以葡萄糖為碳源研究BAF的運(yùn)行性能

賈慶旭，南國(guó)英，李雯琴，王立杰，董 曉，代學(xué)民，任淑萍

(河北建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程系,河北 張家口 075132)

1 引言

曝氣生物濾池(BAF)是一種將活性污泥法和生物膜法相結(jié)合起來(lái)的廢水處理工藝，與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，曝氣生物濾池中的填料能夠吸附大量的微生物，可以對(duì)高濃度的有機(jī)廢水進(jìn)行有效處理。另外，曝氣生物濾池具有較小的占地面積、較好的抗沖擊負(fù)荷能力以及良好的出水水質(zhì)，是目前污水處理工藝中較好的選擇[1～5]。周廣吉等[6]通過(guò)控制氣水比考察BAF對(duì)城市中水中污染物的去除效果，得到結(jié)論，當(dāng)氣水比為4∶1時(shí)BAF的綜合去除能力為最佳。周童等[7]考察了進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷對(duì)BAF出水水質(zhì)的影響，結(jié)果表明，BAF隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷增高，系統(tǒng)去除COD和氨氮的能力逐漸下降。王立立等[8]研究了填料層高度對(duì)BAF運(yùn)行性能的影響，結(jié)果表明，在同一反應(yīng)器中去除COD和氨氮的最佳床層并不相同，在較低床層時(shí)異養(yǎng)菌是優(yōu)勢(shì)菌群，COD的去除效果相對(duì)更好，當(dāng)床層更高時(shí)，硝化細(xì)菌逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，氨氮的去除效果更好。通過(guò)2個(gè)月的試驗(yàn)，本文將從進(jìn)水濃度、氣水比和填料高度3個(gè)影響因素考察BAF的運(yùn)行情況。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)裝置

設(shè)置4組相同的試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置由進(jìn)水桶、出水桶和亞克力有機(jī)玻璃柱組成，柱體高1 m，內(nèi)徑0.1 m，分別命名為BAF1、BAF2、BAF3和BAF4，所對(duì)應(yīng)的填料高度分別是10 cm、20 cm、30 cm和40 cm。如圖1所示，裝置以上向流方式進(jìn)水，廢水由進(jìn)水桶經(jīng)過(guò)蠕動(dòng)泵和液體流量計(jì)進(jìn)入反應(yīng)器。空氣由空氣壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)分流器和空氣流量計(jì)進(jìn)入反應(yīng)器。氣相和液相經(jīng)過(guò)混合后由柱體底部均勻向上依次經(jīng)過(guò)配水區(qū)、填料層和清水區(qū)后由出水口進(jìn)入出水箱。根據(jù)每個(gè)階段進(jìn)水濃度的不同，設(shè)置反沖洗的周期，反沖洗的過(guò)程包括氣洗、水洗和氣水反沖洗3個(gè)階段。

圖1 試驗(yàn)裝置

曝氣生物濾池的基本參數(shù)計(jì)算：

高度：H=100 cm=1 m

內(nèi)徑：D=10 cm=0.1 m

填料高度：h=0.1-0.4 m

流速：V=0.5～5.0 m/h

流量：當(dāng)V=1 m/h時(shí)，

Q=VA=0.008×1=0.008 m3

PET填料孔隙率：ε=0.3

配水區(qū)水容積：S1=0.008×0.15=0.0012 m3

濾料層水容積：S2=Ahε=0.008 h×0.3=0.0024 hm3

清水區(qū)：S3=0.008×0.1=0.008 m3

濾池有效水容積：

S=S1+S2+S3=0.0012+0.0024 h+0.008=0.0092+0.0024 h

水力停留時(shí)間：T=S/Q

當(dāng)h=0.1 m時(shí),T=16.8 min

當(dāng)h=0.2 m時(shí),T=18.6 min

當(dāng)h=0.3 m時(shí),T=20.4 min

當(dāng)h=0.4 m時(shí),T=22.2 min

2.2 試驗(yàn)填料

試驗(yàn)填料是生物接觸氧化工藝最重要的組成部分，能夠直接影響整個(gè)工藝的污水處理效果[9,10]。反應(yīng)器內(nèi)填料的作用主要有以下幾個(gè)方面：

(1)是微生物依附的載體，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供穩(wěn)定的場(chǎng)所。填料有相對(duì)大的表面積，可以使更多的微生物存在于反應(yīng)器中，也使得反應(yīng)器的耐沖擊負(fù)荷能力加強(qiáng)。

(2)耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)，能夠在不同的水力剪切作用下保持穩(wěn)定性；有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠減小摩擦帶來(lái)的損耗。

(3)表面電性和親水性，微生物親水而且?guī)в胸?fù)電荷，因此填料載體帶正電荷有助于微生物在填料上附著生長(zhǎng)。

本實(shí)驗(yàn)所用填料為PET樹脂填料[11]，該填料機(jī)械強(qiáng)度高、便宜、無(wú)毒，但由于表面光滑，不宜掛膜，其外形如圖2所示，該填料形狀為橢圓柱體，a=3 mm，b=2 mm，h=3 mm，密度為1.2～1.3 g/cm3

圖2 PET樹脂填料

2.3 指標(biāo)分析方法

試驗(yàn)過(guò)程中需要檢測(cè)指標(biāo)：CODCr、溶解氧和微生物。試驗(yàn)所需方法及儀器如表1所示。

表1 分析指標(biāo)方法及儀器

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 掛膜啟動(dòng)

本試驗(yàn)采用自然掛膜方式[12～15]，進(jìn)水先用學(xué)校中水站二沉池出水作為原水，進(jìn)水流量為0.8 m3/h，氣水比4∶1的條件連續(xù)進(jìn)水，但是由于濃度過(guò)低，就采用以葡萄糖作為碳源與二沉池水混合作為原水，進(jìn)水流量為0.8 m3/h，氣水比11∶1的條件連續(xù)進(jìn)水。如圖4所示，前14 d由于掛膜不穩(wěn)定，填料上的微生物都會(huì)因?yàn)槊刻斓姆礇_洗而流失，導(dǎo)致反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物去除不穩(wěn)定，而穩(wěn)定進(jìn)水一段時(shí)間后，反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物去除恢復(fù)正常。4個(gè)反應(yīng)器去除率分別穩(wěn)定在40.38%、44.48%、51.95%和58.79%左右。運(yùn)行一段時(shí)間后，反應(yīng)器內(nèi)部填料上附著大量黃褐色的生物膜。取出反沖洗排出的水中的生物膜，進(jìn)行鏡檢，生物膜中含有大量的絲狀菌以及鐘蟲等[16,17]，如圖3所示。至此掛膜完成。

圖3 鏡檢的微生物

圖4 掛膜階段出水COD趨勢(shì)

3.2 各填料層厚度條件下，不同濃度進(jìn)水研究

進(jìn)水以葡萄糖為唯一碳源，氯化銨作為氮源，磷酸二氫鉀作為磷源，以C∶N∶P=100∶5∶1的比例配水。分別配置COD濃度為500 mg/L、280 mg/L和100 mg/L的進(jìn)水，考察進(jìn)水對(duì)每個(gè)濾柱的影響。為保證濾柱內(nèi)溶解氧充足，進(jìn)水流量為0.8 m3/L，氣水比為11∶1。

由圖5可知，當(dāng)進(jìn)水COD濃度為500 mg/L時(shí)，4個(gè)BAF出水都有較大的波動(dòng)，而且平均去除率較低，BAF1、BAF2、BAF3和BAF4的平均去除率分別為30.19%、33.69%、46.53%和56.11%。當(dāng)濃度降到280 mg/L時(shí)，除BAF1的平均去除率增長(zhǎng)不明顯外，其它3個(gè)的BAF的平均去除率都有明顯增高。當(dāng)濃度降低100 mg/L時(shí)，4個(gè)BAF的平均去除率都達(dá)到最大，分別是46.93%、62.22%、71.06%和83.40%，且可以從出水濃度的趨勢(shì)上看出，出水的水質(zhì)比較穩(wěn)定，故得出結(jié)論，4個(gè)系統(tǒng)進(jìn)水濃度不易過(guò)高，最佳進(jìn)水的COD濃度為100～300 mg/L。分析認(rèn)為，由于試驗(yàn)所用填料的空隙率較低，而且反沖洗的周期為24 h，導(dǎo)致在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，由于進(jìn)水濃度過(guò)高會(huì)使填料堵塞，提高系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，降低去除率。

圖5 進(jìn)、出水COD濃度趨勢(shì)以及去除率

3.3 各填料層厚度條件下，不同氣水比進(jìn)出水COD去除研究

由以上結(jié)論，選擇進(jìn)水COD濃度為100 mg/L，流速為1 m/h，考察4個(gè)BAF在氣水比11∶1、6∶1、4∶1和2∶1時(shí)的進(jìn)出水COD以及氨氮的濃度變化以及去除率。如圖6所示，BAF1在氣水比11∶1時(shí)的平均去除率為46.93%，而且出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，雖然在氣水比6∶1、4∶1和2∶1時(shí)的平均去除率有所提高，但出水COD波動(dòng)比較大，出水不穩(wěn)定。BAF2在氣水比6∶1時(shí)的平均去除率最高達(dá)到73.58%，但從出水的曲線趨勢(shì)來(lái)看相比于在11∶1時(shí)的穩(wěn)定性不好。BAF3和BAF4在氣水比11∶1時(shí)的平均去除率最高，分別達(dá)到70.51%和83.40%，而且出水穩(wěn)定性也相對(duì)較好，當(dāng)氣水比相對(duì)較低時(shí)[18,19]，溶解氧無(wú)法同時(shí)滿足硝化細(xì)菌的硝化反應(yīng)和異養(yǎng)菌去除COD的需求，導(dǎo)致COD的去除率比較低。綜合考量出水的平均去除率和出水的穩(wěn)定性，以氣水比11∶1作為基本的參數(shù)指標(biāo)。

圖6 進(jìn)、出水COD濃度趨勢(shì)以及去除率

3.4 考察進(jìn)水濃度相同的情況下，不同填料高度對(duì)出水COD的影響

曝氣生物濾池濾池的填料高度對(duì)去除效果有很大影響，異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌之間在空間上存在著競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，研究不同床層高度處有機(jī)物濃度變化[20]，可以間接反映2種菌的分布情況，對(duì)確定BAF反應(yīng)器的最佳床層有重要意義。

由于要更直觀地表達(dá)不同BAF出水水質(zhì)的穩(wěn)定性，引入一個(gè)參數(shù)：P=極差/平均值。當(dāng)P值越小，說(shuō)明BAF的出水越穩(wěn)定，反之則出水水質(zhì)波動(dòng)較大。當(dāng)進(jìn)水濃度為500 mg/L時(shí)，BAF1、BAF2、BAF3和BAF4的P值分別是0.26、0.40、0.52和0.50；當(dāng)進(jìn)水濃度為280 mg/L時(shí)，P值分別是0.11、0.26、0.54和1.13；當(dāng)進(jìn)水濃度為100 mg/L時(shí)，P值分別是0.05、0.19、0.24和0.89。得到結(jié)論，隨著填料高度增加，出水的穩(wěn)定性減小。

反應(yīng)器每隔10cm設(shè)一個(gè)取樣口，理想狀態(tài)下，上向流方式進(jìn)水，隨著填料高度的增加，出水的濃度會(huì)逐漸下降，所以根據(jù)圖7所示，從COD沿程趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)填料高度高于20cm時(shí)，COD濃度有變大的趨勢(shì)，與理論不符，所以也應(yīng)證了，填料高度不宜高于20 cm的結(jié)論。

圖7 不同濃度下4個(gè)BAF沿程COD濃度變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

以葡萄糖為碳源，探究曝氣生物濾池在不同運(yùn)行條件下(進(jìn)水濃度、氣水比、填料高度)去除COD的效能。結(jié)論表明，最佳進(jìn)水COD濃度為100～300 mg/L，當(dāng)濃度過(guò)大時(shí)，出水水質(zhì)不穩(wěn)定，分析原因可能是濾料的空隙率比較低，高濃度的進(jìn)水容易發(fā)生堵塞，必須增加反沖洗周期，加大運(yùn)行成本；最佳氣水比為11∶1，當(dāng)氣水比小于11∶1時(shí)，雖然平均去除率有所提高，但是出水的水質(zhì)并不穩(wěn)定；填料最佳高度為10～20 cm，當(dāng)填料高度高于20 cm時(shí)，出水COD有變大趨勢(shì)；確定運(yùn)行參數(shù)，保證出水穩(wěn)定，有助于降低運(yùn)行成本，促進(jìn)節(jié)水減排的發(fā)展。