上向流與下向流曝氣生物濾池啟動(dòng)與掛膜特性研究
摘 要：曝氣生物濾池若采用人工啟動(dòng)掛膜時(shí)，要合理控制投加的活性污泥量。掛膜過程中，COD的去除率的提高和氨氮的去除率的提高不是同步的，生物膜增長(zhǎng)過程中，好氧異養(yǎng)菌的增殖速度要快，硝化菌的增殖速度慢，單純進(jìn)行去除有機(jī)物的異養(yǎng)菌的培養(yǎng)，在溫度為20℃左右時(shí)，15天左右可以完成掛膜任務(wù)，而硝化菌的培養(yǎng)時(shí)間要更長(zhǎng)一些。
曝氣生物濾池(BiologicalAeratedFilter，BAF)是國外從80年代開始研究推廣，到90年代初期已基本成熟的一項(xiàng)新型水處理工藝。它集生物膜的強(qiáng)氧化降解能力和濾層的截留效能于一體，具有池容小、出水質(zhì)量高、流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市污水的處理、中水回用及微污染源水的預(yù)處理，已成為了一種經(jīng)濟(jì)、高效的污水二級(jí)、三級(jí)處理工藝。它可以去處SS、COD、BOD硝化、反硝化除磷等。由于在我國研究和應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)BAF實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)目前還不夠多，故而本文對(duì)上向流曝氣生物濾池(UBAF)和下向流曝氣生物濾池(DBAF)用于生活污水的處理的啟動(dòng)和掛膜特性做了研究，為工程運(yùn)行提供一定的參考。
1 試驗(yàn)裝置和方法
1.1 試驗(yàn)裝置及流程
試驗(yàn)采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的試驗(yàn)濾柱(圖1)，一個(gè)按上向流運(yùn)行(UBAF)，一個(gè)采用下向流(DBAF)。濾柱直徑70mm，總高度為2500mm，采用國產(chǎn)輕質(zhì)陶粒濾料，粒徑3~5mm，填裝高度為1500mm，其下的卵石承托層高度為200mm。濾料層以上淹沒深度為300mm，超高為300mm，從濾料層頂部向下每隔350mm設(shè)置帶取樣閥的取樣口，編號(hào)分別為1、2、3、4，可以取水樣也可以取出陶粒濾料。在承托層底部設(shè)有有機(jī)玻璃穿孔板，孔板上均勻開孔，以保證反沖洗配水均勻。工藝與反沖洗曝氣共用一套系統(tǒng)。對(duì)曝氣生物濾池，曝氣管設(shè)在承托層內(nèi)，采用直徑8mm的銅管，做成環(huán)狀水平放置，其上斜下方45°方向交錯(cuò)開孔，孔徑3mm。
1.2 試驗(yàn)水質(zhì)
試驗(yàn)用生活污水取自徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園某污水池，試驗(yàn)階段平均氣溫17~23℃，pH為6.7~7.6，CODcr為320。18~376.23mgL，NH3-N為20.03~43.24mgL，試驗(yàn)中通過稀釋或投加淀粉(或葡萄糖)及碳銨來減小或增大進(jìn)水濃度。
1.3 分析方法和儀器
CODcr的測(cè)定采用重鉻酸鉀法;氨氮的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法，溶解氧采用HANAN便攜式溶氧儀。
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2 啟動(dòng)與掛膜試驗(yàn)
取用徐州污水處理廠曝氣池的回流污泥進(jìn)行接種。將3L活性污泥(絮狀灰黑色)適當(dāng)稀釋后投加到兩濾柱內(nèi)，同時(shí)投加生活污水，浸沒填料，進(jìn)行悶曝。3天以后，通過觀察孔看到濾料頂層和中間濾料孔隙中的灰黑色污泥顏色變成了淺土褐色。隨后改用小流量循環(huán)方式運(yùn)行，進(jìn)水流量1。92Lh~3。0Lh，氣水比采用
3∶1，兩柱分別采用上向流和下向流方式，在每天早晚向污水箱投加一定量的新鮮污水。持續(xù)運(yùn)行5天后，開始測(cè)定(03年10月11日)進(jìn)、出水的COD、NH3-N以及溶解氧等值，同時(shí)對(duì)觀察生物膜的生物相的生長(zhǎng)變化情況，并記錄每天的水溫以及測(cè)試數(shù)據(jù)。運(yùn)行到10月22日至12月28日兩柱COD、NH3-N的去除率分別都達(dá)到70%，標(biāo)志著掛膜成功。
3 結(jié)果與分析
從2003年10月2日開始掛膜到10月28日掛膜成功，前后總共26天時(shí)間。文獻(xiàn)介紹氣溫在20~25℃時(shí)10天完成掛膜。本試驗(yàn)整個(gè)掛膜時(shí)間比最初預(yù)計(jì)的時(shí)間(15天)要長(zhǎng)，主要是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足以及對(duì)某些運(yùn)行參數(shù)控制得不夠理想。
影響掛膜的因素主要可以歸為三類:微生物的性質(zhì)、載體表面性質(zhì)以及環(huán)境特性。在填料特性已經(jīng)確定以及采用接種掛膜的情況下，對(duì)本實(shí)驗(yàn)主要是控制微生物的濃度和為微生物提供合適的環(huán)境條件，便于微生物附著生長(zhǎng)。生物膜的早期形成依賴于懸浮微生物的濃度和其增長(zhǎng)活性。增大懸浮微生物濃度有助于提高微生物與載體間的接觸頻率，而細(xì)菌活性較高時(shí)其分泌體外多聚糖的能力強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)中，悶曝階段的添加的活性污泥量偏多，造成濾料的堵塞，后來對(duì)污泥進(jìn)行的沖洗對(duì)培養(yǎng)生物膜產(chǎn)生了不好的影響，是造成掛膜時(shí)間增長(zhǎng)的原因之一。所以在人工掛膜階段，合理控制投加的活性污泥的濃度，對(duì)加快掛膜的進(jìn)程有很重要的意義。
在掛膜試驗(yàn)階段初期，進(jìn)水COD濃度控制在較小的值，NH3-N的濃度也比較低，隨時(shí)間的推移，逐步提高進(jìn)水COD和NH3-N濃度，反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧值應(yīng)該保持在2。0mgL以上。從圖2和圖3可以看出，在微生物的培養(yǎng)過程中，不論上向流還是下向流，開始階段的數(shù)據(jù)顯示，COD的去除率較高，可以達(dá)到40%~50%，而氨氮的去除率較低。這主要是由于前面階段的培養(yǎng)，好氧異氧微生物已經(jīng)在濾料中開始生長(zhǎng)，對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行降解的結(jié)果，同時(shí)也有濾料對(duì)膠體態(tài)和大分子有機(jī)物的過濾作用。但是，隨著時(shí)間的推移，COD的去除率的提高和氨氮的去除率的提高不是同步的，在上向流濾柱的COD去除率達(dá)到70%(10月22日)時(shí)，其氨氮的去除率才達(dá)到57%(10月23日);下向流的COD去除率達(dá)到70。98%時(shí)，氨氮的去除率才達(dá)到67。2%？梢，生物膜增長(zhǎng)過程中，好氧異養(yǎng)菌的增殖速度要快，相比之下，硝化菌的增殖速度慢。研究報(bào)道，硝化細(xì)菌的比增長(zhǎng)速率比異養(yǎng)型細(xì)菌的比增長(zhǎng)速率要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)亞消化細(xì)菌和消化細(xì)菌而言，其最適宜的溫度是30℃，溫度的變化對(duì)硝化細(xì)菌的增殖速度和活性影響較大。文獻(xiàn)表明及純培養(yǎng)試驗(yàn)表明，溫度為25℃時(shí)的硝化菌活性約為溫度為15℃的3倍[5]。在本實(shí)驗(yàn)中，水溫一直在17~22℃之間，試驗(yàn)期間溫度可能減緩了硝化細(xì)菌的增殖速度，所以在兩柱COD的去除率在10月22日達(dá)到或接近70%，而氨氮的去除率卻要比COD的去除率晚近6天時(shí)間才達(dá)到70%，可見單純進(jìn)行去除有機(jī)物的異養(yǎng)菌的培養(yǎng)，在溫度為20℃左右時(shí)，15左右天可以完成掛膜任務(wù)。而硝化菌的培養(yǎng)時(shí)間要更長(zhǎng)一些。
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從圖2中可以看到，在培養(yǎng)過程中，在同樣進(jìn)水水質(zhì)、水量和氣水比的前提條件下，在掛膜測(cè)試的初期上向流BAF的COD去除率要比對(duì)應(yīng)的下向流BAF的去除率要稍微低一些，而到掛膜過程的后期，上向流濾柱對(duì)COD的去除率和對(duì)應(yīng)的下向流BAF濾柱對(duì)COD的去除率逐漸相同甚至略微高出一些。這主要是由于兩種不同的氣水流態(tài)造成的，在上向流BAF中氣、水向均為向上流動(dòng)，有利于氣泡在濾料空隙中向上的運(yùn)動(dòng)，對(duì)濾料有一種“疏通”作用，不會(huì)在濾料空隙中形成氣阻，使得氣泡的上升運(yùn)動(dòng)可以在整個(gè)濾料橫斷面上比較均勻的分布，同時(shí)由于氣泡在濾料孔隙中向上的運(yùn)動(dòng)速度變快，使水流的紊動(dòng)性增加，而在掛膜測(cè)試初期生物膜的微生物量有限的情況下，濾料的過濾作用能夠?qū)λ械挠袡C(jī)物產(chǎn)生吸附截留作用，而這種情況下下向流濾柱中由于其表層截留的懸浮物以及表層較大的微生物量，會(huì)使得其表層濾料的過濾作用好于上向流，所以出現(xiàn)了下向流出水COD低于上向流出水COD的現(xiàn)象。而在掛膜后期，隨著微生物量的增多，生物膜變厚，微生物吸附和生物氧化作用得到加強(qiáng)，這種作用要的效果強(qiáng)于純粹的濾料的過濾作用，從而使得兩種運(yùn)行方式的出水COD差異逐漸減小。
掛膜測(cè)試階段上向流和下向流BAF兩濾柱的NH3-N去除率隨時(shí)間變化情況見圖2所示，在測(cè)試初期氨氮的去除率較小，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，硝化細(xì)菌在填料上逐漸富集和并繁殖生長(zhǎng)，氨氮的去除率在逐漸提高。但由于由于硝化細(xì)菌本身的增殖速度比較慢，溫度以及好氧有機(jī)物對(duì)硝化菌生長(zhǎng)的影響。所以整個(gè)培養(yǎng)過程要比異養(yǎng)菌的培養(yǎng)過程時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)于生物膜法掛膜培養(yǎng)而言，衡量生物膜是否成熟，通常是以COD和氨氮的去除率達(dá)到70%以上作為標(biāo)志。
考慮到污染物濃度和水力負(fù)荷對(duì)微生物種群的的影響和沖擊，為了得到成熟穩(wěn)定的微生物，在培養(yǎng)過程中，進(jìn)水的COD和氨氮濃度應(yīng)逐步提高，而且每一次改變濃度，都穩(wěn)定運(yùn)行2~3天，同時(shí)監(jiān)測(cè)濾柱內(nèi)的溶解氧濃度。從圖中可見，在培養(yǎng)測(cè)試階段的后期，兩濾柱的氨氮去除率穩(wěn)定上升，而且在試驗(yàn)進(jìn)水COD和氨氮條件下，下向流出水的氨氮去除率要略高于上向流出水的氨氮值。
掛膜階段反沖洗的強(qiáng)度的控制很關(guān)鍵，要以能夠?qū)V料孔隙中截留的大部分懸浮物和過多增殖的微生物去除為條件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，恒定氣量反沖洗時(shí)，由于微生物膜的粘結(jié)作用，發(fā)現(xiàn)陶粒濾料會(huì)結(jié)成塊，活塞式整體向上移動(dòng)。當(dāng)采用脈沖氣流沖洗，使濾料膨脹、跌落反復(fù)2~3次，才能使陶粒濾料散開，在陶粒散開下落的時(shí)候，可以看到濾料孔隙中的大量的懸浮物和絮狀微生物膜，再用氣、水流聯(lián)合沖洗時(shí)才能較好、快速地去除過多的生物膜和懸浮物雜質(zhì)。只要控制好反沖洗強(qiáng)度和時(shí)間，沖洗后生物膜活性就較高，濾柱投入運(yùn)行后對(duì)出水水質(zhì)影響較小。運(yùn)行中，要特別注意，控制水沖和氣沖強(qiáng)度使濾層膨脹度不超過8%~10%為限，可以根據(jù)進(jìn)水懸浮物情況、COD負(fù)荷和濾料堵塞的情況，加以適當(dāng)?shù)脑鰷p;反沖洗的時(shí)間間隔，要根據(jù)水流阻力的增加情況及時(shí)沖洗，否則生物膜增長(zhǎng)過厚以后，溶解氧會(huì)下降，厭氧微生物繁殖過多，不僅微生物種群及其分布發(fā)生變化，會(huì)影響出水水質(zhì)，此時(shí)若采用較強(qiáng)的反沖洗，會(huì)造成活性高的好氧微生物的大量流失，使得沖洗后處理效率下降，而且恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)。
在掛膜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，上向流濾柱具有較長(zhǎng)的反沖洗周期和較小的水流阻力，過濾的水流阻力分布不集中;下向流濾柱的反沖洗周期較短，其表面進(jìn)水段溶解氧濃度較低，會(huì)造成絲狀菌大量繁殖，表層濾料易發(fā)生堵塞;由于氣、水逆向流，在濾柱中間濾料間易形成“負(fù)水頭”和氣阻。在掛膜階段微生物的數(shù)量和種群都在不斷增加，觀測(cè)濾料表面的生物膜和反沖洗出來生物膜，在顯微鏡下可以看到微生物的種群和形態(tài)、數(shù)量的變化。由于采用的接種掛膜，微生物的種類、數(shù)量從一開始就比較豐富，但是，在早期活動(dòng)的主要是大量的細(xì)菌，可以明顯觀察到生物膜內(nèi)有大量的絲狀菌和球形、指形的菌膠團(tuán)，而其他的微生物很少，隨著時(shí)間的推移，生物膜內(nèi)逐漸出現(xiàn)許多較高等的微生物，如游泳型纖毛蟲、鐘蟲和吸管蟲等。
在掛膜后期處理效率較高的情況下，出水也較清澈，從觀察窗以及從取出的陶粒樣品可以看到其表面附著有淡黃褐色的生物膜并有一些絲狀絮狀在陶？紫吨猩煺归_來;在顯微鏡下可以看到生物膜有大量的菌膠團(tuán)和吸附在其上的活性很好的固著型纖毛蟲，還有一些游泳型纖毛蟲，有時(shí)還可以看到少量線蟲纖蟲，各種微生物的活性都很高，呈現(xiàn)一派生機(jī)勃勃的微生態(tài)平衡現(xiàn)象。反沖洗出的生物膜呈現(xiàn)透明土褐色，看上去具有粘稠狀，具有較好的沉降速度，鏡下觀察同樣可以發(fā)現(xiàn)大量的高活性的微生物。在每一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行周期末期，對(duì)上向流濾柱，可以從4號(hào)取樣口處的觀察窗看到在濾料表面會(huì)形成白色絮狀或者灰白色的生物膜包裹濾料、充滿濾料間隙，在上部2號(hào)取樣口的觀察孔中可以看到濾料表面的淡褐色的生物膜。
在下向流濾柱的表面濾層中及濾柱的內(nèi)表面上，包裹及漂浮著許多白色絮狀或絲狀粘性物，在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)大量的如發(fā)絲般的絲狀菌。這些絲狀菌在污水進(jìn)入端很容易大量滋生，造成濾層孔隙堵塞，水流過濾阻力增加，使得此處的溶解氧下降，造成缺氧或者低氧條件，其他好氧微生物種類和數(shù)量減少，抑制了菌膠團(tuán)細(xì)菌的生長(zhǎng)，同時(shí)影響生物膜的傳質(zhì)，使生物膜內(nèi)部出現(xiàn)厭氧環(huán)境，若不及時(shí)反沖洗，白色的膜慢慢會(huì)變成灰色直到灰黑色，影響處理效果。從而增加了濾池的反沖洗次數(shù)。這對(duì)生長(zhǎng)較為緩慢的微生物來說，影響了他們的附著生長(zhǎng)。相對(duì)于進(jìn)水段而言，在濾柱的中間段由于COD負(fù)荷降低，溶解氧的水平提高，絲狀菌的數(shù)量變得較少，好氧微生物的種類較多，菌膠團(tuán)較為豐富，原生動(dòng)物的數(shù)量也較多。
在掛膜試驗(yàn)階段，發(fā)現(xiàn)污水在管道中流動(dòng)的過程中，會(huì)產(chǎn)生厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，積聚在污水管道中的高處會(huì)形成氣阻，使進(jìn)水阻力增加流量減小，故在進(jìn)行試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)候，要在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b排氣閥。在試驗(yàn)過程之中，每天應(yīng)檢查管道內(nèi)是否積氣，并隨時(shí)排除，保證水路暢通。
4 結(jié)論
曝氣生物濾池若采用人工啟動(dòng)掛膜時(shí)，要合理控制投加的活性污泥量。掛膜過程中，COD的去除率的提高和氨氮的去除率的提高不是同步的，生物膜增長(zhǎng)過程中，好氧異養(yǎng)菌的增殖速度要快，硝化菌的增殖速度慢，單純進(jìn)行去除有機(jī)物的異養(yǎng)菌的培養(yǎng)，在溫度為20℃左右時(shí)，15天左右可以完成掛膜任務(wù)，而硝化菌的培養(yǎng)時(shí)間要更長(zhǎng)一些。試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于不同的氣水流態(tài)，在掛膜測(cè)試的初期上向流BAF的COD去除率技術(shù)在我國的應(yīng)用。比對(duì)應(yīng)的下向流BAF的去除率要稍微低一些，而到掛膜過程的后期，上向流濾柱對(duì)COD的去除率和對(duì)應(yīng)的下向流BAF濾柱對(duì)COD的去除率逐漸相同甚至略微高出一些。
后期兩濾柱的氨氮去除率穩(wěn)定上升，在試驗(yàn)進(jìn)水COD和氨氮條件下，下向流出水的氨氮去除率要略高于上向流出水的氨氮值。上向流曝氣生物濾池納污率較高，反沖洗周期較長(zhǎng)。濾池的氣水比不應(yīng)該是一個(gè)運(yùn)行控制參數(shù)，其大小應(yīng)該根據(jù)污水中所含耗氧物質(zhì)的多少進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便保證污水中溶解氧的值能達(dá)到生化反應(yīng)所需要的水平。BAF是符合我國國情的新型生物水處理技術(shù)，有很大的應(yīng)用潛力，應(yīng)加大力量進(jìn)行深入研究，以推動(dòng)該技術(shù)在我國的應(yīng)用。
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