基于不同滤料的生物滤池处理污染湖水的研究

李思敏，唐珍芳，赵静霄，李传龙

(1.河北工程大学 城市建设学院，河北 邯郸056038;2.河北工程大学水电学院，河北邯郸056038)

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，河流、湖泊水污染不断加剧，进而导致了城市河湖水体水质及水生态环境的持续恶化。生物滤池是将生物膜处理技术和过滤技术结合在一起的水处理技术，集生物降解、过滤、吸附于一体，具有去除SS、COD、－ N、脱氮除磷等作用［1]。滤料作为生物滤池的重要载体，它的选择直接影响到整个工艺的运行效果。李亚新［2]对生物砂滤池处理微污染原水中的氨氮、浊度和酚类等进行了静态研究;李德生等［3]采用生物活性滤料和石英砂组成的双层滤料滤池，研究了其对受污染原水的氨氮、有机物等的去除效果;郑俊等［4]的研究表明，生物陶粒滤池出水水质较火山岩滤池好，同时在滤池运行初期挂膜和反冲洗后恢复期方面优势明显。因此，选择处理高效、价格低廉的滤料，对生物滤池工艺的应用具有重要意义［5－6]。本文选用了2种不同粒径的活性炭、两种不同粒径的石英砂和陶粒等5种不同滤料，对比考察了不同滤料的滤池对受污染湖水中的浊度、CODMn、NH4+－N和TN的去除效果。

1 材料及方法

1.1 原水水质

原水水质及分析方法如表1所示。

1.2 滤料

选用了2种不同粒径的活性炭、2种不同粒径的石英砂和陶粒滤料，分别填充5个生物滤柱进行对比试验，滤料参数如表2所示。

1.3 试验装置

试验用5个滤柱结构及尺寸均相同，均由有机玻璃制成，截面面积为140 mm×140 mm，总高度2 100 mm，其中承托层高度300 mm、滤料高度900 mm、滤料以上过滤水头900 mm。1、2号滤柱装填不同粒径的活性炭滤料，3、4号滤柱中装填不同粒径的石英砂滤料，5号滤柱中装填陶粒滤料。每个滤柱沿程设取样口，上部设进水口和反冲洗排水口，下部设出水口和曝气口。其中1号装置示意图如图1所示。

表1 原水水质及检测方法Tab.1 Raw water quality and monitoring method

表2 滤料及参数Tab.2 Parameters of filter media

试验采用穿孔管曝气，反冲洗方式采用气－水联合反冲洗，反冲洗过程及操作参数为:单独气洗1.5 min，气洗强度14 L/(m2·s);气 － 水联合冲洗3 min，气洗强度10 L/(m2·s)，水洗强度18 L/(m2·s);单独水洗 3 min，强度 20 L/(m2·s);1、2号滤柱反冲洗周期为96 h，3、4号滤柱反冲洗周期为72 h，5号滤柱反冲洗周期为120 h。

2 结果与讨论

当原水 pH值为6.6～7.8、水温为16～22℃、水力负荷为5 m3/(m2·h)、气水比为1.5:1时，分别考察了5个滤柱稳定运行时对浊度、CODMn、NH4+－N和TN的去除效果。

2.1 对浊度的去除效果

各滤柱对浊度的去除率如图2所示。

由图2可知，生物滤池对浊度有很好的去除效果。在进水浊度为5.3～18.2NTU时，1～5号滤柱对浊度的去除率分别为80.1% ～91.87%、78.3% ～ 91.59%、82.1% ～ 92.56%、83.1% ～94.02%和71.3% ～ 84.6%，平均去除率分别为84.45%、84.26%、87.02%、87.91% 和 75.63%。生物滤柱对浊度的去除主要是依靠滤料的截留和吸附作用，另外滤料上生物膜的吸附及粘附作用等对浊度也有一定的去除效果。通过对比发现，石英砂滤料的除浊效果较好，同种滤料小粒径的对浊度的去除效果优于大粒径的，这是由于小粒径的滤料空隙率小、截留作用更加充分。结果显示，4号柱的除浊效果最佳，这是因为4号滤柱石英砂滤料粒径较小，且比重大、空隙率小，因而滤料对悬浮物的物理截留较充分。由于5号柱的陶粒滤料粒径较大，导致部分悬浮物未被截留而直接随出水流走，因而除浊效果较差。试验发现，水力负荷对浊度的去处效果影响较小，原水的浊度直接影响浊度的去除率，原水浊度高时的除浊率高于低浊度时的除浊率。

2.2 对CODMn的去除效果

各滤柱对CODMn的去除率如图3所示。

由图3可知，当进水CODMn在3.8～ 9.7 mg/L时，1～5号滤柱对 CODMn的去除率分别为31.44% ～ 41.97%、29.77% ～ 38.79%、26.33%～ 33.89%、28.41% ～ 34.86% 和 31.7% ～39.85%，平均去除率分别为 36.82%、35.05%、30.63%、32.43% 和 35.79%。可见，活性炭对CODMn的去除效果较好，陶粒次之，石英砂相对较差。这是因为，降解CODMn主要依靠滤料上附着的生物膜，因此单位滤料体积的微生物量越多，对CODMn的去除效果越好。1、2号滤柱中装填的活性炭滤料因其比表面积大，因而附着生长的生物量较多。

同时由于活性炭滤料有较大的孔隙率和较高的粗糙度，因此反冲洗后生物活性恢复较快，去除效果较好(因试验中活性炭滤料不是新料，其吸附能力已经趋于饱和，所以吸附性能不予考虑)。5号滤柱陶粒滤料粒径较大、空隙率大、比表面积较大，对大分子有机物具有很强的吸附作用，因此对CODMn也有较强的去除效果。石英砂滤柱中，由于滤料孔隙率较小，滤柱中生物量相对活性炭滤柱、陶粒滤柱较少，因而去除效果较差。同种滤料，粒径小的比表面积较大，因而其对CODMn的去除效果略好于大粒径的。试验同时发现，石英砂滤料由于密度较大，长期处于过滤状态后滤柱水头损失增长较快，因而反冲洗周期较短。

2.4 对TN的去除效果

各滤柱对TN的去除率如图5所示。

图5结果表明，生物滤池对TN有一定的去除效果。当进水TN浓度为4.6～8.6 mg/L时，1～5号滤柱对 TN的去除率分别为 8.24% ～11.59%、8.08% ～ 11.24%、6.47% ～ 9.52%、6.83% ～ 10.14%和 7.21% ～ 10.84%，平均去除率分别为 10.19%、9.69%、7.91%、8.46% 和8.85%。可见，活性炭对TN去除效果最好，陶粒次之，石英砂较差;对于同种滤料，小粒径滤料的去除效果优于大粒径的。生物滤柱对TN去除效果较差，主要是由于原水中污染物浓度较低，在这种好氧贫营养环境中滤料表面所形成的生物附着膜厚度较薄，再加之水中溶解氧浓度较高、C/N较低，因而限制了反硝化细菌的生长和繁殖。因此，为达到更好的脱氮效果，可根据反硝化细菌生长的环境特点，考虑在现有的生物滤池前(或滤池后)加设缺氧柱，并适当投加碳源，如甲醇［8]。通过改善滤池环境和碳氮比，从而改善滤池对TN的去处效果。

3 结论

3)陶粒滤料由于粒径较大，空隙率大，因此对浊度的去除率较差，对浊度、－N和TN 的去除率分别为 75.63%、35.79%、80.06% 和8.85%。

4)石英砂滤料除浊效果好，在微污染景观湖水的生物过滤处理中可以满足有机物及－N的处理要求，成本较活性炭低廉，采用石英砂滤料即可取得良好的水质改善效果。

［1] 孟繁丽，李亚峰，贾新军.曝气生物滤池内的短程硝化研究［J] .工业安全与环保，2008，34(9):19－22.

［2] 李亚新，侯建荣.生物砂滤池处理微污染源水净化新工艺特性研究［J] .给水排水，1997，2(7):6－9.

［3] 李德生，黄晓东，王占生.微污染水净化新工艺－生物强化过滤研究［J] .中国给水排水，2000，16(10):18－20.

［4] 郑俊，吴浩汀.曝气生物滤池工艺的理论与工程应用［M] .化学工业出版社，2005

［5] 严子春，龙腾锐，何强.曝气生物滤池及其处理效能因素分析［J] .水处理技术，2005，31(5):27－29.

［6] 蔡苇，肖文胜，郭建林.曝气生物滤池中用不同滤料处理生活污水的研究［J] .工业安全与环保，2010，30(9):21－22.

［7] 刘莉，代纯伟.哈尔滨群力污水处理厂工艺调试及优化调整［J] .黑龙江科技学院学报，2011，21(5):364－367.

［8] 李思敏，缪保芬，李中巍，等.气水比对生物砂滤工艺处理二级出水的影响［J] .中国给排水，2010，26(11):100－103.