新型多级跌水曝气生物滤池的运行效能研究*

伍培　彭江华　王世雄　郑应亨

(重庆科技学院　重庆 401331)



新型多级跌水曝气生物滤池的运行效能研究*

伍培彭江华王世雄郑应亨

(重庆科技学院重庆 401331)

摘要本文研究了在“跌水曝气式生物滤塔”专利(专利号201020207090.9)基础上增设电气石纤维滤料层的多级跌水曝气生物滤池的运行效能，从水力负荷和容积负荷两方面证明改造后的多级曝气生物滤池处理低浓度生活有机污水的有效性和负离子材料对滤料层净化效率的改进效果，为类似多级跌水曝气生物滤池的工艺设计提供了参考依据。

关键词电气石负离子材料生物滤池水力负荷容积负荷

Research on Operation Efficiency of the New Multistage Waterfall Aeration Biological Filter

WU PeiPENG JianghuaWANG ShixiongZHENG Yingheng

(ChongqingCollegeofScienceandTechnologyChongqing401331)

AbstractIn this paper the operation efficiency of the multistage water fall aeration biological filter equipped with tourmaline fiber filter material layer is studied based on “drop aeration biological filter tower" (patent no. 201020207090.9). From two aspects of hydraulic load and volume load, it is demonstrated the effectiveness of its processing low concentration organic sewage and the improvement effect of anion material on the purification efficiency of the filter material layer, which helps to provide references for the design of multistage drop aeration biological filter.

Key Wordstourmalineanion materialbiological filterhydraulic loadingvolume loading

0引言

在外界条件相对一致的情况下，研究水力负荷、容积负荷对增设电气石滤料层的跌水曝气生物滤池中的污染物去除能力的影响，探求其在实际运行过程中最佳的运行参数；研究不同工况下滤层对污染物的去除效果和检验不同水力负荷工况下负离子材料对滤层净化效率的改进作用，可为类似工艺设计提供参考依据。

1实验情况

以校园生活污水为实验用水。滤池的外部骨架材料为角钢，骨架内部是由PVC材料粘成的滤料框，各滤料框的尺寸(长×宽×高)为600 mm×480 mm×400 mm，各个滤料层里交错地布置着PVC材料折流挡板，整个装置从上至下有5个过滤层，各层上下交错布置，实验装置见图1[1]。污水通过校内化粪池初次沉淀后流入贮水池，加入了适量的磷酸二氢钾，然后由水泵提升至跌水曝气生物滤池的顶部后，靠重力在滤池内部逐级跌水曝气形成生物膜处理污水。根据文献[2]介绍，将电气石粉末加入化学纤维纺丝液中制成负离子化学纤维网增设在四、五滤层上，污水经过逐层处理，出水则直接排放。

实验过程中，常规指标的分析测试采用国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》(第四版)及《城市污水水质检验方法标准》(CJ/T 51—2004)中规定的标准方法，对氨氮的检测作出了改进[3]。

2对水力负荷的实验研究

采用6种水力负荷(见表1)进行实验，滤池相应处理效果如表2所示。

表1　6种不同水力负荷工况

注：每个工况由3个不同的进水水量所测得的数据形成。

表2　不同工况下的污水处理效果

注：“二级标准”为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)。

1—布水器；2—滤料层；3—滤料框；4—布水管；5—塔身；

从工况1至工况6，水力负荷逐步增大，出水CODcr质量浓度逐渐增加，其均值分别为59.1，61.6，66.0，77.6，78.8，104.3 mg/L，工况1至工况5的出水CODcr能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的二级标准。工况1至工况3，CODcr的去除率分别为74.8%，74.3%，73.2%，差别不明显。此时，水力负荷即使有25%的变化，对CODcr的去除率的影响也并不显著。而在工况4、工况5、工况6中，水力负荷的提高就显著影响着滤池对CODcr的去除率。如工况4较工况3的水力负荷仅提高20%多一点，但CODcr去除率却下降了3%。

分析表明，NH3-N占TN的比例约为74%～81%。出水NH3-N和TN因为受进水NH3-N和TN水质的冲击，略有变化。出水中TP质量浓度的平均值为3.2～3.7 mg/L。各污染物的去除率随着水力停留时间的缩短而降低。滤池在各个工况下对TN和NH3-N的去除规律具有一致性。从工况1至工况6，随着水力负荷的提高，滤池出水中TN和NH3-N的去除率分别由29.3%和38.9%下降到13.2%和21.3%。需要注意的是，由于生物滤池对氨氮和总氮的去除主要依靠滤池内微生物的硝化和反硝化作用[4]，其脱氮效果应随水力负荷的增加而提高。

从工况1到工况6，滤池出水中总磷的出水质量浓度均值稳定于3～4 mg/L之间；平均去除率分别为23.1%，22.8%，18.6%，17.6%，13.7%，12.0%，总磷去除率偏低，说明短时间的水力停留不利于微生物的生长从而减小了生物膜上微生物的数量，同时水力负荷的提高使得污水与生物膜的接触时间缩短，悬浮球形填料和电气石滤料层的物理吸附作用难以充分发挥。

在工况3[0.155 m3/(m2.h)～0.170 m3/(m2.h)]时，各污染物的去除效果相对较好。CODcr，NH3-N，TN，TP的去除率均值分别达73.2%，33.7%，23.2%，18.6%。出水质量浓度均值分达66.0，37.3，58.7，3.6 mg/L。向污水投加工业用葡萄糖，将其COD提升至700 mg/L，控制流量在工况3范围内，COD出水质量浓度稳定在300～350 mg/L，然后回流再进行处理，COD降至130～150 mg/L，初步证明了跌水曝气污水处理装置对高浓度有机污水处理的有效性。

3不同水力负荷工况下电气石滤料层的净化增效作用

以上实验装置为设有电气石滤料层多级跌水曝气滤池，是根据专利(ZL201020207090.9)建造的多级跌水曝气滤池四、五滤料层上增设电气石化学纤维网，其作用除了纤维网本身的拦截效应外，电气石作为负离子天然材料还具有对废水中的细小颗粒沉降的作用。电气石能够调节水体的氧化还原电位,使水体由还原态向氧化态转变,而改进水体微生物生存条件,促进微生物降解水体中的有毒有害的有机物质[5]。在采用表2中相同的工况下条件，改造后的曝气滤池对不同污染物处理效果与表2对照，其去除的增效效果见表3。

表3　6种不同工况下的污染物处理增效百分点　%

注：增效百分点=增设电气石滤料层后滤池的净化效率-原滤池净化效率。表3中电气石滤料层对CODcr的增效作用能保持在3.0%左右，对NH3-N，TN有1.2%～1.4%的增效，对TP有近1%的增效作用。由于实验仅在四、五滤层增设电气石化学纤维网，所以增效效果不是很明显，但是从表3可以看出，电气石化学纤维网对CODcr的增效作用比较高，有待在此方向进一步进行研究。而且表3数据显示，其增效作用受水力负荷影响小。

4对容积负荷的实验研究

4.1容积负荷对CODcr去除的影响

根据实验可得到CODcr出水质量浓度、去除率与CODcr容积负荷的关系如图2所示。容积负荷为0.492～1.088 kg/(m3·d)时，CODcr出水质量浓度随着容积负荷的增加而增加。当CODcr容积负荷低于0.81 kg/(m3·d)时，滤池对CODcr的去除率达到70%以上。当滤池容积负荷大于0.81 kg/(m3·d)时，出水质量浓度增加明显；当容积负荷增加至0.993～1.088 kg/(m3·d)时，滤池出水CODcr已超过100 mg/L，已达不到城镇污水的二级排放要求了。

图2　CODcr出水质量浓度、去除率与CODcr容积负荷的关系

4.2容积负荷对NH3-N去除的影响

NH3-N出水质量浓度、去除率与NH3-N容积负荷的关系如图3所示，可以看出在较小的负荷区间[0.110，0.152]内，滤池对NH3-N的去除效果较好，去除率在30%以上。此时，滤池内硝化作用也相对较强，NH3-N负荷的增加对NH3-N的氧化反应影响微小。当容积负荷接近0.25 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率下降至20%。

图3　NH3-N出水质量浓度、去除率

4.3容积负荷对TN去除的影响

TN出水质量浓度、去除率与TN容积负荷的关系如图4所示，从图中可以看出TN出水质量浓度随TN容积负荷增大而增大，其去除效果虽然受到自身容积负荷的影响，但在较小的容积负荷范围内，容积负荷的变化对TN去除率的影响不明显。在TN容积负荷低于0.22 kg/(m3·d)时，滤池对TN的去除率可达22%以上。当TN容积负荷超过0.22 kg/(m3·d)而继续增加时，TN的去除率下降的趋势明显在本试验中，TN容积负荷超过0.26 kg/(m3·d)时，NH3-N的去除率下降到16%。

图4TN出水质量浓度、去除率

与TN容积负荷的关系图

4.4容积负荷对TP去除的影响

TP出水质量浓度、去除率与TP容积负荷的关系如图5所示，从图中可以看出在曝气生物滤池里，生物膜外部处好氧状态，膜内部可形成缺氧或厌氧状态，所以能去除磷[6]。观察图5，当进水容积负荷低于0.013 kg/(m3·d)时，由于微生物细胞合成及填料的吸附作用[7]，TP的去除率超过20%；但随着进水流量增加、容积负荷增大，膜与污水接触反应时间变短，被截留的磷就很少了。当容积负荷达到0.019 5 kg/(m3.d)时，TP的去除率仅为10%。

图5　TP出水质量浓度、去除率

5结论

本文从水力负荷和容积负荷方面研究了电气石滤料层跌水曝气生物滤池实验装置的运行效能，得出以下结论：

(1)该跌水曝气生物滤池水力负荷为0.155～0.170 m3/(m2·h)时，对各污染物的去除效果相对理想。对CODcr，NH3-N，TN，TP的去除率均值分别达73.2%，33.7%，23.2%，18.6%。

在CODcr容积负荷低于0.81 kg/(m3·d)时，该跌水曝气生物滤池对CODcr的去除率能达到70%以上；在NH3-N容积负荷低于0.152 kg/(m3·d)时，滤池对NH3-N的去除率在30%以上；在TN容积负荷低于0.22 kg/(m3·d)时，TN的去除率可达22%以上；TP容积负荷低于0.013 kg/(m3·d)时，滤池对TP的去除效率达20%以上。

(2)电气石滤料层对滤池去除污染物有增效作用，在结构四、五层增设该滤层时，工况3运行状态下CODcr，NH3-N，TN，TP的去除率增加值分别达2.8%，1.4%，1.0%，0.9%，且其增效受水力负荷影响较小。

参考文献

[1]陈一辉,李伟民,伍培，等. 跌水曝气生物滤池的挂膜与启动研究[J]. 环境工程,2012,30(3):46-48.

[2]张驰.高机能性水处理的研究[D].武汉:湖北大学,2013.

[3]陈一辉，李伟民，伍培，等.氨氮测定方法的对比研究[J].环境工程，2011，29(S1)：234～236.

[4]王立立,刘焕彬,胡勇有,等.曝气生物滤池处理低浓度生活污水的研究[J].工业水处理, 2004, 23(3):29-32．

[5]钟佳,王风贺.电气石在水处理方面的应用[J].科技创新导报,2009(25)：62-63.

[6]张顺,田晴,汤曼琳,等. 磷回收对厌氧/好氧交替式生物滤池蓄磷/除磷的影响[J].环境科学,2014,35(3):979-986.

[7]付少彬. 曝气生物滤池脱氮性能及微生物分布特征研究[D].广州：华南理工大学,2014.

(收稿日期：2015-01-30)

作者简介伍培，男，1969年生，汉族，硕士，重庆科技学院教授，研究方向为市政及建筑安全工程。

*基金项目：国家自然科学基金(51376204)。