甜菜堿強化生物砂濾池低溫污水處理性能研究

陳麗華，馮 鋒，陳漁兵

（浙江中控信息產業股份有限公司,浙江 杭州 310051）

1 引言

生物砂濾池是一類在傳統砂濾池基礎上開發出來的高效污水凈化反應器,它通過接種微生物的方式使砂類濾料顆粒表面形成一層富含微生物群體的生物膜,可利用濾料顆粒和生物膜的協同作用對污水中的有機物、氮、磷等污染物進行有效去除,成為近年來頗具應用潛力的污水處理技術類型[1-2]。然而,在冬季或其他溫度偏低的情況下,生物砂濾池將面臨低溫沖擊帶來的負面影響,系統內的有機物降解菌、硝化菌、反硝化菌、除磷菌等微生物的新陳代謝速率將明顯變慢,導致污水處理效率降低,運行性能下降。因此,探尋強化生物砂濾池低溫條件下運行性能的方法,對該工藝的發展具有重要意義。

目前,低溫對污水處理的影響已被廣泛關注,強化低溫污水處理的方法也不斷被提出。然而,關于生物砂濾池低溫污水處理性能強化方法的研究目前還鮮見報道。

本文采用生物砂濾池處理生活污水,選取甜菜堿作為外源強化劑,首先考察低溫對其污水處理性能的影響,再在低溫條件下投加不同濃度的甜菜堿,探索能有效強化低溫污水處理性能的甜菜堿投加方式。

2 材料與方法

2.1 生物砂濾池結構

生物砂濾池采用柱體結構為主體,池高100 cm,內徑50 cm,池內由上往下依次為布水層（10 cm,不填充任何濾料）、緩沖層（5 cm,填充粒徑為10mm～15 mm 的碎石和卵石）、生物濾料層（80 cm,填充生物濾料,將粒徑為0.3mm～0.5 mm 的天然河砂、火山巖砂按照60%、40%的質量占比攪拌均勻后作為濾料,濾料采用污水廠二沉池回流污泥進行接種而得到生物濾料）、排水層（5 cm,填充粒徑為10mm～15 mm 的碎石和卵石）。采用旋轉布水器均勻進水,排水層底部設有排水口用于處理后出水的排放。

2.2 運行方案

為減小實際污水水質波動對研究結果的影響,采用實際生活污水加入葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀等調配后使進水COD、NH4+-N、TN、TP 濃度分別保持在300 mg/L、40 mg/L、50 mg/L、4 mg/L 左右,每天運行2 個周期,每個周期淹水期為4 h,落干期為8 h,水力負荷為1.0 m/d。

考察低溫對生物砂濾池污水處理性能的影響時,分為Ⅰ、Ⅱ兩個運行階段,其中階段Ⅰ運行時的溫度控制為25℃,階段Ⅱ運行時,將溫度分別降至15℃（B1 反應器）和10℃（B2反應器）,直至運行結果較為穩定為止。考察甜菜堿投加對低溫污水處理效果的影響時,先在低溫條件下穩定運行一段時間,再在每個運行周期布水時,在進水中加入不同濃度（0.2 mmol/L、0.4 mmol/L、0.6 mmol/L、0.8 mmol/L、1.0 mmol/L、1.2 mmol/L、1.5 mmol/L）的甜菜堿,考察其出水水質和污染物的去除情況,探討甜菜堿對低溫污水處理性能的增強效果。

2.3 分析方法

每天第2 個運行周期結束時,取適量水樣分析COD 和NH4+-N 含量,具體測試方法按照《水和廢水監測分析方法（第四版）》的要求進行。

3 結果與討論

3.1 低溫運行情況

由常溫運行向低溫運行轉變過程中生物砂濾池對污水中COD 的去除情況見圖1。從圖1 可以看到,25℃穩定運行（階段Ⅰ）時,生物砂濾池有著良好的COD 去除效率,平均去除率達到91%左右。當溫度降至15℃時,由于受到低溫沖擊,系統內的異養微生物活性受到抑制,新陳代謝速率變緩,COD出水濃度逐漸升高,去除率則逐漸下降,運行至第23 d 后基本趨于穩定,出水COD 濃度均值為44.7 mg/L,相比25℃運行時增加了20.3 mg/L,相應的COD 去除率均值為81.2%,相比25℃運行時下降了6.8%。當溫度由25℃降至10℃時,異養微生物受到的抑制作用進一步增大,部分甚至停止活動,導致污水中的COD 不能被有效去除,該溫度條件運行穩定后COD 出水濃度和去除率均值分別為81.2 mg/L 和72.9%,前者相比25℃運行時升高了56.6 mg/L,后者相比25℃運行時降低了18.9%。由此可見,低溫會對生物砂濾池的COD 去除性能產生不利影響,且溫度越低,不利影響的程度越大,出水效果越差。

圖1 低溫條件下的COD 去除情況

圖2 反映了由常溫向低溫運行后生物砂濾池對污水中NH4+-N 去除情況的變化。由圖2 可知,NH4+-N 去除情況的變化規律與COD 基本相似,在受到低溫沖擊后,呈現出明顯的NH4+-N 出水含量增加、去除效率降低的現象。階段Ⅱ穩定運行期間,15℃、10℃運行時的生物砂濾池的NH4+-N 出水濃度均值分別為10.2 mg/L、15.6 mg/L,相比25℃運行時分別升高了8.5 mg/L、13.9 mg/L,而NH4+-N 去除率均值分別降至74.5%、60.9%,相比25℃運行時分別下降了21.1%、34.9%。可以看出,與COD 的去除情況相比,低溫沖擊對NH4+-N 去除的影響更大,這與NH4+-N 轉化相關的功能菌（亞硝化菌、硝化菌等）對溫度的變化更為敏感有關。

圖2 低溫條件下的NH4+-N 去除情況

3.2 甜菜堿對15℃低溫運行的影響

甜菜堿投加對15℃低溫運行時生物砂濾池去除COD 的影響見圖3,其中不同甜菜堿投加量下的COD 去除情況見圖3（a）,最佳甜菜堿投加量下的COD 去除情況見圖3（b）。由圖3（a）可知,當甜菜堿的投加量為0.2 mmol/L 時,COD 出水含量均值由44.1 mg/L 降至40.3 mg/L,COD 去除率均值由85.3%提升至86.6%,可見甜菜堿的投加能改善15℃低溫條件下生物砂濾池對COD 的去除性能。繼續增大甜菜堿的投加濃度,COD 的出水含量進一步下降,相應的COD 去除率進一步提高,當甜菜堿投加量達到0.8 mmol/L 時,COD 的出水含量均值僅為24.2 mg/L,去除率均值達到了91.9%,與25℃溫度條件下運行情況接近,這表明該甜菜堿投加量能有效增強異養微生物代謝有機物的能力。當甜菜堿投加量超過0.8 mmol/L時,COD 去除效率進一步得到提升,但增幅較小,綜合考慮投加成本和污染控制,選擇0.8 mmol/L 作為最佳投加量。由圖3（b）可知,在最佳甜菜堿投加量下,COD 去除率穩步回升,運行至第9 d 時恢復到90%以上,可見該甜菜堿投加量下運行9 d 即可強化生物砂濾池在15℃低溫運行時的COD 去除性能。

圖3 甜菜堿投加對15℃低溫運行時COD 去除的影響

圖4 顯示了甜菜堿投加對15℃低溫運行時NH4+-N 去除效果的影響,其中不同甜菜堿投加量下的NH4+-N 去除情況見圖（4a）,最佳甜菜堿投加量下的NH4+-N去除情況見圖（4b）。由圖4（a）可知,甜菜堿的投加能促進生物砂濾池在15℃低溫條件下對NH4+-N的去除。當甜菜堿投加量為0.8 mmol/L時,NH4+-N的平均出水含量為1.5 mg/L,去除率均值達到96.3%。由圖（b）可知,投加0.8 mmol/L 甜菜堿的生物砂濾池在運行至第9 d時NH4+-N 去除率已達到95%以上,可見該投加量下甜菜堿能有效改善脫氮功能菌的活性,使其能在15℃低溫條件下將NH4+-N 高效轉化為NO2--N 或NO3--N 而去除。

圖4 甜菜堿投加對15℃低溫運行時NH4+-N 去除的影響

經分析,甜菜堿對生物砂濾池低溫運行時的強化作用主要原因有：（1）甜菜堿的加入可以阻礙或減緩蛋白質在低溫條件下的聚合,產生保護作用；（2）甜菜堿可以增強細胞膜在低溫條件下的流動性,從而提高污染物的傳質效率,使其接觸更充分,促進污染物的去除；（3）甜菜堿還能在一定程度上提高酶活性,從而維持其在低溫條件下的代謝能力,使其性能得以恢復。

3.3 甜菜堿對10℃低溫運行的影響

圖5 反映了甜菜堿投加對生物砂濾池10℃低溫運行時COD 去除的影響。從圖5（a）所示的不同甜菜堿投加量的影響來看,甜菜堿同樣能增強該低溫條件下的COD 去除效果,但是由于微生物受到的抑制更大,恢復難度也更大,所需甜菜堿的投加量也要更大。當甜菜堿投加量為0.8 mmol/L 時,COD去除率僅為87.5%,而當甜菜堿投加量增加到1.2 mmol/L時,COD 去除率均值回升至91.3%,此時出水COD 的濃度均值為26.1 mg/L,基本達到25℃運行時的水平,而繼續增大甜菜堿投加量至1.5 mmol/L 時,COD 去除效率增幅較小,故最佳的甜菜堿投加量選擇為1.2 mmol/L。從5（b）所示的最佳甜菜堿投加量下的COD 去除情況來看,投加甜菜堿后,生物砂濾池運行至第21 d 時COD 去除率超過90%,其恢復周期較15℃低溫運行時增長了12 d,這說明受10℃低溫抑制后,異養微生物恢復活性所需要的時間更長。

圖5 甜菜堿投加對10℃低溫運行時COD 去除的影響

甜菜堿投加對生物砂濾池10℃低溫運行時NH4+-N 去除的影響見圖6。由圖6（a）所示的不同甜菜堿投加量的影響情況可知,當甜菜堿投加量為1.2 mmol/L 時,NH4+-N 出水濃度均值降至3.5 mg/L,去除率均值達到91.3%,改善程度較高,但與25℃運行時的水平仍有一定差距。當甜菜堿投加量增加到1.5 mmol/L 時,NH4+-N 去除率均值僅比甜菜堿投加量為1.2 mmol/L 時提高了0.5%,由此可見繼續增大甜菜堿投加量并不能取得非常明顯的強化效果,系統內的脫氮微生物可能由于對低溫沖擊較為敏感,部分微生物由于長期不能良好地代謝氮素污染物而失去營養源,致使其被分解或死亡而淘汰,因而系統難以完全恢復至常溫運行時的脫氮水平。從6（b）所示的最佳甜菜堿投加量下的NH4+-N 去除情況來看,投加1.2 mmol/L 甜菜堿后,NH4+-N 去除率在運行至第21 d 時超過90%,若要完全恢復至原初水平,需要采取更多的應對措施,如進一步優化運行條件、引入耐低溫功能菌、聯合投加其他具有強化效果的外源藥劑等[3]。

圖6 甜菜堿投加對10℃低溫運行時NH4+-N 去除的影響

4 結論

低溫條件下生物砂濾池污水處理性能下降,通過投加甜菜堿的方式對其進行強化,探討了不同甜菜堿投加量對低溫運行時COD 和NH4+-N 去除影響,得到如下結論：

（1）當運行溫度由25℃分別降至15℃、10℃時,生物砂濾池對COD 的去除率均值分別降至81.2%、72.9%；對NH4+-N 的去除率均值分別降至74.5%、60.9%。

（2）在15℃低溫運行條件下,生物砂濾池對污水中COD、NH4+-N 的去除性能基本恢復到25℃常溫運行時的狀態。

（3）生物砂濾池在10℃低溫條件下運行時,選擇甜菜堿+-N 去除率均值均回升到91.3%,但NH4+-N 去除率與25℃運行時仍有一定差距,若要完全恢復至原初水平,還需要通過其他手段來進行協同調控。投加量為1.2 mmol/L,經21 d 運行后COD、NH4