TUBAF工艺处理高寒地区风电场污水的低温启动试验

陈佑才，邹 琳，赵红艳

(中国能源建设集团黑龙江省电力勘察设计研究院，哈尔滨150078)

1 试验

1.1 试验装置

试验装置示意图如图1所示。试验装置为2个串联的有机玻璃滤柱，每个滤柱的高度均为2 780 mm，内径均为90 mm。滤料使用页岩陶粒生物滤料，一级滤池的滤料粒径为5～8 mm，二级滤池的滤料粒径为3～5 mm，承托层高度均为100 mm，滤层高度均为2 000 mm。

两级滤池均采用上向流，原水经蠕动泵注入一级滤池底部，经一级滤池处理后通过蠕动泵注入二级滤池底部，再经二级滤池处理后排出。两级滤池均采用空压机供气，通过滤池底部的穿孔管进行曝气。曝气量通过空压机管路上的转子流量计控制。反冲洗水量通过反冲洗管路上的流量计和阀门控制。

图1 试验装置示意图

1.2 试验水质及水温

原水为沈阳联通水工机械有限公司厂区生产、生活排放的混合污水，取自化粪池，其水质和水温分别如表1和图2所示。

表1 原水水质

图2 启动阶段温度变化曲线

1.3 分析项目和方法

试验装置每天连续运行，每天取样分析，测定方法均参照文献［1］。

2 结果及分析

装置采用自然挂膜法启动，启动期间运行50 d，流量为 5.98 L/h，两级滤柱的水力负荷均为0.94 m3/m2·h，HRT 均为 2.13 h，曝气量均为47.84 L/h，气水比均为8∶1。装置运行28 d完成启动，TUBAF对浊度、CODcr、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为93.7%、84.56%、31.44%、26.60%、32.14%。

2.1 挂膜过程

启动5 d，肉眼可见一级滤池底部陶粒附着大量黑色绒毛状生物膜，二级滤池陶粒上无明显现象。启动10 d，一级滤池底部400 mm内陶粒上附着的绒毛由黑色转变为灰白色，二级滤池底部陶粒附着一定量棕褐色绒毛。

由于原水未经预处理，富含有机物，适于异养菌生长，一级滤池的挂膜速度较快。虽然二级滤池进水有机物含量有所降低，C/N也得到减少，可是低温条件下硝化菌依然生长缓慢，并且受到异养菌的竞争影响，二级滤池的挂膜速度较慢。生物膜在滤池的分布不均匀，滤池底部滤料上的生物膜较多，顶部较少。

2.2 启动过程去除效果分析

挂膜期间对浊度、CODcr和氨氮的去除效果分别如图3～图6所示。

图3 启动期间浊度变化曲线

图4 启动期间CODcr变化曲线

图5 启动期间氨氮变化曲线

图6 启动期间氨氮去除率变化曲线

从图4可以看出，一级滤池在启动初期出水浊度波动较大，在启动28 d后出水浊度稳定在50 NTU以下。二级滤池在整个启动阶段的出水浊度基本稳定在20 NTU以下。TUBAF对浊度的去除率较高，启动阶段平均去除率可达到87.32%，是因为陶粒对悬浮物的吸附、截留和附着在陶粒上的生物膜对悬浮物的吸附共同作用的结果。

启动初期对CODcr的去除主要依靠陶粒滤料的截留作用。随着生物膜的不断生长，其对水中有机物的吸附和氧化分解作用逐渐增强。从图5可以看出，28 d后一级滤池的出水CODcr及其去除率慢慢趋于稳定，出水CODcr稳定在200 mg/L左右，去除率稳定在60%左右。标志着异养菌已初步培养成功。整个启动阶段二级滤池对CODcr的去除能力十分有限。启动28 d后，二级出水的CODcr稳定在100 mg/L左右，去除率仅有50%左右。可知异养菌在二级滤池内并不是优势菌种。所以，TUBAF对CODcr的去除主要由一级滤池来完成。

从图6和图7可以看出，由于一级滤池进水有机物含量较高，异养菌大量繁殖，并在与硝化菌竞争的过程中占据优势，逐渐成为优势菌种，从而降低一级滤池的硝化效率。TUBAF对氨氮的去除主要由二级滤池来完成，启动27 d后，氨氮总去除率稳定在40%左右，这表明二级滤池陶粒表面已经开始逐渐形成硝化生物膜，硝化菌的硝化作用增强。二级滤池主要依靠自养性的硝化细菌对氨氮进行硝化，但水温较低，原水氨氮浓度较高且波动很大，出水氨氮不稳定。

2.3 高浓度有机物污水对挂膜的影响

原水为厂区混合污水，未经预处理，富含大量有机物，低温条件下可以短时间完成异养菌的挂膜，有利于生物膜的生长，并且无需接种污泥，便于操作。但是，原水悬浮物较多，滤层容易堵塞，甚至造成滤料板结成块，进水和曝气都会受到限制，影响堵塞层上部的滤料挂膜。较小的气水比易受堵塞影响无法曝气，过大的气水比又不利于挂膜，试验所采用的气水比为8:1，该参数通过试验得到。

通过分析本阶段的试验数据，建议在下一阶段试验TUBAF前增设厌氧滤池:一方面，厌氧生物膜可以降低原水中的有机物含量，通过回流可实现同步脱氮除磷，提高出水水质;另一方面，厌氧滤池即使滤层局部堵塞也不影响运行，可以延长其挂膜阶段的反冲洗周期，有利于厌氧微生物的附着，同时降低TUBAF的有机物负荷，使二级滤池的脱氮能力大大提高。

2.4 反冲洗对挂膜的影响

在有预处理的曝气生物滤池工艺中，其启动过程不宜进行反冲洗，反冲洗会冲掉生物膜并延长挂膜时间，但无预处理条件下的反冲洗有利于挂膜进行。如果滤层堵塞或板结，生物膜无法就继续向上蔓延(对于上向流生物滤池)，堵塞造成的厌氧微环境使异养菌活性降低。经过适当的反冲洗，有膜滤料和无膜滤料进一步混合，堵塞造成的厌氧微环境基本消除，使异养菌快速生长，启动初期每次反冲洗后一级滤池出水COD快速下降，生物膜也会出现明显的变白过程，而且范围越来越大，最终蔓延至整个滤层。

本试验在启动阶段，一级滤池平均每3 d需反冲洗1次，由于启动初期生物膜的数量和活性均较低，反冲洗容易冲掉生物膜，导致启动阶段前31 d内一级出水的浊度和CODcr波动较大(如图5所示)。所以启动阶段的反冲洗要严格控制反冲洗的强度与周期，既要达到反冲的目的，又要不破坏已经生长好的生物膜，试验采用脉冲式反冲洗，这样能把板结的滤料冲散，不至于呈活塞式整体上移［2－4］。反冲洗过程中逐渐增大反冲流量，以冲散板结的滤料为目的，冲洗时间不宜过长。随着一级滤池中异养生物膜的逐渐成熟，由反冲洗造成的波动逐渐消失。

在无预处理的条件下，采用自然挂膜法，28 d完成启动，在启动阶段适当的反冲洗有利于挂膜的进行。建议在下一阶段试验中使用密度小于水的滤料，减少堵塞及反冲洗对启动时间的影响。

3 结论

1)原水(厂区生活污水，水温为 12.5～17.1℃)在无预处理的条件下，采用自然挂膜法，28 d完成启动，在启动阶段适当的反冲洗有利于挂膜的进行。

2)进水量为5.98 L/h、两级滤池的气水比为8:1、水力负荷为 0.94 m3/m2·h 时，TUBAF 对浊度、CODcr、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为93.7%、84.56%、31.44%、26.60%、32.14%。

3)一级滤池内异养菌为优势菌种，二级滤池内自养菌为优势菌种;一级、二级滤池挂膜分别采用相对比较稳定的CODcr和氨氮去除率来判断。

4)TUBAF工艺可用于高寒地区风电场进行污水分散式处理。

［1］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第四版)［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［2］CANLER J P.Biological aerated filters:assessment of the process based on 12 sewage treatment plants［J］.Wat.Sci.Tech，1994，29(10/11):13－22.

［3］WIJEYCKOON S.Fixed bed biological aerated filtration for secondary effluent polishing–effect of filtration rate on nitrifying biological activity distribution ［J］.Wat.Sci.Tech，2000，41(1):187－195.

［4］张林军.上向流与下向流曝气生物滤池启动与挂膜特性研究［J］.徐州工程学院学报，2005，20(1):53 －55.