以葡萄糖為碳源研究BAF的運行性能

賈慶旭，南國英，李雯琴，王立杰，董 曉，代學民，任淑萍

(河北建筑工程學院 市政與環境工程系,河北 張家口 075132)

1 引言

曝氣生物濾池(BAF)是一種將活性污泥法和生物膜法相結合起來的廢水處理工藝，與傳統的活性污泥法相比，曝氣生物濾池中的填料能夠吸附大量的微生物，可以對高濃度的有機廢水進行有效處理。另外，曝氣生物濾池具有較小的占地面積、較好的抗沖擊負荷能力以及良好的出水水質，是目前污水處理工藝中較好的選擇[1～5]。周廣吉等[6]通過控制氣水比考察BAF對城市中水中污染物的去除效果，得到結論，當氣水比為4∶1時BAF的綜合去除能力為最佳。周童等[7]考察了進水的有機負荷對BAF出水水質的影響，結果表明，BAF隨著進水有機負荷增高，系統去除COD和氨氮的能力逐漸下降。王立立等[8]研究了填料層高度對BAF運行性能的影響，結果表明，在同一反應器中去除COD和氨氮的最佳床層并不相同，在較低床層時異養菌是優勢菌群，COD的去除效果相對更好，當床層更高時，硝化細菌逐漸成為優勢菌群，氨氮的去除效果更好。通過2個月的試驗，本文將從進水濃度、氣水比和填料高度3個影響因素考察BAF的運行情況。

2 材料和方法

2.1 試驗裝置

設置4組相同的試驗裝置，試驗裝置由進水桶、出水桶和亞克力有機玻璃柱組成，柱體高1 m，內徑0.1 m，分別命名為BAF1、BAF2、BAF3和BAF4，所對應的填料高度分別是10 cm、20 cm、30 cm和40 cm。如圖1所示，裝置以上向流方式進水，廢水由進水桶經過蠕動泵和液體流量計進入反應器。空氣由空氣壓縮機經過分流器和空氣流量計進入反應器。氣相和液相經過混合后由柱體底部均勻向上依次經過配水區、填料層和清水區后由出水口進入出水箱。根據每個階段進水濃度的不同，設置反沖洗的周期，反沖洗的過程包括氣洗、水洗和氣水反沖洗3個階段。

圖1 試驗裝置

曝氣生物濾池的基本參數計算：

高度：H=100 cm=1 m

內徑：D=10 cm=0.1 m

填料高度：h=0.1-0.4 m

流速：V=0.5～5.0 m/h

流量：當V=1 m/h時，

Q=VA=0.008×1=0.008 m3

PET填料孔隙率：ε=0.3

配水區水容積：S1=0.008×0.15=0.0012 m3

濾料層水容積：S2=Ahε=0.008 h×0.3=0.0024 hm3

清水區：S3=0.008×0.1=0.008 m3

濾池有效水容積：

S=S1+S2+S3=0.0012+0.0024 h+0.008=0.0092+0.0024 h

水力停留時間：T=S/Q

當h=0.1 m時,T=16.8 min

當h=0.2 m時,T=18.6 min

當h=0.3 m時,T=20.4 min

當h=0.4 m時,T=22.2 min

2.2 試驗填料

試驗填料是生物接觸氧化工藝最重要的組成部分，能夠直接影響整個工藝的污水處理效果[9,10]。反應器內填料的作用主要有以下幾個方面：

(1)是微生物依附的載體，為微生物的生長繁殖提供穩定的場所。填料有相對大的表面積，可以使更多的微生物存在于反應器中，也使得反應器的耐沖擊負荷能力加強。

(2)耐沖擊負荷強，能夠在不同的水力剪切作用下保持穩定性；有較高的機械強度，能夠減小摩擦帶來的損耗。

(3)表面電性和親水性，微生物親水而且帶有負電荷，因此填料載體帶正電荷有助于微生物在填料上附著生長。

本實驗所用填料為PET樹脂填料[11]，該填料機械強度高、便宜、無毒，但由于表面光滑，不宜掛膜，其外形如圖2所示，該填料形狀為橢圓柱體，a=3 mm，b=2 mm，h=3 mm，密度為1.2～1.3 g/cm3

圖2 PET樹脂填料

2.3 指標分析方法

試驗過程中需要檢測指標：CODCr、溶解氧和微生物。試驗所需方法及儀器如表1所示。

表1 分析指標方法及儀器

3 試驗結果與分析

3.1 掛膜啟動

本試驗采用自然掛膜方式[12～15]，進水先用學校中水站二沉池出水作為原水，進水流量為0.8 m3/h，氣水比4∶1的條件連續進水，但是由于濃度過低，就采用以葡萄糖作為碳源與二沉池水混合作為原水，進水流量為0.8 m3/h，氣水比11∶1的條件連續進水。如圖4所示，前14 d由于掛膜不穩定，填料上的微生物都會因為每天的反沖洗而流失，導致反應器對有機物去除不穩定，而穩定進水一段時間后，反應器對有機物去除恢復正常。4個反應器去除率分別穩定在40.38%、44.48%、51.95%和58.79%左右。運行一段時間后，反應器內部填料上附著大量黃褐色的生物膜。取出反沖洗排出的水中的生物膜，進行鏡檢，生物膜中含有大量的絲狀菌以及鐘蟲等[16,17]，如圖3所示。至此掛膜完成。

圖3 鏡檢的微生物

圖4 掛膜階段出水COD趨勢

3.2 各填料層厚度條件下，不同濃度進水研究

進水以葡萄糖為唯一碳源，氯化銨作為氮源，磷酸二氫鉀作為磷源，以C∶N∶P=100∶5∶1的比例配水。分別配置COD濃度為500 mg/L、280 mg/L和100 mg/L的進水，考察進水對每個濾柱的影響。為保證濾柱內溶解氧充足，進水流量為0.8 m3/L，氣水比為11∶1。

由圖5可知，當進水COD濃度為500 mg/L時，4個BAF出水都有較大的波動，而且平均去除率較低，BAF1、BAF2、BAF3和BAF4的平均去除率分別為30.19%、33.69%、46.53%和56.11%。當濃度降到280 mg/L時，除BAF1的平均去除率增長不明顯外，其它3個的BAF的平均去除率都有明顯增高。當濃度降低100 mg/L時，4個BAF的平均去除率都達到最大，分別是46.93%、62.22%、71.06%和83.40%，且可以從出水濃度的趨勢上看出，出水的水質比較穩定，故得出結論，4個系統進水濃度不易過高，最佳進水的COD濃度為100～300 mg/L。分析認為，由于試驗所用填料的空隙率較低，而且反沖洗的周期為24 h，導致在系統運行的過程中，由于進水濃度過高會使填料堵塞，提高系統的運行負荷，降低去除率。

圖5 進、出水COD濃度趨勢以及去除率

3.3 各填料層厚度條件下，不同氣水比進出水COD去除研究

由以上結論，選擇進水COD濃度為100 mg/L，流速為1 m/h，考察4個BAF在氣水比11∶1、6∶1、4∶1和2∶1時的進出水COD以及氨氮的濃度變化以及去除率。如圖6所示，BAF1在氣水比11∶1時的平均去除率為46.93%，而且出水水質比較穩定，雖然在氣水比6∶1、4∶1和2∶1時的平均去除率有所提高，但出水COD波動比較大，出水不穩定。BAF2在氣水比6∶1時的平均去除率最高達到73.58%，但從出水的曲線趨勢來看相比于在11∶1時的穩定性不好。BAF3和BAF4在氣水比11∶1時的平均去除率最高，分別達到70.51%和83.40%，而且出水穩定性也相對較好，當氣水比相對較低時[18,19]，溶解氧無法同時滿足硝化細菌的硝化反應和異養菌去除COD的需求，導致COD的去除率比較低。綜合考量出水的平均去除率和出水的穩定性，以氣水比11∶1作為基本的參數指標。

圖6 進、出水COD濃度趨勢以及去除率

3.4 考察進水濃度相同的情況下，不同填料高度對出水COD的影響

曝氣生物濾池濾池的填料高度對去除效果有很大影響，異養菌和自養菌之間在空間上存在著競爭關系，研究不同床層高度處有機物濃度變化[20]，可以間接反映2種菌的分布情況，對確定BAF反應器的最佳床層有重要意義。

由于要更直觀地表達不同BAF出水水質的穩定性，引入一個參數：P=極差/平均值。當P值越小，說明BAF的出水越穩定，反之則出水水質波動較大。當進水濃度為500 mg/L時，BAF1、BAF2、BAF3和BAF4的P值分別是0.26、0.40、0.52和0.50；當進水濃度為280 mg/L時，P值分別是0.11、0.26、0.54和1.13；當進水濃度為100 mg/L時，P值分別是0.05、0.19、0.24和0.89。得到結論，隨著填料高度增加，出水的穩定性減小。

反應器每隔10cm設一個取樣口，理想狀態下，上向流方式進水，隨著填料高度的增加，出水的濃度會逐漸下降，所以根據圖7所示，從COD沿程趨勢來看，當填料高度高于20cm時，COD濃度有變大的趨勢，與理論不符，所以也應證了，填料高度不宜高于20 cm的結論。

圖7 不同濃度下4個BAF沿程COD濃度變化趨勢

4 結論

以葡萄糖為碳源，探究曝氣生物濾池在不同運行條件下(進水濃度、氣水比、填料高度)去除COD的效能。結論表明，最佳進水COD濃度為100～300 mg/L，當濃度過大時，出水水質不穩定，分析原因可能是濾料的空隙率比較低，高濃度的進水容易發生堵塞，必須增加反沖洗周期，加大運行成本；最佳氣水比為11∶1，當氣水比小于11∶1時，雖然平均去除率有所提高，但是出水的水質并不穩定；填料最佳高度為10～20 cm，當填料高度高于20 cm時，出水COD有變大趨勢；確定運行參數，保證出水穩定，有助于降低運行成本，促進節水減排的發展。