隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展, 環(huán)境問題日益突出,尤其是城市水環(huán)境的惡化, 加劇了水資源的短缺, 已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素。生活污水是城市污水的重要組成部分, 對于南方大部分城市,由于雨量大, 氣溫高等原因, 生活污水中的有機物濃度普遍較低, 僅250 mg/ L 左右。而且生活污水的排放源相對分散, 特別是一些難以集中處理的低濃度小區(qū)生活污水, 由于得不到有效治理, 任意排放所造成的水體污染, 已經(jīng)到了較為嚴重的地步。曝氣生物濾池(BAF) 采用球形輕質(zhì)陶粒作為填料, 集生物氧化和截留懸浮固體為一體, 節(jié)省了后續(xù)二沉池,具有體積小、處理效率高、出水水質(zhì)好及流程簡單等特點11, 22。因此針對南方特有的低濃度生活污水, 探討了在低曝氣條件下( 氣水比為3÷1) , 影響曝氣生物濾池容積負荷的主要因素。

1 材料和方法

1. 1 試驗裝置
試驗裝置見圖1, 反應器采用直徑為15 cm、高280 cm 的有機玻璃柱, 每隔20 cm 設一個取樣口。底部設有穿孔曝氣管和反沖洗布水管, 污水由上部進入, 底部排出。以陶粒作為填料, 其中填料體積35 L, 填料層高200 cm, 填料粒徑2~ 4 mm, 堆積密度Q= 1. 16 @103 kg/ m3。反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖, 反沖液由頂部溢流口排放。

1. 2 試驗水質(zhì)和方法
試驗用水來自華南理工大學校園生活污水, 分別取自兩個不同的排污口, 試驗階段平均氣溫28~30 e , 綜合水質(zhì)指標: pH 為6. 8~ 7. 5, CODCr 65. 4~ 161. 5 mg/ L, BOD534. 5~ 60. 4 mg/ L, NH3- N 5~ 41. 3 mg/ L, SS 45~ 84 mg/ L。

1. 3 分析方法和儀器
CODCr: XJ- 1 型COD 消解裝置; 氨氮: TU -1800SPC 紫外可見分光光度計, 納氏試劑光度法。

2 試驗結果及分析

2. 1 掛膜
掛膜采用先悶曝5 d, 然后在進水流量為13. 5L/ h, 氣水比為3÷1 的條件下連續(xù)曝氣, 運行一段時間后, 肉眼可見反應器頂部內(nèi)壁上附著大量絲狀絮體, 陶粒表面包裹的生物膜顏色逐漸加深, 由灰白色絨狀變?yōu)闇\黃色生物膜, 經(jīng)剝離后, 顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn), 生物膜中有大量的絲狀微生物, 以及鐘蟲、變形蟲等。同時出水CODCr 和氨氮的去除率均達到75% 以上, 至此掛膜完成。

2. 2 氣水比對反應器容積負荷的影響
氣水比是影響曝氣生物濾池運行效果的主要因素之一, 比較了在相同水力負荷0. 9 m3/ (m2# h) 條件下(HRT = 2. 2 h) , 進水有機物質(zhì)量濃度為113. 9~ 135. 04 mg/ L, 不同氣水比對反應器容積負荷的影響, 試驗結果見圖2。

在該實驗條件下, 當氣水比小于4. 5÷1 時, 反應器容積負荷隨氣水比的增加而增加。氣水比為1.5÷1, 3÷1 和4. 5÷1 時, CODCr 對應的容積負荷分別為1. 06 kg/ ( m3#d) , 1. 29 kg/ ( m3#d) 和1. 34 kg/ (m3#d) 。進一步增大氣水比, 容積負荷呈下降趨勢。當氣水比為6÷1 時, CODCr 對應的容積負荷為1. 28kg/ (m3# d) 。這是由于曝氣生物濾池采用連續(xù)曝氣, 反應器中氧氣的傳輸主要通過界面轉(zhuǎn)移途徑, 即氣泡中的氧氣與生物膜表面直接接觸而被微生物利用。根據(jù)雙膜理論, 氧氣傳遞速率的大小由氣液兩停滯膜的阻力決定, 氣水比越大, 相對于膜間的傳質(zhì)阻力也越小, 在其他條件相近的情況下, 生物膜內(nèi)溶解氧濃度也越高, 相應的降解有機物的好氧異養(yǎng)菌的活性也隨之提高, 從而提高了反應器的容積負荷132。但曝氣量過大, 反應體系中氧的濃度受平衡溶解度限制, 溶解氧不僅不再增加, 過強的湍流反而造成水中溶解氧的解析及填料上生物膜脫落, 降低了固定化微生物的濃度, 導致反應器容積負荷的降低。同時曝氣量增大, 相應的動力消耗也將增加, 因此本試驗確定的最佳氣水比為3÷1。

2. 3 水力負荷對反應器容積負荷的影響
在進水CODCr 質(zhì)量濃度為122. 11 ~ 128. 89mg/ L, NH3- N 質(zhì)量濃度為37. 84 ~ 40. 79 mg/ L,氣水比為3÷1 條件下, 當水力負荷分別為0. 7 m3/(m2#h) , 1. 1 m3/ (m2#h) , 1. 3 m3/ (m2#h) , 1. 7 m3/(m2#h) 時, CODCr和氨氮的容積負荷及去除率的變化見圖3、圖4。容積負荷在此范圍內(nèi)隨水力負荷的增加而增加, CODCr容積負荷由0. 969 kg/ ( m3#d) 增加到1. 60 kg/ ( m3# d) ; 氨氮容積負荷由0. 11 kg/(m3#d) 提高到0. 46 kg/ (m3#d) 。CODCr去除率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢, 而氨氮的去除率則受水力負荷的變化影響較小, 均保持在80% 左右。其中, 當水力負荷為1. 1 m3/ ( m2#h) 時, 對應的CODCr 和氨氮的去除率分別為97. 37% 和82. 28% , 出水有機物和氨氮質(zhì)量濃度分別為3. 4 mg/ L 和6. 94 mg/ L。這是因為當水力負荷較低時, 相應的濾速也較低, 一方面氣、水在曝氣生物濾池中的傳遞輸移的阻力較
大, 容易造成濾池中氣、水分布不均勻; 另一方面水力負荷較低的情況下, 進水有機負荷也很低, 導致微生物出現(xiàn)營養(yǎng)不足的現(xiàn)象, 使得反應器容積負荷降低。當進水流量增大時, 水力負荷的提高改善了濾池中的傳質(zhì)條件, 加大了對陶粒表面的沖刷, 有利于膜的更新和有機物的去除。同時進水有機負荷也隨之升高, 使微生物得到足夠的營養(yǎng), 促進生物膜的生長, 提高生物活性, 從而提高了整個反應器的容積負荷。但進一步提高水力負荷, 超過一定限度時會使污水在濾池中的停留時間過短, 使有機物尚未降解便被水流帶走導致CODCr去除率下降142 。

2. 4 進水有機物濃度對反應器容積負荷的影響
在進水流量為15. 8 L/ h, 氣水比為3÷1, 進水氨氮質(zhì)量濃度為11. 44~ 14. 78 mg/ L 的條件下, 進水有機物濃度對反應器容積負荷的影響見圖5。反應器容積負荷隨進水有機物濃度的增加而增加, 而CODCr去除率, 在進水有機物質(zhì)量濃度超過128. 29mg/ L 時, 略有下降。因為提高進水有機物濃度, 微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)相應增加, 促進了微生物的生長和繁殖, 使反應器中生物量增加, 提高了反應器的容積負荷, 另外, 隨著進水有機物濃度的提高, 微生物的耗氧量也隨之增加, 氣水比成為微生物降解有機物的限制因素, 當進水有機物濃度的增加超過了載體表面生物膜的分解能力時, 導致CODCr的去除率略有降低。

2. 5 碳氮比對容積負荷的影響
當碳氧化和氮硝化處于同一反應器中時, 氧化有機物的異養(yǎng)菌和硝化氨氮的自養(yǎng)菌之間存在著空間、溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭。特別是可生物降解的含碳有機物與含氮物質(zhì)的濃度之比, 是影響生物硝化速率過程的重要因素132。在氣水比為3÷1, 進水流量為15. 8 L/ h, 平均進水的有機物質(zhì)量濃度為114. 5mg/ L 的條件下, 反應器容積負荷隨碳氮比1 m(C)÷m( N) 2的變化見圖6。m(C)÷m(N) 由2. 3增加到4. 33時, CODCr容積負荷由1. 2 kg/ (m3#d) 提高到1. 61 kg/ (m3#d) , 而對應的氨氮容積負荷則由0. 43 kg/ ( m3#d) 降低至0. 13 kg/ (m3#d) 。這說明,在此碳氮比范圍內(nèi), 氧化有機物的異養(yǎng)菌較硝化氨氮的自養(yǎng)菌占優(yōu)勢, 反應器以降解有機物為主。當m( C)÷m(N) > 4. 33 時, 氨氮容積負荷基本保持不變, 而CODCr容積負荷在m( C) ÷m(N) 為4. 33~6. 83范圍內(nèi)下降了約40%; 當m( C) ÷m(N) > 6. 83時,CODCr容積負荷基本保持在1 kg/ ( m3#d) 左右。m( C) ÷m(N) 對反應器CODCr容積負荷的影響較對氨氮容積負荷的影響更為明顯。

2. 6 填料層高度對反應器容積負荷的影響
當碳氧化和硝化在同一反應器中進行時, 由于氧化有機物的異養(yǎng)菌和硝化氨氮的自養(yǎng)菌間要競爭生物膜表面空間和溶解氧, 因此在不同床層高度處氧化有機物和硝化氨氮的能力也不同152, 容積負荷和氨氮負荷沿床層高度的變化見圖7。其中進水有機物質(zhì)量濃度和氨氮質(zhì)量濃度分別為122. 11 mg/ L和26. 9 mg/ L, 濾速為1. 04 m/ h, 氣水比為3÷1。

圖7 說明, 在填料層的上部, 為異養(yǎng)菌的活躍層, 主要以降解有機物為主, 異養(yǎng)菌競爭底物、溶解氧和填料表面空間的能力比硝化菌強而占優(yōu)勢。同時, 由于該段為SS 的主要截獲區(qū), SS 的截獲也提高了CODCr的負荷值。氨氮負荷在最初的0~ 40 cm高度處, 僅增加0. 05 kg/ ( m3#d) , 而在40~ 100 cm之間, 氨氮負荷由0. 05 kg/ (m3#d) 上升至0. 25 kg/(m3#d) , 說明硝化菌的活躍層較異養(yǎng)菌要低。由于硝化細菌比增長速率低, 世代周期長, 與異養(yǎng)菌相比屬于弱勢菌種, 污水向下流動過程中, 含碳有機物濃度因生物降解逐漸降低, 使得異養(yǎng)菌因營養(yǎng)缺乏而減少, 此時硝化菌才可能進行正常的代謝活動, 使氨氮負荷提高。而在40~ 60 cm 高度處, CODCr 容積負荷和氨氮容積負荷均有較明顯的增加, 說明異養(yǎng)菌和硝化菌在此段的積累最為迅速且都有較高的活性。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關技術文檔。

3 結論
( 1) 在該試驗條件下, 氣水比為1. 5÷1, 3÷1 和4.5÷1 時, 對應的CODCr容積負荷分別為1. 06 kg/ (m3#d) , 1. 29 kg/ (m3# d) 和1. 34 kg/ (m3#d) 。進一步增大氣水比, 容積負荷呈下降趨勢, 確定最佳氣水比為3÷1。
( 2) 當水力負荷在0. 7 ~ 1. 7 m3/ ( m2# h) 范圍內(nèi)變化時, CODCr和氨氮的容積負荷均隨水力負荷的增加而增加。水力負荷的變化對氨氮去除率的影響較小。
( 3) 反應器CODCr容積負荷隨進水有機物濃度的增加而增加。受氣水比的限制, 當進水有機物質(zhì)量濃度超過128 mg/ L 時, 有機物去除率略有下降。
( 4) 當m(C)÷m(N) 為2. 3~ 4. 33 時, CODCr 容積負荷增加而氨氮容積負荷降低, 氧化有機物的異養(yǎng)菌較硝化氨氮的自養(yǎng)菌占優(yōu)勢, 反應器以降解有機物為主; 當m( C)÷m(N) > 4. 33 時, 氨氮容積負荷基本保持不變, 而CODCr 容積負荷在m( C) ÷m(N) = 4. 33~ 6. 83 范圍內(nèi)下降了約40%; 當m( C)÷m(N) > 6. 83 時, CODCr 容積負荷基本保持不變。m( C) ÷m(N) 對反應器CODCr容積負荷的影響較對氨氮容積負荷的影響更為明顯。
( 5) CODCr 容積負荷和氨氮容積負荷隨填料層高度的變化表明, 對于下向流式曝氣生物濾池, 硝化細菌的活躍層較異養(yǎng)菌要深。在填料層高度為40~ 60 cm 處, CODCr容積負荷和氨氮負荷增加最為顯著, 說明在此段高度范圍內(nèi), 微生物積累最快, 并具有較高的活性。（華南理工大學造紙與環(huán)境工程學院）