導(dǎo)讀:：圖2.水溫對(duì)UBAF脫氮性能的影響。水力負(fù)荷對(duì)UBAF脫氮性能的影響。按氣水比3：1運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：上向流曝氣生物濾池，水溫，水力負(fù)荷，COD容積負(fù)荷，NH4+-N容積負(fù)荷，氣水比

曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)，是20世紀(jì)80年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的一種新型生物膜法污水處理工藝，工藝經(jīng)歷了下流式、下流兩段式、上流式、上流兩段式曝氣生物濾池4種工藝形式[1]，從單一的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到綜合結(jié)構(gòu)。它將接觸氧化工藝和給水快濾池工藝結(jié)合在一起，用于去除水中的有機(jī)物，也可以通過(guò)硝化反硝化達(dá)到脫氮效果[2-4]，具備了容積負(fù)荷高、水力負(fù)荷大、水力停留時(shí)間短、所需基建投資少、出水水質(zhì)好、運(yùn)行能耗低、運(yùn)行費(fèi)用省等諸多優(yōu)點(diǎn)。

本試驗(yàn)采用兩段上向流曝氣生物濾池(Up-flowbiological aerated filter，UBAF)處理城市污水，通過(guò)控制運(yùn)行條件，研究了影響兩段UBAF脫氮效果的各種因素。

1.試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置如圖1所示，采用兩段上流式BAF。以陶粒為填料, 其性能參數(shù)如表1所示。A段曝氣生物濾池的主要是對(duì)原污水中的少部分氨氮及有機(jī)物進(jìn)行去除,B段曝氣生物濾池主要對(duì)剩余COD及氨氮進(jìn)行去除。兩座曝氣生物濾池均采用上向流的運(yùn)行方式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同, 主體材料為有機(jī)玻璃,總高2.5m、直徑0.25m,填料層高1.50m。底部設(shè)有反沖洗供氣管、放空管、穿孔配水管。

表1 陶粒填料的性能參數(shù)

Tab.1 Theproperties of ceramics filter

圖1 試驗(yàn)裝置圖

Fig.1 Test apparatus

1.2　啟動(dòng)方式及掛膜

采用接種掛膜，接種液取自某污水廠原水混合液。以曝氣量15~18L/h連續(xù)悶曝24h后將濾柱排空，重復(fù)2次。第3天小流量進(jìn)水(有利于的硝化菌的生長(zhǎng)固定)，以濾速0.55m/h(流量約為16 L/h)、曝氣量16L/h運(yùn)行COD容積負(fù)荷，第5天濾速增加到0.75m/h(流量約為21 L/h)、曝氣量增至31L/h。期間對(duì)各柱DO進(jìn)行檢測(cè)，出水DO含量均在4mg/L以上。26天后將濾速均增至0.89m/h，按氣水比3：1運(yùn)行，此時(shí)對(duì)CODCr、NH4+-N、濁度均有著很好的去除效果，將濾料表面生物膜剝落，鏡檢發(fā)現(xiàn)生物膜中有大量絲狀菌，同時(shí)有鐘蟲、線蟲、變形蟲、輪蟲等微型動(dòng)物。

1.3 試驗(yàn)方法及水質(zhì)

兩反應(yīng)器從底部進(jìn)水，氣水同向，控制A段水力負(fù)荷為0.81m/h、氣水比為3：1,研究了相同水力負(fù)荷下B段氣水比分別為3：1、2：1和1：1時(shí),反應(yīng)器的運(yùn)行情況。試驗(yàn)中各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[5](第四版)中提供的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如表2所示。

表2檢測(cè)指標(biāo)與檢測(cè)方法

Tab.2 Testitems and methods

試驗(yàn)用水來(lái)自某污水廠進(jìn)水端配水井，試驗(yàn)期間原水質(zhì)如表3所示。

表3 試驗(yàn)期間原水水質(zhì)

Tab.3Quality of raw water during the experiment period

2.結(jié)果與討論

2.1溫度對(duì)UBAF脫氮性能的影響

當(dāng)濾速為0.8m/h，氣水比為2:1，且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，不同溫度下反應(yīng)器對(duì)氨氮、總氮的去除效果情況如圖2所示。

圖2.水溫對(duì)UBAF脫氮性能的影響

Fig.2. Influence of temperature on UBAF denitrification

水溫是影響微生物生長(zhǎng)和生物代謝活性的主要因素。從圖2可知，當(dāng)水溫小于10℃時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率分別為69.19%、 25.35%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為11.8mg/L、40.32mg/L;水溫10~20℃時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率分別為80.15%、33.68%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為7.48mg/L、41.09mg/L;水溫大于20℃時(shí)，NH4+-N的去除率明顯升高，平均去除率為89.16%，對(duì)TN的平均去除率為38.75%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為4.93mg/L、37.68mg/L。這說(shuō)明，水溫對(duì)UBAF去除NH4+-N和TN具有很大的影響，水溫越高，UBAF硝化和反硝化效果越好;反之，則越差。而且，在低溫條件下，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的去除率都比較低，水溫變化對(duì)脫氮效果影響最大;常溫時(shí)，NH4+-N和TN的去除率升高，水溫變化對(duì)脫氮效果影響較小;較高水溫時(shí)，NH4+-N和TN的去除率明顯升高COD容積負(fù)荷，水溫變化對(duì)曝氣生物濾池脫氮效果影響最小。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)硝化菌合適的生長(zhǎng)溫度是25℃～30℃之間,當(dāng)溫度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長(zhǎng)減慢，水溫低于15℃時(shí)，反硝化速率明顯降低。此外，硝化細(xì)菌的繁殖速度要比異養(yǎng)菌低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在低溫條件下繁殖速度更低，影響硝化效果，導(dǎo)致UBAF對(duì)NH4+-N的去除率下降;反硝化菌的增殖速率降低，代謝速率也降低，相應(yīng)的TN去除率也下降。

2.2水力負(fù)荷對(duì)UBAF脫氮性能的影響

在氣水比為2:1，水溫為16℃～25℃，進(jìn)水NH4+-N濃度28.56mg/L~57.29mg/L，TN濃度44.2mg/L~75.36mg/L時(shí)，水力負(fù)荷對(duì)UBAF去除TN的影響如圖3所示。

圖3.水力負(fù)荷對(duì)UBAF脫氮性能的影響

Fig.3Influence of hydraulic loading on UBAF denitrification

由圖3可知，當(dāng)水力負(fù)荷由0.8m/h增加至1.2m/h時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率由87.48%降為84.94%，下降了2.54%，對(duì)TN的平均去除率由36.40%降為32.38%，下降了4.02%;水力負(fù)荷由1.2m/h增至1.8m/h時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率為78.70%，下降了6.24%，對(duì)TN的平均去除率為26.67%，下降了5.71%?？梢?jiàn)，水力負(fù)荷對(duì)UBAF的脫氮性能影響較大，隨著水力負(fù)荷加大，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的去除率逐漸降低，而且降幅越來(lái)越大期刊網(wǎng)。分析認(rèn)為，一方面是由于硝化細(xì)菌的世代期較長(zhǎng)，而隨著水力負(fù)荷的增大，生物膜的迅速更新，這樣不利于硝化細(xì)菌的附著和增殖，而且形成的生物膜厚度較薄，有利于氧傳遞到生物膜內(nèi)部COD容積負(fù)荷，破壞其內(nèi)部的厭氧環(huán)境，不利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行;另一方面，水力負(fù)荷增加導(dǎo)致有機(jī)負(fù)荷隨之也增加，在較高的有機(jī)物的質(zhì)量濃度下，降解有機(jī)質(zhì)的異養(yǎng)菌處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，抑制了自養(yǎng)性硝化細(xì)菌的增殖和活性。

2.3有機(jī)負(fù)荷對(duì)UBAF脫氮性能的影響

當(dāng)濾速為0.8m/h，氣水比為2:1，水溫為16℃～25℃，且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，有機(jī)容積負(fù)荷對(duì)UBAF除NH4+-N效果的影響如圖4所示。

圖4.有機(jī)負(fù)荷對(duì)UBAF脫氮性能的影響

Fig.4 Influence of organic volumetric loading on UBAF denitrification

由圖4知，有機(jī)容積負(fù)荷在2.59~3.39kg/CODCr (m3·d)之間變化時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為90.71%、33.95%，出水NH4+-N和TN的濃度為3.68mg/L、37.72mg/L;當(dāng)有機(jī)容積負(fù)荷在3.47~4.68 kgCODCr/(m3濾料·d)之間變化時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為86.97%、26.68%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為5.04mg/L、43.53mg/L;當(dāng)有機(jī)容積負(fù)荷在4.91~6.97kgCODCr/(m3濾料·d)之間變化時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為82.07%、25.53%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為7.05mg/L、43.32mg/L?？梢?jiàn)，隨著系統(tǒng)有機(jī)容積負(fù)荷的增加，UBAF 對(duì)NH4+-N和TN的去除率逐漸下降。

可見(jiàn)，當(dāng)有機(jī)容積負(fù)荷升高時(shí)，有機(jī)容積負(fù)荷對(duì)NH4+-N的去除有明顯的抑制作用，此時(shí)異養(yǎng)菌降解有機(jī)物的區(qū)間會(huì)沿濾料高度方向上移，異養(yǎng)菌的生存空間亦隨之向上拓展，壓縮了硝化自養(yǎng)菌的活動(dòng)空間，而且，由于異養(yǎng)菌的比生長(zhǎng)速率要遠(yuǎn)大于硝化自養(yǎng)菌，在爭(zhēng)奪溶解氧和營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)中，往往是異養(yǎng)菌優(yōu)先利用水中的氧，在有機(jī)底物較為豐富的條件下大量繁殖，使硝化自養(yǎng)菌的增殖受到限制。有機(jī)容積負(fù)荷越高時(shí)，異養(yǎng)菌對(duì)硝化自養(yǎng)菌的抑制就越強(qiáng)烈，從而使得UBAF硝化性能呈現(xiàn)較大幅度的下降。隨著有機(jī)容積負(fù)荷的增加COD容積負(fù)荷，系統(tǒng)的硝化性能下降，硝酸鹽氮濃度降低，可供反硝化菌用作電子受體的硝酸鹽氮減少，反硝化菌的生長(zhǎng)受到抑制，使得系統(tǒng)的脫氮性能下降。

2.4氨氮容積對(duì)UBAF脫氮性能的影響

當(dāng)濾速為0.8m/h，氣水比為2:1，水溫為16℃～25℃，且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，NH4+-N容積負(fù)荷對(duì)UBAF除NH4+-N效果的影響如圖5所示。

圖5 氨氮容積負(fù)荷對(duì)UBAF脫氮性能的影響

Fig.5 Influence of ammonia nitrogen volumetric loading on UBAF denitrification

由圖5知，當(dāng)NH4+-N容積負(fù)荷在0.37~0.45kgNH4+-N/(m3濾料·d)之間變化時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率分別為85.26%、36.76%，出水NH4+-N和TN的平均濃度為4.82mg/L、31.97mg/L;當(dāng)NH4+-N容積負(fù)荷在0.46~0.52kgNH4+-N/(m3濾料·d)之間變化時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率分別為82.52%、31.03%，出水NH4+-N和TN的平均濃度為6.88mg/L、41.05mg/L;當(dāng)NH4+-N容積負(fù)荷在0.53~0.58kg NH4+-N/(m3濾料·d)之間變化時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率分別為80.13%、26.44%，出水NH4+-N和TN的平均濃度為9.17mg/L、47.62mg/L。

由此可見(jiàn)， UBAF對(duì)NH4+-N的去除率隨進(jìn)水NH4+-N容積負(fù)荷的增加而降低。這是因?yàn)?，硝化?xì)菌屬于化能自養(yǎng)菌，比增長(zhǎng)速率小、世代周期長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境條件變化較為敏感。當(dāng)NH4+-N容積負(fù)荷較高時(shí)，高NH4+-N濃度會(huì)抑制硝化自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，影響UBAF的硝化性能。硝化性能的下降，使可供反硝化菌用作電子受體的硝酸鹽氮減少，反硝化菌的生長(zhǎng)受到抑制，TN的去除率逐漸的下降，可見(jiàn)，NH4+-N容積負(fù)荷的增加會(huì)對(duì)UBAF系統(tǒng)的脫氮效果產(chǎn)生較為不利的影響。

2.5氣水比對(duì)UBAF脫氮性能的影響

在濾速為0.8m/h，水溫為16℃～25℃，當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度在27.89mg/L~41.36mg/L時(shí)，不同氣水比對(duì)UBAF去除NH4+-N和TN的影響如圖6所示。

圖6.氣水比對(duì)UBAF脫氮性能的影響

Fig. 6 Influence of air/water ratio on UBAF denitrification

由圖6可知，當(dāng)氣水比為1:1時(shí)，出水中的DO濃度為0.77mg/L~1.35mg/L，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率為79.34%COD容積負(fù)荷，TN的平均去除率為29.77%;氣水比增加至2:1時(shí)，出水中的DO濃度為1.76mg/L~2.65mg/L，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率為86.83%，上升了7.49%，上升幅度較大，對(duì)TN的平均去除率為35.44%，上升了5.67%;氣水比增至3:1時(shí)，出水中的DO濃度為2.32mg/L~3.35mg/L，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率在87.98%，增加了1.16%，對(duì)TN平均去除率為33.89%，下降了1.55%。

可見(jiàn)，隨著氣水比的增加，UBAF對(duì)NH4+-N的去除率呈上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗腥芙庋醭渥阌欣诎钡难趸?。氣水比是控制DO濃度的主要操作條件，DO濃度隨氣水比增大而增大期刊網(wǎng)。根據(jù)雙膜理論，氧氣傳遞速率的大小由氣液兩相停滯膜的阻力決定，氣水比越大，膜間傳質(zhì)阻力越小，生物膜內(nèi)溶解氧濃度也越高，相應(yīng)地提高了好氧微生物的活性和生物降解速率。但當(dāng)氣水比較大時(shí)，溶解氧穿過(guò)生物膜較深，生物膜的兼氧及厭氧層薄，內(nèi)部難以形成缺氧區(qū)，大量的氨氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，因此反硝化效果較差，TN的去除率比較低，出水TN濃度較高;而相對(duì)氣水比較小時(shí)，生物膜內(nèi)的厭氧層加厚，反硝化效果變好;但當(dāng)氣水比為1:1時(shí)，因硝化作用進(jìn)行的不徹底致使TN去除效果又變差[6]。

3.結(jié)論和建議

①水溫對(duì)UBAF脫氮效果影響較大。當(dāng)水溫小于10℃時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率分別為69.19%、 25.35%;水溫10~20℃時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為80.15%、33.68%;在水溫大于20℃時(shí)COD容積負(fù)荷，NH4+-N和TN的平均去除率分別為89.16%，38.75%。水溫越高，UBAF脫氮效果越好。

②在水溫為16℃～25℃，氣水比為2:1時(shí)，當(dāng)水力負(fù)荷由0.8m/h增加至1.2m/h時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率下降了2.54%，對(duì)TN的平均去除率下降了4.02%;水力負(fù)荷由1.2m/h增至1.8m/h時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N的平均去除率下降了6.24%，對(duì)TN的平均去除率下降了5.71%。隨著水力負(fù)荷的升高，UBAF脫氮效果呈下降趨勢(shì)。

③氣水比對(duì)脫氮效果影響較大，在水力負(fù)荷為0.8m/h，水溫為16℃～25℃，氣水比為1:1時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為79.34%、29.77%;氣水比增加至2:1時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為86.83%、35.44%;氣水比增至3:1時(shí)，UBAF對(duì)NH4+-N和TN的平均去除率為87.98%、33.89%。

④兩段UBAF，對(duì)TN去除率效果不佳，為了增加對(duì)TN的去除效果，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，筆者建議增加缺氧濾池進(jìn)行反硝化，以達(dá)到最佳的脫氮效果。

參考文獻(xiàn)：

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[6]王春榮,王寶貞,王琳.曝氣生物濾池內(nèi)的自養(yǎng)反硝化作用[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2004,24(6):746-749

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