變速生物濾池處理城市污水的效能研究
摘要：對采用酶促填料的變速生物濾池處理城市污水進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗 研究 ，考察了水力停留時間(HRT)和溫度的 影響 。結(jié)果表明，常溫、填料層厚度分別為1.5 m和2.0 m、填料層H RT分別>3.5 h和4.9 h、相應(yīng)的濾池HRT>9.7 h時，濾池能有效地去除水中有機(jī)物和懸浮物。
關(guān)鍵詞：變速生物濾池 酶促填料 城市污水
Study on the Performance of Variable Rate Biofilter for Treatment of Municipal Wastewater
Abstract： The full-scale experiment was carried out on the use of variable rate biofilter with enzymatic medium for treatment of municipal wastewater,and study was made on the effect of hydraulic retention time (HRT) and temperature on the perfor mance.The results showed that at normal temperature, when the media hEight is 1.5m and 2.0 m with HRT>3.5 h and 4.9 h,and the filter HRT>9.7 h,the fil ter can efficiently remove organic and suspended matters in water.
Keywords: variable rate biofilter; enzymatic medium; municipal wastewater
處理城市污水是控制水污染的重要任務(wù)之一。自20世紀(jì)80年代中后期以來，以厭氧/缺氧技術(shù)為核心的城市污水處理工藝流程因具有能耗低、運行成本低、污泥產(chǎn)量低、管理方便等突出優(yōu)點，越來越受到世界各國學(xué)者及工程界的普遍重視[1]，在此結(jié)合變速生物濾池處理城市污水的生產(chǎn)性試驗研究成果，對有關(guān) 問題 進(jìn)行探討。
1 試驗裝置與 方法
1.1 試驗裝置
試驗在重慶市某污水處理廠進(jìn)行，該廠原采用合建式表面曝氣沉淀池，而變速生物濾池是由原曝氣沉淀池的曝氣區(qū)改建而成，試驗流程見圖1。
濾池的平面尺寸為7.8 m×5.95 m，總高為5.7 m(其中布水區(qū)為1.0 m，承托層為0.35 m，填料層夏季為1.5 m、冬季則加至2.0 m，沉淀區(qū)夏季為1.5 m、冬季為1.0 m，保護(hù)高為1. 6 m)。濾池從底部進(jìn)水，上部出水，過水?dāng)嗝骐S水流方向逐漸增大。濾池中所裝填料為本研究組開發(fā)的專利產(chǎn)品——酶促填料，其粒徑為10～20 mm。
圖2為變速生物濾池的示意圖。
1.2 主要測試項目及方法
主要測試項目及方法見表1。
| 項 目 | 測定方法或儀器 | 項 目 | 測定方法或儀器 |
| DO、溫度 | YIS 52型溶解氧測定儀 | 堿度(CaCO3計) | 酸堿指示劑滴定法 |
| 流量 | 三角堰 | 揮發(fā)酸(VFA) | 比色測定法 |
| SS | 103～105 ℃烘干重量法 | NH3-N | 納氏試劑分光光度法 |
| pH值 | 精密pH試紙或pH計 | TP | 鉬銻抗分光光度法 |
| COD、SCOD | HACH—COD測定儀 | SO42- | 硫酸鋇比濁法 |
| 注： SCOD為溶解性COD。 | |||
1.3 試驗過程
試驗在常溫下進(jìn)行，分夏季和冬季兩個階段，主要考察水力停留時間和溫度對濾池運行性能的影響。污水在濾池內(nèi)的水力停留時間通過進(jìn)水流量的改變來調(diào)節(jié)，溫度則隨季節(jié)而變化。
2 試驗結(jié)果
試驗結(jié)果如表2、3，濾池運行環(huán)境參數(shù)見表4。
| 濾池HRT(h) | 填料層HRT(h) | 流量(m3/d) | COD | SCOD | SS | ||||||
| 進(jìn)水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(%) | 進(jìn)水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(%) | 進(jìn)水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率(%) | |||
| 夏季(1999年8月25日—1999年10月18日)填料層為1.5 m 水溫為18～26 ℃ | |||||||||||
| 23.7 | 8.6 | 156.7 | 122.5 | 61.8 | 49.5 | 88.3 | 55.8 | 36.9 | 50 | 9 | 82.0 |
| 17.0 | 6.2 | 218.9 | 171.8 | 92.3 | 46.3 | 129.8 | 84.9 | 34.7 | 52 | 11 | 78.8 |
| 12.6 | 4.6 | 293.9 | 212.0 | 120.5 | 43.2 | 167.8 | 113.2 | 32.5 | 63 | 20 | 68.3 |
| 9.7 | 3.5 | 382.5 | 234.0 | 138.0 | 41.0 | 182.2 | 125.3 | 31.2 | 87 | 23 | 73.6 |
| 7.6 | 2.8 | 485.4 | 231.7 | 145.2 | 37.3 | 174.5 | 128.3 | 26.4 | 82 | 29 | 64.6 |
| 冬季(1999年11月6日—2000年1月26日)填料層為2.0 m 水溫為9～15 ℃ | |||||||||||
| 23.7 | 12.1 | 156.7 | 218.2 | 96.5 | 55.8 | 162.3 | 87.4 | 46.2 | 63.6 | 17.3 | 72.74 |
| 17.0 | 8.6 | 218.9 | 266.2 | 125.4 | 52.9 | 197.1 | 110.5 | 43.9 | 84.3 | 26.8 | 68.2 |
| 12.6 | 6.4 | 293.9 | 310.9 | 156.1 | 49.8 | 236.0 | 138.3 | 41.4 | 93.0 | 32.5 | 65.1 |
| 9.7 | 4.9 | 382.5 | 332.0 | 178.0 | 46.4 | 258.3 | 161.0 | 37.7 | 114.3 | 38.5 | 66.3 |
| 7.6 | 3.9 | 485.4 | 336.2 | 200.0 | 40.5 | 251.3 | 168.1 | 33.1 | 116.5 | 42.5 | 63.5 |
| 項 目 | 進(jìn) 水 | 出 水 | 去除率(%) | |||
| 波動范圍(mg/L) | 平均值(mg/L) | 波動范圍(mg/L) | 平均 值(mg/L) | |||
| 夏季 | NH3-N | 22.7～33.3 | 28.3 | 27.3～35.3 | 31.4 | |
| TP | 3.69～5.61 | 4.75 | 3.01～4.39 | 3.85 | 19.3 | |
| SO42- | 64.1～84.4 | 74.4 | 19.9～37.6 | 28.7 | 61.4 | |
| 冬季 | NH3-N | 24.2～36.3 | 30.1 | 26.3～38.4 | 33.0 | |
| TP | 4.42～5.71 | 4.96 | 3.31～4.54 | 3.95 | 20.3 | |
| SO42- | 78.7～94.9 | 87.7 | 25.8～40.4 | 34.9 | 60.2 | |
| 項 目 | CaCO3堿度(mg/L) | VFA(mg/L) | DO(mg/L) | pH | ||||
| 進(jìn)水 | 出水 | 進(jìn)水 | 出水 | 進(jìn)水 | 出水 | 進(jìn)水 | 出水 | |
| 夏季 | 261～324 | 289～336 | 19.7～66.2 | 8.2～17.5 | 1.3～3.0 | 0.04～0.24 | 6.6～7.2 | 6.7～7.2 |
| 冬季 | 269～332 | 294～362 | 23.0～122.6 | 9.8～23.0 | 1.5～3.2 | 0. 02～0.30 | 6.5～7.4 | 6.7～7.2 |
| 注： 出水DO為濾池表層水樣測定值。 | ||||||||
3 結(jié)果與討論
3.1 出水水質(zhì)
試驗中濾池的性能主要根據(jù)COD、SS去除率等指標(biāo)來評定。由表2可知，城市污水經(jīng) 濾池處理后的COD去除率約為40%～55%、SCOD約為30%～45%、SS約為60%～80%，顯然濾池對懸浮物的去除效果明顯好于對有機(jī)物的去除效果。濾池出水有機(jī)物濃度較高可
能有以下幾方面的原因：
有研究表明，若將微生物增長與死亡剛好平衡時的基質(zhì)濃度定義為Smin，則利用恒化器培養(yǎng)得到25 ℃和35 ℃下乙酸在甲烷發(fā)酵過程中的Smin分別為48 mg/L和7 8 mg/L[2]，這從 理論 上指出了厭氧系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下所能達(dá)到的最小基質(zhì)濃度，而這僅僅是單一基質(zhì)情況得出的結(jié)論，實際過程中污水含有多種基質(zhì)，每一種微生物都有其各自的Smin，這樣出水基質(zhì)濃度將大于或等于所有單一基質(zhì)Smin中的 最大值，從而導(dǎo)致較高的出水COD濃度和較低的去除率，這是由厭氧/缺氧降解機(jī)理所決定的。
就濾池本身而言，有許多研究者認(rèn)為在穩(wěn)定運行的厭氧濾池中，廢水中很大一部分有機(jī)物是 由填料間隙滯留的懸浮微生物去除的。Song分別采用交叉流式和管流式塑料波紋孔板作濾池填料試驗，結(jié)果表明[3]填料的比表面積增加60%而COD去除率僅提高2%。Young的看法與此一致，并指出在有機(jī)負(fù)荷較高[12～16kgCOD/(m3·d)]的AF中，填料間隙懸浮微生物所去除的有機(jī)物占總?cè)コ实?/2左右[4]。同時，在AF反應(yīng)器中還有顆粒 污泥存在，這已為不少研究者所證實，如Young和McCarty發(fā)現(xiàn)上升氣流的作用使污泥微粒結(jié)成顆粒狀，易于沉淀和吸附有機(jī)物[5]。錢易等用AF處理生活污水的試驗也發(fā)現(xiàn)部分懸浮污泥的顆粒化現(xiàn)象[6]。由此可見，在AF反應(yīng)器中填料間隙滯留的懸浮顆粒污泥對有機(jī)物的降解有重要貢獻(xiàn)，而本試驗中由于濾池在運行中要定期排泥，反應(yīng)器中的懸浮微生物較少，故顆粒污泥可能尚未形成，這對濾池的性能有一定影響。
此外，多數(shù) 文獻(xiàn) 報道濾池填料的裝填厚度至少應(yīng)滿足2 m的最低要求[4]。考慮到填料價格較貴，若能減小填料層的厚度而又能有效處理城市污水，則將大大減少濾池的基建投 資，有利于濾池的推廣 應(yīng)用 ，所以試驗時先在濾池中裝填1.5 m的填料，夏季運行階段結(jié)束 后將填料層厚度增至2.0 m。
3.2 水力停留時間(HRT)的影響
在厭氧/缺氧污水處理技術(shù)中，HRT是一個至關(guān)重要的參數(shù)，它的大小直接影響反應(yīng)器的運行效果和反應(yīng)器容積的確定。在處理城市污水時，HRT更是一個起限制作用的因素。當(dāng)污泥濃度基本穩(wěn)定時，HRT越長，有機(jī)物與微生物接觸越充分，有機(jī)物的降解就越徹底，去除率也就越高，但為了減少反應(yīng)器容積以降低構(gòu)筑物造價和占地面積，又必須盡量縮短HRT。本試驗考察了HRT對變速生物濾池反應(yīng)器處理效果的影響(見圖3)，以期得到最合適的HRT。
由表2和圖3可知，HRT對有機(jī)物去除的影響表現(xiàn)為反應(yīng)器對COD、SCOD去除率隨HRT的減少而降低。當(dāng)填料層高度為1.5 m和2.0 m、對應(yīng)的HRT填1.5和HRT填2.0分別為8.6 h和12.1 h(濾池HRT濾為23.7 h)時，COD去除率最高(分別為49.5%和55.8%);此后HRT逐漸減少，COD去除率逐漸降低。當(dāng)HRT填1.5和HRT填2.0分別減少到3.5 h和4.9 h(即HRT濾減少到9.7 h)時，COD去除率降至41.0%和46.4%，此時HRT填1.5和HRT填2.0分別減 小了5.1 h和7.2h(HRT濾減小了14.0 h)，而相應(yīng)的COD去除率只下降8.5%和9. 4%，表明在此工況下濾池的性能可保持相當(dāng)?shù)姆(wěn)定性;當(dāng)HRT填1.5和HRT填2.0分別減少至2.8 h和3.9 h(HRT濾減少至7.6 h)時，盡管HRT填1.5和HRT填2.0分別只減小0.7 h和1.0 h(HRT濾只減小2.1 h)，但相應(yīng)的COD去除率卻降低了3.7%和5.9%，表明此時的反應(yīng)器運行趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。SCOD去除率隨HRT的變化與上述COD去除率變化情況類似。由此可見，在HRT達(dá)到一定值后采用較長的HRT對提高反應(yīng)器處理效率的貢獻(xiàn)不大，但會造成反應(yīng)器的容積增加較多，所以在實際應(yīng)用中通常采用較小的HRT以獲得盡可能大的處理能力。就本試驗而言，在填料層高度為1.5 m或2.0 m的情況下濾池HRT采用9.7 h較為理想。
鑒于HRT是影響生物濾池去除有機(jī)物的最主要參數(shù)之一，且由圖3可知濾池填料層HRT與SCOD去除率E之間呈較好的相關(guān)性，故對之進(jìn)行乘冪形式的回歸，回歸曲線見圖4。
對回歸公式進(jìn)行整理后得到如下兩式， 夏季時：
E=100[1-0.8221(HRT)-0.126]
R2=0.937 7
冬季時：
E=100[1-0.8166(HRT)-0.253]
R2=0.967 3
將上述兩式改寫成一般形式：
E=100[1-Sk(HRT)-m]
式中 E——SCOD去除率，%
HRT——填料層水力停留時間，h
Sk、m——與填料的種類和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)(夏季Sk= 0.822、m=0.126，冬季Sk=0.817、m=0.253)
該式形式簡單、 計算 方便，可預(yù)測填料層在HRT不同時對溶解性有機(jī)物的去除率，且具有一定的準(zhǔn)確性和實用性。
濾池運行期間，隨著HRT逐漸減小、水量逐漸增大，進(jìn)水COD和SS也逐漸增大，這主要是由于初沉池出水需流經(jīng)長達(dá)20 m多的連接渠道方可進(jìn)入濾池，而渠道的設(shè)計通過流 量較大，進(jìn)入濾池的水量相對較小，加之濾池進(jìn)水渠處的三角堰具有阻流作用(三角堰零刻度處距渠底約有10 cm)，使得渠中底部水流變得較為平緩，初沉池出水中的懸浮物逐漸沉積在渠底，濾池進(jìn)水的COD和SS均有所下降，但隨著水量增加、流速增大，沉積在 渠底的懸浮物減少，COD和SS也就逐漸增大。當(dāng)流量達(dá)到382.5m3/d時，流速的影響已經(jīng)很小，濾池進(jìn)水COD和SS與初沉池出水接近。此外，夏季濾池進(jìn)水COD和SS值較冬季低，這主要是由于冬季用水量小于夏季用水量所致。
試驗中發(fā)現(xiàn)，濾池出水SS隨運行延續(xù)時間的增加而明顯增加，這一結(jié)果主要由兩方面因素造成：一是隨著HRT縮短和流量增加，水力負(fù)荷有所提高，氣體產(chǎn)量也有所增大，增強了對懸浮污泥的攪動和對生物膜的沖刷作用，部分污泥被帶到反應(yīng)器上部，逐漸隨水流沖出(這一現(xiàn)象在負(fù)荷改變初期尤為明顯，隨著濾池運行逐漸趨于穩(wěn)定，由此造成的影響也就有所減小);二是隨濾池運行時段的延續(xù)，大量的懸浮物被截留在填料層底部，且隨著懸浮物的增多逐漸沿填料層上移，使得穿透填料層的懸浮物也逐漸增加。一般情況下，濾池穩(wěn)定運行2～4個月左右后的出水SS有較大增加，SS去除率明顯下降，表明濾池填料層需進(jìn)行沖洗。
3.3 溫度的影響
溫度對所有微生物的生命活動都有很大影響，與好氧微生物相比，厭氧微生物對溫度更為敏感，迄今大多數(shù)厭氧/缺氧反應(yīng)器在中溫范圍運行，且以30～40 ℃最為常見。在中溫范圍內(nèi)，一般溫度每升高10 ℃，反應(yīng)速度約增加一倍[7]。本試驗中，夏季水溫比冬季水溫高10 ℃左右，在冬季溫度較低時濾池出水的COD和SCOD明顯升高，其平均值分別增加98.3 mg/L和39.6 mg/L。但由于濾池進(jìn)水有機(jī)物濃度較高，故冬季對COD和SCO D的去除率與夏季相比反而有所升高，表明冬季溫度較低時濾池仍具有較好的處理效果，這一方面是因為填料層厚度增加了0.5 m，另一方面可能是反應(yīng)器中積累了較多的污泥(生物量較大)從而彌補了微生物在溫度較低時活性的降低。同時，夏季濾池進(jìn)水有機(jī)物濃度較低，濾池對有機(jī)物的降解能力沒有充分發(fā)揮出來，使有機(jī)物的去除率偏低。
在冬季溫度較低時濾池出水SS也顯著升高，這主要是由于隨水溫降低水的粘滯度增大(由Stocks公式可知，相同大小的懸浮顆粒在水溫下降時，其沉降速度相應(yīng)減小)，而從物理化學(xué)角度講，過濾屬于表面沉淀，故出水SS值升高。
3.4 濾池中N、P和硫酸鹽的改變
N和P是植物營養(yǎng)素，大量的有機(jī)物和N、P排入水體會使水體環(huán)境的污染 和富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，而硫酸鹽對污水厭氧處理有重要的影響，因此本試驗考察了濾池中這三者的變化情況。
濾池對P約有20%的去除率，且水中P含量沿濾池高度方向逐漸降低，這可能是沉淀除P和同化除P的共同結(jié)果。變速生物濾池中接近推流的流態(tài)、較長的HRT和1.5～2.0 m厚度的填料 層都有利于沉淀除P，估計沉淀作用除P占總?cè)コ实谋壤^大。當(dāng)然，P也可通過進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞組織而被去除，其去除量取決于微生物機(jī)體生長對P的需求和污泥凈產(chǎn)量。在厭氧/缺氧工藝中，污泥的凈產(chǎn)率是很低的，因此微生物合成所消耗的P不是濾池除P的主要途徑。
濾池出水的NH3-N濃度較進(jìn)水略有增加。在厭氧過程中，氨基酸、蛋白質(zhì)和其他含氮有機(jī) 物可通過加氫還原等途徑分解成氨和另一種不含氮有機(jī)物，使反應(yīng)器中NH3-N濃度上升，故出水NH3-N濃度有所升高，這與文獻(xiàn)[6]、[8]的結(jié)論是一致的。
在厭氧/缺氧生物處理過程中，少量的硫酸鹽或硫化物是有益的，但當(dāng)污水中硫酸鹽含量過高時，會對厭氧生物處理產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用，具體表現(xiàn)為SRB(硫酸鹽還原菌)與MPB(產(chǎn)甲 烷菌)爭奪乙酸和H2而產(chǎn)生的基質(zhì)競爭性抑制作用，以及硫酸鹽還原產(chǎn)物—硫化物對MPB的毒害作用而導(dǎo)致的次級抑制[9]。由表3可知，與有機(jī)物的去除相比，濾池對硫酸鹽的去除率相當(dāng)高(約為60%)，據(jù)此推斷城市污水中大量硫酸鹽的存在對濾池去除有機(jī)物的性能有一定影響。
3.5 pH、VFA、堿度的影響
試驗期間，濾池進(jìn)、出水pH值在6.5～7.4之間(未出現(xiàn)大的波動)，出水VFA濃度較進(jìn)水有所降低，出水堿度有所增加。濾池中VFA的降低和堿度的升高實際上是生化過程中產(chǎn)生 的酸堿中和的結(jié)果，堿度表明了反應(yīng)器系統(tǒng)的緩沖能力。有資料認(rèn)為[10]：用VFA與堿度的比值可較好地反映系統(tǒng)的緩沖能力，當(dāng)兩者之比<0.4時，系統(tǒng)緩沖能力強，能適應(yīng)VFA一定程度的波動，pH值變化不大;當(dāng)兩者之比在0.4～0.8之間時，說明系統(tǒng)缺乏緩沖能力;當(dāng)兩者之比>0.8時，表明反應(yīng)器即將發(fā)生酸化現(xiàn)象。本試驗濾池中VFA介于8～122 mg/L，堿度在320 mg/L左右，酸堿度之比近似介于0.03～0.38，這表明系統(tǒng)緩沖能力足以中和反應(yīng)過程中形成的揮發(fā)酸，使濾池pH值維持在中性范圍內(nèi)，可保證反應(yīng)器的正常運行。
4 結(jié)論
① 變速生物濾池在水溫為9～26 ℃條件下處理城市污水，COD去除率可達(dá)40%～55%，SCOD去除率可達(dá)30%～45%，SS去除率可達(dá)60%～80%。冬季溫度較低時，濾池出水COD和SS升高，但仍具有較好的處理效果，表明濾池在冬季溫度下仍可正常運行。
② HRT對變速生物濾池性能有重要 影響 ，COD和SS去除率均隨HRT的減少而降低。當(dāng)HRT填1.5和HRT填2.0分別為3.5h和4.9h(濾池HRT濾為9.7 h)以上時，COD去除率較穩(wěn)定;當(dāng)HRT填1.5和HRT填2.0分別降至2.8 h和3.9 h(濾池HRT濾降至7.6 h)以下時，COD去除率顯著下降，濾池運行性能趨于不穩(wěn)定。本試驗在填料層厚為1.5 m或2.0 m的情況下，濾池HRT控制在9.7 h以上。
③ 變速生物濾池對P有一定的去除效果，對硫酸鹽有高達(dá)60%的去除率，但出水NH3-N濃度略有升高。
④ 變速生物濾池運行期間的pH值始終保持中性，表明系統(tǒng)緩沖性能良好。
⑤ 以變速生物濾池為主要工藝的城市污水處理系統(tǒng)具有能耗少、運行費用低、管理簡便、處理效果較好等優(yōu)點，但由于濾池處理后出水水質(zhì)不能達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978 —1996)一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求，故需考慮適當(dāng)?shù)暮筇幚怼?/p>
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