两级木炭曝气生物滤池的挂膜启动研究

江小林，肖 云

（武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉，430065）

曝气生物滤池集污水生物处理和滤池本身的截留过滤作用于一体，能有效去除污水中的各种污染物。它因占地面积小、工艺流程简单、出水水质好、基建和运行费用低、易于管理、可间断运行、对冲击负荷的适应能力强等优点而引起广泛关注［1－5］。在曝气生物滤池的处理工艺中，滤料的选择直接影响到污水处理效率和成本［6］。活性炭因具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和良好的吸附性能而在污水处理领域倍受青睐，但其生产过程复杂，生产成本偏高。相比之下，木炭的制造工艺简单，制作原材料来源广泛，价格较低，虽然其吸附性能比活性炭略差，且质地疏松易碎，但在污水处理领域仍具有良好的应用前景。与目前常用的陶粒填料（比表面积为3.99m2／g，对氨氮的吸附能力为0.21mg／g）相比，木炭的比表面积（100m2／g）较大，对氨氮的吸附能力（0.24mg／g）略强［1］。同时，木炭的孔隙结构更有利于原生动物和后生动物的生长繁殖，也使其反冲洗周期稍长于陶粒填料。因此，本文以木炭作为曝气生物滤池的填料，以城市污水处理厂二沉池回流污泥为接种污泥，以初沉池出水为原水启动挂膜，研究两级木炭曝气生物滤池的各级挂膜启动状况，考察其在不同实验条件下对水中污染物的去除情况。

1 试验装置与方法

试验装置如图1所示。两滤柱均采用内径为80mm的有机玻璃柱加工而成，其有效高度为2000mm，柱内装填粒径为2～8mm的木炭，底部配水区高度为100mm，以保证进水的均匀性。滤料层高度为1600mm，清水区高度为200 mm，滤料层沿水流方向每隔300mm设一取样口，每级滤柱共设5个。高位水箱用来保证水压恒定，出水用储存箱收集，以便为反冲洗提供水源。在两个滤柱的底部均设曝气和气水反冲洗装置，采用上向流方式运行。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experiment equipment

试验开始于2011年7月9日，在水温为25.4～29.6℃的条件下，两滤柱均采用接种挂膜法，以城市污水处理厂二沉池的回流污泥作为接种污泥。挂膜分为两个阶段：（1）静态挂膜，即向两滤柱内分别注入活性污泥进行闷曝，曝气量为20 L／h，2天后放空闷曝后的滤柱，注入新的活性污泥；（2）连续培养，7月14日排出滤柱内没能有效挂膜的悬浮微生物（放空滤池），以初沉池出水为原水连续进水（滤速约为1m／h），同时进行曝气，启动过程中DO浓度控制在3～5mg／L，7月19日开始将两级滤柱改为串联运行并逐渐提高滤速，使其适应进水水质的变化。在整个通水运行期间对原水和各级出水的COD以及NH3－N浓度进行检测。

另外，在挂膜启动期间，为了避免挂膜后滤柱内微生物的过量繁殖以及进水中携带的部分悬浮固体使滤柱内的孔隙率减小、水头损失增大甚至造成堵塞，需要对滤柱进行定期的低强度反冲洗。一级滤柱（除碳段）每5天反冲一次，二级滤柱（硝化段）每8天反冲一次。两个滤柱的反冲洗周期不同，当其中一个滤柱处于反冲后的恢复期间时，另一个能有效地稳定出水水质。

2 结果与分析

运行初期，木炭填料漂浮于水中，位于滤柱中下部的填料表面有透明黏性物质，随后木炭表面出现浅黄色絮体，并沿滤柱高度上升；从第3天开始，滤柱上出现黄褐色斑点，并且随着时间的延长，斑点不断扩散；到第7天，木炭上已附着了一层黄褐色的生物膜，木炭也因此而逐渐沉下来。通过显微镜可观察到生物膜中包裹着大量丝状菌、原生动物和后生动物，如线虫、草履虫、鞭毛虫、轮虫等。

启动过程中原水和各级出水的COD变化如图2所示，COD去除率的变化如图3所示。图2中虚线所示位置为两级滤柱串联运行前后的分界点。由图2和图3可见，尽管原水的COD（168～345mg／L）波动较大，两个滤柱分别通水运行5天后，其出水COD均可达到一个相对稳定的水平，一级滤柱出水COD平均值为116.4mg／L，二级滤柱出水COD平均值为117.8mg／L，两个滤柱对COD的初始去除率均超过60%。

图2 原水和各级出水的COD变化Fig.2 COD changes of raw water and outflow water

图3 COD去除率随时间的变化Fig.3 Changes of COD removal rate with time

从图3中可以看出，串联运行后一级滤柱对COD的去除率较高且很稳定，其平均COD去除率为82.27%；二级滤柱对COD的去除率较低且波动较大，COD去除率最高时达到27.42%，最低时为－5.44%，其平均值仅为11.47%。造成这一现象的主要原因是曝气生物滤池对COD的去除效果与进水COD值有关，进水COD越高，COD去除率就越高［7］。由于二级滤柱的进水为一级滤柱的出水，易于降解的污染物已经在一级滤柱中分解，当一级滤柱的COD去除率达到饱和后，如果其出水COD仍然很高，那么二级滤柱对COD的去除率会相应提高，反之则降低，甚至出现COD去除率为负的现象。

从图3中还可以看出，在每次反冲洗之后，各级滤柱的COD去除率均有所下降，其原因是反冲洗在去除滤柱堵塞物的同时，也冲掉了木炭中生长的部分悬浮态微生物，导致滤柱对COD的降解能力下降。随着运行时间的延长，滤柱内悬浮态微生物减少，固着态微生物大量增殖，反冲洗后COD去除率的降幅减小。挂膜启动后期，COD的累计去除率均达到80%以上且相当稳定。

启动过程中原水和各级出水的NH3－N浓度变化如图4所示，NH3－N去除率的变化如图5所示。由图4可见，原水NH3－N浓度为10～41 mg／L，串联运行后，二级滤柱出水的 NH3－N浓度很快就低于10mg／L。由图5可见，一级滤柱对NH3－N的去除率极不稳定，平均去除率仅为35.70%，而二级滤柱对NH3－N的去除效果明显好于一级滤柱，启动运行后第7天和第10天，二级滤柱对NH3－N的去除率分别达到64%和88.9%，其平均NH3－N去除率为75.30%，因此，二级滤柱对NH3－N的去除起主要作用。

图4 原水和各级出水的NH3－N浓度变化Fig.4 NH3－N concentration changes of raw water and outflow water

图5 NH3－N去除率随时间的变化Fig.5 Changes of NH3－N removal rate with time

在两级滤柱串联运行后的第20天（此时水力负荷为4m／h、进水 COD 为237mg／L、NH3－N浓度为15mg／L），曝气生物滤池中 COD和NH3－N浓度的沿程变化如图6和图7所示。

由图6和图7可见，各级滤柱的出水COD和NH3－N浓度均随填料高度的增加而降低。沿水流方向前60cm填料对COD的去除效果最好，第2个取样口处出水COD去除率已达到59.1%，填料高度在60～150cm之间时，COD去除率增速变缓。这是因为，进水中有机物浓度沿滤柱高度方向不断降低，导致其降解速率也不断降低。沿水流方向60cm以后，填料对NH3－N的去除率迅速上升，第5个取样口处的出水NH3－N去除率已达到57.3%。这主要是因为，此时异养型微生物因得不到充足的营养而处于减速增殖期［8］，致使生物膜的增长速度缓慢，而随着填料高度的增加，溶解氧越来越多，自养型硝化细菌增殖速度加快，活性增强，NH3－N的氧化速度加快，其去除率迅速上升。

图6 不同取样口处的出水CODFig.6 COD of outflow water at different sample taps

图7 不同取样口处的出水NH3－N浓度Fig.7 NH3－N concentration of outflow water at different sample taps

3 结 论

（1）采用木炭作为曝气生物滤池的填料来处理生活污水，对COD和NH3－N的去除均能达到满意效果，挂膜启动后期COD和NH3－N的去除率均达到80%以上。

（2）采用接种挂膜法使木炭表面及内部空间积存大量的活性污泥，并且能够在较短时间内在填料表面形成稳定的生物膜，显著提高了污染物的初始去除率，启动初期两个滤柱对COD的初始去除率均达到60%以上。

（3）两级曝气生物滤池能充分发挥各级优势，使营养类型不同的微生物在各自适宜的环境中生长繁殖。一级滤柱主要用于去除COD，二级滤柱主要用于去除氨氮，同时稳定出水水质。

［1］周爱姣.木炭曝气生物滤池的特性及效能研究［D］.武汉：华中科技大学，2008.

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