上向流与下向流曝气生物滤池启动与挂膜特性研究
摘 要：曝气生物滤池若采用人工启动挂膜时，要合理控制投加的活性污泥量。挂膜过程中，COD的去除率的提高和氨氮的去除率的提高不是同步的，生物膜增长过程中，好氧异养菌的增殖速度要快，硝化菌的增殖速度慢，单纯进行去除有机物的异养菌的培养，在温度为20℃左右时，15天左右可以完成挂膜任务，而硝化菌的培养时间要更长一些。
曝气生物滤池(BiologicalAeratedFilter，BAF)是国外从80年代开始研究推广，到90年代初期已基本成熟的一项新型水处理工艺。它集生物膜的强氧化降解能力和滤层的截留效能于一体，具有池容小、出水质量高、流程简单等优点，目前已经广泛应用于城市污水的处理、中水回用及微污染源水的预处理，已成为了一种经济、高效的污水二级、三级处理工艺。它可以去处SS、COD、BOD硝化、反硝化除磷等。由于在我国研究和应用时间不长，对BAF实际运行的经验总结目前还不够多，故而本文对上向流曝气生物滤池(UBAF)和下向流曝气生物滤池(DBAF)用于生活污水的处理的启动和挂膜特性做了研究，为工程运行提供一定的参考。
1 试验装置和方法
1.1 试验装置及流程
试验采用两个结构完全相同的试验滤柱(图1)，一个按上向流运行(UBAF)，一个采用下向流(DBAF)。滤柱直径70mm，总高度为2500mm，采用国产轻质陶粒滤料，粒径3~5mm，填装高度为1500mm，其下的卵石承托层高度为200mm。滤料层以上淹没深度为300mm，超高为300mm，从滤料层顶部向下每隔350mm设置带取样阀的取样口，编号分别为1、2、3、4，可以取水样也可以取出陶粒滤料。在承托层底部设有有机玻璃穿孔板，孔板上均匀开孔，以保证反冲洗配水均匀。工艺与反冲洗曝气共用一套系统。对曝气生物滤池，曝气管设在承托层内，采用直径8mm的铜管，做成环状水平放置，其上斜下方45°方向交错开孔，孔径3mm。
1.2 试验水质
试验用生活污水取自徐州建筑职业技术学院校园某污水池，试验阶段平均气温17~23℃，pH为6.7~7.6，CODcr为320。18~376.23mgL，NH3-N为20.03~43.24mgL，试验中通过稀释或投加淀粉(或葡萄糖)及碳铵来减小或增大进水浓度。
1.3 分析方法和仪器
CODcr的测定采用重铬酸钾法;氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法，溶解氧采用HANAN便携式溶氧仪。
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2 启动与挂膜试验
取用徐州污水处理厂曝气池的回流污泥进行接种。将3L活性污泥(絮状灰黑色)适当稀释后投加到两滤柱内，同时投加生活污水，浸没填料，进行闷曝。3天以后，通过观察孔看到滤料顶层和中间滤料孔隙中的灰黑色污泥颜色变成了浅土褐色。随后改用小流量循环方式运行，进水流量1。92Lh~3。0Lh，气水比采用
3∶1，两柱分别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鲜污水。持续运行5天后，开始测定(03年10月11日)进、出水的COD、NH3-N以及溶解氧等值，同时对观察生物膜的生物相的生长变化情况，并记录每天的水温以及测试数据。运行到10月22日至12月28日两柱COD、NH3-N的去除率分别都达到70%，标志着挂膜成功。
3 结果与分析
从2003年10月2日开始挂膜到10月28日挂膜成功，前后总共26天时间。文献介绍气温在20~25℃时10天完成挂膜。本试验整个挂膜时间比最初预计的时间(15天)要长，主要是因为经验不足以及对某些运行参数控制得不够理想。
影响挂膜的因素主要可以归为三类:微生物的性质、载体表面性质以及环境特性。在填料特性已经确定以及采用接种挂膜的情况下，对本实验主要是控制微生物的浓度和为微生物提供合适的环境条件，便于微生物附着生长。生物膜的早期形成依赖于悬浮微生物的浓度和其增长活性。增大悬浮微生物浓度有助于提高微生物与载体间的接触频率，而细菌活性较高时其分泌体外多聚糖的能力强。本实验中，闷曝阶段的添加的活性污泥量偏多，造成滤料的堵塞，后来对污泥进行的冲洗对培养生物膜产生了不好的影响，是造成挂膜时间增长的原因之一。所以在人工挂膜阶段，合理控制投加的活性污泥的浓度，对加快挂膜的进程有很重要的意义。
在挂膜试验阶段初期，进水COD浓度控制在较小的值，NH3-N的浓度也比较低，随时间的推移，逐步提高进水COD和NH3-N浓度，反应器内的溶解氧值应该保持在2。0mgL以上。从图2和图3可以看出，在微生物的培养过程中，不论上向流还是下向流，开始阶段的数据显示，COD的去除率较高，可以达到40%~50%，而氨氮的去除率较低。这主要是由于前面阶段的培养，好氧异氧微生物已经在滤料中开始生长，对污水中的有机物进行降解的结果，同时也有滤料对胶体态和大分子有机物的过滤作用。但是，随着时间的推移，COD的去除率的提高和氨氮的去除率的提高不是同步的，在上向流滤柱的COD去除率达到70%(10月22日)时，其氨氮的去除率才达到57%(10月23日);下向流的COD去除率达到70。98%时，氨氮的去除率才达到67。2%。可见，生物膜增长过程中，好氧异养菌的增殖速度要快，相比之下，硝化菌的增殖速度慢。研究报道，硝化细菌的比增长速率比异养型细菌的比增长速率要小一个数量级。对亚消化细菌和消化细菌而言，其最适宜的温度是30℃，温度的变化对硝化细菌的增殖速度和活性影响较大。文献表明及纯培养试验表明，温度为25℃时的硝化菌活性约为温度为15℃的3倍[5]。在本实验中，水温一直在17~22℃之间，试验期间温度可能减缓了硝化细菌的增殖速度，所以在两柱COD的去除率在10月22日达到或接近70%，而氨氮的去除率却要比COD的去除率晚近6天时间才达到70%，可见单纯进行去除有机物的异养菌的培养，在温度为20℃左右时，15左右天可以完成挂膜任务。而硝化菌的培养时间要更长一些。
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从图2中可以看到，在培养过程中，在同样进水水质、水量和气水比的前提条件下，在挂膜测试的初期上向流BAF的COD去除率要比对应的下向流BAF的去除率要稍微低一些，而到挂膜过程的后期，上向流滤柱对COD的去除率和对应的下向流BAF滤柱对COD的去除率逐渐相同甚至略微高出一些。这主要是由于两种不同的气水流态造成的，在上向流BAF中气、水向均为向上流动，有利于气泡在滤料空隙中向上的运动，对滤料有一种“疏通”作用，不会在滤料空隙中形成气阻，使得气泡的上升运动可以在整个滤料横断面上比较均匀的分布，同时由于气泡在滤料孔隙中向上的运动速度变快，使水流的紊动性增加，而在挂膜测试初期生物膜的微生物量有限的情况下，滤料的过滤作用能够对水中的有机物产生吸附截留作用，而这种情况下下向流滤柱中由于其表层截留的悬浮物以及表层较大的微生物量，会使得其表层滤料的过滤作用好于上向流，所以出现了下向流出水COD低于上向流出水COD的现象。而在挂膜后期，随着微生物量的增多，生物膜变厚，微生物吸附和生物氧化作用得到加强，这种作用要的效果强于纯粹的滤料的过滤作用，从而使得两种运行方式的出水COD差异逐渐减小。
挂膜测试阶段上向流和下向流BAF两滤柱的NH3-N去除率随时间变化情况见图2所示，在测试初期氨氮的去除率较小，随着运行时间的增长，硝化细菌在填料上逐渐富集和并繁殖生长，氨氮的去除率在逐渐提高。但由于由于硝化细菌本身的增殖速度比较慢，温度以及好氧有机物对硝化菌生长的影响。所以整个培养过程要比异养菌的培养过程时间长。对于生物膜法挂膜培养而言，衡量生物膜是否成熟，通常是以COD和氨氮的去除率达到70%以上作为标志。
考虑到污染物浓度和水力负荷对微生物种群的的影响和冲击，为了得到成熟稳定的微生物，在培养过程中，进水的COD和氨氮浓度应逐步提高，而且每一次改变浓度，都稳定运行2~3天，同时监测滤柱内的溶解氧浓度。从图中可见，在培养测试阶段的后期，两滤柱的氨氮去除率稳定上升，而且在试验进水COD和氨氮条件下，下向流出水的氨氮去除率要略高于上向流出水的氨氮值。
挂膜阶段反冲洗的强度的控制很关键，要以能够将滤料孔隙中截留的大部分悬浮物和过多增殖的微生物去除为条件。试验发现，恒定气量反冲洗时，由于微生物膜的粘结作用，发现陶粒滤料会结成块，活塞式整体向上移动。当采用脉冲气流冲洗，使滤料膨胀、跌落反复2~3次，才能使陶粒滤料散开，在陶粒散开下落的时候，可以看到滤料孔隙中的大量的悬浮物和絮状微生物膜，再用气、水流联合冲洗时才能较好、快速地去除过多的生物膜和悬浮物杂质。只要控制好反冲洗强度和时间，冲洗后生物膜活性就较高，滤柱投入运行后对出水水质影响较小。运行中，要特别注意，控制水冲和气冲强度使滤层膨胀度不超过8%~10%为限，可以根据进水悬浮物情况、COD负荷和滤料堵塞的情况，加以适当的增减;反冲洗的时间间隔，要根据水流阻力的增加情况及时冲洗，否则生物膜增长过厚以后，溶解氧会下降，厌氧微生物繁殖过多，不仅微生物种群及其分布发生变化，会影响出水水质，此时若采用较强的反冲洗，会造成活性高的好氧微生物的大量流失，使得冲洗后处理效率下降，而且恢复时间变长。
在挂膜试验中发现，上向流滤柱具有较长的反冲洗周期和较小的水流阻力，过滤的水流阻力分布不集中;下向流滤柱的反冲洗周期较短，其表面进水段溶解氧浓度较低，会造成丝状菌大量繁殖，表层滤料易发生堵塞;由于气、水逆向流，在滤柱中间滤料间易形成“负水头”和气阻。在挂膜阶段微生物的数量和种群都在不断增加，观测滤料表面的生物膜和反冲洗出来生物膜，在显微镜下可以看到微生物的种群和形态、数量的变化。由于采用的接种挂膜，微生物的种类、数量从一开始就比较丰富，但是，在早期活动的主要是大量的细菌，可以明显观察到生物膜内有大量的丝状菌和球形、指形的菌胶团，而其他的微生物很少，随着时间的推移，生物膜内逐渐出现许多较高等的微生物，如游泳型纤毛虫、钟虫和吸管虫等。
在挂膜后期处理效率较高的情况下，出水也较清澈，从观察窗以及从取出的陶粒样品可以看到其表面附着有淡黄褐色的生物膜并有一些丝状絮状在陶粒孔隙中伸展开来;在显微镜下可以看到生物膜有大量的菌胶团和吸附在其上的活性很好的固着型纤毛虫，还有一些游泳型纤毛虫，有时还可以看到少量线虫纤虫，各种微生物的活性都很高，呈现一派生机勃勃的微生态平衡现象。反冲洗出的生物膜呈现透明土褐色，看上去具有粘稠状，具有较好的沉降速度，镜下观察同样可以发现大量的高活性的微生物。在每一个稳定运行周期末期，对上向流滤柱，可以从4号取样口处的观察窗看到在滤料表面会形成白色絮状或者灰白色的生物膜包裹滤料、充满滤料间隙，在上部2号取样口的观察孔中可以看到滤料表面的淡褐色的生物膜。
在下向流滤柱的表面滤层中及滤柱的内表面上，包裹及漂浮着许多白色絮状或丝状粘性物，在显微镜下观察，发现大量的如发丝般的丝状菌。这些丝状菌在污水进入端很容易大量滋生，造成滤层孔隙堵塞，水流过滤阻力增加，使得此处的溶解氧下降，造成缺氧或者低氧条件，其他好氧微生物种类和数量减少，抑制了菌胶团细菌的生长，同时影响生物膜的传质，使生物膜内部出现厌氧环境，若不及时反冲洗，白色的膜慢慢会变成灰色直到灰黑色，影响处理效果。从而增加了滤池的反冲洗次数。这对生长较为缓慢的微生物来说，影响了他们的附着生长。相对于进水段而言，在滤柱的中间段由于COD负荷降低，溶解氧的水平提高，丝状菌的数量变得较少，好氧微生物的种类较多，菌胶团较为丰富，原生动物的数量也较多。
在挂膜试验阶段，发现污水在管道中流动的过程中，会产生厌氧反应，产生气体，积聚在污水管道中的高处会形成气阻，使进水阻力增加流量减小，故在进行试验装置设计时候，要在适当的地方安装排气阀。在试验过程之中，每天应检查管道内是否积气，并随时排除，保证水路畅通。
4 结论
曝气生物滤池若采用人工启动挂膜时，要合理控制投加的活性污泥量。挂膜过程中，COD的去除率的提高和氨氮的去除率的提高不是同步的，生物膜增长过程中，好氧异养菌的增殖速度要快，硝化菌的增殖速度慢，单纯进行去除有机物的异养菌的培养，在温度为20℃左右时，15天左右可以完成挂膜任务，而硝化菌的培养时间要更长一些。试验对比发现，由于不同的气水流态，在挂膜测试的初期上向流BAF的COD去除率技术在我国的应用。比对应的下向流BAF的去除率要稍微低一些，而到挂膜过程的后期，上向流滤柱对COD的去除率和对应的下向流BAF滤柱对COD的去除率逐渐相同甚至略微高出一些。
后期两滤柱的氨氮去除率稳定上升，在试验进水COD和氨氮条件下，下向流出水的氨氮去除率要略高于上向流出水的氨氮值。上向流曝气生物滤池纳污率较高，反冲洗周期较长。滤池的气水比不应该是一个运行控制参数，其大小应该根据污水中所含耗氧物质的多少进行调节，以便保证污水中溶解氧的值能达到生化反应所需要的水平。BAF是符合我国国情的新型生物水处理技术，有很大的应用潜力，应加大力量进行深入研究，以推动该技术在我国的应用。
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