污水土地好氧生物过滤系统反冲洗效果研究

2016-12-22郭一令杜亚南

安徽农业科学 2016年33期

关键词：滤料滤池生物膜

郭一令，杜亚南

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033)

污水土地好氧生物过滤系统反冲洗效果研究

郭一令，杜亚南

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033)

[目的]研究反冲洗对污水土地好氧生物过滤系统的影响。[方法]在流量1.4 m3/d和曝气量1.8 m3/h的条件下，以海泊河污水厂初沉池出水为试验进水，系统19 d完成挂膜。在气冲强度13.9 L/(m2·s)，水冲强度0.1 L/(m2·s)的条件下，研究系统不同反冲洗周期(4、8 d)和反冲洗时间(1、2、4、6 min)下进出水COD和氨氮含量。[结果]4 d周期反冲洗4、2、1 min对系统生物膜破坏较小，平均出水COD含量为76.0 mg/L，出水氨氮含量均在5 mg/L以下，维持系统连续运行28 d。在8 d反冲洗周期中，反冲洗1、2、4 min后平均出水COD含量为93.0 mg/L、氨氮含量为6.8 mg/L，与4 d周期时出水相比略高；反冲6 min后，系统生物膜受到一定程度的破坏，出水COD和氨氮分别上升至130.8和14.1 mg/L，系统恢复需要4 d。[结论]建议对类似系统4～8 d进行1次4 min的反冲洗，如果出现堵塞可进行6 min反冲洗。

污水土地处理；好氧生物过滤；反冲洗周期；反冲洗时间

污水土地好氧生物过滤系统[1]是对传统污水土地处理系统的升级，通过强制曝气，利用土壤-微生物-植物生态系统的自我净化和调控机制，通过一系列的物理、化学和生物作用，使污水得到净化，并对污水中的氮、磷等资源加以利用的一种污水处理技术。与其他污水处理系统相比，其具有投资低、运行简便等优点，但由于土地好氧生物过滤系统运行过程中生物膜的过量增殖和老化，导致处理效率降低以及滤料对污水悬浮物的不断截留，从而使系统的水头损失增加，沟流现象加重[2]，出水效果变差，甚至会导致滤池堵塞、系统瘫痪[3-6]。因此，须通过定期反冲洗[7-8]维持系统的连续高效运行。然而，不恰当的反冲时间、强度和周期都会影响系统运转，反冲洗不足易使系统堵塞、生物膜腐化影响出水；反冲洗过度会使生物膜遭受破坏，影响出水水质。笔者以海泊河污水厂初沉池出水为进水，研究了土地好氧生物过滤系统反冲洗时间、强度和周期。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料试验装置为升流式污水土地好氧生物过滤系统，填料为天然碎石，直径3～5 cm，高2.5 m，实际填料高度2.0 m，直径1.6 m，孔隙率50%，有效容积2 m3。进水管、曝气管平行布置在池体底端，进水管采用DN 20的PE管，在PE管斜向下45 °开10 mm的布水孔，间距为40 cm，共8个布水孔，呈“十”字形布置。曝气管和反冲洗管为同一管路采用DN 40的PE管，开12 mm孔作为布气孔，共80个，平均分布于3条平行的进气管上。试验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Experimental device diagram

试验进水为青岛市海泊河污水厂初沉池出水，进水主要指标：化学需氧量(COD)为178.6～662.7 mg/L，氨氮含量28.45～110.09 mg/L，pH 7.17～8.31，溶解氧(DO)0.35～1.89 mg/L。进水采用澳滨WQD2-5-0.18型水泵，反冲风机百惠BHR80型风机。

1.2 运行条件在该系统运行半年后总结出最佳运行条件：进水量1.4 m3/d，曝气量1.8 m3/h，停留时间34 h。周宝俊等[9]以粒径3～5 mm轻质滤料(EPS粒子)为填料，填料层高度为2 m，采用负压脉冲方式反冲洗，曝气生物滤池平均水力反冲洗强度可达到26.25 L/(m2·s)，反冲洗时间为169 s进行了试验；凌霄等[8]以粒径3～6 mm的陶粒为填料，采用气冲4.88 L/(m2·s)，水冲1.44 L/(m2·s)，反冲洗时间为3、4、5 min的条件，取得较好的效果。笔者采用3～5 cm粒径的碎石为填料，参照前人研究，结合所选用的系统设备，设定气洗强度为13.90 L/(m2·s)，水洗强度为0.14 L/(m2·s)(主要作用是将污泥排出，防止污泥下落过程中将进水口堵塞)，反冲洗时间设为1、2、4、6 min。

1.3 试验方法共设4个试验，设计见表1。反冲洗后排空系统内污水，排泥量大约为总污泥量的1/4，而后恢复系统的正常运行。反冲洗后2、4、6、8 d取进出水样，测定COD和氨氮含量。COD含量采用重铬酸钾法测定，氨氮含量采用钠氏试剂分光光度法测定。

表1 试验设计

2 结果与分析

2.1 系统挂膜试验该系统运行是在2015年3月11日采用自然富集培养法进行挂膜启动，进水量1.4 m3/d，曝气量1.8 m3/h。取反应器表层，距池底2.0 m处滤料进行生物膜观察，取挂膜期(共19 d)第2、11、19天表层滤料进行观察，结果如图2所示。

图2 挂膜期第2、11、19天滤料挂膜情况Fig.2 Second，eleventh，nineteenth day of biofilm media situation

生物膜挂膜过程可分为3个阶段：适应期、增长期、稳定期。在适应期，少量微生物附着于滤料表面，滤料表层无明显颜色变化；在增长期，微生物开始快速增长繁殖，不断向外扩散并逐渐连在一起形成菌胶团，该阶段异养菌在生物膜结构中生长速度较快并占主导地位，滤料表面生物膜颜色变为深黄色；进入稳定期，生物膜中各微生物种群数量及分布趋于稳定，逐渐形成相对平衡的生态菌落，滤料表层生物膜厚度明显增加且颜色变为浅褐色。

在第14、第17和第19天分别取样测定，结果见表2。

表2 系统挂膜阶段COD含量及去除率变化

由表2可知，在进水COD含量为256.1～482.0 mg/L，容积负荷为0.14 kg/(m3·d)，温度为12.3～18.5 ℃的条件下，系统对COD的处理效果较为稳定，去除率为58%～83%。如图2所示，滤料表面覆盖有较明显完整的生物膜厚度，根据江萍等[10]的挂膜成功标准是CODCr去除率达到70%的研究结果，可以判定系统在运行19 d后挂膜成功。

2.2 反冲洗周期确定试验土地好氧生物过滤系统的反冲洗周期受2个因素的影响：一是滤料的性质，由于该试验采用碎石为滤料，孔隙率为50%，且孔隙空间较大，对污染物的容纳量较传统人造悬浮小颗粒滤料有明显优势；二是进水悬浮物浓度及生物膜生长特性也将影响系统反冲洗周期，进水悬浮物浓度过高、生物膜生长老化速度快，滤料易堵塞，反冲洗周期将会缩短。

从图3可以看出，随着系统运行时间的延长，进出水口的水头损失不断增加，出水COD含量也随之增大。在反应器运行前3 d，水头损失没有明显增加，为0.7 m。在运行第4天，水头损失增加到0.9 m。当系统运行至第8天，出水水头损失增加至1.3 m，较初期上升了86%。在第10天水头损失达1.6 m。这说明在系统运行到第8天时，反应器保持对污染物的截留作用，但已开始接近饱和状态，随着系统继续运行，生物膜的老化脱落及悬浮物沉积，反应器已经开始堵塞并形成沟流现象。根据以上分析可知，土地好氧生物过滤系统的反冲洗周期为8 d内，在工程应用上，可针对具体的进水水质、出水COD含量及水头损失变化确定反冲洗周期。第4天水头损失上升，原因可能是系统内局部有堵塞现象，因此可以在第4天至第8天进行1次反冲洗，由此可以确定进行反冲洗的周期为4、8 d。

图3 系统水头损失随时间变化情况Fig.3 System head loss changes over time

2.3 反冲洗4 d试验

2.3.1 对COD去除效果的影响。从图4可见，进水COD含量为180.1～487.7 mg/L，波动较大，出水COD含量为51.9～141.2 mg/L，平均出水COD含量为76.0 mg/L，水质波动对系统运行影响较小，验证了土地生物过滤系统具有较强的耐负荷冲击能力。在10月31日至11月16日，反冲洗4 min后，出水COD从141.0 mg/L迅速下降并稳定在50.0 mg/L左右，COD去除率在80.0%左右，最高达到87.0%；反冲洗2、1 min后，出水稳定与反冲前差别不大，有持续转好趋势。11月10日COD去除率较低，与近期持续降雨及进水COD较低有关；11月14出现了反冲洗后堵塞现象，这可能由于反冲洗后污泥未完全排出，污泥下落过程中再次附着于滤料上，从而造成堵塞。因此，要在排泥过程中注意该类现象的发生，适当延长排泥阶段的水冲时间。

图4 4 d反冲洗周期COD含量及去除率的变化Fig.4 COD content and removal rate change in 4 d backflushing interva

11月18日出水COD含量较高，达到110.0 mg/L，这与进水COD含量较高有关。11月24日出水COD含量有所升高，这是由22日线路故障，系统停止运转，曝气停止，系统充氧不足所导致。11月28日系统出现堵塞现象，可能是该试验只进行了1、2、4 min的反冲洗，反冲洗时间较短，未完全对滤料进行反冲洗，下层滤料截滤的悬浮物并未完全被冲洗排放干净。较短的反冲洗时间，也减少了对系统微生物的影响，在试验期间COD平均去除率为77.0%，平均出水COD含量为76.0 mg/L，远优于二级排放标准。

图5 4 d反冲洗周期含量及去除率的变化Fig.5

2.4.1 对COD去除效果的影响。从图6可见，COD去除率波动较大，为69.0%～85.0%，平均出水COD含量为93.0 mg/L，高于4 d周期平均出水COD含量(76.0 mg/L)，这主要与该试验是重新启动系统后进行的有关，系统内生物膜的稳定性和生物量均与试验③(正常运行半年系统后)有一定差距，但与大多数生物滤池系统相比效率较高，重启系统后生物膜活性迅速恢复，维持了系统的高效处理。4月1日反冲洗4 min后，出水COD含量从76.9 mg/L上升至4月3日的138.7 mg/L，但去除率变化不大，这是由于4月3日进水COD含量增加。随后出水COD含量逐渐下降，4月9日和17日分别反冲2和1 min并未对出水产生影响，这与试验③规律一致。在4月25日系统出现堵塞现象，故对系统进行6 min反冲洗，使系统恢复进水。4月27日出水COD含量升高，COD含量由74.5 mg/L升至130.8 mg/L，去除率有所下降，这说明反冲洗6 min对系统生物膜产生了一定程度的破坏，但系统恢复较快，在29日后出水恢复正常。对比试验④和试验③，不同反冲洗周期反冲洗4、2、1 min后的COD平均去除率分别为75.0%、78.0%、78.0%，变化不大，这是由于试验④在重新挂膜启动后硝化细菌恢复较慢，但去除率仍分别达到91.0%、90.0%、95.0%。

图6 8 d周期反冲洗COD含量及去除率的变化Fig.6 COD content and removal rate change in 8 d backflushing interva

图7 8 d反冲洗周期含量及去除率的变化Fig.7

3 结论与建议

(1)该研究表明，土地好氧生物滤池挂膜进水平均COD含量为400 mg/L，容积负荷为0.14 kg/(m3·d)，温度在12～19 ℃的条件下，19 d可以达到出水COD去除率80%左右，结合观察生物膜认定挂膜完成。在进水量1.4 m3/d、曝气量1.8 m3/h的条件下，以碎石为填料的升流式污水土地好氧生物滤池极易产生堵塞现象，系统水头损失随运行时间变化很快，8 d后水头损失增加86.0%，达到1.3 m。因此，建议根据进水情况将反冲周期维持在8 d内。

(3)通过反冲洗4 d周期和8 d周期试验，根据水头损失，结合现场运行情况，建议在进水量1.4 m3/d，曝气量1.8 m3/h，进水COD含量400 mg/L的土地好氧生物滤池采取反冲洗气洗强度为13.9 L/(m2·s)、水洗强度为0.1 L/(m2·s)的情况下，4～8 d进行1次4 min内的反冲洗，如果出现堵塞可进行6 min反冲洗。参考文献

[1] 郭一令，苏林萌，徐进，等.污水土地好氧生物过滤处理系统的小试研究[J].水处理技术，2011，37(12)：99-102，108.

[2] 许保玖，龙腾锐.当代给水与废水处理原理[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3] 孔刚，许昭怡，李华伟，等.地下土壤渗滤法净化生活污水研究进展[J].土壤，2005，37(3)：251-257.

[4] 雷明，李凌云.人工湿地土壤堵塞现象及机理探讨[J].工业水处理，2004，24(10)：9-12.

[5] KRISTIANSEN R.Sand-filter trenches for purification of septic tank effluent I.The clogging mechanism and soil physical environment[J].J Environ Qual，1981，10(3)：353-357.

[6]何江涛，马振民，张金炳，等.污水渗滤土地处理系统中的堵塞问题[J].中国环境科学，2003，23(1)：85-89.

[7] 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)：1045-1046，1050.

[8] 凌霄，胡勇有.曝气生物滤池反冲洗关键因子的确定及机理浅析[J].给水排水，2005，31(10)：19-23.

[9] 周宝俊，秦树林.曝气生物滤池处理矿区生活污水中反冲洗强度的控制研究[J].能源环境保护，2015，29(2)：17-19.

[10] 江萍，胡九成.国产轻质球型陶粒用于曝气生物滤池的研究[J].环境科学学报，2002，22(4)：459-464.

[11] 李方，杨波，田晴，等.滤层高度对升流式曝气生物滤池硝化性能的影响[J].水处理技术，2008，34(10)：46-49.

[12] 齐兵强.曝气生物滤池(BIOFOR)处理生活污水中试研究[D].北京：清华大学，2000.

[13] 周群英，王士芬.环境工程微生物学[M].北京：高等教育出版社，2008.

Effect of Backflush on Sewage Land Aerobic Biological Filtration System

GUO Yi-ling, DU Ya-nan

(School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao, Shandong 266033)