曝氣生物濾池處理低負荷生活污水試驗研究

管緒友 謝 毫 胡瑞

（鎮江市丹陽生態環境監測站 江蘇丹陽 212300）

引言

曝氣生物濾池（BAF）是一種生物膜法污水處理技術[1][2]，其在生物接觸氧化基礎上演變而來，主要利用生物濾料表面經馴化形成的生物膜。當污水通過生物濾料時，在濾料的物理截留、過濾、吸附和生物膜的代謝作用下，氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD）和懸浮物（SS）等污染物被去除[3]。曝氣生物濾池的主要特點是集濾料的物理吸附截留懸浮固體和生物氧化分解污染物質功能于一體，簡化了操作工藝，具有運行負荷高、出水效果好、經濟高效、易于管理等優點[4]，同時，又有不易受水質水量波動影響、維護管理方便、能源消耗運行費用相對較低等優點，在各類污水處理領域得到廣泛應用[5]。在我國煤礦區，生活污水常常來自浴室、食堂、辦公樓、宿舍等場所，水體中的主要污染物為懸浮物、化學需氧量和氨氮等，且化學需氧量和氨氮的含量較低[6][7]，在采用傳統的活性污泥、接觸氧化、膜生物反應器（MBR）等方法處理這些污水時[8]，常會出現出水水質不穩定、管理養護復雜、運行費用高等問題[9～11]。針對上述問題，開展利用曝氣生物濾池工藝技術處理礦區低負荷生活污水的研究，通過分析影響曝氣生物濾池的關鍵技術參數，以及曝氣生物濾池對氨氮、化學需氧量、懸浮物等污染物的處理效果，為曝氣生物濾池在礦區的推廣應用提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗水質

試驗用水來自淮南礦區某煤礦生活污水，主要由浴室、食堂、辦公樓、宿舍等排水組成，經檢測其水質確定主要污染物含量分別為氨氮8.3～10.5mg/L，化學需氧量54.7～71.3mg/L，懸浮物45.2～61.5mg/L，pH 為7.4～8.2。

1.2 試驗裝置

生物濾池試驗裝置的小池尺寸為1m×1.2m×1.7m，其有效容積約為1.7m3，有效水深為1.5m，載體體積為0.96m3。在進行試驗之前，濾池內的微生物菌群已先后經歷了養生、馴化、穩定處理和正常運行4 個階段，試驗期間的進水流量為50L/h，污水由上而下穿過生物載體，水溫為26.6～27.2℃。

1.3 測試方法

化學需氧量采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑光度法測定，懸浮物采用重量法測定，溶解氧（DO）使用YSI550A 型便攜式溶解氧儀采用電化學探頭法測定，pH 使用雷磁PHS-25 型pH 計采用玻璃電極法測定，生化需氧量采用微生物傳感器快速測定法測定。

2 結果與討論

2.1 礦區生活污水水質分析

通過對2020 年至2022 年淮南礦區生活污水水質進行連續抽樣檢測和分析（見表1），確定其氨氮含量為1.64～11.77mg/L，化學需氧量為6～96mg/L，生化需氧量為3.6～49.8mg/L，懸浮物含量為2.5～100mg/L，其化學需氧量、生化需氧量和氨氮等污染物的含量相較于正常市政污水處理廠的進水[12～14]，水質負荷明顯偏低。

表1 淮南礦區生活污水主要污染物含量分析表

淮南礦區生活污水主要污染物含量箱式圖詳見圖1。從圖1 可以看出，懸浮物指標的離散度最大，其平均值偏離在中位數之上，存在5 個異常值；化學需氧量指標的平均值偏離中位數較遠，基本接近四分位數75%，同時存在8 個異常值；生化需氧量指標的平均值也是偏離在中位數之上，同時存在8 個異常值；氨氮指標的離散度最小，平均值基本在中位數之上，同時異常值也最少，僅有3 個。由此可知，淮南礦區生活污水中懸浮物含量波動較大，其次為化學需氧量，生化需氧量和氨氮含量相對穩定。

圖1 淮南礦區生活污水主要污染物含量箱式圖

2.2 主要技術參數對氨氮的處理效果影響分析

通過對淮南礦區生活污水水質特點的分析可知，礦區生活污水中的化學需氧量較低，氨氮含量相對較高，故選取了氨氮指標作為考察主要技術參數對處理效果的影響指標。

2.2.1 水力停留時間（HRT）對氨氮處理效果影響分析

氨氮去除率隨水力停留時間（HRT）的變化如圖2 所示。從圖2 可以看出，HRT 從1.5h 增加到3.4h 時，氨氮去除率隨停留時間的增長而明顯升高；當HRT＜2h 時，去除率呈現大幅度增長趨勢；當HRT＞2h 時，去除率增長速度明顯變緩；當HRT=3.8h 時，去除率達到最大值97.2%；繼續增加停留時間氨氮去除率則無明顯變化。因此，根據HRT 試驗結果，再結合實際應用，建議生物濾池的HRT 選定范圍為2～3h。

圖2 氨氮去除率與HRT 關系圖

2.2.2 溶解氧（DO）對氨氮處理效果影響分析

氨氮去除率隨溶解氧（DO）的變化如圖3所示，當DO＜2.5mg/L 時，氨氮去除率隨DO 濃度的增大而明顯增大，這是由于DO 濃度過低時硝化細菌的活性將受到限制，從而影響硝化反應的順利進行，隨著DO 濃度增大，硝化細菌的活性明顯加強，進而提高了氨氮的去除率。

圖3 氨氮去除率與DO 關系圖

從圖3 還可以看出，當DO＞2.5mg/L 時，氨氮去除率卻隨DO 濃度的增大而降低。一是由于曝氣量的增加使氧的供應量增大，促進了氧在生物膜中的滲透能力，增強了微生物的代謝活性，生物膜內的營養供應則相應不足，使得生物膜上部分微生物開始進入內源呼吸階段，生物膜量減少；二是由于曝氣量的增加使水流速度加快，水流和氣流的聯合加大了作用在生物膜上的水流剪切力，對生物膜的沖刷作用變強，使得生物膜的脫落量增加，生物膜量減少。生物膜量減少影響了氨氮的去除效率。

由此可知，生物濾池中DO 濃度直接影響生物脫氮系統的硝化反硝化程度，DO 過低會抑制含碳有機物的氧化及硝化反應，DO 過高又會加大能耗。因此，根據試驗結果，推薦通過控制曝氣量使反應器中DO 達到2.5mg/L 左右，以在不浪費能量的情況下最大程度地保證系統對氨氮的去除率。

2.3 生物濾池對主要污染物處理效果分析

2.3.1 氨氮去除效果分析

正常運行階段試驗裝置進、出水中氨氮濃度及氨氮去除率的變化趨勢如圖4 所示。從圖4 可以看出，氨氮濃度變化范圍為6.89～10.3mg/L，雖然進水中氨氮濃度波動較大，但出水中氨氮的含量卻相當穩定，生物濾池對氨氮的去除率為82.3%～83.7%，平均值為82.9%，可見生物濾池對氨氮具有良好的處理效能，并具有較好的抗沖擊負荷能力。這是由于在生物濾池中，受氧氣擴散的限制，載體由外向內形成DO 梯度，載體內部形成缺氧的微環境[15]，可為亞硝化菌和硝化菌以及反硝化菌提供良好的生存區域，確保了硝化與反硝化反應能夠在生物載體中同時進行，進而保證了對氨氮的去除率。

圖4 正常運行階段氨氮濃度及去除率變化趨勢

2.3.2 化學需氧量去除效果分析

正常運行階段試驗裝置進、出水中化學需氧量濃度及化學需氧量去除率的變化趨勢如圖5所示。從圖5 可以看出，化學需氧量濃度變化范圍為55.7～69.7mg/L，進水化學需氧量濃度有一定波動，但出水化學需氧量濃度相當穩定，生物濾池對化學需氧量的去除率為66.2%～67.2%，平均值為66.6%，雖然略遜色于氨氮去除率，但生物濾池對化學需氧量仍具有良好的處理效果。其原因在于，氨氮的去除主要由硝化細菌完成，有機物的去除則由異養菌完成[16]，而生物濾池中系統內傳質較為充分，保證了系統內DO 的充足，系統內增殖的異養菌雖然消耗了部分DO，卻并不影響硝化細菌硝化作用的進行，因此生物濾池對化學需氧量和氨氮均有良好的處理效果。

圖5 正常運行階段化學需氧量濃度及去除率變化趨勢

2.3.3 懸浮物去除效果分析

試驗裝置進、出水中懸浮物的含量及懸浮物的去除率變化如圖6 所示。從圖6 可以看出，進水中懸浮物濃度變化范圍為40.7～48.6mg/L，進水中懸浮物濃度相對穩定，生物濾池對懸浮物去除率為80.2%～84.2%，平均值為83.1%，可見生物濾池對懸浮物有著較好的去除效果。這是由于生物濾池的載體孔隙較小，對污水中的懸浮物和膠體物質具有較強的吸附、截留作用，使得生物濾池對懸浮物的去除效果非常明顯[15][17]。

圖6 正常運行階段懸浮物濃度及去除率變化趨勢

結論

污染物去除率在一定時間范圍內均隨停留時間的延長而升高，但更長的停留時間對污染物去除效果的提升有限，因此結合實際應用，建議生物濾池的HRT 選定范圍為2～3h。

當生物濾池中DO 含量過低時，將抑制含碳有機物的氧化及硝化反應，DO 含量過高時，又會加大能耗，且會影響對氨氮的去除，建議將DO 控制在2.5mg/L 左右。

生物濾池可在同一池中完成有機物的降解和氨氮的氧化，其對低負荷污水中的氨氮去除率達82.3%以上，對化學需氧量去除率達66.2%以上，對懸浮物去除率達80.2%以上，對于氨氮、化學需氧量和懸浮物均有較好的去除效果，但仍可采取多級串聯的方式進一步提高各污染物的去除率。