塑料填料曝氣生物濾池處理河水的應用研究

吳 晶

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 200232)

曝氣生物濾池(BAF)作為一種有效的水處理工藝，以其出水效果好、運行穩定、占地小等優點在水處理中得到重視，特別是在凈水處理和深度處理中應用廣泛［1］。

填料是BAF的重要組成部分，它是微生物的載體，決定了反應器內附著生長的微生物量，也影響著內部傳質效果，同時對懸浮物有一定的過濾作用。不同的填料，其基建投資、運行成本和處理的效果都會有差異，選擇一種合適的填料是BAF工藝的關鍵環節，有著重要的意義。

近年來一些研究和實踐顯示，塑料填料與傳統的陶粒填料相比，具有曝氣量和曝氣壓力損失小、反沖洗時不易破碎、更換頻率低、能耗及運行成本低等優點。因此，本研究以河水為水源，以出水氨氮小于0.5mg/L為目標，通過小試比選了四種塑料填料，并對通過中試對比選出的最佳填料的運行條件和效果進行了研究，為實際設計提供了參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 塑料填料比選小試

1.1.1 試驗材料

試驗中四種填料性能參數和形狀如表1所示。

表1 四種不同塑料填料性能參數

1.1.2 試驗方法

接種:分別將4種填料用河水淘洗之后浸入河水中放置一夜待用;分別將取自某污水處理廠的回流污泥10L，生活污水10L，以及河水25L，注入1～4號反應器中，然后放入準備好的填料，進行曝氣并采集初始樣品。

試驗流程:

a.每天8∶30、20∶30采集樣品，測定水體中氨氮與CODCr值，計算其耗氧速率與硝化速率。采集樣品后，加入碳源(醋酸鈉)與氮源(氯化銨)，維持反應器內氨氮濃度為 15mg/L，BOD5為 50mg/L。

b.在掛膜初期階段，為了降低加入碳源和氮源帶入的鹽分，每天停止曝氣半小時后，排出上清液15L，并注入等體積的新鮮河水。為了適當降低器內MLSS的濃度，從第六天開始，每天排出15L混合液，并注入等體積的河水。

c.用CaCO3緩沖溶液調節反應器內pH，使其維持在7～8之間。

d.測定培養期間溶解氧、pH及硝化速率變化狀況。

1.2 填料中試

1.2.1 掛膜

根據小試結果，將選出的最佳填料在中試現場進行接種掛膜。BAF反應器直徑1m，總高度4.5m，填料高度2.5m，填充率約80%。

將經過河水浸泡24h的填料同取自污水處理廠的活性污泥共同注入反應池中。填料在反應器中經過四周左右的培養，以利于生物膜在填料表面的生長。整個掛膜過程中，一天內測定1～3次氨氮、CODCr、溶解氧、MLSS以及堿度，并根據測定結果，將 KH2PO4、Na2CO3、CH3COONa、和 NH4HCO3加入反應器中以維持適宜的磷酸鹽、氨氮、CODCr、氨氮濃度和堿度。

在整個掛膜過程中，各試驗參數見表2。

表2 掛膜過程各營養物濃度指標

1.2.2 BAF運行試驗

經過四周左右的試驗，掛膜完成，此時排空BAF后開始向BAF連續注入河水，最初BAF中河水的流量為1m3/h;不斷減少BAF的進氣量，使BAF出水DO維持在最小4mg/L。此后四周中逐步增大BAF中河水流量，最大至6m3/h。

1.2.3 硝化速率的測定

通過兩種方法對其測定:

a.首先從反應器中取12L填料，輕輕地用河水將填料沖洗3次，去除表面附著的懸浮物，并將填料平均放入三個燒杯中;然后將河水注入燒杯中直至5L;將氨氮加入燒杯中以提高氨氮濃度，并進行曝氣，每隔1h取一次樣品并測定氨氮濃度。

b.利用1.2.2中BAF運行試驗所測定的進、出水氨氮濃度計算BAF的硝化速率。

1.3 BAF氨氮沖擊負荷試驗

為確保BAF出水氨氮能穩定達標，進行BAF沖擊負荷試驗。在上述試驗完成后，通過人為改變進水氨氮濃度，并測定、計算各濃度下BAF的硝化速率，以確定BAF的處理水量與進水氨氮濃度之間的關系，計算不同處理水量下的最大氨氮負荷，為設計運行提供可靠參數。

2 試驗結果與分析

2.1 填料比選小試

2.1.1 各填料掛膜與運行情況

由圖1可見，硝化速率與水溫的變化趨勢一致。在培養的前7天，硝化速率明顯上升，一方面是因為水溫上升，另一方面可能是由于微生物量的增加。從培養第7天開始，水溫降低，而且循環換水過程使各反應器內活性污泥濃度降低，因此硝化速率顯著下降。隨著水溫回升和微生物量的增加，在培養第13天后各反應體系硝化速率均出現上升趨勢。與培養前期相比，在相同的水溫條件下，培養后期即使在各反應體系活性污泥濃度已大幅下降的情況下，其硝化速率仍維持在較高的水平，對于3、4號反應體系而言，硝化速率還略高于前期培養階段，可見培養期間填料表面生物膜生長良好。

圖1 小試期間各反應器內硝化速率與水溫變化情況

2.1.2 各填料硝化速率測定

從圖2可見，3號填料硝化速率最好，兩次測試中分別為0.8、1.0mgNH3-N/L/h以上;其次為4號填料，其兩次測試結果分別為0.6、0.8mgNH3-N/L/h左右;1、2號填料則幾乎沒有發生硝化反應。從填料表面形態看，3、4號填料有明顯的生物膜生長，1、2號則不明顯。

圖2 硝化速率測定試驗結果

與4號填料相比，3號填料比重較大，在曝氣量小的情況下，基本沉在底層，便于生物膜的生長。但是在實際運行過程中，特別是在反沖洗階段，可能會造成生物膜的大量脫落，影響處理效果。而4號填料流化效果好，即使在小曝氣量情況下，仍然會相互碰撞，因此生長的生物膜會相對牢固。鑒于此，本研究認為4號填料為最佳填料，并用4號填料進行后續試驗。

2.2 中試運行

2.2.1 BAF運行情況

圖3 不同進水流量和氨氮濃度下的去除效果

圖3顯示了BAF在不同進水量情況下氨氮的去除情況。從圖3可見，在各個水量條件下，出水氨氮均能夠滿足低于0.5mg/L的處理要求，其平均值為0.33mg/L。當進水流量增大到6m3/h時，出水氨氮稍微增加，這表明BAF的處理能力可能達到最大限度。

2.2.2 氣量要求

在BAF正常運行狀況下，相比陶粒而言，塑料填料需要的氣量更少。經過氣體流量計測定，顯示上述反應階段的平均氣量為3m3/h，即氣水比為1∶2，這一氣量能充分滿足DO值保持4mg/L的要求。而對于陶粒填料，一般氣水比為3∶1，是當前所用氣量的6倍。

2.2.3 硝化速率測定

2.2.3.1 燒杯試驗測定結果

試驗中進行了四次硝化速率測定，并對測定結果進行了Michaelis-Menten動力學擬合［2］，如圖4所示。最大硝化速率為1.67mg/(L·h)，以此所得填料表面積的最大硝化速率為50.1mg/(m2·d)。

圖4 填料硝化速率動力學擬合結果

2.2.3.2 BAF運行試驗計算結果

利用圖3中所測定的進、出水氨氮濃度計算BAF的硝化速率，并與燒杯試驗擬合結果進行比較，如圖5所示。

圖5 填料硝化速率試驗計算結果

從圖5可見，通過BAF運行試驗結果計算得到的硝化速率波動較大，其最大硝化速率為3.0mg/L·h，這一結果明顯高于燒杯試驗所得的結果。之所以出現這種差異，是因為BAF運行過程中所得的測量結果精確性較差，且只有一個進水、出水和流量數據，而燒杯試驗每組數據點較多，精確性較好。

2.3 BAF氨氮沖擊負荷試驗

在BAF運行30天后，開始向進水中人工投加NH4HCO3，并在不同流量下對進出水氨氮濃度及體系的氣量進行測定，如圖6所示。

圖6 BAF進出水氨氮、流量和氣量數據

從圖6可看出，在未投加NH4HCO3前，進水氨氮濃度在0.43～1.29mg/L之間，當進水量從1m3/h逐漸升至6m3/h，出水氨氮濃度稍微增加但仍小于0.5mg/L，表明BAF的處理能力可能接近最大限;在BAF運行到59～64天時，提高進水量到7m3/h，進水氨氮濃度維持在0.79～1.5mg/L，出水氨氮濃度為0.48～0.68mg/L，基本上不能達到0.5mg/L的控制標準。可見，在正常進水條件下，BAF能保持氨氮穩定達標的最大進水量為6m3/h。

在BAF運行到第70～75天之間時，保持進水量為6m3/h，進水氨氮濃度提高到1.44～1.92mg/L，此時出水氨氮濃度為0.53～0.89mg/L，基本上不達標;而當BAF運行在第43～54天之間時，進水量為5m3/h左右，進水氨氮濃度在2.0mg/L以上，出水氨氮超標率為55%。通過SPSS17.0相關分析，得出進水氨氮負荷和出水氨氮濃度在0.01水平上存在顯著雙側正相關關系，相關系數為0.77，兩者關系如圖7所示。

圖7 BAF進水氨氮負荷和出水氨氮濃度的關系

從圖中可以看出，當氨氮出水濃度為0.5mg/L時，進水氨氮負荷為0.18kg/d，即91.72gNH3-N/(m3·d)，重現率為85.2%。因此可得出，BAF最大氨氮進水負荷為91.72gNH3-N/(m3·d)。

3 結論和建議

a.小試中，通過對比四種塑料填料的硝化速率和運行效果，4號填料為最佳填料。

b.中試采用4號填料，在正常河水進水條件下，BAF系統最大進水量為6 m3/h，出水氨氮可以穩定達到小于0.5mg/L，氣量要求遠低于常規陶粒濾料;此時填料表面積的最大硝化速率為50.1mg/(m2·d)。

c.BAF在沖擊負荷下最大氨氮進水負荷為91.72gNH3-N/(m3·d)。■

1 劉旭陽，杜茂安，范振強.污水處理曝氣生物濾池填料性能研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2006，38(11):1835-1839.

2 徐斌，夏四清，胡晨燕.MBBR生物預處理工藝硝化工程動態模型的建立［J］.哈爾濱工業大學學報，2006，38(5):735-739.