曝气生物滤柱处理生活污水工艺研究

刘喜坤，梁　峙，肖　扬，孙小虎，陈奎章

(1.徐州市水利局，江苏 徐州　221111；2.徐州工程学院，江苏 徐州　221018；

3.徐州市环境应急与事故调查中心，江苏 徐州　221000)



曝气生物滤柱处理生活污水工艺研究

刘喜坤1，梁峙2，肖扬2，孙小虎1，陈奎章3

(1.徐州市水利局，江苏 徐州221111；2.徐州工程学院，江苏 徐州221018；

3.徐州市环境应急与事故调查中心，江苏 徐州221000)

摘要：为实现生活污水设备的快速一体化设计，结合自行研制的曝气生物滤柱，探究曝气生物滤柱运行方式和运行参数，并与石英砂滤柱的处理效果进行了对比.实验结果表明：反冲洗的频次对挂膜有显著影响；冲洗强度、时间与滤层的生物量密切相关，当水力负荷为3.0 m3/m2h、采用三段式联合反冲洗、过滤周期控制为48 h时，曝气生物滤柱对悬浮物的处理效果最佳，能够促进微生物在滤柱内重新均匀分布，促使滤柱新旧微生物群落的更替.

关键词：生物滤柱；曝气；污水处理；水质；降解

城镇污水处理的总体目标是充分利用城镇污水资源，削减水污染负荷，促进水的循环利用，缓解区域水资源短缺，推动城镇节水减排，提升我国城镇水资源综合利用效率和水平，推动资源节约型和环境友好型社会的建设[1-2].目前城镇污水处理技术主要包括常规处理、深度处理和消毒.常规处理包括一级处理、二级处理和二级强化处理，其主要功能为去除SS、溶解性有机物和营养盐(氮、磷)[3].深度处理包括混凝沉淀、介质过滤(含生物过滤)、膜处理、氧化等单元处理技术及其组合技术，主要功能为进一步去除二级(强化)处理未能完全去除的水中有机污染物、SS、色度、嗅味和矿化物等.污水处理设备体积庞大，处理单元繁杂，氮磷去除方面需要多种单元设计协同作用才能达到排放标准[4-7].为了提升水污染处理企业的运行效率，以及为生物处理生活污水的设计提供依据，优化工艺参数，研究了曝气生物滤柱的运行方式和温度对曝气生物滤柱处理效果的影响.本研究采用现场试验并对小型试验的成果进行放大运行，试验中模拟实际生产过程，对曝气生物滤池采用上向流运行方式.

1试验水质及分析测试方法

表1

2试验装置

图1　曝气生物滤柱立体透视图

目前城镇污水深度处理技术包括混凝沉淀、介质过滤(含生物过滤)、膜处理、氧化等单元，其处理设备体积庞大，处理单元数量多，各单元之间需要密切配合才能达到排放标准.为此，设计一种曝气生物滤柱的实验装置，以提高污水的处理效果.

试验装置包括3个有机玻璃滤柱，分别为a滤柱、b滤柱和c滤柱.3个有机玻璃滤柱高度相同，均为4.0 m，填料层高度3.0 m，直径分别为300，500，700 mm.滤柱a和滤柱b为曝气生物滤柱，a滤柱内装粒径2～4 mm陶粒，b滤柱内装粒径3～5 mm的陶粒；c滤柱为普通快滤装置，内装粒径1～3 mm的精制石英砂滤料.a、b滤柱运行期间采用上向流运行方式，在底部进行曝气，原水从滤柱底部进入反应装置，从滤柱上部溢流出水；精制石英砂滤柱c采用下向流运行方式，不曝气；原水从滤柱上部进入装置，从滤柱下部流出.如图1所示.

3结果与讨论

试验开展曝气生物滤柱的处理效果研究，探究曝气生物滤柱运行方式和运行参数，并以工艺出水达到生活杂用水标准为目的.

3.1有机负荷对挂膜的影响

由于污水处理厂一级处理出水中有机物含量高、微生物含量丰富，有利于滤料表面生物膜的形成，故而利用污水处理厂一级处理出水对曝气生物滤柱进行自然挂膜.试验对比低有机负荷和高有机负荷对曝气生物滤柱启动的影响，分析启动过程中进水氨氮去除率的变化.试验结果如图2所示.

图2　有机负荷对挂膜的影响

曝气生物滤柱启动挂膜过程中，高容积负荷促进了异氧菌的生长，抑制了硝化菌的生长.由于异氧菌的比生长速率大于硝化菌的，那么高容积负荷条件下异氧菌大量增殖，消耗了溶解氧和有机物，抑制了硝化菌的生长，造成试验过程中氨氮去除率始终低于8%[8].

3.2反冲洗对挂膜的影响

本次反冲洗试验采用水反冲洗，通过观察曝气生物滤柱的膨胀现象，控制水洗强度为7.5 L/m2s.曝气生物滤柱a挂膜期间进行反冲洗，每次反冲洗时间为1～2 min，曝气生物滤柱b挂膜期间不进行反冲洗，并对比分析反冲洗对缩短曝气生物滤柱启动时间及减少滤床板结的效果.试验结果如图3、图4所示.

图3　反冲洗对挂膜的影响

图4　反冲洗对挂膜的影响

曝气生物滤柱挂膜启动过程中，为保持生物量，许多文献研究建议不进行反冲洗，已有的研究也表明曝气生物滤柱启动过程中如果不进行反冲洗，大量悬浮物会被截留在进水端，微生物大量生长，极易发生堵塞[9].曝气生物滤柱启动过程中，微生物量在滤柱内的分布沿进水方向迅速减少，导致进水端滤料已经挂膜，而出水端没有发生挂膜现象，延长曝气生物滤柱启动周期.为防止发生堵塞，加快启动周期，故而研究反冲洗对曝气生物滤柱启动的影响.

在第1天至第5天期间，a滤柱和b滤柱都没有进行反冲洗，a滤柱和b滤柱对COD的去除率几乎相同，且均低于20%；在第6天，a滤柱反冲洗，b滤柱不进行反冲洗；在第7天至第11天期间，a滤柱COD的去除率明显高于b滤柱；在第8天，a滤柱对COD的去除率已达到29%；b滤柱在第11天对COD的去除率才达到29%.试验结果表明适当的反冲洗可以缩短曝气生物滤柱的启动周期.

3.3反冲洗对滤层生物量分布的影响

图5　反冲洗对滤层生物量分布的影响

试验反应进入到第11天，反冲洗前和反冲洗后，逐层提取曝气生物滤柱内微生物，进行测定，并分析反冲洗对不同高度滤层生物量的影响.结果如图5所示.

在桥吊上安装了1套用于桥吊大车和集卡车辆对位的引导系统，即集卡车辆引导系统（CPS）。该系统主要用于引导集卡司机快速、准确地进行集卡装卸作业。在桥吊的鞍梁上安装引导定位单元，来检测集卡车辆进入码头装卸区后的位置，再进行数据处理和分析，并将引导信息发送至指示屏，从而引导集卡司机将集卡车辆停在桥吊能直接起吊装卸的位置。CPS系统引导定位装置如图1所示。CPS系统显示器如图2所示。

从图5可知，反冲洗前微生物主要集中在距离进水口0～100 cm的范围内，微生物分布极不均匀.在进水口0 cm处，微生物量为83 nmol/cm3填料；距离进水口100 cm处，微生物量迅速降为19 nmol/cm3填料.在100～200 cm的范围内，微生物分布比较均匀，距离进水口100 cm处，微生物量为19 nmol/cm3填料；距离进水口200 cm处，微生物量降为15 nmol/cm3填料.反冲洗后，微生物在整个滤柱内分布变均匀，进水口0 cm处，微生物量为40 nmol/cm3填料；距离进水口200 cm处，微生物量为22 nmol/cm3填料.

试验结果表明，低强度反冲洗虽然会造成滤柱少量微生物流失，使得滤柱内少量的生物膜脱落，经过一定时间后，又会在滤柱原有位置上补充，同时原来主要在进水口附近积累的微生物在全层分布，增加了微生物与基质的接触面积，提高了微生物的活性.b滤柱挂膜期间没有进行反冲洗，导致滤柱底部生物膜过厚,产生板结现象，堵塞进水，增大了运行操作难度.

现有研究表明试验滤柱反冲洗过程中冲洗强度、时间应根据滤柱填料性质、填料高度而定：既要促进微生物在滤柱内重新均匀分布，又不能导致微生物大量流失[10].

3.4生物滤柱与石英砂滤柱处理效果对比

为了比较曝气生物滤柱工艺设计与石英砂柱的效果，本试验对比分析曝气生物滤柱和精制石英砂滤柱处理的技术参数，以求为提升和优化滤柱设计参数提供参考.试验同时启动a曝气生物滤柱和c精制石英砂滤柱，经过15 d运行，实现微生物富集驯化，工艺各个部分运行达到稳定.试验结果见表2.

表2　曝气生物滤柱与精制石英砂滤柱处理效果对比

从表2中可以看出，曝气生物滤柱对COD、BOD5、氨氮、色度、细菌和大肠杆菌的处理效果明显好于精制石英砂滤柱.曝气生物滤柱出水中COD、BOD5、氨氮、色度均满足各类生活杂用水标准，精制石英砂滤柱出水中只有氨氮和色度能够满足各类生活杂用水标准.曝气生物滤柱出水微生物指标明显好于精制石英砂滤柱出水，其出水微生物指标相对进水减少一个数量级，可大幅度降低后续消毒处理负荷[11].

3.5曝气生物滤柱滤速的确定

图6　水力负荷对SS和氨态氮的影响

滤柱滤速或者说水力负荷对曝气生物滤柱的处理效果有重要影响[12].滤柱滤速高，水力停留时间短，则减少曝气生物滤柱与溶解性污染物接触时间，降低了处理效果.另一方面，高水力负荷增加滤柱膨胀率，能够使截留的污染物质向滤柱深处扩散，增加了污染物和微生物的接触面积，提高了滤柱的纳污能力.试验通过逐渐提高滤柱的水力负荷特性，分析曝气生物滤柱对SS、氨态氮的去除效果.如图6所示.

从图6中可以看出，随着水力负荷提高，曝气生物滤柱对氨氮的去除率逐渐下降；曝气生物滤柱对SS的去除率呈现抛物线型，水力负荷低于3.0 m3/m2h时，曝气生物滤柱对SS的去除率随水力负荷的升高而升高，当水力负荷高于3.0 m3/m2h时，曝气生物滤柱对SS的去除率随水力负荷的升高而降低.所以，当进水负荷为3.0 m3/m2h时，也就是进水流滤速为3 m/h时效果最佳.

3.6曝气生物滤柱过滤周期的确定

曝气生物滤柱运行中经常需要反冲洗，这样可以使得表面老化生物膜脱落，为新生物膜的更新预留空间，提高滤柱对悬浮物的容纳能力.因此，反冲洗是维持曝气生物滤柱高效运行的关键.曝气生物滤柱中填料孔隙率较高，即使发生出水SS升高现象，滤柱滤速也不会发生明显变化，故而以出水SS为控制指标，当出水SS骤然回升时，将其作为曝气生物滤柱的反冲洗时间.通过试验发现，运行48 h后，出水SS等指标会出现骤然回升现象，因此反冲洗周期控制为48 h是合适的.

4结论

1)曝气生物滤柱启动挂膜过程中，低有机负荷滤柱对氨氮的去除率变化率较小，且填料表面能够发现明显生物膜.

2)采用水反冲洗，观察曝气生物滤柱对挂膜启动周期的影响.试验结果表明适当的反冲洗可以缩短曝气生物滤柱的启动周期.

3)低强度反冲洗虽然会造成滤柱少量微生物流失、少量生物膜脱落，且经过一定时间后，又会在滤柱原有位置上补充；但没有进行反冲洗，会导致滤柱底部生物膜过厚，产生板结现象，堵塞进水，增大了运行操作难度.

4)曝气生物滤柱出水微生物指标明显好于精制石英砂滤柱出水，其出水微生物指标相对进水减少一个数量级，大幅度降低后续消毒处理负荷.

5)试验结果表明当进水负荷为3.0 m3/m2h、进水流滤速为3 m/h、反冲洗周期控制为48 h时，其处理效果最佳.

6)本优化工艺相对于传统方法，运行平稳，抗干扰能力强.该工艺处理量较大，反冲洗间隔时间较长，有利于提高处理效率.

参考文献：

[1] 葛华飞,蔡磊,邓慧萍,等.不同曝气方式下PAC-UF工艺处理微污染原水的中试研究[J].工业水处理，2015,35(2):50-53.

[2] 屠汉超,闫旭.不同气体流量下曝气去水体分层的研究[J].现代制造技术与装备,2015(1):57-60.

[3] 何蜀东.接触水解-藻类微曝气复合污水处理系统在污水处理中的应用[J].资源节约与环保,2015(2):50.

[4] 王荣昌,肖帆,赵建夫.生物膜厚度对膜曝气生物膜反应器硝化性能的影响[J].高校化学工程学报,2015,29(1):151-158.

[5] 杨长明,荆亚超,张芬,等.泥—水界面微孔曝气对底泥重金属释放潜力的影响[J].同济大学学报:自然科学版,2015,43(1):102-107.

[6] 丁卫,盛德洋,梁曦,等.曝气炭砂滤池去除氨氮的生产性示范工程研究[J].给水排水,2015,41(2):19-22.

[7] 周军,买文宁,孙长清,等.高级氧化—IC—曝气工艺处理克林霉素生产废水实例[J].给水排水,2015,41(2):48-51.

[8] 马立.哈尔滨污水深度处理工艺优化及生产性试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[9] 何岩,姚丽平,李文超,等.黑臭河道底泥细菌群落结构对人工曝气响应的DGGE分析[J].华东师范大学学报,2015(2):84-90.

[10] 葛华飞,邓慧萍,史俊.不同曝气方式下PAC-UF工艺处理微污染原水的中试研究[J].工业水处理,2015,35(2):50-53.

[11] 何蜀东.接触水解—藻类微曝气复合污水处理系统在污水处理中的应用[J].资源节约与环保,2015(2):50-50.

[12] 王志军,李继震,李圭白.单级滤池曝气接触氧化除铁除锰技术研究[J].给水排水,2015,41(3):13-16.

(编辑徐永铭)

江苏省食品资源开发与质量安全重点建设实验室开放课题(SPKF201416);徐州工程学院仪器开发课题

Research on Treatment of Domestic Wastewater with Biological Aerated Filter

LIU Xikun1，LIANG Zhi2，XIAO Yang2，SUN Xiaohu1，CHEN Kuizhang3

(1.Water Affairs Bureau of Xuzhou，Xuzhou 221111 China;

2.Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；

3.Environmental Emergency and Accident Investigation Center of Xuzhou ，Xuzhou 221000，China)

Abstract:In order to realize the design of fast integrated domestic sewage equipment,this paper explores the operational mode and parameters of self-developed biological filter column, and compares its treatment effect with that of quartz sand filter column.The experiment results showed that the backwash frequency has a significant influence on biofilm,and the flushing intensity and time are closely related to the biomass in the filter layer.When the hydraulic load is 3.0 m3/m2h and the filtration cycle control is 48 h with three-stage joint backwash, the suspension treatment obtains the best effect, which not only promotes the evenly re-distribution of microorganisms within the filter column, but also prompts the microbial community transition between the old and new.

Key words:biologic filter; aeration; sewage treatment; water quality; degradation

中图分类号：X703.1

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)04-0066-05

通讯作者:梁峙(1961-),男,广东中山人，教授,博士，主要从事水处理工艺研究.

作者简介：刘喜坤(1973-)，男，安徽涡阳人，教授级高级工程师，博士，硕士生导师，主要从事水处理工艺研究.

基金项目：国家星火计划(2013GA690426);住房和城乡建设部科技计划项目(2015-K6-018);江苏省水利科技重点项目(2014052)；