两段上向流曝气生物滤池脱氮性能的研究_COD容积负荷
导读:：图2.水温对UBAF脱氮性能的影响。水力负荷对UBAF脱氮性能的影响。按气水比3：1运行。
关键词：上向流曝气生物滤池，水温，水力负荷，COD容积负荷，NH4+-N容积负荷，气水比
曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，BAF)，是20世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺，工艺经历了下流式、下流两段式、上流式、上流两段式曝气生物滤池4种工艺形式[1]，从单一的结构逐渐发展到综合结构。它将接触氧化工艺和给水快滤池工艺结合在一起，用于去除水中的有机物，也可以通过硝化反硝化达到脱氮效果[2-4]，具备了容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、所需基建投资少、出水水质好、运行能耗低、运行费用省等诸多优点。
本试验采用两段上向流曝气生物滤池(Up-flowbiological aerated filter，UBAF)处理城市污水，通过控制运行条件，研究了影响两段UBAF脱氮效果的各种因素。
1.试验装置及方法
1.1 试验装置
本试验装置如图1所示，采用两段上流式BAF。以陶粒为填料, 其性能参数如表1所示。A段曝气生物滤池的主要是对原污水中的少部分氨氮及有机物进行去除,B段曝气生物滤池主要对剩余COD及氨氮进行去除。两座曝气生物滤池均采用上向流的运行方式，其结构设计参数完全相同, 主体材料为有机玻璃,总高2.5m、直径0.25m,填料层高1.50m。底部设有反冲洗供气管、放空管、穿孔配水管。
表1 陶粒填料的性能参数
Tab.1 Theproperties of ceramics filter
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分析 项目 |
粒径 (mm) |
比重(g/cm3) |
孔隙率(％) |
容重 (g/cm3) |
比表面积(m2/m3) |
SiO2 (％) |
Al2O3 (％) |
Fe2O3(％) |
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数值 |
3～4 |
1.56 |
50～75 |
0.78～0.85 |
4250 |
65～70 |
15～20 |
7～9 |
图1 试验装置图
Fig.1 Test apparatus
1.2 启动方式及挂膜
采用接种挂膜，接种液取自某污水厂原水混合液。以曝气量15~18L/h连续闷曝24h后将滤柱排空，重复2次。第3天小流量进水(有利于的硝化菌的生长固定)，以滤速0.55m/h(流量约为16 L/h)、曝气量16L/h运行COD容积负荷，第5天滤速增加到0.75m/h(流量约为21 L/h)、曝气量增至31L/h。期间对各柱DO进行检测，出水DO含量均在4mg/L以上。26天后将滤速均增至0.89m/h，按气水比3：1运行，此时对CODCr、NH4+-N、浊度均有着很好的去除效果，将滤料表面生物膜剥落，镜检发现生物膜中有大量丝状菌，同时有钟虫、线虫、变形虫、轮虫等微型动物。
1.3 试验方法及水质
两反应器从底部进水，气水同向，控制A段水力负荷为0.81m/h、气水比为3：1,研究了相同水力负荷下B段气水比分别为3：1、2：1和1：1时,反应器的运行情况。试验中各项水质指标根据《水和废水监测分析方法》[5](第四版)中提供的标准方法进行监测。如表2所示。
表2检测指标与检测方法
Tab.2 Testitems and methods
|
检测指标 |
DO |
NO3--N |
NO2--N |
NH3-N |
COD |
TN |
|
检测方法 |
仪器法 |
紫外分光光度法 |
N-(1萘基)－乙二氨光度法 |
钠氏试剂光度法 |
重铬酸钾法 |
过硫酸钾氧化分光光度法 |
试验用水来自某污水厂进水端配水井，试验期间原水质如表3所示。
表3 试验期间原水水质
Tab.3Quality of raw water during the experiment period
|
项目 |
COD (mg/L) |
TN(mg/L) |
NH4+-N(mg/L) |
NH4+-N(mg/L) |
pH |
水温（℃） |
|
最小值 |
169.5 |
39.96 |
21.73 |
21.73 |
7.45 |
8 |
|
最大值 |
388.7 |
74.87 |
59.47 |
59.47 |
7.86 |
28 |
|
平均值 |
309.9 |
56.75 |
41.02 |
41.02 |
7.57 |
17.5 |
2.结果与讨论
2.1温度对UBAF脱氮性能的影响
当滤速为0.8m/h，气水比为2:1，且系统稳定运行时，不同温度下反应器对氨氮、总氮的去除效果情况如图2所示。
图2.水温对UBAF脱氮性能的影响
Fig.2. Influence of temperature on UBAF denitrification
水温是影响微生物生长和生物代谢活性的主要因素。从图2可知，当水温小于10℃时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率分别为69.19%、 25.35%，出水NH4+-N和TN的浓度分别为11.8mg/L、40.32mg/L;水温10~20℃时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率分别为80.15%、33.68%，出水NH4+-N和TN的浓度分别为7.48mg/L、41.09mg/L;水温大于20℃时，NH4+-N的去除率明显升高，平均去除率为89.16%，对TN的平均去除率为38.75%，出水NH4+-N和TN的浓度分别为4.93mg/L、37.68mg/L。这说明，水温对UBAF去除NH4+-N和TN具有很大的影响，水温越高，UBAF硝化和反硝化效果越好;反之，则越差。而且，在低温条件下，UBAF对NH4+-N和TN的去除率都比较低，水温变化对脱氮效果影响最大;常温时，NH4+-N和TN的去除率升高，水温变化对脱氮效果影响较小;较高水温时，NH4+-N和TN的去除率明显升高COD容积负荷，水温变化对曝气生物滤池脱氮效果影响最小。这是因为大多数硝化菌合适的生长温度是25℃～30℃之间,当温度低于25℃或者高于30℃硝化菌生长减慢，水温低于15℃时，反硝化速率明显降低。此外，硝化细菌的繁殖速度要比异养菌低几个数量级，在低温条件下繁殖速度更低，影响硝化效果，导致UBAF对NH4+-N的去除率下降;反硝化菌的增殖速率降低，代谢速率也降低，相应的TN去除率也下降。
2.2水力负荷对UBAF脱氮性能的影响
在气水比为2:1，水温为16℃～25℃，进水NH4+-N浓度28.56mg/L~57.29mg/L，TN浓度44.2mg/L~75.36mg/L时，水力负荷对UBAF去除TN的影响如图3所示。
图3.水力负荷对UBAF脱氮性能的影响
Fig.3Influence of hydraulic loading on UBAF denitrification
由图3可知，当水力负荷由0.8m/h增加至1.2m/h时，UBAF对NH4+-N的平均去除率由87.48%降为84.94%，下降了2.54%，对TN的平均去除率由36.40%降为32.38%，下降了4.02%;水力负荷由1.2m/h增至1.8m/h时，UBAF对NH4+-N的平均去除率为78.70%，下降了6.24%，对TN的平均去除率为26.67%，下降了5.71%。可见，水力负荷对UBAF的脱氮性能影响较大，随着水力负荷加大，UBAF对NH4+-N和TN的去除率逐渐降低，而且降幅越来越大期刊网。分析认为，一方面是由于硝化细菌的世代期较长，而随着水力负荷的增大，生物膜的迅速更新，这样不利于硝化细菌的附着和增殖，而且形成的生物膜厚度较薄，有利于氧传递到生物膜内部COD容积负荷，破坏其内部的厌氧环境，不利于反硝化反应的进行;另一方面，水力负荷增加导致有机负荷随之也增加，在较高的有机物的质量浓度下，降解有机质的异养菌处于绝对优势，抑制了自养性硝化细菌的增殖和活性。
2.3有机负荷对UBAF脱氮性能的影响
当滤速为0.8m/h，气水比为2:1，水温为16℃～25℃，且系统稳定运行时，有机容积负荷对UBAF除NH4+-N效果的影响如图4所示。
图4.有机负荷对UBAF脱氮性能的影响
Fig.4 Influence of organic volumetric loading on UBAF denitrification
由图4知，有机容积负荷在2.59~3.39kg/CODCr (m3·d)之间变化时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为90.71%、33.95%，出水NH4+-N和TN的浓度为3.68mg/L、37.72mg/L;当有机容积负荷在3.47~4.68 kgCODCr/(m3滤料·d)之间变化时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为86.97%、26.68%，出水NH4+-N和TN的浓度分别为5.04mg/L、43.53mg/L;当有机容积负荷在4.91~6.97kgCODCr/(m3滤料·d)之间变化时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为82.07%、25.53%，出水NH4+-N和TN的浓度分别为7.05mg/L、43.32mg/L。可见，随着系统有机容积负荷的增加，UBAF 对NH4+-N和TN的去除率逐渐下降。
可见，当有机容积负荷升高时，有机容积负荷对NH4+-N的去除有明显的抑制作用，此时异养菌降解有机物的区间会沿滤料高度方向上移，异养菌的生存空间亦随之向上拓展，压缩了硝化自养菌的活动空间，而且，由于异养菌的比生长速率要远大于硝化自养菌，在争夺溶解氧和营养基质的竞争中，往往是异养菌优先利用水中的氧，在有机底物较为丰富的条件下大量繁殖，使硝化自养菌的增殖受到限制。有机容积负荷越高时，异养菌对硝化自养菌的抑制就越强烈，从而使得UBAF硝化性能呈现较大幅度的下降。随着有机容积负荷的增加COD容积负荷，系统的硝化性能下降，硝酸盐氮浓度降低，可供反硝化菌用作电子受体的硝酸盐氮减少，反硝化菌的生长受到抑制，使得系统的脱氮性能下降。
2.4氨氮容积对UBAF脱氮性能的影响
当滤速为0.8m/h，气水比为2:1，水温为16℃～25℃，且系统稳定运行时，NH4+-N容积负荷对UBAF除NH4+-N效果的影响如图5所示。
图5 氨氮容积负荷对UBAF脱氮性能的影响
Fig.5 Influence of ammonia nitrogen volumetric loading on UBAF denitrification
由图5知，当NH4+-N容积负荷在0.37~0.45kgNH4+-N/(m3滤料·d)之间变化时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率分别为85.26%、36.76%，出水NH4+-N和TN的平均浓度为4.82mg/L、31.97mg/L;当NH4+-N容积负荷在0.46~0.52kgNH4+-N/(m3滤料·d)之间变化时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率分别为82.52%、31.03%，出水NH4+-N和TN的平均浓度为6.88mg/L、41.05mg/L;当NH4+-N容积负荷在0.53~0.58kg NH4+-N/(m3滤料·d)之间变化时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率分别为80.13%、26.44%，出水NH4+-N和TN的平均浓度为9.17mg/L、47.62mg/L。
由此可见， UBAF对NH4+-N的去除率随进水NH4+-N容积负荷的增加而降低。这是因为，硝化细菌属于化能自养菌，比增长速率小、世代周期长、对环境条件变化较为敏感。当NH4+-N容积负荷较高时，高NH4+-N浓度会抑制硝化自养菌的生长，影响UBAF的硝化性能。硝化性能的下降，使可供反硝化菌用作电子受体的硝酸盐氮减少，反硝化菌的生长受到抑制，TN的去除率逐渐的下降，可见，NH4+-N容积负荷的增加会对UBAF系统的脱氮效果产生较为不利的影响。
2.5气水比对UBAF脱氮性能的影响
在滤速为0.8m/h，水温为16℃～25℃，当进水NH4+-N浓度在27.89mg/L~41.36mg/L时，不同气水比对UBAF去除NH4+-N和TN的影响如图6所示。
图6.气水比对UBAF脱氮性能的影响
Fig. 6 Influence of air/water ratio on UBAF denitrification
由图6可知，当气水比为1:1时，出水中的DO浓度为0.77mg/L~1.35mg/L，UBAF对NH4+-N的平均去除率为79.34%COD容积负荷，TN的平均去除率为29.77%;气水比增加至2:1时，出水中的DO浓度为1.76mg/L~2.65mg/L，UBAF对NH4+-N的平均去除率为86.83%，上升了7.49%，上升幅度较大，对TN的平均去除率为35.44%，上升了5.67%;气水比增至3:1时，出水中的DO浓度为2.32mg/L~3.35mg/L，UBAF对NH4+-N的平均去除率在87.98%，增加了1.16%，对TN平均去除率为33.89%，下降了1.55%。
可见，随着气水比的增加，UBAF对NH4+-N的去除率呈上升的趋势。这是因为水中溶解氧充足有利于氨氮的氧化。气水比是控制DO浓度的主要操作条件，DO浓度随气水比增大而增大期刊网。根据双膜理论，氧气传递速率的大小由气液两相停滞膜的阻力决定，气水比越大，膜间传质阻力越小，生物膜内溶解氧浓度也越高，相应地提高了好氧微生物的活性和生物降解速率。但当气水比较大时，溶解氧穿过生物膜较深，生物膜的兼氧及厌氧层薄，内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，因此反硝化效果较差，TN的去除率比较低，出水TN浓度较高;而相对气水比较小时，生物膜内的厌氧层加厚，反硝化效果变好;但当气水比为1:1时，因硝化作用进行的不彻底致使TN去除效果又变差[6]。
3.结论和建议
①水温对UBAF脱氮效果影响较大。当水温小于10℃时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率分别为69.19%、 25.35%;水温10~20℃时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为80.15%、33.68%;在水温大于20℃时COD容积负荷，NH4+-N和TN的平均去除率分别为89.16%，38.75%。水温越高，UBAF脱氮效果越好。
②在水温为16℃～25℃，气水比为2:1时，当水力负荷由0.8m/h增加至1.2m/h时，UBAF对NH4+-N的平均去除率下降了2.54%，对TN的平均去除率下降了4.02%;水力负荷由1.2m/h增至1.8m/h时，UBAF对NH4+-N的平均去除率下降了6.24%，对TN的平均去除率下降了5.71%。随着水力负荷的升高，UBAF脱氮效果呈下降趋势。
③气水比对脱氮效果影响较大，在水力负荷为0.8m/h，水温为16℃～25℃，气水比为1:1时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为79.34%、29.77%;气水比增加至2:1时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为86.83%、35.44%;气水比增至3:1时，UBAF对NH4+-N和TN的平均去除率为87.98%、33.89%。
④两段UBAF，对TN去除率效果不佳，为了增加对TN的去除效果，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级标准，笔者建议增加缺氧滤池进行反硝化，以达到最佳的脱氮效果。
参考文献：
[1]张自杰等.城市污水处理理论与设计.北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]J.J.Chen,et.al.Full scale studies of simplified aerated filter (BAF) for organic and anitrogen removal.Wat.Sci.Tech.2000, 41(4):1~4
[3]MorsyleideF.Rosa, et al.Biofilm development and ammonia removal in the nitrification of asaline wastewater. Bioresource Technology.1998, 65:135~138.
[4]R. Pujol, S. Tarallo. Totol nitrogenremoval in two-step biofiltration. Wat.Sci. Tech. 2000, 41(4-5):65~68.
[5]国家环保总局,《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水分析监测方法(第四版)[M].北京:中国环境科学出版社，2002.
[6]王春荣,王宝贞,王琳.曝气生物滤池内的自养反硝化作用[J].中国环境科学,2004,24(6):746-749
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