BAF预处理微污染水源水反冲洗试验研究

胡友彪(1963-),男,江苏泰州人,安徽理工大学教授,博士生导师.

BAF预处理微污染水源水反冲洗试验研究

唐文锋1,2,胡友彪1,孙丰英1

(1.安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南232001; 2.淮南联合大学 建筑工程系,安徽 淮南232038)

摘要:文章采用曝气生物滤池(BAF)预处理微污染水源水,对反冲洗参数、最佳反冲洗工况下出水SS和不同挂膜方法下系统反冲洗前后生物量变化进行了试验研究。试验结果表明:气冲洗强度、水漂洗时间、气预冲洗时间分别是反冲洗前后滤池生物活性变化率、反冲洗结束时出水浊度及反冲洗能耗的最大影响因素;BAF预处理微污染水源水最佳反冲洗工艺条件如下:气冲洗强度为7.5 L/(s·m2),气预冲洗时间为6 min,水冲洗强度为1.5 L/(s·m2),气水联合冲洗时间为4.5 min,水漂洗时间为4 min。在最佳反冲洗工况下,反冲洗出水SS变化基本与反冲洗出水浊度变化相吻合;反冲洗前后,接种挂膜、自然挂膜下系统生物量分别减少27.43%、21.44%。

关键词:微污染水源;曝气生物滤池;反冲洗;生物活性

收稿日期：2013-12-27；修回日期：2014-03-03

基金项目：安徽省高等学校省级优秀青年人才基金资助项目(2011SQRL197);淮南市科技计划资助项目(2013A4202)

作者简介：唐文锋(1979-),男,河南商丘人,安徽理工大学博士生,淮南联合大学副教授;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.023

中图分类号:X524文献标识码：A

Experimentalstudyofbackwashingparametersofbiologicalaerated

filterusedforthepretreatmentofmicro-pollutedwater

TANGWen-feng1,2,HUYou-biao1,SUN Feng-ying1

(1.SchoolofEarthScienceandEnvironmentalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China; 2.Dept.ofCivilEngineering,HuainanUnionUniversity,Huainan232038,China)

Abstract:The technology of biological aerated filter(BAF) was used for the pretreatment of micro-polluted water. The backwashing parameters, the SS of effluent under the optimal condition of backwashing and the biomass changes of BAF with different formation methods after backwashing were discussed. The experimental result shows that air-backwashing intensity, water-backwashing time and single air-backwashing time are the most important impact factor of the change rate of bioactivity, the turbidity of backwashing water and the energy consumption of backwashing respectively. The optimal backwashing parameters of BAF used for the pretreatment of micro-polluted water are as follows: air-backwashing intensity is 7.5 L/(s·m2), single air-backwashing time is 6 min, water-backwashing intensity is 1.5 L/(s·m2), air-water-backwashing time is 4.5 min and single water-backwashing time is 4 min. The change of SS in backwashing water is coincident with the turbidity of backwashing water under the optimal condition of backwashing, and the amount of biomass formatted by inoculated formation or natural formation in BAF decreases by 27.43% and 21.44% respectively after backwashing.

Keywords:micro-pollutedwaterresource;biologicalaeratedfilter(BAF);backwashing;bioactivity

近年来,水质性缺水问题非常严重。许多城市虽然水资源丰富,但是水源水受到了严重的污染,主要表现为氨氮浓度上升,溶解氧下降,有机污染加重,原水水质呈下降态势[1],但污染物浓度相对较低,通常被称为微污染水[2]。面对地表水质的不断恶化,常规水处理工艺已不能有效去除CODMn、氨氮等污染物[3],寻求替代或改进工艺是必然趋势。目前,对微污染水进行生物预处理成为研究的热点。曝气生物滤池(BAF)集生物过滤、生物吸附和生物氧化于一体,可同时起到普通曝气池、二沉池和砂滤池的作用,是一种高效、低耗的水处理工艺[4-5]。但滤池运行一定时间后,填料表面和滤床空隙中的生物颗粒和非生物颗粒不断积累,滤池的过水通道减小,滤池内的水头损失增大,出水量减小,发生“穿透”现象[6],从而使出水水质变差,滤池需要再生以恢复其处理能力。而反冲洗是维持曝气生物滤池正常功能的关键[7]。本试验以某水库水为研究对象,采用升流式曝气生物滤池(UBAF)进行预处理研究,利用正交试验重点讨论了不同反冲洗参数对反冲洗效果的影响,以期确定最佳反冲洗参数,为工程实践应用提供参考。

1试验材料与方法

1.1　试验装置与试验用水

试验装置如图1所示。

1,28.气泵　2,8,21,29.流量计　3,30.曝气器

BAF反应器为由有机玻璃加工而成的圆柱体,内径为90mm,总高1.5m,内置φ2～3mm陶粒滤料,陶粒堆积密度为0.75 ～0.95g/cm3,表观密度为1.4～1.8g/cm3,空隙率27%～29%,比表面积2.6×104cm2/g;滤柱一侧沿滤料顶部向下设6个取样口,间距为200 mm;下部配水区高150 mm,配水区上部为垫层,垫层为一种白色陶粒滤料,粒径为φ3～5mm;垫层、滤层高分别为200、800mm;在垫层顶部设有曝气头,为微生物提供所需的氧;在垫层底部设有反冲洗曝气头和反冲洗水管,为滤柱提供反冲洗气和反冲洗水。试验装置底部装设温控仪和加热器,可通过温控仪自动控制加热器的开启,以调节进水温度。

为便于测试,试验装置设置在实验室,试验用水采用15个125L塑料桶3～5d采集1次。

试验采用某水库水作为试验用水,其水质如下:ρ(CODCr)为3.5～6.5mg/L，ρ(NH3-N)为0.5～1.5 mg/L，浊度为7.5～24 NTU，水温为3.0～24.0 ℃，pH值为6.0～8.5。

1.2　试验方法

1.2.1　测试项目及方法

浊度,WGZ-20型浊度仪;微生物活性,OUR测定法;生物量,脂磷法;SS,滤纸烘干称重法。

1.2.2　试验工况

本试验以自然挂膜系统为研究对象,探讨了不同反冲洗参数对反冲洗效果的影响。系统启动后连续运行,有机负荷以CODCr计为193.5～301.5g/(m3·d)、水力负荷为3 m3/(m2·h)、气水体积比为1∶1、进水温度为18～20 ℃,系统正常运行期间对CODCr、NH3-N和浊度的去除率分别为35.6%～42.5%、45.4%～57.5%和46.4%～51.6%。

试验时间为2013年3—6月,为创造良好的微生物生长环境,采用滤后水进行反冲洗,运行周期由出水浊度确定,当出水浊度大于1NTU时即进行反冲洗,并以反冲洗结束时出水浊度作为评价系统反冲洗效果的指标[8],反冲洗控制整个滤料层膨胀率为10%～30%,并以此经反复试验确定反冲洗强度范围。

试验采用3段式反冲洗,即气预冲洗、气水联合反冲洗、水漂洗。

1.2.3　试验设计

为确定最佳反冲洗参数,采用正交试验[9],既可减少试验次数,又能保证试验的有效性。本试验按5因素(气冲洗强度Qa、气预冲洗时间ta、水冲洗强度Qw、气水联合冲洗时间taw、水漂洗时间tw)、3水平进行,详见表1所列。

为评价各因素在各水平上的优劣,本试验采用反冲洗前后滤池生物活性变化率、反冲洗结束时出水浊度及反冲洗能耗为评价指标。其中能耗以综合能耗指标ECI表示[10],公式为:

其中,Cwi为第i组试验耗水量;CGi为第i组试验耗气量。

表1　正交试验因素与水平

2试验结果与分析

2.1　正交试验结果及分析

根据试验方案,选用L18(35)正交表,正交试验结果见表2所列。

表2　正交试验结果

采用极差分析法进行分析，结果见表3所列。由表3可知,对反冲洗前后滤池生物活性变化率影响最大的因素是气冲洗强度,然后依次为水漂洗时间、气预冲洗时间、气水联合冲洗时间、水冲洗强度,影响生物活性变化率的各因素中优水平分别为Qa3、ta3、Qw3、taw1、tw2(下标中数字为各因素的水平编号);影响反冲洗结束时出水浊度的各因素根据影响程度由大到小分别为水漂洗时间、气冲洗强度、气水联合冲洗时间、气预冲洗时间、水冲洗强度,各因素中的优水平分别为Qa3、ta3、Qw1、taw3、tw3;对反冲洗能耗影响最大的因素为气预冲洗时间,然后依次分别为水冲洗强度、气冲洗强度、气水联合冲洗时间、水漂洗时间,各因素的优水平分别为Qa1、ta1、Qw1、taw1、tw1。综合考虑各因素对各评价指标的影响可确定最佳反冲洗参数如下:气冲洗强度为7.5L/(s·m2),气预冲洗时间为6 min,水冲洗强度为1.5 L/(s·m2),气水联合冲洗时间为4.5 min,水漂洗时间为4 min。

表3　极差分析结果

2.2　最佳工况下反冲洗出水 SS变化

在反冲洗试验中,按上述所确定的最佳反冲洗参数对系统进行反冲洗,并测定气水联合反冲洗开始后反冲洗出水SS随时间的变化情况,如图2所示。

图2　滤池反冲洗出水 SS变化曲线

由图2可以看出滤池反冲洗出水SS随时间的变化规律。在气水同时反冲洗开始后的前2.5min内,反冲洗出水中SS迅速增加,在3min时反冲洗出水中SS即达最大,此时反冲洗出水ρ(SS)为1 053.75mg/L,随后出水ρ(SS)逐渐降低;到气水同时反冲洗结束时(即4.5min时),出水ρ(SS)为675.48mg/L左右;从水漂洗开始至结束,反冲洗出水ρ(SS)由675.48mg/L降至52.75mg/L。通过测定反冲洗过程中相应时点出水浊度变化,发现浊度基本上与反冲洗出水ρ(SS)变化相吻合。气水同时反冲洗初期,滤池出水混浊不清,间杂有块状悬浮物,疑为老化生物膜物质,随着冲洗过程的进行,反冲洗出水逐渐变得清澈透明,到漂洗结束前出水中基本上看不到悬浮物质,此时测试出水浊度平均为1.25左右。

2.3　不同挂膜方法下反冲洗生物量变化

在BAF系统启动之初,笔者进行了BAF不同挂膜方法预处理微污染水源水试验[11],本试验重点考察了最佳反冲洗工况下反冲洗对不同挂膜方法下反冲洗前后生物量的变化情况,结果见表4所列。其中1#滤池采用接种挂膜,2#滤池采用自然挂膜。稳定运行期间,对1#滤池、2#滤池分别进行了3个运行周期的反冲洗试验,对比反冲洗对其生物量变化的影响。

由表4可知,反冲洗前1#滤池、2#滤池生物量基本相同。反冲洗后,接种挂膜的1#滤池生物量平均减少27.43%,自然挂膜的2#滤池生物量平均减少21.44%,为维持BAF的有效运行,反冲洗使适量的生物量减少是正常的,这是去除老化生物膜的必然结果。

表4　1 #、2 #滤池反冲洗前后生物量及变化　nmol/g

由表4亦知,在相同反冲洗工况下,反冲洗后1#滤池、2#滤池生物量变化率相差5.99%。究其原因,一方面可能是自然挂膜的生物附着力比接种挂膜的生物强,生物活性较强,不易脱落;另一方面可能是接种挂膜的1#滤池活性较差的生物量就比自然挂膜的2#滤池生物量多,经反冲洗脱落较多。

3结论

(1) 采用反冲洗前后滤池生物活性变化率、反冲洗结束时出水浊度及反冲洗能耗为评价指标,在气冲洗强度、气预冲洗时间、水冲洗强度、气水联合冲洗时间和水漂洗时间5个因素中,通过正交实验可知,影响生物活性变化率的最大因素为气冲洗强度,影响出水浊度的最大因素为水漂洗时间,而影响反冲洗能耗的最大因素为气预冲洗时间。

(2) 采用3段式反冲洗,综合考虑各因素对评价指标的影响,确定BAF预处理微污染水源水最佳反冲洗参数如下:气预冲洗时间为6min，气、水冲洗强度分别为7.5、1.5L/(s·m2)，气水联合冲洗时间为4.5 min，水漂洗时间为4 min。

(3) 在最佳反冲洗工况下,气水联合反冲洗3min时,反冲洗出水ρ(SS)最大,达1 053.75mg/L,水漂洗结束时,反冲洗出水ρ(SS)最低为52.75mg/L,基本与反冲洗出水浊度变化相吻合;反冲洗前后,接种挂膜、自然挂膜下系统生物量均有不同程度的减少,分别减少27.43%、21.44%,后者较前者低5.99%。

[参考文献]

[1]熊水应,李翠红.MBBR工艺在微污染原水预处理中的应用[J].给水排水,2010,36(7): 25-29.

[2]谭茜,胡淑恒,朱承驻.微电解-氧化法处理微污染水研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2008,31(6): 902-904,908.

[3]邹浩春,焦洁,王正林,等.BIOSMEDI生物滤池预处理微污染原水的研究[J]. 中国给水排水,2009,25(21): 41-43.

[4]马军,邱立平.曝气生物滤池及其研究进展[J]. 环境工程,2002,20(3): 7-11.

[5]CanlerJP.Biologicalaeratedfilters:assessmentoftheprocessbasedon12sewagetreatmentplants[J].WatSciTech,1994,29(10/11):13-22.

[6]张宝杰,闫立龙,甄捷,等.曝气生物滤池最佳反冲洗周期及反冲洗方式研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2006, 38(7): 1045-1050.

[7]郑俊,吴浩汀,程寒飞. 曝气生物滤池污水处理新技术及工程实例[M]. 北京: 化学工业出版社,2002:83-84.

[8]徐勇鹏,王在刚,崔福义.滤池反冲洗时间控制模式的分析优化[J].中国给水排水,2006,22(1):66-69.

[9]杨朗,李志丰,钱吉彬,等.利用镇江沸石去除城市污水中的氨氮[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2011,34(2):292-294, 299.

[10]曹相生,孟雪征,张杰,等.正交试验确定好气滤池气水反冲洗参数的研究[J].水处理技术,2004,30(5):279-281.

[11]唐文锋,孙丰英,何晓文.曝气生物滤池不同挂膜方法预处理微污染水源水研究[J].水处理技术,2011,37(11):80-83.

(责任编辑张淑艳)