气水比对多级曝气生物滤池深度强化污水处理效能的影响研究

陶 涛

（中国煤炭科工集团重庆设计研究院重庆400016）

气水比对多级曝气生物滤池深度强化污水处理效能的影响研究

陶 涛

（中国煤炭科工集团重庆设计研究院重庆400016）

在好氧生物滤池水力负荷为3.0m3/(m2·h)，温度为20~25℃，缺氧柱投加碳源量为60mg/L时，将气水比分别控制为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，以污水厂二级出水为进水水源，考察了气水比对多级曝气生物滤池系统去除CODCr、氨氮、TN等效果的影响。结果表明：气水比对一级好氧生物滤池系统处理效能影响显著。当气水比从1∶1提高到3∶1时，一级好氧生物滤池对CODCr、氨氮的去除率明显提高，分别从22.26%提高至34.46%和35.06%提高至63.98%；对TN的去除率明显降低，从8.6%降低至4.8%；当气水比继续增大到4∶1时，CODCr、氨氮及TN的去除率基本保持稳定，分别为36.66%、68.66%和4.7%。

气水比；多级曝气生物滤池；强化污水处理

城市污水经处理后作为中水回用已经是国际公认的“城市第二水源”，可广泛用于市政用水、杂用水等[1]。但常规的城镇二级处理工艺对N、P等污染因子的去除率不高，它们作为营养物质会助长受纳水体中藻类的生长繁殖；如将城镇污水厂的二级处理出水排放水体作为景观用水，藻类的大量滋生会严重影响水体的景观效果和实用价值，同时如果进入下游给水水源后会使下游城镇给水处理厂的滤池运行产生较大困难。因此，对城镇污水处理厂二级出水需要进行深度处理，达标后才能回用或排放水体。

曝气生物滤池是集生物接触氧化与过滤于一体的新型污水处理技术，具有出水水质好、能源消耗少、运行费用低、占地面积小、基建投资低等特点，其特性使得曝气生物滤池应用广泛。N.Terauchi等人[2]研究了生物过滤在饮用水处理中对臭味的去除，生物过滤对色度、浊度和COD的去除效果较好；宿程远等人[3]研究了生物砂滤柱对微污染水源水浊度的去除效果后指出有机物指标越高,则出水浊度越高；较多的研究认为[4]-[5]，气水比与KLa成正比关系。气水比越大，KLa就越大，反应器内部溶解氧含量越接近饱和浓度，与溶解氧浓度相关的微生物如碳化细菌、氨化细菌、硝化细菌等，活性就相对越强，但当气水比过大时，溶解氧量过高，生物膜极易在营养不够的情况下产生自身氧化，反而影响下一步处理效果。另一方面，气水比与生物膜厚度也有关系［6］，较高的气水比带来的上升气流，以及因此引起的水力搅拌，不断对滤料表面进行冲刷，以保证生物膜的不断更新，进而保证生物膜厚度维持在一个较薄的范围内，提高生物膜活性。但是过高的气水比又会导致对滤料的过量冲刷，不但不利于增强生物膜活性，还会降低其处理效果，并造成能源浪费。因此气水比需要控制在一个适宜的范围内。本研究采用多级曝气生物滤池处理系统，考察了不同气水比条件下，系统对污水处理厂二级出水的强化处理效能，探讨气水比对多级曝气生物滤池强化污水处理效能的影响，为城市污水厂出水强化处理提供可靠的参数。

图1 试验装置流程图

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。

高位水箱、中间水箱及反冲洗水箱由亚克力板制成，容积分别为300L、300L及200L。柱体由内径120mm的有机玻璃管制成，柱高2000mm，承托层高300mm，石英砂滤料层高1200mm，上部进水层200mm，进水超高300 mm。采用下向流工艺，沿水流方向每隔200mm设置取样口，底部设有反冲洗气管、反冲洗水管和出水管，好氧柱在底部500mm处设置穿孔管曝气。各组装置之间采用PVC管连接，管径为20mm。

1.2 试验水质

原水取自某污水处理厂二级出水，试验期间水质如表1所示。

表1 试验原水水质

1.3 试验方法

采用阶段性试验，在好氧生物滤柱水力负荷为3.0m3/(m2· h)，温度为20～25℃，缺氧柱投加碳源量为60mg/L时，将气水比分别控制为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，研究气水比对系统去除CODCr、氨氮、TN等效果的影响。

2 试验结果及讨论

2.1 不同汽水比对反应器CODcr的去除效能

图2 不同气水比下一级生物滤池对CODCr的去除效果

如图2所示，一级好氧生物滤池中CODCr的去除率随着气水比的增加逐渐升高，当汽水比从1∶1提高到2∶1时，CODCr的去除率由22.26%升高到32.66%，去除率明显上升。而在气水比分别为3∶1和4∶1时，反应器对CODCr的去除率由34.46%升高为36.66%，去除率变化不大。由此可知，气水比对系统CODCr的去除效能影响显著。

分析认为，当气水比为1∶1时，好氧异养菌的活性受到溶解氧浓度的限制，代谢速度较慢，同时气水比所形成的搅拌作用较弱，不能有效地脱去覆盖在滤料上的老化生物膜，对CODCr的传质带来一定影响。而随着气水比的增大，反应器内部溶解氧浓度和气水比对滤料的搅拌作用均在增大，进而使生物膜的新陈代谢能力增强，表现为生物滤柱对CODCr的去除率不断增大。但当气水比增加到一定程度后，溶解氧不再是好氧异养菌活性的主要限制因素，生物滤池对CODCr的去除率也逐渐趋于稳定［7］。

由图3所示，二级缺氧生物滤池对CODcr的去除率随着气水比的增大而逐渐增加。气水比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1时，二级缺氧生物滤柱对CODcr的去除率分别为54.1%、57.2%、58.2%和59.1%。由此可知，气水比对缺氧生物滤柱去除CODcr的效果有一定的影响。

图3 不同气水比下二级生物滤池对CODCr的去除效果

分析认为，当气水比较高时，生物滤柱好氧段的硝化效果较好，进水中硝酸盐及亚硝酸盐氮底物浓度较高，促进了反硝化效果，进而提高了对CODCr的消耗率；同时气水比增高也使得生物滤柱缺氧段的进水溶解氧浓度随之升高，进而在生物砂滤柱缺氧段上部形成一段含氧区，在这个区域内CODCr也被部分去除。因此，气水比的升高，在一定程度上增强了缺氧生物滤柱对CODCr的去除效果。

2.2 不同汽水比对反应器氨氮的去除效能

由图4可知，当气水比从1∶1增加到3∶1时，一级好氧生物滤池对氨氮的去除率明显提高，其去除率从35.06%提高到了63.98%，提高了28.92个百分点。而在气水比为4∶1时，反应器对氨氮的去除率为68.66%，仅比上一阶段提高了2.2个百分点。

图4 不同气水比下一级生物滤池对氨氮的去除效果

经上述分析可知，气水比是影响曝气生物滤池硝化效果的一个重要参数。气水比对硝化细菌的活性影响很大，当气水比较低时，溶解氧浓度也较低，好氧异养菌依靠其高出硝化细菌一个数量级的生长繁殖速度，迅速侵占了滤料表面的大部分空间，在这种环境下，硝化细菌很难得到溶解氧的补给，在数量和活性上均较低。随着气水比的提高，氧传质系数KLa也随之提高，溶解氧含量迅速提升，硝化细菌的活性被释放，表现为反应器的硝化效果明显提高，氨氮去除率增大。随着气水比的进一步增高，受困于进水中CODCr的微含量限制，好氧异养菌的增殖开始放缓，而硝化细菌的潜力被进一步释放，表现为在气水比为1∶3时，反应器的硝化性能有了新的提高，氨氮去除率进一步增大。当反应器中的溶解氧已能满足硝化细菌的需要时，溶解氧不再是限制硝化细菌代谢活性的因素［8］，此时继续加大气水比，对氨氮去除率的提高作用不明显，因为当气水比从3∶1提高到4∶1时，氨氮的去除率变化不大。

由图5所示，二级缺氧生物滤池对氨氮的去除率随着气水比的增大而逐渐增加。气水比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1时，二级缺氧生物滤柱对氨氮的去除率分别为5.9%、6.86%、 7.1%和7.26%。

上述分析发现，试验结果与张红晶［9］等认为氨氮在缺氧区内部不发生降解的观点相反。二级缺氧生物滤池对氨氮有一定的去除效果，同时气水比增高，将一定程度上增强缺氧生物滤柱对氨氮的去除效果。这主要是因为进水中较高浓度的溶解氧使生物砂滤柱缺氧段上部形成一段含氧区，部分氨氮在这个含氧区内被去除，同时含氧区还存在一部分好氧异养菌，其同化作用也对削减氨氮浓度起了一定的贡献。

2.3 不同汽水比对反应器TN的去除效能

由图6所示，气水比对好氧生物滤池去除TN效果有一定影响。随着气水比的增加，一级好氧生物滤柱对TN的去除呈下降趋势，当气水比从1∶1增加到2∶1时，TN去除率从8.6%下降到7.32%。但当气水比继续增加至3∶1和4∶1时，一级好氧生物滤柱对TN的去除率下降至4.8%和4.7%。

图5 不同气水比下二级生物滤池对氨氮的去除效果

图6 不同气水比下一级生物滤池对总氮的去除效果

经物料衡算，在生物膜正常增殖的情况下，消耗C∶N∶P三者的摩尔比约为100∶5∶1，换算为质量比C∶N约为46∶1。以此比例计算，反应器对COD的平均去除率为17mg/L，则生物膜增殖消耗的理论N量为1.0625mg，在进水TN的平均值为23.8mg时，一级好氧滤柱对TN的理论去除率为4.46%。试验中在气水比分别为3∶1及4∶1时，反应器对TN的去除率与理论去除率基本相符，可知，在气水比分别为3∶1及4∶1时反应器基本上没有反硝化作用，其对TN基本上通过增殖排泥去除。试验中在气水比分别为1∶1及2∶1时，反应器对TN的去除率较理论去除率高出4.14和2.86个百分点，可知，在气水比分别为1∶1及2∶1时，反应器内部存在着局部缺氧区域，适合反硝化菌的生长，可在一定程度上发挥反硝化的作用。这主要是因为该生物滤池以石英砂为填装滤料，使反应器整体均存在着滤料的均匀分布及底物和DO的梯度分布，有利于在部分区域形成特定的微生物形态。但在气水比进一步升高时，好氧反应器对TN的去除率开始下降，这是因为有些反硝化必须在缺氧和有硝酸盐存在的条件下诱导合成硝酸盐还原酶［10］，在溶解氧较高时，还原酶的合成及其活性受到抑制。

由以上分析可知，在气水比对好氧生物砂滤池影响较小，在气水比较低时，好氧生物滤池的内部会存在局部的缺氧区域，并拥有一定的反硝化效果，但气水比的增高会逐步抑制这种效果。

由图7可知，气水比对二级缺氧生物滤池去除TN的效果影响较小，在气水比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1时，二级缺氧生物滤池对TN的去除率分别为48.2%、50.1%、50.2%和49.7%。各去除率之间差距较小，抛除误差影响外，分析认为，一级好氧生物滤池的硝化效果对缺氧滤池反硝化效果的间接影响，气水比较高时所导致的缺氧生物滤池溶解氧的增高等，应该是去除率差异的主要原因。

图7 不同气水比下二级生物滤池对总氮的去除效果

3 结论

（1）气水比对一级好氧生物滤池系统处理效能影响显著。当气水比从1∶1提高到3∶1时，一级好氧生物滤池对CODCr、氨氮的去除率明显提高，分别从22.26%提高至34.46%和35.06%提高至63.98%；对TN的去除率明显降低，从8.6%降低至4.8%；当气水比继续增大到4∶1时，CODCr、氨氮及TN的去除率基本保持稳定，分别为36.66%、68.66%和4.7%。

（2）气水比对二级缺氧生物滤池系统处理效能有一定影响，气水比的增高在一定程度上增强了缺氧生物滤池对CODCr和氨氮的去除效果。

（3）在气水比为3∶1和4∶1时，好氧生物滤池中基本上不存在反硝化，TN基本上是通过增殖排泥去除的；在气水比分别为1∶1及2∶1时，反应器内部存在着局部缺氧区域，适合反硝化菌的生长，可在一定程度上发挥反硝化的作用。

[1]潘芳.城市污水再生利用现状及发展对策[J].污染防治技术，2006，(06)：28-31.

[2]N.Terauchi，et aL.Studies on a bioLogicaL fiLter for musty odor removaL in drinking water treatment processes[J].Water Science TechnoLogy，1995，31（11）：229-235.

[3]宿程远，张建昆，李思敏.生物砂滤去除微污染水源水浊度特性与机理研究[J].工业用水与废水，2008，39(2)：24-27.

[4]赵静野，郑晓萌，高军.曝气充氧中氧总传质系数的探讨[J].北京建筑工程学院学报，2006，(01)：32-37.

[5]张闯，陶涛，李尔，谢荣焕.两种曝气设备的清水曝气充氧实验研究[J].环境污染与防治，2006，(01)：42-45.

[6]朱小彪，许春华，高宝玉，何文君，岳钦艳.曝气生物滤池生物量和生物活性的试验研究[J].环境科学学报，2007，(07)：39-43.

[7]F.Fdz-PoLanco，E.Mendez，M.A.Uruena，et aL. SpaiaL distribution of heterotrophsand nitriers in a submerged biofiLter for nitrification[M].Wat.Res.，2003.34 (10)：4081-4089.

[8]Zhu S，Chen S.Impacts of ReynoLds number on nitrification biofiLm kinetics[J].AquacuLturaL Engineering，2001，24：213-229.

[9]张红晶.侧向流曝气生物滤池前置脱氮的研究[J].给水排水，2007，33(1)：44-46.

[10]徐伟锋，孙力平，古建国，郑先强.DO对同步硝化反硝化影响及动力学[J].城市环境与城市生态，2003，(01)：58-61.

Air-to-Liquid Ratio's Impacts on Treatment Efficiency of Wastewater in Multistage BAF

Impact of air-to-liquid ratio on removal efficiency of CODCr、NH4+-N and TN were investigated in multistage BAF,under the conditions of hydraulic load of 3.0m3/(m2·h),temperature of 20-25℃,C sources addition of 60mg/L in anoxic filter column,air-to-liquid ratio of 1:1,2:1,3:1 and 4: 1.The result shows that the air-to-liquid ratio has significant effects on removal efficiency of BAF.When the air-to-liquid ratio increased from 1:1 to 3: 1,the removal rate of CODCr and NH4+-N have markedly improved in the first stage aerobic biological filter,increased from 22.26%to 34.46%and 35.06%to 63.98%respectively,the removal rate of TN has significantly decreased,decreased from 8.6%to 4.8%.when the air-to-liquid ratio continued to increase to 4:1,CODCr,the removal rate of NH4+-N and TN remained stable at 36.66%,68.66%and 4.7%.

air-to-liquid;Multistage Biological Aeration Filter;advanced treatment of wastewater

TU993.1

A

1671-9107（2011）10-0048-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.10.048

2011-06-08

陶涛（1978-），男，毕业于重庆大学给水排水工程专业，工程师。