曝气生物滤池处理低负荷生活污水试验研究

管绪友 谢 毫 胡瑞

（镇江市丹阳生态环境监测站 江苏丹阳 212300）

引言

曝气生物滤池（BAF）是一种生物膜法污水处理技术[1][2]，其在生物接触氧化基础上演变而来，主要利用生物滤料表面经驯化形成的生物膜。当污水通过生物滤料时，在滤料的物理截留、过滤、吸附和生物膜的代谢作用下，氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）和悬浮物（SS）等污染物被去除[3]。曝气生物滤池的主要特点是集滤料的物理吸附截留悬浮固体和生物氧化分解污染物质功能于一体，简化了操作工艺，具有运行负荷高、出水效果好、经济高效、易于管理等优点[4]，同时，又有不易受水质水量波动影响、维护管理方便、能源消耗运行费用相对较低等优点，在各类污水处理领域得到广泛应用[5]。在我国煤矿区，生活污水常常来自浴室、食堂、办公楼、宿舍等场所，水体中的主要污染物为悬浮物、化学需氧量和氨氮等，且化学需氧量和氨氮的含量较低[6][7]，在采用传统的活性污泥、接触氧化、膜生物反应器（MBR）等方法处理这些污水时[8]，常会出现出水水质不稳定、管理养护复杂、运行费用高等问题[9～11]。针对上述问题，开展利用曝气生物滤池工艺技术处理矿区低负荷生活污水的研究，通过分析影响曝气生物滤池的关键技术参数，以及曝气生物滤池对氨氮、化学需氧量、悬浮物等污染物的处理效果，为曝气生物滤池在矿区的推广应用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验水质

试验用水来自淮南矿区某煤矿生活污水，主要由浴室、食堂、办公楼、宿舍等排水组成，经检测其水质确定主要污染物含量分别为氨氮8.3～10.5mg/L，化学需氧量54.7～71.3mg/L，悬浮物45.2～61.5mg/L，pH 为7.4～8.2。

1.2 试验装置

生物滤池试验装置的小池尺寸为1m×1.2m×1.7m，其有效容积约为1.7m3，有效水深为1.5m，载体体积为0.96m3。在进行试验之前，滤池内的微生物菌群已先后经历了养生、驯化、稳定处理和正常运行4 个阶段，试验期间的进水流量为50L/h，污水由上而下穿过生物载体，水温为26.6～27.2℃。

1.3 测试方法

化学需氧量采用重铬酸钾法测定，氨氮采用纳氏试剂光度法测定，悬浮物采用重量法测定，溶解氧（DO）使用YSI550A 型便携式溶解氧仪采用电化学探头法测定，pH 使用雷磁PHS-25 型pH 计采用玻璃电极法测定，生化需氧量采用微生物传感器快速测定法测定。

2 结果与讨论

2.1 矿区生活污水水质分析

通过对2020 年至2022 年淮南矿区生活污水水质进行连续抽样检测和分析（见表1），确定其氨氮含量为1.64～11.77mg/L，化学需氧量为6～96mg/L，生化需氧量为3.6～49.8mg/L，悬浮物含量为2.5～100mg/L，其化学需氧量、生化需氧量和氨氮等污染物的含量相较于正常市政污水处理厂的进水[12～14]，水质负荷明显偏低。

表1 淮南矿区生活污水主要污染物含量分析表

淮南矿区生活污水主要污染物含量箱式图详见图1。从图1 可以看出，悬浮物指标的离散度最大，其平均值偏离在中位数之上，存在5 个异常值；化学需氧量指标的平均值偏离中位数较远，基本接近四分位数75%，同时存在8 个异常值；生化需氧量指标的平均值也是偏离在中位数之上，同时存在8 个异常值；氨氮指标的离散度最小，平均值基本在中位数之上，同时异常值也最少，仅有3 个。由此可知，淮南矿区生活污水中悬浮物含量波动较大，其次为化学需氧量，生化需氧量和氨氮含量相对稳定。

图1 淮南矿区生活污水主要污染物含量箱式图

2.2 主要技术参数对氨氮的处理效果影响分析

通过对淮南矿区生活污水水质特点的分析可知，矿区生活污水中的化学需氧量较低，氨氮含量相对较高，故选取了氨氮指标作为考察主要技术参数对处理效果的影响指标。

2.2.1 水力停留时间（HRT）对氨氮处理效果影响分析

氨氮去除率随水力停留时间（HRT）的变化如图2 所示。从图2 可以看出，HRT 从1.5h 增加到3.4h 时，氨氮去除率随停留时间的增长而明显升高；当HRT＜2h 时，去除率呈现大幅度增长趋势；当HRT＞2h 时，去除率增长速度明显变缓；当HRT=3.8h 时，去除率达到最大值97.2%；继续增加停留时间氨氮去除率则无明显变化。因此，根据HRT 试验结果，再结合实际应用，建议生物滤池的HRT 选定范围为2～3h。

图2 氨氮去除率与HRT 关系图

2.2.2 溶解氧（DO）对氨氮处理效果影响分析

氨氮去除率随溶解氧（DO）的变化如图3所示，当DO＜2.5mg/L 时，氨氮去除率随DO 浓度的增大而明显增大，这是由于DO 浓度过低时硝化细菌的活性将受到限制，从而影响硝化反应的顺利进行，随着DO 浓度增大，硝化细菌的活性明显加强，进而提高了氨氮的去除率。

图3 氨氮去除率与DO 关系图

从图3 还可以看出，当DO＞2.5mg/L 时，氨氮去除率却随DO 浓度的增大而降低。一是由于曝气量的增加使氧的供应量增大，促进了氧在生物膜中的渗透能力，增强了微生物的代谢活性，生物膜内的营养供应则相应不足，使得生物膜上部分微生物开始进入内源呼吸阶段，生物膜量减少；二是由于曝气量的增加使水流速度加快，水流和气流的联合加大了作用在生物膜上的水流剪切力，对生物膜的冲刷作用变强，使得生物膜的脱落量增加，生物膜量减少。生物膜量减少影响了氨氮的去除效率。

由此可知，生物滤池中DO 浓度直接影响生物脱氮系统的硝化反硝化程度，DO 过低会抑制含碳有机物的氧化及硝化反应，DO 过高又会加大能耗。因此，根据试验结果，推荐通过控制曝气量使反应器中DO 达到2.5mg/L 左右，以在不浪费能量的情况下最大程度地保证系统对氨氮的去除率。

2.3 生物滤池对主要污染物处理效果分析

2.3.1 氨氮去除效果分析

正常运行阶段试验装置进、出水中氨氮浓度及氨氮去除率的变化趋势如图4 所示。从图4 可以看出，氨氮浓度变化范围为6.89～10.3mg/L，虽然进水中氨氮浓度波动较大，但出水中氨氮的含量却相当稳定，生物滤池对氨氮的去除率为82.3%～83.7%，平均值为82.9%，可见生物滤池对氨氮具有良好的处理效能，并具有较好的抗冲击负荷能力。这是由于在生物滤池中，受氧气扩散的限制，载体由外向内形成DO 梯度，载体内部形成缺氧的微环境[15]，可为亚硝化菌和硝化菌以及反硝化菌提供良好的生存区域，确保了硝化与反硝化反应能够在生物载体中同时进行，进而保证了对氨氮的去除率。

图4 正常运行阶段氨氮浓度及去除率变化趋势

2.3.2 化学需氧量去除效果分析

正常运行阶段试验装置进、出水中化学需氧量浓度及化学需氧量去除率的变化趋势如图5所示。从图5 可以看出，化学需氧量浓度变化范围为55.7～69.7mg/L，进水化学需氧量浓度有一定波动，但出水化学需氧量浓度相当稳定，生物滤池对化学需氧量的去除率为66.2%～67.2%，平均值为66.6%，虽然略逊色于氨氮去除率，但生物滤池对化学需氧量仍具有良好的处理效果。其原因在于，氨氮的去除主要由硝化细菌完成，有机物的去除则由异养菌完成[16]，而生物滤池中系统内传质较为充分，保证了系统内DO 的充足，系统内增殖的异养菌虽然消耗了部分DO，却并不影响硝化细菌硝化作用的进行，因此生物滤池对化学需氧量和氨氮均有良好的处理效果。

图5 正常运行阶段化学需氧量浓度及去除率变化趋势

2.3.3 悬浮物去除效果分析

试验装置进、出水中悬浮物的含量及悬浮物的去除率变化如图6 所示。从图6 可以看出，进水中悬浮物浓度变化范围为40.7～48.6mg/L，进水中悬浮物浓度相对稳定，生物滤池对悬浮物去除率为80.2%～84.2%，平均值为83.1%，可见生物滤池对悬浮物有着较好的去除效果。这是由于生物滤池的载体孔隙较小，对污水中的悬浮物和胶体物质具有较强的吸附、截留作用，使得生物滤池对悬浮物的去除效果非常明显[15][17]。

图6 正常运行阶段悬浮物浓度及去除率变化趋势

结论

污染物去除率在一定时间范围内均随停留时间的延长而升高，但更长的停留时间对污染物去除效果的提升有限，因此结合实际应用，建议生物滤池的HRT 选定范围为2～3h。

当生物滤池中DO 含量过低时，将抑制含碳有机物的氧化及硝化反应，DO 含量过高时，又会加大能耗，且会影响对氨氮的去除，建议将DO 控制在2.5mg/L 左右。

生物滤池可在同一池中完成有机物的降解和氨氮的氧化，其对低负荷污水中的氨氮去除率达82.3%以上，对化学需氧量去除率达66.2%以上，对悬浮物去除率达80.2%以上，对于氨氮、化学需氧量和悬浮物均有较好的去除效果，但仍可采取多级串联的方式进一步提高各污染物的去除率。