趙 奕，劉志輝,3,4，盧文君

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)教育部綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046；4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心，烏魯木齊 830046)

曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter,BAF)，是20世紀(jì)80年代末在歐美發(fā)展起來的一種新型生物膜法污水處理工藝，借鑒了生物接觸氧化法和給水快濾池的設(shè)計思路。以顆粒狀填料為載體，通過曝氣使濾料表面附著大量生物膜，利用生物膜中微生物的代謝作用，膜和填料的物理吸附和截留作用以及反應(yīng)器內(nèi)食物鏈的分級捕食作用，實現(xiàn)污染物在同一單元反應(yīng)器內(nèi)去除。反應(yīng)器內(nèi)存在著不同的好氧、缺氧區(qū)域，可同步實現(xiàn)硝化、反硝化，在去除有機物的同時達到脫氮除磷的目的[1,2]。

BAF具有占地面積小、投資少、啟動快、處理效率高、出水水質(zhì)好和操作簡單等諸多優(yōu)點[3]，現(xiàn)以廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。由于BAF去除水中污染物的主要原理是通過生物膜進行降解，因此生物膜的形成在整個工藝中有非常重要的地位。但在北方地區(qū)，冬季氣溫較低，微生物活性受抑制，在濾料上很難形成穩(wěn)定的生物膜，造成污水處理效果不佳[ 4-6]。目前已經(jīng)有大量學(xué)者研究了低溫對微生物去除污染物的影響，證明了低溫會降低微生物去除污染物效率[7,8]。但很少有人研究低溫下對BAF增加加熱保溫措施后去除污染物的影響。本試驗為了更好地發(fā)揮BAF的作用，使其在北方冬季可以正常運行，選擇了水質(zhì)穩(wěn)定的校園污水，探討了低氣溫條件下對BAF增加加熱保溫措施后處理校園污水的掛膜啟動過程。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

本試驗采用自制的兩級BAF，裝置示意圖見圖1。濾池為兩根濾柱，均由高3 500 mm，內(nèi)徑300 mm，外徑315 mm，承壓力為0.7 MPa的UPVC給水管制作而成，兩濾柱落差為1 m，按水流經(jīng)濾柱先后順序分別為BAFⅠ和BAFⅡ。濾柱內(nèi)部裝填球形陶粒濾料，進水方式采用上向流進水。兩段BAF承托層設(shè)計為450 mm，承托層的填料粒徑為大于20 mm的鵝卵石，BAFⅠ球形濾料粒徑為10～20 mm，BAFⅡ球形濾料粒徑為5～10 mm，濾層高度均為2.2 m，清水區(qū)都預(yù)留850 mm。各級BAF在承托層以上每隔500 mm依次向上設(shè)有4個取樣口，分別安有水龍頭。進水流量由液體轉(zhuǎn)子流量計控制，曝氣氣量由氣體轉(zhuǎn)子流量計控制。進氣管采用內(nèi)徑為15 mm的硅膠水管，進出水管采用內(nèi)徑為40 mm的帆布水管。為提高BAF單元水溫，將BAF單元池壁以1∶3的比例纏繞自控溫度為65±5 ℃，標(biāo)稱功率為15 W的電伴帶，并包裹了5 cm厚度的橡塑保溫材料更好地提高和控制水溫。試驗設(shè)計BAF最大日流量可以達到3.6 m3/d(150 L/h)。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagramof the experiment equipment

1.2 檢測項目及方法

試驗用水為新疆大學(xué)本部校區(qū)生活污水，污水經(jīng)過5 mm的濾網(wǎng)后直接由污水泵按設(shè)計流量注入BAF池中。

檢測項目及測試方法見表1。

2 啟動過程

本試驗掛膜方式采用自然富集培養(yǎng)掛膜法。試驗區(qū)為新疆大學(xué)本部校區(qū)學(xué)生宿舍7號樓前，試驗用水取自實驗區(qū)檢查井。自然富集培養(yǎng)掛膜法一般需要兩個階段，第一階段需要10～15 d，本試驗進水體積流量為37.5 L/h，風(fēng)量為225 L/h，風(fēng)機每隔6～8 h停止曝氣，并更換BAF中的處理水，連續(xù)悶曝3～5 d。第二階段一般需要8～10 d，本試驗進水體積流量為150 L/h，風(fēng)量450 L/h。前15 d氣水比為3∶1，后期將氣水比逐漸提高到4∶1。溫度通過加熱和保溫措施控制在22 ℃左右。試驗進行7 d后肉眼可看到曝氣生物濾池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色變成灰褐色且逐漸變厚、顏色逐漸加深。整個試驗過程共進行30 d，分別在開始運行的第7、15、20、25、30 d進行取樣檢測。

表1 水質(zhì)檢測項目以及測試方法Tab.1 Water quality test items and methods

3 結(jié)果與討論

3.1 掛膜期間溫度變化

溫度是影響B(tài)AF掛膜的一個重要因素，在低氣溫條件下，生物膜中微生物活性降低生長代謝緩慢，對有機物和氮磷含量的去除有明顯抑制作用。氣溫過低甚至?xí)苯佑绊態(tài)AF單元的正常運行。在新疆低氣溫條件下，試驗所選擇的原水溫度在10 ℃左右。BAF中微生物生長的最適宜溫度是15～35 ℃，高于或低于此溫度的范圍對曝氣生物濾池單元的凈化效果都會產(chǎn)生不利的影響，水溫較低時，生物膜活性會受到限制，因此水溫是影響曝氣生物濾池掛膜的一個重要因素。在本試驗運行中，設(shè)計了具有加熱保溫效果的BAF裝置。掛膜期間溫度變化見圖2。由圖2可知，BAF出水溫度穩(wěn)定在22 ℃左右，可以保證試驗正常運行。

圖2 溫度變化Fig.2 Temperature changes

3.2 掛膜期間對SS的去除效果

掛膜期間SS去除效果見圖3，由圖3可知，BAF對SS的去除率較高，在啟動初始階段，SS去除率就已經(jīng)達到74%以上，這主要是由于BAF濾料本身具有很強的吸附截留作用，對SS有一定去除效果。而本試驗中，選擇的是兩級BAF，且兩級BAF中濾料的粒徑也不同，所以大大提高了SS的去除率。在掛膜啟動第20 d，出水SS值降到10 mg/L以下，對SS的去除率達到99%，后10 d，SS的去除率穩(wěn)定在這個范圍內(nèi)。BAF處理污水中SS是通過濾料的機械截留、接觸及生物凝聚作用，使SS被不斷地截留在填料的孔隙間，達到降低SS的目的。但隨著運行時間的延長，濾層截留的SS不斷積累增多以及濾料表面生物膜厚度的增加，會堵塞濾料的孔隙，增加過水的阻力，降低BAF對污染物去除效率[9-11]。因此試驗運行過程中需要通過反沖洗使濾層進行再生。此外，當(dāng)進水SS值連續(xù)偏高時，會縮短BAF的工作周期，增加反沖洗次數(shù)。此時可以采取相應(yīng)的預(yù)處理措施降低偏高的進水SS值，延長反應(yīng)器的工作周期并降低反沖洗能耗。

圖3 SS的去除率Fig.3 SS removal rate

3.3 掛膜期間對BOD5和CODCr的去除效果

掛膜期間BOD5和CODCr去除效果見圖4、圖5，由圖4、圖5可知，水溫控制在22 ℃左右，氣水比4:1，水力負荷為2.1 m3/(m2·h)，水力停留時間為3.11 h的運行條件下，在掛膜20 d后BOD5和CODCr的去除率已經(jīng)達到很高，分別為76.82%和66.38%，此時可以證明通過加熱保溫措施可以保證BOD5和CODCr的去除率，提高BAF在低氣溫條件下掛膜成功率。

由圖4、圖5可以明顯地看到15 d時水質(zhì)濃度有回升的現(xiàn)象，此時的去除率低于7 d的去除率，20 d的去除率又有了明顯的提高，25、30 d的去除率也是持續(xù)增長的。其主要原因是由于濾料本身具有較強的截留、吸附作用，在運行初期，對污水中的部分有機污染物有一定的去除效果[12,13]。但隨著濾料中污染物的積累，生物膜的形成，濾料孔隙率降低，使濾料的截留、吸附作用減弱，BOD5和CODCr的去除率會有所下降。但在之后的運行過程中，通過進一步提高氣水比到設(shè)計量，大量微生物快速生長，生物膜逐漸成熟穩(wěn)定，濾料層中異養(yǎng)菌數(shù)量增多，BOD5和CODCr的去除率不斷提高，并達到穩(wěn)定。但曝氣強度必須控制得當(dāng)，不宜過大，曝氣強度過大會使生物膜因代謝活動過強而導(dǎo)致污泥老齡化，出水水質(zhì)達不到預(yù)期的效果。由于調(diào)整氣水比后15 d里污水處理效果都很好，所以本試驗選擇的氣水比為4∶1。在運行到第20 d時，BOD5和CODCr的去除率達到86.29%和92.09%，此后去除率一直穩(wěn)定在90%左右。

圖4 BOD5的去除率Fig.4 BOD5 removal rate

圖5 CODCr的去除率Fig.5 CODCr removal rate

3.4 掛膜期間對NH3-N和TP的去除效果

NH3-N和TP的去除效果是判斷生活污水處理工藝性能的重要內(nèi)容。為了更好地驗證試驗掛膜啟動是否成功，在運行期間，對NH3-N和TP的含量進行了檢測，NH3-N的去除效果見圖6，由圖6可知，在啟動初期，NH3-N的去除率在60%左右，之后有下降的趨勢，在此階段雖然已經(jīng)達到一定去除效果，但去除率要低于有機物的去除率。啟動初期NH3-N的去除僅依靠濾料的吸附作用和少量的生物降解作用，并且硝化細菌的世代周期長，在啟動初期和異養(yǎng)菌的競爭處于劣勢[14,15]。隨著異養(yǎng)菌在濾料中基本穩(wěn)定，硝化細菌開始快速生長和繁殖，NH3-N的去除率開始迅速提高，當(dāng)運行到第20 d，檢測到NH3-N的去除率已經(jīng)達到99%，之后的10 d都穩(wěn)定在這個范圍內(nèi)。TP的去除效果見圖7，由圖7可知，在運行的前15 d，TP的去除率達到60%以上，并有下降趨勢，第20 d時TP的去除率降到50%以下，之后逐漸提高，第25 d時TP的去除率提高到87.17%并達到穩(wěn)定。由此可以說明，濾料上已經(jīng)形成了穩(wěn)定的生物膜，BAF掛膜啟動試驗成功。

圖6 NH3-N的去除率Fig.6 Ammonia nitrogen removal rate

圖7 TP的去除率Fig.7 TP removal rate

4 結(jié) 論

試驗在低氣溫條件下用自制的具有加熱保溫功能的BAF裝置，溫度穩(wěn)定在22 ℃左右，氣水體積比在4∶1的條件下，采用自然富集培養(yǎng)法掛膜啟動BAF，處理大學(xué)校園污水。經(jīng)過20 d后，SS的去除率穩(wěn)定在98%，BOD5和CODCr的去除率分別穩(wěn)定在95%和87%，NH3-N的去除率穩(wěn)定在99%，TP的去除率穩(wěn)定在86%。鏡檢結(jié)果顯示，7 d后肉眼可看到曝氣生物濾池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色變成灰褐色且逐漸變厚、顏色逐漸加深。同時，通過顯微鏡的低倍鏡檢和高倍鏡檢，發(fā)現(xiàn)大量的菌群附著在陶粒表面，且微生物種群很多，交織在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成具有截留吸附、分解污染物的能力的微生態(tài)系統(tǒng)，為污水處理的穩(wěn)定運行創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。因此認為BAF掛膜成功。

在試驗掛膜過程中由于試驗采用的水樣為校園社區(qū)生活污水，營養(yǎng)成分基本符合曝氣生物濾池啟動期間微生物正常生長的要求，不用額外增加營養(yǎng)成分，故在BAF啟動階段，選用未經(jīng)過預(yù)處理的校園污水為水源，采用自然富集培養(yǎng)掛膜法。但在后期BAF正常運行期間，為了使進入BAF中的水質(zhì)保證一個相似均衡的值，本試驗過程中，在BAF單元前設(shè)計了預(yù)處理單元—化糞池，保證進入BAF單元的污水水質(zhì)均衡。且，在正式運行階段，只需在晚上或氣溫較低的條件下對各構(gòu)筑物進行加熱，其他時間，保溫措施即可保證正常運行。

試驗通過采用改進的具有加熱保溫措施的BAF裝置，控制BAF池內(nèi)水溫，并調(diào)節(jié)試驗運行參數(shù)，可以使BAF在北方冬季低氣溫條件下正常運行，并達到良好的去除效果。該試驗的成功為解決北方冬季污水處理困難問題，提供了重要的參考價值。但由于加熱保溫措施不宜用于大型污水處理工程，故在實際的應(yīng)用中，要根據(jù)污水處理需要，做進一步改進后推廣使用。

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