以污泥碳化载体为滤料的生物滤池处理微污染原水的启动试验研究
导读:：因此要更好地发挥生物滤池的生物处理功能。考察了滤池的启动过程中运行稳定后的除污效果。启动期间控制反冲洗周期在6～7d。
关键词：生物滤池，启动，污泥碳化滤料，反冲洗周期
生物膜法是利用生物膜内附着生长的微生物的生物氧化作用来净化水质，因此要更好地发挥生物滤池的生物处理功能，必须在滤料表面形成稳定的生物膜。滤料是生物滤池的核心部分，它的表面结构、物理和化学特性对生物膜的附着生长起着至关重要的作用。本试验以“混凝+沉淀+生物过滤”工艺为基础，采用新型的污泥碳化载体作为生物滤池滤料，考察了滤池的启动过程中运行稳定后的除污效果。
1 试验装置与方法
1.1试验装置
生物滤池采用下流式，试验装置如图1所示，生物滤柱由14cm×14cm的有机玻璃柱制成。滤柱高为2100mm，承托层高300mm，滤料层高度1000mm，填料层以上过滤水头600mm，超高200mm。滤柱底部设有曝气和配水装置。沉砂池与生物滤池之间设有旁通管道，启动期间为了提高进水中的污
染物质的负荷，沉砂池的出水直接进入生物滤池过滤。
图1 试验装置图
Fig.1Test apparatus
1.2 试验水质与监测方法
本研究以受污染的河流水为原水，试验期间原水主要水质指标如表1所示。试验中各项水质指标的监测均根据《水和废水监测分析方法》(第四版)中的标准方法进行，水量及气量的计量均采用流量计。
表1 原水主要水质指标
Tab.1Quality of raw water
|
项目 |
水温（℃） |
pH |
CODMn (mg/L) |
NH4+-N(mg/L) |
NO2--N(mg/L) |
浊度 (NTU) |
|
最小值 |
20 |
6.5 |
5.2 |
1.45 |
0.2 |
7.46 |
|
最大值 |
27 |
7.9 |
8.65 |
2.11 |
0.59 |
11.57 |
|
平均值 |
23 |
7.4 |
7.17 |
1.78 |
0.38 |
8.98 |
2 挂膜启动过程
生物滤池的挂膜方式一般可采用自然富集培养挂膜和人工接种挂膜[1, 2]。有研究表明[3, 4]，自然挂膜有利于异养菌的生长，形成的生物膜抗冲击负荷能力比接种挂膜好，且逐渐增加进水流量的方法的启动时间明显少于直接采用设计流量进水的方法毕业。所以本试验中生物滤池的启动采用了逐渐增大流量的自然富集培养的方法，启动过程设计了三个运行工况，如下表2所示。
表2 试验运行工况
Tab.2Experimental working conditions
|
运行工况 |
水力负荷 （m/h） |
流量（L/h） |
曝气量（L/h） |
|
|
序号 |
运行时间/d |
|||
|
1 |
1～6 |
1.5 |
30 |
75 |
|
2 |
7～12 |
3.0 |
60 |
75 |
|
3 |
13～18 |
4.5 |
90 |
90 |
3 结果与分析
3.1 对CODMn的去除及分析
启动期间，生物滤池对CODMn的去除效果的变化趋势如图2所示。
图2 启动期间生物滤池对CODMn的去除效果
Fig.2 Removalof CODMn by Bio-filter during start-up period
由图2可以看出，启动初期，生物滤池对CODMn表现出了一定的去除率，第2、3天分别达到了16.93%和19.72%，运行9天后去除率达到了30%以上，运行17天后去除率高达41.7%。分析认为，对有机物的去除在运行初期主要凭借于滤料对部分非溶解态的有机物吸附及截留，而生化作用对有机物的去除主要是靠异养型好氧菌的作用，这些微生物世代时间大多比较短，因此生长和代谢比较旺盛，生物膜的形成和稳定过程较快，随着运行时间的延长，使得滤池对CODMn的去除率上升较快。由图2还可以看出，当水力负荷加大后(即由工况1调整为工况2)，生物滤池对CODMn的去除率由28.75%下降到27.98%，继续运行1天后去除率上升到了29.94%;第13天将工况2调整为工况3运行，生物滤池对CODMn的去除率从37.3%下降到34.62%，稳定2天后去除率达到了38.24%。这主要是因为生物滤池中的微生物量与有机物容积负荷是相对应的，容积负荷较低的稳态条件下滤池中的微生物量相对较少，容积负荷随着进水量的增加而提高，然而微生物量的增加需要一定的时间环境保护，因此滤池出水CODMn会出现短时间的增加，运行一段时间以后，生物量会随着进水流量增而增加，此时CODMn的去除率得到了恢复和提高。
3.2 对NH4+-N及NO2—N的去除及分析
启动期间，生物滤池对NH4+-N及NO2--N的去除效果的变化趋势分别如图3、图4所示。
图3 启动期间生物滤池对NH4+-N的去除效果
Fig.3 Removalof NH4+-N by Bio-filter during start-up period
NH4+-N的去除依赖于硝化细菌的数量和活性。由图3可见，在启动初期，NH4+-N的去除率较低，第2、3天分别仅为4.69%和8.06%。这是因为硝化细菌的生长繁殖速度与好氧异养菌相比要慢的多。随着运行时间的延长，硝化菌在滤料上逐渐富集和生长繁殖，NH4+-N的去除率逐渐得到增加，生物滤池在第 11天NH4+-N的去除率达到61.40%，挂膜成功[5,6]。这说明采用较低的滤速进水延长了空床接触时间，改变运行工况的逐渐增大流量的运行方式有利于生长缓慢、世代周期长的硝化菌的繁殖和固定，缩短了滤池的启动时间。当生物滤池运行到15天后，NH4+-N的去除率大于73.58%，出水NH4+-N的浓度随进水水质的变化较小，去除率保持相对稳定，最高可达79.89%。
图4 生物滤池出水亚硝酸盐氮的变化曲线
Fig.4 NO2--Nconcentration in the effluent by Bio-filter
由图4可以看出，在第2～11天，出水NO2--N浓度均高于进水浓度，主要是因为运行初期生物膜微生物的量及其活性在不断的积累和增强，亚硝酸菌和硝酸菌的生长速率和转化能力没有得到协调稳定，造成了亚硝酸盐的积累[7]。随着硝化细菌在滤料上的逐步富集生长与繁殖，使得氨氮向硝酸盐氮转化能够顺利进行，出水中NO2--N浓度逐渐降低。第13天，进出水的NO2--N浓度分别为0.2mg/L和0.14mg/L。在生物膜成熟后，出水NO2--N浓度基本保持稳定。
3.3 对浊度的去除及分析
启动期间，生物滤池对浊度的去除效果的变化趋势分别如图5所示。
图5 启动期间生物滤池对浊度的去除效果
Fig.5 Removalof turbidity by Bio-filter during start-up period
生物滤池对浊度的去除主要是由滤料的吸附截留作用和生物吸附作用共同完成的[8,9]。由图5可以看出环境保护，在第2～6天，生物滤池对浊度的去除率基本处于上升趋势，这是因为启动初期滤料之间的孔隙较大，能很好地发挥吸附截留作用。第7天，浊度的去除率下降了2.36%，这可能是因为随着运行时间的延长滤料的吸附容量趋于饱和，但是随后随着反冲洗后滤料截留能力的恢复和滤料上微生物的数量逐渐增多，第8～12天，生物滤池对浊度的处理效果也在逐渐上升。运行10天后，滤池对浊度的去除率达到了81.11%格式。第11天，生物膜成熟后，生物吸附作用的增强使得生物滤池对浊度有很好的去除效果，除浊率均高于80%，最高可达84.11%。
3.4运行周期
启动过程中，由于进水浊度较低，滤料吸附截留的杂质量相对较少;再加之进水的有机物浓度较低，所以没有观察到滤床的堵塞现象，因此原则上可以不进行反冲洗。但是运行时间过长，污泥碳化载体容易板结成块，从而影响出水水质，而且定期的反冲洗有助于保持滤料表面的高生物活性[10]。因此，启动期间控制反冲洗周期在6～7d，反冲洗后生物滤池的除污能力可在3～4.5h内得到较好的恢复。
4 结论
(1)启动初期，生物滤池对CODMn的去除率主要凭借与滤料的吸附和截留，随着生物膜的成熟CODMn的去除率在逐步增加，第 9天CODMn的去除率达到了30%以上，运行17天后高达41.7%。NH4+-N的去除在启动初期较低，第2、3天分别仅为4.69%和8.06%环境保护，第15天以后去除率大于73.58%，最高可达79.89%，且保持相对稳定。启动初期出水中NO2--N浓度高于进水，随着生物膜的成熟，出水中NO2--N浓度逐渐降低，生物膜成熟后，出水NO2--N浓度基本保持稳定。生物滤池对浊度的去除率均处于上升趋势，生物膜成熟后，对浊度的去除率均高于80%，最高可达84.11%。
(2)硝化细菌的生长繁殖速度与好氧异养菌相比要慢的多，因此，应以氨氮的去除率作为判断生物膜是否成熟的依据。滤池运行11天后NH4+-N去除率达到60%以上，挂膜成功。
(3)启动期间为了保持滤料表面的高生物活性，反冲洗周期应控制在6～7d，反冲洗后生物滤池的除污能力可在3～4.5h内得到较好的恢复。
参考文献
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[9]朱亮.供水水源保护与微污染水体净化[M].北京:化学工业出版社,2005:290-310.
[10]Chudoba P, PujolR. A three stage biofiltration process performances of a pilot plant[J]. WaterScience and Technology, 1998,38(8-9):257-265.
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