兩段上向流曝氣生物濾池脫氮性能的研究_COD容積負荷
導讀:：圖2.水溫對UBAF脫氮性能的影響。水力負荷對UBAF脫氮性能的影響。按氣水比3：1運行。
關鍵詞：上向流曝氣生物濾池，水溫，水力負荷，COD容積負荷，NH4+-N容積負荷，氣水比
曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)，是20世紀80年代末在歐美發展起來的一種新型生物膜法污水處理工藝，工藝經歷了下流式、下流兩段式、上流式、上流兩段式曝氣生物濾池4種工藝形式[1]，從單一的結構逐漸發展到綜合結構。它將接觸氧化工藝和給水快濾池工藝結合在一起，用于去除水中的有機物，也可以通過硝化反硝化達到脫氮效果[2-4]，具備了容積負荷高、水力負荷大、水力停留時間短、所需基建投資少、出水水質好、運行能耗低、運行費用省等諸多優點。
本試驗采用兩段上向流曝氣生物濾池(Up-flowbiological aerated filter，UBAF)處理城市污水，通過控制運行條件，研究了影響兩段UBAF脫氮效果的各種因素。
1.試驗裝置及方法
1.1 試驗裝置
本試驗裝置如圖1所示，采用兩段上流式BAF。以陶粒為填料, 其性能參數如表1所示。A段曝氣生物濾池的主要是對原污水中的少部分氨氮及有機物進行去除,B段曝氣生物濾池主要對剩余COD及氨氮進行去除。兩座曝氣生物濾池均采用上向流的運行方式，其結構設計參數完全相同, 主體材料為有機玻璃,總高2.5m、直徑0.25m,填料層高1.50m。底部設有反沖洗供氣管、放空管、穿孔配水管。
表1 陶粒填料的性能參數
Tab.1 Theproperties of ceramics filter
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分析 項目 |
粒徑 (mm) |
比重(g/cm3) |
孔隙率(％) |
容重 (g/cm3) |
比表面積(m2/m3) |
SiO2 (％) |
Al2O3 (％) |
Fe2O3(％) |
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數值 |
3～4 |
1.56 |
50～75 |
0.78～0.85 |
4250 |
65～70 |
15～20 |
7～9 |
圖1 試驗裝置圖
Fig.1 Test apparatus
1.2 啟動方式及掛膜
采用接種掛膜，接種液取自某污水廠原水混合液。以曝氣量15~18L/h連續悶曝24h后將濾柱排空，重復2次。第3天小流量進水(有利于的硝化菌的生長固定)，以濾速0.55m/h(流量約為16 L/h)、曝氣量16L/h運行COD容積負荷，第5天濾速增加到0.75m/h(流量約為21 L/h)、曝氣量增至31L/h。期間對各柱DO進行檢測，出水DO含量均在4mg/L以上。26天后將濾速均增至0.89m/h，按氣水比3：1運行，此時對CODCr、NH4+-N、濁度均有著很好的去除效果，將濾料表面生物膜剝落，鏡檢發現生物膜中有大量絲狀菌，同時有鐘蟲、線蟲、變形蟲、輪蟲等微型動物。
1.3 試驗方法及水質
兩反應器從底部進水，氣水同向，控制A段水力負荷為0.81m/h、氣水比為3：1,研究了相同水力負荷下B段氣水比分別為3：1、2：1和1：1時,反應器的運行情況。試驗中各項水質指標根據《水和廢水監測分析方法》[5](第四版)中提供的標準方法進行監測。如表2所示。
表2檢測指標與檢測方法
Tab.2 Testitems and methods
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檢測指標 |
DO |
NO3--N |
NO2--N |
NH3-N |
COD |
TN |
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檢測方法 |
儀器法 |
紫外分光光度法 |
N-(1萘基)－乙二氨光度法 |
鈉氏試劑光度法 |
重鉻酸鉀法 |
過硫酸鉀氧化分光光度法 |
試驗用水來自某污水廠進水端配水井，試驗期間原水質如表3所示。
表3 試驗期間原水水質
Tab.3Quality of raw water during the experiment period
|
項目 |
COD (mg/L) |
TN(mg/L) |
NH4+-N(mg/L) |
NH4+-N(mg/L) |
pH |
水溫（℃） |
|
最小值 |
169.5 |
39.96 |
21.73 |
21.73 |
7.45 |
8 |
|
最大值 |
388.7 |
74.87 |
59.47 |
59.47 |
7.86 |
28 |
|
平均值 |
309.9 |
56.75 |
41.02 |
41.02 |
7.57 |
17.5 |
2.結果與討論
2.1溫度對UBAF脫氮性能的影響
當濾速為0.8m/h，氣水比為2:1，且系統穩定運行時，不同溫度下反應器對氨氮、總氮的去除效果情況如圖2所示。
圖2.水溫對UBAF脫氮性能的影響
Fig.2. Influence of temperature on UBAF denitrification
水溫是影響微生物生長和生物代謝活性的主要因素。從圖2可知，當水溫小于10℃時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率分別為69.19%、 25.35%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為11.8mg/L、40.32mg/L;水溫10~20℃時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率分別為80.15%、33.68%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為7.48mg/L、41.09mg/L;水溫大于20℃時，NH4+-N的去除率明顯升高，平均去除率為89.16%，對TN的平均去除率為38.75%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為4.93mg/L、37.68mg/L。這說明，水溫對UBAF去除NH4+-N和TN具有很大的影響，水溫越高，UBAF硝化和反硝化效果越好;反之，則越差。而且，在低溫條件下，UBAF對NH4+-N和TN的去除率都比較低，水溫變化對脫氮效果影響最大;常溫時，NH4+-N和TN的去除率升高，水溫變化對脫氮效果影響較小;較高水溫時，NH4+-N和TN的去除率明顯升高COD容積負荷，水溫變化對曝氣生物濾池脫氮效果影響最小。這是因為大多數硝化菌合適的生長溫度是25℃～30℃之間,當溫度低于25℃或者高于30℃硝化菌生長減慢，水溫低于15℃時，反硝化速率明顯降低。此外，硝化細菌的繁殖速度要比異養菌低幾個數量級，在低溫條件下繁殖速度更低，影響硝化效果，導致UBAF對NH4+-N的去除率下降;反硝化菌的增殖速率降低，代謝速率也降低，相應的TN去除率也下降。
2.2水力負荷對UBAF脫氮性能的影響
在氣水比為2:1，水溫為16℃～25℃，進水NH4+-N濃度28.56mg/L~57.29mg/L，TN濃度44.2mg/L~75.36mg/L時，水力負荷對UBAF去除TN的影響如圖3所示。
圖3.水力負荷對UBAF脫氮性能的影響
Fig.3Influence of hydraulic loading on UBAF denitrification
由圖3可知，當水力負荷由0.8m/h增加至1.2m/h時，UBAF對NH4+-N的平均去除率由87.48%降為84.94%，下降了2.54%，對TN的平均去除率由36.40%降為32.38%，下降了4.02%;水力負荷由1.2m/h增至1.8m/h時，UBAF對NH4+-N的平均去除率為78.70%，下降了6.24%，對TN的平均去除率為26.67%，下降了5.71%。可見，水力負荷對UBAF的脫氮性能影響較大，隨著水力負荷加大，UBAF對NH4+-N和TN的去除率逐漸降低，而且降幅越來越大期刊網。分析認為，一方面是由于硝化細菌的世代期較長，而隨著水力負荷的增大，生物膜的迅速更新，這樣不利于硝化細菌的附著和增殖，而且形成的生物膜厚度較薄，有利于氧傳遞到生物膜內部COD容積負荷，破壞其內部的厭氧環境，不利于反硝化反應的進行;另一方面，水力負荷增加導致有機負荷隨之也增加，在較高的有機物的質量濃度下，降解有機質的異養菌處于絕對優勢，抑制了自養性硝化細菌的增殖和活性。
2.3有機負荷對UBAF脫氮性能的影響
當濾速為0.8m/h，氣水比為2:1，水溫為16℃～25℃，且系統穩定運行時，有機容積負荷對UBAF除NH4+-N效果的影響如圖4所示。
圖4.有機負荷對UBAF脫氮性能的影響
Fig.4 Influence of organic volumetric loading on UBAF denitrification
由圖4知，有機容積負荷在2.59~3.39kg/CODCr (m3·d)之間變化時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為90.71%、33.95%，出水NH4+-N和TN的濃度為3.68mg/L、37.72mg/L;當有機容積負荷在3.47~4.68 kgCODCr/(m3濾料·d)之間變化時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為86.97%、26.68%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為5.04mg/L、43.53mg/L;當有機容積負荷在4.91~6.97kgCODCr/(m3濾料·d)之間變化時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為82.07%、25.53%，出水NH4+-N和TN的濃度分別為7.05mg/L、43.32mg/L。可見，隨著系統有機容積負荷的增加，UBAF 對NH4+-N和TN的去除率逐漸下降。
可見，當有機容積負荷升高時，有機容積負荷對NH4+-N的去除有明顯的抑制作用，此時異養菌降解有機物的區間會沿濾料高度方向上移，異養菌的生存空間亦隨之向上拓展，壓縮了硝化自養菌的活動空間，而且，由于異養菌的比生長速率要遠大于硝化自養菌，在爭奪溶解氧和營養基質的競爭中，往往是異養菌優先利用水中的氧，在有機底物較為豐富的條件下大量繁殖，使硝化自養菌的增殖受到限制。有機容積負荷越高時，異養菌對硝化自養菌的抑制就越強烈，從而使得UBAF硝化性能呈現較大幅度的下降。隨著有機容積負荷的增加COD容積負荷，系統的硝化性能下降，硝酸鹽氮濃度降低，可供反硝化菌用作電子受體的硝酸鹽氮減少，反硝化菌的生長受到抑制，使得系統的脫氮性能下降。
2.4氨氮容積對UBAF脫氮性能的影響
當濾速為0.8m/h，氣水比為2:1，水溫為16℃～25℃，且系統穩定運行時，NH4+-N容積負荷對UBAF除NH4+-N效果的影響如圖5所示。
圖5 氨氮容積負荷對UBAF脫氮性能的影響
Fig.5 Influence of ammonia nitrogen volumetric loading on UBAF denitrification
由圖5知，當NH4+-N容積負荷在0.37~0.45kgNH4+-N/(m3濾料·d)之間變化時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率分別為85.26%、36.76%，出水NH4+-N和TN的平均濃度為4.82mg/L、31.97mg/L;當NH4+-N容積負荷在0.46~0.52kgNH4+-N/(m3濾料·d)之間變化時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率分別為82.52%、31.03%，出水NH4+-N和TN的平均濃度為6.88mg/L、41.05mg/L;當NH4+-N容積負荷在0.53~0.58kg NH4+-N/(m3濾料·d)之間變化時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率分別為80.13%、26.44%，出水NH4+-N和TN的平均濃度為9.17mg/L、47.62mg/L。
由此可見， UBAF對NH4+-N的去除率隨進水NH4+-N容積負荷的增加而降低。這是因為，硝化細菌屬于化能自養菌，比增長速率小、世代周期長、對環境條件變化較為敏感。當NH4+-N容積負荷較高時，高NH4+-N濃度會抑制硝化自養菌的生長，影響UBAF的硝化性能。硝化性能的下降，使可供反硝化菌用作電子受體的硝酸鹽氮減少，反硝化菌的生長受到抑制，TN的去除率逐漸的下降，可見，NH4+-N容積負荷的增加會對UBAF系統的脫氮效果產生較為不利的影響。
2.5氣水比對UBAF脫氮性能的影響
在濾速為0.8m/h，水溫為16℃～25℃，當進水NH4+-N濃度在27.89mg/L~41.36mg/L時，不同氣水比對UBAF去除NH4+-N和TN的影響如圖6所示。
圖6.氣水比對UBAF脫氮性能的影響
Fig. 6 Influence of air/water ratio on UBAF denitrification
由圖6可知，當氣水比為1:1時，出水中的DO濃度為0.77mg/L~1.35mg/L，UBAF對NH4+-N的平均去除率為79.34%COD容積負荷，TN的平均去除率為29.77%;氣水比增加至2:1時，出水中的DO濃度為1.76mg/L~2.65mg/L，UBAF對NH4+-N的平均去除率為86.83%，上升了7.49%，上升幅度較大，對TN的平均去除率為35.44%，上升了5.67%;氣水比增至3:1時，出水中的DO濃度為2.32mg/L~3.35mg/L，UBAF對NH4+-N的平均去除率在87.98%，增加了1.16%，對TN平均去除率為33.89%，下降了1.55%。
可見，隨著氣水比的增加，UBAF對NH4+-N的去除率呈上升的趨勢。這是因為水中溶解氧充足有利于氨氮的氧化。氣水比是控制DO濃度的主要操作條件，DO濃度隨氣水比增大而增大期刊網。根據雙膜理論，氧氣傳遞速率的大小由氣液兩相停滯膜的阻力決定，氣水比越大，膜間傳質阻力越小，生物膜內溶解氧濃度也越高，相應地提高了好氧微生物的活性和生物降解速率。但當氣水比較大時，溶解氧穿過生物膜較深，生物膜的兼氧及厭氧層薄，內部難以形成缺氧區，大量的氨氮被轉化為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，因此反硝化效果較差，TN的去除率比較低，出水TN濃度較高;而相對氣水比較小時，生物膜內的厭氧層加厚，反硝化效果變好;但當氣水比為1:1時，因硝化作用進行的不徹底致使TN去除效果又變差[6]。
3.結論和建議
①水溫對UBAF脫氮效果影響較大。當水溫小于10℃時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率分別為69.19%、 25.35%;水溫10~20℃時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為80.15%、33.68%;在水溫大于20℃時COD容積負荷，NH4+-N和TN的平均去除率分別為89.16%，38.75%。水溫越高，UBAF脫氮效果越好。
②在水溫為16℃～25℃，氣水比為2:1時，當水力負荷由0.8m/h增加至1.2m/h時，UBAF對NH4+-N的平均去除率下降了2.54%，對TN的平均去除率下降了4.02%;水力負荷由1.2m/h增至1.8m/h時，UBAF對NH4+-N的平均去除率下降了6.24%，對TN的平均去除率下降了5.71%。隨著水力負荷的升高，UBAF脫氮效果呈下降趨勢。
③氣水比對脫氮效果影響較大，在水力負荷為0.8m/h，水溫為16℃～25℃，氣水比為1:1時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為79.34%、29.77%;氣水比增加至2:1時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為86.83%、35.44%;氣水比增至3:1時，UBAF對NH4+-N和TN的平均去除率為87.98%、33.89%。
④兩段UBAF，對TN去除率效果不佳，為了增加對TN的去除效果，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級標準，筆者建議增加缺氧濾池進行反硝化，以達到最佳的脫氮效果。
參考文獻：
[1]張自杰等.城市污水處理理論與設計.北京:中國建筑工業出版社,2002.
[2]J.J.Chen,et.al.Full scale studies of simplified aerated filter (BAF) for organic and anitrogen removal.Wat.Sci.Tech.2000, 41(4):1~4
[3]MorsyleideF.Rosa, et al.Biofilm development and ammonia removal in the nitrification of asaline wastewater. Bioresource Technology.1998, 65:135~138.
[4]R. Pujol, S. Tarallo. Totol nitrogenremoval in two-step biofiltration. Wat.Sci. Tech. 2000, 41(4-5):65~68.
[5]國家環保總局,《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水分析監測方法(第四版)[M].北京:中國環境科學出版社，2002.
[6]王春榮,王寶貞,王琳.曝氣生物濾池內的自養反硝化作用[J].中國環境科學,2004,24(6):746-749
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