低氣溫條件下兩級曝氣生物濾池的啟動研究

趙 奕，劉志輝,3,4，盧文君

(1.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學教育部綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊 830046；3.新疆大學干旱生態環境研究所，烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心，烏魯木齊 830046)

曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter,BAF)，是20世紀80年代末在歐美發展起來的一種新型生物膜法污水處理工藝，借鑒了生物接觸氧化法和給水快濾池的設計思路。以顆粒狀填料為載體，通過曝氣使濾料表面附著大量生物膜，利用生物膜中微生物的代謝作用，膜和填料的物理吸附和截留作用以及反應器內食物鏈的分級捕食作用，實現污染物在同一單元反應器內去除。反應器內存在著不同的好氧、缺氧區域，可同步實現硝化、反硝化，在去除有機物的同時達到脫氮除磷的目的[1,2]。

BAF具有占地面積小、投資少、啟動快、處理效率高、出水水質好和操作簡單等諸多優點[3]，現以廣泛應用于污水處理領域。由于BAF去除水中污染物的主要原理是通過生物膜進行降解，因此生物膜的形成在整個工藝中有非常重要的地位。但在北方地區，冬季氣溫較低，微生物活性受抑制，在濾料上很難形成穩定的生物膜，造成污水處理效果不佳[ 4-6]。目前已經有大量學者研究了低溫對微生物去除污染物的影響，證明了低溫會降低微生物去除污染物效率[7,8]。但很少有人研究低溫下對BAF增加加熱保溫措施后去除污染物的影響。本試驗為了更好地發揮BAF的作用，使其在北方冬季可以正常運行，選擇了水質穩定的校園污水，探討了低氣溫條件下對BAF增加加熱保溫措施后處理校園污水的掛膜啟動過程。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

本試驗采用自制的兩級BAF，裝置示意圖見圖1。濾池為兩根濾柱，均由高3 500 mm，內徑300 mm，外徑315 mm，承壓力為0.7 MPa的UPVC給水管制作而成，兩濾柱落差為1 m，按水流經濾柱先后順序分別為BAFⅠ和BAFⅡ。濾柱內部裝填球形陶粒濾料，進水方式采用上向流進水。兩段BAF承托層設計為450 mm，承托層的填料粒徑為大于20 mm的鵝卵石，BAFⅠ球形濾料粒徑為10～20 mm，BAFⅡ球形濾料粒徑為5～10 mm，濾層高度均為2.2 m，清水區都預留850 mm。各級BAF在承托層以上每隔500 mm依次向上設有4個取樣口，分別安有水龍頭。進水流量由液體轉子流量計控制，曝氣氣量由氣體轉子流量計控制。進氣管采用內徑為15 mm的硅膠水管，進出水管采用內徑為40 mm的帆布水管。為提高BAF單元水溫，將BAF單元池壁以1∶3的比例纏繞自控溫度為65±5 ℃，標稱功率為15 W的電伴帶，并包裹了5 cm厚度的橡塑保溫材料更好地提高和控制水溫。試驗設計BAF最大日流量可以達到3.6 m3/d(150 L/h)。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagramof the experiment equipment

1.2 檢測項目及方法

試驗用水為新疆大學本部校區生活污水，污水經過5 mm的濾網后直接由污水泵按設計流量注入BAF池中。

檢測項目及測試方法見表1。

2 啟動過程

本試驗掛膜方式采用自然富集培養掛膜法。試驗區為新疆大學本部校區學生宿舍7號樓前，試驗用水取自實驗區檢查井。自然富集培養掛膜法一般需要兩個階段，第一階段需要10～15 d，本試驗進水體積流量為37.5 L/h，風量為225 L/h，風機每隔6～8 h停止曝氣，并更換BAF中的處理水，連續悶曝3～5 d。第二階段一般需要8～10 d，本試驗進水體積流量為150 L/h，風量450 L/h。前15 d氣水比為3∶1，后期將氣水比逐漸提高到4∶1。溫度通過加熱和保溫措施控制在22 ℃左右。試驗進行7 d后肉眼可看到曝氣生物濾池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色變成灰褐色且逐漸變厚、顏色逐漸加深。整個試驗過程共進行30 d，分別在開始運行的第7、15、20、25、30 d進行取樣檢測。

表1 水質檢測項目以及測試方法Tab.1 Water quality test items and methods

3 結果與討論

3.1 掛膜期間溫度變化

溫度是影響BAF掛膜的一個重要因素，在低氣溫條件下，生物膜中微生物活性降低生長代謝緩慢，對有機物和氮磷含量的去除有明顯抑制作用。氣溫過低甚至會直接影響BAF單元的正常運行。在新疆低氣溫條件下，試驗所選擇的原水溫度在10 ℃左右。BAF中微生物生長的最適宜溫度是15～35 ℃，高于或低于此溫度的范圍對曝氣生物濾池單元的凈化效果都會產生不利的影響，水溫較低時，生物膜活性會受到限制，因此水溫是影響曝氣生物濾池掛膜的一個重要因素。在本試驗運行中，設計了具有加熱保溫效果的BAF裝置。掛膜期間溫度變化見圖2。由圖2可知，BAF出水溫度穩定在22 ℃左右，可以保證試驗正常運行。

圖2 溫度變化Fig.2 Temperature changes

3.2 掛膜期間對SS的去除效果

掛膜期間SS去除效果見圖3，由圖3可知，BAF對SS的去除率較高，在啟動初始階段，SS去除率就已經達到74%以上，這主要是由于BAF濾料本身具有很強的吸附截留作用，對SS有一定去除效果。而本試驗中，選擇的是兩級BAF，且兩級BAF中濾料的粒徑也不同，所以大大提高了SS的去除率。在掛膜啟動第20 d，出水SS值降到10 mg/L以下，對SS的去除率達到99%，后10 d，SS的去除率穩定在這個范圍內。BAF處理污水中SS是通過濾料的機械截留、接觸及生物凝聚作用，使SS被不斷地截留在填料的孔隙間，達到降低SS的目的。但隨著運行時間的延長，濾層截留的SS不斷積累增多以及濾料表面生物膜厚度的增加，會堵塞濾料的孔隙，增加過水的阻力，降低BAF對污染物去除效率[9-11]。因此試驗運行過程中需要通過反沖洗使濾層進行再生。此外，當進水SS值連續偏高時，會縮短BAF的工作周期，增加反沖洗次數。此時可以采取相應的預處理措施降低偏高的進水SS值，延長反應器的工作周期并降低反沖洗能耗。

圖3 SS的去除率Fig.3 SS removal rate

3.3 掛膜期間對BOD5和CODCr的去除效果

掛膜期間BOD5和CODCr去除效果見圖4、圖5，由圖4、圖5可知，水溫控制在22 ℃左右，氣水比4:1，水力負荷為2.1 m3/(m2·h)，水力停留時間為3.11 h的運行條件下，在掛膜20 d后BOD5和CODCr的去除率已經達到很高，分別為76.82%和66.38%，此時可以證明通過加熱保溫措施可以保證BOD5和CODCr的去除率，提高BAF在低氣溫條件下掛膜成功率。

由圖4、圖5可以明顯地看到15 d時水質濃度有回升的現象，此時的去除率低于7 d的去除率，20 d的去除率又有了明顯的提高，25、30 d的去除率也是持續增長的。其主要原因是由于濾料本身具有較強的截留、吸附作用，在運行初期，對污水中的部分有機污染物有一定的去除效果[12,13]。但隨著濾料中污染物的積累，生物膜的形成，濾料孔隙率降低，使濾料的截留、吸附作用減弱，BOD5和CODCr的去除率會有所下降。但在之后的運行過程中，通過進一步提高氣水比到設計量，大量微生物快速生長，生物膜逐漸成熟穩定，濾料層中異養菌數量增多，BOD5和CODCr的去除率不斷提高，并達到穩定。但曝氣強度必須控制得當，不宜過大，曝氣強度過大會使生物膜因代謝活動過強而導致污泥老齡化，出水水質達不到預期的效果。由于調整氣水比后15 d里污水處理效果都很好，所以本試驗選擇的氣水比為4∶1。在運行到第20 d時，BOD5和CODCr的去除率達到86.29%和92.09%，此后去除率一直穩定在90%左右。

圖4 BOD5的去除率Fig.4 BOD5 removal rate

圖5 CODCr的去除率Fig.5 CODCr removal rate

3.4 掛膜期間對NH3-N和TP的去除效果

NH3-N和TP的去除效果是判斷生活污水處理工藝性能的重要內容。為了更好地驗證試驗掛膜啟動是否成功，在運行期間，對NH3-N和TP的含量進行了檢測，NH3-N的去除效果見圖6，由圖6可知，在啟動初期，NH3-N的去除率在60%左右，之后有下降的趨勢，在此階段雖然已經達到一定去除效果，但去除率要低于有機物的去除率。啟動初期NH3-N的去除僅依靠濾料的吸附作用和少量的生物降解作用，并且硝化細菌的世代周期長，在啟動初期和異養菌的競爭處于劣勢[14,15]。隨著異養菌在濾料中基本穩定，硝化細菌開始快速生長和繁殖，NH3-N的去除率開始迅速提高，當運行到第20 d，檢測到NH3-N的去除率已經達到99%，之后的10 d都穩定在這個范圍內。TP的去除效果見圖7，由圖7可知，在運行的前15 d，TP的去除率達到60%以上，并有下降趨勢，第20 d時TP的去除率降到50%以下，之后逐漸提高，第25 d時TP的去除率提高到87.17%并達到穩定。由此可以說明，濾料上已經形成了穩定的生物膜，BAF掛膜啟動試驗成功。

圖6 NH3-N的去除率Fig.6 Ammonia nitrogen removal rate

圖7 TP的去除率Fig.7 TP removal rate

4 結 論

試驗在低氣溫條件下用自制的具有加熱保溫功能的BAF裝置，溫度穩定在22 ℃左右，氣水體積比在4∶1的條件下，采用自然富集培養法掛膜啟動BAF，處理大學校園污水。經過20 d后，SS的去除率穩定在98%，BOD5和CODCr的去除率分別穩定在95%和87%，NH3-N的去除率穩定在99%，TP的去除率穩定在86%。鏡檢結果顯示，7 d后肉眼可看到曝氣生物濾池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色變成灰褐色且逐漸變厚、顏色逐漸加深。同時，通過顯微鏡的低倍鏡檢和高倍鏡檢，發現大量的菌群附著在陶粒表面，且微生物種群很多，交織在一起形成網狀結構，形成具有截留吸附、分解污染物的能力的微生態系統，為污水處理的穩定運行創造了基礎條件。因此認為BAF掛膜成功。

在試驗掛膜過程中由于試驗采用的水樣為校園社區生活污水，營養成分基本符合曝氣生物濾池啟動期間微生物正常生長的要求，不用額外增加營養成分，故在BAF啟動階段，選用未經過預處理的校園污水為水源，采用自然富集培養掛膜法。但在后期BAF正常運行期間，為了使進入BAF中的水質保證一個相似均衡的值，本試驗過程中，在BAF單元前設計了預處理單元—化糞池，保證進入BAF單元的污水水質均衡。且，在正式運行階段，只需在晚上或氣溫較低的條件下對各構筑物進行加熱，其他時間，保溫措施即可保證正常運行。

試驗通過采用改進的具有加熱保溫措施的BAF裝置，控制BAF池內水溫，并調節試驗運行參數，可以使BAF在北方冬季低氣溫條件下正常運行，并達到良好的去除效果。該試驗的成功為解決北方冬季污水處理困難問題，提供了重要的參考價值。但由于加熱保溫措施不宜用于大型污水處理工程，故在實際的應用中，要根據污水處理需要，做進一步改進后推廣使用。

□

[1] 張文藝,翟建平,鄭 俊,等.曝氣生物濾池污水處理工藝與設計[J]. 環境工程,2006,24(1):9-13.

[2] Clack. Phosphorus removal by chemical precipitation in a biological aerated Filer.Wat Res.,1997,31(10):2 557-2 563.

[3] 鄒偉國,陸 嘉,張 辰,等.曝氣生物濾池在脫氮除磷工藝中的應用[J]. 環境工程,2004,22(5):27-29.

[4] 鄭 俊,吳浩汀.曝氣生物濾池工藝的理論與工程應用[M]. 北京:化學工業出版社,2005.

[5] 任南琪,馬 放.污染控制微生物學[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2004.

[6] 傅金祥,陳正清,趙玉華,等.掛膜方式對曝氣生物濾池的影響[J]. 水處理技術,2006,32(8):42-45.

[7] 王立文,許 敏,徐志清.BAF低溫掛膜的影響因素分析[J]. 電力環境保護,2007,23(5):50-51.

[8] 謝曙光,張曉健,王占生.極低溫度下兩級曝氣生物濾池的運行特性[J].中國給水排水,2002,18(7):17-19.

[9] 李 婷,董文藝,王宏杰.曝氣生物濾池去除SS以及水頭損失增長的特性研究[J]. 中國給水排水,2013,29(15):81-84.

[10] 孫 芮,陳 玲,陳季華.曝氣生物濾池反沖洗特性的研究[J]. 環境科技,2008,21(6):20-23.

[11] 張 杰,陳秀榮.曝氣生物濾池反沖洗的特性[J]. 環境科學,2003,24(5):86-13.

[12] 劉宏遠,金 凌,陳麗麗,等.2種曝氣生物濾池的啟動比較分析[J]. 環境污染與防治,2010,32(11):30-33.

[13] 陸少鳴,陳德業,陳藝韻.疊式曝氣生物濾池在給水預處理中的掛膜啟動[J]. 環境工程學報,2012,6(1):191-194.

[14] 王 東,邱立平,謝 康.曝氣生物濾池處理微污染水源水低溫啟動特性及效能研究[J]. 水處理技術,2014,40(8):103-106.

[15] 王建華,陳永志,彭永臻.硝化型曝氣生物濾池的掛膜與啟動[J]. 環境工程學報,2010,4(10):2 200-2 203.