低气温条件下两级曝气生物滤池的启动研究

2017-03-22刘志辉卢文君

中国农村水利水电 2017年1期

赵奕，刘志辉,3,4，卢文君

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学教育部绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，乌鲁木齐 830046；4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心，乌鲁木齐 830046)

曝气生物滤池(Biological Aerated Filter,BAF)，是20世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺，借鉴了生物接触氧化法和给水快滤池的设计思路。以颗粒状填料为载体，通过曝气使滤料表面附着大量生物膜，利用生物膜中微生物的代谢作用，膜和填料的物理吸附和截留作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内去除。反应器内存在着不同的好氧、缺氧区域，可同步实现硝化、反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮除磷的目的[1,2]。

BAF具有占地面积小、投资少、启动快、处理效率高、出水水质好和操作简单等诸多优点[3]，现以广泛应用于污水处理领域。由于BAF去除水中污染物的主要原理是通过生物膜进行降解，因此生物膜的形成在整个工艺中有非常重要的地位。但在北方地区，冬季气温较低，微生物活性受抑制，在滤料上很难形成稳定的生物膜，造成污水处理效果不佳[ 4-6]。目前已经有大量学者研究了低温对微生物去除污染物的影响，证明了低温会降低微生物去除污染物效率[7,8]。但很少有人研究低温下对BAF增加加热保温措施后去除污染物的影响。本试验为了更好地发挥BAF的作用，使其在北方冬季可以正常运行，选择了水质稳定的校园污水，探讨了低气温条件下对BAF增加加热保温措施后处理校园污水的挂膜启动过程。

1 试验部分

1.1 试验装置

本试验采用自制的两级BAF，装置示意图见图1。滤池为两根滤柱，均由高3 500 mm，内径300 mm，外径315 mm，承压力为0.7 MPa的UPVC给水管制作而成，两滤柱落差为1 m，按水流经滤柱先后顺序分别为BAFⅠ和BAFⅡ。滤柱内部装填球形陶粒滤料，进水方式采用上向流进水。两段BAF承托层设计为450 mm，承托层的填料粒径为大于20 mm的鹅卵石，BAFⅠ球形滤料粒径为10～20 mm，BAFⅡ球形滤料粒径为5～10 mm，滤层高度均为2.2 m，清水区都预留850 mm。各级BAF在承托层以上每隔500 mm依次向上设有4个取样口，分别安有水龙头。进水流量由液体转子流量计控制，曝气气量由气体转子流量计控制。进气管采用内径为15 mm的硅胶水管，进出水管采用内径为40 mm的帆布水管。为提高BAF单元水温，将BAF单元池壁以1∶3的比例缠绕自控温度为65±5 ℃，标称功率为15 W的电伴带，并包裹了5 cm厚度的橡塑保温材料更好地提高和控制水温。试验设计BAF最大日流量可以达到3.6 m3/d(150 L/h)。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagramof the experiment equipment

1.2 检测项目及方法

试验用水为新疆大学本部校区生活污水，污水经过5 mm的滤网后直接由污水泵按设计流量注入BAF池中。

检测项目及测试方法见表1。

2 启动过程

本试验挂膜方式采用自然富集培养挂膜法。试验区为新疆大学本部校区学生宿舍7号楼前，试验用水取自实验区检查井。自然富集培养挂膜法一般需要两个阶段，第一阶段需要10～15 d，本试验进水体积流量为37.5 L/h，风量为225 L/h，风机每隔6～8 h停止曝气，并更换BAF中的处理水，连续闷曝3～5 d。第二阶段一般需要8～10 d，本试验进水体积流量为150 L/h，风量450 L/h。前15 d气水比为3∶1，后期将气水比逐渐提高到4∶1。温度通过加热和保温措施控制在22 ℃左右。试验进行7 d后肉眼可看到曝气生物滤池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色变成灰褐色且逐渐变厚、颜色逐渐加深。整个试验过程共进行30 d，分别在开始运行的第7、15、20、25、30 d进行取样检测。

表1 水质检测项目以及测试方法Tab.1 Water quality test items and methods

3 结果与讨论

3.1 挂膜期间温度变化

温度是影响BAF挂膜的一个重要因素，在低气温条件下，生物膜中微生物活性降低生长代谢缓慢，对有机物和氮磷含量的去除有明显抑制作用。气温过低甚至会直接影响BAF单元的正常运行。在新疆低气温条件下，试验所选择的原水温度在10 ℃左右。BAF中微生物生长的最适宜温度是15～35 ℃，高于或低于此温度的范围对曝气生物滤池单元的净化效果都会产生不利的影响，水温较低时，生物膜活性会受到限制，因此水温是影响曝气生物滤池挂膜的一个重要因素。在本试验运行中，设计了具有加热保温效果的BAF装置。挂膜期间温度变化见图2。由图2可知，BAF出水温度稳定在22 ℃左右，可以保证试验正常运行。

图2 温度变化Fig.2 Temperature changes

3.2 挂膜期间对SS的去除效果

挂膜期间SS去除效果见图3，由图3可知，BAF对SS的去除率较高，在启动初始阶段，SS去除率就已经达到74%以上，这主要是由于BAF滤料本身具有很强的吸附截留作用，对SS有一定去除效果。而本试验中，选择的是两级BAF，且两级BAF中滤料的粒径也不同，所以大大提高了SS的去除率。在挂膜启动第20 d，出水SS值降到10 mg/L以下，对SS的去除率达到99%，后10 d，SS的去除率稳定在这个范围内。BAF处理污水中SS是通过滤料的机械截留、接触及生物凝聚作用，使SS被不断地截留在填料的孔隙间，达到降低SS的目的。但随着运行时间的延长，滤层截留的SS不断积累增多以及滤料表面生物膜厚度的增加，会堵塞滤料的孔隙，增加过水的阻力，降低BAF对污染物去除效率[9-11]。因此试验运行过程中需要通过反冲洗使滤层进行再生。此外，当进水SS值连续偏高时，会缩短BAF的工作周期，增加反冲洗次数。此时可以采取相应的预处理措施降低偏高的进水SS值，延长反应器的工作周期并降低反冲洗能耗。

图3 SS的去除率Fig.3 SS removal rate

3.3 挂膜期间对BOD5和CODCr的去除效果

挂膜期间BOD5和CODCr去除效果见图4、图5，由图4、图5可知，水温控制在22 ℃左右，气水比4:1，水力负荷为2.1 m3/(m2·h)，水力停留时间为3.11 h的运行条件下，在挂膜20 d后BOD5和CODCr的去除率已经达到很高，分别为76.82%和66.38%，此时可以证明通过加热保温措施可以保证BOD5和CODCr的去除率，提高BAF在低气温条件下挂膜成功率。

由图4、图5可以明显地看到15 d时水质浓度有回升的现象，此时的去除率低于7 d的去除率，20 d的去除率又有了明显的提高，25、30 d的去除率也是持续增长的。其主要原因是由于滤料本身具有较强的截留、吸附作用，在运行初期，对污水中的部分有机污染物有一定的去除效果[12,13]。但随着滤料中污染物的积累，生物膜的形成，滤料孔隙率降低，使滤料的截留、吸附作用减弱，BOD5和CODCr的去除率会有所下降。但在之后的运行过程中，通过进一步提高气水比到设计量，大量微生物快速生长，生物膜逐渐成熟稳定，滤料层中异养菌数量增多，BOD5和CODCr的去除率不断提高，并达到稳定。但曝气强度必须控制得当，不宜过大，曝气强度过大会使生物膜因代谢活动过强而导致污泥老龄化，出水水质达不到预期的效果。由于调整气水比后15 d里污水处理效果都很好，所以本试验选择的气水比为4∶1。在运行到第20 d时，BOD5和CODCr的去除率达到86.29%和92.09%，此后去除率一直稳定在90%左右。

图4 BOD5的去除率Fig.4 BOD5 removal rate

图5 CODCr的去除率Fig.5 CODCr removal rate

3.4 挂膜期间对NH3-N和TP的去除效果

NH3-N和TP的去除效果是判断生活污水处理工艺性能的重要内容。为了更好地验证试验挂膜启动是否成功，在运行期间，对NH3-N和TP的含量进行了检测，NH3-N的去除效果见图6，由图6可知，在启动初期，NH3-N的去除率在60%左右，之后有下降的趋势，在此阶段虽然已经达到一定去除效果，但去除率要低于有机物的去除率。启动初期NH3-N的去除仅依靠滤料的吸附作用和少量的生物降解作用，并且硝化细菌的世代周期长，在启动初期和异养菌的竞争处于劣势[14,15]。随着异养菌在滤料中基本稳定，硝化细菌开始快速生长和繁殖，NH3-N的去除率开始迅速提高，当运行到第20 d，检测到NH3-N的去除率已经达到99%，之后的10 d都稳定在这个范围内。TP的去除效果见图7，由图7可知，在运行的前15 d，TP的去除率达到60%以上，并有下降趋势，第20 d时TP的去除率降到50%以下，之后逐渐提高，第25 d时TP的去除率提高到87.17%并达到稳定。由此可以说明，滤料上已经形成了稳定的生物膜，BAF挂膜启动试验成功。

图6 NH3-N的去除率Fig.6 Ammonia nitrogen removal rate

图7 TP的去除率Fig.7 TP removal rate

4 结论

试验在低气温条件下用自制的具有加热保温功能的BAF装置，温度稳定在22 ℃左右，气水体积比在4∶1的条件下，采用自然富集培养法挂膜启动BAF，处理大学校园污水。经过20 d后，SS的去除率稳定在98%，BOD5和CODCr的去除率分别稳定在95%和87%，NH3-N的去除率稳定在99%，TP的去除率稳定在86%。镜检结果显示，7 d后肉眼可看到曝气生物滤池中的陶粒表面包裹了灰白色生物膜，20 d后生物膜由灰白色变成灰褐色且逐渐变厚、颜色逐渐加深。同时，通过显微镜的低倍镜检和高倍镜检，发现大量的菌群附着在陶粒表面，且微生物种群很多，交织在一起形成网状结构，形成具有截留吸附、分解污染物的能力的微生态系统，为污水处理的稳定运行创造了基础条件。因此认为BAF挂膜成功。

在试验挂膜过程中由于试验采用的水样为校园社区生活污水，营养成分基本符合曝气生物滤池启动期间微生物正常生长的要求，不用额外增加营养成分，故在BAF启动阶段，选用未经过预处理的校园污水为水源，采用自然富集培养挂膜法。但在后期BAF正常运行期间，为了使进入BAF中的水质保证一个相似均衡的值，本试验过程中，在BAF单元前设计了预处理单元—化粪池，保证进入BAF单元的污水水质均衡。且，在正式运行阶段，只需在晚上或气温较低的条件下对各构筑物进行加热，其他时间，保温措施即可保证正常运行。

试验通过采用改进的具有加热保温措施的BAF装置，控制BAF池内水温，并调节试验运行参数，可以使BAF在北方冬季低气温条件下正常运行，并达到良好的去除效果。该试验的成功为解决北方冬季污水处理困难问题，提供了重要的参考价值。但由于加热保温措施不宜用于大型污水处理工程，故在实际的应用中，要根据污水处理需要，做进一步改进后推广使用。

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