BIOSEMEDI生物濾池冬季除氮的探索

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性元素，當水體中的氮含量超過一定量就會產生富營養化。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，探討了在低溫環境下BIOSEMEDI生物濾池的除氮技術。

1 項目背景分析

某沿海城市中心城區小型污水處理廠，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，在一個系統中實現脫氮除磷的目的。

后段工藝中采用BIOSMEDI輕質濾料濾池，處理規模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。

2 BIOSEMEDI生物濾池工作原理簡述

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。

3 BIOSMEDI生物濾池的調試試驗

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。

3.1 掛膜法

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，生存條件十分優越。

掛膜階段必須要有十分理想的菌種生存環境，所進的水中的氮、磷等營養元素含量、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。

3.2 BIOSMEDI生物濾池的反沖洗過程

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，可根據運行狀態調整。比如，本試驗在掛膜期間2～3天反沖洗一次，間隔時間要根據運行水質、水量隨時調節。

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。進水量過小時可適當調大。本次試驗中反沖洗時水量調節到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處理，影響水質。排泥量太大，濾池沒有充足的水進入后續處理，會造成暫時斷流的現象。對污水管網的沖擊力也會增大。運行時要根據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測數據分析，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，導致水面會出現渾濁現象，短時間內除氨氮值正常外，其他如SS、CODcr、濁度值增高，屬于正常現象。正常情況下2h左右會恢復澄清。

4 BIOSMEDI生物濾池的調試試驗的結果與分析

4.1 BIOSMEDI生物濾池的新陳代謝狀況分析

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，這一現象證明了BIOSMEDI生物濾池除氮處理的優良水質，BIOSMEDI生物濾池除氮效果十分理想。

4.2 反沖洗對生物膜的影響分析

進水區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勢區，上層主要是硝化自氧菌，其代謝優勢區將位于生物膜內部稍淺的區域。由于硝化菌的優勢位置在內部，因此反沖洗后，對氨氮的處理能力更好。

4.3 濾速對氨氮去除率的影響分析

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。

4.4 回流的作用分析

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波動時，回流還有調節和穩定進水的作用。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。

4.5 濾層厚度對去除有機物速率的影響分析

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，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

5 結語

本試驗表明，掛膜階段必須要有十分理想的菌種生存環境，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揮正常效果尤其重要。

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