生物砂濾池在中水回用中的應用

閆偉偉 陳小紅 顧睿等

摘要[目的]研究生物砂濾池在中水回用中的應用。[方法]以某生態居民小區污水處理系統的出水為水源，分析了不同條件下生物砂濾池對TSS、CODCr、BOD5、TN、NH4+N、TP去除效果及規律。[結果]該生物砂濾池對于各種污染物都有明顯的去除效果，尤其是對TN和NH+4N有很高的去除率，處理后中水水質完全能夠滿足該生態小區雜用水和景觀環境用水的需求。[結論]該研究為中水回用提供了理論依據。

關鍵詞生物砂濾池；中水回用；氨氮；總氮

中圖分類號S181；X703.1文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）31-257-04

Application of Biological Sand Filter in Water Reuse

YAN Weiwei1， CHEN Xiaohong2， GU Rui3 et al

（1. Huangshi Environment Protection Institute， Huangshi， Hubei 435002； 2. Hubei Zhenhua Chemical Co.， Ltd.， Huangshi， Hubei 435001； 3. Appraisal Center for Environment & Engineering， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100012）

Abstract[Objective] The study aims to discuss the application of biological sand filter in water reuse. [Method] The removal effects and rules of TSS， CODCr， BOD5， TN， NH4+N and TP by the biological sand filter were analyzed using the effluent from the sewage disposal system in an ecological residential area as source water. [Result] The removal efficiency of every pollutant by the biological sand filter is apparent， especially TN and NH+4N， and the treated water can be used as miscellaneous water and scenic environment water of the ecological residential area. [Conclusion] The research can provide theoretical foundation for water reuse.

Key wordsBiological sand filter； Water reuse； Ammonia nitrogen； Total nitrogen

近年來，由于節能減排的大力推進，國家和地方政府對于污染治理的管理也越來越嚴格，污染治理的范圍從宏觀控制到微觀實施都在有計劃的進行。生物砂濾池是近年來用于處理微污染水的一種技術，對于微污染水中污染物尤其是NH4+N具有很好的去除效果[1]。城市生活污水主要來源于小區，而且對于小區生活污水的處理主要分為集中式和分散式處理，分散式處理主要使用生態技術，包括地下滲濾、快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流和人工濕地等處理技術[2]，近年來開發使用較多的生物砂濾池也是應用于分散式處理小區生活污水較多的一種技術[3-4]。某生態居民小區處于黃石市內重要湖泊邊，由于地理位置偏僻，市政管網未能鋪設到位，小區生活污水還未能進入市政污水處理系統。為落實節能減排和建設綠色環保文明小區，保護湖泊水質，以該生態小區現有污水處理站出水為源水，采取進一步處理措施回用作為小區雜用水和湖泊景觀水尤為必要。筆者依托該生活小區，開展生物砂濾池對于中水深度處理的試驗研究。

1材料與方法

1.1原水水質

該生態小區原來對于產生的生活污水采用預處理+活性污泥+沉淀工藝，其運行效果較差，出水水質不穩定，由于城市污水管網目前未覆蓋該小區，尾水只能就近排入附近湖泊。而依據國家、湖北省及黃石市關于湖泊保護的規定，尾水必須執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中一級A標準，結合處理后尾水用于綠化、道路澆灑及湖泊景觀用水要求，列出原水水質及污染物對應標準要求（表1）。

1.2試驗工藝運行參數及流程該試驗是對小區污水處理站二沉池出水進行深度處理，所以直接安裝了一套生物砂濾池進行調試處理，其運行參數基本上由出水和裝置設計而定。生物砂濾池高5 m，內徑2.8 m，過濾面積為近8.0 m2，正常運行時流量為40 m3/h，濾速為2～10 m/h；濾料采用天然海砂，高度為3.6 m（濾料顆粒平均粒徑為1 mm，填充率為2.5 kg/L）。通過管道導流進入中心喇叭均勻布水，并采用單獨水反沖洗方式，反沖洗強度為125 L/（s·m2），反沖洗時間為5～7 min，反沖洗出水返回原污水處理站預處理沉淀。根據工藝需要選擇性進行曝氣，空氣導入砂濾池底部通過微孔進行曝氣，以提供微生物必須的氧氣。另外，在生物砂濾池運行期間，根據其反應原理，定期投加甲醇。試驗工藝流程見圖1。

1.3樣品采集與分析

2013年6～8月試驗期間，水溫為21～30 ℃。根據試驗進程進行合理采取水樣，針對性地測定水樣中有機污染物濃度，以了解生物砂濾池對各種污染物的處理效果和最佳運行條件。研究表明，生物砂濾池對氮具有很好的去除效果[5-7]。為了解該生物砂濾池脫氮除磷效果，對主要污染物TN、NH4+N和TP進行了多次取樣分析。該試驗采樣次數不固定，依據生物濾池運行時間不定期進行采樣。總懸浮物（TSS）測定采用重量法；化學需氧量（CODCr）測定采用重鉻酸鉀法；五日生化需氧量（BOD5）測定采用重鉻酸鉀紫外光度法；總氮（TN）測定采用紫外分光光度法；氨氮（NH4+N）測定采用納氏試劑分光光度法；總磷（TP）測定采用鉬酸銨分光光度法。

43卷31期閆偉偉等生物砂濾池在中水回用中的應用

2結果與分析

2.1對TSS的去除效果

由于生物砂濾池進水為二沉池出水，本身TSS濃度不是很高。由圖2可知，進水中TSS濃度小于30 mg/L時，其去除率很小，而TSS濃度大于30 mg/L時去除率明顯升高，這主要與生物濾池中天然海砂的粒徑和構造有關[8-9]，也說明該裝置對于處理TSS濃度大于30 mg/L的二沉池出水是可行的。在試驗期間，隨著生物濾池運行時間加長和穩定后，對TSS的去除率也在提高，升至75%后變化不大，這主要是因為當投藥量達到一定的數值時，微粒間的吸引力開始起作用，顆粒開始快速絮凝。由于此過程是從濾層表面到深部進行的，有利于發揮深層濾料的截污能力。從水力學方面來看，連續過濾時，砂濾料孔隙內水流呈層流狀態，它產生的速度梯度會使微絮凝體不斷旋轉，當其脫離自己的流線時，與砂粒接觸，就會產生足夠的吸引力被濾料吸附，從而從水中分離出去[10]。

2.2對CODCr的去除效果

由圖3可知，當進水CODCr濃度為50～90 mg/L時，出水CODCr濃度為20～58 mg/L，去除率為28.8%～66.7%，基本可以達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準，這主要是因為試驗期間水溫基本保持在微生物（異養菌）生長繁殖的最佳水溫（20～30 ℃）[11]。但測試期間有2次出現出水CODCr濃度超過50 mg/L，這是因為進水CODCr濃度超過85 mg/L，微生物的生長都有一定的規律和周期，在處理過程中，進水水質發生變化后微生物有一個適應的過程，此時適應的微生物能夠生存，不適應的則被淘汰，微生物數量減少，進而導致有機物從生物濾池中流失，所以生物砂濾池對CODCr的處理效果有所波動[12]。因此，要使生物濾池出水達到回用水的基本要求，應控制進水CODCr濃度不超過85 mg/L。

2.3對BOD5的去除效果

測試期間，二沉池出水中BOD5濃度為3～14 mg/L，經過生物濾池處理后BOD5濃度為1.9～4.5 mg/L（圖4），完全達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準，滿足回用標準。通過對生物濾池內部，經過1個月的運行后，濾池內部已經出現生物膜，在廢水充氧情況下，低濃度的污染物BOD能很好地被生物細菌消化[13]。 在生物砂濾池中，有機物的降解速率主要取決于生物好氧反應的速率，而生物好氧反應的速率主要受基質濃度和生物膜內、外基質和氧的傳質過程控制。原水中污染物濃度較低，曝氣充足，水中溶解氧很高而生物膜厚度較薄，傳質阻力小、速度快，因此污染物的生物降解速率很快[14]

2.4對TN的去除效果

TN是生物濾池重點去除的污染物，測試期間也重點監測了進出水中TN的濃度。從實際的運行效果來看（圖5），進水濃度為6.3～27.6 mg/L時，出水濃度為0.8～5.3 mg/L，平均去除率為88.9%，且進水TN濃度越高去除率也越高，主要是因為海砂表面的硝化細菌隨著進水TN濃度的提高而生長較快，單位體積內硝化細菌的密度增加，對TN的去除效果較好[7]。這是因為對水中氮的去除起作用的硝酸菌和亞硝酸菌統稱為硝化細菌，它們為好氧自養菌，世代時間較長，增長速度緩慢，需要有一定的停留時間。在低濃度廢水處理工程上，為了要達到硝化完全的目的，一般采用低負荷運行，增加曝氣量和延長曝氣時間，保證有足夠的溶解氧存在[15]。同時發現，雖然進水TN濃度變化較大，但出水TN濃度變化很小。可見，生物濾池對TN污染物具有很好的抗沖擊負荷性能。

2.5對NH4+N的去除效果

由圖6可知，在砂濾裝置啟動運行前期（2013年6月），原水溫度相對較低，NH4+N去除率出現較大波動，總體去除率低于75%；但后期運行穩定，水溫升高后，NH4+N去除率基本維持在80%以上，最高可達90%。分析原因，砂濾裝置開始運行不穩定，水溫相對低，海砂表面生物膜中硝化菌代謝相對不穩定，生長慢[16]，因此抗NH4+N沖擊負荷能力較差，這種情況到運行中后期就明顯改善。生物砂濾池對氨氮的去除是在亞硝酸菌和硝酸菌的作用下，氨氮先被氧化成亞硝酸鹽氮，接著氧化為硝酸鹽氮。當水中的NH4+N濃度增加，硝化細菌產生的有機細胞物質可部分作為異養菌的基質，使得異養菌有了較多的電子供體，促進生長，使水中的有機物得以分解和氧化。當進水NH4+N濃度保持穩定時，水中可降解的有機物質被大部分降解，盡管部分異養菌仍然可利用硝化反應所形成的有機細胞物質作為其營養源，但大部分異養菌的氧化分解能力較弱，不得不利用自身菌體作為營養來源，此時水中有機物的去除基本穩定。因此，水中一定量氨氮的存在可以促進異養菌的生長和微量有機物的氧化分解，硝化反應所形成的細胞物質可作為異養菌的部分基質 [17]。

2.6對TP的去除效果

同氨氮的去除效果一樣，廢水中TP的去除在砂濾裝置運行前期不穩定，后期穩定。雖然進水中TP濃度出現較大波動，但總體去除率維持在60%～70%，出水濃度總體維持在0.2 mg/L左右（圖7）。可見，該套生物砂濾池對于TP的去除也是有效的。對于除磷的機理，傳統的觀點為：厭氧釋磷好氧吸磷，同時要求NO2-、NO3-濃度極低。而最近的研究表明，在一定的濃度范圍內NO2-對除磷無抑制作用，相反，它可以作為除O2之外的另一電子受體，實現聚磷菌的同時反硝化除磷[18]。可見，生物濾池能將反硝化脫氮和生物除磷過程結合在一起，節省碳源和曝氣量，減少污泥產量，適用于低C/N或C/P比的污水。

2.7抗沖擊負荷效果

在運行期間，單獨采集了8月份中一整天運行數據進行分析，在12：00以前流量為30～35 m3/h，12：00之后流量為17～22 m3/h。很明顯，進水中氮濃度出現了很大波動，為0.34～10.50 mg/L，但出水氮濃度保持在0.17～2.00 mg/L（圖8），出水很穩定，說明該套裝置對氮具有很好的抗負荷沖擊能力，應用于小區污水處理站尾水處理具有很好的效果。

3結論

生物砂濾池適用于深度處理城市污水管網未能覆蓋的生活小區污水處理站尾水，對于生活小區廢水處理站出水中TSS、COD、BOD、TN、NH4+N、TP都有較好的去除效果，尤其是對TN、NH4+N保持很高的去除率。在裝置運行穩定時，TN去除率可保持在85%以上，NH4+N去除率保持在80%以上，出水中各項污染物濃度都能達到GB 8918-2002中一級A標準限值，滿足回用水的要求，對于保護城市湖泊水質起到較好作用。但在實際運行過程中，對于尾水處理的參數控制要求比較嚴格，對設備的運行控制要求較高。

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