功能性填料曝氣生物濾池應急處理雨水調蓄池污水

王慶捷

(山東水總有限公司，濟南 230000)

當前，全球水資源匱乏，自然水體持續被污染，導致對水資源的需求量逐漸增加[1-2]。加強地表水環境管理，減少水環境污染，增加水資源的二次利用率，成為解決水資源匱乏問題的切實可行方法。對于城市水資源，初期的雨水污染是城市水環境污染的重要組成部分[3-5]。在城市化進程較高的區域，由大量的機動車、行人和生活等帶來的污染較大，城市地表的水污染負荷十分嚴重。特別是在干旱季節，水污染現象更加嚴重。即使采用傳統的分散排水系統，系統分開排除生活污水和雨水，早期雨水的直接積蓄也會對受納的水體環境造成嚴重的污染[4-5]，部分城市區域的早期雨水污染物質的濃度甚至超過了當地生活污水的污染物濃度。因此，早期雨水造成的污染問題必須得到足夠的重視[6]。

目前，將早期雨水直接排送到雨水調蓄池處理是最為常規的手段[5, 7-9]。早期的雨水通過管道傳輸過程中與合流制溢流污染物混合以后，容易形成稀釋的低濃度生活污水，如直接排放到水體當中，會導致大面積城市區域面源污染。在微污染水處理技術中，生物氧化處理殺菌法是最好的方法之一。而曝氣生物濾池(BAF)是其中應用最廣的一種新型的采用生物濾膜過濾處理的工藝，歐美地區于20世紀80年代開始出現普及[10-13]。通過將濾料匯集，一體化地攔截去除固態雜質顆粒以及氧化降解有機物，具有前期投入少、占地不大、抗沖擊強度高、經濟高效等優點，能夠有效地進行硝化、反硝化和脫氮等。

近年來，諸多學者通過將曝氣生物濾池用來處理低濃度生活污水，并取得了一些進展，充分利用率曝氣生物濾池本身的結構特點，具有一定的前瞻性[12, 14-16]，但將曝氣生物濾池用于雨水調蓄池對早期雨水污染處理的研究較少。本文通過將裝備功能性填料的改良曝氣生物濾池用于雨水調蓄池排口預處理，分析對典型的特征指標化學需氧量(COD)、氨氮含量、總磷含量(TP)的去除效率影響，為早期雨水的實際處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

本實驗主體主要由沉淀池、填充功能性填料的改良曝氣池和反洗水箱組成。早期污水經過沉淀池進行沉淀預處理后，去除大部分的顆粒與水藻。之后，處理后的水體經過水泵抽動至曝氣生物池進行水分配，將處理后的水自流至反洗池，最終通過反洗水箱自動流出合理排除。根據設計，沉淀池的尺寸為300 L，確保在水處理過程中有足量的水量供應曝氣生物池連續工作。

實驗中，改良曝氣生物池主要體現在兩個方面：一個是調整曝氣生物濾池的尺寸為直徑0.3 m、高1.2 m的圓柱，有效容量約為12 L，低于《生物濾池法污水處理工程技術規范》(HJ2014-2012)中規定的特征尺寸。這種結構改良改善了生物濾池瘦高的外觀特征，降低了對周邊基礎地面的壓力；同時降低了反沖洗風機的風壓，降低能耗。另一個改良方案點為采用改性復合濾料，即采用主要成分為自制的改性功能木屑和多孔陶粒作為填料，既起到傳統農作物廢料的回收利用，也改善了傳統單無機填料過濾效率低下的問題。本實驗中，采用的濾料層的高度為0.8 m。

1.2 實驗水質

實驗中采用的進水為傳統雨水調蓄池預處理沉淀后的出水，對水質的情況進行分析，具體數值見表1。

表1 雨水調蓄池預處理沉淀后的出水水質

傳統雨水調蓄池主要通過網格格柵和絮凝沉淀法去除大部分固體顆粒、有機難溶物以及固體懸浮物，處理后的水作為曝氣生物濾池的進水，并對其水質進行測試分析。

1.3 實驗方法

1.3.1 曝氣生物池的啟動

通過配置模擬廢水，濃度分別為COD 35 mg/L，氨氮25 mg/L，TP 1.2 mg/L，并將上述人工模擬廢水作為曝氣生物濾池啟動廢水。首先向曝氣生物濾池中注入40 L市政污水廠中常用的硝化溶液，為加快硝化菌的培養，在改性的濾料中加入800 ml硝化菌試劑。預實驗期間，小流量不間斷進水，維持氣水比為6∶1 ～ 8∶1。在反應持續進行10 d后，此時流量增加至33.4 m3/h，氣水比為3.5∶1，曝氣生物濾池出口的采樣水質氨氮濃度下降至18 mg/L。通過觀察發現，在濾料的底部開始出現黃褐色絮狀物，且混合濾料間隙顏色變成黃褐色，可以認為制備的改性生物濾池成功啟動。設備成功啟動后，將沉淀池預沉淀處理的污水抽至曝氣生物池中正常運行，測試處理后的水質整體的COD、氨氮以及TP值。

1.3.2 曝氣生物濾池的正常運行

實驗中，分別在沉淀預處理池以及曝氣生物濾池的出水口取樣檢測水質。設備正常運行時，測試的運行參數設置水氣比為3.5∶1，曝氣量為16 m3/min，水力停留時間為50 min，溶解氧(DO)不低于3～5 ppm。對于反沖洗池，反沖洗的頻率保持在3～4 d反沖洗1次；反沖洗過程中，以快速降水位以及水氣聯合反沖作為主要的技術手段。實驗中，下降水位25 s，氣沖120 s，水氣聯合沖洗120 s，水沖洗240 s，反沖洗恢復期為15 min。

本研究通過設置單陶粒濾料、陶粒木屑混合濾料以及單木屑濾料3組實驗，分別考察3組實驗的去除效果。

1.4 測試方法

本實驗中，通過納氏比色法測定水質中的氨氮值，通過重鉻酸鉀法確定水質中的COD值，通過分光光度計法測定水質中的TP值。

2 結果與討論

2.1 改性木屑與多孔陶粒的特征形貌

實驗中采用的濾料為典型的改性復合濾料，其主要成分為自制的改性功能木屑和多孔陶粒，木屑與陶粒的特征形貌見圖1。其中，多孔材料陶粒的粒徑為5～10 mm，比表面積為5 104 cm2/g，密度為2.0 g/cm3，孔隙率基本保持在55%左右。木屑的粒徑尺寸為長4.5±0.6 mm，寬1.5±0.5 mm，孔隙率84%左右。此外，從圖1(c)中可以看出，改性木屑具有突出的三維微納結構，有利于水質中微生物的附著、生產以及繁殖。而圖1(d)表面陶粒表面三維結構不突出，孔隙幾乎看不見，表面較為光滑。

圖1 改性木屑與陶粒外觀與微觀形貌

2.2 早期雨水COD去除效果

本實驗中，曝氣生物濾池運行時，水氣比為3.5∶1，曝氣量16 m3/min，連續測試兩個月后，測試的進出口水質COD含量見圖2。從圖2中可以看出，改良以后的曝氣生物濾池進水COD平均濃度為36.4 mg/L，出水口的COD平均濃度為21.6 mg/L，對COD的有效平均去除率為40.7%。此外，測試參照組單純陶粒濾料和單純木屑濾料，其出水口COD平均濃度分別為23.1 和19.3 mg/L。對于COD的去除效率，混合濾料早期COD去除率介于單純陶粒和單純木屑中間。隨著運行時間的延長，木屑表面微納復合結構有利于微生物繁衍，生物作用更強，在濾料簡單的吸附效果飽和后，對于COD的去除效果更加具有優勢。而在進口水質的COD濃度穩定時，其去除率基本可以保持在42%以上，對COD的去除效率較為穩定，具有一定的耐久性。另一方面，可以看出3組濾料對于COD的去除效率均不是特別高，具體原因在于本實驗水力停留的時間不夠長，殘留的有機有害物質還未被完全分解就被排出。

圖2 進出口采集的水質COD濃度變化量以及對應的去除率

2.3 早期雨水氨氮去除效果

本實驗中，曝氣生物濾池對早期雨水水質中氨氮的去除效果見圖3。從圖3中可以看出，經過改良曝氣生物濾池處理后的水質氨氮含量從原來的16.24 mg/L下降至平均1.1 mg/L，經過設計改良后的曝氣生物濾池，采用混合濾料時，對于氨氮的去除率能夠穩定保持在98%左右。而當采用單純陶粒濾料和單純木屑濾料時，出水的氨氮平均濃度分別為6.2 和1.0 mg/L。也就是說，采用混合濾料的氨氮去除率介于單純陶粒濾料和單純木屑濾料之間，但是基本接近最佳的氨氮去除效果。

圖3 進出口采集的水質氨氮濃度變化量以及對應的去除率

此外，綜合考慮水質中COD、氨氮濃度的情況發現，污水中有機物的含量明顯降低，水體整體氨氮含量顯著下降。因此，可以推測出硝化菌在改性的木屑-多孔陶粒復合粒料中分布均勻，尤其是在出水口區域，其含量應該顯著占優。整個水質處理過程中，硝化菌通過氧化氨氮反應，明顯降低了氨氮的含量。

另一方面，改性的曝氣生物濾池內部低碳氮比的生長環境為內部硝化菌的生長提供了良好的條件。同時，改性木屑表面優良的比表面積和粗糙度也為硝化菌的附著提供了良好的位點，并且在附著后不容易脫落。綜合來看，該體系內具有強大的硝化去氨氮能力，即使水質變化較大，也能夠保持穩定的氨氮去除率在95%以上，具有良好的穩定性，并且處理優化后的水質符合《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中的相關規定，具有良好的應用前景。

2.4 早期雨水TP去除效果

本實驗中，曝氣生物濾池運行時，水氣比為3.5∶1，曝氣量16 m3/min，連續測試兩個月后，測試的進出口水質TP含量見圖4。從圖4中可以看出，混合濾料處理后的水質TP質量濃度由一開始的平均濃度1.2 mg/L降低至0.55 mg/L，經過設計改良后的曝氣生物濾池，對于總磷的平均去除率能夠穩定保持在54%左右。另外，與單純陶粒濾料和單純木屑濾料對比，對總磷的平均去除率基本沒有區別，原因是由于該實驗裝置主要通過生物法除磷，效果較為一般。因此，如果想提高總磷去除率，需要輔助化學除磷(添加除磷藥劑)等方式。

圖4 進出口采集的水質TP濃度變化量以及對應的去除率

根據傳統的雨水調蓄池內污水的水質情況，本文設計的改性曝氣生物濾池可以有效去除水質中含有的過量TP，達到《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)規定的水質標準(TP≤0.4 mg/L)，滿足正常的出水水質要求。同樣地，即使在進水TP波動較大的階段，也能夠穩定運行，有效去除TP，保持水質的健康排放。

3 結果與討論

本實驗對傳統曝氣生物濾池進行了改良，一方面優化了曝氣生物濾池的結構，另一方面通過改性木屑和多孔陶粒替代了內部常規使用的無機濾料。在實驗中發現，早期雨水污染物中的COD以及氨氮含量較低，使用改良后的新型曝氣生物濾池能夠有效地對污染物進行吸附過濾，實現對早期雨水的快速凈化。同時，使用改良后的曝氣生物濾池發現，水質在凈化2個月后，出水口水質的COD、氨氮以及TP的去除率穩定在42%、95%和54%。即改良后的曝氣生物濾池出水口中水質的COD、TP量和氨氮含量均已達到《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)規定的排放標準，并能夠長久使用。