董 玲,孫 楠

前置反硝化生物濾池是將 A/O工藝與曝氣生物濾池工藝相結(jié)合的組合工藝,兼具備前置反硝化生物脫氮和曝氣生物濾池的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。本研究將前置反硝化生物濾池的反硝化段(DN池)采用下向流進(jìn)水方式,除碳硝化池 (CN池)采用上向流進(jìn)水,保持氣水同向流,DN池與 CN池串聯(lián)運(yùn)行,考察了下向流DN池和上向流 CN池沿水流方向上污染物去除的變化規(guī)律,為工程上濾料層高度的選取提供一定的理論依據(jù),使濾料層充分發(fā)揮作用,從而達(dá)到節(jié)省工程投資的目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置及流程如圖1所示。

試驗(yàn)所用反應(yīng)器為長方體,由 6號(hào)鋼板制成,下向流前置反硝化生物濾池 (DN)與上向流曝氣生物濾池 (CN)串聯(lián)運(yùn)行。DN池高 5.6 m,底部尺寸為 0.6 m×0.9 m,有效容積2.8m3。CN池高為4.1m,底部尺寸為 1.25 m×0.9 m,有效容積 4.0 m3。濾板下方的 DN清水區(qū)和 CN配水區(qū)高度均為1 000 mm,采用 BAF專用長柄濾頭布水,濾板上部承托層厚度均為 300 mm。CN池采用單孔膜空氣擴(kuò)散器曝氣,安裝于承托層。DN池的濾料層高度為 2 000 mm,選用大粒徑球形輕質(zhì)多孔生物陶粒濾料,上層濾料粒徑為 6～9 mm,下層粒徑為 4～6 mm,上下兩層濾料高度各為1 000 mm;CN池濾料層高度為 1 500 mm,選用粒徑為 2～4 mm的生物陶粒。

1.2 污水水質(zhì)

試驗(yàn)用水是經(jīng)宜興華騏污水廠沉淀池水解酸化后的城鎮(zhèn)污水,試驗(yàn)期間未投加外碳源時(shí)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)

從表1可知,原水中NH+4-N和 TN濃度相對(duì)穩(wěn)定,COD濃度偏低,因此通過向進(jìn)水中投加葡萄糖來控制進(jìn)水COD濃度,保證碳源的充足。

1.3 運(yùn)行條件

進(jìn)水流量為 1.0 m3/h,回流量 2.0 m3/h,水溫20～28℃,氣水比 1∶3。共設(shè) 11個(gè)取樣點(diǎn),其中DN池 6個(gè),CN池 5個(gè),具體取樣點(diǎn)布設(shè)如下:1號(hào)取樣點(diǎn)設(shè)在 DN池濾料層頂部液面處,水樣是回流液與進(jìn)水的混合液;2～5號(hào)是沿DN池水流方向向下每間隔 0.4 m設(shè)置的取樣口;6號(hào)是DN池出水;7～10號(hào)為 CN池沿濾層高度 0～1.5 m范圍內(nèi),以 0.4 m為間隔設(shè)取樣點(diǎn);11號(hào)為 CN池段出水。

圖1 工藝流程示意圖

1.4 分析項(xiàng)目及方法[3]

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 COD去除效果沿濾料層高度的變化

穩(wěn)定運(yùn)行條件下,當(dāng) 1號(hào)取樣點(diǎn)水樣的 COD濃度為 143.3 mg/L時(shí),COD的去除效果沿濾料層高度的變化情況如圖2所示。

圖2 COD去除效果沿濾料層高度的變化

由圖2可知,COD沿水流方向?yàn)V料層高度的增加逐級(jí)降解,沿程各段對(duì) COD的去除都較為有效, COD總?cè)コ蔬_(dá)到 84.8%,其中DN池對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)比 CN池大。DN池對(duì) COD的去除率達(dá)61.6%,其中在0～400 mm范圍內(nèi)對(duì)COD的去除率最為明顯,去除率幾乎沿濾料層高度直線上升,該段的COD去除率占到總?cè)コ实?32.9%。主要原因是:(1)0～400 mm最靠近進(jìn)水段,此處的濾料層內(nèi),進(jìn)水中有機(jī)物的濃度較高,其中的非溶解性有機(jī)物進(jìn)入濾柱以后,在 0～400 mm高度處較好地被濾料層攔截。隨著污水沿水流方向的推進(jìn),進(jìn)水中的大部分 COD被前段濾料層去除,其濃度大大降低,污水中可生物降解的有機(jī)物含量也逐漸減少,所以后段的去除率變化較小;(2)異養(yǎng)反硝化以有機(jī)物作為電子供體,將硝態(tài)氮還原為氮?dú)?理論上 1 mg的-N還原為 N2需要消耗 2.86 mg的 COD,除此之外,微生物進(jìn)行同化作用合成新細(xì)胞也要消耗部分有機(jī)物;(3)回流液攜帶的DO進(jìn)入DN池時(shí)也會(huì)在進(jìn)水端快速地消耗部分BOD5。

CN池對(duì) COD的降解程度稍低,這是因?yàn)槲鬯?jīng)過DN池處理后,進(jìn)入 CN池的有機(jī)物減少,這時(shí)有機(jī)物濃度成為異養(yǎng)菌增長的限制性因素。另外,多次沿程試驗(yàn)結(jié)果表明不管進(jìn)水 COD濃度是多少,其出水濃度最終都向 15 mg/L左右靠攏。文獻(xiàn)[4]表明,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),生物膜系統(tǒng)無法使底物質(zhì)量濃度小于最小底物質(zhì)量濃度ρmin,當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度低于ρmin時(shí),異養(yǎng)菌分解有機(jī)物所獲得的能量無法滿足其生理活動(dòng)的需要,進(jìn)而活性受到抑制。

圖3 -N去除效果沿濾料層高度的變化

圖4 -N和-N濃度沿濾料層高度的變化

2.4 TN濃度沿濾料層高度的變化

TN濃度沿濾料層高度的變化如圖5所示。

圖5 TN去除效果沿濾料層高度的變化

由圖5可知,TN主要在DN段中得到去除,在濾料層高度為 800～1 600 mm段降低的最多,去除率為 25.2%左右,濾池頂部 0～400 mm濾料層和濾料層底部 1 600～2 000 mm范圍內(nèi)對(duì) TN去除率分別只有 6.5%和 4.2%。分析原因?yàn)?(1)靠近進(jìn)水段,由于回流液攜帶的溶解氧進(jìn)入,破壞了缺氧環(huán)境,不利于反硝化菌的生長,反硝化脫氮較差;(2)進(jìn)水混合液通過上層濾料后,溶解氧逐漸被消耗,使得濾層中部處于缺氧狀態(tài),且此處的有機(jī)物濃度相對(duì)較高,反硝化菌有充足碳源,因此脫氮效果最佳; (3)采用下向流運(yùn)行方式,有機(jī)物大部分都被截留在濾池上、中部,而下部的有機(jī)物濃度較低,營養(yǎng)相對(duì)匱乏,反硝化菌數(shù)量相對(duì)較少,影響到脫氮效果。

CN池對(duì) TN濃度仍有所降解,證明了在好氧柱內(nèi)有同步反硝化作用的存在,分析原因可能為 CN池中濾料粒徑較小,濾料過于壓實(shí),深入濾料層內(nèi)部的氧傳遞受阻及外部氧的大量消耗,在生物膜內(nèi)部形成了適合反硝化菌生長的缺氧環(huán)境。

2.5 DO濃度沿濾料層高度的變化

DO濃度沿濾料層高度的變化見圖6。

圖6 DO濃度沿濾料層高度的變化

當(dāng)回流比為 200%時(shí),DN池進(jìn)水混合液DO在 1.8 mg/L左右,污水流經(jīng) 0～400 mm段后,DO迅速下降到 0.8 mg/L,這主要是因?yàn)榇硕斡袡C(jī)物濃度較高,溶解氧被少量好氧異養(yǎng)微生物的呼吸作用快速消耗,在 400 mm之后的濾料層內(nèi)DO濃度一直處于較低狀態(tài),在 0～0.5 mg/L范圍內(nèi),因此給反硝化菌提供了適宜的缺氧環(huán)境和充足的生存空間。

污水進(jìn)入 CN池后,DO濃度沿填料高度逐漸升高,在出水中達(dá)到最高,濃度為 5.1 mg/L。在濾層下部0～400mm范圍內(nèi),DO濃度僅有0.1～0.6 mg/L,這是因?yàn)?(1)上向流曝氣生物濾池是一種推流式反應(yīng)器,在進(jìn)水端污染物基質(zhì)濃度較高,相對(duì)DO的消耗也較多;(2)濾池底部的單孔膜空氣擴(kuò)散器提供的空氣泡經(jīng)濾料層受沿程阻力作用,延長了停留時(shí)間并逐級(jí)切割成小氣泡,所以越靠近濾料層上部,氣泡數(shù)量愈多,分布越均勻,相應(yīng)的水體中溶解氧濃度也越高。到了400～800 mm的區(qū)域,由于硝化菌代謝活動(dòng)旺盛,理論上將 1 g氨氮氧化為硝酸需要 4.57 g氧,需氧量大,因此該段濾料層 DO濃度上升緩慢, 800 mm以上的濾料高度處DO濃度升高速度開始加快,去除率曲線呈線性增長趨勢(shì)。

工程上一般通過在線監(jiān)測(cè)出水DO來判斷曝氣量是否足夠,認(rèn)為DO達(dá)到 2～3 mg/L即可,但實(shí)際上BAF是一種推流式反應(yīng)器,這種結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)反應(yīng)器中DO是不均勻的。從試驗(yàn)結(jié)果看DO是沿程逐漸升高的,在進(jìn)水端附近處于非常低的水平,表明這種在線監(jiān)測(cè)方法是不合理的。

3 結(jié)論

(1)DN池對(duì) COD的去除貢獻(xiàn)比 CN池大,其對(duì)COD的去除主要集中在0～400 mm濾料層,污水經(jīng)過DN池處理后COD大幅度減小,CN池對(duì)COD的降解曲線較平緩。DN池對(duì)-N的去除只有13.4%左右,在 CN段-N濃度沿程逐漸降低,硝化作用主要集中在濾料層中上部。

(3)TN主要在DN段中得到去除,濾池中部對(duì)TN去除貢獻(xiàn)最大,CN池對(duì) TN濃度仍有所降解?；亓鞅葹?200%時(shí),進(jìn)入 DN池的 DO濃度有1.8 mg/L左右,在濾池頂部 0～400 mm區(qū)域內(nèi)被迅速消耗掉,對(duì)濾池整體的缺氧厭氧環(huán)境不造成影響, CN池的DO是沿程逐漸升高的,在進(jìn)水端附近只有0.1～0.6 mg/L,出水達(dá)到 5.1 mg/L。

[1]鄭俊,吳浩汀.曝氣生物濾池工藝的理論與工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:23-31.

[2]王建龍.生物脫氮新工藝及其技術(shù)原理[J].中國給水排水,2000,16(2):25-28.

[3]國家環(huán)境保護(hù)總局水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì),水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:88-285.

[4]曲波,張景成.曝氣生物濾池工作性能與濾層高度的相關(guān)性[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(7):850-852.

[5]Fdz-Polanco F,Mendez E,UruefiaM A,et a1.Spatial distribution of heterotrophs and nitrifiers in a submerged biofilter for nitrification[J].Water Res,2000,34(16):4081-4089.