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塑料填料曝气生物滤池处理河水的研究
2019-07-01 阅读：次
以曝气生物滤池（BAF）处理河水时出水氨氮质量浓度小于 0.5 mg/L 为目标，通过实验室小试对几种新型塑料填料的挂膜性能、硝化速率等进行了对比研究。通过中试研究了选出的填料的挂膜运行情况、气量要求、硝化速率及氨氮冲击负荷等。结果表明，BAF 系统大进水体积流量为 6 m3/h，出水氨氮的质量浓度可以稳定小于 0.5 mg/L，气量要求远低于常规陶粒滤料；此时填料表面积的大硝化速率为 50.1 mg/(m2·d)。BAF 在冲击负荷下大氨氮进水负荷为 91.72 g/(m3·d)。塑料填料完够满足处理要求，同时具有压力损耗低、反冲洗频率低的点。
曝气生物滤池（BAF）作为一种有效的水处理工艺，以其出水效果好、运行稳定和占地小等点在水处理中得到重视，特别是在净水处理和处理中广泛应用[1]。填料是 BAF 的重要组成部分，它是微生物的载体，决定了反应器内附着生长的微生物量，也影响着内部传质效果，同时对悬浮物有一定的过滤作用。不同的填料，其基建投资、运行成本和处理的效果都会有差异，选择一种合适的填料是 BAF 工艺的关键环节，有着重要的意义。
近年来一些研究和实践显示，塑料填料与传统的陶粒填料相比，具有曝气量和曝气压力损失小、反冲洗时不易破碎、更换频率低、能耗及运行成本低等点。因此，本研究以河水为水源，以出水氨氮的质量浓度小于 0.5 mg/L 为目标，通过小试比选了 4 种塑料填料，并通过中试对比化填料的运行条件和效果，为实际设计提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 塑料填料比选小试
实验材料：实验中 4 种填料性能参数和形状如表 1 所示。
实法：分别将 4 种填料用河水淘洗之后浸入河水中放置一夜待用；分别将取自某污水处理厂的回流污泥 10 L、生活污水 10 L、以及河水 25 L，注入1#～4# 反应器中，然后放入准备好的填料，进行曝气并采集初始样品。
（1）每天于 8:30、20:30 采集样品，测定水体中氨氮含量与 COD，计算其耗氧速率与硝化速率。采样后，加入碳源（醋酸钠）与氮源（氯化铵），维持反应器内氨氮的质量浓度为 15 mg/L，BOD5 为 50 mg/L；
（2）在挂膜初期阶段，为了降低加入碳源和氮源带入的盐分，每天停止曝气 0.5 h 后，排出上清液15 L，并注入等体积的新鲜河水。为了适当降低反应器内 MLSS 的含量，从 6 天开始，每天排出 15 L混合液，并注入等体积的河水；
（3）用 CaCO3 缓冲溶液调节反应器内 pH，使其维持在 7～8；
（4）测定培养期间 DO 含量、pH 及硝化速率。
1.2 填料中试
挂膜：根据小试结果，将选出的填料在中试现场进行接种挂膜。BAF 反应器直径 1 m，总高度 4.5 m，填料高度 2.5 m，填充率约 80%。将经过河水浸泡24 h 的填料同取自污水处理厂的活性污泥共同注入反应池中。填料在反应器中经过 4 周左右的培养，以利于生物膜在填料表面的生长。整个挂膜过程中，1 d内测定 1～3 次氨氮含量、COD、DO 和 MLSS 含量、碱度，并根据测定结果，将 KH2PO4、CH3COONa、Na2CO3 和 NH4HCO3 加入反应器中以维持适宜的COD、磷酸盐和氨氮含量、碱度。
曝气生物滤池（BAF）作为一种有效的水处理工艺，以其出水效果好、运行稳定和占地小等点在水处理中得到重视，特别是在净水处理和处理中广泛应用[1]。填料是 BAF 的重要组成部分，它是微生物的载体，决定了反应器内附着生长的微生物量，也影响着内部传质效果，同时对悬浮物有一定的过滤作用。不同的填料，其基建投资、运行成本和处理的效果都会有差异，选择一种合适的填料是 BAF 工艺的关键环节，有着重要的意义。
近年来一些研究和实践显示，塑料填料与传统的陶粒填料相比，具有曝气量和曝气压力损失小、反冲洗时不易破碎、更换频率低、能耗及运行成本低等点。因此，本研究以河水为水源，以出水氨氮的质量浓度小于 0.5 mg/L 为目标，通过小试比选了 4 种塑料填料，并通过中试对比化填料的运行条件和效果，为实际设计提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 塑料填料比选小试
实验材料：实验中 4 种填料性能参数和形状如表 1 所示。
实法：分别将 4 种填料用河水淘洗之后浸入河水中放置一夜待用；分别将取自某污水处理厂的回流污泥 10 L、生活污水 10 L、以及河水 25 L，注入1#～4# 反应器中，然后放入准备好的填料，进行曝气并采集初始样品。
（1）每天于 8:30、20:30 采集样品，测定水体中氨氮含量与 COD，计算其耗氧速率与硝化速率。采样后，加入碳源（醋酸钠）与氮源（氯化铵），维持反应器内氨氮的质量浓度为 15 mg/L，BOD5 为 50 mg/L；
（2）在挂膜初期阶段，为了降低加入碳源和氮源带入的盐分，每天停止曝气 0.5 h 后，排出上清液15 L，并注入等体积的新鲜河水。为了适当降低反应器内 MLSS 的含量，从 6 天开始，每天排出 15 L混合液，并注入等体积的河水；
（3）用 CaCO3 缓冲溶液调节反应器内 pH，使其维持在 7～8；
（4）测定培养期间 DO 含量、pH 及硝化速率。
1.2 填料中试
挂膜：根据小试结果，将选出的填料在中试现场进行接种挂膜。BAF 反应器直径 1 m，总高度 4.5 m，填料高度 2.5 m，填充率约 80%。将经过河水浸泡24 h 的填料同取自污水处理厂的活性污泥共同注入反应池中。填料在反应器中经过 4 周左右的培养，以利于生物膜在填料表面的生长。整个挂膜过程中，1 d内测定 1～3 次氨氮含量、COD、DO 和 MLSS 含量、碱度，并根据测定结果，将 KH2PO4、CH3COONa、Na2CO3 和 NH4HCO3 加入反应器中以维持适宜的COD、磷酸盐和氨氮含量、碱度。
整个挂膜过程中，各实验参数见表 2。
BAF 运行实验：经过 4 周左右的实验，挂膜完成，此时排空 BAF 后开始向 BAF 连续注入河水，初 BAF 中河水的体积流量为 1 m3/h；不断减少 BAF的进气量，使 BAF 出水 DO 的质量浓度维持在小4 mg/L。此后 4 周中逐步 BAF 中河水体积流量，大至 6 m3/h。挂膜过程各营养物含量及参数见表 2。
硝化速率的测定：通过 2 种方法进行，（1）从反应器中取 12 L 填料，轻轻地用河水将填料冲洗 3 次，表面附着的悬浮物，并将填料平均放入 3 个烧杯中；然后将河水注入烧杯中直至 5 L；将氨氮加入烧杯中以提高氨氮含量，并进行曝气，每隔 1 h 取 1 次样品并测定氨氮含量；（2）利用 1.2 节中 BAF 运行实验所测定的进、出水氨氮含量计算 BAF 的硝化速率。
1.3 BAF 氨氮冲击负荷实验
为保证 BAF 出水氨氮含量能稳定达标，进行了冲击负荷实验。在上述实验完成后，通过人为改变进水氨氮含量，并测定、计算各含量下 BAF 的硝化速率，以确定 BAF 的处理水量与进水氨氮含量之间的关系，计算不同处理水量下的大氨氮负荷，为设计运行提供可靠参数。
结果与讨论
填料比选小试
2.1.1 填料挂膜与运行情况
小试期间，各反应器内硝化速率 r 与水温变化情况见图 1。
小试期间，各反应器内硝化速率 r 与水温变化情况见图 1。
由图 1 可见，硝化速率与水温的变化趋势一致。
在培养的前 7 d，硝化速率明显上升，一方面是因为水温上升，另一方面可能是由于微生物量的增加。从培养 7 天开始，水温降低，而且换水过程使各反应器内活性污泥含量降低，因此硝化速率显著下降。随着水温回升和微生物量的增加，在培养 13天后各反应体系硝化速率均出现上升趋势。与培养前期相比，在相同的水温条件下，培养后期即使在各反应体系活性污泥含量已大幅下降的情况下，其硝化速率仍维持在较高的水平，对于 3#、4# 反应体系而言，硝化速率还略高于前期培养阶段，可见培养期间填料表面生物膜生长良好。
填料硝化速率测定
对填料硝化速率进行 2 次测试，结果见图 2。
从图 2 可见，3# 填料硝化速率好，2 次测试中分别为 0.8、1.0 mg/(L•h)以上；其次为 4# 填料，其 2次测试结果分别为 0.6、0.8 mg/(L•h)左右；1# 和 2# 填料则几乎没有发生硝化反应。从填料表面形态看，3#、4# 填料有明显的生物膜生长，1## 和 2# 则不明显。与 4# 填料相比，3# 填料密度较大，在曝气量小的情况下，基本沉在底层，便于生物膜的生长。但是在实际运行过程中，特别是在反冲洗阶段，可能会造成生物膜的大量脱落，影响处理效果。而 4# 填料流化效果好，即使在小曝气量情况下，仍然会相互碰撞，
因此生长的生物膜会相对牢固。鉴于此，本研究认为4# 填料为选填料，并用 4# 填料进行后续实验。
中试运行 BAF 运行情况 图 3 显示了 BAF 在不同进水量情况下氨氮的情况。
利用图 3 中所测定的进、出水氨氮质量浓度计算 BAF 的硝化速率，并与烧杯实验结果进行比较，如图 5 所示。
从图 5 可见，通过 BAF 运行实验结果计算所得硝化速率波动较大，其大硝化速率为 2.55 mg/(L•h)，
中试运行 BAF 运行情况 图 3 显示了 BAF 在不同进水量情况下氨氮的情况。
从图 3 可见，在各个水流量条件下，出水氨氮的质量浓度均能够满足低于 0.5 mg/L 的处理要求，其平均为 0.33 mg/L。当进水体积流量到 6 m3/h时，出水氨氮稍微增加，这表明 BAF 的处理能力可能达到大限。
2.2.2 气量要求
在 BAF 正常运行状况下，相比陶粒而言，塑料填料需要的气量更少。经过气体流量计测定，显示上述反应阶段的平均空气体积流量为 3 m3/h，即气水体积比为 1：2，这一气量能充分满足 DO 的质量浓度保持 4 mg/L 的要求。而对于陶粒填料，一般气水体积比为 3：1，是当前所用气量的 6 倍。
2.2.3 硝化速率测定
用烧杯进行了 4 次硝化速率测定实验，并对测定结果进行了 Michaelis-Menten 动力学拟合，如图 4所示[2]。大硝化速率为 1.67 mg/(L•h)，以此所得填料表面的大硝化速率为 50.1 mg/(m2•d)。
利用图 3 中所测定的进、出水氨氮质量浓度计算 BAF 的硝化速率，并与烧杯实验结果进行比较，如图 5 所示。
从图 5 可见，通过 BAF 运行实验结果计算所得硝化速率波动较大，其大硝化速率为 2.55 mg/(L•h)，
这一结果明显高于烧杯实验所得的结果。之所以出现这种差异，是因为 BAF 运行过程中所得的测量结果精确性较差，且一个进水、出水和流量数据，而烧杯实验每组数据点较多，精确性较好。
2.3 BAF 氨氮冲击负荷
BAF 运行 30 d 后，开始向进水中投加 NH4HCO3，并在不同流量下对进出水氨氮含量及体系的气量进行测定，结果如图 6 所示。
从图 6 可看出，在未投加 NH4HCO3 前，进水氨氮的质量浓度在 0.43～1.29 mg/L，当进水体积流量从 1 m3/h 逐渐升至 6 m3/h，出水氨氮的质量浓度稍有增加，但仍小于 0.5 mg/L，表明 BAF 的处理能力可能接近大限；在 BAF 运行到 59～64 天时，提高进水体积流量到 7 m3/h，进水氨氮的质量浓度维持在
0.79～1.5 mg/L，出水氨氮的质量浓度为 0.48～0.68mg/L ，基本上不能达到 的控制标准 可见，0.5 mg/L 。 在正常进水条件下，BAF 能保持氨氮含量稳定达标的大进水体积流量为 6 m3/h。
在 BAF 运行到 70～75 天时，保持进水体积流量为 6 m3/h，进水氨氮的质量浓度提高到 1.44～1.92mg/L，此时出水氨氮的质量浓度为 0.53～0.89 mg/L，基本上不达标；而当 BAF 运行在 43～54 天时，进水体积流量为 5 m3/h 左右，进水氨氮的质量浓度在2.0 mg/L 以上，出水氨氮超标率为 55%。
通过 SPSS17.0 相关分析，得出进水氨氮负荷和出水氨氮质量浓度在 0.01 水平上存在显著双侧正相关关系，相关系数为 0.77，2 者关系如图 7 所示。
从图 7 可见，当出水氨氮的质量浓度为 0.5 mg/L时，进水氨氮负荷为 0.18 kg/d，即 91.72 g/(m3•d)，重现率为 85.2%。因此可得出，BAF 大氨氮进水负荷为 91.72 g/(m3•d)。
3 结 论
小试中，通过对比 4 种塑料填料的硝化速率和运行效果，4# 填料为佳填料。
中试采用 4# 填料，在正常河水进水条件下，BAF系统大进水体积流量为 6 m3/h，出水氨氮的质量浓度可以稳定地小于 0.5 mg/L，气量要求远低于常规陶粒滤料；此时填料表面积的大硝化速率为 50.1mg/(m2•d)。
BAF 在冲击负荷下大氨氮进水负荷为 91.72g/(m3•d)。
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