1、材料與方法
1.1 試驗裝置及流程示意
本實驗采用透明的有機玻璃柱作為實驗濾柱，柱子直徑為100mm，濾柱的高度為2500mm，濾料(陶粒，密度為1.09x103kg/m3)填充高度為1600mm，沿著濾柱高度每300mm設(shè)有一個取樣口，采用氣水同向升流式過濾方式。實驗裝置見圖1，配套設(shè)備儀器見表1。
1.2 試驗裝置介紹
本試驗采用升流式曝氣生物濾池(UBAF)工藝，即進水與空氣同向上流。高位水箱中的污水由提升泵經(jīng)流量計打入曝氣生物濾池的底部，與鼓風機供應(yīng)的空氣在濾池底部混合，空氣量由轉(zhuǎn)子流量計控制，鼓風機的運行時間由循環(huán)時間繼電器控制。氣水混合液經(jīng)承托層均勻分配后，流經(jīng)填料層，經(jīng)填料上生物膜微生物的生化作用、填料的機械截留等作用，廢水得到凈化，在清水層穩(wěn)定后，排出反應(yīng)器。沿填料層高度每隔30rm設(shè)置一個取樣口，測定經(jīng)各段濾層處理后的出水水質(zhì)。濾池反沖洗用水采用實驗室自來水；反沖洗用氣由空壓機提供，空氣量由轉(zhuǎn)子流量計控制。
1.3 試驗用水
實驗用水采用沈陽市紅十字醫(yī)院綜合污水，水質(zhì)見表2：
2、實驗?zāi)康?/p>
由于曝氣生物濾池填料層上微生物的種類和數(shù)量沿著濾層深度的不同而發(fā)生變化，從而影響著反應(yīng)器填料層不同高度處的工作性能。
本試驗通過研究曝氣生物濾池中污染物的沿程去除情況及不同水力負荷下對污染物去除的影響，通過試驗確定適宜的進水負荷及濾池填料高度，對于降低工藝成本具有重要意義。
3、實驗內(nèi)容
3.1 污染物沿濾床深度去除效果
由于生化反應(yīng)速率與有機物濃度相關(guān)，而濾床不同深度處由于微生物的數(shù)量、種類不同導致濾床不同深度處的有機物濃度不同，自下而上遞減；因此，各層濾床有機物去除率也不同。
3.1.1 CODcr沿濾床深度去除效果
曝氣生物濾池對有機物（CODcr有較好的去除效果，對其平均去除率為67.6%，出水COD基本保持在21mg/L左右，圖2是CODcr沿濾層尚度的去除情況。
由圖2可見：曝氣生物濾池對有機污染物(CODcr)的去除作用主要發(fā)生在進水端以后900mm范圍內(nèi)，在這段濾層內(nèi)，反應(yīng)器對有機物的去除率為57.2%，占總?cè)コ实?4.6%。因為在該區(qū)域內(nèi)由于污水中有機物濃度高，溶解氧充足，占有絕對優(yōu)勢的好氧異養(yǎng)菌繁殖速率高、新陳代謝作用旺盛，生物膜量較多，對污染物的生物降解作用非常快，再加上該段是SS的主要截獲區(qū)，SS的截獲也提尚了COD的去除率；而在后600mm濾層內(nèi)，對有機物的去除率僅占總?cè)コ实?5.4%。因為隨著污水進入濾料深層，污水中可生物降解的有機物質(zhì)逐漸減少，異養(yǎng)菌因營養(yǎng)缺乏而減少，底物濃度成為反應(yīng)速率的限制因素。而同時由于微生物的生長和繁殖同環(huán)境因素息息相關(guān)，隨著有機物濃度的降低，微生物也從低級趨向高級，種類逐漸增多，生物膜量從多到少。所以當濾床各層的進水水質(zhì)互不相同，各層生物膜的微生物就不相同，處理污水的功能也隨之不同。當有機物濃度繼續(xù)降低，在供氧充分及堿度充足的情況下，硝化菌成為優(yōu)勢菌種。
另外，從圖中可以看出各層濾床有機物去除率不同，有機物的去除率沿池深方向呈指數(shù)下降。這是因為生化反應(yīng)速率與有機物濃度相關(guān)，而濾床不同深度處的有機物濃度不同，自下而上呈指數(shù)遞減的結(jié)果。
3.1.2 NH4+-N沿濾床高度去除效果
由于曝氣生物濾池的水力停留時間長，適合世代時間較長的硝化菌的生長，所以曝氣生物濾池在去除有機物的同時對NH4+-N也有較好的去除效果，對其平均去除率為83.4%，出水NH4+-N基本保持在lmg/L左右，圖3是NH4+-N沿濾層高度的去除情況。
由圖3可見：
（1)在進水端前600mm內(nèi)氨氮的去除率較低，只有20%，這是因為在進水端前600mm內(nèi)由于有機物濃度比較高，造成碳化異養(yǎng)菌優(yōu)勢的生長環(huán)境代謝，這樣異養(yǎng)菌就會首先利用水中的氧，在營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富的條件下大量繁殖，同時由于生物膜的增厚也阻礙了氧向生物膜的傳遞，而硝化菌是一種嚴格的好氧細菌，當水中溶解氧不足或氧透過膜到達硝化菌表面的傳遞速度下降時，硝化菌吸取水中溶解氧的能力比異養(yǎng)菌要差，這些都限制了硝化菌的生長繁殖，從而使得生物膜中硝化自養(yǎng)菌濃度偏小，硝化反應(yīng)受到影響，從而對氨氮的去除有明顯的抑制作用，表現(xiàn)為濾池對氨氮具有較低的去除率。
(2)在濾層600mm~1200mm段，對NH4+-N去除率達到77.4%(占總?cè)コ实?2.8%)，成為氨氮去除的主要區(qū)域。這是因為在該段區(qū)域內(nèi)，有機物的濃度較低，在水中的氧較充分條件下，自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)菌發(fā)生競爭時，硝化菌占優(yōu)勢，硝化菌的生長、繁殖速度加快，代謝能力增強，從而在該段硝化菌成為優(yōu)勢菌種，表現(xiàn)為濾層對氨氮具有很高的去除率。
(3)在濾層的后300mm內(nèi)，對NH4+-N去除率增長僅為9.8%。這是因為硝化細菌有較強的硝化能力，世代時間長，一旦形成穩(wěn)定的硝化狀態(tài)后，進入濾池中的氨氮會在短時間內(nèi)能被硝化細菌吸附、分解和氧化。因為在濾層600mm~1200mm段已形成穩(wěn)定的硝化狀態(tài)，所以在后300mm段，氨氮去除率增加有限。
3.2 水力負荷對曝氣生物濾池沿程去除污染物的影響
水力負荷直接影響曝氣生物濾池的水力停留時間，而水力停留時間又決定了污染物的去除率。
在水力負荷較小時，曝氣生物濾池對水中污染物的去除基本集中在濾層的前半部分(進水端)，濾層的后半部分(出水端)的去除能力并未發(fā)揮出來，在水力負荷較大時，曝氣生物濾池又不能達到脫氮的，因此選擇合適的水力負荷，有利于充分發(fā)揮濾池的去污脫氮功能。
3.2.1 沿濾層高度水力負荷對有機物去除效果的影響
水力負荷對曝氣生物濾池沿程去除率的分布有一定的影響，不問的水力負荷決定了有機物在曝氣生物濾池的不同高度被去除，在不同的水力負荷時沿濾層高度有不同的去除率，圖4是濾池沿濾層不同商度對有機物的去除率。
從圖4中可以看出：當水力負荷為1m3/m2•h時，在濾床深度600mm處，前半部對有機物的去除率達到54.5%(占總?cè)コ实?0%)，后半部對有機物的去除率為14.7%(占總?cè)コ实?0%)；當水力負荷為2m3/m2•h時，在濾床深度900mm處，前半部對有機物的去除率達到58%(占總?cè)コ实?5%)，后半部對有機物的去除率為10%(占總?cè)コ实?5%)；當水力負荷超過4m3/m2•h時，濾池對有機物的去除率明顯下降，水力負荷為6m3/m2•h時，對有機物的去除主要集中在前1200mm，達到48.3%，占總?cè)コ实?1%；而水力負荷為9和11m3/m2•h時，濾池對有機物的去除率基本呈線性關(guān)系，去除率降到52.8%和45.5%。
綜上可知：水力負荷對曝氣生物濾池沿程去除率的分布有一定的影響，在低水力負荷時，對總的去除率影響不大，這是因為：在低水力負荷條件下，水中可被微生物利用的有機物沿水流方向不斷被微生物分解、吸收和利用，到達上半部后，由于水中營養(yǎng)物質(zhì)大部分在下半部分被分解氧化，水中營養(yǎng)不足，滿足不了微生物對營養(yǎng)的要求，從而不能形成對有機物有較強降解能力的菌膠團；當水力負荷提高后，在單位時間內(nèi)進入曝氣生物濾池內(nèi)的有機物量增加，停留時間縮短，水中更多的營養(yǎng)物質(zhì)就能到達上半部分，使上半部分的微生物能在一定程度上增殖，這樣曝氣生物濾池內(nèi)的生物量增加，利用率提高。因此，盡管水力負荷提高，停留時間縮短，但在一定的水力負荷范圍內(nèi)，對有機物的去除效果并沒有受到很大的影響，體現(xiàn)出曝氣生物濾池具有較好的耐沖擊負荷能力。而在更高水力負荷條件下，由于停留時間過短，水中營養(yǎng)物質(zhì)沒能被微生物及時分解就已排放，導致了去除率的下降。
3.2.2 沿濾層高度水力負荷對NH4+-N去除效果的影響
在進水COD、NH4+-N、pH值、溫度一定時，水力負荷直接影響曝氣生物濾池對NH4+-N的去除率，水力負荷對NH4+-N的去除率沿濾層高度的影響見圖5。
由圖5可見：水力負荷在一定的范圍(1〜6m3/m2•h)內(nèi)對NH4+-N的去除率沒有什么影響，沿濾層高度分布也沒有多大的變化。這是因為硝化細菌有較強的硝化能力，世代時間長，一旦形成穩(wěn)定的硝化狀態(tài)后，進入曝氣生物濾池中的NH4+-N在短時i司內(nèi)能被硝化細菌吸附、分解和氧化；當水力負荷再增大時，因為COD負荷也同時增大，濾層的大部分為好氧異養(yǎng)菌，抑制了硝化細菌的生長，致使NH4+-N不能被及時去除。
3.3 結(jié)論
(1)曝氣生物濾池對各污染物的去除沿濾層高度呈現(xiàn)出不同的特點。有機物CODcr的去除，主要發(fā)生在濾層的前半部分(即距進水端900mm段)。在該段反應(yīng)器對CODcr去除率為57.2%，占總?cè)コ实?4.6%。NH4+-N的主要去除主要在600mm~1200mm段。在該段反應(yīng)器對NH4+-N的去除率達到77.4%，占總?cè)コ实?2.8%。
(2)水力負荷在一定范圍內(nèi)，對污染物沿程去除率的分布有影響。當水力負荷為1~6m3/m2•h時，濾池對有機物有較高的去除率；當水力負荷超過6m3/m2•h時，濾池對有機物的去除效果明顯下降，在水力負荷為11m3/m2•h時，去除率下降到45.5%。水力負荷在一定的范圍(1~6m3/m2•h)內(nèi)對NH4+-N的去除率沒有什么影響，去除率達到91%；當水力負荷超過6m3/m2•h時，濾池對NH4+-N的去除效果很差。（來源：大連大禹水處理技術(shù)有限公司）
