南方某水質(zhì)凈化廠生物填料處理氨氮的改造應(yīng)用

盛德洋

(東莞市水務(wù)集團供水有限公司，廣東東莞 523000)

隨著城市的發(fā)展以及對環(huán)境要求的提高，目前，國內(nèi)一些城市開始進行提升河流生態(tài)水質(zhì)、消除黑臭水體等整治工作，其中應(yīng)用較多的是利用生物作用來降解污染物,改善水質(zhì)[1-2]。針對微污染的水體，特別是水體中的有機物、氨氮等均明顯低于污水的微污染的水體，其處理的手段主要是依靠外界載體來增加微生物的量，輔以曝氣增加溶解氧，從而利用生物作用來降解水體中的氨氮和有機物等，達到凈化水體的目的[3-6]。其中利用生物懸浮填料是一種較為常見的用來增加生物濃度的方法，通過在水中添加生物填料，讓水中微生物附著形成生物膜，明顯增加微生物濃度來降解去除氨氮或污染物[7-8]。

南方某水質(zhì)凈化廠主要是用于處理Y河的水，因設(shè)計之初主要是為降低原水的SS，隨著工業(yè)的發(fā)展，Y河的原水日益受到污染，特別是氨氮指標，為了滿足當前環(huán)保要求以及生態(tài)治理要求，需要進行升級改造，使其能降解原水的氨氮，使Y河水體得到凈化。在同一個凈水廠內(nèi)將不同廠家生產(chǎn)的生物懸浮填料應(yīng)用到同一種水質(zhì)條件，同時采取不同的曝氣方式，進行升級改造的研究鮮有報道，本文能為國內(nèi)水務(wù)同行提供參考和借鑒。

1 工程概況

該水質(zhì)凈化廠處理規(guī)模為260萬m3/d，采用一級強化混凝沉淀工藝，工藝主要是混凝、平流沉淀池、消毒，為充分發(fā)揮削減氨氮濃度的作用，特進行該工程改造，改造工程總投資約為2.6億元，主要改造的內(nèi)容：(1)新建鼓風機房及變配電間；(2)曝氣風管的建設(shè)；(3)將原平流沉淀池末端改造成生物填料區(qū)；(4)現(xiàn)有的細格柵進行更換；(5)現(xiàn)有的加藥間配電房改造成中控室。

本工程的主要目的是削減原水的氨氮濃度，即重點是將平流沉淀池末端約1/3處改造成生物填料區(qū)，并加設(shè)曝氣管。為了更好地比對兩個廠家的工藝效果、比選最優(yōu)的工藝方案，本工程分別采用了兩種廠家的工藝方式進行改造。兩種工藝所用生物懸浮填料材質(zhì)均為高密度聚乙烯(HDPE)，直徑均為25 mm，高度為10 mm，比表面積均大于500 m2/m3，掛膜后密度與水接近，可形成良好的懸浮效果。A工藝填料結(jié)構(gòu)為4層同心圓形，共形成36個孔洞，如圖1所示。B工藝懸浮填料采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部共形成37個六邊形蜂窩狀孔洞，如圖2所示。選用的兩種方式：A工藝曝氣區(qū)分為3段，每段之間用填料攔截裝置隔開僅讓水通過，進水隨平流沉淀池的水流方向，每段曝氣區(qū)底部均設(shè)穿孔曝氣管，用以曝氣增加溶解氧，如圖3所示。B工藝曝氣區(qū)分為兩段，曝氣區(qū)與平流沉淀池的水流方向垂直，每段從池的一側(cè)面進水，從另一側(cè)出水后進入下一段的曝氣區(qū)，最后從第二段曝氣區(qū)的另一側(cè)出水，同樣曝氣區(qū)底部設(shè)曝氣管，如圖4所示。

圖1 A工藝懸浮填料Fig.1 Biological Packings of A Process

圖2 B工藝懸浮填料Fig.2 Biological Packings of B Process

圖3 A工藝曝氣區(qū)改造Fig.3 Reconstruction of Process Aeration Zone A

圖4 B工藝曝氣區(qū)改造Fig.4 Reconstruction of Process Aeration Zone B

因該凈水廠原水水質(zhì)突出的問題是氨氮濃度，本工程改造后的水質(zhì)要求僅對氨氮進行了設(shè)定，當進水氨氮濃度<6.0 mg/L時，要求出水氨氮濃度<1.0 mg/L；當進水氨氮濃度<2.0 mg/L時，要求出水氨氮濃度≤0.5 mg/L；當進水氨氮濃度≥6.0 mg/L時，要求生物填料區(qū)的氨氮去除量≥5.0 mg/L。

該水質(zhì)凈化廠工藝流程如圖5所示，原水取自Y河，原水經(jīng)格柵后進入網(wǎng)格絮凝池，隨后進入平流沉淀池進行沉淀，共12組平流沉淀池，一組平流沉淀池尺寸為40.7 m×115.0 m×4.0 m，每組平流沉淀池處理水量為21.7萬m3/d，每組分為5小格，圖3和圖4分別是兩種工藝平流沉淀池中一小格的改造示意圖，水力停留時間為1.76 h，水平流速為18.1 mm/s，去除顆粒沉降速度為2.0 m/h，平流沉淀池采用縱向鏈板式刮泥機將尾端的泥刮至最前端泥斗富集后實現(xiàn)排泥，現(xiàn)將平流沉淀池尾端約1/3處改造成曝氣區(qū)，并填裝生物填料實現(xiàn)生物作用去除氨氮。

圖5 工藝流程圖Fig.5 Process Flow Chart

2 工程運行效果

2.1 進水水質(zhì)條件

表1為該水質(zhì)凈化廠近兩年的進水以及改造前的出水水質(zhì)情況。由進水水質(zhì)情況可知，該水質(zhì)凈化廠進水水質(zhì)較好，有機物污染較低，出水除氨氮和總磷外，均能滿足地表水Ⅳ類標準。其中出水的氨氮濃度超出地表水Ⅳ類標準(<1.5 mg/L)較多，在平均進水氨氮濃度為7.2 mg/L的條件下，出水的平均氨氮濃度為6.8 mg/L。設(shè)計之初的工藝條件對氨氮的去除效果極弱，僅有5.5%的去除率。這也說明混凝沉淀去除的是一些懸浮物顆粒物，而對溶解性的有機物、氨氮等去除效果較差。基于此，本工程升級改造重點考察工藝對氨氮的去除效果。

表1 近兩年進出水質(zhì)情況Tab.1 Water Quality of Inlet and Outlet in Two Years

2.2 生物填料對氨氮的去除效果

本工程改造期間，因生物填料由兩個廠家分別送貨至廠區(qū)填入曝氣區(qū)，所以兩種生物填料是同時進廠、同時分批次填入兩種工藝的曝氣區(qū)。試驗期間取兩種工藝的曝氣區(qū)進出水檢測氨氮，考察運行前期以及穩(wěn)定期生物曝氣區(qū)對氨氮的處理效果，兩種工藝對氨氮的去除效果如圖6和圖7所示。

圖6 A工藝對氨氮的去除效果Fig.6 Removal Efficiency of Ammonia Nitrogen by Process A

圖7 B工藝對氨氮的去除效果Fig.7 Removal Efficiency of Ammonia Nitrogen by Process B

在生物填料分批次填進曝氣區(qū)的過程中，A工藝對氨氮的去除率有所波動，在第5 d前由于填充率較低(低于10%)且生物膜還未完全形成，A工藝對氨氮的去除率較低，僅為30%～40%。隨著生物膜的持續(xù)生長，在填充率為22.5%的條件下，A工藝在第5～10 d對氨氮的去除效果逐漸好轉(zhuǎn)，去除效果達到約80%。接下來的第10～18 d，由于填料的進一步填充，導致曝氣區(qū)的氣水比有所變化，A工藝對氨氮的去除效果有所下降，去除效果達到70%左右。第18 d以后，曝氣區(qū)的填料已填裝完成達到設(shè)計的填料填充率40%，此時生物膜在填料上逐漸生長繁殖，填料表面及中空蜂窩狀界面明顯有生物膜附著，并掩蓋了填料本身的白色。A工藝對氨氮的去除也趨于穩(wěn)定，特別是在第37 d時進水氨氮由2.57 mg/L突然增加至4.71 mg/L時。A工藝對氨氮的去除效果沒有受到進水氨氮濃度突增的影響，很好地應(yīng)對了進水氨氮沖擊負荷，處理效果穩(wěn)定在90%以上，具有良好的適應(yīng)性，說明此時曝氣區(qū)中生物填料上的生物已經(jīng)趨于成熟，很好地適應(yīng)進水氨氮負荷波動。試驗期間水溫為25～28 ℃，能較好地適應(yīng)微生物生長繁殖并在生物填料上掛膜。懸浮填料上形成的微生物能附著在填料空隙或表面，雖然有曝氣沖刷，但是沖刷走的都是易脫落的老化生物膜，硝化細菌能夠在填料上生成且濃度較高，硝化細菌在溶解氧充足(氣水比為1.4∶1，曝氣區(qū)出水溶解氧能維持在5 mg/L左右)的條件下，發(fā)生硝化反應(yīng)將水中的氨氮氧化成亞硝酸鹽氮，并進一步氧化成硝酸鹽氮，能穩(wěn)定處理波動的進水氨氮負荷，處理效果穩(wěn)定。

對于B工藝而言，同樣在第5 d前由于填料填充率較低(低于10%)且生物膜正在形成，處理效果僅能達到40%～50%。但隨著后期填料的不斷填入以及填料上的生物膜逐漸生長成熟，在第23 d時(填料填充率為40%)對氨氮的去除效果逐漸趨于穩(wěn)定，達到85%左右，說明此時填料上的生物膜已趨于成熟穩(wěn)定，對氨氮表現(xiàn)出良好的去除效果。由于在第29～32 d時B工藝出現(xiàn)一些狀況，進入曝氣區(qū)的水渾濁度偏高且氣水比較低，不能滿足去除效果良好時微生物降解氨氮所需的溶解氧，從而導致這4 d氨氮的去除效果有所下降，達到70%左右，隨后B工藝(氣水比為1.53∶1，曝氣區(qū)出水溶解氧維持在5 mg/L左右)對氨氮的去除效果逐漸恢復并穩(wěn)定至90%左右。

A、B兩種工藝對氨氮的去除效果差別不大，其中A工藝的處理效果略好，其原因可能是A工藝采用的三段式曝氣其水流方向是順著平流沉淀池水流方向，生物懸浮填料在每段的結(jié)尾處設(shè)填料攔截裝置，填料的流態(tài)較好，沒有明顯堆積現(xiàn)象，對氨氮的去除效果較好。B工藝改變了水流方向，水流分布存在局部不均的現(xiàn)象，兩段式曝氣使得氣水比略高于A工藝，對氨氮的去除效果略差于A工藝。

2.3 填料生物相分析

在兩種工藝對氨氮的去除效果達到穩(wěn)定時，分別取部分填料，刮取填料上的污泥在顯微鏡下觀察兩種填料上的生物相，如圖8所示。

圖8 兩種工藝填料上的生物相觀察 (200倍) (a)輪蟲；(b)鐘蟲Fig.8 Observation of Biofacies on Two Kinds of Packings (200 Times) (a)Rotifer; (b)Vorticella

由圖8可知，兩種工藝填料上的原生動物較豐富，均出現(xiàn)明顯的原生動物，如獨縮蟲、鐘蟲等。而這些原生動物的出現(xiàn)，說明經(jīng)過生物填料曝氣處理后的水質(zhì)良好，原生動物以老化的生物膜作為食物，為后續(xù)新生的生物膜騰出更多的附著生長界面，保證填料上生物膜的活性，更好地降解去除水中的污染物。同時，出現(xiàn)的后生動物輪蟲，能有效捕食原生動物，形成良好的生物鏈，進一步保證曝氣區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)維持在一個高效降解去除污染物的水平。生物懸浮填料較大的比表面積為微生物的生長提供了場所，并逐步在填料表面形成一層生物膜，生物膜的生長會形成一個交替：新的生物膜逐漸生長降解有機物和氨氮，同時，老化的生物膜在曝氣摩擦下逐漸脫落，為新生的微生物留下更多生長的空間，老化的生物膜也會被原生動物捕食，從而形成良好的生態(tài)鏈。

3 結(jié)語

(1)通過本工程改造的實施能有效提高氨氮的去除效果，兩種工藝對氨氮的去除效果表現(xiàn)良好，且能有效應(yīng)對進水氨氮的突增。中空蜂窩狀的生物填料能為生物膜的生長提供良好的附著界面，達到穩(wěn)定去除效果后能形成良好的生態(tài)鏈，保證兩種工藝均能維持穩(wěn)定、良好的去除氨氮目的。在填料填充率達40%、氣水比為(1.4～1.53)∶1時，兩種工藝的氨氮去除率基本能穩(wěn)定在90%以上。

(2)因時間緊任務(wù)重，本工程改造過程中，生物填料是分批次填入，導致曝氣區(qū)填料上的生物膜形成條件不一致，氣水比受到一定的影響，為此建議后續(xù)的工程改造過程中可以考慮填料盡量短時間填入，這樣有利于生物膜在填料上的生長附著，更快形成成熟的生物膜，發(fā)揮微生物降解作用。

(3)建議后續(xù)在曝氣管上安裝流量計，在曝氣區(qū)安裝溶解氧探頭，實現(xiàn)精準控制曝氣量和溶解氧，保障溶解氧利用率的同時減低成本。

(4)本工程后續(xù)會持續(xù)跟進水質(zhì)處理效果以及生物填料的運行情況，關(guān)注填料是否發(fā)生堆積、板結(jié)、結(jié)團現(xiàn)象，及時采取措施規(guī)避，保證填料上的微生物發(fā)揮作用。