新型填料在生物接触氧化工艺中的应用研究

邓小文，马建立，籍鹏飞

（1.天津市环境保护科学研究院，天津 300191；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300132）

新型填料在生物接触氧化工艺中的应用研究

邓小文1，马建立1，籍鹏飞2

（1.天津市环境保护科学研究院，天津 300191；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300132）

以处理120L/d城镇生活污水的生物接触氧化小试装置为研究平台，介绍了新型内置悬浮球形填料-生物接触氧化工艺的特点及运行状况。试验结果表明：两种新型内置悬浮球形填料对反应器充氧效率、接种挂膜速率、污水处理效果对比均为纤维束状填料好于筒状填料；与连续曝气相比，采用间歇曝气的运行方式，在使出水NH3-N达标的基础上，提高了TN和TP的去除率，系统的同步硝化反硝化现象和反硝化除磷现象比较明显，具有较强的经济性和实用性。

城镇生活污水;脱氮;除磷;生物接触氧化;同步硝化反硝化

生物接触氧化法是一种典型的浸没式生物膜法，其实质是在反应器内填充填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定的流速流经填料，广布于填料上的生物膜与污水充分接触，在膜上微生物新陈代谢的作用下，除去水中的污染物，从而使污水得到净化。该技术具有处理效果好、耐负荷冲击能力强、动力消耗小、管理运行简单等优点。作为生物膜载体的填料是生物接触氧化法的关键因素，填料的性能直接影响到反应器运行的效果[1]。结合实际工程的需要，选取两种具有代表性的内置悬浮球形填料进行生物接触氧化法处理生活污水的小试研究，从充氧性能、有机物、氮、磷等物质的去除效果进行对比分析，并进一步考察生物接触氧化法在连续曝气及间歇曝气两种运行工况下对生活污水的处理效果，以达到节能降耗的目的[2]。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验反应器为35L的有机玻璃柱，其内部填料选用内置悬浮球形填料（聚丙烯材质、比表面积355m2/m3、空隙率90%、成膜重量80～100kg/m3）。工艺流程如图1所示[3]。

图1 工艺流程

1.2 试验方法

试验包括填料清水充氧性能试验、接种挂膜及连续曝气及间歇曝气两种工况污水处理对比试验。

1.2.1 充氧性能试验

（1）充氧性能试验方法

填料的投加会对氧化曝气池氧的转移效率产生影响。刘晓旭的生物接触氧化工艺中填料性能的研究中提出，投加率为40%时生物接触氧化效果较好。因此，本试验在填料投加率为40%、不同d的曝气量下，通过测定氧的总传递系数KLa来考察2种不同填料对反应器充氧能力的影响。曝气设备向反应器内通入空气，水中的溶解氧浓度会随时间推移逐渐提高，直至饱和状态。充氧过程属于传质过程，一般认为氧的传递机理为双膜理论。在氧的传递过程中，阻力主要来于液膜，氧的传递方程为

为在同一水平下进行比较，一般将KLa（T）换算成KLa（20℃）：

式中：Co—曝气开始时反应器内溶解氧浓度，mg/L。

Cs — 反应器内饱和溶解氧浓度，mg/L。

Ct — 曝气某一时刻t时，溶解氧浓度，mg/L。

KLa（T）— 氧的总传递系数，min-1，或h-1。

（2） KLa测定方法

采用间歇非稳态法对氧的总传递系数进行测定，即只进水不出水。首先向装满自来水的反应器（已投加填料）内投加还原剂Na2SO3和催化剂CoCl2，搅拌使药品与水充分混合，使水体中DO至零。五分钟后，将溶解氧仪放入反应器内，通入空气，每隔一定时间测定DO的变化。根据Ct值，计算出对其和时间t进行线性回归拟合，求得KLa。

1.2.2 接种挂膜

本实验采用接种法挂膜，接种污泥取自污水处理厂的回流污泥，污泥浓度在5800mg/L左右。试验前，在每个填料柱反应器内放入滤料球，保证反应器填料投加率为40%。采用间歇运行方式培养驯化，连续闷曝5d，然后进水流量逐渐加大，运行20d后，取样测定COD及NH3-N的去除率分别达到了70%和80%并且稳定。观察发现：纤维束状填料挂膜速度较快且纤维束状填料挂膜好于筒状填料；填料柱反应器的填料在开始时是白色的，挂膜初期的几天内，两种填料的外观不断发生变化，逐渐出现由泥黄色到黄褐色、灰褐色的变化，填料上的膜也逐渐增多，从点状分布到面状均匀分布。镜检观测到生物膜上活跃着大量原生动物（如游泳型纤毛虫、钟虫）和后生动物（如线虫）时即认为填料挂膜基本成功[4]。

2 结果与讨论

2.1 充氧性能试验

从下表中可以看出，对于两种内置悬浮球形填料对反应器充氧效率的影响效果：纤维束状填料＞筒状填料。当投加率一定时，随着曝气量Q的增大，KLa（20℃）值也随之增加。原因是曝气量增大，反应器内的气泡含量增多，水、气和填料三相充分接触，传质面积增大，水体的紊动程度增加，传质阻力减小。但是如果曝气量过大，气泡的上升速率过快，还没有充分接触就溢出水面，这样也不利于传质，同时还增加了能耗。

不同曝气量Q下的KLa（20℃）计算结果表

2.2 污水处理试验

生物接触氧化反应器小试试验对连续进水连续曝气及连续进水间歇曝气两种运行工况下污水处理效果作了比较（设工况I为连续曝气模式，工况II为间歇曝气模式），水力停留时间均为6.4h。间歇曝气采取曝气4h、停止曝气2.4h。填料柱反应器有效容积为32L，进水流量为5L/h，容积负荷为1.9kgBOD/m3·d，污泥负荷为0.06～0.09kgBOD/kgMLSS·d；二沉池有效容积为4L，停留时间为0.8h。控制T在20℃～30℃、气水比为15～20：1、DO在2～3mg/L、pH在6～8之间，污泥浓度为1000～1500mg/L。两种工况分别运行1个月，两种填料污水处理效果对比表分别见图2、图3。

图2 两种填料在连续曝气工况下污水处理效果对比

图3 两种填料在两种工况下去除率对比

（1）连续曝气模式和间歇曝气模式系统的有机去除效果对比

两种内置悬浮球形填料柱生物接触氧化法处理生活污水的小试装置在连续进水连续曝气及连续进水间歇曝气两种运行工况下对COD的去除率见图4。

图4 两种运行工况下两组填料COD去除效果对比

由图4可知，生物接触氧化系统最终出水的COD都在50mg/L以下。填料1、填料2在工况I下COD平均去除率分别为77.9%和80.9%，在工况II下COD平均去除率分别为80.9%和82.5%。比较可得：曝气量对COD的去除率影响不大，且填料2略优于填料1（即纤维束状填料略优于筒状填料），工况II略优于工况I[5]。

（2）连续曝气模式和间歇曝气模式系统的脱氮效果对比

两种内置悬浮球形填料柱生物接触氧化法处理生活污水的小试装置在连续进水连续曝气及连续进水间歇曝气两种运行工况下对NH3-N、TN的去除率分别见图5、图6。

图5 两种运行工况下两组填料NH3-N去除效果对比

图6 两种运行工况下两组填料TN去除效果对比

由图5可知，生物接触氧化系统最终出水的NH3-N都在5mg/L以下。连续曝气模式出水NH3-N较低，主要因为系统过量曝气，大部分时间氨氮处于完全硝化的状态，该状态下，由于基质浓度较低，硝化菌对氧的利用率也较低[6]。采用间歇曝气工艺后，为了增强系统的反硝化效果，NH3-N的去除率略有下降，但降幅不大，出水NH3-N的平均去除率由90.8%和92.2%分别降低至87.0%和90.4%。由图6可知，采用间歇曝气后，系统的同步硝化反硝化现象比较明显。间歇曝气工艺运行后，系统1、系统2最终出水TN由15.5mg/L和15.1mg/L分别降低至13.4mg/L和11.8mg/L，平均去除率由51.1%和53.9%分别升高至60.1%和62.3%。比较发现：填料2同步硝化反硝化效果优于填料1（即纤维束状填料略优于筒状填料），工况II优于工况I。

分析其原因可能因为，采用连续曝气工艺运行后，系统DO浓度＞3mg/L，由于DO浓度相对较高，能力较强，所以在生物膜内部不易形成缺氧区，因而反硝化能力较弱，另外，氧的穿透由于DO浓度太高，好氧层中的异养好氧菌活力很强，能将有机物进行快速彻底降解，所以即使在部分生物膜内部能形成缺氧区，也会由于有机物的供应不足而降低反硝化能力，从而影响了总氮的去除率[7、8]。而采用间歇曝气工艺运行后，过量曝气得到控制，系统DO浓度基本控制在0.3～3.0mg/L，在较低的DO浓度下，氧的穿透能力减弱，在生物膜内部容易形成缺氧区，使系统中反硝化得到增强，TN的去除率得到提高，最终提高了系统的脱氮效果[9]。

（3）连续曝气模式和间歇曝气模式系统的除磷效果对比

两种内置悬浮球形填料柱生物接触氧化法处理生活污水的小试装置在连续进水连续曝气及连续进水间歇曝气两种运行工况下对TP的去除率分别见图7。

图7 两种运行工况下两组填料TP去除效果对比

由图7可知，采用间歇曝气后，系统的反硝化除磷现象比较明显。间歇曝气工艺运行后，系统1、系统2最终出水TP由1.40mg/L和1.30mg/L分别降低至0.98mg/L和0.87mg/L，平均去除率由54.8%和56.3%分别升高至70.2%和73.6%。比较发现：填料2反硝化除磷效果优于填料1（即纤维束状填料略优于筒状填料），工况II优于工况I。

分析其原因可能因为，采用连续曝气工艺运行后，系统DO浓度相对较高，生物膜内部不易形成缺氧区，所测得系统NO3-N的最高浓度能达到24.6mg/L，最低为0.07mg/L。荣宏伟[10]的硝酸盐氮对反硝化除磷的影响及过程控制中表明：硝态氮作为反硝化吸磷的电子受体，是影响缺氧吸磷效果的关键因素，NO3-N过高或过低均会降低DPB的反硝化除磷效率，为保证DPB的高效除磷效果，应适当控制系统的DO浓度。采用间歇曝气工艺运行后，过量曝气得到控制[11]，系统的DO浓度基本控制在3.0mg/L以下，NO3-N浓度在15mg/L以下。较低的DO浓度，使氧的穿透能力减弱，在生物膜内部容易形成缺氧区。在适宜的NO3-N浓度下，NO3-N作为电子受体被充分利用，PHB/PHV会被完全分解，缺氧吸磷率达到最大，TP的去除率得到提高，最终提高了系统的除磷效果[12]。

（4）间歇曝气模式系统的反硝化除磷特性

间歇曝气模式采取曝气4h、停止曝气2.4h，试验中曝气阶段产生的硝化液与停止曝气阶段新进生活污水混合，混合后NOx-平均浓度为12.6mg/L，COD平均浓度为158.3mg/L，TP平均浓度为3.0mg/L。由于曝气阶段系统溶解氧基本控制在3.0mg/L左右，此时的好氧段逐渐转变成为缺氧段，反硝化除磷菌可利用NOx-作为电子受体进行缺氧吸磷，因此在缺氧段进行反硝化的同时，仍可继续吸磷（见图8）。缺氧开始后2.4h内吸磷均速约为0.70mg/L·h。多次试验表明磷吸收量与硝态氮脱除量具有很好的相关性（见图9），通过试验进一步验证了间歇曝气模式系统的反硝化除磷特性[13]。

图8 缺氧阶段的NOx-和TP浓度变化曲线

图9 缺氧阶段NOx-脱出量与TP吸收量关系

3 结论

（1）在填料投加率为40%时，随着曝气量Q的增大，KLa值也随之增加。不同曝气量下，纤维束状填料的充氧效率大于筒状填料的充氧效率。

（2）内置悬浮球形填料-生物接触氧化工艺有一定的优势。当反应器停留时间为6.4h，气水比为15～20：1，DO为2～3mg/L，容积负荷为1.9kgBOD/m3·d，污泥负荷为0.06～0.09kgBOD/kgMLSS·d，且连续进水间歇曝气运行后，系统的同步硝化反硝化现象、反硝化除磷现象比较明显，磷吸收量与硝态氮脱除量具有很好的相关性，系统具有良好的生物脱氮除磷效果。

（3）两种内置悬浮球形填料的生物脱氮除磷效果对比为：纤维束状填料好于筒状填料且间歇曝气模式好于连续曝气模式。间歇曝气运行后，系统1、系统2对COD的去除率分别从77.9%、80.9%升高至80.9%、82.5%，对TN的去除率分别从51.1%、53.9%升高至60.1%、62.3%，对TP的去除率分别从54.8%、56.3%升高至70.2%、73.6%，在降低能耗的基础上，系统的污水处理效果进一步得到提高，具有较强的经济性和实用性。

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Comparative Lab Scale Study on Bio-contact Oxidation in Treatment of Domestic Sewage with Two New Built-in Suspension Spherical Packing

DENG Xiao-wen1, MA Jian-li1, JI Peng-fei2
(1. Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300191;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300132, China)

In this paper, we use the bio-contact oxidation device for dealing with 120L municipal domestic sewage per day as the research platform. Then characteristics and operating conditions of bio-contact oxidation technology with new built in floating spherical packing are introduced. The test result shows that fiber bundle packing is better than columnar packing when oxygenation efficiency of the reactor, inoculation biofilm rate and sewage treatment effect are taken into consideration; In comparison with continuous aeration, intermittent aeration can improve removal rate of TN and TP as well; The system shows obvious effects of simultaneous nitrification and denitrification and denitrifying removing phosphorus, thus it is economical and practical.

municipal wastewater; denitrification; phosphorus removal; biological contact oxidation; simultaneous nitrification and denitrification

X703

A

1006-5377（2011）06-0022-05

水体污染控制与治理科技重大专项项目（2008ZX07314-006）；全球环境基金GEF项目（TJSHZ810）。