功能性填料曝氣生物濾池應(yīng)急處理雨水調(diào)蓄池污水

王慶捷

(山東水總有限公司，濟南 230000)

當前，全球水資源匱乏，自然水體持續(xù)被污染，導(dǎo)致對水資源的需求量逐漸增加[1-2]。加強地表水環(huán)境管理，減少水環(huán)境污染，增加水資源的二次利用率，成為解決水資源匱乏問題的切實可行方法。對于城市水資源，初期的雨水污染是城市水環(huán)境污染的重要組成部分[3-5]。在城市化進程較高的區(qū)域，由大量的機動車、行人和生活等帶來的污染較大，城市地表的水污染負荷十分嚴重。特別是在干旱季節(jié)，水污染現(xiàn)象更加嚴重。即使采用傳統(tǒng)的分散排水系統(tǒng)，系統(tǒng)分開排除生活污水和雨水，早期雨水的直接積蓄也會對受納的水體環(huán)境造成嚴重的污染[4-5]，部分城市區(qū)域的早期雨水污染物質(zhì)的濃度甚至超過了當?shù)厣钗鬯奈廴疚餄舛?。因此，早期雨水造成的污染問題必須得到足夠的重視[6]。

目前，將早期雨水直接排送到雨水調(diào)蓄池處理是最為常規(guī)的手段[5, 7-9]。早期的雨水通過管道傳輸過程中與合流制溢流污染物混合以后，容易形成稀釋的低濃度生活污水，如直接排放到水體當中，會導(dǎo)致大面積城市區(qū)域面源污染。在微污染水處理技術(shù)中，生物氧化處理殺菌法是最好的方法之一。而曝氣生物濾池(BAF)是其中應(yīng)用最廣的一種新型的采用生物濾膜過濾處理的工藝，歐美地區(qū)于20世紀80年代開始出現(xiàn)普及[10-13]。通過將濾料匯集，一體化地攔截去除固態(tài)雜質(zhì)顆粒以及氧化降解有機物，具有前期投入少、占地不大、抗沖擊強度高、經(jīng)濟高效等優(yōu)點，能夠有效地進行硝化、反硝化和脫氮等。

近年來，諸多學者通過將曝氣生物濾池用來處理低濃度生活污水，并取得了一些進展，充分利用率曝氣生物濾池本身的結(jié)構(gòu)特點，具有一定的前瞻性[12, 14-16]，但將曝氣生物濾池用于雨水調(diào)蓄池對早期雨水污染處理的研究較少。本文通過將裝備功能性填料的改良曝氣生物濾池用于雨水調(diào)蓄池排口預(yù)處理，分析對典型的特征指標化學需氧量(COD)、氨氮含量、總磷含量(TP)的去除效率影響，為早期雨水的實際處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

本實驗主體主要由沉淀池、填充功能性填料的改良曝氣池和反洗水箱組成。早期污水經(jīng)過沉淀池進行沉淀預(yù)處理后，去除大部分的顆粒與水藻。之后，處理后的水體經(jīng)過水泵抽動至曝氣生物池進行水分配，將處理后的水自流至反洗池，最終通過反洗水箱自動流出合理排除。根據(jù)設(shè)計，沉淀池的尺寸為300 L，確保在水處理過程中有足量的水量供應(yīng)曝氣生物池連續(xù)工作。

實驗中，改良曝氣生物池主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是調(diào)整曝氣生物濾池的尺寸為直徑0.3 m、高1.2 m的圓柱，有效容量約為12 L，低于《生物濾池法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2014-2012)中規(guī)定的特征尺寸。這種結(jié)構(gòu)改良改善了生物濾池瘦高的外觀特征，降低了對周邊基礎(chǔ)地面的壓力；同時降低了反沖洗風機的風壓，降低能耗。另一個改良方案點為采用改性復(fù)合濾料，即采用主要成分為自制的改性功能木屑和多孔陶粒作為填料，既起到傳統(tǒng)農(nóng)作物廢料的回收利用，也改善了傳統(tǒng)單無機填料過濾效率低下的問題。本實驗中，采用的濾料層的高度為0.8 m。

1.2 實驗水質(zhì)

實驗中采用的進水為傳統(tǒng)雨水調(diào)蓄池預(yù)處理沉淀后的出水，對水質(zhì)的情況進行分析，具體數(shù)值見表1。

表1 雨水調(diào)蓄池預(yù)處理沉淀后的出水水質(zhì)

傳統(tǒng)雨水調(diào)蓄池主要通過網(wǎng)格格柵和絮凝沉淀法去除大部分固體顆粒、有機難溶物以及固體懸浮物，處理后的水作為曝氣生物濾池的進水，并對其水質(zhì)進行測試分析。

1.3 實驗方法

1.3.1 曝氣生物池的啟動

通過配置模擬廢水，濃度分別為COD 35 mg/L，氨氮25 mg/L，TP 1.2 mg/L，并將上述人工模擬廢水作為曝氣生物濾池啟動廢水。首先向曝氣生物濾池中注入40 L市政污水廠中常用的硝化溶液，為加快硝化菌的培養(yǎng)，在改性的濾料中加入800 ml硝化菌試劑。預(yù)實驗期間，小流量不間斷進水，維持氣水比為6∶1 ～ 8∶1。在反應(yīng)持續(xù)進行10 d后，此時流量增加至33.4 m3/h，氣水比為3.5∶1，曝氣生物濾池出口的采樣水質(zhì)氨氮濃度下降至18 mg/L。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在濾料的底部開始出現(xiàn)黃褐色絮狀物，且混合濾料間隙顏色變成黃褐色，可以認為制備的改性生物濾池成功啟動。設(shè)備成功啟動后，將沉淀池預(yù)沉淀處理的污水抽至曝氣生物池中正常運行，測試處理后的水質(zhì)整體的COD、氨氮以及TP值。

1.3.2 曝氣生物濾池的正常運行

實驗中，分別在沉淀預(yù)處理池以及曝氣生物濾池的出水口取樣檢測水質(zhì)。設(shè)備正常運行時，測試的運行參數(shù)設(shè)置水氣比為3.5∶1，曝氣量為16 m3/min，水力停留時間為50 min，溶解氧(DO)不低于3～5 ppm。對于反沖洗池，反沖洗的頻率保持在3～4 d反沖洗1次；反沖洗過程中，以快速降水位以及水氣聯(lián)合反沖作為主要的技術(shù)手段。實驗中，下降水位25 s，氣沖120 s，水氣聯(lián)合沖洗120 s，水沖洗240 s，反沖洗恢復(fù)期為15 min。

本研究通過設(shè)置單陶粒濾料、陶粒木屑混合濾料以及單木屑濾料3組實驗，分別考察3組實驗的去除效果。

1.4 測試方法

本實驗中，通過納氏比色法測定水質(zhì)中的氨氮值，通過重鉻酸鉀法確定水質(zhì)中的COD值，通過分光光度計法測定水質(zhì)中的TP值。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性木屑與多孔陶粒的特征形貌

實驗中采用的濾料為典型的改性復(fù)合濾料，其主要成分為自制的改性功能木屑和多孔陶粒，木屑與陶粒的特征形貌見圖1。其中，多孔材料陶粒的粒徑為5～10 mm，比表面積為5 104 cm2/g，密度為2.0 g/cm3，孔隙率基本保持在55%左右。木屑的粒徑尺寸為長4.5±0.6 mm，寬1.5±0.5 mm，孔隙率84%左右。此外，從圖1(c)中可以看出，改性木屑具有突出的三維微納結(jié)構(gòu)，有利于水質(zhì)中微生物的附著、生產(chǎn)以及繁殖。而圖1(d)表面陶粒表面三維結(jié)構(gòu)不突出，孔隙幾乎看不見，表面較為光滑。

圖1 改性木屑與陶粒外觀與微觀形貌

2.2 早期雨水COD去除效果

本實驗中，曝氣生物濾池運行時，水氣比為3.5∶1，曝氣量16 m3/min，連續(xù)測試兩個月后，測試的進出口水質(zhì)COD含量見圖2。從圖2中可以看出，改良以后的曝氣生物濾池進水COD平均濃度為36.4 mg/L，出水口的COD平均濃度為21.6 mg/L，對COD的有效平均去除率為40.7%。此外，測試參照組單純陶粒濾料和單純木屑濾料，其出水口COD平均濃度分別為23.1 和19.3 mg/L。對于COD的去除效率，混合濾料早期COD去除率介于單純陶粒和單純木屑中間。隨著運行時間的延長，木屑表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于微生物繁衍，生物作用更強，在濾料簡單的吸附效果飽和后，對于COD的去除效果更加具有優(yōu)勢。而在進口水質(zhì)的COD濃度穩(wěn)定時，其去除率基本可以保持在42%以上，對COD的去除效率較為穩(wěn)定，具有一定的耐久性。另一方面，可以看出3組濾料對于COD的去除效率均不是特別高，具體原因在于本實驗水力停留的時間不夠長，殘留的有機有害物質(zhì)還未被完全分解就被排出。

圖2 進出口采集的水質(zhì)COD濃度變化量以及對應(yīng)的去除率

2.3 早期雨水氨氮去除效果

本實驗中，曝氣生物濾池對早期雨水水質(zhì)中氨氮的去除效果見圖3。從圖3中可以看出，經(jīng)過改良曝氣生物濾池處理后的水質(zhì)氨氮含量從原來的16.24 mg/L下降至平均1.1 mg/L，經(jīng)過設(shè)計改良后的曝氣生物濾池，采用混合濾料時，對于氨氮的去除率能夠穩(wěn)定保持在98%左右。而當采用單純陶粒濾料和單純木屑濾料時，出水的氨氮平均濃度分別為6.2 和1.0 mg/L。也就是說，采用混合濾料的氨氮去除率介于單純陶粒濾料和單純木屑濾料之間，但是基本接近最佳的氨氮去除效果。

圖3 進出口采集的水質(zhì)氨氮濃度變化量以及對應(yīng)的去除率

此外，綜合考慮水質(zhì)中COD、氨氮濃度的情況發(fā)現(xiàn)，污水中有機物的含量明顯降低，水體整體氨氮含量顯著下降。因此，可以推測出硝化菌在改性的木屑-多孔陶粒復(fù)合粒料中分布均勻，尤其是在出水口區(qū)域，其含量應(yīng)該顯著占優(yōu)。整個水質(zhì)處理過程中，硝化菌通過氧化氨氮反應(yīng)，明顯降低了氨氮的含量。

另一方面，改性的曝氣生物濾池內(nèi)部低碳氮比的生長環(huán)境為內(nèi)部硝化菌的生長提供了良好的條件。同時，改性木屑表面優(yōu)良的比表面積和粗糙度也為硝化菌的附著提供了良好的位點，并且在附著后不容易脫落。綜合來看，該體系內(nèi)具有強大的硝化去氨氮能力，即使水質(zhì)變化較大，也能夠保持穩(wěn)定的氨氮去除率在95%以上，具有良好的穩(wěn)定性，并且處理優(yōu)化后的水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中的相關(guān)規(guī)定，具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 早期雨水TP去除效果

本實驗中，曝氣生物濾池運行時，水氣比為3.5∶1，曝氣量16 m3/min，連續(xù)測試兩個月后，測試的進出口水質(zhì)TP含量見圖4。從圖4中可以看出，混合濾料處理后的水質(zhì)TP質(zhì)量濃度由一開始的平均濃度1.2 mg/L降低至0.55 mg/L，經(jīng)過設(shè)計改良后的曝氣生物濾池，對于總磷的平均去除率能夠穩(wěn)定保持在54%左右。另外，與單純陶粒濾料和單純木屑濾料對比，對總磷的平均去除率基本沒有區(qū)別，原因是由于該實驗裝置主要通過生物法除磷，效果較為一般。因此，如果想提高總磷去除率，需要輔助化學除磷(添加除磷藥劑)等方式。

圖4 進出口采集的水質(zhì)TP濃度變化量以及對應(yīng)的去除率

根據(jù)傳統(tǒng)的雨水調(diào)蓄池內(nèi)污水的水質(zhì)情況，本文設(shè)計的改性曝氣生物濾池可以有效去除水質(zhì)中含有的過量TP，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)規(guī)定的水質(zhì)標準(TP≤0.4 mg/L)，滿足正常的出水水質(zhì)要求。同樣地，即使在進水TP波動較大的階段，也能夠穩(wěn)定運行，有效去除TP，保持水質(zhì)的健康排放。

3 結(jié)果與討論

本實驗對傳統(tǒng)曝氣生物濾池進行了改良，一方面優(yōu)化了曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)，另一方面通過改性木屑和多孔陶粒替代了內(nèi)部常規(guī)使用的無機濾料。在實驗中發(fā)現(xiàn)，早期雨水污染物中的COD以及氨氮含量較低，使用改良后的新型曝氣生物濾池能夠有效地對污染物進行吸附過濾，實現(xiàn)對早期雨水的快速凈化。同時，使用改良后的曝氣生物濾池發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)在凈化2個月后，出水口水質(zhì)的COD、氨氮以及TP的去除率穩(wěn)定在42%、95%和54%。即改良后的曝氣生物濾池出水口中水質(zhì)的COD、TP量和氨氮含量均已達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)規(guī)定的排放標準，并能夠長久使用。