水力停留时间对曝气生物滤池处理效能及运行特性的影响
通过实验室模型试验研究了曝气生物滤池处理模拟生活污水的效能，分析了水力停留时间(HRT)变化对曝气生物滤池处理效果及运行特性的影响规律。研究发现，当HRT大于0.6h时，曝气生物滤池具有良好的有机物和浊度的去除效果，而当HRT为0.4h时，处理效果则显著下降;反应器的硝化反硝化脱氮能力受HRT的影响比较明显，缩短HRT将使氨氮和总氮去除率迅速下降，当HRT为1.25h时，氨氮和总氮去除率分别达到70%和40%以上;缩短HRT会在一定程度上促进亚硝酸盐积累现象的发生，而反应器的过滤周期则与HRT呈明显的线性关系。
曝气生物滤池是近年来得到广泛关注的新型污水生物处理技术，具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲击负荷能力强等特点，可以用于SS去除、有机物去除、硝化除氨、反硝化脱氮和除磷等，在微污染饮用水源水预处理、中小型污水处理厂和二级出水的深度净化等方面有着广阔的应用潜力。目前对曝气生物滤池的研究主要集中于微污染饮用水源水预处理和污水深度处理等，而直接针对生活污水二级处理的研究报道尚不多见。
本文通过采用上向流曝气生物滤池处理模拟生活污水，重点考察不同水力停留时间(HRT)条件下曝气生物滤池对COD、悬浮物、氨氮、总氮的去除效果，探讨HRT对曝气生物滤池处理效能和运行特性的影响规律，以期为进一步的理论研究和工程应用提供依据。
1 试验装置及方法
1.1 试验装置
试验装置见图1，反应器由聚氯乙烯有机玻璃制成，内径100mm，高2500mm，填料选用花岗岩碎石，粒径3~5mm，填料填装高度1500mm，反应器底部填装150mm粒径15mm左右的卵石承托层。曝气口位于底部150mm处。
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1.2 试验方法
试验用水为人工合成的模拟生活污水，采用淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH4Cl、KH2PO4、CaCl2·H2O、MgSO4·7H2O、FeSO4·7H2O、NaHCO3和少量生活污水等按一定比例配制，水质为COD299.6~326.7mgL，氨氮45.3~46.3mgL，总氮48.6~51.2mgL，硝态氮0~0.02mgL，亚硝态氮0~0.15mgL，pH5.78~7.68，总磷4~6mgL。
试验采用上向流进水，气水同向。反应器启动时投加一定量种泥，闷曝3d后改为连续流进水，运行15d后挂膜成功。试验分别在HRT为2.50、1.25、0.80、0.60、0.40h的运行条件下各稳定运行5d，为保证供氧要求，曝气量按气水比10∶1供给;试验期间水温为20.5~24.5℃，按标准方法连续测定反应器进出水水样的COD、氨氮、总氮、硝态氮、亚硝态氮、pH值和浊度。反冲洗采用气水联合反冲，反冲洗周期按运行时水头损失达到1.2m的时间来确定。
2 试验结果及分析
2.1 HRT对曝气生物滤池有机物去除的影响有机物是生活污水中的主要污染成分，由于中小型点源污水水质水量呈经常性波动，所以，研究HRT变化对有机物去除的影响规律具有重要的工程指导意义。不同HRT条件下模型反应器对COD的平均去除率和进出水的平均COD浓度见图2。
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由图2可知，随着HRT的增加，反应器对COD的平均去除率逐渐升高，而处理水平均COD浓度也逐渐下降。当HRT由0.6h增加到2.5h时，COD平均去除率由85.9%提高至93.7%，处理水COD平均浓度由42.1mgL降低至20.3mgL，但当HRT减少至0.4h时，COD平均去除率和处理水平均COD浓度分别为67.2%和102.6mgL，有机物去除能力明显下降。试验中发现，由于反应器底部区域截污量大，生化反应激烈，生物膜生长迅速，生物膜较厚，膜内部供氧不足，致使在每一个过滤周期后段反应器底部出现一定程度的发黑现象。发黑滤层随着HRT的减少而明显地向上延伸。由于模拟污水的有机物浓度相对稳定，因此缩短HRT，提高了水力负荷，相应地增加了有机物负荷，势必使处理效率受到影响;同时，缩短HRT也会加大滤层间的过流速度和水力剪切力，使生物膜更容易被洗脱，也将导致出水COD有所增加。图2也表明，曝气生物滤池有一定的抗水力冲击能力，当HRT为2.5~0.6h时，对曝气生物滤池的有机物去除能力影响较小。
2.2 HRT对曝气生物滤池悬浮物去除能力的影响
试验中处理出水的悬浮物浓度较低，SS一般在5mgL以下，测定时比较困难，故试验中主要考察出水的浊度来探讨HRT对悬浮物去除的影响规律。图3显示了不同HRT条件下处理水浊度的变化情况。由图3可以看到，在适宜的HRT条件下(HRT>0.8h)，曝气生物滤池对悬浮物有很好的去除能力，出水的平均浊度可以降至1NTU以下，感官效果极佳。但是当HRT缩短到0.4h时，处理水的平均浊度为7.18NTU，与活性污泥法沉后水接近。上向流曝气生物滤池由于气水同向，水流速度较快，使悬浮物和脱落的生物膜能够向滤层深处移动，提高了滤层的纳污能力。但如果HRT过短，滤速加快，单位时间进水量增加，必须相应地提高曝气量以维持稳定的气水比，使得水力剪切作用和气流扰动作用加强，空床接触时间缩短，生物氧化不完全，必然会有一部分悬浮物穿透滤池，再加上流失生物量增加，导致出水浊度上升，出水水质下降。图3的试验结果表明，在本试验条件下，当HRT大于0.8h时，曝气生物滤池去除悬浮物的能力几乎没有受到影响;而HRT小于0.6h时，处理水浊度显著上升，说明滤层截留的悬浮物和脱落的生物膜量已经超过了滤池的最大纳污能力，致使处理效率下降。
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2.3 HRT对曝气生物滤池硝化脱氮效能的影响
生活污水中的主要污染物为有机物、SS和含氮化合物，因此，生物反应器的硝化脱氮能力也是评价其处理效能的主要指标之一。曝气生物滤池由于其空间梯度特征，可以实现不同污染物的渐次去除，具有较强的硝化脱氮能力。Pujol等认为，硝化生物滤池在高滤速条件下可以促进氨氮的去除。然而，对于有机物含量较高的污水，缩短HRT势必增加有机负荷，因而将会影响反应器的硝化能力。试验中考察了进出水的氨氮、总氮、硝态氮和亚硝态氮的含量，以探讨HRT对反应器硝化特性和脱氮性能的影响规律，结果见图4。
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由1.0%提高至60.1%，说明延长HRT可以显著地提高反应器的硝化脱氮效能，这与Pujol对硝化生物滤池的研究结果是不一致的，原因在于，对于同步去除有机物和氨氮的曝气生物滤池而言，缩短HRT会对反应器内生物膜微生态环境带来两个方面的冲击，即导致有机物负荷和水力及气流剪切力的增加，使得异养菌生长迅速，生物膜更新速度加快，系统的生态振荡性加强，使生长缓慢，对底物、溶解氧和pH条件要求比较苛刻的氨氧化细菌及硝化细菌在竞争中处于极不利的地位;再加上缩短HRT，提高滤速将导致反冲洗频繁，而氨氧化细菌及硝化细菌的比增长速率远低于异养菌，使其在反冲洗过程中更容易被洗脱出去，从而降低了整个反应器的硝化能力。
根据微生态理论，生物膜法可以通过同步硝化反硝化脱氮，因而要求生物膜在纵向上有相对稳定的好氧区域和厌氧区域，使得好氧硝化和厌氧反硝化能够渐次进行，实现生物脱氮。在较长的HRT下(本研究为2.5h)，曝气生物滤池的总氮去除率可达60%，说明反应器内的异养菌、氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、原生动物以及其他微生物的种类和数量相对稳定，微生物系统的生态结构在生物膜内部组成和沿水流方向的空间分布上保持着较稳定的动态平衡。而缩短HRT必然带来底物和曝气强度的增加，这样一则凸现了异养菌比增殖速率较高的生态优势，二则增加了剪切强度，提高了生物膜更新速度，使部分生物膜厚度减小，其中的一些兼性反硝化细菌的生态选择泛化，转而在有氧时利用有机物为底物，总体上降低了反应器的硝化和脱氮能力。同样，由于氨氧化细菌和硝化细菌在比增殖速率和氧饱和常数等方面的不同，使其在生物膜中处于不同的空间位置，所以在一定条件下生物反应器中会出现亚硝酸盐的积累。
图5为不同HRT时处理水中亚硝酸盐在亚硝酸盐与硝酸盐之和中所占比例的变化情况。由图5可见，随着HRT的缩短，处理水中亚硝酸盐的比例逐渐升高，由10.6%增加至60.7%。目前关于亚硝酸盐积累的研究报道很多，对其形成原因主要有游离氨浓度过高、溶解氧不足和有机物浓度过高等几种观点。试验中提高HRT没有改变温度和pH，所以不会影响游离氨浓度，而供气量是气水比供给，随HRT减少而不断提高的，出水的溶解氧也比较稳定。因此推测认为，因缩短HRT而增加的有机负荷才是促成亚硝酸盐积累的主要原因。Sharma等认为，有机负荷对亚硝态氮氧化细菌的活性有抑制作用。
在生物膜体系中，异养菌和氨氧化细菌对氧的争夺能力都强于硝化细菌，故硝化细菌的代谢优势区域只能存在于亚硝酸盐浓度和溶解氧较高，而有机物和氨氮浓度较低的区域。当主体相溶解氧较低，生物膜扩散阻力较大，而氨氮和有机物浓度较高时，受供氧限制，硝化细菌的代谢活性将受到抑制，因此氨氧化产物会被反硝化细菌直接用于反硝化过程。当缩短HRT时，进水有机物量增加，异养菌生长迅速，生物膜量增加，水头损失加快，曝气生物滤池在运行过程中必须频繁地进行反冲洗以恢复过水通量，以除去多余的生物膜和截留的SS，使反应器内的微生物处于一种周期性变化的环境中，由于氨氧化细菌在氧饱和常数、基质供应等方面的优势，在这种反复冲洗的振荡生态条件下，要比硝化细菌更容易建立和形成稳定的生态群系，进而表现出亚硝酸盐积累的现象。
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与其他过滤工艺一样，曝气生物滤池的过滤周期也是最主要的技术参数之一。试验中以水头损失增加至120cm作为过滤周期终点，考察了HRT与过滤周期的关系，结果见图6。从图6可以清楚地看到，曝气生物滤池的HRT与过滤周期表现出明显的正线性关系，其相关关系式为H=38.951×HRT+5.1645，R2=0.9947。随着HRT的增加，反应器的过滤周期也逐渐提高，当HRT为0.4h时，运行18h水头损失即达到120cm，而处理出水的水质也较差。
显然，仅就过滤周期而言，利用曝气生物滤池处理生活污水时所采用的HRT不宜低于0.8h。缩短HRT对过滤周期的影响主要体现在两个方面:一是同时增加了有机物负荷和悬浮物负荷，使滤层内单位时间截污量增加;二是加快了微生物，尤其是异养菌的增殖速度，生物膜厚度增加，加之剪切力加大，使生物膜更新速度加快，反应器内的总生物量迅速增加。以上两方面综合作的结果使水头损失迅速增加，过滤周期变短。
3 结 论
(1)HRT对曝气生物滤池的处理效能有显著的影响，延长HRT可以有效地提高反应器的处理效率。当HRT大于0.8h时，反应器对有机物、浊度的去除效果较好;当HRT降至0.6h以下时，反应器对有机物、浊度的处理效果显著下降。而反应器的硝化脱氮效能的有效发挥则需要保持HRT大于
1.25h。
(2)缩短HRT会促进反应器中亚硝酸盐积累现象的发生，当HRT为0.4h时，亚硝酸盐积累现象明显。
(3)HRT与曝气生物滤池的过滤周期呈明显的线性相关关系，即缩短HRT，将加快水头损失增加速度，缩短运行周期，其相关性方程为过滤周期
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