以污泥碳化載體為濾料的生物濾池處理微污染原水的啟動試驗研究
導讀:：因此要更好地發揮生物濾池的生物處理功能。考察了濾池的啟動過程中運行穩定后的除污效果。啟動期間控制反沖洗周期在6～7d。
關鍵詞：生物濾池，啟動，污泥碳化濾料，反沖洗周期
生物膜法是利用生物膜內附著生長的微生物的生物氧化作用來凈化水質，因此要更好地發揮生物濾池的生物處理功能，必須在濾料表面形成穩定的生物膜。濾料是生物濾池的核心部分，它的表面結構、物理和化學特性對生物膜的附著生長起著至關重要的作用。本試驗以“混凝+沉淀+生物過濾”工藝為基礎，采用新型的污泥碳化載體作為生物濾池濾料，考察了濾池的啟動過程中運行穩定后的除污效果。
1 試驗裝置與方法
1.1試驗裝置
生物濾池采用下流式，試驗裝置如圖1所示，生物濾柱由14cm×14cm的有機玻璃柱制成。濾柱高為2100mm，承托層高300mm，濾料層高度1000mm，填料層以上過濾水頭600mm，超高200mm。濾柱底部設有曝氣和配水裝置。沉砂池與生物濾池之間設有旁通管道，啟動期間為了提高進水中的污
染物質的負荷，沉砂池的出水直接進入生物濾池過濾。
圖1 試驗裝置圖
Fig.1Test apparatus
1.2 試驗水質與監測方法
本研究以受污染的河流水為原水，試驗期間原水主要水質指標如表1所示。試驗中各項水質指標的監測均根據《水和廢水監測分析方法》(第四版)中的標準方法進行，水量及氣量的計量均采用流量計。
表1 原水主要水質指標
Tab.1Quality of raw water
|
項目 |
水溫（℃） |
pH |
CODMn (mg/L) |
NH4+-N(mg/L) |
NO2--N(mg/L) |
濁度 (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 掛膜啟動過程
生物濾池的掛膜方式一般可采用自然富集培養掛膜和人工接種掛膜[1, 2]。有研究表明[3, 4]，自然掛膜有利于異養菌的生長，形成的生物膜抗沖擊負荷能力比接種掛膜好，且逐漸增加進水流量的方法的啟動時間明顯少于直接采用設計流量進水的方法畢業。所以本試驗中生物濾池的啟動采用了逐漸增大流量的自然富集培養的方法，啟動過程設計了三個運行工況，如下表2所示。
表2 試驗運行工況
Tab.2Experimental working conditions
|
運行工況 |
水力負荷 （m/h） |
流量（L/h） |
曝氣量（L/h） |
|
|
序號 |
運行時間/d |
|||
|
1 |
1～6 |
1.5 |
30 |
75 |
|
2 |
7～12 |
3.0 |
60 |
75 |
|
3 |
13～18 |
4.5 |
90 |
90 |
3 結果與分析
3.1 對CODMn的去除及分析
啟動期間，生物濾池對CODMn的去除效果的變化趨勢如圖2所示。
圖2 啟動期間生物濾池對CODMn的去除效果
Fig.2 Removalof CODMn by Bio-filter during start-up period
由圖2可以看出，啟動初期，生物濾池對CODMn表現出了一定的去除率，第2、3天分別達到了16.93%和19.72%，運行9天后去除率達到了30%以上，運行17天后去除率高達41.7%。分析認為，對有機物的去除在運行初期主要憑借于濾料對部分非溶解態的有機物吸附及截留，而生化作用對有機物的去除主要是靠異養型好氧菌的作用，這些微生物世代時間大多比較短，因此生長和代謝比較旺盛，生物膜的形成和穩定過程較快，隨著運行時間的延長，使得濾池對CODMn的去除率上升較快。由圖2還可以看出，當水力負荷加大后(即由工況1調整為工況2)，生物濾池對CODMn的去除率由28.75%下降到27.98%，繼續運行1天后去除率上升到了29.94%;第13天將工況2調整為工況3運行，生物濾池對CODMn的去除率從37.3%下降到34.62%，穩定2天后去除率達到了38.24%。這主要是因為生物濾池中的微生物量與有機物容積負荷是相對應的，容積負荷較低的穩態條件下濾池中的微生物量相對較少，容積負荷隨著進水量的增加而提高，然而微生物量的增加需要一定的時間環境保護，因此濾池出水CODMn會出現短時間的增加，運行一段時間以后，生物量會隨著進水流量增而增加，此時CODMn的去除率得到了恢復和提高。
3.2 對NH4+-N及NO2—N的去除及分析
啟動期間，生物濾池對NH4+-N及NO2--N的去除效果的變化趨勢分別如圖3、圖4所示。
圖3 啟動期間生物濾池對NH4+-N的去除效果
Fig.3 Removalof NH4+-N by Bio-filter during start-up period
NH4+-N的去除依賴于硝化細菌的數量和活性。由圖3可見，在啟動初期，NH4+-N的去除率較低，第2、3天分別僅為4.69%和8.06%。這是因為硝化細菌的生長繁殖速度與好氧異養菌相比要慢的多。隨著運行時間的延長，硝化菌在濾料上逐漸富集和生長繁殖，NH4+-N的去除率逐漸得到增加，生物濾池在第 11天NH4+-N的去除率達到61.40%，掛膜成功[5,6]。這說明采用較低的濾速進水延長了空床接觸時間，改變運行工況的逐漸增大流量的運行方式有利于生長緩慢、世代周期長的硝化菌的繁殖和固定，縮短了濾池的啟動時間。當生物濾池運行到15天后，NH4+-N的去除率大于73.58%，出水NH4+-N的濃度隨進水水質的變化較小，去除率保持相對穩定，最高可達79.89%。
圖4 生物濾池出水亞硝酸鹽氮的變化曲線
Fig.4 NO2--Nconcentration in the effluent by Bio-filter
由圖4可以看出，在第2～11天，出水NO2--N濃度均高于進水濃度，主要是因為運行初期生物膜微生物的量及其活性在不斷的積累和增強，亞硝酸菌和硝酸菌的生長速率和轉化能力沒有得到協調穩定，造成了亞硝酸鹽的積累[7]。隨著硝化細菌在濾料上的逐步富集生長與繁殖，使得氨氮向硝酸鹽氮轉化能夠順利進行，出水中NO2--N濃度逐漸降低。第13天，進出水的NO2--N濃度分別為0.2mg/L和0.14mg/L。在生物膜成熟后，出水NO2--N濃度基本保持穩定。
3.3 對濁度的去除及分析
啟動期間，生物濾池對濁度的去除效果的變化趨勢分別如圖5所示。
圖5 啟動期間生物濾池對濁度的去除效果
Fig.5 Removalof turbidity by Bio-filter during start-up period
生物濾池對濁度的去除主要是由濾料的吸附截留作用和生物吸附作用共同完成的[8,9]。由圖5可以看出環境保護，在第2～6天，生物濾池對濁度的去除率基本處于上升趨勢，這是因為啟動初期濾料之間的孔隙較大，能很好地發揮吸附截留作用。第7天，濁度的去除率下降了2.36%，這可能是因為隨著運行時間的延長濾料的吸附容量趨于飽和，但是隨后隨著反沖洗后濾料截留能力的恢復和濾料上微生物的數量逐漸增多，第8～12天，生物濾池對濁度的處理效果也在逐漸上升。運行10天后，濾池對濁度的去除率達到了81.11%格式。第11天，生物膜成熟后，生物吸附作用的增強使得生物濾池對濁度有很好的去除效果，除濁率均高于80%，最高可達84.11%。
3.4運行周期
啟動過程中，由于進水濁度較低，濾料吸附截留的雜質量相對較少;再加之進水的有機物濃度較低，所以沒有觀察到濾床的堵塞現象，因此原則上可以不進行反沖洗。但是運行時間過長，污泥碳化載體容易板結成塊，從而影響出水水質，而且定期的反沖洗有助于保持濾料表面的高生物活性[10]。因此，啟動期間控制反沖洗周期在6～7d，反沖洗后生物濾池的除污能力可在3～4.5h內得到較好的恢復。
4 結論
(1)啟動初期，生物濾池對CODMn的去除率主要憑借與濾料的吸附和截留，隨著生物膜的成熟CODMn的去除率在逐步增加，第 9天CODMn的去除率達到了30%以上，運行17天后高達41.7%。NH4+-N的去除在啟動初期較低，第2、3天分別僅為4.69%和8.06%環境保護，第15天以后去除率大于73.58%，最高可達79.89%，且保持相對穩定。啟動初期出水中NO2--N濃度高于進水，隨著生物膜的成熟，出水中NO2--N濃度逐漸降低，生物膜成熟后，出水NO2--N濃度基本保持穩定。生物濾池對濁度的去除率均處于上升趨勢，生物膜成熟后，對濁度的去除率均高于80%，最高可達84.11%。
(2)硝化細菌的生長繁殖速度與好氧異養菌相比要慢的多，因此，應以氨氮的去除率作為判斷生物膜是否成熟的依據。濾池運行11天后NH4+-N去除率達到60%以上，掛膜成功。
(3)啟動期間為了保持濾料表面的高生物活性，反沖洗周期應控制在6～7d，反沖洗后生物濾池的除污能力可在3～4.5h內得到較好的恢復。
參考文獻
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