TUBAF工藝處理高寒地區風電場污水的低溫啟動試驗

陳佑才，鄒 琳，趙紅艷

(中國能源建設集團黑龍江省電力勘察設計研究院，哈爾濱150078)

1 試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置示意圖如圖1所示。試驗裝置為2個串聯的有機玻璃濾柱，每個濾柱的高度均為2 780 mm，內徑均為90 mm。濾料使用頁巖陶粒生物濾料，一級濾池的濾料粒徑為5～8 mm，二級濾池的濾料粒徑為3～5 mm，承托層高度均為100 mm，濾層高度均為2 000 mm。

兩級濾池均采用上向流，原水經蠕動泵注入一級濾池底部，經一級濾池處理后通過蠕動泵注入二級濾池底部，再經二級濾池處理后排出。兩級濾池均采用空壓機供氣，通過濾池底部的穿孔管進行曝氣。曝氣量通過空壓機管路上的轉子流量計控制。反沖洗水量通過反沖洗管路上的流量計和閥門控制。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗水質及水溫

原水為沈陽聯通水工機械有限公司廠區生產、生活排放的混合污水，取自化糞池，其水質和水溫分別如表1和圖2所示。

表1 原水水質

圖2 啟動階段溫度變化曲線

1.3 分析項目和方法

試驗裝置每天連續運行，每天取樣分析，測定方法均參照文獻［1］。

2 結果及分析

裝置采用自然掛膜法啟動，啟動期間運行50 d，流量為 5.98 L/h，兩級濾柱的水力負荷均為0.94 m3/m2·h，HRT 均為 2.13 h，曝氣量均為47.84 L/h，氣水比均為8∶1。裝置運行28 d完成啟動，TUBAF對濁度、CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為93.7%、84.56%、31.44%、26.60%、32.14%。

2.1 掛膜過程

啟動5 d，肉眼可見一級濾池底部陶粒附著大量黑色絨毛狀生物膜，二級濾池陶粒上無明顯現象。啟動10 d，一級濾池底部400 mm內陶粒上附著的絨毛由黑色轉變為灰白色，二級濾池底部陶粒附著一定量棕褐色絨毛。

由于原水未經預處理，富含有機物，適于異養菌生長，一級濾池的掛膜速度較快。雖然二級濾池進水有機物含量有所降低，C/N也得到減少，可是低溫條件下硝化菌依然生長緩慢，并且受到異養菌的競爭影響，二級濾池的掛膜速度較慢。生物膜在濾池的分布不均勻，濾池底部濾料上的生物膜較多，頂部較少。

2.2 啟動過程去除效果分析

掛膜期間對濁度、CODcr和氨氮的去除效果分別如圖3～圖6所示。

圖3 啟動期間濁度變化曲線

圖4 啟動期間CODcr變化曲線

圖5 啟動期間氨氮變化曲線

圖6 啟動期間氨氮去除率變化曲線

從圖4可以看出，一級濾池在啟動初期出水濁度波動較大，在啟動28 d后出水濁度穩定在50 NTU以下。二級濾池在整個啟動階段的出水濁度基本穩定在20 NTU以下。TUBAF對濁度的去除率較高，啟動階段平均去除率可達到87.32%，是因為陶粒對懸浮物的吸附、截留和附著在陶粒上的生物膜對懸浮物的吸附共同作用的結果。

啟動初期對CODcr的去除主要依靠陶粒濾料的截留作用。隨著生物膜的不斷生長，其對水中有機物的吸附和氧化分解作用逐漸增強。從圖5可以看出，28 d后一級濾池的出水CODcr及其去除率慢慢趨于穩定，出水CODcr穩定在200 mg/L左右，去除率穩定在60%左右。標志著異養菌已初步培養成功。整個啟動階段二級濾池對CODcr的去除能力十分有限。啟動28 d后，二級出水的CODcr穩定在100 mg/L左右，去除率僅有50%左右。可知異養菌在二級濾池內并不是優勢菌種。所以，TUBAF對CODcr的去除主要由一級濾池來完成。

從圖6和圖7可以看出，由于一級濾池進水有機物含量較高，異養菌大量繁殖，并在與硝化菌競爭的過程中占據優勢，逐漸成為優勢菌種，從而降低一級濾池的硝化效率。TUBAF對氨氮的去除主要由二級濾池來完成，啟動27 d后，氨氮總去除率穩定在40%左右，這表明二級濾池陶粒表面已經開始逐漸形成硝化生物膜，硝化菌的硝化作用增強。二級濾池主要依靠自養性的硝化細菌對氨氮進行硝化，但水溫較低，原水氨氮濃度較高且波動很大，出水氨氮不穩定。

2.3 高濃度有機物污水對掛膜的影響

原水為廠區混合污水，未經預處理，富含大量有機物，低溫條件下可以短時間完成異養菌的掛膜，有利于生物膜的生長，并且無需接種污泥，便于操作。但是，原水懸浮物較多，濾層容易堵塞，甚至造成濾料板結成塊，進水和曝氣都會受到限制，影響堵塞層上部的濾料掛膜。較小的氣水比易受堵塞影響無法曝氣，過大的氣水比又不利于掛膜，試驗所采用的氣水比為8:1，該參數通過試驗得到。

通過分析本階段的試驗數據，建議在下一階段試驗TUBAF前增設厭氧濾池:一方面，厭氧生物膜可以降低原水中的有機物含量，通過回流可實現同步脫氮除磷，提高出水水質;另一方面，厭氧濾池即使濾層局部堵塞也不影響運行，可以延長其掛膜階段的反沖洗周期，有利于厭氧微生物的附著，同時降低TUBAF的有機物負荷，使二級濾池的脫氮能力大大提高。

2.4 反沖洗對掛膜的影響

在有預處理的曝氣生物濾池工藝中，其啟動過程不宜進行反沖洗，反沖洗會沖掉生物膜并延長掛膜時間，但無預處理條件下的反沖洗有利于掛膜進行。如果濾層堵塞或板結，生物膜無法就繼續向上蔓延(對于上向流生物濾池)，堵塞造成的厭氧微環境使異養菌活性降低。經過適當的反沖洗，有膜濾料和無膜濾料進一步混合，堵塞造成的厭氧微環境基本消除，使異養菌快速生長，啟動初期每次反沖洗后一級濾池出水COD快速下降，生物膜也會出現明顯的變白過程，而且范圍越來越大，最終蔓延至整個濾層。

本試驗在啟動階段，一級濾池平均每3 d需反沖洗1次，由于啟動初期生物膜的數量和活性均較低，反沖洗容易沖掉生物膜，導致啟動階段前31 d內一級出水的濁度和CODcr波動較大(如圖5所示)。所以啟動階段的反沖洗要嚴格控制反沖洗的強度與周期，既要達到反沖的目的，又要不破壞已經生長好的生物膜，試驗采用脈沖式反沖洗，這樣能把板結的濾料沖散，不至于呈活塞式整體上移［2－4］。反沖洗過程中逐漸增大反沖流量，以沖散板結的濾料為目的，沖洗時間不宜過長。隨著一級濾池中異養生物膜的逐漸成熟，由反沖洗造成的波動逐漸消失。

在無預處理的條件下，采用自然掛膜法，28 d完成啟動，在啟動階段適當的反沖洗有利于掛膜的進行。建議在下一階段試驗中使用密度小于水的濾料，減少堵塞及反沖洗對啟動時間的影響。

3 結論

1)原水(廠區生活污水，水溫為 12.5～17.1℃)在無預處理的條件下，采用自然掛膜法，28 d完成啟動，在啟動階段適當的反沖洗有利于掛膜的進行。

2)進水量為5.98 L/h、兩級濾池的氣水比為8:1、水力負荷為 0.94 m3/m2·h 時，TUBAF 對濁度、CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為93.7%、84.56%、31.44%、26.60%、32.14%。

3)一級濾池內異養菌為優勢菌種，二級濾池內自養菌為優勢菌種;一級、二級濾池掛膜分別采用相對比較穩定的CODcr和氨氮去除率來判斷。

4)TUBAF工藝可用于高寒地區風電場進行污水分散式處理。

［1］國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法(第四版)［M］.北京:中國環境科學出版社，2002.

［2］CANLER J P.Biological aerated filters:assessment of the process based on 12 sewage treatment plants［J］.Wat.Sci.Tech，1994，29(10/11):13－22.

［3］WIJEYCKOON S.Fixed bed biological aerated filtration for secondary effluent polishing–effect of filtration rate on nitrifying biological activity distribution ［J］.Wat.Sci.Tech，2000，41(1):187－195.

［4］張林軍.上向流與下向流曝氣生物濾池啟動與掛膜特性研究［J］.徐州工程學院學報，2005，20(1):53 －55.