射流充氧-生物滴濾塔組合工藝處理生活污水運行參數優化研究

桂雙林，敖子強，吳永明，王順發，熊繼海

(江西省科學院能源研究所，330096，南昌)

射流充氧-生物滴濾塔組合工藝處理生活污水運行參數優化研究

桂雙林，敖子強，吳永明，王順發，熊繼海

(江西省科學院能源研究所，330096，南昌)

生活污水；射流充氧；生物滴濾塔；負荷

0 引言

射流充氧-生物滴濾塔組合工藝技術是一種新型的生活污水處理工藝技術，其工作原理是利用自行設置的射流充氧器對污水進行射流充氧，然后采用微孔圓盤布水系統對充氧后的污水進行布水，污水從生物滴濾頂部慢慢滴落至底部。廢水在整個系統中都在不斷充氧，既增加了供氧的效果，又在滴入下層填料時產生水滴飛濺，從而使布水更加均勻[1]，與滴落過程中與濾塔內的生物膜接觸進行固、液相的物質交換，生物膜內的微生物在氧的參與下對有機物進行分解，使廢水得到凈化。經生物濾塔降解后的廢水在塔底層收集，為增強含氮類污染物的處理效果，塔底和厭氧池之間設置回流管，回流水與脫落的生物膜由底部返回厭氧池。

1 試驗裝置與方法

1.1試驗裝置及工藝流程

試驗工藝流程見圖1所示。厭氧池有效容積為57.2 m3。射流充氧器為自行設計的充氧器，擴散管長:喉管長=8:1，經在實驗室反復試驗，可確保增氧量在3.0 mg/L以上。生物滴濾塔有效尺寸為d×h=2.0 m×3.0 m。

圖1 組合工藝流程圖

采用一臺自吸式水泵將水從厭氧池提升至3 m高的高位水箱中，經射流充氧器進行充氧，通過微孔布水裝置進入生物滴濾塔，滴濾塔設計成2級，外壁有通風孔，內置填料[2-3]。經射流充氧-生物滴濾塔處理后的污水部分回流至厭氧池，部分外排。試驗裝置圖見圖2。

圖2 組合工藝流程圖試驗裝置圖

1.2方法

1.2.1 試驗方法 該工藝流程的核心技術是生物滴濾塔，當系統運行穩定后，考察生物滴濾塔內不同填料組成、回流比及負荷對主要污染物質的去除效果，以獲取最佳工藝參數。

1.2.2 分析方法 COD采用重鉻酸鉀法；氨氮采用納氏試劑分光光度法。

1.3試驗用水

2 結果與分析

2.1填料的優化

試驗初期，生物滴濾塔內裝有陶粒型填料，填料高度80 cm，裝置連續運行，采用設計流量進水，不回流，對滴濾塔內填料進行自然掛膜。運行10 d后在填料上可見淺褐色的生物膜，隨著時間的變化，生物膜的顏色由淺入深，最后變成褐色。生物濾塔通常需要較長一段時間才能形成硝化菌群環境。通過對生物濾塔消化效果的檢測分析，在經過約20 d后生物滴濾塔內硝化細菌生物膜已大量長成，基本完成掛膜。

運行期間發現，由于填料粒徑較小，且填充高度較高，易造成濾塔堵塞，不宜形成好氧環境，影響硝化反應的進行，處理后的出水效果不夠理想，因此對填料進行優化。優化后采用多層復合填料，底層為鵝卵石(15 cm)、中層為煤渣(45 cm)、上層為陶粒(10 cm，粒徑φ30～50 mm)。優化后大顆粒填料間的孔隙率更大，廢水與生物膜接觸更為充分，且由于大顆粒的填料布水的不均勻性，更容易導致底層實現分級布水。同時采用多層復合填料，還可以提高生物濾塔的污染物的去除負荷和去除效率[4]。

2.2回流比對氨氮去除效率的影響

由圖3可知，氨氮的去除效果隨著回流比的不斷增加呈現先增大后減少的趨勢。不回流時，氨氮去除效果為64%；當回流比達到2.0時，氨氮的去除效率為75%，達到了最大值。繼續增加回流比，滴濾塔對氨氮的去除率開始下降。

因為回流比越小，進入滴濾塔的有機負荷就越大，滴濾塔對氨氮的去除負荷有限，從而導致去除率下降；回流比越大，進入滴濾塔的水力負荷越大，污水在滴濾塔內的停留時間就越少，反硝化時間也隨之減少，從而導致氨氮去除率的下降[4,7]。

圖3 回流比對去除率的影響

2.3不同負荷COD去除變化率

負荷是影響滴濾塔對污染物去除效率的一個重要參數。滴濾塔污水負荷通常包括水力負荷和有機負荷2個方面。本實驗研究了不同負荷下COD去除效率。

2.3.1 不同水力負荷COD去除變化率 進水濃度穩定在300 mg/L左右，逐漸增加水力負荷，得到不同水力負荷下COD去除效率見圖4。

圖4 不同水力負荷對COD的去除效果

由圖4可知，當水力負荷小于4 m3/m3·d時，生物滴濾塔對COD的去除效率隨著水力負荷的增加逐漸降低，但不明顯。當水力負荷為1 m3/m3·d時，COD去除效率為76.5%；當水力負荷為4 m3/m3·d時，COD去除效率為71.5%。但是，當水力負荷大于4 m3/m3·d后，生物滴濾塔對COD的去除效率隨著水力負荷的增加而明顯降低。當水力負荷為5.5 m3/m3·d時，COD去除效率為59.3%；當水力負荷為6.5 m3/m3·d時，COD去除效率為35.7%。由此可見，生物滴濾塔對COD的去除效果有一個最佳水力負荷范圍，在此范圍內，水力負荷的改變對COD的去除影響不大，超過這個范圍，隨著水力負荷的增加COD的去除率下降。

主要原因是COD去除率隨水力負荷的變化與有機負荷的變化有關。在最佳水力負荷范圍內，水力負荷越大，有機負荷也隨之增大，可供填料表面微生物利用的營養物也越多，濾塔內有機物的生物降解主要發生在塔上部區間，當水力負荷增加，生物降解區間向滴濾塔中下部延伸，好養生物氧化空間得到了提高，從而導致污染物的去除效率得到了提高。但是當水力負荷超出最佳水力負荷范圍，濾塔內有機負荷超出了生物膜的降解能力，廢水與濾塔內填料及生物膜接觸時間縮短，反而降低了COD去除效率。試驗結果表明，滴濾塔最佳水力負荷為1～4 m3/m3·d之間，此時COD去除率穩定在75%左右。

2.3.2 不同有機負荷下COD去除變化率 在最佳水力范圍內研究了不同有機負荷下COD去除效率見圖5。由圖5可知，水力負荷控制在2.5m3/m3·d左右，COD去除效率隨著有機負荷的增加而逐漸降低，當有機負荷為0.4 kgCOD/m3·d時，COD去除率為76.3%，當有機負荷為0.8 kgCOD/m3·d時，COD去除率為72.3%，當有機負荷為1.3 kgCOD/m3·d時，COD去除率為53.4%，當有機負荷為1.4 kgCOD/m3·d時，COD去除率為48.4%。由此可見，跟不同水力負荷下COD去除效率一樣，不同有機負荷對COD去除率同樣存在一個范圍，由圖5可知，當有機負荷小于0.8 kgCOD/m3·d時，有機物去除率隨負荷增大而降低，但變化趨勢緩慢；當有機負荷大于1.3 kgCOD/m3·d時，COD去除率僅為53%左右，滴濾塔降解有機物的能力大幅降低。主要原因是隨著有機負荷的增加，滴濾塔內廢水有機物和生物膜好養反應時間不足，而在相同時間內，滴濾塔對污染物的降解量保持相對穩定，因此有機負荷的增加必然導致出水濃度提高，從而導致COD去除效率下降。

圖5 不同COD負荷對COD的去除效果

由此可見，水力負荷存在一個極限負荷，從本試驗的研究結果來看，1～3 m3/m3·d是較佳水力負荷范圍。在較低負荷時(小于3 m3/m3·d)，水力負荷的增加可以提高生物膜和液相間的擴散速度，提高生物膜內酶的反應速率，有利于硝化反應的進行和氨氮去除效率的提高。在較高水力負荷時(大于3 m3/m3·d)后，一方面，水力負荷的增加會對生物膜造成沖刷作用，影響生物膜的降解效率，另一方面水力負荷的增加使污水與生物膜的接觸時間減少，硝化反應時間不能得到保障，使硝化反應效果變差。因此，滴濾塔的水力負荷應控制在較恰當的范圍內(1～3 m3/m3·d)，本試驗此工況下的氨氮去除率最高。

圖6 不同水力負荷對的去除效果

當污水有機負荷進一步增加時，厭氧細菌開始大量繁殖，消耗了水中的大部分氧分，導致硝化細菌繁殖受到了很大程度的限制，進而使硝化反應速率變換，從而影響滴濾塔對氨氮的去除效果[5-6]。對于滴濾塔，氨氮的去除效率有一個最佳有機負荷范圍，當有機負荷在最佳范圍內時有機負荷的改變對氨氮的去除效率影響不大，當有機負荷超出最佳范圍，氨氮的去除效率下降明顯[4,7]。因此，只有在滴濾塔有機負荷不能太高，才能獲取較好的硝化環境，試驗結果表明，0.5 kgCOD/m3·d以內是較佳的有機負荷。

圖7 不同COD負荷對去除效果

3 結論

[1] 余珍,孫揚才,邱江平,等.新型生物滴濾池處理餐飲廢水[J].水處理技術,2006,32(7):64-66.

[2]桂雙林,王順發,吳永明,等.生物濾塔-人工濕地組合工藝對農村生活污水凈化效果研究[J].環境工程學報,2011,5(10):2312-2314.

[3]桂雙林,王順發,吳永明,等.太陽能驅動生物濾塔人工濕地組合工藝處理農村生活污水[J].水處理技術,2013,39(8):134-136.

[4]余浩.水解池-滴濾池-人工濕地處理農村生活污水研究處理工藝[D].南京:東南大學,2006.

[5]陳鳴.水解-曝氣生物濾池處理生活污水脫氮技術研究 [D].南京:東南大學,2006.

[6]章勝紅.曝氣生物濾池深度凈化有機廢水的研究 [D].南京:東南大學,2006.

[7]謝珊,李小明.同步硝化反硝化實驗途徑的探討[J].環境科學與技術,2004,27(2):107-109.

PerformanceParameterOptimizationoftheCombinedProcessofAnaerobic-jetOxygenationandTricklingBiofilterTreatingDomesticWastewater

GUI Shuanglin,AO Ziqiang,WU Yongming,WANG Shunfa,XIONG Jihai

(Jiangxi Academy of Sciences.Energy Research Institute,330096,Nanchang,PRC)

domestic sewage;anaerobic-jet oxygenation;trickling biofilter;load

2014-07-28;

2014-09-28

桂雙林(1984-)，男，助理研究員，主要從事環保工程技術的研究。

江西省重大科技支撐項目(20133ACF60005);國家自然科學基金項目(41263006);江西科技廳重大科技創新項目(2012ACB01200)；江西省科技支撐項目(20122BBG70086)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.006

X703

A

1001-3679(2014)05-0590-05