水力停留時間對曝氣生物濾池處理效能及運行特性的影響
通過實驗室模型試驗研究了曝氣生物濾池處理模擬生活污水的效能，分析了水力停留時間(HRT)變化對曝氣生物濾池處理效果及運行特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HRT大于0.6h時，曝氣生物濾池具有良好的有機物和濁度的去除效果，而當(dāng)HRT為0.4h時，處理效果則顯著下降;反應(yīng)器的硝化反硝化脫氮能力受HRT的影響比較明顯，縮短HRT將使氨氮和總氮去除率迅速下降，當(dāng)HRT為1.25h時，氨氮和總氮去除率分別達到70%和40%以上;縮短HRT會在一定程度上促進亞硝酸鹽積累現(xiàn)象的發(fā)生，而反應(yīng)器的過濾周期則與HRT呈明顯的線性關(guān)系。
曝氣生物濾池是近年來得到廣泛關(guān)注的新型污水生物處理技術(shù)，具有處理效率高、占地面積小、基建及運行費用低、管理方便和抗沖擊負荷能力強等特點，可以用于SS去除、有機物去除、硝化除氨、反硝化脫氮和除磷等，在微污染飲用水源水預(yù)處理、中小型污水處理廠和二級出水的深度凈化等方面有著廣闊的應(yīng)用潛力。目前對曝氣生物濾池的研究主要集中于微污染飲用水源水預(yù)處理和污水深度處理等，而直接針對生活污水二級處理的研究報道尚不多見。
本文通過采用上向流曝氣生物濾池處理模擬生活污水，重點考察不同水力停留時間(HRT)條件下曝氣生物濾池對COD、懸浮物、氨氮、總氮的去除效果，探討HRT對曝氣生物濾池處理效能和運行特性的影響規(guī)律，以期為進一步的理論研究和工程應(yīng)用提供依據(jù)。
1 試驗裝置及方法
1.1 試驗裝置
試驗裝置見圖1，反應(yīng)器由聚氯乙烯有機玻璃制成，內(nèi)徑100mm，高2500mm，填料選用花崗巖碎石，粒徑3~5mm，填料填裝高度1500mm，反應(yīng)器底部填裝150mm粒徑15mm左右的卵石承托層。曝氣口位于底部150mm處。
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1.2 試驗方法
試驗用水為人工合成的模擬生活污水，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，水質(zhì)為COD299.6~326.7mgL，氨氮45.3~46.3mgL，總氮48.6~51.2mgL，硝態(tài)氮0~0.02mgL，亞硝態(tài)氮0~0.15mgL，pH5.78~7.68，總磷4~6mgL。
試驗采用上向流進水，氣水同向。反應(yīng)器啟動時投加一定量種泥，悶曝3d后改為連續(xù)流進水，運行15d后掛膜成功。試驗分別在HRT為2.50、1.25、0.80、0.60、0.40h的運行條件下各穩(wěn)定運行5d，為保證供氧要求，曝氣量按氣水比10∶1供給;試驗期間水溫為20.5~24.5℃，按標(biāo)準(zhǔn)方法連續(xù)測定反應(yīng)器進出水水樣的COD、氨氮、總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、pH值和濁度。反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖，反沖洗周期按運行時水頭損失達到1.2m的時間來確定。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 HRT對曝氣生物濾池有機物去除的影響有機物是生活污水中的主要污染成分，由于中小型點源污水水質(zhì)水量呈經(jīng)常性波動，所以，研究HRT變化對有機物去除的影響規(guī)律具有重要的工程指導(dǎo)意義。不同HRT條件下模型反應(yīng)器對COD的平均去除率和進出水的平均COD濃度見圖2。
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由圖2可知，隨著HRT的增加，反應(yīng)器對COD的平均去除率逐漸升高，而處理水平均COD濃度也逐漸下降。當(dāng)HRT由0.6h增加到2.5h時，COD平均去除率由85.9%提高至93.7%，處理水COD平均濃度由42.1mgL降低至20.3mgL，但當(dāng)HRT減少至0.4h時，COD平均去除率和處理水平均COD濃度分別為67.2%和102.6mgL，有機物去除能力明顯下降。試驗中發(fā)現(xiàn)，由于反應(yīng)器底部區(qū)域截污量大，生化反應(yīng)激烈，生物膜生長迅速，生物膜較厚，膜內(nèi)部供氧不足，致使在每一個過濾周期后段反應(yīng)器底部出現(xiàn)一定程度的發(fā)黑現(xiàn)象。發(fā)黑濾層隨著HRT的減少而明顯地向上延伸。由于模擬污水的有機物濃度相對穩(wěn)定，因此縮短HRT，提高了水力負荷，相應(yīng)地增加了有機物負荷，勢必使處理效率受到影響;同時，縮短HRT也會加大濾層間的過流速度和水力剪切力，使生物膜更容易被洗脫，也將導(dǎo)致出水COD有所增加。圖2也表明，曝氣生物濾池有一定的抗水力沖擊能力，當(dāng)HRT為2.5~0.6h時，對曝氣生物濾池的有機物去除能力影響較小。
2.2 HRT對曝氣生物濾池懸浮物去除能力的影響
試驗中處理出水的懸浮物濃度較低，SS一般在5mgL以下，測定時比較困難，故試驗中主要考察出水的濁度來探討HRT對懸浮物去除的影響規(guī)律。圖3顯示了不同HRT條件下處理水濁度的變化情況。由圖3可以看到，在適宜的HRT條件下(HRT>0.8h)，曝氣生物濾池對懸浮物有很好的去除能力，出水的平均濁度可以降至1NTU以下，感官效果極佳。但是當(dāng)HRT縮短到0.4h時，處理水的平均濁度為7.18NTU，與活性污泥法沉后水接近。上向流曝氣生物濾池由于氣水同向，水流速度較快，使懸浮物和脫落的生物膜能夠向濾層深處移動，提高了濾層的納污能力。但如果HRT過短，濾速加快，單位時間進水量增加，必須相應(yīng)地提高曝氣量以維持穩(wěn)定的氣水比，使得水力剪切作用和氣流擾動作用加強，空床接觸時間縮短，生物氧化不完全，必然會有一部分懸浮物穿透濾池，再加上流失生物量增加，導(dǎo)致出水濁度上升，出水水質(zhì)下降。圖3的試驗結(jié)果表明，在本試驗條件下，當(dāng)HRT大于0.8h時，曝氣生物濾池去除懸浮物的能力幾乎沒有受到影響;而HRT小于0.6h時，處理水濁度顯著上升，說明濾層截留的懸浮物和脫落的生物膜量已經(jīng)超過了濾池的最大納污能力，致使處理效率下降。
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2.3 HRT對曝氣生物濾池硝化脫氮效能的影響
生活污水中的主要污染物為有機物、SS和含氮化合物，因此，生物反應(yīng)器的硝化脫氮能力也是評價其處理效能的主要指標(biāo)之一。曝氣生物濾池由于其空間梯度特征，可以實現(xiàn)不同污染物的漸次去除，具有較強的硝化脫氮能力。Pujol等認為，硝化生物濾池在高濾速條件下可以促進氨氮的去除。然而，對于有機物含量較高的污水，縮短HRT勢必增加有機負荷，因而將會影響反應(yīng)器的硝化能力。試驗中考察了進出水的氨氮、總氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的含量，以探討HRT對反應(yīng)器硝化特性和脫氮性能的影響規(guī)律，結(jié)果見圖4。
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由1.0%提高至60.1%，說明延長HRT可以顯著地提高反應(yīng)器的硝化脫氮效能，這與Pujol對硝化生物濾池的研究結(jié)果是不一致的，原因在于，對于同步去除有機物和氨氮的曝氣生物濾池而言，縮短HRT會對反應(yīng)器內(nèi)生物膜微生態(tài)環(huán)境帶來兩個方面的沖擊，即導(dǎo)致有機物負荷和水力及氣流剪切力的增加，使得異養(yǎng)菌生長迅速，生物膜更新速度加快，系統(tǒng)的生態(tài)振蕩性加強，使生長緩慢，對底物、溶解氧和pH條件要求比較苛刻的氨氧化細菌及硝化細菌在競爭中處于極不利的地位;再加上縮短HRT，提高濾速將導(dǎo)致反沖洗頻繁，而氨氧化細菌及硝化細菌的比增長速率遠低于異養(yǎng)菌，使其在反沖洗過程中更容易被洗脫出去，從而降低了整個反應(yīng)器的硝化能力。
根據(jù)微生態(tài)理論，生物膜法可以通過同步硝化反硝化脫氮，因而要求生物膜在縱向上有相對穩(wěn)定的好氧區(qū)域和厭氧區(qū)域，使得好氧硝化和厭氧反硝化能夠漸次進行，實現(xiàn)生物脫氮。在較長的HRT下(本研究為2.5h)，曝氣生物濾池的總氮去除率可達60%，說明反應(yīng)器內(nèi)的異養(yǎng)菌、氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌、原生動物以及其他微生物的種類和數(shù)量相對穩(wěn)定，微生物系統(tǒng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)在生物膜內(nèi)部組成和沿水流方向的空間分布上保持著較穩(wěn)定的動態(tài)平衡。而縮短HRT必然帶來底物和曝氣強度的增加，這樣一則凸現(xiàn)了異養(yǎng)菌比增殖速率較高的生態(tài)優(yōu)勢，二則增加了剪切強度，提高了生物膜更新速度，使部分生物膜厚度減小，其中的一些兼性反硝化細菌的生態(tài)選擇泛化，轉(zhuǎn)而在有氧時利用有機物為底物，總體上降低了反應(yīng)器的硝化和脫氮能力。同樣，由于氨氧化細菌和硝化細菌在比增殖速率和氧飽和常數(shù)等方面的不同，使其在生物膜中處于不同的空間位置，所以在一定條件下生物反應(yīng)器中會出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。
圖5為不同HRT時處理水中亞硝酸鹽在亞硝酸鹽與硝酸鹽之和中所占比例的變化情況。由圖5可見，隨著HRT的縮短，處理水中亞硝酸鹽的比例逐漸升高，由10.6%增加至60.7%。目前關(guān)于亞硝酸鹽積累的研究報道很多，對其形成原因主要有游離氨濃度過高、溶解氧不足和有機物濃度過高等幾種觀點。試驗中提高HRT沒有改變溫度和pH，所以不會影響游離氨濃度，而供氣量是氣水比供給，隨HRT減少而不斷提高的，出水的溶解氧也比較穩(wěn)定。因此推測認為，因縮短HRT而增加的有機負荷才是促成亞硝酸鹽積累的主要原因。Sharma等認為，有機負荷對亞硝態(tài)氮氧化細菌的活性有抑制作用。
在生物膜體系中，異養(yǎng)菌和氨氧化細菌對氧的爭奪能力都強于硝化細菌，故硝化細菌的代謝優(yōu)勢區(qū)域只能存在于亞硝酸鹽濃度和溶解氧較高，而有機物和氨氮濃度較低的區(qū)域。當(dāng)主體相溶解氧較低，生物膜擴散阻力較大，而氨氮和有機物濃度較高時，受供氧限制，硝化細菌的代謝活性將受到抑制，因此氨氧化產(chǎn)物會被反硝化細菌直接用于反硝化過程。當(dāng)縮短HRT時，進水有機物量增加，異養(yǎng)菌生長迅速，生物膜量增加，水頭損失加快，曝氣生物濾池在運行過程中必須頻繁地進行反沖洗以恢復(fù)過水通量，以除去多余的生物膜和截留的SS，使反應(yīng)器內(nèi)的微生物處于一種周期性變化的環(huán)境中，由于氨氧化細菌在氧飽和常數(shù)、基質(zhì)供應(yīng)等方面的優(yōu)勢，在這種反復(fù)沖洗的振蕩生態(tài)條件下，要比硝化細菌更容易建立和形成穩(wěn)定的生態(tài)群系，進而表現(xiàn)出亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象。
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與其他過濾工藝一樣，曝氣生物濾池的過濾周期也是最主要的技術(shù)參數(shù)之一。試驗中以水頭損失增加至120cm作為過濾周期終點，考察了HRT與過濾周期的關(guān)系，結(jié)果見圖6。從圖6可以清楚地看到，曝氣生物濾池的HRT與過濾周期表現(xiàn)出明顯的正線性關(guān)系，其相關(guān)關(guān)系式為H=38.951×HRT+5.1645，R2=0.9947。隨著HRT的增加，反應(yīng)器的過濾周期也逐漸提高，當(dāng)HRT為0.4h時，運行18h水頭損失即達到120cm，而處理出水的水質(zhì)也較差。
顯然，僅就過濾周期而言，利用曝氣生物濾池處理生活污水時所采用的HRT不宜低于0.8h。縮短HRT對過濾周期的影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一是同時增加了有機物負荷和懸浮物負荷，使濾層內(nèi)單位時間截污量增加;二是加快了微生物，尤其是異養(yǎng)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，反應(yīng)器內(nèi)的總生物量迅速增加。以上兩方面綜合作的結(jié)果使水頭損失迅速增加，過濾周期變短。
3 結(jié) 論
(1)HRT對曝氣生物濾池的處理效能有顯著的影響，延長HRT可以有效地提高反應(yīng)器的處理效率。當(dāng)HRT大于0.8h時，反應(yīng)器對有機物、濁度的去除效果較好;當(dāng)HRT降至0.6h以下時，反應(yīng)器對有機物、濁度的處理效果顯著下降。而反應(yīng)器的硝化脫氮效能的有效發(fā)揮則需要保持HRT大于
1.25h。
(2)縮短HRT會促進反應(yīng)器中亞硝酸鹽積累現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)HRT為0.4h時，亞硝酸鹽積累現(xiàn)象明顯。
(3)HRT與曝氣生物濾池的過濾周期呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，即縮短HRT，將加快水頭損失增加速度，縮短運行周期，其相關(guān)性方程為過濾周期
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