雷曉玲，梁 寒，楊 程，魏澤軍,*，顏 海

(1. 重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2. 重慶科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 401123；3. 中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400000)

山地重慶村鎮(zhèn)飲用水源大多以水庫(kù)水為主，近年來(lái)因?yàn)橹苓叚h(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的影響，水庫(kù)受污染嚴(yán)重。部分自來(lái)水廠(chǎng)的常規(guī)絮凝-沉淀工藝在處理水庫(kù)污染水時(shí)存在著出水CODMn長(zhǎng)期超標(biāo)和氨氮時(shí)有超標(biāo)的問(wèn)題，如何對(duì)水廠(chǎng)工藝進(jìn)行升級(jí)改造已是水處理行業(yè)的重要問(wèn)題。

超濾作為“第三代城市飲用水凈化工藝”，具有占地面積小、安裝時(shí)間短、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效去除水中的懸浮物、膠體以及致病微生物，但對(duì)溶解性物質(zhì)如中小分子有機(jī)物、氨氮等的去除效果較差[1-3]。因此，在處理此類(lèi)污染水時(shí)需與其他工藝聯(lián)用。曝氣生物濾池是目前較為成熟的生物膜法污水處理工藝。相關(guān)研究表明，其具有脫氮、除磷、除碳功能，且出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定，基建投資低[4-6]，對(duì)中小分子有機(jī)物、氨氮的去除效果良好。因此，考慮將超濾與曝氣生物濾池相結(jié)合，通過(guò)微生物的生物降解轉(zhuǎn)化來(lái)進(jìn)一步處理水體中氨氮、有機(jī)物等污染物，提高對(duì)污染物的去除效果。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)曝氣生物濾池和超濾的研究大多為其自身工藝的提升改造，對(duì)于兩者聯(lián)用處理污染水的研究鮮有報(bào)道。因此，在重慶某水廠(chǎng)建立中試處理裝置，采用新的曝氣生物濾池-超濾組合工藝處理水庫(kù)污染水，驗(yàn)證出水達(dá)到水質(zhì)要求的可行性，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原水水質(zhì)

本次中試試驗(yàn)裝置的進(jìn)水取自重慶某水庫(kù)，試驗(yàn)期間的CODMn為5.7～8.7 mg/L，氨氮為0.08～1.09 mg/L，色度為30.9～45.4度，渾濁度為3.36～8.35 NTU，DO為2.9～12 mg/L，pH值為7.36～8.72，水溫為27.1～30.2 ℃，呈現(xiàn)出高氨氮、高有機(jī)物的水質(zhì)特征。

1.2 試驗(yàn)裝置

曝氣生物濾池-超濾的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

曝氣生物濾池試驗(yàn)裝置采用φ0.4 m×4 m的濾柱，流向?yàn)樯魇剑囼?yàn)裝置進(jìn)水量為1 m3/h，曝氣方式為鼓風(fēng)曝氣，曝氣裝置采用底部微孔擴(kuò)散曝氣，試驗(yàn)裝置運(yùn)行氣水比采用1∶1，濾池所用填料為輕質(zhì)球形陶粒，圓形，棕褐色，粒徑為3～5 mm，孔隙率>30%。承托層設(shè)在陶粒填料下部，采用卵石承托層，卵石粒徑為4～6 mm，厚度為250 mm，承托層下部設(shè)有用于反沖洗的濾板和濾頭。

超濾裝置采用內(nèi)壓式中空纖維超濾膜，材料為PVC合金，面積為2 m2，孔徑為0.01 μm，截留分子量為10 000 Dalton，外形尺寸為φ117 mm×535 mm，工作壓力為0.1～0.3 MPa，工作溫度為5～45 ℃。超濾裝置由原水箱、進(jìn)水閥、流量計(jì)、壓力表、超濾膜等組成，運(yùn)行周期包括正沖、反沖和過(guò)濾3個(gè)階段。

1.3 試驗(yàn)方法

曝氣生物濾池啟動(dòng)與掛膜試驗(yàn)：對(duì)曝氣生物濾池進(jìn)行啟動(dòng)掛膜，裝置運(yùn)行初期的水力停留時(shí)間為8 h，4 d后將水力停留時(shí)間縮短到3 h，9 d后進(jìn)一步縮短到1 h，17 d后縮短到30 min；試驗(yàn)過(guò)程中，水中溶解氧含量始終保持在5 mg/L左右，每天檢測(cè)進(jìn)出水污染物指標(biāo);當(dāng)曝氣生物濾池對(duì)CODMn及氨氮的去除率分別穩(wěn)定在20%和70%以上時(shí)，即認(rèn)為試驗(yàn)裝置掛膜成功。

曝氣生物濾池運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)：分別考察在氣水比為 0.5∶1、1∶1、1.5∶1和水力停留時(shí)間為10～50 min時(shí)曝氣生物濾池對(duì)CODMn、氨氮的去除效果，試驗(yàn)期間每2 d對(duì)原水及曝氣生物濾池出水進(jìn)行1次取樣檢測(cè)，以得到試驗(yàn)裝置最佳運(yùn)行參數(shù)。在裝置最佳運(yùn)行參數(shù)下，每2 d對(duì)原水及曝氣生物濾池出水進(jìn)行1次取樣檢測(cè)，最終得到曝氣生物濾池對(duì)CODMn和氨氮的去除效果。

曝氣生物濾池-超濾試驗(yàn)：將曝氣生物濾池與超濾裝置串聯(lián)，待裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，每2 d分別對(duì)原水、曝氣生物濾池出水、超濾出水進(jìn)行1次取樣檢測(cè)，從而得到曝氣生物濾池-超濾組合工藝對(duì)CODMn和氨氮的去除效果。

1.4 分析指標(biāo)

CODMn：酸性高錳酸鉀法；氨氮：納氏試劑分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 曝氣生物濾池的啟動(dòng)與掛膜

曝氣生物濾池掛膜期間,對(duì)原水中CODMn和氨氮的去除效果如圖2所示。

圖2 曝氣生物濾池掛膜期間對(duì)原水中CODMn(a) 和氨氮(b)的去除效果Fig.2 Removal Effect of CODMn (a) and Ammonia Nitrogen (b) in Raw Water during Film Mounting of BAF

由圖2可知，在試驗(yàn)前5 d，試驗(yàn)裝置對(duì)CODMn和氨氮存在少量的去除效果。研究表明：輕質(zhì)陶粒因其內(nèi)部形成的微孔隙通道及表面電荷，對(duì)氨氮具有一定的吸附容量[7]；同時(shí)，因其粗糙的表面及存在的大量孔隙，對(duì)原水中的懸浮物等有一定的過(guò)濾作用，而表現(xiàn)出一定的濾除貢獻(xiàn)。正是因?yàn)槲胶臀锢頌V除作用，且其作用穩(wěn)定性不強(qiáng)，存在淋洗效應(yīng)，使最初的約12 d內(nèi)，出水水質(zhì)存在較大波動(dòng)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到16 d后，出水水質(zhì)開(kāi)始逐漸穩(wěn)定。相關(guān)研究表明，對(duì)于曝氣生物濾池,宜采用相對(duì)較穩(wěn)定的氨氮去除率作為判斷生物膜成熟和掛膜成功的基本標(biāo)志[8]。對(duì)比第2 d及16 d的去除效果，進(jìn)水氨氮濃度分別為0.50 mg/L和0.52 mg/L，但氨氮去除率從18.0%上升到63.4%，這表明生物降解逐漸在污染物去除中占主要作用，生物膜趨于成熟。類(lèi)似研究采用自然掛膜，23 d后，曝氣生物濾池啟動(dòng)完成[9]。隨著微生物的不斷繁殖，在試驗(yàn)進(jìn)行19 d及21 d后，曝氣生物濾池對(duì)CODMn及氨氮的去除率分別穩(wěn)定在20%和70%以上，表明試驗(yàn)裝置已經(jīng)進(jìn)入生物降解穩(wěn)定階段，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，由此即可認(rèn)為生物膜基本成熟，曝氣生物濾池掛膜成功。

2.2 曝氣生物濾池運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 氣水比對(duì)污染物去除效果的影響

氣水比對(duì)CODMn和氨氮去除效果的影響如圖3所示。

圖3 氣水比對(duì)CODMn和氨氮去除效果的影響Fig.3 Influence of Gas-Water Ratio on Removal Efficiency of CODMn and Ammonia Nitrogen

在水力負(fù)荷為7.96 m3/(m2·h)、水力停留時(shí)間(HRT)為30 min的條件下，氣水比為0.5∶1時(shí)，CODMn和氨氮的平均去除率分別為15.0%和63.5%；氣水比為1∶1時(shí)，CODMn和氨氮的平均去除率分別上升到21.7%和70.0%，與氣水比為0.5∶1時(shí)相比，有較大的提升；氣水比為1.5∶1時(shí)，CODMn和氨氮的平均去除率分別上升到23.6%和72.9%，但與氣水比為1∶1時(shí)相比，上升幅度不大，同時(shí)，CODMn的去除率呈現(xiàn)小幅提升后下降的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，較高的氣水比提高了水中的溶解氧，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，更促進(jìn)了微生物、污染物、氧氣之間的相互接觸，有利于污染物的傳質(zhì)及生物降解。類(lèi)似研究也指出，在填料結(jié)構(gòu)相同條件下，采用較大氣水比有利于增加微生物種類(lèi)，可有效提高曝氣生物濾池處理效果[10]，但氣水比過(guò)高則會(huì)對(duì)填料上的生物膜造成沖擊，不利于生物膜附著，使得生物膜脫落，從而導(dǎo)致出水CODMn濃度升高。也有研究顯示，氣水比過(guò)高會(huì)引起填料層中的氣阻效應(yīng)，造成水在濾層中的實(shí)際停留時(shí)間下降，導(dǎo)致出水氨氮濃度變高，氨氮去除率下降[11]。不難看出，曝氣量對(duì)濾池類(lèi)反應(yīng)器污染物去除效果的影響較復(fù)雜。對(duì)本裝置而言，氣水比為1∶1時(shí)的供氧量已基本達(dá)到飽和，溶解氧已不再是限制因素，更高的氣水比不僅不利于提升處理效果，還會(huì)使工藝的運(yùn)行成本增加，經(jīng)濟(jì)效益較低。從去除效果和經(jīng)濟(jì)效益考慮，氣水比1∶1為最優(yōu)曝氣運(yùn)行控制參數(shù)。

2.2.2 水力停留時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響

水力停留時(shí)間對(duì)CODMn和氨氮去除效果的影響如圖4所示。

圖4 水力停留時(shí)間對(duì)CODMn和氨氮去除效果的影響Fig.4 Influence of Retention Time on Removal Efficiency of CODMn and Ammonia Nitrogen

由圖4可知：水力停留時(shí)間為10 min時(shí)，CODMn和氨氮的平均去除率最低，為9.20%和65.0%；水力停留時(shí)間為50 min時(shí)，CODMn和氨氮的平均去除率最高，為23.3%和73.0%；隨著水力停留時(shí)間的增加，試驗(yàn)裝置對(duì)CODMn和氨氮的平均去除率呈逐漸上升的趨勢(shì)。水力停留時(shí)間過(guò)短，原水與生物膜上的微生物接觸時(shí)間不足，污染物尚未完全降解便被水流帶走；同時(shí)，水力停留時(shí)間的減少意味著進(jìn)水負(fù)荷的增加，加大了濾層間的過(guò)流速度和水流剪切力，水力沖刷作用過(guò)強(qiáng)，易導(dǎo)致生物膜脫落[11]，從而使去除率下降；較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間能夠使微生物與水中污染物得到充分接觸，污染物被充分吸附、降解，但增大水力停留時(shí)間勢(shì)必會(huì)增加投資成本，實(shí)際工程中在保證去除效果的前提下，優(yōu)先選擇較短的水力停留時(shí)間。在水力停留時(shí)間為30 min時(shí)，CODMn和氨氮的平均去除率分別為21.5%和70.0%，滿(mǎn)足處理要求。從去除效果和經(jīng)濟(jì)效益考慮，采用30 min為后續(xù)試驗(yàn)裝置水力停留時(shí)間。

2.3 曝氣生物濾池對(duì)污染物的去除效果

對(duì)裝置曝氣量、水力停留時(shí)間2個(gè)重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，在試驗(yàn)裝置氣水比、水力停留時(shí)間分別為1∶1和30 min的情況下，曝氣生物濾池對(duì)原水中CODMn和氨氮的去除效果如圖5所示。

圖5 曝氣生物濾池對(duì)CODMn (a)和氨氮(b)的去除效果Fig.5 Effect of BAF on CODMn (a) and Ammonia Nitrogen (b) Removal

由圖5可知：在試驗(yàn)的20余d中，進(jìn)水CODMn為5.14～7.88 mg/L，平均值為6.56 mg/L，出水CODMn為4.19～6.12 mg/L，平均值為5.04 mg/L；進(jìn)水氨氮為0.54～0.76 mg/L，平均值為0.63 mg/L，出水氨氮為0.16～0.25 mg/L，平均值為0.19 mg/L。CODMn和氨氮的平均去除率分別為23.1%和70.1%，氨氮的平均去除率較采用相同原水的常規(guī)工藝(即絮凝-沉淀-過(guò)濾-消毒)提高了47.1%，CODMn的平均去除率降低了6.94%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，曝氣生物濾池出水氨氮基本穩(wěn)定，滿(mǎn)足水質(zhì)要求，而出水CODMn波動(dòng)較大，不能完全達(dá)到水質(zhì)要求。對(duì)氨氮的去除主要依賴(lài)于硝化細(xì)菌的硝化作用[12-14]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，曝氣生物濾池沿程優(yōu)勢(shì)微生物依次分別為異養(yǎng)菌和硝化菌，其中，主要亞硝化細(xì)菌為亞硝化單胞菌，主要硝化細(xì)菌為硝化螺菌，由于曝氣生物濾池中硝化菌在成熟生物膜中屬于優(yōu)勢(shì)細(xì)菌[10,15]，且在本試驗(yàn)裝置內(nèi)部長(zhǎng)期處于好氧狀態(tài)，其有利于硝化作用，對(duì)氨氮的去除效果較好。好氧微生物對(duì)有機(jī)物去除的影響因素較多，有效的接觸時(shí)間及足夠的溶氧是基本條件，而原水中可生化有機(jī)物含量比例是影響出水CODMn的限制條件[8]。對(duì)于小分子有機(jī)污染物，曝氣生物濾池主要是通過(guò)生物膜上好氧細(xì)菌的生物氧化作用進(jìn)行去除；對(duì)于大分子有機(jī)物及懸浮物中附著的有機(jī)物，一般是通過(guò)生物膜的生物吸附和過(guò)濾作用，受限于陶粒填料粒徑(3～5 mm)，過(guò)濾去除作用有限。因此，將超濾工藝與生物濾池聯(lián)用，以探索對(duì)污染物的去除效果，特別是對(duì)有機(jī)物的去除。

2.4 曝氣生物濾池-超濾組合工藝對(duì)污染物的去除效果

曝氣生物濾池-超濾組合工藝對(duì)原水中CODMn和氨氮的去除效果如圖6所示。

圖6 曝氣生物濾池-超濾組合工藝對(duì)CODMn(a) 和氨氮(b)的去除效果Fig.6 Effect of Combined Processes of BAF and UF on CODMn (a) and Ammonia Nitrogen (b) Removal

由圖6可知：曝氣生物濾池-超濾聯(lián)用試驗(yàn)運(yùn)行期間，原水CODMn為6.62～7.4 mg/L，平均值為7.1 mg/L，超濾出水CODMn為3.26～3.84 mg/L，平均值為3.5 mg/L；原水氨氮為0.38～1.08 mg/L，平均值為0.65 mg/L，超濾出水氨氮為0.1～0.17 mg/L，平均值為0.13 mg/L；CODMn和氨氮的平均去除率分別為50.0%和81.5%，較曝氣生物濾池分別提高了26.9%和11.4%，較常規(guī)工藝分別提高了20.0%和58.5%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，超濾工藝?yán)每讖綐O小的高分子薄膜，通過(guò)物理過(guò)濾能夠進(jìn)一步去除水中的氨氮和CODMn，對(duì)CODMn去除效果的提升顯著。組合工藝運(yùn)行期間，出水氨氮和CODMn基本穩(wěn)定。同時(shí)，由圖6可知，在第2次和第5次取樣中，進(jìn)水氨氮濃度較高，為0.76 mg/L和1.08 mg/L，對(duì)應(yīng)的出水氨氮濃度分別為0.14 mg/L和0.17 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定性高，表現(xiàn)出對(duì)高濃度原水的良好適應(yīng)性，表明組合工藝具有一定的耐沖擊負(fù)荷能力。曝氣生物濾池通過(guò)微生物的生物氧化作用和硝化作用，對(duì)溶解性有機(jī)物及氨氮有著良好的去除效果，而超濾則能進(jìn)一步去除水中粒徑處于膠體范圍的大分子量有機(jī)物。因此，在超濾工藝前增加曝氣生物濾池生物處理工藝，兩者聯(lián)用可以提高對(duì)原水中氨氮、有機(jī)物的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，曝氣生物濾池-超濾組合工藝對(duì)CODMn和氨氮的去除率較高，出水CODMn和氨氮均滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中的相關(guān)要求。

3 結(jié)論

曝氣生物濾池裝置采用自然掛膜，濾池水溫在27.1～30.2 ℃時(shí)，持續(xù)運(yùn)行約21 d后，CODMn及氨氮的去除率分別穩(wěn)定在20%和70%以上，即標(biāo)示著曝氣生物濾池掛膜成功。曝氣生物濾池運(yùn)行參數(shù)：氣水比為1∶1，水力停留時(shí)間為30 min。曝氣生物濾池-超濾組合工藝對(duì)CODMn和氨氮的平均去除率分別為50.0%和81.5%，較曝氣生物濾池試驗(yàn)分別提高了26.9%和11.4%，較常規(guī)工藝分別提高了20.0%和58.5%。原水在經(jīng)過(guò)曝氣生物濾池-超濾工藝處理后，其出水的氨氮、CODMn均滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中的相關(guān)要求。