氣水比對多級曝氣生物濾池深度強化污水處理效能的影響研究

陶 濤

（中國煤炭科工集團重慶設計研究院重慶400016）

氣水比對多級曝氣生物濾池深度強化污水處理效能的影響研究

陶 濤

（中國煤炭科工集團重慶設計研究院重慶400016）

在好氧生物濾池水力負荷為3.0m3/(m2·h)，溫度為20~25℃，缺氧柱投加碳源量為60mg/L時，將氣水比分別控制為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，以污水廠二級出水為進水水源，考察了氣水比對多級曝氣生物濾池系統去除CODCr、氨氮、TN等效果的影響。結果表明：氣水比對一級好氧生物濾池系統處理效能影響顯著。當氣水比從1∶1提高到3∶1時，一級好氧生物濾池對CODCr、氨氮的去除率明顯提高，分別從22.26%提高至34.46%和35.06%提高至63.98%；對TN的去除率明顯降低，從8.6%降低至4.8%；當氣水比繼續增大到4∶1時，CODCr、氨氮及TN的去除率基本保持穩定，分別為36.66%、68.66%和4.7%。

氣水比；多級曝氣生物濾池；強化污水處理

城市污水經處理后作為中水回用已經是國際公認的“城市第二水源”，可廣泛用于市政用水、雜用水等[1]。但常規的城鎮二級處理工藝對N、P等污染因子的去除率不高，它們作為營養物質會助長受納水體中藻類的生長繁殖；如將城鎮污水廠的二級處理出水排放水體作為景觀用水，藻類的大量滋生會嚴重影響水體的景觀效果和實用價值，同時如果進入下游給水水源后會使下游城鎮給水處理廠的濾池運行產生較大困難。因此，對城鎮污水處理廠二級出水需要進行深度處理，達標后才能回用或排放水體。

曝氣生物濾池是集生物接觸氧化與過濾于一體的新型污水處理技術，具有出水水質好、能源消耗少、運行費用低、占地面積小、基建投資低等特點，其特性使得曝氣生物濾池應用廣泛。N.Terauchi等人[2]研究了生物過濾在飲用水處理中對臭味的去除，生物過濾對色度、濁度和COD的去除效果較好；宿程遠等人[3]研究了生物砂濾柱對微污染水源水濁度的去除效果后指出有機物指標越高,則出水濁度越高；較多的研究認為[4]-[5]，氣水比與KLa成正比關系。氣水比越大，KLa就越大，反應器內部溶解氧含量越接近飽和濃度，與溶解氧濃度相關的微生物如碳化細菌、氨化細菌、硝化細菌等，活性就相對越強，但當氣水比過大時，溶解氧量過高，生物膜極易在營養不夠的情況下產生自身氧化，反而影響下一步處理效果。另一方面，氣水比與生物膜厚度也有關系［6］，較高的氣水比帶來的上升氣流，以及因此引起的水力攪拌，不斷對濾料表面進行沖刷，以保證生物膜的不斷更新，進而保證生物膜厚度維持在一個較薄的范圍內，提高生物膜活性。但是過高的氣水比又會導致對濾料的過量沖刷，不但不利于增強生物膜活性，還會降低其處理效果，并造成能源浪費。因此氣水比需要控制在一個適宜的范圍內。本研究采用多級曝氣生物濾池處理系統，考察了不同氣水比條件下，系統對污水處理廠二級出水的強化處理效能，探討氣水比對多級曝氣生物濾池強化污水處理效能的影響，為城市污水廠出水強化處理提供可靠的參數。

圖1 試驗裝置流程圖

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。

高位水箱、中間水箱及反沖洗水箱由亞克力板制成，容積分別為300L、300L及200L。柱體由內徑120mm的有機玻璃管制成，柱高2000mm，承托層高300mm，石英砂濾料層高1200mm，上部進水層200mm，進水超高300 mm。采用下向流工藝，沿水流方向每隔200mm設置取樣口，底部設有反沖洗氣管、反沖洗水管和出水管，好氧柱在底部500mm處設置穿孔管曝氣。各組裝置之間采用PVC管連接，管徑為20mm。

1.2 試驗水質

原水取自某污水處理廠二級出水，試驗期間水質如表1所示。

表1 試驗原水水質

1.3 試驗方法

采用階段性試驗，在好氧生物濾柱水力負荷為3.0m3/(m2· h)，溫度為20～25℃，缺氧柱投加碳源量為60mg/L時，將氣水比分別控制為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，研究氣水比對系統去除CODCr、氨氮、TN等效果的影響。

2 試驗結果及討論

2.1 不同汽水比對反應器CODcr的去除效能

圖2 不同氣水比下一級生物濾池對CODCr的去除效果

如圖2所示，一級好氧生物濾池中CODCr的去除率隨著氣水比的增加逐漸升高，當汽水比從1∶1提高到2∶1時，CODCr的去除率由22.26%升高到32.66%，去除率明顯上升。而在氣水比分別為3∶1和4∶1時，反應器對CODCr的去除率由34.46%升高為36.66%，去除率變化不大。由此可知，氣水比對系統CODCr的去除效能影響顯著。

分析認為，當氣水比為1∶1時，好氧異養菌的活性受到溶解氧濃度的限制，代謝速度較慢，同時氣水比所形成的攪拌作用較弱，不能有效地脫去覆蓋在濾料上的老化生物膜，對CODCr的傳質帶來一定影響。而隨著氣水比的增大，反應器內部溶解氧濃度和氣水比對濾料的攪拌作用均在增大，進而使生物膜的新陳代謝能力增強，表現為生物濾柱對CODCr的去除率不斷增大。但當氣水比增加到一定程度后，溶解氧不再是好氧異養菌活性的主要限制因素，生物濾池對CODCr的去除率也逐漸趨于穩定［7］。

由圖3所示，二級缺氧生物濾池對CODcr的去除率隨著氣水比的增大而逐漸增加。氣水比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1時，二級缺氧生物濾柱對CODcr的去除率分別為54.1%、57.2%、58.2%和59.1%。由此可知，氣水比對缺氧生物濾柱去除CODcr的效果有一定的影響。

圖3 不同氣水比下二級生物濾池對CODCr的去除效果

分析認為，當氣水比較高時，生物濾柱好氧段的硝化效果較好，進水中硝酸鹽及亞硝酸鹽氮底物濃度較高，促進了反硝化效果，進而提高了對CODCr的消耗率；同時氣水比增高也使得生物濾柱缺氧段的進水溶解氧濃度隨之升高，進而在生物砂濾柱缺氧段上部形成一段含氧區，在這個區域內CODCr也被部分去除。因此，氣水比的升高，在一定程度上增強了缺氧生物濾柱對CODCr的去除效果。

2.2 不同汽水比對反應器氨氮的去除效能

由圖4可知，當氣水比從1∶1增加到3∶1時，一級好氧生物濾池對氨氮的去除率明顯提高，其去除率從35.06%提高到了63.98%，提高了28.92個百分點。而在氣水比為4∶1時，反應器對氨氮的去除率為68.66%，僅比上一階段提高了2.2個百分點。

圖4 不同氣水比下一級生物濾池對氨氮的去除效果

經上述分析可知，氣水比是影響曝氣生物濾池硝化效果的一個重要參數。氣水比對硝化細菌的活性影響很大，當氣水比較低時，溶解氧濃度也較低，好氧異養菌依靠其高出硝化細菌一個數量級的生長繁殖速度，迅速侵占了濾料表面的大部分空間，在這種環境下，硝化細菌很難得到溶解氧的補給，在數量和活性上均較低。隨著氣水比的提高，氧傳質系數KLa也隨之提高，溶解氧含量迅速提升，硝化細菌的活性被釋放，表現為反應器的硝化效果明顯提高，氨氮去除率增大。隨著氣水比的進一步增高，受困于進水中CODCr的微含量限制，好氧異養菌的增殖開始放緩，而硝化細菌的潛力被進一步釋放，表現為在氣水比為1∶3時，反應器的硝化性能有了新的提高，氨氮去除率進一步增大。當反應器中的溶解氧已能滿足硝化細菌的需要時，溶解氧不再是限制硝化細菌代謝活性的因素［8］，此時繼續加大氣水比，對氨氮去除率的提高作用不明顯，因為當氣水比從3∶1提高到4∶1時，氨氮的去除率變化不大。

由圖5所示，二級缺氧生物濾池對氨氮的去除率隨著氣水比的增大而逐漸增加。氣水比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1時，二級缺氧生物濾柱對氨氮的去除率分別為5.9%、6.86%、 7.1%和7.26%。

上述分析發現，試驗結果與張紅晶［9］等認為氨氮在缺氧區內部不發生降解的觀點相反。二級缺氧生物濾池對氨氮有一定的去除效果，同時氣水比增高，將一定程度上增強缺氧生物濾柱對氨氮的去除效果。這主要是因為進水中較高濃度的溶解氧使生物砂濾柱缺氧段上部形成一段含氧區，部分氨氮在這個含氧區內被去除，同時含氧區還存在一部分好氧異養菌，其同化作用也對削減氨氮濃度起了一定的貢獻。

2.3 不同汽水比對反應器TN的去除效能

由圖6所示，氣水比對好氧生物濾池去除TN效果有一定影響。隨著氣水比的增加，一級好氧生物濾柱對TN的去除呈下降趨勢，當氣水比從1∶1增加到2∶1時，TN去除率從8.6%下降到7.32%。但當氣水比繼續增加至3∶1和4∶1時，一級好氧生物濾柱對TN的去除率下降至4.8%和4.7%。

圖5 不同氣水比下二級生物濾池對氨氮的去除效果

圖6 不同氣水比下一級生物濾池對總氮的去除效果

經物料衡算，在生物膜正常增殖的情況下，消耗C∶N∶P三者的摩爾比約為100∶5∶1，換算為質量比C∶N約為46∶1。以此比例計算，反應器對COD的平均去除率為17mg/L，則生物膜增殖消耗的理論N量為1.0625mg，在進水TN的平均值為23.8mg時，一級好氧濾柱對TN的理論去除率為4.46%。試驗中在氣水比分別為3∶1及4∶1時，反應器對TN的去除率與理論去除率基本相符，可知，在氣水比分別為3∶1及4∶1時反應器基本上沒有反硝化作用，其對TN基本上通過增殖排泥去除。試驗中在氣水比分別為1∶1及2∶1時，反應器對TN的去除率較理論去除率高出4.14和2.86個百分點，可知，在氣水比分別為1∶1及2∶1時，反應器內部存在著局部缺氧區域，適合反硝化菌的生長，可在一定程度上發揮反硝化的作用。這主要是因為該生物濾池以石英砂為填裝濾料，使反應器整體均存在著濾料的均勻分布及底物和DO的梯度分布，有利于在部分區域形成特定的微生物形態。但在氣水比進一步升高時，好氧反應器對TN的去除率開始下降，這是因為有些反硝化必須在缺氧和有硝酸鹽存在的條件下誘導合成硝酸鹽還原酶［10］，在溶解氧較高時，還原酶的合成及其活性受到抑制。

由以上分析可知，在氣水比對好氧生物砂濾池影響較小，在氣水比較低時，好氧生物濾池的內部會存在局部的缺氧區域，并擁有一定的反硝化效果，但氣水比的增高會逐步抑制這種效果。

由圖7可知，氣水比對二級缺氧生物濾池去除TN的效果影響較小，在氣水比為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1時，二級缺氧生物濾池對TN的去除率分別為48.2%、50.1%、50.2%和49.7%。各去除率之間差距較小，拋除誤差影響外，分析認為，一級好氧生物濾池的硝化效果對缺氧濾池反硝化效果的間接影響，氣水比較高時所導致的缺氧生物濾池溶解氧的增高等，應該是去除率差異的主要原因。

圖7 不同氣水比下二級生物濾池對總氮的去除效果

3 結論

（1）氣水比對一級好氧生物濾池系統處理效能影響顯著。當氣水比從1∶1提高到3∶1時，一級好氧生物濾池對CODCr、氨氮的去除率明顯提高，分別從22.26%提高至34.46%和35.06%提高至63.98%；對TN的去除率明顯降低，從8.6%降低至4.8%；當氣水比繼續增大到4∶1時，CODCr、氨氮及TN的去除率基本保持穩定，分別為36.66%、68.66%和4.7%。

（2）氣水比對二級缺氧生物濾池系統處理效能有一定影響，氣水比的增高在一定程度上增強了缺氧生物濾池對CODCr和氨氮的去除效果。

（3）在氣水比為3∶1和4∶1時，好氧生物濾池中基本上不存在反硝化，TN基本上是通過增殖排泥去除的；在氣水比分別為1∶1及2∶1時，反應器內部存在著局部缺氧區域，適合反硝化菌的生長，可在一定程度上發揮反硝化的作用。

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Air-to-Liquid Ratio's Impacts on Treatment Efficiency of Wastewater in Multistage BAF

Impact of air-to-liquid ratio on removal efficiency of CODCr、NH4+-N and TN were investigated in multistage BAF,under the conditions of hydraulic load of 3.0m3/(m2·h),temperature of 20-25℃,C sources addition of 60mg/L in anoxic filter column,air-to-liquid ratio of 1:1,2:1,3:1 and 4: 1.The result shows that the air-to-liquid ratio has significant effects on removal efficiency of BAF.When the air-to-liquid ratio increased from 1:1 to 3: 1,the removal rate of CODCr and NH4+-N have markedly improved in the first stage aerobic biological filter,increased from 22.26%to 34.46%and 35.06%to 63.98%respectively,the removal rate of TN has significantly decreased,decreased from 8.6%to 4.8%.when the air-to-liquid ratio continued to increase to 4:1,CODCr,the removal rate of NH4+-N and TN remained stable at 36.66%,68.66%and 4.7%.

air-to-liquid;Multistage Biological Aeration Filter;advanced treatment of wastewater

TU993.1

A

1671-9107（2011）10-0048-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.10.048

2011-06-08

陶濤（1978-），男，畢業于重慶大學給水排水工程專業，工程師。