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。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

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。

1.2 改良曝氣生物濾池

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。

1.3 試驗(yàn)用水

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

1.4 試驗(yàn)方法

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。

1.5 分析方法

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 改良曝氣生物濾池對(duì)COD 的去除效果

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。

2.2 改良曝氣生物濾池工藝對(duì)氨氮的去除效果

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)。

2.3 改良曝氣生物濾池工藝對(duì)TP 的去除效果

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。

3 結(jié)論

（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。