鄒海明 ，汪建飛，王艷，李飛躍

(1.安徽科技學(xué)院 資環(huán)系，安徽 鳳陽，233100；2.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096)

曝氣生物濾池(biological aerated filter，簡稱BAF)，是20世紀(jì)80年代末90年代初在普通生物濾池的基礎(chǔ)上，并借鑒給水濾池工藝而開發(fā)的污水處理新工藝，最初用于污水的三級處理，后發(fā)展成直接用于二級處理。自20世紀(jì)80年代在歐洲建成第1座BAF污水處理廠后，BAF已在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家廣為流行，目前世界上已有數(shù)百座污水處理廠采用了這種技術(shù)[1?3]。20世紀(jì)90年代初我國就開始對BAF工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究和開發(fā)，并已將BAF成功地應(yīng)用于多個(gè)大、中、小型工程；隨著實(shí)際工程的運(yùn)行，BAF的優(yōu)點(diǎn)越來越受到我國水處理界的關(guān)注[4]。該技術(shù)不僅可用于水體富營養(yǎng)化處理，而且可廣泛地被用于城市污水、小區(qū)生活污水、生活雜排水和食品加工廢水、釀造和造紙等高濃度廢水的處理[1?2,5?14]。該技術(shù)最大的特點(diǎn)是集生物氧化和截留懸浮固體于一體，節(jié)省后續(xù)二次沉淀池，具有去除懸浮固體(suspended solid，SS)、化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)、脫氮除磷、除去可吸附有機(jī)鹵化物(absorbable organic halogens，AOX)等有害物質(zhì)的作用。此外，BAF工藝還具有水力負(fù)荷(hydraulic loading)大、有機(jī)負(fù)荷(organic loading)高、水力停留時(shí)間(hydraulic retention time，HRT)短、所需基建投資少、能耗及運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。BAF系統(tǒng)中有機(jī)物等污染物質(zhì)的降解和去除過程復(fù)雜，同時(shí)發(fā)生著污染物質(zhì)在污水和生物膜中的傳質(zhì)過程；有機(jī)物的好氧和厭氧代謝；氧在污水和生物膜中的傳質(zhì)過程和生物膜的生長和脫落等過程。這些過程的發(fā)生和發(fā)展決定了BAF凈化污水的性能，影響這些過程的主要因素有有機(jī)負(fù)荷、水力負(fù)荷、氣水比(gas-water ratio，指通入的空氣量體積與進(jìn)水量體積之比，用來控制溶解氧(dissolved oxygen, DO)含量)和濾床高度(filter bed height)。畜牧標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的必由之路。近年來，在國家政策扶持和倡導(dǎo)下，我國畜牧業(yè)發(fā)展非常迅速。在舍飼規(guī)模條件下，牛羊以全株玉米青貯飼料為主要日糧模式。青貯飼料是在密封條件下，通過附著在植物體表的乳酸菌的發(fā)酵活動(dòng)，使pH降低而得以保存青綠飼料。在常規(guī)青貯調(diào)制過程中，必須保證原材料一定的含水量，并經(jīng)適當(dāng)?shù)膲簩?shí),使植物汁液滲出，以利于乳酸菌的活動(dòng)。但原材料水分含量較高并機(jī)械加工后，會形成大量的植物汁液[15]，其 COD和 TN質(zhì)量濃度分別為 110～350和120～160 mg/L。如果超過植物體本身的吸持能力，會造成青貯滲出液的發(fā)生。1個(gè)存儲1 000 t的塔或窖，一次青貯可產(chǎn)生滲出液 14.6～30.0 萬 L[16]，大量的青貯滲出液嚴(yán)重地污染了周邊的水環(huán)境，目前我國對青貯滲出液的處理和處置研究較少。在此，本文作者在前期工作的基礎(chǔ)上，考察水力停留時(shí)間、水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷和溶解氧對 BAF技術(shù)處理玉米青貯滲出液的影響，以期為同類廢水處理及BAF技術(shù)推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 廢水水質(zhì)

廢水系安徽鳳陽某養(yǎng)牛場玉米青貯站青貯滲出液，其主要水質(zhì)參數(shù)：TN 120～160 mg/ L，COD 110～350 mg/L，SS 132～169 mg/L。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水COD和NH3-N質(zhì)量濃度分別為220和105 mg/L。

1.2 BAF工藝流程圖

圖1所示為BAF工藝流程圖。

圖1 BAF工藝流程圖Fig.1 BAF system process

調(diào)節(jié)池主要調(diào)節(jié)水質(zhì)(調(diào)pH、去除粗大懸浮物)和水量，其長×寬×高為0.5 m×0.3 m×0.4 m，有機(jī)玻璃材質(zhì)。玉米青貯滲出液經(jīng)過調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)后進(jìn)入BAF系統(tǒng)，氣體和進(jìn)水流量通過流量計(jì)控制。BAF系統(tǒng)總高度為1.4 m，內(nèi)徑為0.1 m，有機(jī)玻璃材質(zhì)；濾床高度為1.0 m，濾床填料為沸石，其粒徑為3～5 mm，堆積密度為1 050 kg/m3，比表面為11.2 m2/g，空隙率為43.5%；濾床下層放置多孔擋板，上面墊粒徑為15 mm左右細(xì)卵石作為支撐層，高度為0.08 m；在濾床上0.15 m處安裝液位管，用來顯示池內(nèi)液面高度；在濾床沿程高度上設(shè)置4個(gè)出水采樣口，分別是0.2，0.4，0.6和0.8 m，加上進(jìn)水和出水測定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)共6個(gè)樣品待測定。BAF系統(tǒng)出水進(jìn)入澄清池，部分用于反沖洗用水，其余排放。反沖洗周期72 h，采用氣水聯(lián)合反沖洗方法，其步驟為先關(guān)閉進(jìn)水，然后氣沖 3 min，氣水沖5 min，水沖8 min，流量為4～6 L/min，通過流量計(jì)控制。

1.3 分析方法

1.3.1 參數(shù)測定[17]

采用重鉻酸鉀法GB 11914—89測定COD質(zhì)量濃度；采用納氏試劑分光光度法 GB 7479—87測定NH3-N質(zhì)量濃度；采用便攜式pH計(jì)法測定pH；采用便攜式溶解氧儀法測定DO質(zhì)量濃度。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

(1) 有機(jī)負(fù)荷計(jì)算方法：在水力負(fù)荷確定的情況下，根據(jù)進(jìn)水中 COD質(zhì)量濃度，計(jì)算有機(jī)負(fù)荷公式如下[4]：

式中：N為有機(jī)負(fù)荷(以 COD計(jì))，kg/(m3·d)；q為水力負(fù)荷，m3/(m2·h)；ρ0為進(jìn)水中 COD 質(zhì)量濃度，mg/L；H為濾床高度，m。

(2) 繪圖及統(tǒng)計(jì)分析：采用 origin8.0繪圖、SAS12.0數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力負(fù)荷對BAF系統(tǒng)的影響

在氣水比為3:1，水力負(fù)荷為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 m3/(m2·h)條件下，考察BAF系統(tǒng)運(yùn)行情況，結(jié)果見圖2。

圖2 水力負(fù)荷對BAF系統(tǒng)的影響Fig.2 Influence of hydraulic loading on BAF system

由圖2可知：水力負(fù)荷從0.5 m3/(m2·h)升高到3.0 m3/(m2·h)過程中，COD和 NH3-N 的去除率都是先升高后降低；當(dāng)水力負(fù)荷為0.5 m3/(m2·h)時(shí)，COD的去除率為58.2%，出水COD質(zhì)量濃度83.6 mg/L。因?yàn)樗ω?fù)荷較小時(shí)，有機(jī)物、DO在濾料間的傳質(zhì)阻力加大，水流在濾池內(nèi)分布不均，實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)此階段池內(nèi)生物膜顏色深淺不一也證實(shí)了這一點(diǎn)；此外，水力負(fù)荷較小時(shí)，有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)不足而使異養(yǎng)好氧菌增長繁殖受到抑制導(dǎo)致COD去除率偏低。NH3-N在水力負(fù)荷為0.5 m3/(m2·h)時(shí)的去除率略高于COD的去除率，為60.4%，盡管水力負(fù)荷較小，DO質(zhì)量濃度有限，硝化反應(yīng)受到限制，但沸石的交換吸附可以去除一定量的NH3-N[15]。當(dāng)水力負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)時(shí)，COD和NH3-N的去除率達(dá)到最大，分別為83.5%和74.9%，其出水質(zhì)量濃度中，COD為33.0 mg/L，NH3-N為 26.4%。隨著水力負(fù)荷的增加，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物生長繁殖旺盛，促進(jìn)生物膜生長提高了污染物的去除率；同時(shí)水力負(fù)荷的增加也加大了對生物膜的沖刷剪切，促進(jìn)生物膜的更新。但過大的水力負(fù)荷不利于COD和NH3-N的去除，當(dāng)水力負(fù)荷為3.0 m3/(m2·h)時(shí)，COD和NH3-N的去除率分別降至71.5%和52.3%，與最大去除率分別相差 12.0%和 22.6%，表明繼續(xù)增加水力負(fù)荷NH3-N的去除受抑制程度明顯大于COD的受抑制程度。水力負(fù)荷過大，有機(jī)負(fù)荷高，降低水力停留時(shí)間，影響了BAF系統(tǒng)處理效果。此外，過大的水力負(fù)荷增加了水力沖刷作用和剪切力，造成生物膜流失，使出水COD質(zhì)量濃度增大，COD去除率下降。同時(shí)，加大水力負(fù)荷時(shí)，BAF下部區(qū)域生物膜明顯呈黑綠色，表明污染物質(zhì)濃度較高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，生化反應(yīng)快，生物膜較厚，生物膜內(nèi)層DO不足而呈缺氧和厭氧狀態(tài)，削弱了異養(yǎng)好氧菌的代謝活動(dòng)；當(dāng)水力負(fù)荷為 1.5 m3/(m2·h)的基礎(chǔ)上再增加時(shí)，NH3-N的去除率下降明顯，到 3.0 m3/(m2·h)時(shí)，與最大值相比下降30.2%，說明水力負(fù)荷的增加對單BAF系統(tǒng)的硝化反應(yīng)影響顯著。水力負(fù)荷提高，水力停留時(shí)間縮短，使對污泥齡較長的自養(yǎng)硝化菌和好氧異養(yǎng)菌的競爭處于劣勢，生物活性降低；此外，水力負(fù)荷增大必然使得反沖洗操作頻繁，使得比增長速率較低的硝化菌容易隨水流失，進(jìn)一步削弱了 BAF系統(tǒng)硝化反應(yīng)能力。

2.2 氣水比對BAF系統(tǒng)的影響

在水力負(fù)荷為1.5m3/(m2·h)，氣水比為0.5:1，1.5:1，2.5:1，3.5:1和4.5:1條件下考察BAF系統(tǒng)運(yùn)行情況，結(jié)果見圖3。

圖3 氣水比對BAF系統(tǒng)的影響Fig.3 Influence of gas-water ratio on BAF system

由圖3可知：在水力負(fù)荷和進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度一定情況下，隨著氣水比的增加，COD和NH3-N的去除效果明顯增強(qiáng)，氣水比從0.5:1增大到3.5:1，COD和 NH3-N的去除率分別從 52.5%和 59.3%上升到87.5%和75.2%，表明足夠的溶解氧對BAF系統(tǒng)去除效果有著重要影響；當(dāng)氣水比為0.5:1時(shí)，DO質(zhì)量濃度不足，好氧微生物活性受到影響，新陳代謝能力降低，廢水中的有機(jī)物氧化不能徹底進(jìn)行，出水 COD質(zhì)量濃度較高，為104.5 mg/L；試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)生物膜惡化變質(zhì)，發(fā)黑且有輕微的臭味，同樣說明DO質(zhì)量濃度不足使BAF系統(tǒng)處理效果變差。但在較低的氣水比時(shí)，DO質(zhì)量濃度不足時(shí)NH3-N的去除率可以得到一定保證，且稍高于 COD的去除率，這是沸石的交換吸附所致，這與水力負(fù)荷較低時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致(見圖2)。當(dāng)增大氣水比時(shí)，曝氣量增大，DO質(zhì)量濃度升高，生物膜內(nèi)的好氧微生物活比增長速率增大，有機(jī)物的降能力提高，表現(xiàn)為 COD去除率明顯提高；硝化菌是一種自養(yǎng)好氧菌，DO是硝化反應(yīng)限制因素之一，提高BAF反應(yīng)器的DO質(zhì)量濃度，促進(jìn)硝化反應(yīng)進(jìn)行，使 NH3-N去除率提高。但繼續(xù)增大氣水比，從 3.5:1到4.5:1，COD和NH3-N的去除率都呈下降趨勢，且NH3-N去除率下降幅度大于COD去除率下降幅度，分別從87.5%和75.2%將至84.3%和71.6%。當(dāng)氣水比過大時(shí)，DO供應(yīng)過多，因新陳代謝活動(dòng)增強(qiáng)，營養(yǎng)物質(zhì)缺乏使得生物膜內(nèi)微生物進(jìn)行內(nèi)源呼吸而老化，活性降低，影響了出水水質(zhì)。此外，過高的氣水比也增加了BAF系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.3 有機(jī)負(fù)荷對BAF系統(tǒng)的影響

在水力負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)，氣水比為3.5:1，有機(jī)負(fù)荷為 2.4，3.6，4.8，6.0 和 7.2 kg/(m3·d) 條件下考察BAF系統(tǒng)的運(yùn)行情況，結(jié)果見圖4。不同有機(jī)負(fù)荷通過控制進(jìn)水中 COD質(zhì)量濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算方法見式(1)。

圖4 有機(jī)負(fù)荷對BAF系統(tǒng)的影響Fig.4 Influence of organic loading on BAF system

由圖4可知：有機(jī)負(fù)荷對COD和NH3-N的去除率有一定的影響，隨著有機(jī)負(fù)荷的增大先增大后降低。當(dāng)有機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，為2.4 kg/(m3·d)，COD去除率僅為 49.6%。有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的不足明顯影響了好氧異養(yǎng)菌的生長繁殖，生物膜活性降低，有機(jī)物被代謝分解緩慢，此時(shí)，NH3-N去除可到達(dá)58.5%，主要靠沸石的吸附作用完成[15]。隨著有機(jī)負(fù)荷的增大，COD和NH3-N的去除率也逐漸增加，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷達(dá)到 4.8 kg/(m3·d)時(shí)，COD 和 NH3-N 去除率分別為 80.9%和75.9%，相對較低負(fù)荷時(shí)，COD去除率的增長幅度要比NH3-N的大，這主要因?yàn)閱蜝AF系統(tǒng)中硝化反應(yīng)始終要受到好氧異養(yǎng)菌新陳代謝活動(dòng)的抑制。繼續(xù)增大有機(jī)負(fù)荷率，COD的去除率增加緩慢，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率大于6 kg/(m3·d)時(shí)還逐漸下降。繼續(xù)增大有機(jī)負(fù)荷對氨氮的去除率影響較大，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為7.2 kg/(m3·d)時(shí)，NH3-N去除率降為 61.7%，與最低有機(jī)負(fù)荷 2.4 kg/(m3·d)時(shí)的去除率相差不大，過量的有機(jī)物明顯地抑制了硝化反應(yīng)的發(fā)生，因?yàn)橛袡C(jī)負(fù)荷增加，BAF系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)充足，世代周期短的異養(yǎng)菌迅速繁殖，大量消耗水中的 DO，造成世代周期長的自養(yǎng)硝化菌因競爭處于劣勢而缺少 DO，抑制了硝化菌的繁殖，其硝化能力大大降低。因此，當(dāng)有機(jī)物的質(zhì)量濃度增大到一定程度時(shí)，硝化作用明顯減弱，NH3-N去除率大大降低，此時(shí)，BAF系統(tǒng)出水的pH偏高也說明了系統(tǒng)中硝化反應(yīng)發(fā)生緩慢。

2.4 濾床高度對BAF系統(tǒng)的影響

在水力負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)，氣水比為3.5:1，有機(jī)負(fù)荷為 4.8 kg/(m3·d)時(shí)考察濾床不同高度區(qū)域(0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8和 0.8～1.0 m)BAF系統(tǒng)運(yùn)行情況，結(jié)果見圖5。

圖5 濾床高度對BAF系統(tǒng)的影響Fig.5 Influence of filter height on BAF system

由圖5可知：濾床高度對COD和NH3-N去除率有重要影響，不同的濾床高度下，COD和NH3-N去除速率不同。在BAF系統(tǒng)中，COD的去除主要發(fā)生在0～0.6 m區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域COD去除率占整個(gè)系統(tǒng)總COD去除率的95.7%。在0～0.2，0.2～0.4和0.4～0.6 m各區(qū)域COD去除速率逐漸降低，去除率分別增大41.5%，28.1%和8.8%，因?yàn)樵谶M(jìn)水口處有機(jī)物質(zhì)量濃度高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，DO質(zhì)量濃度高，好氧異養(yǎng)菌生長繁殖旺盛，活性高，有機(jī)物降解速度快；此外，在進(jìn)水口區(qū)域懸浮固體(SS)截留程度高也促進(jìn)了COD的去除。污水中含碳有機(jī)物質(zhì)量濃度是影響生物硝化反應(yīng)的重要因素。在0～0.6 m區(qū)域有機(jī)物質(zhì)量濃度高，自養(yǎng)硝化菌與好氧異養(yǎng)菌競爭處于劣勢，硝化反應(yīng)受到抑制，但仍有47.9%的NH3-N去除率，主要是沸石填料的交換吸附行為，沸石填料在去除NH3-N上與其他填料材料相比有著明顯的優(yōu)勢[15]。隨著濾床高度上升，污水中有機(jī)物質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸降低，好氧異養(yǎng)微生物因營養(yǎng)缺乏而活性降低，基質(zhì)濃度為反應(yīng)速率的抑制因子。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)0.6～0.8 m區(qū)域有機(jī)物降解速率明顯變小，COD去除率較 0～0.6 m區(qū)域僅增長3.5%。在BAF系統(tǒng)中：1 m處COD去除率反而降低了1.7%，主要是脫落的生物膜部分隨著出水流出，提高了出水中COD質(zhì)量濃度。然而，0.6～1.0 m區(qū)域是NH3-N的生物硝化反應(yīng)的主要區(qū)域，在0.6～0.8 m和0.8～1.0 m區(qū)域去除率明顯增高，分別為 14.5%和17.2%，這個(gè)區(qū)域好氧異養(yǎng)菌因營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，活性降低，使得自養(yǎng)硝化菌成為優(yōu)勢種群，促進(jìn)硝化反應(yīng)的發(fā)生。

3 結(jié)論

(1) 利用BAF系統(tǒng)來處理玉米青貯滲出液是可行的，在水力負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)，氣水比為3.5:1，有機(jī)負(fù)荷為4.8 kg/(m3·d)條件下，出水達(dá)到GB 8978—1996(《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》)二級標(biāo)準(zhǔn)，極大地改善了玉米青貯站周邊水體環(huán)境，且該工藝占地面積小，能耗低，操作簡便，符合“三農(nóng)”發(fā)展的實(shí)際情況，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

(2) 水力負(fù)荷過低或過高都不利于COD和NH3-N的去除，當(dāng)水力負(fù)荷為1.5 m3/(m2·h)時(shí)，COD和NH3-N的去除率達(dá)到最大，分別為83.5%和74.9%。

(3) 增加氣水比使得系統(tǒng)中溶解氧充足，可明顯提高COD和NH3-N去除率，當(dāng)氣水比為3.5:1時(shí)，COD和NH3-N的去除率達(dá)到最大，分別為87.5%和75.2%。

(4) 低有機(jī)負(fù)荷不利于COD和NH3-N的去除，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為2.4 kg/(m3·d)時(shí)，COD和NH3-N去除率分別為49.6%和58.5%；但過高的有機(jī)負(fù)荷對NH3-N去除率影響較大；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷為 7.2 kg/(m3·d)時(shí)，NH3-N去除率為61.7%。

(5) 濾床高度對 NH3-N的去除有重要影響，NH3-N生物硝化反應(yīng)去除行為主要發(fā)生在 0.6～1.0 m區(qū)域。在保證BAF系統(tǒng)中含一定DO質(zhì)量濃度時(shí)，適當(dāng)增加濾床高度有助于自養(yǎng)硝化菌的繁殖，從而促進(jìn)硝化反應(yīng)進(jìn)行，提高NH3-N去除率。若濾床高度過高，會增加水氣傳遞阻力，增加成本，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況設(shè)計(jì)合理的濾床高度范圍。

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