曝气生物滤池-超滤组合工艺处理高氨氮高有机物原水的效果

雷晓玲，梁 寒，杨 程，魏泽军,*，颜 海

(1. 重庆交通大学，重庆 400074；2. 重庆科学技术研究院，重庆 401123；3. 中机中联工程有限公司，重庆 400000)

山地重庆村镇饮用水源大多以水库水为主，近年来因为周边环境和人类活动的影响，水库受污染严重。部分自来水厂的常规絮凝-沉淀工艺在处理水库污染水时存在着出水CODMn长期超标和氨氮时有超标的问题，如何对水厂工艺进行升级改造已是水处理行业的重要问题。

超滤作为“第三代城市饮用水净化工艺”，具有占地面积小、安装时间短、自动化程度高等优点，能够有效去除水中的悬浮物、胶体以及致病微生物，但对溶解性物质如中小分子有机物、氨氮等的去除效果较差[1-3]。因此，在处理此类污染水时需与其他工艺联用。曝气生物滤池是目前较为成熟的生物膜法污水处理工艺。相关研究表明，其具有脱氮、除磷、除碳功能，且出水水质好，运行稳定，基建投资低[4-6]，对中小分子有机物、氨氮的去除效果良好。因此，考虑将超滤与曝气生物滤池相结合，通过微生物的生物降解转化来进一步处理水体中氨氮、有机物等污染物，提高对污染物的去除效果。目前，国内对曝气生物滤池和超滤的研究大多为其自身工艺的提升改造，对于两者联用处理污染水的研究鲜有报道。因此，在重庆某水厂建立中试处理装置，采用新的曝气生物滤池-超滤组合工艺处理水库污染水，验证出水达到水质要求的可行性，为相关工程设计及运行提供技术支持。

1 试验方法

1.1 原水水质

本次中试试验装置的进水取自重庆某水库，试验期间的CODMn为5.7～8.7 mg/L，氨氮为0.08～1.09 mg/L，色度为30.9～45.4度，浑浊度为3.36～8.35 NTU，DO为2.9～12 mg/L，pH值为7.36～8.72，水温为27.1～30.2 ℃，呈现出高氨氮、高有机物的水质特征。

1.2 试验装置

曝气生物滤池-超滤的工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of the Process

曝气生物滤池试验装置采用φ0.4 m×4 m的滤柱，流向为升流式，试验装置进水量为1 m3/h，曝气方式为鼓风曝气，曝气装置采用底部微孔扩散曝气，试验装置运行气水比采用1∶1，滤池所用填料为轻质球形陶粒，圆形，棕褐色，粒径为3～5 mm，孔隙率>30%。承托层设在陶粒填料下部，采用卵石承托层，卵石粒径为4～6 mm，厚度为250 mm，承托层下部设有用于反冲洗的滤板和滤头。

超滤装置采用内压式中空纤维超滤膜，材料为PVC合金，面积为2 m2，孔径为0.01 μm，截留分子量为10 000 Dalton，外形尺寸为φ117 mm×535 mm，工作压力为0.1～0.3 MPa，工作温度为5～45 ℃。超滤装置由原水箱、进水阀、流量计、压力表、超滤膜等组成，运行周期包括正冲、反冲和过滤3个阶段。

1.3 试验方法

曝气生物滤池启动与挂膜试验：对曝气生物滤池进行启动挂膜，装置运行初期的水力停留时间为8 h，4 d后将水力停留时间缩短到3 h，9 d后进一步缩短到1 h，17 d后缩短到30 min；试验过程中，水中溶解氧含量始终保持在5 mg/L左右，每天检测进出水污染物指标;当曝气生物滤池对CODMn及氨氮的去除率分别稳定在20%和70%以上时，即认为试验装置挂膜成功。

曝气生物滤池运行参数优化试验：分别考察在气水比为 0.5∶1、1∶1、1.5∶1和水力停留时间为10～50 min时曝气生物滤池对CODMn、氨氮的去除效果，试验期间每2 d对原水及曝气生物滤池出水进行1次取样检测，以得到试验装置最佳运行参数。在装置最佳运行参数下，每2 d对原水及曝气生物滤池出水进行1次取样检测，最终得到曝气生物滤池对CODMn和氨氮的去除效果。

曝气生物滤池-超滤试验：将曝气生物滤池与超滤装置串联，待装置稳定运行后，每2 d分别对原水、曝气生物滤池出水、超滤出水进行1次取样检测，从而得到曝气生物滤池-超滤组合工艺对CODMn和氨氮的去除效果。

1.4 分析指标

CODMn：酸性高锰酸钾法；氨氮：纳氏试剂分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 曝气生物滤池的启动与挂膜

曝气生物滤池挂膜期间,对原水中CODMn和氨氮的去除效果如图2所示。

图2 曝气生物滤池挂膜期间对原水中CODMn(a) 和氨氮(b)的去除效果Fig.2 Removal Effect of CODMn (a) and Ammonia Nitrogen (b) in Raw Water during Film Mounting of BAF

由图2可知，在试验前5 d，试验装置对CODMn和氨氮存在少量的去除效果。研究表明：轻质陶粒因其内部形成的微孔隙通道及表面电荷，对氨氮具有一定的吸附容量[7]；同时，因其粗糙的表面及存在的大量孔隙，对原水中的悬浮物等有一定的过滤作用，而表现出一定的滤除贡献。正是因为吸附和物理滤除作用，且其作用稳定性不强，存在淋洗效应，使最初的约12 d内，出水水质存在较大波动，当试验进行到16 d后，出水水质开始逐渐稳定。相关研究表明，对于曝气生物滤池,宜采用相对较稳定的氨氮去除率作为判断生物膜成熟和挂膜成功的基本标志[8]。对比第2 d及16 d的去除效果，进水氨氮浓度分别为0.50 mg/L和0.52 mg/L，但氨氮去除率从18.0%上升到63.4%，这表明生物降解逐渐在污染物去除中占主要作用，生物膜趋于成熟。类似研究采用自然挂膜，23 d后，曝气生物滤池启动完成[9]。随着微生物的不断繁殖，在试验进行19 d及21 d后，曝气生物滤池对CODMn及氨氮的去除率分别稳定在20%和70%以上，表明试验装置已经进入生物降解稳定阶段，出水水质基本稳定，由此即可认为生物膜基本成熟，曝气生物滤池挂膜成功。

2.2 曝气生物滤池运行参数优化试验

2.2.1 气水比对污染物去除效果的影响

气水比对CODMn和氨氮去除效果的影响如图3所示。

图3 气水比对CODMn和氨氮去除效果的影响Fig.3 Influence of Gas-Water Ratio on Removal Efficiency of CODMn and Ammonia Nitrogen

在水力负荷为7.96 m3/(m2·h)、水力停留时间(HRT)为30 min的条件下，气水比为0.5∶1时，CODMn和氨氮的平均去除率分别为15.0%和63.5%；气水比为1∶1时，CODMn和氨氮的平均去除率分别上升到21.7%和70.0%，与气水比为0.5∶1时相比，有较大的提升；气水比为1.5∶1时，CODMn和氨氮的平均去除率分别上升到23.6%和72.9%，但与气水比为1∶1时相比，上升幅度不大，同时，CODMn的去除率呈现小幅提升后下降的趋势。分析认为，较高的气水比提高了水中的溶解氧，有利于微生物的生长繁殖，更促进了微生物、污染物、氧气之间的相互接触，有利于污染物的传质及生物降解。类似研究也指出，在填料结构相同条件下，采用较大气水比有利于增加微生物种类，可有效提高曝气生物滤池处理效果[10]，但气水比过高则会对填料上的生物膜造成冲击，不利于生物膜附着，使得生物膜脱落，从而导致出水CODMn浓度升高。也有研究显示，气水比过高会引起填料层中的气阻效应，造成水在滤层中的实际停留时间下降，导致出水氨氮浓度变高，氨氮去除率下降[11]。不难看出，曝气量对滤池类反应器污染物去除效果的影响较复杂。对本装置而言，气水比为1∶1时的供氧量已基本达到饱和，溶解氧已不再是限制因素，更高的气水比不仅不利于提升处理效果，还会使工艺的运行成本增加，经济效益较低。从去除效果和经济效益考虑，气水比1∶1为最优曝气运行控制参数。

2.2.2 水力停留时间对污染物去除效果的影响

水力停留时间对CODMn和氨氮去除效果的影响如图4所示。

图4 水力停留时间对CODMn和氨氮去除效果的影响Fig.4 Influence of Retention Time on Removal Efficiency of CODMn and Ammonia Nitrogen

由图4可知：水力停留时间为10 min时，CODMn和氨氮的平均去除率最低，为9.20%和65.0%；水力停留时间为50 min时，CODMn和氨氮的平均去除率最高，为23.3%和73.0%；随着水力停留时间的增加，试验装置对CODMn和氨氮的平均去除率呈逐渐上升的趋势。水力停留时间过短，原水与生物膜上的微生物接触时间不足，污染物尚未完全降解便被水流带走；同时，水力停留时间的减少意味着进水负荷的增加，加大了滤层间的过流速度和水流剪切力，水力冲刷作用过强，易导致生物膜脱落[11]，从而使去除率下降；较长的水力停留时间能够使微生物与水中污染物得到充分接触，污染物被充分吸附、降解，但增大水力停留时间势必会增加投资成本，实际工程中在保证去除效果的前提下，优先选择较短的水力停留时间。在水力停留时间为30 min时，CODMn和氨氮的平均去除率分别为21.5%和70.0%，满足处理要求。从去除效果和经济效益考虑，采用30 min为后续试验装置水力停留时间。

2.3 曝气生物滤池对污染物的去除效果

对装置曝气量、水力停留时间2个重要运行参数进行优化后，在试验装置气水比、水力停留时间分别为1∶1和30 min的情况下，曝气生物滤池对原水中CODMn和氨氮的去除效果如图5所示。

图5 曝气生物滤池对CODMn (a)和氨氮(b)的去除效果Fig.5 Effect of BAF on CODMn (a) and Ammonia Nitrogen (b) Removal

由图5可知：在试验的20余d中，进水CODMn为5.14～7.88 mg/L，平均值为6.56 mg/L，出水CODMn为4.19～6.12 mg/L，平均值为5.04 mg/L；进水氨氮为0.54～0.76 mg/L，平均值为0.63 mg/L，出水氨氮为0.16～0.25 mg/L，平均值为0.19 mg/L。CODMn和氨氮的平均去除率分别为23.1%和70.1%，氨氮的平均去除率较采用相同原水的常规工艺(即絮凝-沉淀-过滤-消毒)提高了47.1%，CODMn的平均去除率降低了6.94%。由试验结果可知，曝气生物滤池出水氨氮基本稳定，满足水质要求，而出水CODMn波动较大，不能完全达到水质要求。对氨氮的去除主要依赖于硝化细菌的硝化作用[12-14]。相关研究发现，曝气生物滤池沿程优势微生物依次分别为异养菌和硝化菌，其中，主要亚硝化细菌为亚硝化单胞菌，主要硝化细菌为硝化螺菌，由于曝气生物滤池中硝化菌在成熟生物膜中属于优势细菌[10,15]，且在本试验装置内部长期处于好氧状态，其有利于硝化作用，对氨氮的去除效果较好。好氧微生物对有机物去除的影响因素较多，有效的接触时间及足够的溶氧是基本条件，而原水中可生化有机物含量比例是影响出水CODMn的限制条件[8]。对于小分子有机污染物，曝气生物滤池主要是通过生物膜上好氧细菌的生物氧化作用进行去除；对于大分子有机物及悬浮物中附着的有机物，一般是通过生物膜的生物吸附和过滤作用，受限于陶粒填料粒径(3～5 mm)，过滤去除作用有限。因此，将超滤工艺与生物滤池联用，以探索对污染物的去除效果，特别是对有机物的去除。

2.4 曝气生物滤池-超滤组合工艺对污染物的去除效果

曝气生物滤池-超滤组合工艺对原水中CODMn和氨氮的去除效果如图6所示。

图6 曝气生物滤池-超滤组合工艺对CODMn(a) 和氨氮(b)的去除效果Fig.6 Effect of Combined Processes of BAF and UF on CODMn (a) and Ammonia Nitrogen (b) Removal

由图6可知：曝气生物滤池-超滤联用试验运行期间，原水CODMn为6.62～7.4 mg/L，平均值为7.1 mg/L，超滤出水CODMn为3.26～3.84 mg/L，平均值为3.5 mg/L；原水氨氮为0.38～1.08 mg/L，平均值为0.65 mg/L，超滤出水氨氮为0.1～0.17 mg/L，平均值为0.13 mg/L；CODMn和氨氮的平均去除率分别为50.0%和81.5%，较曝气生物滤池分别提高了26.9%和11.4%，较常规工艺分别提高了20.0%和58.5%。由试验结果可知，超滤工艺利用孔径极小的高分子薄膜，通过物理过滤能够进一步去除水中的氨氮和CODMn，对CODMn去除效果的提升显著。组合工艺运行期间，出水氨氮和CODMn基本稳定。同时，由图6可知，在第2次和第5次取样中，进水氨氮浓度较高，为0.76 mg/L和1.08 mg/L，对应的出水氨氮浓度分别为0.14 mg/L和0.17 mg/L，出水水质稳定性高，表现出对高浓度原水的良好适应性，表明组合工艺具有一定的耐冲击负荷能力。曝气生物滤池通过微生物的生物氧化作用和硝化作用，对溶解性有机物及氨氮有着良好的去除效果，而超滤则能进一步去除水中粒径处于胶体范围的大分子量有机物。因此，在超滤工艺前增加曝气生物滤池生物处理工艺，两者联用可以提高对原水中氨氮、有机物的去除效果。试验结果表明，曝气生物滤池-超滤组合工艺对CODMn和氨氮的去除率较高，出水CODMn和氨氮均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中的相关要求。

3 结论

曝气生物滤池装置采用自然挂膜，滤池水温在27.1～30.2 ℃时，持续运行约21 d后，CODMn及氨氮的去除率分别稳定在20%和70%以上，即标示着曝气生物滤池挂膜成功。曝气生物滤池运行参数：气水比为1∶1，水力停留时间为30 min。曝气生物滤池-超滤组合工艺对CODMn和氨氮的平均去除率分别为50.0%和81.5%，较曝气生物滤池试验分别提高了26.9%和11.4%，较常规工艺分别提高了20.0%和58.5%。原水在经过曝气生物滤池-超滤工艺处理后，其出水的氨氮、CODMn均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中的相关要求。