摘要： 对采用酶促填料的变速生物滤池处理城市污水进行了生产性试验研究 ，考察了水力停留时间(HRT)和温度的影响 。结果表明，常温、填料层厚度分别为1.5 m和2.0 m、填料层H RT分别＞3.5 h和4.9 h、相应的滤池HRT＞9.7 h时，滤池能有效地去除水中有机物和悬浮物。
关键词： 变速生物滤池 酶促填料 城市污水
Study on the Performance of Variable Rate Biofilter for Treatment of Municipal Wastewater
Abs tractThe 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
处理城市污水是控制水污染的重要任务之一。自20世纪80年代中后期以来，以厌氧 /缺氧技术为核心的城市污水处理工艺流程因具有能耗低、运行成本低、污泥产量低、管理方便等突出优点，越来越受到世界各国学者及工程界的普遍重视［1］，在此结合变速生物滤池处理城市污水的生产性试验研究成果，对有关问题 进行探讨。
1 试验装置与方法
1.1 试验装置 试验在重庆市某污水处理厂进行，该厂原采用合建式表面曝气 沉淀池，而变速生物滤池是由原曝气 沉淀池的曝气 区改建而成，试验流程见图1。
滤池的平面尺寸为7.8 m×5.95 m，总高为5.7 m(其中布水区为1.0 m，承托层为0.35 m，填料层夏季为1.5 m、冬季则加至2.0 m，沉淀区夏季为1.5 m、冬季为1.0 m，保护高为1. 6 m)。滤池从底部进水，上部出水，过水断面随水流方向逐渐增大。滤池中所装填料为本研究组开发的专利产品——酶促填料，其粒径为10～20 mm。
1.2 主要测试项目及方法 主要测试项目及方法见表1。
表1 测试项目及方法 项 目 测定方法或仪器 项 目 测定方法或仪器 DO、温度 YIS 52型溶解氧测定仪 碱度(CaCO3 计) 酸碱指示剂滴定法 流量 三角堰 挥发酸(VFA) 比色测定法 SS 103～105 ℃烘干重量法 NH3 -N 纳氏试剂分光光度法 pH值 精密pH试纸或pH计 TP 钼锑抗分光光度法 COD、SCOD HACH—COD测定仪 SO4 2- 硫酸钡比浊法 注： SCOD为溶解性COD。
1.3 试验过程 试验在常温下进行，分夏季和冬季两个阶段，主要考察水力停留时间和温度对滤池运行性能的影响。污水在滤池内的水力停留时间通过进水流量的改变来调节，温度则随季节而变化。
2 试验结果
试验结果如表2、3，滤池运行环境参数见表4。
表2 滤池运行试验结果(一) 滤池HRT(h) 填料层HRT(h) 流量(m3 /d) COD SCOD SS 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 进水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 夏季(1999年8月25日—1999年10月18日)填料层为1.5 m 水温为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)填料层为2.0 m 水温为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
表3 滤池运行试验结果(二) 项 目 进 水 出 水 去除率(%) 波动范围(mg/L) 平均值(mg/L) 波动范围(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 SO4 2- 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 SO4 2- 78.7～94.9 87.7 25.8～40.4 34.9 60.2
表4 滤池运行环境参数 项 目 CaCO3 碱度(mg/L) VFA(mg/L) DO(mg/L) pH 进水 出水 进水 出水 进水 出水 进水 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为滤池表层水样测定值。
3 结果与讨论
3.1 出水水质 ［2］ ，这从理论 上指出了厌氧 系统在稳定状态下所能达到的最小基质浓度，而这仅仅是单一基质情况得出的结论，实际过程中污水含有多种基质，每一种微生物都有其各自的Smin，这样出水基质浓度将大于或等于所有单一基质Smin中的 最大值，从而导致较高的出水COD浓度和较低的去除率，这是由厌氧 /缺氧降解机理所决定的。厌氧 滤池中，废水中很大一部分有机物是 由填料间隙滞留的悬浮微生物去除的。Song分别采用交叉流式和管流式塑料波纹孔板作滤池填料试验，结果表明［3］ 填料的比表面积增加60%而COD去除率仅提高2%。Young的看法与此一致，并指出在有机负荷较高［12～16kgCOD/(m3 ·d)］的AF中，填料间隙悬浮微生物所去除的有机物占总去除率的1/2左右［4］ 。同时，在AF反应器中还有颗粒 污泥存在，这已为不少研究者所证实，如Young和McCarty发现上升气流的作用使污泥微粒结成颗粒状，易于沉淀和吸附有机物［5］ 。钱易等用AF处理生活污水的试验也发现部分悬浮污泥的颗粒化现象［6］ 。由此可见，在AF反应器中填料间隙滞留的悬浮颗粒污泥对有机物的降解有重要贡献，而本试验中由于滤池在运行中要定期排泥，反应器中的悬浮微生物较少，故颗粒污泥可能尚未形成，这对滤池的性能有一定影响。文献 报道滤池填料的装填厚度至少应满足2 m的最低要求［4］ 。考虑到填料价格较贵，若能减小填料层的厚度而又能有效处理城市污水，则将大大减少滤池的基建投 资，有利于滤池的推广应用 ，所以试验时先在滤池中装填1.5 m的填料，夏季运行阶段结束 后将填料层厚度增至2.0 m。3.2 水力停留时间(HRT)的影响 在厌氧 /缺氧污水处理技术中，HRT是一个至关重要的参数，它的大小直接影响反应器的运行效果和反应器容积的确定。在处理城市污水时，HRT更是一个起限制作用的因素。当污泥浓度基本稳定时，HRT越长，有机物与微生物接触越充分，有机物的降解就越彻底，去除率也就越高，但为了减少反应器容积以降低构筑物造价和占地面积，又必须尽量缩短HRT。本试验考察了HRT对变速生物滤池反应器处理效果的影响(见图3)，以期得到最合适的HRT。
由表2和图3可知，HRT对有机物去除的影响表现为反应器对COD、SCOD去除率随HRT的减少而降低。当填料层高度为1.5 m和2.0 m、对应的HRT填1.5和HRT填2.0分别为8.6 h和12.1 h(滤池HRT滤为23.7 h)时，COD去除率最高(分别为49.5%和55.8%)；此后HRT逐渐减少，COD去除率逐渐降低。当HRT填1.5和HRT填2.0分别减少到3.5 h和4.9 h(即HRT滤减少到9.7 h)时，COD去除率降至41.0%和46.4%，此时HRT填1.5和HRT填2.0分别减 小了5.1 h和7.2h(HRT滤减小了14.0 h)，而相应的COD去除率只下降8.5%和9. 4%，表明在此工况下滤池的性能可保持相当的稳定性；当HRT填1.5和HRT填2.0分别减少至2.8 h和3.9 h(HRT滤减少至7.6 h)时，尽管HRT填1.5和HRT填2.0分别只减小0.7 h和1.0 h(HRT滤只减小2.1 h)，但相应的COD去除率却降低了3.7%和5.9%，表明此时的反应器运行趋于不稳定状态。SCOD去除率随HRT的变化与上述COD去除率变化情况类似。由此可见，在HRT达到一定值后采用较长的HRT对提高反应器处理效率的贡献不大，但会造成反应器的容积增加较多，所以在实际应用中通常采用较小的HRT以获得尽可能大的处理能力。就本试验而言，在填料层高度为1.5 m或2.0 m的情况下滤池HRT采用9.7 h较为理想。
对回归公式进行整理后得到如下两式， 夏季时：-0.126 ］2 =0.937 7-0.253 ］2 ＝0.967 3-m ］计算 方便，可预测填料层在HRT不同时对溶解性有机物的去除率，且具有一定的准确性和实用性。3 /d时，流速的影响已经很小，滤池进水COD和SS与初沉池出水接近。此外，夏季滤池进水COD和SS值较冬季低，这主要是由于冬季用水量小于夏季用水量所致。3.3 温度的影响 厌氧 微生物对温度更为敏感，迄今大多数厌氧 /缺氧反应器在中温范围运行，且以30～40 ℃最为常见。在中温范围内，一般温度每升高10 ℃，反应速度约增加一倍［7］ 。本试验中，夏季水温比冬季水温高10 ℃左右，在冬季温度较低时滤池出水的COD和SCOD明显升高，其平均值分别增加98.3 mg/L和39.6 mg/L。但由于滤池进水有机物浓度较高，故冬季对COD和SCO D的去除率与夏季相比反而有所升高，表明冬季温度较低时滤池仍具有较好的处理效果，这一方面是因为填料层厚度增加了0.5 m，另一方面可能是反应器中积累了较多的污泥(生物量较大)从而弥补了微生物在温度较低时活性的降低。同时，夏季滤池进水有机物浓度较低，滤池对有机物的降解能力没有充分发挥出来，使有机物的去除率偏低。3.4 滤池中N、P和硫酸盐的改变 N和P是植物营养素，大量的有机物和N、P排入水体会使水体环境的污染 和富营养化日益严重，而硫酸盐对污水厌氧 处理有重要的影响，因此本试验考察了滤池中这三者的变化情况。厌氧 /缺氧工艺中，污泥的净产率是很低的，因此微生物合成所消耗的P不是滤池除P的主要途径。3 -N浓度较进水略有增加。在厌氧 过程中，氨基酸、蛋白质和其他含氮有机 物可通过加氢还原等途径分解成氨和另一种不含氮有机物，使反应器中NH3-N浓度上升，故出水NH3 -N浓度有所升高，这与文献［6］ 、［8］ 的结论是一致的。厌氧 /缺氧生物处理过程中，少量的硫酸盐或硫化物是有益的，但当污水中硫酸盐含量过高时，会对厌氧 生物处理产生严重的抑制作用，具体表现为SRB(硫酸盐还原菌)与MPB(产甲 烷菌)争夺乙酸和H2而产生的基质竞争性抑制作用，以及硫酸盐还原产物—硫化物对MPB的毒害作用而导致的次级抑制［9］ 。由表3可知，与有机物的去除相比，滤池对硫酸盐的去除率相当高(约为60%)，据此推断城市污水中大量硫酸盐的存在对滤池去除有机物的性能有一定影响。3.5 pH、VFA、碱度的影响 试验期间，滤池进、出水pH值在6.5～7.4之间(未出现大的波动)，出水VFA浓度较进水有所降低，出水碱度有所增加。滤池中VFA的降低和碱度的升高实际上是生化过程中产生 的酸碱中和的结果，碱度表明了反应器系统的缓冲能力。有资料认为［10］：用VFA与碱度的比值可较好地反映系统的缓冲能力，当两者之比＜0.4时，系统缓冲能力强，能适应VFA一定程度的波动，pH值变化不大；当两者之比在0.4～0.8之间时，说明系统缺乏缓冲能力；当两者之比＞0.8时，表明反应器即将发生酸化现象。本试验滤池中VFA介于8～122 mg/L，碱度在320 mg/L左右，酸碱度之比近似介于0.03～0.38，这表明系统缓冲能力足以中和反应过程中形成的挥发酸，使滤池pH值维持在中性范围内，可保证反应器的正常运行。
4 结论
① 变速生物滤池在水温为9～26 ℃条件下处理城市污水，COD去除率可达40%～55%，SCOD去除率可达30%～45%，SS去除率可达60%～80%。冬季温度较低时，滤池出水COD和SS升高，但仍具有较好的处理效果，表明滤池在冬季温度下仍可正常运行。影响 ，COD和SS去除率均随HRT的减少而降低。当HRT填1.5和HRT填2.0分别为3.5h和4.9h(滤池HRT滤为9.7 h)以上时，COD去除率较稳定；当HRT填1.5和HRT填2.0分别降至2.8 h和3.9 h(滤池HRT滤降至7.6 h)以下时，COD去除率显著下降，滤池运行性能趋于不稳定。本试验在填料层厚为1.5 m或2.0 m的情况下，滤池HRT控制在9.7 h以上。3 -N浓度略有升高。
参考 文献 ：
［1］胡启春.国外厌氧 处理城镇生活污水的应用 现状和发展 趋势［J］.中国 沼气，1998，16(2)：11-15.厌氧 —水解处理工艺［M］.北京：中国环境科 学出版社，1991.The anaerobic filter for waste treatment［J］.J WPCF,19 69，41(5)：R160-R173.厌氧 滤池处理生活污水的试验研究 ［J］.给水排水，1994，20(1)：24 -27.厌氧 生物处理［M］.北京：中国轻工业 出版社，1998.厌氧 生物处理［J］.环境科学 ，1991，12(3)：67-71.
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