新型填料在生物接觸氧化工藝中的應用研究

鄧小文，馬建立，籍鵬飛

（1.天津市環境保護科學研究院，天津 300191；2.河北工業大學土木工程學院，天津 300132）

新型填料在生物接觸氧化工藝中的應用研究

鄧小文1，馬建立1，籍鵬飛2

（1.天津市環境保護科學研究院，天津 300191；2.河北工業大學土木工程學院，天津 300132）

以處理120L/d城鎮生活污水的生物接觸氧化小試裝置為研究平臺，介紹了新型內置懸浮球形填料-生物接觸氧化工藝的特點及運行狀況。試驗結果表明：兩種新型內置懸浮球形填料對反應器充氧效率、接種掛膜速率、污水處理效果對比均為纖維束狀填料好于筒狀填料；與連續曝氣相比，采用間歇曝氣的運行方式，在使出水NH3-N達標的基礎上，提高了TN和TP的去除率，系統的同步硝化反硝化現象和反硝化除磷現象比較明顯，具有較強的經濟性和實用性。

城鎮生活污水;脫氮;除磷;生物接觸氧化;同步硝化反硝化

生物接觸氧化法是一種典型的浸沒式生物膜法，其實質是在反應器內填充填料，已經充氧的污水浸沒全部填料，并以一定的流速流經填料，廣布于填料上的生物膜與污水充分接觸，在膜上微生物新陳代謝的作用下，除去水中的污染物，從而使污水得到凈化。該技術具有處理效果好、耐負荷沖擊能力強、動力消耗小、管理運行簡單等優點。作為生物膜載體的填料是生物接觸氧化法的關鍵因素，填料的性能直接影響到反應器運行的效果[1]。結合實際工程的需要，選取兩種具有代表性的內置懸浮球形填料進行生物接觸氧化法處理生活污水的小試研究，從充氧性能、有機物、氮、磷等物質的去除效果進行對比分析，并進一步考察生物接觸氧化法在連續曝氣及間歇曝氣兩種運行工況下對生活污水的處理效果，以達到節能降耗的目的[2]。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗反應器為35L的有機玻璃柱，其內部填料選用內置懸浮球形填料（聚丙烯材質、比表面積355m2/m3、空隙率90%、成膜重量80～100kg/m3）。工藝流程如圖1所示[3]。

圖1 工藝流程

1.2 試驗方法

試驗包括填料清水充氧性能試驗、接種掛膜及連續曝氣及間歇曝氣兩種工況污水處理對比試驗。

1.2.1 充氧性能試驗

（1）充氧性能試驗方法

填料的投加會對氧化曝氣池氧的轉移效率產生影響。劉曉旭的生物接觸氧化工藝中填料性能的研究中提出，投加率為40%時生物接觸氧化效果較好。因此，本試驗在填料投加率為40%、不同d的曝氣量下，通過測定氧的總傳遞系數KLa來考察2種不同填料對反應器充氧能力的影響。曝氣設備向反應器內通入空氣，水中的溶解氧濃度會隨時間推移逐漸提高，直至飽和狀態。充氧過程屬于傳質過程，一般認為氧的傳遞機理為雙膜理論。在氧的傳遞過程中，阻力主要來于液膜，氧的傳遞方程為

為在同一水平下進行比較，一般將KLa（T）換算成KLa（20℃）：

式中：Co—曝氣開始時反應器內溶解氧濃度，mg/L。

Cs — 反應器內飽和溶解氧濃度，mg/L。

Ct — 曝氣某一時刻t時，溶解氧濃度，mg/L。

KLa（T）— 氧的總傳遞系數，min-1，或h-1。

（2） KLa測定方法

采用間歇非穩態法對氧的總傳遞系數進行測定，即只進水不出水。首先向裝滿自來水的反應器（已投加填料）內投加還原劑Na2SO3和催化劑CoCl2，攪拌使藥品與水充分混合，使水體中DO至零。五分鐘后，將溶解氧儀放入反應器內，通入空氣，每隔一定時間測定DO的變化。根據Ct值，計算出對其和時間t進行線性回歸擬合，求得KLa。

1.2.2 接種掛膜

本實驗采用接種法掛膜，接種污泥取自污水處理廠的回流污泥，污泥濃度在5800mg/L左右。試驗前，在每個填料柱反應器內放入濾料球，保證反應器填料投加率為40%。采用間歇運行方式培養馴化，連續悶曝5d，然后進水流量逐漸加大，運行20d后，取樣測定COD及NH3-N的去除率分別達到了70%和80%并且穩定。觀察發現：纖維束狀填料掛膜速度較快且纖維束狀填料掛膜好于筒狀填料；填料柱反應器的填料在開始時是白色的，掛膜初期的幾天內，兩種填料的外觀不斷發生變化，逐漸出現由泥黃色到黃褐色、灰褐色的變化，填料上的膜也逐漸增多，從點狀分布到面狀均勻分布。鏡檢觀測到生物膜上活躍著大量原生動物（如游泳型纖毛蟲、鐘蟲）和后生動物（如線蟲）時即認為填料掛膜基本成功[4]。

2 結果與討論

2.1 充氧性能試驗

從下表中可以看出，對于兩種內置懸浮球形填料對反應器充氧效率的影響效果：纖維束狀填料＞筒狀填料。當投加率一定時，隨著曝氣量Q的增大，KLa（20℃）值也隨之增加。原因是曝氣量增大，反應器內的氣泡含量增多，水、氣和填料三相充分接觸，傳質面積增大，水體的紊動程度增加，傳質阻力減小。但是如果曝氣量過大，氣泡的上升速率過快，還沒有充分接觸就溢出水面，這樣也不利于傳質，同時還增加了能耗。

不同曝氣量Q下的KLa（20℃）計算結果表

2.2 污水處理試驗

生物接觸氧化反應器小試試驗對連續進水連續曝氣及連續進水間歇曝氣兩種運行工況下污水處理效果作了比較（設工況I為連續曝氣模式，工況II為間歇曝氣模式），水力停留時間均為6.4h。間歇曝氣采取曝氣4h、停止曝氣2.4h。填料柱反應器有效容積為32L，進水流量為5L/h，容積負荷為1.9kgBOD/m3·d，污泥負荷為0.06～0.09kgBOD/kgMLSS·d；二沉池有效容積為4L，停留時間為0.8h。控制T在20℃～30℃、氣水比為15～20：1、DO在2～3mg/L、pH在6～8之間，污泥濃度為1000～1500mg/L。兩種工況分別運行1個月，兩種填料污水處理效果對比表分別見圖2、圖3。

圖2 兩種填料在連續曝氣工況下污水處理效果對比

圖3 兩種填料在兩種工況下去除率對比

（1）連續曝氣模式和間歇曝氣模式系統的有機去除效果對比

兩種內置懸浮球形填料柱生物接觸氧化法處理生活污水的小試裝置在連續進水連續曝氣及連續進水間歇曝氣兩種運行工況下對COD的去除率見圖4。

圖4 兩種運行工況下兩組填料COD去除效果對比

由圖4可知，生物接觸氧化系統最終出水的COD都在50mg/L以下。填料1、填料2在工況I下COD平均去除率分別為77.9%和80.9%，在工況II下COD平均去除率分別為80.9%和82.5%。比較可得：曝氣量對COD的去除率影響不大，且填料2略優于填料1（即纖維束狀填料略優于筒狀填料），工況II略優于工況I[5]。

（2）連續曝氣模式和間歇曝氣模式系統的脫氮效果對比

兩種內置懸浮球形填料柱生物接觸氧化法處理生活污水的小試裝置在連續進水連續曝氣及連續進水間歇曝氣兩種運行工況下對NH3-N、TN的去除率分別見圖5、圖6。

圖5 兩種運行工況下兩組填料NH3-N去除效果對比

圖6 兩種運行工況下兩組填料TN去除效果對比

由圖5可知，生物接觸氧化系統最終出水的NH3-N都在5mg/L以下。連續曝氣模式出水NH3-N較低，主要因為系統過量曝氣，大部分時間氨氮處于完全硝化的狀態，該狀態下，由于基質濃度較低，硝化菌對氧的利用率也較低[6]。采用間歇曝氣工藝后，為了增強系統的反硝化效果，NH3-N的去除率略有下降，但降幅不大，出水NH3-N的平均去除率由90.8%和92.2%分別降低至87.0%和90.4%。由圖6可知，采用間歇曝氣后，系統的同步硝化反硝化現象比較明顯。間歇曝氣工藝運行后，系統1、系統2最終出水TN由15.5mg/L和15.1mg/L分別降低至13.4mg/L和11.8mg/L，平均去除率由51.1%和53.9%分別升高至60.1%和62.3%。比較發現：填料2同步硝化反硝化效果優于填料1（即纖維束狀填料略優于筒狀填料），工況II優于工況I。

分析其原因可能因為，采用連續曝氣工藝運行后，系統DO濃度＞3mg/L，由于DO濃度相對較高，能力較強，所以在生物膜內部不易形成缺氧區，因而反硝化能力較弱，另外，氧的穿透由于DO濃度太高，好氧層中的異養好氧菌活力很強，能將有機物進行快速徹底降解，所以即使在部分生物膜內部能形成缺氧區，也會由于有機物的供應不足而降低反硝化能力，從而影響了總氮的去除率[7、8]。而采用間歇曝氣工藝運行后，過量曝氣得到控制，系統DO濃度基本控制在0.3～3.0mg/L，在較低的DO濃度下，氧的穿透能力減弱，在生物膜內部容易形成缺氧區，使系統中反硝化得到增強，TN的去除率得到提高，最終提高了系統的脫氮效果[9]。

（3）連續曝氣模式和間歇曝氣模式系統的除磷效果對比

兩種內置懸浮球形填料柱生物接觸氧化法處理生活污水的小試裝置在連續進水連續曝氣及連續進水間歇曝氣兩種運行工況下對TP的去除率分別見圖7。

圖7 兩種運行工況下兩組填料TP去除效果對比

由圖7可知，采用間歇曝氣后，系統的反硝化除磷現象比較明顯。間歇曝氣工藝運行后，系統1、系統2最終出水TP由1.40mg/L和1.30mg/L分別降低至0.98mg/L和0.87mg/L，平均去除率由54.8%和56.3%分別升高至70.2%和73.6%。比較發現：填料2反硝化除磷效果優于填料1（即纖維束狀填料略優于筒狀填料），工況II優于工況I。

分析其原因可能因為，采用連續曝氣工藝運行后，系統DO濃度相對較高，生物膜內部不易形成缺氧區，所測得系統NO3-N的最高濃度能達到24.6mg/L，最低為0.07mg/L。榮宏偉[10]的硝酸鹽氮對反硝化除磷的影響及過程控制中表明：硝態氮作為反硝化吸磷的電子受體，是影響缺氧吸磷效果的關鍵因素，NO3-N過高或過低均會降低DPB的反硝化除磷效率，為保證DPB的高效除磷效果，應適當控制系統的DO濃度。采用間歇曝氣工藝運行后，過量曝氣得到控制[11]，系統的DO濃度基本控制在3.0mg/L以下，NO3-N濃度在15mg/L以下。較低的DO濃度，使氧的穿透能力減弱，在生物膜內部容易形成缺氧區。在適宜的NO3-N濃度下，NO3-N作為電子受體被充分利用，PHB/PHV會被完全分解，缺氧吸磷率達到最大，TP的去除率得到提高，最終提高了系統的除磷效果[12]。

（4）間歇曝氣模式系統的反硝化除磷特性

間歇曝氣模式采取曝氣4h、停止曝氣2.4h，試驗中曝氣階段產生的硝化液與停止曝氣階段新進生活污水混合，混合后NOx-平均濃度為12.6mg/L，COD平均濃度為158.3mg/L，TP平均濃度為3.0mg/L。由于曝氣階段系統溶解氧基本控制在3.0mg/L左右，此時的好氧段逐漸轉變成為缺氧段，反硝化除磷菌可利用NOx-作為電子受體進行缺氧吸磷，因此在缺氧段進行反硝化的同時，仍可繼續吸磷（見圖8）。缺氧開始后2.4h內吸磷均速約為0.70mg/L·h。多次試驗表明磷吸收量與硝態氮脫除量具有很好的相關性（見圖9），通過試驗進一步驗證了間歇曝氣模式系統的反硝化除磷特性[13]。

圖8 缺氧階段的NOx-和TP濃度變化曲線

圖9 缺氧階段NOx-脫出量與TP吸收量關系

3 結論

（1）在填料投加率為40%時，隨著曝氣量Q的增大，KLa值也隨之增加。不同曝氣量下，纖維束狀填料的充氧效率大于筒狀填料的充氧效率。

（2）內置懸浮球形填料-生物接觸氧化工藝有一定的優勢。當反應器停留時間為6.4h，氣水比為15～20：1，DO為2～3mg/L，容積負荷為1.9kgBOD/m3·d，污泥負荷為0.06～0.09kgBOD/kgMLSS·d，且連續進水間歇曝氣運行后，系統的同步硝化反硝化現象、反硝化除磷現象比較明顯，磷吸收量與硝態氮脫除量具有很好的相關性，系統具有良好的生物脫氮除磷效果。

（3）兩種內置懸浮球形填料的生物脫氮除磷效果對比為：纖維束狀填料好于筒狀填料且間歇曝氣模式好于連續曝氣模式。間歇曝氣運行后，系統1、系統2對COD的去除率分別從77.9%、80.9%升高至80.9%、82.5%，對TN的去除率分別從51.1%、53.9%升高至60.1%、62.3%，對TP的去除率分別從54.8%、56.3%升高至70.2%、73.6%，在降低能耗的基礎上，系統的污水處理效果進一步得到提高，具有較強的經濟性和實用性。

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Comparative Lab Scale Study on Bio-contact Oxidation in Treatment of Domestic Sewage with Two New Built-in Suspension Spherical Packing

DENG Xiao-wen1, MA Jian-li1, JI Peng-fei2
(1. Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300191;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300132, China)

In this paper, we use the bio-contact oxidation device for dealing with 120L municipal domestic sewage per day as the research platform. Then characteristics and operating conditions of bio-contact oxidation technology with new built in floating spherical packing are introduced. The test result shows that fiber bundle packing is better than columnar packing when oxygenation efficiency of the reactor, inoculation biofilm rate and sewage treatment effect are taken into consideration; In comparison with continuous aeration, intermittent aeration can improve removal rate of TN and TP as well; The system shows obvious effects of simultaneous nitrification and denitrification and denitrifying removing phosphorus, thus it is economical and practical.

municipal wastewater; denitrification; phosphorus removal; biological contact oxidation; simultaneous nitrification and denitrification

X703

A

1006-5377（2011）06-0022-05

水體污染控制與治理科技重大專項項目（2008ZX07314-006）；全球環境基金GEF項目（TJSHZ810）。