胡天媛, 孟令鑫, 侯紅勛, 李濤, 張靜
(安徽國(guó)禎環(huán)保節(jié)能科技股份有限公司, 合肥 230088)
雨水是造成地表水體受污染的污染源之一, 其污染主要集中在降雨初期形成的初期徑流中[1]。 雨水調(diào)蓄池是一種雨水收集設(shè)施, 污染程度較輕的雨水經(jīng)過截留水中的懸浮物、 固體顆粒雜質(zhì)后, 可以直接排入自然承受水體。 初期雨水在經(jīng)過管道傳輸?shù)倪^程中, 與合流制溢流(CSO)污染物混合稀釋之后, 極易形成低濃度生活污水[2]。 這些污水若直接排入自然承受水體, 將會(huì)嚴(yán)重污染水體[3]。 由于雨水徑流污染的突發(fā)性和非連續(xù)性特點(diǎn), 其水質(zhì)處于波動(dòng)狀態(tài), 導(dǎo)致大部分處理工藝運(yùn)行難度較大, 污水處理達(dá)標(biāo)排放的風(fēng)險(xiǎn)較大。
雨水調(diào)蓄池的水質(zhì)水量波動(dòng)較大、 污染物濃度低。 曝氣生物濾池工藝具備抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、 運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn), 適用于低濃度生活污水的處理[4-5]。 鄭元武等[6]采用曝氣生物濾池工藝處理城市河道污水, 王立立等[7]采用曝氣生物濾池工藝處理校園低濃度生活污水, 田文華等[8]采用曝氣生物濾池工藝處理電廠的低濃度生活污水, 錢靚[9]采用曝氣生物濾池工藝處理低濃度市政污水和半合成灰水, 以上研究均利用了曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本研究利用某雨水調(diào)蓄池項(xiàng)目上的預(yù)處理設(shè)施, 采用箱式曝氣生物濾池, 將改良曝氣生物濾池應(yīng)用于排口應(yīng)急處理試驗(yàn), 考察其對(duì)COD、 氨氮、 TP 的去除效果, 為雨水調(diào)蓄池水處理應(yīng)用提供參考。
試驗(yàn)主體主要由預(yù)處理池、 改良曝氣生物濾池、 反洗水箱組成。 設(shè)計(jì)進(jìn)水量為1 000 m3/d。 工藝流程如圖1 所示。
圖1 工藝流程Fig. 1 Process flow
污水經(jīng)預(yù)處理池后, 經(jīng)泵提升至改良曝氣生物濾池進(jìn)水分配渠, 處理后的出水自流入反洗水箱。設(shè)備達(dá)到反洗條件時(shí)進(jìn)行氣洗和水洗, 氣洗空氣來自設(shè)備風(fēng)機(jī)房的反洗風(fēng)機(jī), 水洗水來自反洗水箱。設(shè)備正常出水及反洗排水就近排入廠區(qū)污水管。
為了便于與已建成的雨水調(diào)蓄池項(xiàng)目結(jié)合, 提高試驗(yàn)效率, 改良曝氣生物濾池采用箱體結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)承托層高度為0.25 m, 生物陶粒濾料高度為1.2 m, 低于HJ 2014—2012《生物濾池法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》中曝氣生物濾料層高(2 ~4 m)。 這種改良結(jié)構(gòu)一方面改變了傳統(tǒng)曝氣生物濾池普遍為瘦高的結(jié)構(gòu)形態(tài), 避免了單位面積的基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度較大, 可滿足現(xiàn)有雨水調(diào)蓄池項(xiàng)目周邊基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度弱的問題; 另一方面避免了曝氣風(fēng)機(jī)及反沖洗供氣風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓過大、 能耗過高等問題。 配水采用鋼制濾板聯(lián)合長(zhǎng)柄濾頭方式, 單邊出水。
改良曝氣生物濾池生化反應(yīng)區(qū)有效容積為35 m3, 由2 組并聯(lián)的單個(gè)模塊處理單元組成, 箱體尺寸 為9.40 m × 2.77 m × 3.50 m, 設(shè) 計(jì) 容 積 負(fù) 荷 為1.81 kg[BOD5]/(m3·d)、 0.52 kg[氨氮]/(m3·d), 設(shè)計(jì)過濾濾速為1.89 m/h, 水力停留時(shí)間為50 min,風(fēng)壓為0.05 MPa。
采用雨水調(diào)蓄池項(xiàng)目預(yù)處理后的出水作為試驗(yàn)進(jìn)水。 檢測(cè)雨水調(diào)蓄池雨天及非雨天的水質(zhì)情況,結(jié)果如表1 所示。
雨水調(diào)蓄池項(xiàng)目的預(yù)處理工藝主要采用粗細(xì)格柵、 混凝沉淀法去除固體及顆粒較大污染物, 其中難溶有機(jī)物及懸浮物會(huì)被大量攔截。 預(yù)處理后出水作為試驗(yàn)進(jìn)水, 檢測(cè)其主要進(jìn)水指標(biāo)。
表1 雨天、 非雨天水質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Statistics of water quality in rainy and non-rainy days
改良曝氣生物濾池接種污泥取自某AAO 工藝污水處理廠的儲(chǔ)泥池, 其污泥質(zhì)量濃度為9 400 mg/L,按照體積比為1 ∶1.5 配比活性污泥與預(yù)處理出水,開始悶曝; 第2 天每12 h 換水1 次, 悶曝; 第3 天每6 h 換水1 次; 第4 天進(jìn)水氨氮的質(zhì)量濃度為23 mg/L, 出水質(zhì)量濃度降至1.28 mg/L。 試驗(yàn)初始小流量連續(xù)進(jìn)水, 保持氣水比為5 ∶1~7 ∶1。 7 d 后流量逐漸增加至32.5 m3/h, 氣水比為3 ∶1, 此時(shí)改良曝氣生物濾池氨氮的去除率穩(wěn)定在80% 以上, 肉眼觀察到濾料層下部出現(xiàn)黃褐色絮狀體, 陶粒間隙的污泥也變?yōu)闇\褐色, 認(rèn)為生物反應(yīng)器啟動(dòng)成功。
分別在預(yù)處理池及改良曝氣生物濾池出水端取樣檢測(cè)水質(zhì)。 控制改良曝氣生物濾池的工藝運(yùn)行參數(shù), 在氣水比為(2.5 ~3.0) ∶1, 曝氣量為17.4 m3/min, 水力停留時(shí)間為49.9 min, 水力負(fù)荷為1.89 m3/(m2·h), 硝化負(fù)荷為0.52 kg[氨氮]/(m3·d)的條件下, 考察改良曝氣生物濾池對(duì)預(yù)處理池出水COD、 氨氮、 TP 的去除效果。 反洗頻率為2 ~3 d反洗1 次, 反沖洗采用快速降水位與氣水聯(lián)合反沖洗方式, 降水位15 s, 氣洗60 s, 氣水聯(lián)合洗90 s, 水洗240 s, 反洗恢復(fù)期10 min。
氨氮采用納氏比色法測(cè)定, COD 采用重鉻酸鉀法測(cè)定, TP 采用分光光度法測(cè)定。
改良曝氣生物濾池在氣水比為3 ∶1, 曝氣量為17.4 m3/min 的條件下運(yùn)行, 對(duì)其進(jìn)出水COD 濃度連續(xù)1 個(gè)月進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè), 結(jié)果如圖2 所示。 從圖2 可以看出, 改良曝氣生物濾池進(jìn)水COD 的質(zhì)量濃度為15 ~ 84 mg/L, 平均值為35.8 mg/L; 出水COD 的質(zhì)量濃度為13 ~ 44 mg/L, 平均值為23.8 mg/L, 對(duì)COD 的去除率為2.86%~65.71%, 平均值為33.5%。
圖2 進(jìn)出水COD 濃度變化及其去除率Fig. 2 COD concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof
采用改良曝氣生物濾池處理雨水調(diào)蓄池污水,在進(jìn)水COD 濃度變化范圍較大的情況下, 對(duì)應(yīng)的COD 去除率變化幅度也較大; 當(dāng)進(jìn)水COD 濃度相對(duì)穩(wěn)定時(shí), COD 去除率均在35% 以上, 對(duì)COD 去除效果較穩(wěn)定。
改良曝氣生物濾池對(duì)氨氮的去除效果如圖3 所示。 從圖3 可以看出, 改良曝氣生物濾池進(jìn)水氨氮的 質(zhì) 量 濃 度 為5.3 ~ 24.4 mg/L, 平 均 值 為14.17 mg/L; 出水氨氮質(zhì)量濃度為0.09 ~1.20 mg/L, 平均值為0.60 mg/L; 改良曝氣生物濾池對(duì)氨氮的去除率平均值為96%左右, 且運(yùn)行穩(wěn)定。
圖3 進(jìn)出水氨氮濃度變化及其去除率Fig. 3 ammonia nitrogen concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof
結(jié)合進(jìn)出水COD、 氨氮濃度情況可知, 污水中有機(jī)物含量已經(jīng)很低, 氨氮濃度削減明顯, 由此推測(cè)在距出水口較近的濾料層中, 自養(yǎng)型的硝化菌占據(jù)優(yōu)勢(shì), 通過氧化氨氮而獲取能量, 進(jìn)行氨氮的硝化反應(yīng)[10]。
在進(jìn)水碳氮比較低的運(yùn)行環(huán)境下, 改良曝氣生物濾池內(nèi)部生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)微生物為自養(yǎng)型硝化菌, 異養(yǎng)型微生物較少[11], 這種低碳氮比的生長(zhǎng)環(huán)境也為自養(yǎng)型硝化菌提供了良好的條件, 將污水中的氨氮硝化成硝酸鹽或亞硝酸鹽, 硝化菌存在于生物膜內(nèi)側(cè), 在濾料上有很強(qiáng)的附著力, 一旦形成, 不易完全脫落, 因此改良曝氣生物濾池具有很強(qiáng)的硝化去除氨氮的能力。 即使在進(jìn)水氨氮濃度變化較大的情況下, 改良曝氣生物濾池對(duì)氨氮的去除率均保持在89% 以上, 處理后出水的氨氮濃度遠(yuǎn)優(yōu)于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。
改良曝氣生物濾池在氣水比為3 ∶1, 曝氣量為17.4 m3/min, 未投加化學(xué)除磷藥劑及排泥的運(yùn)行條件下, 考察其對(duì)TP 的去除效果, 結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 可以發(fā)現(xiàn), 進(jìn)水TP 的質(zhì)量濃度最大為1.36 mg/L, 最小為0.08 mg/L, 平均值為0.55 mg/L; 經(jīng)改良曝氣生物濾池處理后, 出水TP 質(zhì)量濃度 穩(wěn) 定 在0.04 ~0.40 mg/L 之 間, 平 均 值 為0.20 mg/L, 系統(tǒng)出水TP 的去除率穩(wěn)定在55%左右。
圖4 進(jìn)出水TP 濃度變化及其去除率Fig. 4 TP concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof
通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn), TP 去除率變化幅度較大,去除率最低為6.06%, 最高達(dá)到90.44%, 當(dāng)進(jìn)水TP 濃度相對(duì)較高時(shí), TP 去除率均在60%以上, 沒有明顯的規(guī)律性。 由于改良曝氣生物濾池不存在厭氧、 好氧交替運(yùn)行的條件, 因此系統(tǒng)很難存在反硝化除磷的作用, 推測(cè)系統(tǒng)生物除磷主要為生物膜的吸附、 截留和絮凝作用, 以及同化作用, 而且前者的作用較大。
由于雨水調(diào)蓄池污水的特殊性質(zhì), 在進(jìn)水TP濃度不高的情況下, 出水TP 濃度滿足GB 3838—2002 中地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)(ρ(TP)≤0.4 mg/L), 若要近一步提高出水TP 濃度, 可以采用化學(xué)除磷等輔助措施, 這可能需要適當(dāng)增加反洗頻次。 因此, 采用改良曝氣生物濾池處理雨水調(diào)蓄池污水, 對(duì)TP的去除效果能滿足正常出水水質(zhì)要求, 在進(jìn)水TP濃度變化較大的情況下, 該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
(1) 初期降雨與污水中的污染物及其含量不同, COD、 氨氮等有機(jī)物含量低, 通過對(duì)曝氣生物濾池進(jìn)行改良, 改變?yōu)V池結(jié)構(gòu), 微生物附著生長(zhǎng)在濾料表面上形成生物膜, 在濾池內(nèi)部維持曝氣以提供微生物的正常耗氧需要, 污水在垂直方向上流經(jīng)填料層時(shí), 利用填料高比表面積的特點(diǎn)以及生物膜的生物絮凝作用對(duì)污染物進(jìn)行吸附與過濾, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)初期雨水的快速凈化。
(2) 采用改良曝氣生物濾池工藝在已建成的某雨水調(diào)蓄池項(xiàng)目上進(jìn)行排口應(yīng)急處理研究, 其中COD 質(zhì)量濃度由進(jìn)水的15 ~84 mg/L 下降至13 ~44 mg/L, 氨氮質(zhì)量濃度由進(jìn)水的5.3 ~24.4 mg/L下降至0.09 ~1.20 mg/L, TP 質(zhì)量濃度由進(jìn)水的0.08 ~1.36 mg/L 下降至0.04 ~0.40 mg/L, 該工藝對(duì)COD、 氨 氮、 TP 等 去 除 率 分 別 約 為33.5%、96%、 55%。 改良曝氣生物濾池可以有效降低雨水中COD、 氨氮、 TP 濃度, 保障出水水質(zhì)達(dá)到GB 3838—2002 中地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)要求。