濃度為20～58 mg/L，去除率為28.8%～66.7%，基本可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)期間水溫基本保持在微生物（異養(yǎng)菌）生長繁殖的最佳水溫（20～30 ℃）[11]。但測試期間有2次出現(xiàn)出水CODCr濃度超過50 mg/L，這是因?yàn)檫M(jìn)水CODCr濃度超過85 mg/L，微生物的生長都有一定的規(guī)律和周期，在處理過程中，進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生變化后微生物有一個(gè)適應(yīng)的過程，此時(shí)適應(yīng)的微生物能夠生存，不適應(yīng)的則被淘汰，微生物數(shù)量減少，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)物從生物濾池中流失，所以生物砂濾池對CODCr的處理效果有所波動[12]。因此，要使生物濾池出水達(dá)到回用水的基本要求，應(yīng)控制進(jìn)水CODCr濃度不超過85 mg/L。

2.3對BOD5的去除效果

測試期間，二沉池出水中BOD5濃度為3～14 mg/L，經(jīng)過生物濾池處理后BOD5濃度為1.9～4.5 mg/L（圖4），完全達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)，滿足回用標(biāo)準(zhǔn)。通過對生物濾池內(nèi)部，經(jīng)過1個(gè)月的運(yùn)行后，濾池內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)生物膜，在廢水充氧情況下，低濃度的污染物BOD能很好地被生物細(xì)菌消化[13]。 在生物砂濾池中，有機(jī)物的降解速率主要取決于生物好氧反應(yīng)的速率，而生物好氧反應(yīng)的速率主要受基質(zhì)濃度和生物膜內(nèi)、外基質(zhì)和氧的傳質(zhì)過程控制。原水中污染物濃度較低，曝氣充足，水中溶解氧很高而生物膜厚度較薄，傳質(zhì)阻力小、速度快，因此污染物的生物降解速率很快[14]

2.4對TN的去除效果

TN是生物濾池重點(diǎn)去除的污染物，測試期間也重點(diǎn)監(jiān)測了進(jìn)出水中TN的濃度。從實(shí)際的運(yùn)行效果來看（圖5），進(jìn)水濃度為6.3～27.6 mg/L時(shí)，出水濃度為0.8～5.3 mg/L，平均去除率為88.9%，且進(jìn)水TN濃度越高去除率也越高，主要是因?yàn)楹Ｉ氨砻娴南趸?xì)菌隨著進(jìn)水TN濃度的提高而生長較快，單位體積內(nèi)硝化細(xì)菌的密度增加，對TN的去除效果較好[7]。這是因?yàn)閷λ械娜コ鹱饔玫南跛峋蛠喯跛峋y(tǒng)稱為硝化細(xì)菌，它們?yōu)楹醚踝责B(yǎng)菌，世代時(shí)間較長，增長速度緩慢，需要有一定的停留時(shí)間。在低濃度廢水處理工程上，為了要達(dá)到硝化完全的目的，一般采用低負(fù)荷運(yùn)行，增加曝氣量和延長曝氣時(shí)間，保證有足夠的溶解氧存在[15]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然進(jìn)水TN濃度變化較大，但出水TN濃度變化很小?？梢姡餅V池對TN污染物具有很好的抗沖擊負(fù)荷性能。

2.5對NH4+N的去除效果

由圖6可知，在砂濾裝置啟動運(yùn)行前期（2013年6月），原水溫度相對較低，NH4+N去除率出現(xiàn)較大波動，總體去除率低于75%；但后期運(yùn)行穩(wěn)定，水溫升高后，NH4+N去除率基本維持在80%以上，最高可達(dá)90%。分析原因，砂濾裝置開始運(yùn)行不穩(wěn)定，水溫相對低，海砂表面生物膜中硝化菌代謝相對不穩(wěn)定，生長慢[16]，因此抗NH4+N沖擊負(fù)荷能力較差，這種情況到運(yùn)行中后期就明顯改善。生物砂濾池對氨氮的去除是在亞硝酸菌和硝酸菌的作用下，氨氮先被氧化成亞硝酸鹽氮，接著氧化為硝酸鹽氮。當(dāng)水中的NH4+N濃度增加，硝化細(xì)菌產(chǎn)生的有機(jī)細(xì)胞物質(zhì)可部分作為異養(yǎng)菌的基質(zhì)，使得異養(yǎng)菌有了較多的電子供體，促進(jìn)生長，使水中的有機(jī)物得以分解和氧化。當(dāng)進(jìn)水NH4+N濃度保持穩(wěn)定時(shí)，水中可降解的有機(jī)物質(zhì)被大部分降解，盡管部分異養(yǎng)菌仍然可利用硝化反應(yīng)所形成的有機(jī)細(xì)胞物質(zhì)作為其營養(yǎng)源，但大部分異養(yǎng)菌的氧化分解能力較弱，不得不利用自身菌體作為營養(yǎng)來源，此時(shí)水中有機(jī)物的去除基本穩(wěn)定。因此，水中一定量氨氮的存在可以促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長和微量有機(jī)物的氧化分解，硝化反應(yīng)所形成的細(xì)胞物質(zhì)可作為異養(yǎng)菌的部分基質(zhì) [17]。

2.6對TP的去除效果

同氨氮的去除效果一樣，廢水中TP的去除在砂濾裝置運(yùn)行前期不穩(wěn)定，后期穩(wěn)定。雖然進(jìn)水中TP濃度出現(xiàn)較大波動，但總體去除率維持在60%～70%，出水濃度總體維持在0.2 mg/L左右（圖7）?？梢?，該套生物砂濾池對于TP的去除也是有效的。對于除磷的機(jī)理，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)為：厭氧釋磷好氧吸磷，同時(shí)要求NO2-、NO3-濃度極低。而最近的研究表明，在一定的濃度范圍內(nèi)NO2-對除磷無抑制作用，相反，它可以作為除O2之外的另一電子受體，實(shí)現(xiàn)聚磷菌的同時(shí)反硝化除磷[18]。可見，生物濾池能將反硝化脫氮和生物除磷過程結(jié)合在一起，節(jié)省碳源和曝氣量，減少污泥產(chǎn)量，適用于低C/N或C/P比的污水。

2.7抗沖擊負(fù)荷效果

在運(yùn)行期間，單獨(dú)采集了8月份中一整天運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在12：00以前流量為30～35 m3/h，12：00之后流量為17～22 m3/h。很明顯，進(jìn)水中氮濃度出現(xiàn)了很大波動，為0.34～10.50 mg/L，但出水氮濃度保持在0.17～2.00 mg/L（圖8），出水很穩(wěn)定，說明該套裝置對氮具有很好的抗負(fù)荷沖擊能力，應(yīng)用于小區(qū)污水處理站尾水處理具有很好的效果。

3結(jié)論

生物砂濾池適用于深度處理城市污水管網(wǎng)未能覆蓋的生活小區(qū)污水處理站尾水，對于生活小區(qū)廢水處理站出水中TSS、COD、BOD、TN、NH4+N、TP都有較好的去除效果，尤其是對TN、NH4+N保持很高的去除率。在裝置運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，TN去除率可保持在85%以上，NH4+N去除率保持在80%以上，出水中各項(xiàng)污染物濃度都能達(dá)到GB 8918-2002中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值，滿足回用水的要求，對于保護(hù)城市湖泊水質(zhì)起到較好作用。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，對于尾水處理的參數(shù)控制要求比較嚴(yán)格，對設(shè)備的運(yùn)行控制要求較高。

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