改性聚氨酯填料在曝氣生物濾池中的應用

厲林聰，吳益輝，黨勇杰，吳 凱，張淼佳，GEORGE Lu

(1.杭州余杭城西凈水有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江海牛環境科技股份有限公司，浙江杭州 311100)

曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)是一種較常見的污水處理工藝，通常被應用于污水生物處理和微污染水源預處理[1-3]。該工藝兼具生物膜法和過濾單元的優點，系統內填料除了作為吸附和降解污染物微生物的載體外，還可以起到過濾攔截的作用，從而達到凈化污水的目的[4-5]，因此，在全世界城市污水處理中得到了廣泛的推廣與應用[6]。傳統的BAF多采用陶粒作為填料載體，傳統陶粒填料價格較低，但比表面積小、微生物掛膜量少且附著能力不強，因此，對污染物的去除效率較低[7]。同時，隨著使用年限的延長，陶粒填料容易局部板結，造成水質處理效果不理想、堵塞情況嚴重、反洗頻次增加、處理能力降低等影響[8]，最終只能通過清池更換填料解決。隨著對BAF研究和應用的增多，多數學者認為BAF工藝中生物填料性能是影響其處理效果的關鍵[9-11]。因此，對新型填料性能的研究和篩選已經成為該領域的熱點，如納米改性陶粒填料、復合生物填料[12]、發泡聚丙烯填料等，但這些填料均無法同時兼顧處理效果與填料的堵塞問題。改性聚氨酯填料(modified polyurethane filler，MPF)可滿足曝氣生物濾池的水質處理效果，同時在其處理效率、堵塞情況等方面也表現優異[13-14]，成為BAF應用填料重要的備選種類之一。目前，在BAF中關于MPF的研究大多處于實驗室水平，而缺少中試規模的相關研究成果，一定程度上限制了MPF在BAF工藝上的應用。

本文通過2套并行的中試設備，分別采用MPF和傳統陶粒填料的BAF對比，在市政污水深度處理領域的處理效果及主要的影響因素，為采用MPF的BAF的工程設計和運行參數[水力停留時間(HRT)、外加碳源量及反洗周期]提供技術支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗水質和碳源

為了讓所得試驗結果能充分服務于后續BAF工程應用，試驗用水直接取自某污水處理廠二沉池出水，試驗期間水質情況如下：pH值為6.80～7.30，CODCr、氨氮、TN、TP、SS含量分別為14.00～32.00、2.50～9.80、8.20～14.30、0.10～0.31、18.00～32.00 mg/L。

試驗所用碳源為25%的乙酸鈉溶液，CODCr含量為21萬mg/L。

1.2 填料特性

試驗組和對照組采用的填料分別為MPF和普通陶粒填料，2種填料的規格及性能參數如表1所示。

表1 MPF和陶粒填料參數Tab.1 Material Parameters of Modified Polyurethane Filter and Ceramic Material Filler

試驗組所采用的MPE-Ⅰ及MPE-Ⅱ填料實物如圖1所示。

圖1 填料實物Fig.1 Packing Material

注：1—鼓風機；2—反洗閥門；3—曝氣閥門；4—碳源罐；5—計量泵；6—流量計(碳源)；7—進水泵；8—流量計(進水)；9—進水渠；10—填料；11—曝氣管；12—反沖洗管；13—箱體圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Experimental Device

1.3 試驗裝置

試驗組和對照組的中試試驗裝置如圖2所示。裝置主體尺寸為L×W×H=1.5 m×1.5 m×1.35 m，池內由下至上分別設有反沖洗氣管、曝氣管、填料區等，其中，底部布水區層高為0.4 m，濾料層高為0.45 m，清水區層高為0.3 m，超高為0.2 m。試驗組濾料層設有上、中、下3層，分別由濾網及固定件對其進行分層固定，而對照組填料直接填充于濾料層。2套試驗裝置的濾料層特性如表2所示。

表2 試驗裝置濾料層特性Tab.2 Characteristics of Filter Material Layer in Experimental Device

1.4 試驗方法

試驗分為硝化、反硝化BAF這2種運行方式。硝化試驗不外加藥劑，主要對比不同HRT下，分別采用MPF和陶粒時BAF對氨氮、CODCr和SS的去除效果，同時對比2種BAF的反沖洗周期。反硝化試驗階段需外加乙酸鈉溶液作為碳源，主要對比2種BAF在不同HRT、C/N條件下對TN和SS的去除效果，也對其反沖洗周期進行對比。

2套BAF試驗裝置的處理水量為3 m3/h，對應的HRT為20 min，整個試驗過程通過控制不同進水水量獲得不同的試驗所需HRT。在研究不同HRT對反硝化BAF去除TN效果的影響時，為排除進水碳源不足的干擾，該階段的進水C/N設定為7；而在研究不同進水C/N對TN去除效果的影響時，為確保反應時間充分，結合HRT結果確定該試驗期間的HRT為40 min，其外加碳源量則根據試驗設定的C/N進行計算獲得。

研究不同HRT、進水C/N條件下的運行效果時，每種工況穩定運行10 d，水質取樣頻率為2次/d；而研究濾池反沖洗周期試驗時，每種工況至少穩定保持30 d。每次改變試驗工況后，通過檢測BAF出水確保效果穩定運行1 d后視為該工況運行穩定。

1.5 水質測試方法

水質測定方法大部分選用《水和廢水監測分析方法》[15]中的標準方法，部分指標選用儀器測定。具體測定方法如表3所示。

2 結果與討論

2.1 HRT影響對比

在同一進水條件下，MPF曝氣生物濾池和陶粒生物濾池在不同HRT下的硝化、反硝化處理效果如圖3所示。

表3 測定分析方法Tab.3 Determination and Analysis Methods

由圖3(a)可知，硝化BAF試驗組與對照組對于CODCr和氨氮的最終去除率基本相同，但試驗組所需的HRT較短。如試驗組HRT在30 min時，CODCr和氨氮的去除率就不再隨著HRT增加而增加，而對照組所對應的時間為35 min，這表明達到同樣的去除率，試驗組比對照組所需HRT短。

圖3 HRT對不同生物濾池處理效果的影響Fig.3 Treatment Effect of HRT on Different Biofilters

由圖3(b)可知，當HRT大于30 min后，試驗組TN的去除率不再變化，可達到75%，而對照組在HRT為35 min時，TN去除率才達到平衡。這說明當HRT小于35 min時，MPF填料BAF試驗組反硝化處理效果優于陶粒填料BAF對照組。

試驗結果表明，在獲得相同處理效果的前提下，以MPF為載體的BAF所需HRT明顯小于陶粒BAF，意味著同樣體積的BAF處理能力更大，其原因應該是MPF的比表面積遠大于陶粒濾料，故在池容相同的情況下，試驗組MPF表面的掛膜量會多于對照組陶粒填料，即單位體積的生物量較大，可以在較短時間內完成對污染物的吸附和降解。因此，在一定的HRT范圍內，2種BAF對污染物的去除效率有較大的差別。隨著HRT增加，生物量不再是限制因素，較少生物量在足夠HRT的條件下，也能實現對污染物的吸附和降解，使得2種BAF對污染物的去除效率相近。此外，由于試驗組BAF采用MPF，其內部通道結構多且雜亂，且下層填料呈流化狀態，對池內氣、水有很好的切割效果，增加了氣、水、微生物膜的接觸時間和接觸頻率，也一定程度上提高了微生物對CODCr、氨氮及TN的去除效率。

一般來說，BAF對SS的去除以過濾為主，因此，在一定過濾速度范圍內(與HRT相關，HRT越大，則過濾速度越小)，BAF對SS去除效率差別不大，圖3的試驗結果也表明此結論。MPF因比重小、空隙率大，硝化BAF曝氣氣流的影響大于陶粒填料。因此，采用陶粒填料下硝化BAF對SS的去除率(70%左右)高于MPF硝化BAF(65%左右)。而對于沒有曝氣的反硝化BAF，采用2種填料下BAF對SS的去除率都達到80%左右，這說明沒有氣流的影響后，在試驗所采用的HRT范圍內，水流對濾料層的攪動影響較小，故2種填料的BAF對SS去除率基本相同。可以預測，當HRT足夠小，濾速超過一定值后，MPF會首先受到影響，對SS的去除率會降低，但從試驗結果看，當HRT小于25 min后，2種填料的BAF不足以實現對污染物的去除。

當HRT為30 min時，MPF的氨氮容積負荷分別為0.256 kg 氨氮/(m3·d)，而陶粒填料容積負荷為0.228 kg 氨氮/(m3·d)；當HRT為25 min時，MPF的TN容積負荷分別為0.408 kg TN/(m3·d)，而陶粒填料的TN容積負荷分別為0.297 kg TN/(m3·d)。當HRT為30 min時，陶粒填料的TN容積負荷為0.387 kg TN/(m3·d)，接近MPF的TN容積負荷(HRT為25 min)，可知MPF的處理負荷較陶粒填料高。參照設計規范的處理負荷，其氨氮處理負荷為0.6～1.0 kg 氨氮/(m3·d)，TN容積負荷為0.8～1.2 kg TN/(m3·d)，李露等[16]指出在HRT為24 min時，氨氮容積負荷小于0.7 kg 氨氮/(m3·d)。分析試驗的容積負荷低于設計規范及李露等的試驗結果，原因是試驗所取水樣為二沉池出水，其水質濃度較低，故所得處理負荷低于設計規范負荷及李露等所得的容積負荷。

2.2 C/N對比

圖4 C/N對2種反硝化BAF運行效果對比Fig.4 Comparison of C/N on Operational Effects of Two Denitrification BAFs

2種曝氣生物濾池在不同C/N情況下，反硝化去除TN的效果對比如圖4所示。當HRT為40 min時，改變進水C/N，2種填料的BAF去除TN效率基本相同，這與圖3(b)中結果對應，即當HRT足夠時，微生物量不再是限制因素，因此，2種填料特性基本不影響BAF對污染物的去除效果。按照理論，當C/N大于2.86，即可滿足反硝化脫氮需求，但在實際污水處理脫氮過程中，受進水DO等各種因素的影響，此值要高于理論值。試驗結果顯示：當C/N低于4.5時，2種填料的BAF對TN去除率隨C/N的增加而增加；當C/N為4.5時，TN去除率為72%，隨著C/N的增加，TN去除率最高可達74%。考慮到經濟性，建議采用MPF的BAF運行時C/N為4.5。

2.3 反洗周期對比試驗

濾池在運行一定時間后，隨著填料內微生物繁殖生長及攔截的懸浮物積累，會造成填料的堵塞，導致處理效果下降。本對比試驗是以進水渠液位上漲高度為依據進行反沖洗，中試試驗期間，進水渠液位上漲10 cm時，即對填料區進行反沖洗。

由圖5可知，硝化反應階段，試驗組反洗周期為6～8 d，對照組為2～4 d；反硝化反應階段，試驗組反洗周期為4～5 d，對照組為1～2 d。試驗組周期長于對照組的原因是試驗組采用大孔徑MPF，填料內的納污空間遠大于陶粒填料，且不易堵塞；而反硝化濾池的反洗周期短于硝化濾池的原因是反硝化反應需要外加碳源，使得微生物生長速率較快。總體上，2種運行情況下，試驗組的反洗周期都為對照組的2倍以上，即采用MPF的BAF比陶粒的BAF節約了反洗水量和能耗，并提高了污水廠的凈產水量。參照試驗反洗情況，以反洗頻次為計算依據，當MPF曝氣生物濾池作為硝化池時，反洗能耗僅為陶粒曝氣生物濾池的51.7%；當作為反硝化池使用時，MPF曝氣生物濾池的反洗能耗為陶粒曝氣生物濾池的43.8%。

圖5 2種填料BAF反沖洗周期對比Fig.5 Comparison of Two Kinds of Filler on BAF Backwash Cycles

3 結論

(1)當HRT為30 min時，MPF的氨氮容積負荷為0.256 kg 氨氮/(m3·d)，而陶粒填料容積負荷為0.228 kg 氨氮/(m3·d)；當HRT為25 min時，MPF的TN容積負荷為0.408 kg TN/(m3·d)，而陶粒填料的TN容積負荷為0.297 kg TN/(m3·d)。這表明以MPF為載體的BAF的硝化與反硝化速率高于以陶粒為載體。

(2)以MPF為載體的BAF發生硝化、反硝化作用的最佳HRT為30 min。

(3)硝化階段采用MPF的BAF的反洗周期為6～8 d，反硝化階段MPF的BAF的最佳C/N為4.5，反洗周期為4～5 d，MPF的BAF的反洗周期為陶粒BAF的2倍。

(4)同樣處理量條件下，以反洗頻次為計算依據，采用MPF的BAF作為硝化池時，反洗能耗僅為陶粒的51.7%；作為反硝化池使用時，采用MPF的反洗能耗為陶粒的43.8%，節能效果明顯。

(5)本次試驗對于采用MPF的BAF的抗沖擊能力與高濃度水質未進行研究，故后續需對其進行補充試驗。