厲林聰，吳益輝，黨勇杰，吳 凱，張淼佳，GEORGE Lu

(1.杭州余杭城西凈水有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江海牛環(huán)境科技股份有限公司，浙江杭州 311100)

曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)是一種較常見的污水處理工藝，通常被應(yīng)用于污水生物處理和微污染水源預(yù)處理[1-3]。該工藝兼具生物膜法和過濾單元的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)填料除了作為吸附和降解污染物微生物的載體外，還可以起到過濾攔截的作用，從而達(dá)到凈化污水的目的[4-5]，因此，在全世界城市污水處理中得到了廣泛的推廣與應(yīng)用[6]。傳統(tǒng)的BAF多采用陶粒作為填料載體，傳統(tǒng)陶粒填料價(jià)格較低，但比表面積小、微生物掛膜量少且附著能力不強(qiáng)，因此，對(duì)污染物的去除效率較低[7]。同時(shí)，隨著使用年限的延長(zhǎng)，陶粒填料容易局部板結(jié)，造成水質(zhì)處理效果不理想、堵塞情況嚴(yán)重、反洗頻次增加、處理能力降低等影響[8]，最終只能通過清池更換填料解決。隨著對(duì)BAF研究和應(yīng)用的增多，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為BAF工藝中生物填料性能是影響其處理效果的關(guān)鍵[9-11]。因此，對(duì)新型填料性能的研究和篩選已經(jīng)成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)，如納米改性陶粒填料、復(fù)合生物填料[12]、發(fā)泡聚丙烯填料等，但這些填料均無法同時(shí)兼顧處理效果與填料的堵塞問題。改性聚氨酯填料(modified polyurethane filler，MPF)可滿足曝氣生物濾池的水質(zhì)處理效果，同時(shí)在其處理效率、堵塞情況等方面也表現(xiàn)優(yōu)異[13-14]，成為BAF應(yīng)用填料重要的備選種類之一。目前，在BAF中關(guān)于MPF的研究大多處于實(shí)驗(yàn)室水平，而缺少中試規(guī)模的相關(guān)研究成果，一定程度上限制了MPF在BAF工藝上的應(yīng)用。

本文通過2套并行的中試設(shè)備，分別采用MPF和傳統(tǒng)陶粒填料的BAF對(duì)比，在市政污水深度處理領(lǐng)域的處理效果及主要的影響因素，為采用MPF的BAF的工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)[水力停留時(shí)間(HRT)、外加碳源量及反洗周期]提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)和碳源

為了讓所得試驗(yàn)結(jié)果能充分服務(wù)于后續(xù)BAF工程應(yīng)用，試驗(yàn)用水直接取自某污水處理廠二沉池出水，試驗(yàn)期間水質(zhì)情況如下：pH值為6.80～7.30，CODCr、氨氮、TN、TP、SS含量分別為14.00～32.00、2.50～9.80、8.20～14.30、0.10～0.31、18.00～32.00 mg/L。

試驗(yàn)所用碳源為25%的乙酸鈉溶液，CODCr含量為21萬mg/L。

1.2 填料特性

試驗(yàn)組和對(duì)照組采用的填料分別為MPF和普通陶粒填料，2種填料的規(guī)格及性能參數(shù)如表1所示。

表1 MPF和陶粒填料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of Modified Polyurethane Filter and Ceramic Material Filler

試驗(yàn)組所采用的MPE-Ⅰ及MPE-Ⅱ填料實(shí)物如圖1所示。

圖1 填料實(shí)物Fig.1 Packing Material

注：1—鼓風(fēng)機(jī)；2—反洗閥門；3—曝氣閥門；4—碳源罐；5—計(jì)量泵；6—流量計(jì)(碳源)；7—進(jìn)水泵；8—流量計(jì)(進(jìn)水)；9—進(jìn)水渠；10—填料；11—曝氣管；12—反沖洗管；13—箱體圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Experimental Device

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)組和對(duì)照組的中試試驗(yàn)裝置如圖2所示。裝置主體尺寸為L(zhǎng)×W×H=1.5 m×1.5 m×1.35 m，池內(nèi)由下至上分別設(shè)有反沖洗氣管、曝氣管、填料區(qū)等，其中，底部布水區(qū)層高為0.4 m，濾料層高為0.45 m，清水區(qū)層高為0.3 m，超高為0.2 m。試驗(yàn)組濾料層設(shè)有上、中、下3層，分別由濾網(wǎng)及固定件對(duì)其進(jìn)行分層固定，而對(duì)照組填料直接填充于濾料層。2套試驗(yàn)裝置的濾料層特性如表2所示。

表2 試驗(yàn)裝置濾料層特性Tab.2 Characteristics of Filter Material Layer in Experimental Device

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為硝化、反硝化BAF這2種運(yùn)行方式。硝化試驗(yàn)不外加藥劑，主要對(duì)比不同HRT下，分別采用MPF和陶粒時(shí)BAF對(duì)氨氮、CODCr和SS的去除效果，同時(shí)對(duì)比2種BAF的反沖洗周期。反硝化試驗(yàn)階段需外加乙酸鈉溶液作為碳源，主要對(duì)比2種BAF在不同HRT、C/N條件下對(duì)TN和SS的去除效果，也對(duì)其反沖洗周期進(jìn)行對(duì)比。

2套BAF試驗(yàn)裝置的處理水量為3 m3/h，對(duì)應(yīng)的HRT為20 min，整個(gè)試驗(yàn)過程通過控制不同進(jìn)水水量獲得不同的試驗(yàn)所需HRT。在研究不同HRT對(duì)反硝化BAF去除TN效果的影響時(shí)，為排除進(jìn)水碳源不足的干擾，該階段的進(jìn)水C/N設(shè)定為7；而在研究不同進(jìn)水C/N對(duì)TN去除效果的影響時(shí)，為確保反應(yīng)時(shí)間充分，結(jié)合HRT結(jié)果確定該試驗(yàn)期間的HRT為40 min，其外加碳源量則根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的C/N進(jìn)行計(jì)算獲得。

研究不同HRT、進(jìn)水C/N條件下的運(yùn)行效果時(shí)，每種工況穩(wěn)定運(yùn)行10 d，水質(zhì)取樣頻率為2次/d；而研究濾池反沖洗周期試驗(yàn)時(shí)，每種工況至少穩(wěn)定保持30 d。每次改變?cè)囼?yàn)工況后，通過檢測(cè)BAF出水確保效果穩(wěn)定運(yùn)行1 d后視為該工況運(yùn)行穩(wěn)定。

1.5 水質(zhì)測(cè)試方法

水質(zhì)測(cè)定方法大部分選用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[15]中的標(biāo)準(zhǔn)方法，部分指標(biāo)選用儀器測(cè)定。具體測(cè)定方法如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT影響對(duì)比

在同一進(jìn)水條件下，MPF曝氣生物濾池和陶粒生物濾池在不同HRT下的硝化、反硝化處理效果如圖3所示。

表3 測(cè)定分析方法Tab.3 Determination and Analysis Methods

由圖3(a)可知，硝化BAF試驗(yàn)組與對(duì)照組對(duì)于CODCr和氨氮的最終去除率基本相同，但試驗(yàn)組所需的HRT較短。如試驗(yàn)組HRT在30 min時(shí)，CODCr和氨氮的去除率就不再隨著HRT增加而增加，而對(duì)照組所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為35 min，這表明達(dá)到同樣的去除率，試驗(yàn)組比對(duì)照組所需HRT短。

圖3 HRT對(duì)不同生物濾池處理效果的影響Fig.3 Treatment Effect of HRT on Different Biofilters

由圖3(b)可知，當(dāng)HRT大于30 min后，試驗(yàn)組TN的去除率不再變化，可達(dá)到75%，而對(duì)照組在HRT為35 min時(shí)，TN去除率才達(dá)到平衡。這說明當(dāng)HRT小于35 min時(shí)，MPF填料BAF試驗(yàn)組反硝化處理效果優(yōu)于陶粒填料BAF對(duì)照組。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在獲得相同處理效果的前提下，以MPF為載體的BAF所需HRT明顯小于陶粒BAF，意味著同樣體積的BAF處理能力更大，其原因應(yīng)該是MPF的比表面積遠(yuǎn)大于陶粒濾料，故在池容相同的情況下，試驗(yàn)組MPF表面的掛膜量會(huì)多于對(duì)照組陶粒填料，即單位體積的生物量較大，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)污染物的吸附和降解。因此，在一定的HRT范圍內(nèi)，2種BAF對(duì)污染物的去除效率有較大的差別。隨著HRT增加，生物量不再是限制因素，較少生物量在足夠HRT的條件下，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的吸附和降解，使得2種BAF對(duì)污染物的去除效率相近。此外，由于試驗(yàn)組BAF采用MPF，其內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)多且雜亂，且下層填料呈流化狀態(tài)，對(duì)池內(nèi)氣、水有很好的切割效果，增加了氣、水、微生物膜的接觸時(shí)間和接觸頻率，也一定程度上提高了微生物對(duì)CODCr、氨氮及TN的去除效率。

一般來說，BAF對(duì)SS的去除以過濾為主，因此，在一定過濾速度范圍內(nèi)(與HRT相關(guān)，HRT越大，則過濾速度越小)，BAF對(duì)SS去除效率差別不大，圖3的試驗(yàn)結(jié)果也表明此結(jié)論。MPF因比重小、空隙率大，硝化BAF曝氣氣流的影響大于陶粒填料。因此，采用陶粒填料下硝化BAF對(duì)SS的去除率(70%左右)高于MPF硝化BAF(65%左右)。而對(duì)于沒有曝氣的反硝化BAF，采用2種填料下BAF對(duì)SS的去除率都達(dá)到80%左右，這說明沒有氣流的影響后，在試驗(yàn)所采用的HRT范圍內(nèi)，水流對(duì)濾料層的攪動(dòng)影響較小，故2種填料的BAF對(duì)SS去除率基本相同?？梢灶A(yù)測(cè)，當(dāng)HRT足夠小，濾速超過一定值后，MPF會(huì)首先受到影響，對(duì)SS的去除率會(huì)降低，但從試驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)HRT小于25 min后，2種填料的BAF不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的去除。

當(dāng)HRT為30 min時(shí)，MPF的氨氮容積負(fù)荷分別為0.256 kg 氨氮/(m3·d)，而陶粒填料容積負(fù)荷為0.228 kg 氨氮/(m3·d)；當(dāng)HRT為25 min時(shí)，MPF的TN容積負(fù)荷分別為0.408 kg TN/(m3·d)，而陶粒填料的TN容積負(fù)荷分別為0.297 kg TN/(m3·d)。當(dāng)HRT為30 min時(shí)，陶粒填料的TN容積負(fù)荷為0.387 kg TN/(m3·d)，接近MPF的TN容積負(fù)荷(HRT為25 min)，可知MPF的處理負(fù)荷較陶粒填料高。參照設(shè)計(jì)規(guī)范的處理負(fù)荷，其氨氮處理負(fù)荷為0.6～1.0 kg 氨氮/(m3·d)，TN容積負(fù)荷為0.8～1.2 kg TN/(m3·d)，李露等[16]指出在HRT為24 min時(shí)，氨氮容積負(fù)荷小于0.7 kg 氨氮/(m3·d)。分析試驗(yàn)的容積負(fù)荷低于設(shè)計(jì)規(guī)范及李露等的試驗(yàn)結(jié)果，原因是試驗(yàn)所取水樣為二沉池出水，其水質(zhì)濃度較低，故所得處理負(fù)荷低于設(shè)計(jì)規(guī)范負(fù)荷及李露等所得的容積負(fù)荷。

2.2 C/N對(duì)比

圖4 C/N對(duì)2種反硝化BAF運(yùn)行效果對(duì)比Fig.4 Comparison of C/N on Operational Effects of Two Denitrification BAFs

2種曝氣生物濾池在不同C/N情況下，反硝化去除TN的效果對(duì)比如圖4所示。當(dāng)HRT為40 min時(shí)，改變進(jìn)水C/N，2種填料的BAF去除TN效率基本相同，這與圖3(b)中結(jié)果對(duì)應(yīng)，即當(dāng)HRT足夠時(shí)，微生物量不再是限制因素，因此，2種填料特性基本不影響B(tài)AF對(duì)污染物的去除效果。按照理論，當(dāng)C/N大于2.86，即可滿足反硝化脫氮需求，但在實(shí)際污水處理脫氮過程中，受進(jìn)水DO等各種因素的影響，此值要高于理論值。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)C/N低于4.5時(shí)，2種填料的BAF對(duì)TN去除率隨C/N的增加而增加；當(dāng)C/N為4.5時(shí)，TN去除率為72%，隨著C/N的增加，TN去除率最高可達(dá)74%?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，建議采用MPF的BAF運(yùn)行時(shí)C/N為4.5。

2.3 反洗周期對(duì)比試驗(yàn)

濾池在運(yùn)行一定時(shí)間后，隨著填料內(nèi)微生物繁殖生長(zhǎng)及攔截的懸浮物積累，會(huì)造成填料的堵塞，導(dǎo)致處理效果下降。本對(duì)比試驗(yàn)是以進(jìn)水渠液位上漲高度為依據(jù)進(jìn)行反沖洗，中試試驗(yàn)期間，進(jìn)水渠液位上漲10 cm時(shí)，即對(duì)填料區(qū)進(jìn)行反沖洗。

由圖5可知，硝化反應(yīng)階段，試驗(yàn)組反洗周期為6～8 d，對(duì)照組為2～4 d；反硝化反應(yīng)階段，試驗(yàn)組反洗周期為4～5 d，對(duì)照組為1～2 d。試驗(yàn)組周期長(zhǎng)于對(duì)照組的原因是試驗(yàn)組采用大孔徑MPF，填料內(nèi)的納污空間遠(yuǎn)大于陶粒填料，且不易堵塞；而反硝化濾池的反洗周期短于硝化濾池的原因是反硝化反應(yīng)需要外加碳源，使得微生物生長(zhǎng)速率較快?？傮w上，2種運(yùn)行情況下，試驗(yàn)組的反洗周期都為對(duì)照組的2倍以上，即采用MPF的BAF比陶粒的BAF節(jié)約了反洗水量和能耗，并提高了污水廠的凈產(chǎn)水量。參照試驗(yàn)反洗情況，以反洗頻次為計(jì)算依據(jù)，當(dāng)MPF曝氣生物濾池作為硝化池時(shí)，反洗能耗僅為陶粒曝氣生物濾池的51.7%；當(dāng)作為反硝化池使用時(shí)，MPF曝氣生物濾池的反洗能耗為陶粒曝氣生物濾池的43.8%。

圖5 2種填料BAF反沖洗周期對(duì)比Fig.5 Comparison of Two Kinds of Filler on BAF Backwash Cycles

3 結(jié)論

(1)當(dāng)HRT為30 min時(shí)，MPF的氨氮容積負(fù)荷為0.256 kg 氨氮/(m3·d)，而陶粒填料容積負(fù)荷為0.228 kg 氨氮/(m3·d)；當(dāng)HRT為25 min時(shí)，MPF的TN容積負(fù)荷為0.408 kg TN/(m3·d)，而陶粒填料的TN容積負(fù)荷為0.297 kg TN/(m3·d)。這表明以MPF為載體的BAF的硝化與反硝化速率高于以陶粒為載體。

(2)以MPF為載體的BAF發(fā)生硝化、反硝化作用的最佳HRT為30 min。

(3)硝化階段采用MPF的BAF的反洗周期為6～8 d，反硝化階段MPF的BAF的最佳C/N為4.5，反洗周期為4～5 d，MPF的BAF的反洗周期為陶粒BAF的2倍。

(4)同樣處理量條件下，以反洗頻次為計(jì)算依據(jù)，采用MPF的BAF作為硝化池時(shí)，反洗能耗僅為陶粒的51.7%；作為反硝化池使用時(shí)，采用MPF的反洗能耗為陶粒的43.8%，節(jié)能效果明顯。

(5)本次試驗(yàn)對(duì)于采用MPF的BAF的抗沖擊能力與高濃度水質(zhì)未進(jìn)行研究，故后續(xù)需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。