趙 奕，劉志輝,3,4，盧文君

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)教育部綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際研究中心，烏魯木齊 830046)

曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter,BAF)，是20世紀(jì)80年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的一種新型生物膜法污水處理工藝，借鑒了生物接觸氧化法和給水快濾池的設(shè)計(jì)思路。以顆粒狀填料為載體，通過(guò)曝氣使濾料表面附著大量生物膜，利用生物膜中微生物的代謝作用，膜和填料的物理吸附和截留作用以及反應(yīng)器內(nèi)食物鏈的分級(jí)捕食作用，實(shí)現(xiàn)污染物在同一單元反應(yīng)器內(nèi)去除。反應(yīng)器內(nèi)存在著不同的好氧、缺氧區(qū)域，可同步實(shí)現(xiàn)硝化、反硝化，在去除有機(jī)物的同時(shí)達(dá)到脫氮除磷的目的[1,2]。

BAF具有占地面積小、投資少、啟動(dòng)快、處理效率高、出水水質(zhì)好和操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，現(xiàn)以廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。由于BAF去除水中污染物的主要原理是通過(guò)生物膜進(jìn)行降解，因此生物膜的形成在整個(gè)工藝中有非常重要的地位。但在北方地區(qū)，冬季氣溫較低，微生物活性受抑制，在濾料上很難形成穩(wěn)定的生物膜，造成污水處理效果不佳[ 4-6]。目前已經(jīng)有大量學(xué)者研究了低溫對(duì)微生物去除污染物的影響，證明了低溫會(huì)降低微生物去除污染物效率[7,8]。但很少有人研究低溫下對(duì)BAF增加加熱保溫措施后去除污染物的影響。本試驗(yàn)為了更好地發(fā)揮BAF的作用，使其在北方冬季可以正常運(yùn)行，選擇了水質(zhì)穩(wěn)定的校園污水，探討了低氣溫條件下對(duì)BAF增加加熱保溫措施后處理校園污水的掛膜啟動(dòng)過(guò)程。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用自制的兩級(jí)BAF，裝置示意圖見(jiàn)圖1。濾池為兩根濾柱，均由高3 500 mm，內(nèi)徑300 mm，外徑315 mm，承壓力為0.7 MPa的UPVC給水管制作而成，兩濾柱落差為1 m，按水流經(jīng)濾柱先后順序分別為BAFⅠ和BAFⅡ。濾柱內(nèi)部裝填球形陶粒濾料，進(jìn)水方式采用上向流進(jìn)水。兩段BAF承托層設(shè)計(jì)為450 mm，承托層的填料粒徑為大于20 mm的鵝卵石，BAFⅠ球形濾料粒徑為10～20 mm，BAFⅡ球形濾料粒徑為5～10 mm，濾層高度均為2.2 m，清水區(qū)都預(yù)留850 mm。各級(jí)BAF在承托層以上每隔500 mm依次向上設(shè)有4個(gè)取樣口，分別安有水龍頭。進(jìn)水流量由液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，曝氣氣量由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。進(jìn)氣管采用內(nèi)徑為15 mm的硅膠水管，進(jìn)出水管采用內(nèi)徑為40 mm的帆布水管。為提高BAF單元水溫，將BAF單元池壁以1∶3的比例纏繞自控溫度為65±5 ℃，標(biāo)稱(chēng)功率為15 W的電伴帶，并包裹了5 cm厚度的橡塑保溫材料更好地提高和控制水溫。試驗(yàn)設(shè)計(jì)BAF最大日流量可以達(dá)到3.6 m3/d(150 L/h)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagramof the experiment equipment

1.2 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)用水為新疆大學(xué)本部校區(qū)生活污水，污水經(jīng)過(guò)5 mm的濾網(wǎng)后直接由污水泵按設(shè)計(jì)流量注入BAF池中。

檢測(cè)項(xiàng)目及測(cè)試方法見(jiàn)表1。

2 啟動(dòng)過(guò)程

本試驗(yàn)掛膜方式采用自然富集培養(yǎng)掛膜法。試驗(yàn)區(qū)為新疆大學(xué)本部校區(qū)學(xué)生宿舍7號(hào)樓前，試驗(yàn)用水取自實(shí)驗(yàn)區(qū)檢查井。自然富集培養(yǎng)掛膜法一般需要兩個(gè)階段，第一階段需要10～15 d，本試驗(yàn)進(jìn)水體積流量為37.5 L/h，風(fēng)量為225 L/h，風(fēng)機(jī)每隔6～8 h停止曝氣，并更換BAF中的處理水，連續(xù)悶曝3～5 d。第二階段一般需要8～10 d，本試驗(yàn)進(jìn)水體積流量為150 L/h，風(fēng)量450 L/h。前15 d氣水比為3∶1，后期將氣水比逐漸提高到4∶1。溫度通過(guò)加熱和保溫措施控制在22 ℃左右。試驗(yàn)進(jìn)行7 d后肉眼可看到曝氣生物濾池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色變成灰褐色且逐漸變厚、顏色逐漸加深。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程共進(jìn)行30 d，分別在開(kāi)始運(yùn)行的第7、15、20、25、30 d進(jìn)行取樣檢測(cè)。

表1 水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目以及測(cè)試方法Tab.1 Water quality test items and methods

3 結(jié)果與討論

3.1 掛膜期間溫度變化

溫度是影響B(tài)AF掛膜的一個(gè)重要因素，在低氣溫條件下，生物膜中微生物活性降低生長(zhǎng)代謝緩慢，對(duì)有機(jī)物和氮磷含量的去除有明顯抑制作用。氣溫過(guò)低甚至?xí)苯佑绊態(tài)AF單元的正常運(yùn)行。在新疆低氣溫條件下，試驗(yàn)所選擇的原水溫度在10 ℃左右。BAF中微生物生長(zhǎng)的最適宜溫度是15～35 ℃，高于或低于此溫度的范圍對(duì)曝氣生物濾池單元的凈化效果都會(huì)產(chǎn)生不利的影響，水溫較低時(shí)，生物膜活性會(huì)受到限制，因此水溫是影響曝氣生物濾池掛膜的一個(gè)重要因素。在本試驗(yàn)運(yùn)行中，設(shè)計(jì)了具有加熱保溫效果的BAF裝置。掛膜期間溫度變化見(jiàn)圖2。由圖2可知，BAF出水溫度穩(wěn)定在22 ℃左右，可以保證試驗(yàn)正常運(yùn)行。

圖2 溫度變化Fig.2 Temperature changes

3.2 掛膜期間對(duì)SS的去除效果

掛膜期間SS去除效果見(jiàn)圖3，由圖3可知，BAF對(duì)SS的去除率較高，在啟動(dòng)初始階段，SS去除率就已經(jīng)達(dá)到74%以上，這主要是由于BAF濾料本身具有很強(qiáng)的吸附截留作用，對(duì)SS有一定去除效果。而本試驗(yàn)中，選擇的是兩級(jí)BAF，且兩級(jí)BAF中濾料的粒徑也不同，所以大大提高了SS的去除率。在掛膜啟動(dòng)第20 d，出水SS值降到10 mg/L以下，對(duì)SS的去除率達(dá)到99%，后10 d，SS的去除率穩(wěn)定在這個(gè)范圍內(nèi)。BAF處理污水中SS是通過(guò)濾料的機(jī)械截留、接觸及生物凝聚作用，使SS被不斷地截留在填料的孔隙間，達(dá)到降低SS的目的。但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，濾層截留的SS不斷積累增多以及濾料表面生物膜厚度的增加，會(huì)堵塞濾料的孔隙，增加過(guò)水的阻力，降低BAF對(duì)污染物去除效率[9-11]。因此試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)反沖洗使濾層進(jìn)行再生。此外，當(dāng)進(jìn)水SS值連續(xù)偏高時(shí)，會(huì)縮短BAF的工作周期，增加反沖洗次數(shù)。此時(shí)可以采取相應(yīng)的預(yù)處理措施降低偏高的進(jìn)水SS值，延長(zhǎng)反應(yīng)器的工作周期并降低反沖洗能耗。

圖3 SS的去除率Fig.3 SS removal rate

3.3 掛膜期間對(duì)BOD5和CODCr的去除效果

掛膜期間BOD5和CODCr去除效果見(jiàn)圖4、圖5，由圖4、圖5可知，水溫控制在22 ℃左右，氣水比4:1，水力負(fù)荷為2.1 m3/(m2·h)，水力停留時(shí)間為3.11 h的運(yùn)行條件下，在掛膜20 d后BOD5和CODCr的去除率已經(jīng)達(dá)到很高，分別為76.82%和66.38%，此時(shí)可以證明通過(guò)加熱保溫措施可以保證BOD5和CODCr的去除率，提高BAF在低氣溫條件下掛膜成功率。

由圖4、圖5可以明顯地看到15 d時(shí)水質(zhì)濃度有回升的現(xiàn)象，此時(shí)的去除率低于7 d的去除率，20 d的去除率又有了明顯的提高，25、30 d的去除率也是持續(xù)增長(zhǎng)的。其主要原因是由于濾料本身具有較強(qiáng)的截留、吸附作用，在運(yùn)行初期，對(duì)污水中的部分有機(jī)污染物有一定的去除效果[12,13]。但隨著濾料中污染物的積累，生物膜的形成，濾料孔隙率降低，使濾料的截留、吸附作用減弱，BOD5和CODCr的去除率會(huì)有所下降。但在之后的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)進(jìn)一步提高氣水比到設(shè)計(jì)量，大量微生物快速生長(zhǎng)，生物膜逐漸成熟穩(wěn)定，濾料層中異養(yǎng)菌數(shù)量增多，BOD5和CODCr的去除率不斷提高，并達(dá)到穩(wěn)定。但曝氣強(qiáng)度必須控制得當(dāng)，不宜過(guò)大，曝氣強(qiáng)度過(guò)大會(huì)使生物膜因代謝活動(dòng)過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致污泥老齡化，出水水質(zhì)達(dá)不到預(yù)期的效果。由于調(diào)整氣水比后15 d里污水處理效果都很好，所以本試驗(yàn)選擇的氣水比為4∶1。在運(yùn)行到第20 d時(shí)，BOD5和CODCr的去除率達(dá)到86.29%和92.09%，此后去除率一直穩(wěn)定在90%左右。

圖4 BOD5的去除率Fig.4 BOD5 removal rate

圖5 CODCr的去除率Fig.5 CODCr removal rate

3.4 掛膜期間對(duì)NH3-N和TP的去除效果

NH3-N和TP的去除效果是判斷生活污水處理工藝性能的重要內(nèi)容。為了更好地驗(yàn)證試驗(yàn)掛膜啟動(dòng)是否成功，在運(yùn)行期間，對(duì)NH3-N和TP的含量進(jìn)行了檢測(cè)，NH3-N的去除效果見(jiàn)圖6，由圖6可知，在啟動(dòng)初期，NH3-N的去除率在60%左右，之后有下降的趨勢(shì)，在此階段雖然已經(jīng)達(dá)到一定去除效果，但去除率要低于有機(jī)物的去除率。啟動(dòng)初期NH3-N的去除僅依靠濾料的吸附作用和少量的生物降解作用，并且硝化細(xì)菌的世代周期長(zhǎng)，在啟動(dòng)初期和異養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)[14,15]。隨著異養(yǎng)菌在濾料中基本穩(wěn)定，硝化細(xì)菌開(kāi)始快速生長(zhǎng)和繁殖，NH3-N的去除率開(kāi)始迅速提高，當(dāng)運(yùn)行到第20 d，檢測(cè)到NH3-N的去除率已經(jīng)達(dá)到99%，之后的10 d都穩(wěn)定在這個(gè)范圍內(nèi)。TP的去除效果見(jiàn)圖7，由圖7可知，在運(yùn)行的前15 d，TP的去除率達(dá)到60%以上，并有下降趨勢(shì)，第20 d時(shí)TP的去除率降到50%以下，之后逐漸提高，第25 d時(shí)TP的去除率提高到87.17%并達(dá)到穩(wěn)定。由此可以說(shuō)明，濾料上已經(jīng)形成了穩(wěn)定的生物膜，BAF掛膜啟動(dòng)試驗(yàn)成功。

圖6 NH3-N的去除率Fig.6 Ammonia nitrogen removal rate

圖7 TP的去除率Fig.7 TP removal rate

4 結(jié) 論

試驗(yàn)在低氣溫條件下用自制的具有加熱保溫功能的BAF裝置，溫度穩(wěn)定在22 ℃左右，氣水體積比在4∶1的條件下，采用自然富集培養(yǎng)法掛膜啟動(dòng)BAF，處理大學(xué)校園污水。經(jīng)過(guò)20 d后，SS的去除率穩(wěn)定在98%，BOD5和CODCr的去除率分別穩(wěn)定在95%和87%，NH3-N的去除率穩(wěn)定在99%，TP的去除率穩(wěn)定在86%。鏡檢結(jié)果顯示，7 d后肉眼可看到曝氣生物濾池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色變成灰褐色且逐漸變厚、顏色逐漸加深。同時(shí)，通過(guò)顯微鏡的低倍鏡檢和高倍鏡檢，發(fā)現(xiàn)大量的菌群附著在陶粒表面，且微生物種群很多，交織在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成具有截留吸附、分解污染物的能力的微生態(tài)系統(tǒng)，為污水處理的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。因此認(rèn)為BAF掛膜成功。

在試驗(yàn)掛膜過(guò)程中由于試驗(yàn)采用的水樣為校園社區(qū)生活污水，營(yíng)養(yǎng)成分基本符合曝氣生物濾池啟動(dòng)期間微生物正常生長(zhǎng)的要求，不用額外增加營(yíng)養(yǎng)成分，故在BAF啟動(dòng)階段，選用未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的校園污水為水源，采用自然富集培養(yǎng)掛膜法。但在后期BAF正常運(yùn)行期間，為了使進(jìn)入BAF中的水質(zhì)保證一個(gè)相似均衡的值，本試驗(yàn)過(guò)程中，在BAF單元前設(shè)計(jì)了預(yù)處理單元—化糞池，保證進(jìn)入BAF單元的污水水質(zhì)均衡。且，在正式運(yùn)行階段，只需在晚上或氣溫較低的條件下對(duì)各構(gòu)筑物進(jìn)行加熱，其他時(shí)間，保溫措施即可保證正常運(yùn)行。

試驗(yàn)通過(guò)采用改進(jìn)的具有加熱保溫措施的BAF裝置，控制BAF池內(nèi)水溫，并調(diào)節(jié)試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)，可以使BAF在北方冬季低氣溫條件下正常運(yùn)行，并達(dá)到良好的去除效果。該試驗(yàn)的成功為解決北方冬季污水處理困難問(wèn)題，提供了重要的參考價(jià)值。但由于加熱保溫措施不宜用于大型污水處理工程，故在實(shí)際的應(yīng)用中，要根據(jù)污水處理需要，做進(jìn)一步改進(jìn)后推廣使用。

□

[1] 張文藝,翟建平,鄭 俊,等.曝氣生物濾池污水處理工藝與設(shè)計(jì)[J]. 環(huán)境工程,2006,24(1):9-13.

[2] Clack. Phosphorus removal by chemical precipitation in a biological aerated Filer.Wat Res.,1997,31(10):2 557-2 563.

[3] 鄒偉國(guó),陸 嘉,張 辰,等.曝氣生物濾池在脫氮除磷工藝中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程,2004,22(5):27-29.

[4] 鄭 俊,吳浩汀.曝氣生物濾池工藝的理論與工程應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5] 任南琪,馬 放.污染控制微生物學(xué)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[6] 傅金祥,陳正清,趙玉華,等.掛膜方式對(duì)曝氣生物濾池的影響[J]. 水處理技術(shù),2006,32(8):42-45.

[7] 王立文,許 敏,徐志清.BAF低溫掛膜的影響因素分析[J]. 電力環(huán)境保護(hù),2007,23(5):50-51.

[8] 謝曙光,張曉健,王占生.極低溫度下兩級(jí)曝氣生物濾池的運(yùn)行特性[J].中國(guó)給水排水,2002,18(7):17-19.

[9] 李 婷,董文藝,王宏杰.曝氣生物濾池去除SS以及水頭損失增長(zhǎng)的特性研究[J]. 中國(guó)給水排水,2013,29(15):81-84.

[10] 孫 芮,陳 玲,陳季華.曝氣生物濾池反沖洗特性的研究[J]. 環(huán)境科技,2008,21(6):20-23.

[11] 張 杰,陳秀榮.曝氣生物濾池反沖洗的特性[J]. 環(huán)境科學(xué),2003,24(5):86-13.

[12] 劉宏遠(yuǎn),金 凌,陳麗麗,等.2種曝氣生物濾池的啟動(dòng)比較分析[J]. 環(huán)境污染與防治,2010,32(11):30-33.

[13] 陸少鳴,陳德業(yè),陳藝韻.疊式曝氣生物濾池在給水預(yù)處理中的掛膜啟動(dòng)[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2012,6(1):191-194.

[14] 王 東,邱立平,謝 康.曝氣生物濾池處理微污染水源水低溫啟動(dòng)特性及效能研究[J]. 水處理技術(shù),2014,40(8):103-106.

[15] 王建華,陳永志,彭永臻.硝化型曝氣生物濾池的掛膜與啟動(dòng)[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào),2010,4(10):2 200-2 203.