郭一令，杜亞南

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033)

?

污水土地好氧生物過濾系統(tǒng)反沖洗效果研究

郭一令，杜亞南

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033)

[目的]研究反沖洗對(duì)污水土地好氧生物過濾系統(tǒng)的影響。[方法]在流量1.4 m3/d和曝氣量1.8 m3/h的條件下，以海泊河污水廠初沉池出水為試驗(yàn)進(jìn)水，系統(tǒng)19 d完成掛膜。在氣沖強(qiáng)度13.9 L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度0.1 L/(m2·s)的條件下，研究系統(tǒng)不同反沖洗周期(4、8 d)和反沖洗時(shí)間(1、2、4、6 min)下進(jìn)出水COD和氨氮含量。[結(jié)果]4 d周期反沖洗4、2、1 min對(duì)系統(tǒng)生物膜破壞較小，平均出水COD含量為76.0 mg/L，出水氨氮含量均在5 mg/L以下，維持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行28 d。在8 d反沖洗周期中，反沖洗1、2、4 min后平均出水COD含量為93.0 mg/L、氨氮含量為6.8 mg/L，與4 d周期時(shí)出水相比略高；反沖6 min后，系統(tǒng)生物膜受到一定程度的破壞，出水COD和氨氮分別上升至130.8和14.1 mg/L，系統(tǒng)恢復(fù)需要4 d。[結(jié)論]建議對(duì)類似系統(tǒng)4～8 d進(jìn)行1次4 min的反沖洗，如果出現(xiàn)堵塞可進(jìn)行6 min反沖洗。

污水土地處理；好氧生物過濾；反沖洗周期；反沖洗時(shí)間

污水土地好氧生物過濾系統(tǒng)[1]是對(duì)傳統(tǒng)污水土地處理系統(tǒng)的升級(jí)，通過強(qiáng)制曝氣，利用土壤-微生物-植物生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化和調(diào)控機(jī)制，通過一系列的物理、化學(xué)和生物作用，使污水得到凈化，并對(duì)污水中的氮、磷等資源加以利用的一種污水處理技術(shù)。與其他污水處理系統(tǒng)相比，其具有投資低、運(yùn)行簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但由于土地好氧生物過濾系統(tǒng)運(yùn)行過程中生物膜的過量增殖和老化，導(dǎo)致處理效率降低以及濾料對(duì)污水懸浮物的不斷截留，從而使系統(tǒng)的水頭損失增加，溝流現(xiàn)象加重[2]，出水效果變差，甚至?xí)?dǎo)致濾池堵塞、系統(tǒng)癱瘓[3-6]。因此，須通過定期反沖洗[7-8]維持系統(tǒng)的連續(xù)高效運(yùn)行。然而，不恰當(dāng)?shù)姆礇_時(shí)間、強(qiáng)度和周期都會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，反沖洗不足易使系統(tǒng)堵塞、生物膜腐化影響出水；反沖洗過度會(huì)使生物膜遭受破壞，影響出水水質(zhì)。筆者以海泊河污水廠初沉池出水為進(jìn)水，研究了土地好氧生物過濾系統(tǒng)反沖洗時(shí)間、強(qiáng)度和周期。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料 試驗(yàn)裝置為升流式污水土地好氧生物過濾系統(tǒng)，填料為天然碎石，直徑3～5 cm，高2.5 m，實(shí)際填料高度2.0 m，直徑1.6 m，孔隙率50%，有效容積2 m3。進(jìn)水管、曝氣管平行布置在池體底端，進(jìn)水管采用DN 20的PE管，在PE管斜向下45 °開10 mm的布水孔，間距為40 cm，共8個(gè)布水孔，呈“十”字形布置。曝氣管和反沖洗管為同一管路采用DN 40的PE管，開12 mm孔作為布?xì)饪?，?0個(gè)，平均分布于3條平行的進(jìn)氣管上。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device diagram

試驗(yàn)進(jìn)水為青島市海泊河污水廠初沉池出水，進(jìn)水主要指標(biāo)：化學(xué)需氧量(COD)為178.6～662.7 mg/L，氨氮含量28.45～110.09 mg/L，pH 7.17～8.31，溶解氧(DO)0.35～1.89 mg/L。進(jìn)水采用澳濱WQD2-5-0.18型水泵，反沖風(fēng)機(jī)百惠BHR80型風(fēng)機(jī)。

1.2 運(yùn)行條件 在該系統(tǒng)運(yùn)行半年后總結(jié)出最佳運(yùn)行條件：進(jìn)水量1.4 m3/d，曝氣量1.8 m3/h，停留時(shí)間34 h。周寶俊等[9]以粒徑3～5 mm輕質(zhì)濾料(EPS粒子)為填料，填料層高度為2 m，采用負(fù)壓脈沖方式反沖洗，曝氣生物濾池平均水力反沖洗強(qiáng)度可達(dá)到26.25 L/(m2·s)，反沖洗時(shí)間為169 s進(jìn)行了試驗(yàn)；凌霄等[8]以粒徑3～6 mm的陶粒為填料，采用氣沖4.88 L/(m2·s)，水沖1.44 L/(m2·s)，反沖洗時(shí)間為3、4、5 min的條件，取得較好的效果。筆者采用3～5 cm粒徑的碎石為填料，參照前人研究，結(jié)合所選用的系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)定氣洗強(qiáng)度為13.90 L/(m2·s)，水洗強(qiáng)度為0.14 L/(m2·s)(主要作用是將污泥排出，防止污泥下落過程中將進(jìn)水口堵塞)，反沖洗時(shí)間設(shè)為1、2、4、6 min。

1.3 試驗(yàn)方法 共設(shè)4個(gè)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)見表1。反沖洗后排空系統(tǒng)內(nèi)污水，排泥量大約為總污泥量的1/4，而后恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。反沖洗后2、4、6、8 d取進(jìn)出水樣，測(cè)定COD和氨氮含量。COD含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定，氨氮含量采用鈉氏試劑分光光度法測(cè)定。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)掛膜試驗(yàn) 該系統(tǒng)運(yùn)行是在2015年3月11日采用自然富集培養(yǎng)法進(jìn)行掛膜啟動(dòng)，進(jìn)水量1.4 m3/d，曝氣量1.8 m3/h。取反應(yīng)器表層，距池底2.0 m處濾料進(jìn)行生物膜觀察，取掛膜期(共19 d)第2、11、19天表層濾料進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。

圖2 掛膜期第2、11、19天濾料掛膜情況Fig.2 Second，eleventh，nineteenth day of biofilm media situation

生物膜掛膜過程可分為3個(gè)階段：適應(yīng)期、增長期、穩(wěn)定期。在適應(yīng)期，少量微生物附著于濾料表面，濾料表層無明顯顏色變化；在增長期，微生物開始快速增長繁殖，不斷向外擴(kuò)散并逐漸連在一起形成菌膠團(tuán)，該階段異養(yǎng)菌在生物膜結(jié)構(gòu)中生長速度較快并占主導(dǎo)地位，濾料表面生物膜顏色變?yōu)樯铧S色；進(jìn)入穩(wěn)定期，生物膜中各微生物種群數(shù)量及分布趨于穩(wěn)定，逐漸形成相對(duì)平衡的生態(tài)菌落，濾料表層生物膜厚度明顯增加且顏色變?yōu)闇\褐色。

在第14、第17和第19天分別取樣測(cè)定，結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)掛膜階段COD含量及去除率變化

由表2可知，在進(jìn)水COD含量為256.1～482.0 mg/L，容積負(fù)荷為0.14 kg/(m3·d)，溫度為12.3～18.5 ℃的條件下，系統(tǒng)對(duì)COD的處理效果較為穩(wěn)定，去除率為58%～83%。如圖2所示，濾料表面覆蓋有較明顯完整的生物膜厚度，根據(jù)江萍等[10]的掛膜成功標(biāo)準(zhǔn)是CODCr去除率達(dá)到70%的研究結(jié)果，可以判定系統(tǒng)在運(yùn)行19 d后掛膜成功。

2.2 反沖洗周期確定試驗(yàn) 土地好氧生物過濾系統(tǒng)的反沖洗周期受2個(gè)因素的影響：一是濾料的性質(zhì)，由于該試驗(yàn)采用碎石為濾料，孔隙率為50%，且孔隙空間較大，對(duì)污染物的容納量較傳統(tǒng)人造懸浮小顆粒濾料有明顯優(yōu)勢(shì)；二是進(jìn)水懸浮物濃度及生物膜生長特性也將影響系統(tǒng)反沖洗周期，進(jìn)水懸浮物濃度過高、生物膜生長老化速度快，濾料易堵塞，反沖洗周期將會(huì)縮短。

從圖3可以看出，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長，進(jìn)出水口的水頭損失不斷增加，出水COD含量也隨之增大。在反應(yīng)器運(yùn)行前3 d，水頭損失沒有明顯增加，為0.7 m。在運(yùn)行第4天，水頭損失增加到0.9 m。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至第8天，出水水頭損失增加至1.3 m，較初期上升了86%。在第10天水頭損失達(dá)1.6 m。這說明在系統(tǒng)運(yùn)行到第8天時(shí)，反應(yīng)器保持對(duì)污染物的截留作用，但已開始接近飽和狀態(tài)，隨著系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，生物膜的老化脫落及懸浮物沉積，反應(yīng)器已經(jīng)開始堵塞并形成溝流現(xiàn)象。根據(jù)以上分析可知，土地好氧生物過濾系統(tǒng)的反沖洗周期為8 d內(nèi)，在工程應(yīng)用上，可針對(duì)具體的進(jìn)水水質(zhì)、出水COD含量及水頭損失變化確定反沖洗周期。第4天水頭損失上升，原因可能是系統(tǒng)內(nèi)局部有堵塞現(xiàn)象，因此可以在第4天至第8天進(jìn)行1次反沖洗，由此可以確定進(jìn)行反沖洗的周期為4、8 d。

圖3 系統(tǒng)水頭損失隨時(shí)間變化情況Fig.3 System head loss changes over time

2.3 反沖洗4 d試驗(yàn)

2.3.1 對(duì)COD去除效果的影響。從圖4可見，進(jìn)水COD含量為180.1～487.7 mg/L，波動(dòng)較大，出水COD含量為51.9～141.2 mg/L，平均出水COD含量為76.0 mg/L，水質(zhì)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較小，驗(yàn)證了土地生物過濾系統(tǒng)具有較強(qiáng)的耐負(fù)荷沖擊能力。在10月31日至11月16日，反沖洗4 min后，出水COD從141.0 mg/L迅速下降并穩(wěn)定在50.0 mg/L左右，COD去除率在80.0%左右，最高達(dá)到87.0%；反沖洗2、1 min后，出水穩(wěn)定與反沖前差別不大，有持續(xù)轉(zhuǎn)好趨勢(shì)。11月10日COD去除率較低，與近期持續(xù)降雨及進(jìn)水COD較低有關(guān)；11月14出現(xiàn)了反沖洗后堵塞現(xiàn)象，這可能由于反沖洗后污泥未完全排出，污泥下落過程中再次附著于濾料上，從而造成堵塞。因此，要在排泥過程中注意該類現(xiàn)象的發(fā)生，適當(dāng)延長排泥階段的水沖時(shí)間。

圖4 4 d反沖洗周期COD含量及去除率的變化Fig.4 COD content and removal rate change in 4 d backflushing interva

11月18日出水COD含量較高，達(dá)到110.0 mg/L，這與進(jìn)水COD含量較高有關(guān)。11月24日出水COD含量有所升高，這是由22日線路故障，系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，曝氣停止，系統(tǒng)充氧不足所導(dǎo)致。11月28日系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，可能是該試驗(yàn)只進(jìn)行了1、2、4 min的反沖洗，反沖洗時(shí)間較短，未完全對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗，下層濾料截濾的懸浮物并未完全被沖洗排放干凈。較短的反沖洗時(shí)間，也減少了對(duì)系統(tǒng)微生物的影響，在試驗(yàn)期間COD平均去除率為77.0%，平均出水COD含量為76.0 mg/L，遠(yuǎn)優(yōu)于二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 4 d反沖洗周期含量及去除率的變化Fig.5

2.4.1 對(duì)COD去除效果的影響。從圖6可見，COD去除率波動(dòng)較大，為69.0%～85.0%，平均出水COD含量為93.0 mg/L，高于4 d周期平均出水COD含量(76.0 mg/L)，這主要與該試驗(yàn)是重新啟動(dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行的有關(guān)，系統(tǒng)內(nèi)生物膜的穩(wěn)定性和生物量均與試驗(yàn)③(正常運(yùn)行半年系統(tǒng)后)有一定差距，但與大多數(shù)生物濾池系統(tǒng)相比效率較高，重啟系統(tǒng)后生物膜活性迅速恢復(fù)，維持了系統(tǒng)的高效處理。4月1日反沖洗4 min后，出水COD含量從76.9 mg/L上升至4月3日的138.7 mg/L，但去除率變化不大，這是由于4月3日進(jìn)水COD含量增加。隨后出水COD含量逐漸下降，4月9日和17日分別反沖2和1 min并未對(duì)出水產(chǎn)生影響，這與試驗(yàn)③規(guī)律一致。在4月25日系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，故對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行6 min反沖洗，使系統(tǒng)恢復(fù)進(jìn)水。4月27日出水COD含量升高，COD含量由74.5 mg/L升至130.8 mg/L，去除率有所下降，這說明反沖洗6 min對(duì)系統(tǒng)生物膜產(chǎn)生了一定程度的破壞，但系統(tǒng)恢復(fù)較快，在29日后出水恢復(fù)正常。對(duì)比試驗(yàn)④和試驗(yàn)③，不同反沖洗周期反沖洗4、2、1 min后的COD平均去除率分別為75.0%、78.0%、78.0%，變化不大，這是由于試驗(yàn)④在重新掛膜啟動(dòng)后硝化細(xì)菌恢復(fù)較慢，但去除率仍分別達(dá)到91.0%、90.0%、95.0%。

圖6 8 d周期反沖洗COD含量及去除率的變化Fig.6 COD content and removal rate change in 8 d backflushing interva

圖7 8 d反沖洗周期含量及去除率的變化Fig.7

3 結(jié)論與建議

(1)該研究表明，土地好氧生物濾池掛膜進(jìn)水平均COD含量為400 mg/L，容積負(fù)荷為0.14 kg/(m3·d)，溫度在12～19 ℃的條件下，19 d可以達(dá)到出水COD去除率80%左右，結(jié)合觀察生物膜認(rèn)定掛膜完成。在進(jìn)水量1.4 m3/d、曝氣量1.8 m3/h的條件下，以碎石為填料的升流式污水土地好氧生物濾池極易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，系統(tǒng)水頭損失隨運(yùn)行時(shí)間變化很快，8 d后水頭損失增加86.0%，達(dá)到1.3 m。因此，建議根據(jù)進(jìn)水情況將反沖周期維持在8 d內(nèi)。

(3)通過反沖洗4 d周期和8 d周期試驗(yàn)，根據(jù)水頭損失，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，建議在進(jìn)水量1.4 m3/d，曝氣量1.8 m3/h，進(jìn)水COD含量400 mg/L的土地好氧生物濾池采取反沖洗氣洗強(qiáng)度為13.9 L/(m2·s)、水洗強(qiáng)度為0.1 L/(m2·s)的情況下，4～8 d進(jìn)行1次4 min內(nèi)的反沖洗，如果出現(xiàn)堵塞可進(jìn)行6 min反沖洗。參考文獻(xiàn)

[1] 郭一令，蘇林萌，徐進(jìn)，等.污水土地好氧生物過濾處理系統(tǒng)的小試研究[J].水處理技術(shù)，2011，37(12)：99-102，108.

[2] 許保玖，龍騰銳.當(dāng)代給水與廢水處理原理[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3] 孔剛，許昭怡，李華偉，等.地下土壤滲濾法凈化生活污水研究進(jìn)展[J].土壤，2005，37(3)：251-257.

[4] 雷明，李凌云.人工濕地土壤堵塞現(xiàn)象及機(jī)理探討[J].工業(yè)水處理，2004，24(10)：9-12.

[5] KRISTIANSEN R.Sand-filter trenches for purification of septic tank effluent I.The clogging mechanism and soil physical environment[J].J Environ Qual，1981，10(3)：353-357.

[6]何江濤，馬振民，張金炳，等.污水滲濾土地處理系統(tǒng)中的堵塞問題[J].中國環(huán)境科學(xué)，2003，23(1)：85-89.

[7] 張寶杰，閆立龍，甄捷，等.曝氣生物濾池最佳反沖洗周期及反沖洗方式研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(7)：1045-1046，1050.

[8] 凌霄，胡勇有.曝氣生物濾池反沖洗關(guān)鍵因子的確定及機(jī)理淺析[J].給水排水，2005，31(10)：19-23.

[9] 周寶俊，秦樹林.曝氣生物濾池處理礦區(qū)生活污水中反沖洗強(qiáng)度的控制研究[J].能源環(huán)境保護(hù)，2015，29(2)：17-19.

[10] 江萍，胡九成.國產(chǎn)輕質(zhì)球型陶粒用于曝氣生物濾池的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(4)：459-464.

[11] 李方，楊波，田晴，等.濾層高度對(duì)升流式曝氣生物濾池硝化性能的影響[J].水處理技術(shù)，2008，34(10)：46-49.

[12] 齊兵強(qiáng).曝氣生物濾池(BIOFOR)處理生活污水中試研究[D].北京：清華大學(xué)，2000.

[13] 周群英，王士芬.環(huán)境工程微生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

Effect of Backflush on Sewage Land Aerobic Biological Filtration System

GUO Yi-ling, DU Ya-nan

(School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao, Shandong 266033)

Wastewater land treatment; Aerobic biological filtration; Backflushing interval; Backflushing time

郭一令(1962- )，男，山東青島人，教授，從事水污染控制研究。

2016-09-02

S 181

A

0517-6611(2016)33-0057-04