曝氣生物濾池處理性能影響因素實驗研究

張連科

(內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古包頭014010)

曝氣生物濾池 (Biological Aerated Filter，BAF)是20世紀80年代末在普通生物濾池基礎上發展起來的第三代生物膜法處理工藝［1，2］。該工藝具有容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短、性能穩定、所需基建投資少、能耗及運行成本低、出水水質高等優點［3］，是適合我國國情的簡易、高效、低耗的污水處理新技術，在實際應用中取得了良好的處理效果。但是，目前對影響BAF污染物去除效率的因素諸如:氣水比、水力負荷與進水底物濃度等的研究還不夠完善。本試驗以人工模擬生活污水為處理對象，研究了各因素對曝氣生物濾池處理效能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

試驗裝置流程見圖1。

模型反應器為有機玻璃制作，直徑950mm，高2000mm。濾池下部為200mm高裝有直徑為2～3cm的卵石承托層，濾料層高度為1200mm，填料選用球形輕質生物陶粒，粒徑3～6mm。生物濾池沿濾料層高度每隔30cm設一個取樣口，第一個取樣口距離濾料層底部10cm。濾池采用上向流氣水同向運行方式，氣水聯合反沖洗。

1.2 試驗用水

人工配水由葡萄糖、蛋白胨、牛肉膏、氯化銨、磷酸二氫鉀等按一定比例配制，根據實驗需要對葡萄糖和氯化銨等主要成分進行增減，以取得不同的進水水質。

1.3 檢測項目和方法

表1 檢測項目和方法［4］

2 結果與討論

2.1 氣水比對BAF工作性能的影響

室溫條件下，進水流量為3L/h，相應的水力負荷為0.43 m3/(m2·h)，pH值6.8～7.2，氣水比分別為3∶1、5∶1、7∶1和10∶1，各穩定運行9d，曝氣生物濾池對CODCr和氨氮的處理效果見圖2。

由圖2可見，氣水比由3∶1提高到10∶1，反應器對COD的去除率略有提高，影響不大。氨氮的去除率受氣水比的影響較大，從3∶1提高到5∶1時，氨氮的平均去除率由48.7%提高到60.1%;當氣水比達到7∶1和10∶1時，氨氮的平均去除率較5∶1時分別提高了0.3和2.4個百分點。氣水比較低時，異養菌的生長利用了水中大部分溶解氧，硝化菌可利用的溶解氧量有限，成了硝化反應的限制因素，氨氮去除率較低。此時，單一的除碳型曝氣生物濾池可以滿足要求。當氣水比達到5∶1以上，BAF取得較好的充氧效果，對有氧條件要求苛刻的硝化細菌能獲得良好的生長條件，因而BAF對氨氮的去除率有了較大幅度的提高，并基本穩定。但曝氣量增大，動力消耗也將增大，增加了運行成本，是水廠實際運行中需控制的指標之一。因此，根據實驗結果確定最佳氣水比為5∶1。

2.2 水力負荷對曝氣生物濾池處理性能的影響

氣水比為5∶1，水力負荷分別為 0.21m3/(m2·h)、0.43m3/(m2·h)、0.63m3/(m2·h)和0.86m3/(m2·h)時各穩定運行11d，水力負荷對COD和氨氮去除效果的影響見圖3。

由圖3可見，COD的去除率隨水力負荷的增加降幅較小，說明濾池高度足夠，填料上生物膜的總量能夠保證在試驗水力負荷條件下對COD有較好的去除效果。氨氮的平均去除率隨水力負荷的增加下降明顯，說明水力負荷對BAF的硝化效能有顯著影響。一方面水力負荷增大，水力停留時間減小，使污水與微生物的接觸反應時間減少，這對于增長速度較慢的硝化菌來說，其硝化作用無法得到充分發揮。另一方面，增加水力負荷的同時相應的有機負荷也增加，使得異氧菌生長迅速，這使得對溶解氧、pH值等環境條件要求較高的硝化菌在與異氧菌的競爭中處于不利地位，總體活性下降。再加上增加水力負荷導致頻繁反沖洗，由于硝化細菌的比增長速率遠遠低于異養菌，使其在反沖洗過程中被沖刷脫落的可能性更大，從而也使得硝化能力下降。

2.3 進水有機負荷對濾池處理性能的影響

在水力負荷0.21 m3/(m2·h)、氣水比5∶1的條件下，有機負荷對BAF性能的影響見圖4。

隨著進水有機負荷的增加，COD去除率緩慢下降。有機負荷從1.15 kg/(m3·d)增加到2.96kg/(m3·d)，氨氮的去除率逐漸減小，曝氣生物濾池表現出很好的抗有機負荷沖擊能力。再繼續提高有機負荷，氨氮去除率迅速下降，氨氮的去除效果受進水有機負荷的影響較大，有機負荷的增加對系統的硝化作用產生了不利的影響。這是因為，當污水中有機物濃度增加時，由于異氧菌的生長繁殖速度快，異氧菌首先利用水中的氧，在營養較為豐富的條件下大量繁殖，同時生物膜增厚阻礙了氧向生物膜的傳遞。當水中溶解氧不足或氧透過膜達到硝化菌表面的傳遞速度下降時，硝化菌吸取水中溶解氧的能力比異氧菌要差，這些都限制了硝化菌的生長繁殖，使硝化反應受到影響，從而系統的氨氮去除率呈較大的下降趨勢。

從實驗結果看，濾池進水的有機負荷控制在2.96kg/(m3·d)以內較為合適。

2.4 填料層高度對曝氣生物濾池處理性能的影響

氣水比5∶1、水力負荷0.21m3/(m2·h)的條件下，不同濾料層高度處COD及氨氮的去除效果分別見圖5和圖6。

由圖可見，BAF對有機物的去除主要發生在濾料層0～70cm段。在濾層高70cm處，CODCr的去除率達到83.2%，占總去除率的93.8%。主要是因為BAF下部有機負荷高，微生物增殖快而且活性高，去除COD的能力較強。對氨氮的硝化主要發生在濾料層40～100cm段。在濾料層40cm處，氨氮去除率僅為29.5%，到100cm處達到了77.2%，40～100cm段氨氮的去除率為47.7%，占總去除率的58.4%。主要由于硝化過程需要較高的溶解氧，在BAF底部因有機負荷較高，耗氧量大，致使氧含量很低，因此硝化菌的活性較低;在濾料層中部，有機負荷有所降低，溶解氧濃度升高，對氨氮的去除效果增強。

3 結論

(1)考慮動力消耗的同時要求有機物的去除和硝化效果最佳，確定最佳氣水比為5∶1，在此條件下，COD和氨氮的平均去除率分別為87.6%和60.1%。

(2)在本實驗條件下，水力負荷對曝氣生物濾池COD去除率影響較小，對BAF的硝化效能影響顯著。有機負荷對曝氣生物濾池處理性能有較大影響，綜合考慮碳氧化和硝化的效果，有機負荷控制在2.96kg/(m3·d)以內較為合適。

(3)在本實驗條件下，通過對BAF濾料層不同高度處COD和NH3－N的測定，有機物的去除主要發生在濾料層0～70cm段。在濾層高70cm處，CODCr的去除率達到83.2%，占總去除率的93.8%。BAF對NH3－N的硝化主要發生在濾料層40～100cm段。在濾料層100cm處NH3－N去除率達到了77.2%，40～100cm段氨氮的去除率為47.7%，占總去除率的58.4%。

［1］沈耀良，王寶貞.廢水生物處理新技術理論與應用［M］.北京:中國環境科學出版社，2006.

［2］Pujol F，Canler J P，Iwema A.Biological aerated filters －An attractive biological process ［J］.Water Sci Technol，1992，26(3):693－702.

［3］馬曉春，劉世桐.曝氣生物濾池處理生活污水的試驗研究［J］.環境保護科學，2009，35(2):34－36.

［4］國家環境保護總局.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.