曝氣生物濾柱處理生活污水工藝研究

劉喜坤，梁　峙，肖　揚(yáng)，孫小虎，陳奎章

(1.徐州市水利局，江蘇 徐州　221111；2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州　221018；

3.徐州市環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，江蘇 徐州　221000)

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曝氣生物濾柱處理生活污水工藝研究

劉喜坤1，梁峙2，肖揚(yáng)2，孫小虎1，陳奎章3

(1.徐州市水利局，江蘇 徐州221111；2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221018；

3.徐州市環(huán)境應(yīng)急與事故調(diào)查中心，江蘇 徐州221000)

摘要：為實現(xiàn)生活污水設(shè)備的快速一體化設(shè)計，結(jié)合自行研制的曝氣生物濾柱，探究曝氣生物濾柱運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)，并與石英砂濾柱的處理效果進(jìn)行了對比.實驗結(jié)果表明：反沖洗的頻次對掛膜有顯著影響；沖洗強(qiáng)度、時間與濾層的生物量密切相關(guān)，當(dāng)水力負(fù)荷為3.0 m3/m2h、采用三段式聯(lián)合反沖洗、過濾周期控制為48 h時，曝氣生物濾柱對懸浮物的處理效果最佳，能夠促進(jìn)微生物在濾柱內(nèi)重新均勻分布，促使濾柱新舊微生物群落的更替.

關(guān)鍵詞：生物濾柱；曝氣；污水處理；水質(zhì)；降解

城鎮(zhèn)污水處理的總體目標(biāo)是充分利用城鎮(zhèn)污水資源，削減水污染負(fù)荷，促進(jìn)水的循環(huán)利用，緩解區(qū)域水資源短缺，推動城鎮(zhèn)節(jié)水減排，提升我國城鎮(zhèn)水資源綜合利用效率和水平，推動資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)[1-2].目前城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)主要包括常規(guī)處理、深度處理和消毒.常規(guī)處理包括一級處理、二級處理和二級強(qiáng)化處理，其主要功能為去除SS、溶解性有機(jī)物和營養(yǎng)鹽(氮、磷)[3].深度處理包括混凝沉淀、介質(zhì)過濾(含生物過濾)、膜處理、氧化等單元處理技術(shù)及其組合技術(shù)，主要功能為進(jìn)一步去除二級(強(qiáng)化)處理未能完全去除的水中有機(jī)污染物、SS、色度、嗅味和礦化物等.污水處理設(shè)備體積龐大，處理單元繁雜，氮磷去除方面需要多種單元設(shè)計協(xié)同作用才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[4-7].為了提升水污染處理企業(yè)的運(yùn)行效率，以及為生物處理生活污水的設(shè)計提供依據(jù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，研究了曝氣生物濾柱的運(yùn)行方式和溫度對曝氣生物濾柱處理效果的影響.本研究采用現(xiàn)場試驗并對小型試驗的成果進(jìn)行放大運(yùn)行，試驗中模擬實際生產(chǎn)過程，對曝氣生物濾池采用上向流運(yùn)行方式.

1試驗水質(zhì)及分析測試方法

表1

2試驗裝置

圖1　曝氣生物濾柱立體透視圖

目前城鎮(zhèn)污水深度處理技術(shù)包括混凝沉淀、介質(zhì)過濾(含生物過濾)、膜處理、氧化等單元，其處理設(shè)備體積龐大，處理單元數(shù)量多，各單元之間需要密切配合才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn).為此，設(shè)計一種曝氣生物濾柱的實驗裝置，以提高污水的處理效果.

試驗裝置包括3個有機(jī)玻璃濾柱，分別為a濾柱、b濾柱和c濾柱.3個有機(jī)玻璃濾柱高度相同，均為4.0 m，填料層高度3.0 m，直徑分別為300，500，700 mm.濾柱a和濾柱b為曝氣生物濾柱，a濾柱內(nèi)裝粒徑2～4 mm陶粒，b濾柱內(nèi)裝粒徑3～5 mm的陶粒；c濾柱為普通快濾裝置，內(nèi)裝粒徑1～3 mm的精制石英砂濾料.a、b濾柱運(yùn)行期間采用上向流運(yùn)行方式，在底部進(jìn)行曝氣，原水從濾柱底部進(jìn)入反應(yīng)裝置，從濾柱上部溢流出水；精制石英砂濾柱c采用下向流運(yùn)行方式，不曝氣；原水從濾柱上部進(jìn)入裝置，從濾柱下部流出.如圖1所示.

3結(jié)果與討論

試驗開展曝氣生物濾柱的處理效果研究，探究曝氣生物濾柱運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)，并以工藝出水達(dá)到生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)為目的.

3.1有機(jī)負(fù)荷對掛膜的影響

由于污水處理廠一級處理出水中有機(jī)物含量高、微生物含量豐富，有利于濾料表面生物膜的形成，故而利用污水處理廠一級處理出水對曝氣生物濾柱進(jìn)行自然掛膜.試驗對比低有機(jī)負(fù)荷和高有機(jī)負(fù)荷對曝氣生物濾柱啟動的影響，分析啟動過程中進(jìn)水氨氮去除率的變化.試驗結(jié)果如圖2所示.

圖2　有機(jī)負(fù)荷對掛膜的影響

曝氣生物濾柱啟動掛膜過程中，高容積負(fù)荷促進(jìn)了異氧菌的生長，抑制了硝化菌的生長.由于異氧菌的比生長速率大于硝化菌的，那么高容積負(fù)荷條件下異氧菌大量增殖，消耗了溶解氧和有機(jī)物，抑制了硝化菌的生長，造成試驗過程中氨氮去除率始終低于8%[8].

3.2反沖洗對掛膜的影響

本次反沖洗試驗采用水反沖洗，通過觀察曝氣生物濾柱的膨脹現(xiàn)象，控制水洗強(qiáng)度為7.5 L/m2s.曝氣生物濾柱a掛膜期間進(jìn)行反沖洗，每次反沖洗時間為1～2 min，曝氣生物濾柱b掛膜期間不進(jìn)行反沖洗，并對比分析反沖洗對縮短曝氣生物濾柱啟動時間及減少濾床板結(jié)的效果.試驗結(jié)果如圖3、圖4所示.

圖3　反沖洗對掛膜的影響

圖4　反沖洗對掛膜的影響

曝氣生物濾柱掛膜啟動過程中，為保持生物量，許多文獻(xiàn)研究建議不進(jìn)行反沖洗，已有的研究也表明曝氣生物濾柱啟動過程中如果不進(jìn)行反沖洗，大量懸浮物會被截留在進(jìn)水端，微生物大量生長，極易發(fā)生堵塞[9].曝氣生物濾柱啟動過程中，微生物量在濾柱內(nèi)的分布沿進(jìn)水方向迅速減少，導(dǎo)致進(jìn)水端濾料已經(jīng)掛膜，而出水端沒有發(fā)生掛膜現(xiàn)象，延長曝氣生物濾柱啟動周期.為防止發(fā)生堵塞，加快啟動周期，故而研究反沖洗對曝氣生物濾柱啟動的影響.

在第1天至第5天期間，a濾柱和b濾柱都沒有進(jìn)行反沖洗，a濾柱和b濾柱對COD的去除率幾乎相同，且均低于20%；在第6天，a濾柱反沖洗，b濾柱不進(jìn)行反沖洗；在第7天至第11天期間，a濾柱COD的去除率明顯高于b濾柱；在第8天，a濾柱對COD的去除率已達(dá)到29%；b濾柱在第11天對COD的去除率才達(dá)到29%.試驗結(jié)果表明適當(dāng)?shù)姆礇_洗可以縮短曝氣生物濾柱的啟動周期.

3.3反沖洗對濾層生物量分布的影響

圖5　反沖洗對濾層生物量分布的影響

試驗反應(yīng)進(jìn)入到第11天，反沖洗前和反沖洗后，逐層提取曝氣生物濾柱內(nèi)微生物，進(jìn)行測定，并分析反沖洗對不同高度濾層生物量的影響.結(jié)果如圖5所示.

在橋吊上安裝了1套用于橋吊大車和集卡車輛對位的引導(dǎo)系統(tǒng)，即集卡車輛引導(dǎo)系統(tǒng)（CPS）。該系統(tǒng)主要用于引導(dǎo)集卡司機(jī)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行集卡裝卸作業(yè)。在橋吊的鞍梁上安裝引導(dǎo)定位單元，來檢測集卡車輛進(jìn)入碼頭裝卸區(qū)后的位置，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并將引導(dǎo)信息發(fā)送至指示屏，從而引導(dǎo)集卡司機(jī)將集卡車輛停在橋吊能直接起吊裝卸的位置。CPS系統(tǒng)引導(dǎo)定位裝置如圖1所示。CPS系統(tǒng)顯示器如圖2所示。

從圖5可知，反沖洗前微生物主要集中在距離進(jìn)水口0～100 cm的范圍內(nèi)，微生物分布極不均勻.在進(jìn)水口0 cm處，微生物量為83 nmol/cm3填料；距離進(jìn)水口100 cm處，微生物量迅速降為19 nmol/cm3填料.在100～200 cm的范圍內(nèi)，微生物分布比較均勻，距離進(jìn)水口100 cm處，微生物量為19 nmol/cm3填料；距離進(jìn)水口200 cm處，微生物量降為15 nmol/cm3填料.反沖洗后，微生物在整個濾柱內(nèi)分布變均勻，進(jìn)水口0 cm處，微生物量為40 nmol/cm3填料；距離進(jìn)水口200 cm處，微生物量為22 nmol/cm3填料.

試驗結(jié)果表明，低強(qiáng)度反沖洗雖然會造成濾柱少量微生物流失，使得濾柱內(nèi)少量的生物膜脫落，經(jīng)過一定時間后，又會在濾柱原有位置上補(bǔ)充，同時原來主要在進(jìn)水口附近積累的微生物在全層分布，增加了微生物與基質(zhì)的接觸面積，提高了微生物的活性.b濾柱掛膜期間沒有進(jìn)行反沖洗，導(dǎo)致濾柱底部生物膜過厚,產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象，堵塞進(jìn)水，增大了運(yùn)行操作難度.

現(xiàn)有研究表明試驗濾柱反沖洗過程中沖洗強(qiáng)度、時間應(yīng)根據(jù)濾柱填料性質(zhì)、填料高度而定：既要促進(jìn)微生物在濾柱內(nèi)重新均勻分布，又不能導(dǎo)致微生物大量流失[10].

3.4生物濾柱與石英砂濾柱處理效果對比

為了比較曝氣生物濾柱工藝設(shè)計與石英砂柱的效果，本試驗對比分析曝氣生物濾柱和精制石英砂濾柱處理的技術(shù)參數(shù)，以求為提升和優(yōu)化濾柱設(shè)計參數(shù)提供參考.試驗同時啟動a曝氣生物濾柱和c精制石英砂濾柱，經(jīng)過15 d運(yùn)行，實現(xiàn)微生物富集馴化，工藝各個部分運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定.試驗結(jié)果見表2.

表2　曝氣生物濾柱與精制石英砂濾柱處理效果對比

從表2中可以看出，曝氣生物濾柱對COD、BOD5、氨氮、色度、細(xì)菌和大腸桿菌的處理效果明顯好于精制石英砂濾柱.曝氣生物濾柱出水中COD、BOD5、氨氮、色度均滿足各類生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)，精制石英砂濾柱出水中只有氨氮和色度能夠滿足各類生活雜用水標(biāo)準(zhǔn).曝氣生物濾柱出水微生物指標(biāo)明顯好于精制石英砂濾柱出水，其出水微生物指標(biāo)相對進(jìn)水減少一個數(shù)量級，可大幅度降低后續(xù)消毒處理負(fù)荷[11].

3.5曝氣生物濾柱濾速的確定

圖6　水力負(fù)荷對SS和氨態(tài)氮的影響

濾柱濾速或者說水力負(fù)荷對曝氣生物濾柱的處理效果有重要影響[12].濾柱濾速高，水力停留時間短，則減少曝氣生物濾柱與溶解性污染物接觸時間，降低了處理效果.另一方面，高水力負(fù)荷增加濾柱膨脹率，能夠使截留的污染物質(zhì)向濾柱深處擴(kuò)散，增加了污染物和微生物的接觸面積，提高了濾柱的納污能力.試驗通過逐漸提高濾柱的水力負(fù)荷特性，分析曝氣生物濾柱對SS、氨態(tài)氮的去除效果.如圖6所示.

從圖6中可以看出，隨著水力負(fù)荷提高，曝氣生物濾柱對氨氮的去除率逐漸下降；曝氣生物濾柱對SS的去除率呈現(xiàn)拋物線型，水力負(fù)荷低于3.0 m3/m2h時，曝氣生物濾柱對SS的去除率隨水力負(fù)荷的升高而升高，當(dāng)水力負(fù)荷高于3.0 m3/m2h時，曝氣生物濾柱對SS的去除率隨水力負(fù)荷的升高而降低.所以，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷為3.0 m3/m2h時，也就是進(jìn)水流濾速為3 m/h時效果最佳.

3.6曝氣生物濾柱過濾周期的確定

曝氣生物濾柱運(yùn)行中經(jīng)常需要反沖洗，這樣可以使得表面老化生物膜脫落，為新生物膜的更新預(yù)留空間，提高濾柱對懸浮物的容納能力.因此，反沖洗是維持曝氣生物濾柱高效運(yùn)行的關(guān)鍵.曝氣生物濾柱中填料孔隙率較高，即使發(fā)生出水SS升高現(xiàn)象，濾柱濾速也不會發(fā)生明顯變化，故而以出水SS為控制指標(biāo)，當(dāng)出水SS驟然回升時，將其作為曝氣生物濾柱的反沖洗時間.通過試驗發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行48 h后，出水SS等指標(biāo)會出現(xiàn)驟然回升現(xiàn)象，因此反沖洗周期控制為48 h是合適的.

4結(jié)論

1)曝氣生物濾柱啟動掛膜過程中，低有機(jī)負(fù)荷濾柱對氨氮的去除率變化率較小，且填料表面能夠發(fā)現(xiàn)明顯生物膜.

2)采用水反沖洗，觀察曝氣生物濾柱對掛膜啟動周期的影響.試驗結(jié)果表明適當(dāng)?shù)姆礇_洗可以縮短曝氣生物濾柱的啟動周期.

3)低強(qiáng)度反沖洗雖然會造成濾柱少量微生物流失、少量生物膜脫落，且經(jīng)過一定時間后，又會在濾柱原有位置上補(bǔ)充；但沒有進(jìn)行反沖洗，會導(dǎo)致濾柱底部生物膜過厚，產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象，堵塞進(jìn)水，增大了運(yùn)行操作難度.

4)曝氣生物濾柱出水微生物指標(biāo)明顯好于精制石英砂濾柱出水，其出水微生物指標(biāo)相對進(jìn)水減少一個數(shù)量級，大幅度降低后續(xù)消毒處理負(fù)荷.

5)試驗結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷為3.0 m3/m2h、進(jìn)水流濾速為3 m/h、反沖洗周期控制為48 h時，其處理效果最佳.

6)本優(yōu)化工藝相對于傳統(tǒng)方法，運(yùn)行平穩(wěn)，抗干擾能力強(qiáng).該工藝處理量較大，反沖洗間隔時間較長，有利于提高處理效率.

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(編輯徐永銘)

江蘇省食品資源開發(fā)與質(zhì)量安全重點建設(shè)實驗室開放課題(SPKF201416);徐州工程學(xué)院儀器開發(fā)課題

Research on Treatment of Domestic Wastewater with Biological Aerated Filter

LIU Xikun1，LIANG Zhi2，XIAO Yang2，SUN Xiaohu1，CHEN Kuizhang3

(1.Water Affairs Bureau of Xuzhou，Xuzhou 221111 China;

2.Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；

3.Environmental Emergency and Accident Investigation Center of Xuzhou ，Xuzhou 221000，China)

Abstract:In order to realize the design of fast integrated domestic sewage equipment,this paper explores the operational mode and parameters of self-developed biological filter column, and compares its treatment effect with that of quartz sand filter column.The experiment results showed that the backwash frequency has a significant influence on biofilm,and the flushing intensity and time are closely related to the biomass in the filter layer.When the hydraulic load is 3.0 m3/m2h and the filtration cycle control is 48 h with three-stage joint backwash, the suspension treatment obtains the best effect, which not only promotes the evenly re-distribution of microorganisms within the filter column, but also prompts the microbial community transition between the old and new.

Key words:biologic filter; aeration; sewage treatment; water quality; degradation

中圖分類號：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2015)04-0066-05

通訊作者:梁峙(1961-),男,廣東中山人，教授,博士，主要從事水處理工藝研究.

作者簡介：劉喜坤(1973-)，男，安徽渦陽人，教授級高級工程師，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事水處理工藝研究.

基金項目：國家星火計劃(2013GA690426);住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目(2015-K6-018);江蘇省水利科技重點項目(2014052)；