魯加祥，魯奇

(國(guó)電清航瑞恒江蘇環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 鹽城 224300)

0 引言

本項(xiàng)目根據(jù)我國(guó)農(nóng)村生活污水治理的實(shí)際情況和特點(diǎn)，將曝氣式生物濾池與生物膜反應(yīng)器之優(yōu)勢(shì)相融合，設(shè)計(jì)生物處理與過(guò)濾合一的自清洗高效生物膜反應(yīng)器，對(duì)正常操作狀態(tài)下，在有機(jī)物負(fù)載情況下，反應(yīng)器的啟動(dòng)及其效果、好氧區(qū)與過(guò)濾區(qū)的作用、自清洗前后生物膜特性和污物去除特性進(jìn)行了研究。本項(xiàng)目將為新型自清洗高效生物膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及其在我國(guó)農(nóng)村生活污水治理中的實(shí)際應(yīng)用提供一定參考。

1 自清洗反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬將MBBR 與BAF 聯(lián)用，生物膜基體以大孔隙顆粒狀懸浮填料實(shí)施，利用BAF 的充填模式，將傳統(tǒng)的BAF 充填比例從40%～65%提升到90%以上，從而構(gòu)筑出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型的自潔、高效、集成化生物膜反應(yīng)器。反應(yīng)器呈圓柱狀，高0.42 m，內(nèi)徑0.281 m，容積15 L，好氧功能區(qū)和過(guò)濾功能區(qū)用一塊高0.25 m 的有機(jī)玻璃隔板分開(kāi)，在隔離層的底面和反應(yīng)釜的底面之間，留出0.04 m 的距離，為過(guò)水及自清洗填料流化留出一定的空間。在隔板的上方，留出充足空間，以供在自清洗時(shí)的填料流化使用。該工藝在常規(guī)工況下，填充量為90%，以堆積型和懸浮型為主，因隔膜的阻擋，將其分為上下兩部分。廢水經(jīng)上游進(jìn)入好氧區(qū)曝氣后，過(guò)濾區(qū)接收自隔膜下方進(jìn)入的堆積型填料，從下游排出堆積型大孔隙的填充型填料。在不同的水質(zhì)條件下，系統(tǒng)的HRT 可隨水質(zhì)的變化而變化。針對(duì)高填充率的填料易發(fā)生阻塞而導(dǎo)致的系統(tǒng)性能下降等問(wèn)題，本項(xiàng)目擬采用每日1 h 的自潔周期，即在沖洗初期，將原有廢水連續(xù)灌入，并將其提升到反應(yīng)器上部溢流口處。這時(shí)，當(dāng)填充率降低到60%時(shí)，增加好氧區(qū)通氣量，通過(guò)水流沖洗及通氣，將填料從好氧區(qū)上部流向過(guò)濾區(qū)。繼續(xù)通過(guò)水流沖洗，將過(guò)濾區(qū)中的填料從隔板下部回流到好氧區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能區(qū)之間的填料循環(huán)流動(dòng)。并利用水流的剪切，將被沖洗后的殘?jiān)捌渌s物從流出水中排放出去。在循環(huán)的自凈作用完成后，通水口開(kāi)啟，水平面降低到原來(lái)的水平，將剩余的污水排放出去，使填充物恢復(fù)到原來(lái)的懸空和聚集狀態(tài)，從而達(dá)到正常的工作方式。

利用BAF 具有的高填充率、自帶過(guò)濾和周期性沖刷等特性，在提升MBBR 單元容量的同時(shí)，在循環(huán)自洗階段增加曝氣量，降低MBBR 因維持高曝氣量而帶來(lái)的能量損耗。從BAF 的角度出發(fā)，利用MBBR中的顆?？障洞蟮葍?yōu)點(diǎn)，大大提高了BAF 中的微生物生存空間，并采用了該濾池的自潔式循環(huán)流化技術(shù)，很好改進(jìn)了濾池內(nèi)之反沖洗效果。該反應(yīng)器將兩種污水處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，生成了小型分散式裝置的一體化，并在農(nóng)村生活污水的處理中得到很好的運(yùn)用，使有機(jī)物去除、脫氮及懸浮固體的效果得到了較好的保證。

2 項(xiàng)目分析和檢測(cè)方法

2.1 常規(guī)水質(zhì)檢測(cè)之法

在本系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，每日對(duì)兩個(gè)區(qū)域的入水中和出水中的樣品進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果根據(jù)《水和廢水檢測(cè)分析方法》(第4版) 中規(guī)定的監(jiān)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)和分析方法如表1 所示。

表1 常規(guī)指標(biāo)檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)儀器

2.2 生物膜之特性分析法

利用倒置熒光顯微鏡(Olympus，IX71)來(lái)對(duì)在懸浮填料表面上的生物膜厚度進(jìn)行測(cè)定。將懸浮填料從反應(yīng)器中撈出后，用去離子水沖洗。然后，切割為1 mm厚的片狀，置放在10 倍倒置熒光顯微鏡下觀測(cè)。參數(shù)設(shè)定好后，可以進(jìn)行多個(gè)視角的選擇，對(duì)其厚度進(jìn)行測(cè)量，然后拍攝。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，以每單位體積的懸浮體上的生物膜質(zhì)量為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)稱重方法來(lái)測(cè)量，具體做法是：將一定量的填充物用DI 水反復(fù)沖洗三遍，沖洗干凈填充物表面的污垢；然后用抹布沾上DI 水，用刷子將填充物上的生物薄膜從填充物上刮下來(lái)；再用一定量的濾紙將其過(guò)濾，然后放到105 ℃的烤爐里烘至恒重，冷卻后稱量；最后將烘至恒重的濾紙去掉，就是生物薄膜的質(zhì)量。

2.3 測(cè)定生物量方法

以每體積懸浮填充料上的生物膜的質(zhì)量，也就是MLSS(混合液沉淀液)為本反應(yīng)器中的生物量，并通過(guò)稱重方法進(jìn)行測(cè)量。具體做法是：將一定量的填充物用去離子水反復(fù)沖洗三遍，沖洗干凈填充物表面的污垢，然后用棉花棒和去離子水用刮刀將填充物上的生物膜刮下來(lái)，再用一定量的濾紙將其過(guò)濾，放在105 ℃的烤爐中烘干至恒重，冷卻后將其放到干燥器皿中，烘至恒重，將其與濾紙進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果就是生物膜的重量。

2.4 反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)好氧和過(guò)濾區(qū)作用

采用Nexcope，NIB910FL(倒置熒光顯微鏡) 技術(shù)測(cè)定生物膜表面的厚度情況，并對(duì)生物膜進(jìn)行形態(tài)分析。通過(guò)對(duì)好氧區(qū)與過(guò)濾區(qū)進(jìn)行放大10～50 倍的顯微觀察，可以看到在好氧區(qū)生物膜較過(guò)濾區(qū)要厚實(shí)，顆粒更大，聚集更多，這是因?yàn)樵诤醚鯀^(qū)DO 和基質(zhì)條件較好，使得硝化細(xì)菌與異養(yǎng)細(xì)菌快速繁殖，從而使其形成更厚的生物膜。過(guò)濾區(qū)是一種低氧環(huán)境，可獲得的有機(jī)質(zhì)相對(duì)于好氧區(qū)而言很低，所以過(guò)濾區(qū)的生物膜也要薄于好氧區(qū)。此外，還表明在載體中，角部和脊部的膜層厚度顯著厚于載體內(nèi)表面的膜層，這說(shuō)明載體中的膜層具有更好的耐腐蝕性能。通過(guò)對(duì)兩個(gè)功能區(qū)中生物量和生物層厚度的觀測(cè)，可以看出：好氧區(qū)中生物層的平均厚度為263.65 μm±91.47 μm，高于過(guò)濾區(qū)(186.68 μm±57.68 μm)1.40 倍。這一結(jié)果的出現(xiàn)將確保好氧區(qū)的生化性能穩(wěn)定，并增強(qiáng)其對(duì)外界因子的適應(yīng)性，從而增強(qiáng)其對(duì)外界因子的響應(yīng)。過(guò)濾區(qū)中，除原有在缺氧條件下生長(zhǎng)的填充劑外，好氧區(qū)中的填充劑也通過(guò)自潔過(guò)程流化進(jìn)入過(guò)濾區(qū)，這些填充劑具有好氧區(qū)中的一些生化作用。在好氧區(qū)中，有機(jī)物沒(méi)有完全被處理的情況下，可以對(duì)有機(jī)物進(jìn)行二次降解，但其可利用的養(yǎng)分較少，溶解氧濃度偏低，導(dǎo)致了生物膜的生長(zhǎng)速度較慢，且比不上好氧區(qū)，生物量和生物膜厚度少于好氧區(qū)。

3 反應(yīng)器啟動(dòng)及其運(yùn)行性能

3.1 反應(yīng)器啟動(dòng)及其效果

在啟動(dòng)反應(yīng)器時(shí)，操作使用的是污水處理廠原有的實(shí)際污水流，最初的污水循環(huán)為低負(fù)荷，3 h 為空床水力停留時(shí)間，系統(tǒng)穩(wěn)定后就可逐漸增加進(jìn)水負(fù)荷。進(jìn)水達(dá)到以下條件：COD 為339.2 mg/L±93.2 mg/L；為46.3 mg/L±12.1 mg/L；TSS 為123.1 mg/L±30.9 mg/L。在啟動(dòng)自清洗高效生物膜反應(yīng)器的第10 d，同步上升的COD 和的去除率趨勢(shì)明顯，并最后將80%和90%以上的去除率保持，這表明該系統(tǒng)能較好地適應(yīng)于水質(zhì)波動(dòng)較大的污水。

3.2 自清洗前后之生物膜特性

在實(shí)際應(yīng)用中，由于90% 以上的填充量使得反應(yīng)器不能像MBBR 那樣迅速地進(jìn)行生物膜的更新，使反應(yīng)器內(nèi)迅速積累大量的微生物，導(dǎo)致了反應(yīng)器的堵塞。當(dāng)生物膜的厚度增大時(shí)，吸附在載體上的菌體對(duì)侵蝕的耐受性增強(qiáng)。在該工藝中，填料在流化床中流動(dòng)，空氣中的撞擊和流體的剪切作用將顆粒上的微生物和懸浮顆粒清除，只剩下耐撞擊的生物膜。這樣當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)的自潔時(shí)，可以有效地解決填料的阻塞問(wèn)題，并將許多的生物膜和被攔截的懸浮物迅速除去，防止因被覆蓋或被攔截的懸浮物太多而引起的底質(zhì)傳遞效率下降，進(jìn)而引起硝化性能下降的問(wèn)題。

3.3 自清洗前后污物去除特性

為探討自清洗過(guò)程對(duì)系統(tǒng)除去污染物性能的影響，科研人員在不同階段進(jìn)行了7 次自清洗前后系統(tǒng)沿程試驗(yàn)，考慮到該系統(tǒng)的生化功能以降解有機(jī)物和硝化作用為主，故沿程試驗(yàn)是在填料流化狀態(tài)下(填充率為60%) 連續(xù)曝氣3 h 的狀況下，對(duì)自清洗前后微生物比SCOD 降解速率和比硝化速率的變化進(jìn)行分析。目前，大部分的分析都使用了人工合成廢水來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然在合成廢水中，NH4+-N 和有機(jī)物等主要污染物的含量，與真實(shí)的污水相比可能沒(méi)有太大的區(qū)別。然而，由于忽略了微量元素、有機(jī)物組成及水質(zhì)干擾等對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性造成了很大的影響，所以試驗(yàn)時(shí)對(duì)各運(yùn)行階段的實(shí)際進(jìn)水污水進(jìn)行了直接使用。

在自清洗前后，系統(tǒng)比SCOD 降解速率和比硝化速率的變化，可通過(guò)配對(duì)t 檢驗(yàn)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。分析后發(fā)現(xiàn)，平均比SCOD 降解速率由自清洗前的5.6 gSCOD/(m2·d)±2.76 gSCOD/(m2·d)上升，為自清洗后的6.99 gSCOD/(m2·d)±2.64 gSCOD/(m2·d)，平均比硝化速率由自清洗前的0.79上升到了清潔后的利用配對(duì)t 檢驗(yàn)可以得出，比SCOD降解速率為0,055、0.041(p＜0.05)，從而確認(rèn)了在自清洗后，比SCOD 降解速率和比硝化速率都有明顯的提高。過(guò)度生長(zhǎng)的生物膜在自清洗過(guò)程中被洗出反應(yīng)器，有效解決料堵塞問(wèn)題。同時(shí)也洗脫了一些已經(jīng)衰亡之生物膜，從充足的空間方面為新生生物膜的生長(zhǎng)提供了條件，生物膜的更新?lián)Q代能夠更好地實(shí)現(xiàn)，促使載體表面的傳遞效率及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用率得到了顯著提高，從而使反應(yīng)速率得到了提高，進(jìn)一步證明了需要維持系統(tǒng)高效處理能力，自清洗過(guò)程不能省略。

好氧區(qū)對(duì)COD 的脫除貢獻(xiàn)分別為59.93%±11.22%對(duì)的脫除貢獻(xiàn)分別為66.87%±12.89%，對(duì)TIN 和TSS 的脫除貢獻(xiàn)分別為31.11%±16.21%，對(duì)TSS 和TSS 的脫除貢獻(xiàn)分別為63.89%±15.88%，它們是整個(gè)體系的主反應(yīng)區(qū)，對(duì)體系中的大多數(shù)有機(jī)質(zhì)降解和硝化和反硝化過(guò)程起到了主導(dǎo)作用。過(guò)濾區(qū)是副反應(yīng)區(qū)，除對(duì)三類固體廢物進(jìn)行截流和隔離外，還對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)化生化處理，以確保出水質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

相對(duì)于過(guò)濾區(qū)，好氧區(qū)的珍稀物種類更多，生物多樣性也更高。在好氧區(qū)中，變形菌、厚壁菌在過(guò)濾區(qū)相對(duì)豐富；在過(guò)濾區(qū)中，綠彎菌門、放線菌門在其中的含量相對(duì)豐富。同時(shí)在好氧區(qū)中，變形菌門的數(shù)量則隨氣溫的下降而明顯增多。

4 結(jié)語(yǔ)

自清潔型BF 在常規(guī)工況下存在著高填充率和不能流動(dòng)等問(wèn)題，無(wú)法有效更新BF。而通過(guò)系統(tǒng)的循環(huán)自清潔，能夠使 BF 周期更新，從而保持系統(tǒng)的高效率和高穩(wěn)定性，促使污染物去除能力維持在穩(wěn)定的水平。