变速生物滤池处理城市污水的效能研究
摘要：对采用酶促填料的变速生物滤池处理城市污水进行了生产性试验 研究 ，考察了水力停留时间(HRT)和温度的 影响 。结果表明，常温、填料层厚度分别为1.5 m和2.0 m、填料层H RT分别>3.5 h和4.9 h、相应的滤池HRT>9.7 h时，滤池能有效地去除水中有机物和悬浮物。
关键词：变速生物滤池 酶促填料 城市污水
Study on the Performance of Variable Rate Biofilter for Treatment of Municipal Wastewater
Abstract： The full-scale experiment was carried out on the use of variable rate biofilter with enzymatic medium for treatment of municipal wastewater,and study was made on the effect of hydraulic retention time (HRT) and temperature on the perfor mance.The results showed that at normal temperature, when the media hEight is 1.5m and 2.0 m with HRT>3.5 h and 4.9 h,and the filter HRT>9.7 h,the fil ter can efficiently remove organic and suspended matters in water.
Keywords: variable rate biofilter; enzymatic medium; municipal wastewater
处理城市污水是控制水污染的重要任务之一。自20世纪80年代中后期以来，以厌氧/缺氧技术为核心的城市污水处理工艺流程因具有能耗低、运行成本低、污泥产量低、管理方便等突出优点，越来越受到世界各国学者及工程界的普遍重视[1]，在此结合变速生物滤池处理城市污水的生产性试验研究成果，对有关 问题 进行探讨。
1 试验装置与 方法
1.1 试验装置
试验在重庆市某污水处理厂进行，该厂原采用合建式表面曝气沉淀池，而变速生物滤池是由原曝气沉淀池的曝气区改建而成，试验流程见图1。
滤池的平面尺寸为7.8 m×5.95 m，总高为5.7 m(其中布水区为1.0 m，承托层为0.35 m，填料层夏季为1.5 m、冬季则加至2.0 m，沉淀区夏季为1.5 m、冬季为1.0 m，保护高为1. 6 m)。滤池从底部进水，上部出水，过水断面随水流方向逐渐增大。滤池中所装填料为本研究组开发的专利产品——酶促填料，其粒径为10～20 mm。
图2为变速生物滤池的示意图。
1.2 主要测试项目及方法
主要测试项目及方法见表1。
| 项 目 | 测定方法或仪器 | 项 目 | 测定方法或仪器 |
| DO、温度 | YIS 52型溶解氧测定仪 | 碱度(CaCO3计) | 酸碱指示剂滴定法 |
| 流量 | 三角堰 | 挥发酸(VFA) | 比色测定法 |
| SS | 103～105 ℃烘干重量法 | NH3-N | 纳氏试剂分光光度法 |
| pH值 | 精密pH试纸或pH计 | TP | 钼锑抗分光光度法 |
| COD、SCOD | HACH—COD测定仪 | SO42- | 硫酸钡比浊法 |
| 注： SCOD为溶解性COD。 | |||
1.3 试验过程
试验在常温下进行，分夏季和冬季两个阶段，主要考察水力停留时间和温度对滤池运行性能的影响。污水在滤池内的水力停留时间通过进水流量的改变来调节，温度则随季节而变化。
2 试验结果
试验结果如表2、3，滤池运行环境参数见表4。
| 滤池HRT(h) | 填料层HRT(h) | 流量(m3/d) | COD | SCOD | SS | ||||||
| 进水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(%) | 进水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(%) | 进水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(%) | |||
| 夏季(1999年8月25日—1999年10月18日)填料层为1.5 m 水温为18～26 ℃ | |||||||||||
| 23.7 | 8.6 | 156.7 | 122.5 | 61.8 | 49.5 | 88.3 | 55.8 | 36.9 | 50 | 9 | 82.0 |
| 17.0 | 6.2 | 218.9 | 171.8 | 92.3 | 46.3 | 129.8 | 84.9 | 34.7 | 52 | 11 | 78.8 |
| 12.6 | 4.6 | 293.9 | 212.0 | 120.5 | 43.2 | 167.8 | 113.2 | 32.5 | 63 | 20 | 68.3 |
| 9.7 | 3.5 | 382.5 | 234.0 | 138.0 | 41.0 | 182.2 | 125.3 | 31.2 | 87 | 23 | 73.6 |
| 7.6 | 2.8 | 485.4 | 231.7 | 145.2 | 37.3 | 174.5 | 128.3 | 26.4 | 82 | 29 | 64.6 |
| 冬季(1999年11月6日—2000年1月26日)填料层为2.0 m 水温为9～15 ℃ | |||||||||||
| 23.7 | 12.1 | 156.7 | 218.2 | 96.5 | 55.8 | 162.3 | 87.4 | 46.2 | 63.6 | 17.3 | 72.74 |
| 17.0 | 8.6 | 218.9 | 266.2 | 125.4 | 52.9 | 197.1 | 110.5 | 43.9 | 84.3 | 26.8 | 68.2 |
| 12.6 | 6.4 | 293.9 | 310.9 | 156.1 | 49.8 | 236.0 | 138.3 | 41.4 | 93.0 | 32.5 | 65.1 |
| 9.7 | 4.9 | 382.5 | 332.0 | 178.0 | 46.4 | 258.3 | 161.0 | 37.7 | 114.3 | 38.5 | 66.3 |
| 7.6 | 3.9 | 485.4 | 336.2 | 200.0 | 40.5 | 251.3 | 168.1 | 33.1 | 116.5 | 42.5 | 63.5 |
| 项 目 | 进 水 | 出 水 | 去除率(%) | |||
| 波动范围(mg/L) | 平均值(mg/L) | 波动范围(mg/L) | 平均 值(mg/L) | |||
| 夏季 | NH3-N | 22.7～33.3 | 28.3 | 27.3～35.3 | 31.4 | |
| TP | 3.69～5.61 | 4.75 | 3.01～4.39 | 3.85 | 19.3 | |
| SO42- | 64.1～84.4 | 74.4 | 19.9～37.6 | 28.7 | 61.4 | |
| 冬季 | NH3-N | 24.2～36.3 | 30.1 | 26.3～38.4 | 33.0 | |
| TP | 4.42～5.71 | 4.96 | 3.31～4.54 | 3.95 | 20.3 | |
| SO42- | 78.7～94.9 | 87.7 | 25.8～40.4 | 34.9 | 60.2 | |
| 项 目 | CaCO3碱度(mg/L) | VFA(mg/L) | DO(mg/L) | pH | ||||
| 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | 进水 | 出水 | |
| 夏季 | 261～324 | 289～336 | 19.7～66.2 | 8.2～17.5 | 1.3～3.0 | 0.04～0.24 | 6.6～7.2 | 6.7～7.2 |
| 冬季 | 269～332 | 294～362 | 23.0～122.6 | 9.8～23.0 | 1.5～3.2 | 0. 02～0.30 | 6.5～7.4 | 6.7～7.2 |
| 注： 出水DO为滤池表层水样测定值。 | ||||||||
3 结果与讨论
3.1 出水水质
试验中滤池的性能主要根据COD、SS去除率等指标来评定。由表2可知，城市污水经 滤池处理后的COD去除率约为40%～55%、SCOD约为30%～45%、SS约为60%～80%，显然滤池对悬浮物的去除效果明显好于对有机物的去除效果。滤池出水有机物浓度较高可
能有以下几方面的原因：
有研究表明，若将微生物增长与死亡刚好平衡时的基质浓度定义为Smin，则利用恒化器培养得到25 ℃和35 ℃下乙酸在甲烷发酵过程中的Smin分别为48 mg/L和7 8 mg/L[2]，这从 理论 上指出了厌氧系统在稳定状态下所能达到的最小基质浓度，而这仅仅是单一基质情况得出的结论，实际过程中污水含有多种基质，每一种微生物都有其各自的Smin，这样出水基质浓度将大于或等于所有单一基质Smin中的 最大值，从而导致较高的出水COD浓度和较低的去除率，这是由厌氧/缺氧降解机理所决定的。
就滤池本身而言，有许多研究者认为在稳定运行的厌氧滤池中，废水中很大一部分有机物是 由填料间隙滞留的悬浮微生物去除的。Song分别采用交叉流式和管流式塑料波纹孔板作滤池填料试验，结果表明[3]填料的比表面积增加60%而COD去除率仅提高2%。Young的看法与此一致，并指出在有机负荷较高[12～16kgCOD/(m3·d)]的AF中，填料间隙悬浮微生物所去除的有机物占总去除率的1/2左右[4]。同时，在AF反应器中还有颗粒 污泥存在，这已为不少研究者所证实，如Young和McCarty发现上升气流的作用使污泥微粒结成颗粒状，易于沉淀和吸附有机物[5]。钱易等用AF处理生活污水的试验也发现部分悬浮污泥的颗粒化现象[6]。由此可见，在AF反应器中填料间隙滞留的悬浮颗粒污泥对有机物的降解有重要贡献，而本试验中由于滤池在运行中要定期排泥，反应器中的悬浮微生物较少，故颗粒污泥可能尚未形成，这对滤池的性能有一定影响。
此外，多数 文献 报道滤池填料的装填厚度至少应满足2 m的最低要求[4]。考虑到填料价格较贵，若能减小填料层的厚度而又能有效处理城市污水，则将大大减少滤池的基建投 资，有利于滤池的推广 应用 ，所以试验时先在滤池中装填1.5 m的填料，夏季运行阶段结束 后将填料层厚度增至2.0 m。
3.2 水力停留时间(HRT)的影响
在厌氧/缺氧污水处理技术中，HRT是一个至关重要的参数，它的大小直接影响反应器的运行效果和反应器容积的确定。在处理城市污水时，HRT更是一个起限制作用的因素。当污泥浓度基本稳定时，HRT越长，有机物与微生物接触越充分，有机物的降解就越彻底，去除率也就越高，但为了减少反应器容积以降低构筑物造价和占地面积，又必须尽量缩短HRT。本试验考察了HRT对变速生物滤池反应器处理效果的影响(见图3)，以期得到最合适的HRT。
由表2和图3可知，HRT对有机物去除的影响表现为反应器对COD、SCOD去除率随HRT的减少而降低。当填料层高度为1.5 m和2.0 m、对应的HRT填1.5和HRT填2.0分别为8.6 h和12.1 h(滤池HRT滤为23.7 h)时，COD去除率最高(分别为49.5%和55.8%);此后HRT逐渐减少，COD去除率逐渐降低。当HRT填1.5和HRT填2.0分别减少到3.5 h和4.9 h(即HRT滤减少到9.7 h)时，COD去除率降至41.0%和46.4%，此时HRT填1.5和HRT填2.0分别减 小了5.1 h和7.2h(HRT滤减小了14.0 h)，而相应的COD去除率只下降8.5%和9. 4%，表明在此工况下滤池的性能可保持相当的稳定性;当HRT填1.5和HRT填2.0分别减少至2.8 h和3.9 h(HRT滤减少至7.6 h)时，尽管HRT填1.5和HRT填2.0分别只减小0.7 h和1.0 h(HRT滤只减小2.1 h)，但相应的COD去除率却降低了3.7%和5.9%，表明此时的反应器运行趋于不稳定状态。SCOD去除率随HRT的变化与上述COD去除率变化情况类似。由此可见，在HRT达到一定值后采用较长的HRT对提高反应器处理效率的贡献不大，但会造成反应器的容积增加较多，所以在实际应用中通常采用较小的HRT以获得尽可能大的处理能力。就本试验而言，在填料层高度为1.5 m或2.0 m的情况下滤池HRT采用9.7 h较为理想。
鉴于HRT是影响生物滤池去除有机物的最主要参数之一，且由图3可知滤池填料层HRT与SCOD去除率E之间呈较好的相关性，故对之进行乘幂形式的回归，回归曲线见图4。
对回归公式进行整理后得到如下两式， 夏季时：
E=100[1-0.8221(HRT)-0.126]
R2=0.937 7
冬季时：
E=100[1-0.8166(HRT)-0.253]
R2=0.967 3
将上述两式改写成一般形式：
E=100[1-Sk(HRT)-m]
式中 E——SCOD去除率，%
HRT——填料层水力停留时间，h
Sk、m——与填料的种类和反应器结构有关的系统参数(夏季Sk= 0.822、m=0.126，冬季Sk=0.817、m=0.253)
该式形式简单、 计算 方便，可预测填料层在HRT不同时对溶解性有机物的去除率，且具有一定的准确性和实用性。
滤池运行期间，随着HRT逐渐减小、水量逐渐增大，进水COD和SS也逐渐增大，这主要是由于初沉池出水需流经长达20 m多的连接渠道方可进入滤池，而渠道的设计通过流 量较大，进入滤池的水量相对较小，加之滤池进水渠处的三角堰具有阻流作用(三角堰零刻度处距渠底约有10 cm)，使得渠中底部水流变得较为平缓，初沉池出水中的悬浮物逐渐沉积在渠底，滤池进水的COD和SS均有所下降，但随着水量增加、流速增大，沉积在 渠底的悬浮物减少，COD和SS也就逐渐增大。当流量达到382.5m3/d时，流速的影响已经很小，滤池进水COD和SS与初沉池出水接近。此外，夏季滤池进水COD和SS值较冬季低，这主要是由于冬季用水量小于夏季用水量所致。
试验中发现，滤池出水SS随运行延续时间的增加而明显增加，这一结果主要由两方面因素造成：一是随着HRT缩短和流量增加，水力负荷有所提高，气体产量也有所增大，增强了对悬浮污泥的搅动和对生物膜的冲刷作用，部分污泥被带到反应器上部，逐渐随水流冲出(这一现象在负荷改变初期尤为明显，随着滤池运行逐渐趋于稳定，由此造成的影响也就有所减小);二是随滤池运行时段的延续，大量的悬浮物被截留在填料层底部，且随着悬浮物的增多逐渐沿填料层上移，使得穿透填料层的悬浮物也逐渐增加。一般情况下，滤池稳定运行2～4个月左右后的出水SS有较大增加，SS去除率明显下降，表明滤池填料层需进行冲洗。
3.3 温度的影响
温度对所有微生物的生命活动都有很大影响，与好氧微生物相比，厌氧微生物对温度更为敏感，迄今大多数厌氧/缺氧反应器在中温范围运行，且以30～40 ℃最为常见。在中温范围内，一般温度每升高10 ℃，反应速度约增加一倍[7]。本试验中，夏季水温比冬季水温高10 ℃左右，在冬季温度较低时滤池出水的COD和SCOD明显升高，其平均值分别增加98.3 mg/L和39.6 mg/L。但由于滤池进水有机物浓度较高，故冬季对COD和SCO D的去除率与夏季相比反而有所升高，表明冬季温度较低时滤池仍具有较好的处理效果，这一方面是因为填料层厚度增加了0.5 m，另一方面可能是反应器中积累了较多的污泥(生物量较大)从而弥补了微生物在温度较低时活性的降低。同时，夏季滤池进水有机物浓度较低，滤池对有机物的降解能力没有充分发挥出来，使有机物的去除率偏低。
在冬季温度较低时滤池出水SS也显著升高，这主要是由于随水温降低水的粘滞度增大(由Stocks公式可知，相同大小的悬浮颗粒在水温下降时，其沉降速度相应减小)，而从物理化学角度讲，过滤属于表面沉淀，故出水SS值升高。
3.4 滤池中N、P和硫酸盐的改变
N和P是植物营养素，大量的有机物和N、P排入水体会使水体环境的污染 和富营养化日益严重，而硫酸盐对污水厌氧处理有重要的影响，因此本试验考察了滤池中这三者的变化情况。
滤池对P约有20%的去除率，且水中P含量沿滤池高度方向逐渐降低，这可能是沉淀除P和同化除P的共同结果。变速生物滤池中接近推流的流态、较长的HRT和1.5～2.0 m厚度的填料 层都有利于沉淀除P，估计沉淀作用除P占总去除率的比例较大。当然，P也可通过进入细菌细胞组织而被去除，其去除量取决于微生物机体生长对P的需求和污泥净产量。在厌氧/缺氧工艺中，污泥的净产率是很低的，因此微生物合成所消耗的P不是滤池除P的主要途径。
滤池出水的NH3-N浓度较进水略有增加。在厌氧过程中，氨基酸、蛋白质和其他含氮有机 物可通过加氢还原等途径分解成氨和另一种不含氮有机物，使反应器中NH3-N浓度上升，故出水NH3-N浓度有所升高，这与文献[6]、[8]的结论是一致的。
在厌氧/缺氧生物处理过程中，少量的硫酸盐或硫化物是有益的，但当污水中硫酸盐含量过高时，会对厌氧生物处理产生严重的抑制作用，具体表现为SRB(硫酸盐还原菌)与MPB(产甲 烷菌)争夺乙酸和H2而产生的基质竞争性抑制作用，以及硫酸盐还原产物—硫化物对MPB的毒害作用而导致的次级抑制[9]。由表3可知，与有机物的去除相比，滤池对硫酸盐的去除率相当高(约为60%)，据此推断城市污水中大量硫酸盐的存在对滤池去除有机物的性能有一定影响。
3.5 pH、VFA、碱度的影响
试验期间，滤池进、出水pH值在6.5～7.4之间(未出现大的波动)，出水VFA浓度较进水有所降低，出水碱度有所增加。滤池中VFA的降低和碱度的升高实际上是生化过程中产生 的酸碱中和的结果，碱度表明了反应器系统的缓冲能力。有资料认为[10]：用VFA与碱度的比值可较好地反映系统的缓冲能力，当两者之比<0.4时，系统缓冲能力强，能适应VFA一定程度的波动，pH值变化不大;当两者之比在0.4～0.8之间时，说明系统缺乏缓冲能力;当两者之比>0.8时，表明反应器即将发生酸化现象。本试验滤池中VFA介于8～122 mg/L，碱度在320 mg/L左右，酸碱度之比近似介于0.03～0.38，这表明系统缓冲能力足以中和反应过程中形成的挥发酸，使滤池pH值维持在中性范围内，可保证反应器的正常运行。
4 结论
① 变速生物滤池在水温为9～26 ℃条件下处理城市污水，COD去除率可达40%～55%，SCOD去除率可达30%～45%，SS去除率可达60%～80%。冬季温度较低时，滤池出水COD和SS升高，但仍具有较好的处理效果，表明滤池在冬季温度下仍可正常运行。
② HRT对变速生物滤池性能有重要 影响 ，COD和SS去除率均随HRT的减少而降低。当HRT填1.5和HRT填2.0分别为3.5h和4.9h(滤池HRT滤为9.7 h)以上时，COD去除率较稳定;当HRT填1.5和HRT填2.0分别降至2.8 h和3.9 h(滤池HRT滤降至7.6 h)以下时，COD去除率显著下降，滤池运行性能趋于不稳定。本试验在填料层厚为1.5 m或2.0 m的情况下，滤池HRT控制在9.7 h以上。
③ 变速生物滤池对P有一定的去除效果，对硫酸盐有高达60%的去除率，但出水NH3-N浓度略有升高。
④ 变速生物滤池运行期间的pH值始终保持中性，表明系统缓冲性能良好。
⑤ 以变速生物滤池为主要工艺的城市污水处理系统具有能耗少、运行费用低、管理简便、处理效果较好等优点，但由于滤池处理后出水水质不能达到《污水综合排放标准》(GB 8978 —1996)一级排放标准要求，故需考虑适当的后处理。
参考 文献 ：
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