基于聚氨酯填料生物转笼净化初期雨水耗氧类污染物效果*

雷晓玲，冯子泰，魏泽军，杨 程

(1 重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2 重庆市科学技术研究院，重庆 401123)

随着城市现代化的发展，雨水径流污染已成为城市水环境污染的主要部分。在雨季，山地城市路面坡度大，初期雨水径流冲刷路面，大量未经处理的污染物随径流排入城市管网，影响污水处理系统。以重庆市某园区为例，据调研显示有53.3%的污水处理厂雨天负荷过重，初期雨水中的耗氧类污染物(COD、氨氮)未经处理的污染物直接排放进入自然水体，引起城市水体黑臭[1]，现有以超滤、絮凝、生物滞留池等初期雨水处理工艺对溶解性有机物和氨氮的去除效果十分有限，不能达到排放标准[2-3]。

生物转盘技术具有生物量大、抗冲击能力强、管理维护方便等优点[4-5]，对氨氮和有机物有较好的去除效果。聚氨酯填料材质较软，内部孔隙率高，有较大面积的附着空间为微生物生长繁殖，更有利于硝化反硝化同步进行。通过结合以上两个特点，采用聚氨酯生物转笼来处理初期雨水，考察从生物转笼挂膜启动到参数优化，聚氨酯填料生物转笼对实际初期雨水中耗氧类污染物的去除效果。以期为初期雨水处理技术提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验用水

对初期雨水采取资料收集和实测验证，分析总结其污染物浓度。根据已有文献资料和实测数据的整理分析[6-10]，理论污染物浓度为浑浊度：300 NTU、COD：200 mg/L、TN：12 mg/L、TP：1 mg/L、氨氮：10 mg/L。初期雨水中浊度、氨氮利用高岭土、氯化铵等药剂模拟，实际配置水体的污染物浓度应在理论值左右波动。

1.2 实验装置

试验装置如图1所示，采用自行设计的新型三级生物转笼(从进水口开始依次为一级转笼、二级转笼和三级转笼)，生物转笼为圆柱形，直径30 cm，厚度为4 cm，体积为2 826 cm3，侧边设有加料口，盘片为不锈钢材质，整个盘面均匀开孔，孔径2 mm，三级转笼与转动齿轮通过不锈钢管连接，相互间间距为10 cm，由一台电机(型号YVF2-80M2-4，额定功率0.75 kW)驱动齿轮，从而带动转笼旋转。水池截面呈U型，水池两侧分别设有3个进出水口，其对应的浸没比为30%，50%，70%，70%浸没比时水池的有效容积为32.89 L，水池底部设有排污口。

图1 实验装置流程Fig.1 Flow chart of experimental system

1.3 实验方法

(1)装置挂膜

采用接种挂膜法，以普通聚氨酯为填料，填料填充比和生物转笼浸没比均保持为50%。第1天投加活性污泥上清液和原水，保持生物转笼静置同时用电磁空气泵辅助曝气，使水中的溶解氧维持在5 mg/L左右，此后每天加入适量碳源、氮源等营养物维持微生物生长需要，第3天时将转盘调至1 r/min低转速运行，同之前使用电磁空气泵使水体中溶解氧保持在5 mg/L左右，第5天拆除曝气泵，恢复装置进出水，转速调整为6 r/min，水力停留时间为10 h。从第5天开始每天记录进出水CODCr和氨氮指标，每隔三天记录各级生物转笼中填料附着生物量。

在装置挂膜成功后，考察在转速6 r/min，水力停留时间10 h，生物转笼浸没比70%的条件下，填料填充比分别为50%、80%、100%时对CODCr、氨氮的去除效果，最佳填充比确定后，分别考察在转速6 r/min、5 r/min、4 r/min、3 r/min、2 r/min、1 r/min(不同转速水中DO分别为5.43 mg/L、4.14 mg/L、3.66 mg/L、2.53 mg/L、1.86 mg/L、0.93 mg/L)和水力停留时间为10 h、9 h、8 h和7 h时生物转笼对耗氧类污染物的去除效果，确定最佳转速和水力停留时间。最终得到聚氨酯填料生物转笼的最佳工艺参数。试验期间每天将装置进出水取样检测并记录数据，生物转笼运行参数每次改变时，需等待出水水质稳定后再进行取样检测并记录数据。

(3)实际初期雨水净化

优化工艺参数后，验证聚氨酯填料生物转笼对实际初期雨水的处理效果，在某雨天降雨稳定后收集某商业区雨水井中的一定量的初期雨水，运至实验室进行试验，分析聚氨酯填料生物转笼对实际初期雨水中CODCr、氨氮的去除效果。

1.4 分析方法

出水的温度采用水银温度计；出水的pH值采用pH仪测定；DO浓度采用便携式溶解氧仪测定；氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；COD浓度采用快速消解分光光度法测定。

2 结果与讨论

2.1 生物转笼挂膜

生物转笼内维持水温为19.3～24.6 ℃，pH为7.24～7.53，DO为4.87～7.03 mg/L，整个挂膜过程一共16天，装置对CODCr和氨氮去除效果如图2所示。从第11天开始，出水污染物浓度逐渐稳定，CODCr去除率上升到68.3%，氨氮去除率上升到43.2%，这表示微生物开始降解水体中污染物，生物膜趋于成熟。随着微生物在填料表面不断繁殖，12天后，CODCr去除率全部高于60%，氨氮去除率全部高于在40%以上，表明装置已经达到生物降解的稳定阶段，出水水质稳定，由此认为生物膜基本成熟[11]。

图2 挂膜期间对污染物去除效果Fig.2 Effectiveness of pollutant removal during film attachment

各级生物转笼填料附着的微生物量在挂膜期间如图3所示。各级填料附着的微生物量差别明显，由一级转笼到三级转笼逐级下降，三级生物转笼填料附着生物量仅是一级生物转笼填料附着生物量的四分之一。分析原因，因为一级生物转笼最先与原水接触，所以一级生物转笼内有机物含量较高，提供充足的营养物质为微生物生长繁殖，因此后两级生物转笼填料附着生物量远低于一级生物转笼填料。

图3 挂膜期间各级生物转笼填料附着生物量Fig.3 Biomass attached to the bio-transfer cage filler at each level during the hanging period

2.2 运行参数优化

(1)填充比对污染物去除效果的影响

不同填充比的条件下，装置对污染物的去除见图4。在浸没比不变的情况下，填料填充比越多，装置CODCr的去除率越高，80%填充比的平均CODCr去除率相较于50%，提升了17.8%。填料越多，微生物生长环境的营养物质越丰富，在相同条件下，CODCr去除率与生物量呈正比。由研究表明，填充比越高，转笼转动时对水体的搅动越激烈，水体中溶解氧含量越高，促进生物膜的生长[12]，但填充比从80%上升到100%时，CODCr去除率只提升4.92%，分析认为填充比80%时，附着在填料上的微生物量对水中有机物的处理已经达到饱和，填充比变化对CODcr去除效果不再敏感。

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浸没比70%，填充比分别为50%、80%、100%时，生物转笼氨氮平均去除率分别为47.5%、89.5%、98.1%，填料填充比越多氨氮去除率也越高。装置主要靠硝化细菌进行硝化反应对氨氮进行降解，硝化细菌属于好氧微生物，其繁衍时代周期长[13]。填充比越多使得硝化菌的栖息地越大，并且转笼充氧能力也在不断上升，水中溶解氧含量增多，硝化细菌的生命活动越活越，装置对氨氮的降解能力越强。

图4 不同填充比的下污染物去除率Fig.4 Pollutant removal rate at different filling ratios

(2)转盘转速对污染物去除效果的影响

从图5可知，随着转盘转速的升高，装置对CODCr的去除率逐渐上升，转速越低生物转笼的搅动充氧能力越弱。转速在4～6 r/min时，装置对CODCr的去除效果几乎没有变化，通常认为水中溶解氧含量大于2 mg/L即表示达到了好氧环境，水体中好氧菌对污染物进行降解。当转速在1～3 r/min的范围时，装置对CODCr的去除效果逐渐提升，此时水体中溶解氧含量低于2 mg/L，环境处于缺氧状态，好氧菌的新陈代谢随着水中溶解氧的降低而减弱，对水中污染物去除效果降低，同时过低转速产生的剪切力不足以使旧的生物膜脱落，生物膜更新停止，膜的厚度越来越厚，部分微生物没有氧气进行呼吸作用因此抑制了对污染物的去除能力[14]，但该环境对厌氧菌的正常活动没有影响，对有机物的降解能力还存在。

装置对氨氮的去除率随着转速的降低而逐渐下降。装置转速不低于4 r/min时，对应水体中DO含量高大于2 mg/L，装置对氨氮的去除率超过95%，此时生物转笼系统中微生物的硝化能力良好。转速低于4 r/min时，对应水体中DO含量低于2 mg/L，装置对氨氮的去除率逐渐降低。生物转笼中的硝化细菌主要作用于氨氮的去除，硝化细菌作为好氧微生物在有氧条件下将水体中的有机物作为碳源，将氨氮氧化为硝态氮或亚硝态氮[15]，环境中DO含量对硝化细菌活性影响较大，低转速下生物转笼的充氧能力低，水体中的DO含量降低导致装置对氨氮的去除率也下降。有研究表明，转速过大，强烈的水力剪切力会使生物膜脱落，同时过大的转速还会影响硝化细菌的生存环境，导致系统对氨氮的处理率下降[16]。

图5 不同转速下的对污染物去除率Fig.5 Removal rate of pollutants at different speeds

(3)水力停留时间对污染物去除效果的影响

由图6可知，随着水力停留时间的降低，装置CODCr平均去除率下降，出水CODCr平均浓度范围在36.7～56.8 mg/L。水力停留时间超过7 h时，装置出水CODCr浓度小于50 mg/L，去除效果保持良好，当水力停留时间达到7 h时，CODCr去除率开始大幅度下降。维持生物转笼内部水量容积不变，降低水力停留时间即增强了水力负荷，适当的水力负荷条件下，微生物能快速生长繁殖，但水力负荷过大时，微生物和污水的接触时间减少，生物转笼内的微生物还没有完全降解水体中有机物，未被降解的有机物跟随出水排出，导致装置出水CODCr浓度上升，CODCr去除率下降。

当水力停留时间从10 h减少到7 h，氨氮的平均去除率分别为84.4%、83.9%、74.9%、44.2%，平均出水氨氮浓度分别为1.65 mg/L、1.64 mg/L、2.63 mg/L、5.81 mg/L。水力停留时间超过9 h时，装置的出水氨氮浓度均低于2 mg/L，水力停留时间小于9 h时，装置氨氮去除率大幅度降低。原因有三点，(1)硝化细菌繁衍周期较长，增长缓慢，需要较长的时间硝化反应才能完成，水力停留时间降低，污水与微生物的接触时间过短而导致硝化反应不完全，氨氮去除率下降[17]。(2)水力停留时间减少造成水力负荷增大，水体中有机负荷也会增强，异养菌在这样的环境下生长繁殖加快，生物膜更新周期加快，系统生态震荡性加强，而因硝化细菌繁衍周期较长，生长缓慢，其在此环境中与其他微生物的竞争处于劣势，系统内硝化细菌数量减少，活性下降，生物转笼对氨氮的降解能力下降。

图6 不同HRT下的污染物去除率Fig.6 Pollutant removal rate at different HRT

2.3 实际初期雨水净化效果

将雨天收集的初期雨水进行试验，聚氨酯填料生物转笼维持前期得出的最优参数运行，填充比、浸没比、转速、水力停留时间分别为100%、70%、2 r/min、8 h，验证在最优参数下装置对实际初期雨水的处理效果，对实际初期雨水中CODCr、氨氮的去除效果如图7所示。试验期间水温为21.7～22.3 ℃，DO为1.44～1.83 mg/L，pH为7.15～7.18。

图7 对实际初期雨水中污染物的去除效果Fig.7 Effectiveness of removal of pollutants from actual initial rainwater

由图7可知，装置的CODCr、氨氮平均去除率为79.8%、79.3%，CODCr、出水氨氮平均浓度为45.73 mg/L、1.84 mg/L，均满足一级A标准(GB 18918-2002)，可见聚氨酯填料生物转笼对实际初期雨水中耗氧类污染物的去除效果良好，装置出水水质稳定，验证结果与前文相符合。据雷晓玲等研究结果[18-20]，直接超滤技术对初期雨水CODCr、氨氮去除率分别为53.67%、28.25%，短程絮凝-超滤工艺对初期雨水CODCr、氨氮去除率分别为73.35%、38.51%。传统生物滞留带对初期雨水CODCr、氨氮去除率分别为58.5%、66.6%。聚氨酯填料生物转笼与直接超滤技术相比，对初期雨水CODCr、氨氮去除率分别提高了约20%、50%。与短程絮凝-超滤工艺相比，对初期雨水CODCr、氨氮去除率分别提高了约7%、40%。分析原因为：超滤随着使用时间的增长，膜污染累积会愈加严重，由此对污染物的去除能力下降，且絮凝过程中聚合氯化铝仅能去除少量胶体类和悬浮物上附着的有机物，对以溶解态为主的CODCr去除效果差，生物法与之相比对CODCr和氨氮的去除效果稳定高效。与传统生物滞留带相比，对初期雨水CODCr、氨氮去除率分别提高了约22%、16%。

3 结 论

聚氨酯填料生物转笼挂膜与启动共进行16天，在最佳参数为：填充比100%、转速2 r/min、水力停留时间8 h下运行，对实际初期雨水CODCr、氨氮平均去除率为79.8%、79.3%，装置出水CODCr、氨氮为45.73 mg/L、1.84 mg/L，均满足一级A标准(GB18918-2002)。与直接超滤相比，CODCr、氨氮去除率分别提高了约20%、50%。与短程絮凝-超滤工艺相比，CODCr、氨氮去除率分别提高了约7%、40%。与传统生物滞留带相比，CODCr、氨氮去除率分别提高了约22%、16%。该工艺前期挂膜成功后管理方便，占地面积小，造价成本低，能有效解决初期雨水造成城市水体黑臭的问题，可作为初期雨水的有效处理工艺。