混凝濾布過濾-缺氧濾池／生物滴濾工藝處理生活污水

趙慶良，李江雯，2，魏亮亮，王 琨，李 偉

混凝濾布過濾-缺氧濾池／生物滴濾工藝處理生活污水

趙慶良1，李江雯1，2，魏亮亮1，王 琨1，李 偉1

（1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，300142天津）

為實現小城鎮污水高效、節能、低耗處理，建立混凝濾布過濾-缺氧濾池／生物滴濾污水處理組合工藝.在優選實驗裝置及材料的基礎上，探究各部分工藝最優運行參數.在研究系統對常規污染物去除的同時，重點分析生物濾池啟動過程對氨氮和總氮的去除能力.結果表明：當粉煤灰基混凝劑投加量為1 mL／L時，混凝-濾布過濾對CODcr的去除率可達54%，對TP的去除率達81%，且具有工作周期長、耗能少等特點；生物濾池在水力負荷為15 L／d、硝化液回流比為150%時運行效果最好，可保證系統出水氨氮、CODcr、TP、TN均達到GB18918—2002的一級A標準.

小城鎮；污水；混凝-濾布過濾；生物滴濾池；脫氮

小城鎮污水［1］的常用處理方法有好氧活性污泥法和以穩定塘、人工濕地為代表的自然處理方法［2］.前者成本較高、占地面積大、能耗高，并不適宜小城鎮污水水量小、水質波動大的特點；而后者需要占用較大的土地資源，不能很好地解決污水中氮的去除問題，且容易引起水體的富營養化.因此，開發適合小城鎮污水處理特征的新型工藝已成為解決小城鎮污水處理問題的必由之路.

化學強化一級處理（CEPT）常用作污水的一級強化處理或者二級預處理，相對于常規生化處理工藝，強化混凝技術可節省工程投資、減少水處理成本，對導致水體富營養化元素之一的總磷去除率達90%以上，但存在混凝劑成本高等特點［3］.近年來發展起來的混凝濾布過濾技術能夠替代傳統沉淀池，具有結構緊湊、水頭損失小、占地面積少、處理費用低等特點，已廣泛應用于污水處理廠深度處理［4-7］，但較少應用于污水一級處理.本文提出以混凝濾布過濾工藝作為一級處理工藝，去除生活污水中的SS、TP和部分CODcr.

以活性污泥法衍生工藝為主的脫氮除磷工藝需要較大的曝氣量，曝氣能耗占污水處理總能耗的一半以上.生物滴濾池作為附著生長（生物膜）的一種工藝形式，通過合適的載體和反應器構型設計，可依靠自然通風供氧，節省曝氣費用，大幅提高硝化細菌在處理系統中的停留時間［8］.目前，國內外研究者針對滴濾池脫氮已開展了大量研究.Persson等［9］指出，隨著濾池深度的增加，硝化細菌在硝化滴濾池生物膜中所占比例下降，但硝化潛力并未減少；Akker等［10］指出硝化滴濾池在處理微污染飲用水時，進水CODcr的增加會對滴濾池的硝化能力產生抑制作用；戴世明等［11］利用滴濾池／人工濕地組合工藝處理農村生活污水的研究表明，滴濾池對氨氮去除率為89.5%，但TP的去除主要發生在人工濕地內.因此，提出以混凝-濾布過濾系統作為生物滴濾池的預處理工藝，以解決生物濾池系統對污水中的懸浮顆粒、TP和部分有機物去除不佳的問題，實現污水中N、P在系統內不同階段的高效去除.

1 實 驗

1.1實驗裝置

工藝流程如圖1所示，污水經混凝后直接進入濾布過濾裝置，濾布材料為尼龍，400目，孔徑38μm，過濾膜組件尺寸為17 cm×6 cm×4 cm，有效過濾面積為200 cm2，由真空抽吸泵（AP-01D，天津）控制出水流量.當濾布過濾裝置內外壓差達0.02 MPa時，對濾布進行反沖洗（反沖洗流量為500 mL／min，反沖洗時間為4 min），反沖洗水為滴濾池出水，反沖洗后產生的污水回流至進水端進行處理.混凝過濾后出水進入缺氧生物濾池，缺氧濾池出水進入滴濾池.滴濾池出水回流至缺氧段，回流比為150%.生物滴濾池高1.8 m，直徑80 mm，自頂端起每隔30 cm設置1個取樣孔，濾池內填充火山巖作為填料，相關參數見表1.缺氧濾池直徑與滴濾池相同，高0.6 m，其填料與滴濾池相同，粒徑為2～3 cm，略大于滴濾池粒徑，缺氧濾池與滴濾池容積比為1∶3.

滴濾池出水進入沉淀池，經過沉淀后上清液排放，沉淀污泥回流至濾布過濾裝置，組合工藝每天排泥一次（排泥量為0.04～0.06 L／d，污泥含水率為96%）.裝置處理規模為15 L／d，濾池水力負荷為3 m3／（m2·d）.

圖1 工藝流程示意

表1 火山巖填料性質

1.2實驗用水

待處理污水取自某家屬區地下排水管道，水質指標見表2.

表2 實驗用污水水質

1.3實驗方法

生物滴濾池由上至下每隔30 cm設置一個取樣口，定期從每個取樣口取水樣測定CODcr、氨氮、N-N、溶解氧等指標.CODcr、氨氮、N-N、TN及TP等指標均采用國家標準分析方法測定［12］.

1.3.1 混凝實驗

混凝實驗參考國家標準水的混凝、沉淀燒杯試驗方法（GB／T 16881—2008）進行.以生活污水作為原水，選取一級化學強化處理常用的3種混凝劑氯化鐵FeCl3、硫酸鋁Al2（SO4）3及粉煤灰基混凝劑［13］，在原水中分別投加不同劑量的混凝劑，先以200 r／min的轉速快速攪拌3 min，再以轉速60 r／min慢速攪拌10 min后停止攪拌，靜沉30 min后取上清液測定CODcr、TP、氨氮.

1.3.2 過濾實驗

選用400目尼龍濾布，將原水經混凝后（不需沉淀）直接進入濾布濾池，濾池內設密封的濾布過濾組件，過濾組件一端設出水口與抽吸泵相連，抽吸泵流量恒定為30 L／h，過濾組件與抽吸泵之間安裝真空壓力表，測定在恒定通量下過濾前后進出水壓差，在實驗過程中取進、出水水樣分析CODcr及TP.

1.3.3 生物濾池的掛膜啟動

生物濾池污泥培養采用接種掛膜法［14］，好氧接種污泥取自某城市污水處理廠（A／O工藝）好氧段活性污泥.為使污泥均勻分布于生物濾池的填料內，以25 L／d的流量將污泥循環打入生物濾池中，共歷時4 d.

接種污泥后進行連續培養.為防止培養初期水量過大填料內污泥脫落，在連續培養初期采用低流量進水，然后逐步增加流量的培養方式.生物濾池初始進水量為10 L／d，隨后以每天1 L的速度遞增，直到15 L／d.

滴濾池啟動完成后，啟動缺氧生物濾池.缺氧濾池接種污泥取自某城市污水處理廠（A／O工藝）缺氧段污泥，缺氧濾池進水方式為上升流，底部進水，頂部出水.為避免初期污泥流失，缺氧生物濾池初始回流比為30%，之后每天回流比增大10%，10 d后達到設計的運行回流比150%.

2 結果與討論

2.1混凝劑的優選及其混凝效果

選用生活污水一級化學強化處理常用的3種混凝劑氯化鐵FeCl3、硫酸鋁Al2（SO4）3和粉煤灰基混凝劑，進行混凝燒杯實驗，以確定實驗所用混凝劑及該混凝劑的最佳投藥量.3種混凝劑混凝實驗結果如圖2～4所示.可以看出，同一混凝劑不同投加量下，CODcr和TP的去除效果隨投加量變化的情況較一致.隨著混凝劑投加量的增加，3種混凝劑對污水混凝效果均有不同程度提升，但達到某一去除率峰值后便不再繼續升高.氯化鐵、硫酸鋁、粉煤灰基混凝劑（懸濁液）最佳投量分別為60 mg／L、60 mg／L和1 mL／L，3種混凝劑在最佳投量下對CODcr的去除率分別為50%、64%、54%，對TP的去除率分別為70%、90%、80%，混凝對氨氮的去除率非常低，在2%～5%.

圖2 FeCl3混凝劑對CODcr和TP去除效果

圖3 Al2（SO4）3混凝劑對CODcr和TP去除效果

2.2濾布過濾壓差變化

在各混凝劑的最佳投加量下，將混凝后的混合液直接進入濾布進行過濾實驗，過濾裝置內外壓力差隨時間變化如圖5所示.可以看出，投加氯化鐵和硫酸鋁混凝的污水，過濾3 min后過濾裝置內外壓差開始增加，13和15 min后壓差可達0.02 MPa，需要進行反沖洗.而投加粉煤灰混凝劑的污水，在過濾進行11 min后壓差才開始升高，過濾50 min后壓差方達0.02 MPa.可見經氯化鐵和硫酸鋁混凝的污水對濾布的污染速度遠遠大于粉煤灰混凝的污水.綜合考慮粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，其價格低廉，而且解決了粉煤灰回收利用問題，故選用粉煤灰混凝劑作為實驗用混凝劑.

圖4 粉煤灰混凝劑對CODcr和TP去除效果

圖5 不同混凝劑處理污水時過濾壓差隨時間變化

2.3混凝-濾布過濾對CODcr和TP的去除

在混凝-濾布過濾實驗中，CODcr和TP去除效果與混凝后沉淀效果的對比見表3.可以看出，在氯化鐵和硫酸鋁的最優投加量下，不經沉淀直接進行濾布過濾過程對CODcr的去除率均小于在相同條件下經過靜止沉淀的去除率；而投加粉煤灰混凝劑的污水經混凝-濾布過濾后對CODcr和TP的去除與混凝后沉淀的效果幾乎相同.由于使用粉煤灰作為混凝-濾布過濾的混凝劑處理污水時具有更長的工作周期（參見圖5），確定采用粉煤灰基混凝劑作為混凝-濾布過濾的混凝劑，最佳投加量為1 mL／L，其對CODcr、TP的去除率分別為55%和81%.

表3 混凝沉淀與混凝過濾對CODcr和TP的去除率

2.4滴濾池啟動

滴濾池經過4 d的污泥接種后進入連續培養階段.在連續培養初期，為研究生物濾池的啟動情況及其脫氮效果，定期測定進、出水的CODcr和氨氮質量濃度.生物滴濾池進水為混凝-濾布系統出水，其總磷在0.5 mg／L以下，滴濾池出水總磷能夠保持在0.5 mg／L以下.進、出水CODcr變化見圖6.反應器啟動初期CODcr去除率即達50%以上，因為填料表面雖然并未形成生物膜，但附著許多接種活性污泥，對污水中的污染物有一定的吸附和截留作用.在水力的沖刷作用下，附著并不牢固的活性污泥在水力剪切作用下部分脫落，所以，在啟動的前10 d內，出水CODcr隨進水變化較明顯，啟動10 d后出水CODcr穩定在50 mg／L以下.

圖6 滴濾池啟動期間進出水CODcr隨時間變化

生物濾池掛膜啟動后的連續培養階段，在測定進出水氨氮的同時測定了生物濾池各采樣口的氨氮質量濃度，將生物濾池分為上層（0～60 cm）、中層（60～120 cm）、下層（120～180 cm）3個部分，各部分在連續培養過程氨氮出水情況如圖7所示.通過生物濾池沿程氨氮分析可知，生物濾池啟動初期氨氮的去除率達20%，與王建華等［16］采用快速排泥掛膜法和自然掛膜法相結合的復合掛膜法研究結果一致.滴濾池運行至13 d時，氨氮去除率穩定在70%以上，但此階段生物滴濾池對氨氮的去除主要集中于生物濾池上段，中段對氨氮的去除作用較弱，主要是因為在啟動初期，上層氮源豐富，啟動較快完成，導致中段生物濾池中剩余氨氮質量濃度較低，影響了中下段生物濾池的啟動，在此期間中段幾乎對氨氮沒有去除作用.隨著運行時間的延長，中段濾池的氨氮質量濃度也得以提升，逐步完成啟動過程，最終達到與上段生物濾池同樣的脫氮能力.

圖7 滴濾池啟動期間沿程出水氨氮隨時間變化

2.5缺氧生物濾池啟動

滴濾池處于好氧狀態，反硝化作用較弱，對TN去除能力很低.為使出水TN達標，在滴濾池前設置淹沒式缺氧濾池，其填料為與滴濾池相同的火山巖，填料粒徑為2～3 cm，略大于滴濾池粒徑，缺氧濾池與滴濾池容積比為1∶3.

當缺氧濾池回流比從30%增加至150%的過程中，缺氧濾池的反硝化生物膜逐漸增長，在此過程中每日取進、出水水樣測定其總氮，結果如圖8所示.

圖8 缺氧濾池啟動期間進出水TN隨時間變化

在缺氧濾池運行初期，進出水TN質量濃度并未有明顯變化（1～8 d），主要是由于初期硝化液回流量較少.隨著回流量不斷增加，反硝化細菌開始累積，TN去除率不斷提高.第10天回流比達150%后，去除率開始逐漸增加，直至運行到第28天TN去除率達45%，出水TN質量濃度降至15 mg／L，達到GB18918—2002的一級A標準要求.

2.6混凝-濾布過濾-生物濾池組合工藝運行效果及能耗分析

生物濾池啟動完成后，將其與混凝濾布結合，形成混凝濾布過濾-缺氧生物濾池／滴濾池組合工藝.混凝-濾布系統對原水CODcr去除率為50%，TP去除率為81%，對氨氮幾乎沒有去除作用；生物濾池進水CODcr穩定維持在200～80 mg／L，出水CODcr穩定在50 mg／L以下，對氨氮去除率達90%，TN的去除率達45%以上.

與活性污泥法相比，本工藝無需曝氣，可以節約能耗（表4）.生物滴濾池在有機負荷為0.8～1.2 kg／（m3·d）內運行效果良好，遠大于活性污泥法的有機負荷（0.10～0.17 kg／（m3·d）），可以減少池容.組合工藝污泥產量與活性污泥法的比較見表4.以混凝過濾為前處理的生物滴濾池工藝，污泥主要產生在混凝-濾布過濾階段，所產生化學污泥含水率為94%，污水一級處理工藝的污泥產量取決于污水中懸浮物濃度，所以，混凝-濾布過濾階段污泥產量與活性污泥法初沉污泥產量相差不大；而生物處理階段，與活性污泥法相比，滴濾池微生物增殖速度較慢，污泥產量與傳統活性污泥法相比減小很多，滴濾池剩余污泥的含水率則為98.5%.混凝-濾布過濾對原水中CODcr去除率為50%，組合工藝在相同的有機負荷條件下節約了生物滴濾池的池容.

混凝使用藥劑為實驗室自制粉煤灰混凝劑，粉煤灰來源為電廠固體廢棄物，與市售混凝劑相比成本極低.反沖洗水量占處理總水量的1.0%～7.2%.濾布濾池運行電耗為0.012～0.060 kWh／m3［4-6］.滴濾池能耗主要來自污水提升泵和硝化液回流泵，電耗為0.06～0.10 kWh／m3［17-19］.組合工藝噸水處理電耗為0.072～0.160 kWh／m3，由于工藝無需曝氣，能耗小于活性污泥法處理污水電耗（0.263 kWh／m3）.

表4 與其他處理工藝比較

3 結 論

1）采用混凝-濾布過濾處理生活污水，當粉煤灰基混凝劑投加量為1 mL／L時，對CODcr去除率為50%，TP去除率達81%.

2）經過混凝-濾布過濾處理后的生活污水進一步經過生物濾池處理，滴濾池出水硝化液回流至缺氧濾池，回流比為150%，出水氨氮、TN、CODcr及TP均達到GB81918—2002中的一級A標準.

3）混凝-濾布過濾段對生物污水中磷的高效去除、缺氧濾池／生物滴濾池對總氮、氨氮的高效去除可解決傳統活性污泥法同步脫氮除磷的難題，適合于小城鎮污水處理.

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（編輯劉 彤）

Treatment of domestic wastewater by combined processes of coagulation cloth media filtration-anaerobic filter／trickling filter

ZHAO Qingliang1，LI Jiangwen1，2，WEI Liangliang1，WANG Kun1，LI Wei1
（1.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，300142 Tianjin，China）

In order to treat the small town sewage wastewater with high efficiency，energy saving and low power consumption，a combined coagulation cloth media filtration?anaerobic filter／trickling filter system was established at experimental condition.Via the experimental optimization of equipments and materials，the optimal operation parameters of each part，especially the nitrogen removal ability during the start?up of the trickling filter had been investigated.Experimental results showed that at 1 mL／L fly ash coagulant dosage，54%removal of CODcrand 81%of TP would be removed by the combined system.The optimal hydraulic loading was 15 L／d and the optimal reflux ratio was 150%，which would guarantee the effluent ammonia，CODcr，TP reach A standard.

small town；domestic sewage；coagulation?cloth media filtration；trickling filter；nitrification

X703

A

0367-6234（2014）08-0021-06

2013-04-20.

國家創新研究群體科學基金資助項目（51121062）；

黑龍江省博士后基金資助項目（AUGA411002401）.

趙慶良（1962—），男，教授，博士生導師.

魏亮亮，weill333＠163.com.