不同填料下UBAF深度處理印染廢水對比試驗研究
導讀:：研究不同填料的UBAF對有機污染物的去除效果。試驗啟動采用接種掛膜的方法。號濾池所用填料為新型尼龍填料(尺寸5×5×3mm)。號濾池所用填料為生物陶粒(粒徑為4-6mm)。
關鍵詞：UBAF，接種掛膜，新型尼龍填料，陶粒
工業用水量的增加以及水資源的日益短缺，使污水深度處理及回用越來越受到人們的重視。印染企業是用水大戶，且其產生的廢水水質成分十分復雜，有機物濃度高，多為有毒有害物質。目前，印染廢水達到排放標準的處理技術已成熟，但由于廢水量大，且受納水體徑流量及自凈容量小，即使符合排放標準的廢水仍然可能會造成水體污染。在水資源短缺日益加劇的今天，印染企業生產過程中需要大量用水。因此，對印染廢水進行深度處理后回用，具有較高的環境效益和經濟效益。
曝氣生物濾池就其單位池容處理水量大、停留時間短、占地面積小、截污能力強、具有較強的深度處理功能等優勢在廢水處理業中被廣泛應用。而其構造組成中的最主要的核心部件是填料，不同性能的填料對廢水處理的效果起完全不同的作用。
因此，多年來對填料材質性能的研究從未中斷過。目前，工程中廣泛應用的填料有陶粒、火山巖、石英砂、聚苯乙烯填料等。本試驗采用新型尼龍填料(主要材質為增強尼龍PA66和抗氧化劑)和傳統生物陶粒在相同工況變化時，對某印染廠深度處理段的廢水進行對比試驗，研究不同填料的UBAF對有機污染物的去除效果，以期使該新型填料能大規模應用于印染廢水深度處理。
1、試驗部分
1.1 試驗裝置
兩套上向流曝氣生物濾池試驗裝置的材質和結構完全相同，均由有機玻璃制成，其中1號UBAF如圖1所示。
圖1 試驗裝置示意圖
Fig.1. Schematic diagram of UBAF
本試驗裝置高為2000mm，直徑為200mm，承托層高200mm，自下到上由不同粒徑的鵝卵石按級配由大到小依次堆成陶粒，填料層高1100mm，頂部設保護高度400mm，在填料層高200、400、600、800、1000mm處分別設取樣口。兩套UBAF裝置底部均設有穿孔曝氣管、反洗布氣管、放空管、進水及反洗布水管。反應器采用上向流形式，廢水由底部進入，上部排出畢業范文。反沖洗采用氣水聯合反沖，反沖液由頂部溢流口排放。1號濾池所用填料為新型尼龍填料(尺寸5×5×3mm)，2號濾池所用填料為生物陶粒(粒徑為4-6mm)，兩濾池的填料層高均為1100mm。
1.2 試驗用水及水質本試驗將吳江某印染企業的深度處理系統中臭氧池的出水靜置停留約30min后，作為試驗用水。該企業廢水COD濃度為800~1100mg/L，經過混凝沉淀、水解酸化、好氧生物曝氣、砂濾、臭氧曝氣等工藝處理后，廢水的COD得到有效地降解。本試驗用水水質如表1所示。
表1原水水質
Tab.1Quality of raw wastewater mg·L-1
|
項目 |
COD/ (mg·L-1） |
SS/ (mg·L-1） |
NH4+-N/ (mg·L-1） |
濁度/NTU |
TP/ (mg·L-1） |
|
最小值 |
94 |
286 |
6.6 |
73 |
0.88 |
|
最大值 |
356 |
88 |
12.8 |
160 |
2.46 |
|
平均值 |
212 |
182 |
7.5 |
19.7 |
1.05 |
1.3 試驗方法
試驗啟動采用接種掛膜的方法，低負荷進水，使填料表面生長生物膜，通過氣體轉子流量計調節曝氣量和反沖氣量。用氣體轉子流量計調節曝氣量和反沖氣量，用浮子流量計控制水流濾速從而改變水力停留時間，流速從小于1m/h逐步提高到4m/h。本試驗于2010年10月9日—11月26日進行，水溫隨室內溫度而變化，在試驗運行期間，環境溫度在10℃~25℃范圍內波動。
試驗分為2個階段：①掛膜階段1~19天;②運行階段20~54天。
2、試驗結果和討論
2.1 掛膜
生物膜法的掛膜方式通常有兩種;自然富集培養掛膜和人工接種掛膜[1]
本試驗曝氣生物濾池的掛膜啟動采用快速排泥接種掛膜法掛膜[2]，即先接種活性污泥后再進行連續流培養的方式。試驗所用接種污泥取自該企業好氧曝氣池出水口的泥水混合液。兩個裝置中分別加入泥水混合液25L，10g食用淀粉，再加臭氧出水至柱體出水端口。以20L/h的曝氣量連續悶曝24h后排空，如此重復2次。第4天采用小流量進水，小流量進水有利于生長緩慢、世代周期長的硝化菌的生長固定[3]，以濾速為0.64m/h(流量為20L/h)、曝氣量為20L/h運行，第7天將濾速提高到0.8m/h(流量為25L/h)、曝氣量增加到35L/h。試驗進行期間，該污水站污水處理設施進行整修，運行設施不穩定，臭氧出水COD較高，在250mg/L左右，且出水中SS、濁度較高，易堵塞配水系統孔洞，造成配水不均勻，同時，也會引起填料的堵塞結板，因此，在試驗第4天，在進水口加設一道尼龍濾布層，以減少進水SS對試驗的影響，降低反沖洗頻率。
由于陶粒顆粒粒徑較小，密度較大，堆積比較致密，對空氣氣泡的剪切分配較均勻，而新型填料的尺寸較大，較松散，對氣泡的剪切分配作用較差陶粒，較多氣泡被截留在填料堆積處，易在反應器壁處形成短流現象，在某些氣泡接觸較少的部位，有少量黑色物質，估計是厭氧導致。
兩濾池運行至第5天后，肉眼可見反應器內壁上附著一定量的灰黃色絮體，白色的新型填料上出現一層灰黃色的生物膜，表現十分明顯;陶粒表面也出現灰白色絨狀物。至第7天時，膜狀物黏附量增多，顏色逐漸加深，變為淺黃色，但陶粒表面性狀變化較新型填料延遲2~3天。分析其原因，是因為新型填料與陶粒的物理性質的差異造成的，新型填料內外層均富有密集的孔徑，孔隙率較陶粒更大，填料塊間相互連接，更有利于截留、附著微生物，更有利于生物膜的附著和生長。同時，發現兩濾池自下往上的生物膜的生長都是不均勻的，進水處被生物膜覆蓋得多一些，中上層填料裸露的多一些，這是由于沿反應器的不同填料層高度上，可降解的基質濃度差異造成的生物膜的生長不均。此時，濾池出水感官指標較進水有明顯好轉，濁度、色度較低，透明度較好。在出水端可以明顯的看出1號濾池出水中SS較2號少，出水色度也較2號更淺一些，這可能是由于新型填料孔徑較陶粒大，且各孔間相互連通，有較多的絲須，截污能力較陶粒有明顯優勢。
從第5天開始對兩濾池的主要進、出水指標進行監測，同時觀察生物相。填料取出后，發現新型填料從表面到內層都有淡黃色黏狀物質，陶粒表面也附著一層黃色生物膜。將填料表面的生物膜剝落，在顯微鏡下觀察到發現，生物膜中有大量絲狀菌，以及鐘蟲、變形蟲等原生動物。
2.1.1 掛膜期間對COD的去除效果
有機物的去除主要依靠異養性好氧菌來完成，UBAF內氣水同向流動，延長了氣水接觸時間，提高了對氧的利用率，異氧微生物的增殖較為迅速，生物膜的形成及穩定過程較快。掛膜階段兩濾池對COD的去除效果如2所示。
圖2 掛膜期間對COD的去除效果
Fig.2 Removal of COD during biofilm formation
由圖2可以看出，從試驗開始，1號濾池的COD去除率一直高于2號濾池20%以上格式范文。運行至第9天時，1號、2號濾池的出水COD去除率分別達到50%以上和35%以上，初步確定掛膜基本完成。自第10天開始陶粒，將濾速提高到0.96m/h(流量為30L/h)、曝氣量增加到50L/h，再運行10天以鞏固掛膜效果。當運行到第14天時，該廠污水處理站處理設施恢復正常，臭氧出水COD降低至150mg/L左右，兩濾池的出水COD均降至70mg/L以下。隨著生物膜的逐漸成熟，兩濾池的處理效果繼續穩步升高，并保持穩定，1號濾池COD平均去除率為66.5%，2號濾池的COD平均去除率為58.6%，至此，掛膜完成，共歷時19天。
由兩濾池對COD去除效果可以看出，達到相同的COD去除率(大于60%)時，1號、2號濾池所經歷的時間分別為第11天和第15天，1號濾池較2號所需時間更短，這表明新型尼龍填料的結構和表面親水性質更適合微生物的附著和生長，且生物活性較高，相較于陶粒，更有利于異養菌的生長及基質和氧的傳遞，去除效果較好。新型尼龍填料較陶粒更易于截留微生物，并使附著的微生物生長繁殖，具有掛膜速度快、處理效率高的特點。
2.1.2 掛膜期間對濁度的去除效果
1、2號濾池在掛膜期間對濁度的去除效果見圖3。
圖3 掛膜期間對濁度的去除效果
Fig.3 Removal of turbidity during biofilmformation
UBAF反應器對濁度的去除主要是靠填料的截留及填料間生物絮體的生物吸附作用[4]。由圖3可知，1、2號UBAF對濁度的去除率大于80%所需的時間分別為6、12天，對濁度的去除效果與對COD的去除效果基本同步穩定。2號濾池對濁度的去除效果在運行初期較好，運行3天后去除率出現了一定的下降，而隨著運行時間的延長，去除效果逐漸回升，并趨于穩定。其原因主要是在運行初期，濾池對濁度的的去除主要依靠填料的物理截留，起初陶粒的截留能力較強，但隨著時間的延長，其容量趨于飽和。后來隨著生物膜的逐步成熟，微生物的吸附作用以及反沖洗后填料的納污能力得到恢復。1號濾池對濁度的去除率基本處于上升趨勢，原因是其填料有較多絲須，孔隙較大，填料布設不規則，填料間相互擠壓，因此能有效地防止懸浮雜質穿透濾層，能更好的發揮吸附截留作用，隨著生物膜的成熟，孔隙逐漸減小，處理效果穩步上升。
2.2 正常運行階段
2.2.1 運行期間對COD的去除效果
隨著填料上生物膜的成熟后，自第16天開始，將進水流速提高到1.12m/h(流量為35L/h)、曝氣量增加到70L/h，氣水比2:1，1、2號濾池的有效停留時間分別為1.02h和0.69h。測定出水中溶解氧的濃度均為3～4mg/L。運行情況見圖4。
圖4 運行期間對COD的去除效果
Fig.4 Removal of COD during operation
從圖4可以看出陶粒，整個運行期間，原水COD變化較小，保持在120mg/L左右，隨著進水濾速和曝氣量的提升，COD去除效果并沒有明顯的變化，1、2號濾池的平均COD去除率分別約為61.9%和54.6%。在該狀態下運行10天后，將曝氣量加大至105L/h，濾速和流量保持不變，氣水比為3:1。如圖4所示，隨著曝氣量的提升，COD去除效果略有提升，1、2號濾池的平均COD去除率分別約為63.4%和56.5%。測定出水中溶解氧的質量濃度均大于4mg/L。這是因為曝氣量增加，增加了填料和水流之間的擾動作用，可沖刷掉部分附著在填料上老化的生物膜，促進了生物膜的更新繁殖，同時，也促使水中的懸浮物不易在填料下部積累，有利于發揮中上部填料的處理作用，從而部分提高了COD去除率。但由于進水中COD較低(120mg/L左右)，異養菌的種群優勢無法得到有效地保證，COD去除率的提高幅度并不大。當曝氣量進一步加大至140 L/h，氣水比為4:1時，濾速和流量保持不變的條件下又運行10天。COD去除率均有不同程度的下降，1、2號濾池的COD平均去除率分別為51.1%，47.2%。這因為曝氣量提高，對填料上生物膜的擾動作用過大，打破了填料上新老生物膜更替的平衡;另一方面，高負荷氣流的沖擊增大了填料間的空隙，擾動生物膜，使一部分水未能與微生物充分反應就已流走，大的曝氣量同時使氣泡占據了更多的濾池空間，縮短了水在濾池內的真正停留時間。
2.2.2 運行期間對濁度的去除效果
圖5 運行期間對濁度的去除效果
Fig.5 Removal of turbidity during operation
從圖5可以看出，運行期間，濾池對濁度的去除情況，基本上和COD的去除狀況相當。當濾速為1.12m/h，曝氣量為70L/h時，1號濾池的出水濁度較掛膜期間略有下降，2號的出水濁度基本保持不變。1號濾池在掛膜期間對濁度的去除率較高，導致填料間累計的雜質較多，隨著濾速和曝氣量的增加，擾動沖刷了填料間的雜質和老化的生物膜，導致出水濁度有一定的波動，濁度去除率略有下降;而2號濾池在掛膜期間截留的雜質相對較少，濾速和曝氣量的增加，并沒有使沖刷下的雜質和生物膜的量增加，出水濁度變化較小。當曝氣量增加至105L/h時陶粒，1、2號濾池的出水濁度基本保持穩定，濁度去除率均略有升高，兩濾池對濁度的去除率基本一致，保持在85%以上。此時，填料上微生物的吸附作用及反沖洗后填料納污能力的恢復使得濾池對濁度的去除效果再次提高并趨于穩定，填料間的生物膜在該狀態下，生長及老化速度基本保持平衡。當曝氣量增加140L/h時，1、2號濾池的濁度去除率均有一定程度下降，平均濁度去除率分別為80.2%，77.4%。由于氣泡和水流的擾動作用加大，填料間連接的空隙部分被沖開，生物膜老化加速，沖刷掉填料上老化的生物膜，也部分沖刷掉附著的成熟生物膜，導致出水濁度升高。
2.3 運行周期
由于原水經過尼龍布的截留后，懸浮物濃度已較低，使得濾池截留的雜質量相對較低，加上進水中有機物含量較低、生物膜法的食物鏈較長，因此，系統的產泥量很低。1號濾池新型尼龍填料間堆積較緊密，對懸浮物的截留量較大，為保持填料表面的高生物活性，防止填料板結。因此，運行2-3天后，需要進行反沖洗，相對于陶粒，新型尼龍填料更容易截留過量的SS而導致微孔被堵塞，因此，其反洗周期較陶粒短，反洗的頻率高一些，由于新型尼龍填料密度較小，容易被水沖開，反洗強度較陶粒小一些，兩濾池均采用氣、水聯合反沖洗，1號濾池的反洗情況為氣洗2min，強度為6-8L·m-2·S-1;水洗3min，強度為2-4L·m-2·S-1;水漂洗5min，強度為2L·m-2·S-1;2號濾池的反洗情況為氣洗5min，強度為8-12 L·m-2·S-1;水洗5min，強度為3-5L·m-2·S-1;水漂洗5min，強度為2L·m-2·S-1。
3、結論
(1)新型尼龍填料掛膜快，比陶粒掛膜縮短了約5天。掛膜成功后，兩濾池對COD和濁度均有較穩定的去除效果，1號、2號濾池對COD的去除率分別達到65%、60%左右，對濁度的去除率均達到85%以上。
(2)在進水流量為35L/h時，一定程度提高曝氣量有利于COD和濁度的去除陶粒，在氣水比為3:1時，兩濾池對COD的去除率達到最高，分別為63%、56%，對濁度的去除率穩定在85%以上。
(3)當氣水比為4;1時，兩濾池對COD的去除率逐漸下降，分別為51%、47%，對濁度的去除率也降為80%和77%。過量曝氣不僅造成能源浪費，且不利于有機物與生物膜的接觸，易導致微生物和填料的流失，降低處理效率。
(4)由于新型尼龍填料孔隙較大，易截留過量的懸浮物而導致微孔被堵塞，因此，其反洗的頻率較高，反洗的周期較短;由于新型尼龍填料密度較小，易被沖開，反洗時間和強度均較陶粒少一些。
(5)由于新型尼龍填料孔隙率較高，孔徑較均勻，孔間相互連通，表面具有親水特性，相較于陶粒更易于掛膜，更有利于異養菌的生長。在相同操作條件下，對COD和濁度的去除率優于陶粒，具有處理效率高、反沖強度小等特點，具有很強的推廣應用價值。
參考文獻
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[3]李思敏，唐鋒兵，時真男，等.實現UBAF快速啟動的掛膜試驗研究[J].中國給水排水，2009，25(1)：68-71.
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