李金波，陶虎春，李紹峰

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，廣東 深圳 518055；3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建工系，廣東 深圳 518055）

《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918－2002）頒布實施后，廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠的傳統(tǒng)活性污泥法工藝面臨出水難達(dá)標(biāo)的壓力，亟需應(yīng)用新技術(shù)保障水廠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。生物活性炭流化床是生物流化床與生物活性炭技術(shù)相結(jié)合的新工藝。生物流化床[1-2]是將傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法有機(jī)結(jié)合并引入化工流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用于污水處理的一種新型生化處理裝置。其技術(shù)核心是以填料直接投加到曝氣池中，作為微生物的活性填料。依靠曝氣池內(nèi)的曝氣和水流的提升作用使反應(yīng)器內(nèi)達(dá)到流化狀態(tài)，廢水中的污染物與均勻分散的生物膜充分接觸而被去除[3-4]。具有處理效率高、容積負(fù)荷大、抗沖擊能力強(qiáng)、設(shè)備緊湊、占地少等優(yōu)點[5]，被認(rèn)為是未來最具發(fā)展前途的生物處理工藝之一[6]。生物活性炭技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，其實質(zhì)是利用活性炭具有巨大比表面積、發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的吸附性能等特點，以活性炭作為載體構(gòu)建生物膜，對污染物質(zhì)進(jìn)行降解[7]。

本文采用以生物活性炭為載體的流化床工藝（Biological Activated Carbon Fluidized Bed,BACFB），研究其處理生活污水的可行性并與同等工況下傳統(tǒng)活性污泥法工藝（Conventional Activated Sludge,CAS）作比較，以期為城鎮(zhèn)污水處理廠改建找到新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗所采用的反應(yīng)器裝置如圖1所示。反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制造，內(nèi)徑90 mm，有效高度830 mm，有效體積為5.0 L。污水由蠕動泵從進(jìn)水口泵入，上聯(lián)通管與下聯(lián)通管經(jīng)蠕動泵帶動，構(gòu)成外部循環(huán)，反應(yīng)器底部設(shè)置3個微孔曝氣頭，采用電磁式空氣壓縮機(jī)供氣，通過轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量，電磁閥控制出水，整套裝置由微電腦時控開關(guān)（PLC）實現(xiàn)自動控制。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental equipment

1.2 試驗方法

接種污泥取自深圳市羅芳污水處理廠，測得MLSS 為 28.50 g·L-1。本文按 1.8 g·L-1的量向反應(yīng)器內(nèi)投加污泥，加入污泥量為0.32 L。其中，BAC-FB選用粒徑0.18～0.25 mm的顆?；钚蕴繛檩d體，按反應(yīng)器有效體積的3%投加。然后，加入配制好有機(jī)濃度的進(jìn)水，原水取自北京大學(xué)深圳研究生院校園內(nèi)的生活污水。悶曝2 d，以后間歇進(jìn)水，HRT保持在8 h，每天鏡檢1次。掛膜期間為防止空氣對活性炭表面生物膜的過度沖刷，調(diào)節(jié)氣水比為 16： 1。

1.3 測試指標(biāo)及方法

檢測的水質(zhì)指標(biāo)：COD、BOD5、NH3-N、TP、pH，分析參照文獻(xiàn)[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 啟動時間的對比

反應(yīng)器啟動運行初期，CAS出水中COD去除率為30%～35%，而BAC-FB出水中COD去除率為42%～44%。這說明BAC-FB對溶解性有機(jī)物的去除能力略高于CAS，其原因為表面積較大的顆?；钚蕴枯d體，對有機(jī)物具有很強(qiáng)的吸附能力。隨著生物膜的培養(yǎng)與馴化，可以發(fā)現(xiàn)BAC-FB對COD的去除率一直高于CAS，并于啟動8 d后達(dá)到了＞80%的去除率；而CAS則在18 d后才達(dá)80%的COD去除率。同時，微生物相鏡檢觀察到輪蟲、線蟲、纖毛蟲、等枝蟲、鐘蟲等原生動物和后生動物，確定BAC-FB啟動運行8 d以及CAS運行18 d時均成功啟動，相比較而言，BAC-FB大大縮短了啟動時間。

2.2 COD的去除

如圖2所示，反應(yīng)運行初期進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷控制在一個較低的水平，待BAC-FB與CAS兩反應(yīng)器出水COD去除率皆達(dá)到60%以上后，逐漸提高進(jìn)水濃度。CAS與BAC-FB在相同進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷條件下持續(xù)運行近兩個月，兩者對生活污水COD去除率有明顯差距。

圖2 兩反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷與COD去除率Fig.2 Influent organic loading and COD removal rates of two reactors

兩反應(yīng)器啟動成功后，CAS工藝COD去除率仍波動較大，最低處只有64%，BAC-FB反應(yīng)器COD去除率基本維持在93%左右，說明BAC-FB反應(yīng)器具有運行穩(wěn)定、COD處理效果高以及抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的特點。其原因在于BAC-FB采用粒徑較小的顆粒活性炭為載體，比表面積大，一定量載體提供微生物膜生長面積大，因而微生物濃度高。當(dāng)微生物濃度增高時，有機(jī)物降解速率加快，同時BACFB體系廢水與微生物膜接觸表面大，水中有機(jī)物與微生物膜傳質(zhì)條件好，進(jìn)而加快了生化反應(yīng)速度。與此同時，在流化床中載體粒料攪動劇烈、分布均勻，可對沖擊性有機(jī)負(fù)荷及有毒負(fù)荷起到緩沖作用。

2.3 NH3-N的去除

運行階段，兩種工藝的NH3-N處理效果對比見圖3。隨著NH3-N濃度的升高，硝化中間產(chǎn)物積累，抑制氨氮的硝化反應(yīng)速率，使去除率有所下降。CAS反應(yīng)器在較低氨氮濃度時有較好的去除效果，平均去除率＞78%，當(dāng)NH3-N濃度由37.5 mg·L-1上升至57.8 mg·L-1時，去除率迅速由81%下降至73%。進(jìn)一步提高NH3-N濃度到61.9 mg·L-1時，去除率下降至65%以下。NH3-N負(fù)荷提高對BAC-FB脫氮效率影響較小，當(dāng)氨氮濃度升至61.9mg·L-1時，去除率仍然保持在97%左右，說明BAC-FB處理生活污水較同等工況下CAS可有效脫除氨氮。

圖3 NH3-N去除效果Fig.3 Effect of NH3-N removal

2.4 污泥特性分析

BAC-FB的污泥沉降速度和泡沫控制情況均優(yōu)于CAS，結(jié)果見圖4。

圖4 BAC-FB/CAS處理生活污水SVI變化規(guī)律Fig.4 SVI variation of BAC-FB/CAS treating domestic sewage

從圖4的污泥沉降指數(shù)（SVI）變化規(guī)律可以看出，CAS運行至第8天時便污泥膨脹（SVI＞150 mL·g-1），BAC-FB的污泥沉降性能明顯好于CAS。由于BAC-FB中投加了顆粒活性炭載體，改善了污泥結(jié)構(gòu)，使污泥絮體更加緊密，同時由于活性炭的孔隙被水分和微生物充滿形成BAC，密度比水大[10]，從而提高了污泥絮體密度和沉降性能；另一方面，由于污泥沉降性能的提高，隨出水而損失的污泥量得到有效控制。CAS由于絲狀菌繁多而導(dǎo)致污泥膨脹，BAC-FB中雖然絲狀菌數(shù)量也較多，但鏡檢發(fā)現(xiàn)其大部分在載體表面附著生長，以載體顆粒為骨架的污泥絮體大而密實。因此，有效避免了絲狀菌引起的污泥膨脹。

2.5 穩(wěn)定運行的處理效果

BAC-FB與CAS連續(xù)運行2個月，穩(wěn)定運行期間處理效果見表1。

表1 BAC-FB/CAS處理生活污水運行效果Table 1 Performance of BAC-FB/CAS treating domestic sewage

BAC-FB處理生活污水，出水COD≤50 mg·L-1、BOD5≤10 mg·L-1、NH3-N≤5 mg·L-1、TP≤0.5 mg·L-1，各項出水指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB189189-2002）中規(guī)定的國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，CAS僅達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定運行狀態(tài)下，BAC-FB的處理性能優(yōu)于CAS。

2.6 生物相的觀察

見圖版Ⅰ。CAS和BAC-FB在整個運行過程中生物相的對比觀察結(jié)果。

CAS啟動初期污泥散碎、稀少；BAC-FB活性炭與污泥各自獨立，并無附著現(xiàn)象。反應(yīng)器運行至第8天，CAS系統(tǒng)出現(xiàn)大量絲狀菌，已有污泥膨脹的跡象，遂降低有機(jī)負(fù)荷停止進(jìn)水?dāng)?shù)日恢復(fù)正常；同期，BAC-FB啟動成功，載體活性炭表面包裹著一層厚厚的生物膜。運行至第18天，CAS啟動成功，出現(xiàn)少量鐘蟲和線蟲等后生動物，但在生物種類與數(shù)量上較相似工況下BAC-FB反應(yīng)器少得多。

3 討 論

試驗中BAC-FB啟動成功僅需8 d，較CAS大大縮短了啟動時間。其原因在于BAC的高吸附性能，接種的微生物被快速固定在載體表面，攝取水中的營養(yǎng)物質(zhì)，并在載體表面生長、繁殖，減少了微生物附著到載體上的時間[9]，降低了菌體被消耗（如游離菌被捕食）的機(jī)率。

生物活性炭流化床（BAC-FB）對污染物指標(biāo)的去除率比CAS反應(yīng)器高，其機(jī)理主要在于快速形成的生物膜，使整個系統(tǒng)處于懸浮生長和附著生長相結(jié)合的狀態(tài)。生物膜的存在加大了反應(yīng)器內(nèi)的生物量和生物種類，并能保證世代較長的微生物（如硝化菌）生存，利于硝化反應(yīng)；生物膜載體從表面到內(nèi)部存在溶解氧濃度的梯度，形成相應(yīng)的好氧、缺氧和兼氧區(qū)，為直接脫氮提供了良好的環(huán)境。大部分活性污泥以生物膜附著在填料表面，提高了微生物的空間分布的均勻性，使有機(jī)質(zhì)更易被吸附降解，提高了出水水質(zhì)穩(wěn)定性。此外，BAC的存在克服了污泥沉降性能差以及污泥膨脹等問題。由于不需要大量設(shè)備投入，該技術(shù)特別適用于城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥法的升級改造。

4 結(jié)論

本文試驗研究表明，BAC-FB較CAS在處理生活污水上效果顯著。

a.同等工況下，BAC-FB啟動成功需8 d，CAS需18 d，BAC-FB較CAS啟動時間更短；

b.在相同進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷條件下持續(xù)運行，處理效果表明BAC-FB對污染物的去除率明顯高于CAS，可有效脫除氨氮，BAC-FB反應(yīng)器具有運行穩(wěn)定、去除效率高和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的特點；

c.污泥沉降指數(shù)變化規(guī)律表明，BAC-FB不發(fā)生污泥膨脹，污泥沉降性能明顯好于CAS；

d.相似工況下，BAC-FB在生物種類與數(shù)量上較CAS反應(yīng)器豐富。

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