核桃壳、陶粒曝气生物滤池反冲洗特性的研究*

2017-11-07丁绍兰王娟娟谢林花

环境污染与防治 2017年8期

关键词：核桃壳气水陶粒

丁绍兰王娟娟谢林花

(陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安 710021)

核桃壳、陶粒曝气生物滤池反冲洗特性的研究*

丁绍兰王娟娟#谢林花

(陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西西安 710021)

以气冲-气水联冲-水冲为反冲洗方式、反冲洗周期为4d的工况对核桃壳、陶粒填料曝气生物滤池(BAF)进行反冲洗，确定气、水冲洗强度分别为0.4、22.89mL/(m2·min)，监测不同时间下的浊度、氨氮和能耗来研究BAF反冲洗特性。结果表明：(1)核桃壳和陶粒BAF反冲洗后出水中，影响氨氮去除率、浊度的最大因素均为气冲时间；影响能耗的最大因素为气水联冲时间。(2)综合考虑各因素对评价指标的影响，确定核桃壳BAF最佳反冲洗参数为气冲时间3.0min、气水联冲时间4.5min、水冲时间4.0min；陶粒BAF最佳反冲洗参数为气冲时间3.0min、气水联冲时间3.0min、水冲时间4.0min。

核桃壳陶粒曝气生物滤池反冲洗

Abstract: Determined the backwashing way were air backwashing，air-water backwashing and water backwashing. It carried out backwashing every 4 days in a certain intensity of air backwashing strength was 0.4 mL/(m2·min) and water backwashing strength was 22.89 mL/(m2·min). In order to investigate the BAFs backwashing characteristics，analyzed for effluent turbidity，the concentration of ammonia nitrogen and energy consumption in different time. The results shows that：(1) in the effluent of walnut shell and ceramsite BAFs after backwashing，the main factors that affect the removal rate of ammonia nitrogen and turbidity were air backwashing time. However，the biggest factor influencing energy consumption was air-water backwashing time. (2) Considering the influence of various factors on the evaluation index，it was indicated that walnut shell BAF optimistic condition as follows：single air backwashing time was 3.0 min，air-water backwashing time was 4.5 min and water backwashing time was 4.0 min;ceramsite BAF backwashing optimistic condition as follows：single air backwashing time was 3.0 min，air-water backwashing time was 3.0 min and water backwashing time was 4.0 min.

Keywords: walnut shell; ceramsite; biological aerated filter; backwashing

曝气生物滤池(BAF)是在19世纪80—90年代发展起来的一种污水处理技术，被普遍接受并广泛应用于现有污水处理厂，在很多方面与传统生物滤池相似，与其他污水处理技术，如活性污泥法、生物接触氧化法和给水过滤法相比，BAF对去除COD和氨氮具有显著优势[1-3]。

填料的特性很大程度上决定了BAF的性能[4]。常用的填料包括砂粒、碎石、矿渣、焦炭、无烟煤、沸石和陶粒[5]。核桃壳是核桃取仁后的废弃物，目前大都被农户用作燃料，利用价值低，且污染环境。核桃壳是一种释碳能力强、具有多孔骨架支持作用、性能稳定的填料[6]。本课题组将其应用于BAF处理氨氮废水取得了良好的效果，试验证明，核桃壳是一种较理想的BAF填料[7]。

BAF随着运行时间的延长，由于填料的机械截留和接触凝聚以及生物凝聚作用，使悬浮无机胶体颗粒不断截留在填料的空隙中[8]。另外，生物膜厚度的增加，导致填料空隙减少，水头损失增加[9]。一般认为，生物膜厚度应控制在300～400 μm，此时生物膜的新陈代谢能力强，出水水质好。生物膜的厚度超过这一范围时，氧的传递速率减小，影响微生物的繁殖，对处理效果影响很大[10]。因此，必须定期对BAF进行反冲洗，反冲洗过程是维持BAF正常运行的关键[11]。

反冲洗的基本要求[12-13]：在较短的反冲洗时间内，使填料得到清洗，恢复其除污能力，即清除填料颗粒间所截留的SS及填料表面脱落的老化生物膜，但必须保留适当的生物膜。目前，工程中的反冲洗参数大多凭经验或借鉴其他工程确定[14]，关于反冲洗的理论模型、机制等方面的研究并没有取得一致的观点。本研究采用核桃壳、陶粒BAF分别处理模拟氨氮废水，利用正交试验重点考察了不同反冲洗因素对反冲洗效果的影响，并确定了最佳反冲洗参数，为工程实践应用提供指导。

1 试验部分

1.1 装置与材料

BAF(见图1)均采用有机玻璃制作，内径90 mm，外径100 mm，高1.0 m，总容积为6 L，有效容积为5 L。底部由下到上依次填充粒径为40～50、20～30、10～<20 mm的光滑鹅卵石承托层，其总高度为0.1 m；承托层底部中心设砂芯曝气头，并用聚氯乙烯软管与空气压缩泵相连，以空气流量计控制曝气量。核桃壳/陶粒BAF承托层上方，均匀填充粒径4～6 mm的核桃壳/陶粒填料，装填高度为0.6 m。因核桃壳密度较小，故在核桃壳填料层上方另填充50 mm厚的生物陶粒填料，以防止核桃壳反冲洗时被水带出，引起填料损失。

1—废水箱；2—蠕动恒流泵；3—水样取样口；4—填料层；5—承托层；6—曝气头；7—空气流量计；8—空气压缩泵；9—支座图1 BAF示意图Fig.1 Schematic diagram of the BAF

核桃壳购自西安市当地农贸市场，用自来水洗去杂质，去瓤留壳后破碎，分别过4、6 mm筛，将筛余物(粒径4～6 mm)用去离子水浸泡，除去浮于水中的残余核桃瓤和果皮，重复多次，以确保所得核桃壳形状、尺寸及密度的均一性。经处理的核桃壳在 105 ℃烘干后备用。

生物陶粒购自江西某化工填料有限公司，洗去杂质后在105 ℃烘干后备用。

试验所用进水为模拟氨氮废水，投加适量的葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾配制。主要水质指标：COD 272～376 mg/L，氨氮24.60～59.22 mg/L，pH 7.5～8.5，温度16～26 ℃，DO 3.5～4.5 mg/L。废水由管道经废水箱从BAF底部泵入。反冲洗的进水和曝气采用同一系统进行。

1.2 主要测试项目及方法

浊度：WGZ-1B型浊度仪；氨氮：《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)。

1.3 试验内容

采用自来水进行反冲洗，反冲洗周期为4 d，采用三段式反冲洗，即气冲-气水联冲-水冲。反冲洗控制整个填料层膨胀率为10%～30%，并确定气、水冲洗强度分别为0.4、22.89 mL/(m2·min)。反冲洗水、气分别由蠕动式恒流泵和电磁式空气压缩泵经多孔板均匀分配后进入承托层和填料层。

为确定最佳反冲洗参数，按3因素(气冲时间(ta，min)、气水联冲时间(taw，min)、水冲时间(tw，min))、3水平进行正交试验，详见表1。

表1 正交试验因素与水平

试验发现，由于填料层内生物量的损失，与反冲洗前出水相比，反冲洗后出水中COD、氨氮等有升高的现象。但随着过滤时间的延长，这些指标会恢复到原有水平。因此，可用反冲洗后出水的氨氮去除率作为评价指标。反冲洗前后出水浊度变化较大，将反冲洗后出水的浊度作为评价系统反冲洗效果的指标[15]。以综合能耗指标(ECIi)表示反冲洗的能耗，作为另外一个评价指标，公式[16]为：

(1)

式中：Cwi为第i组试验耗水量，L；Cai为第i组试验耗气量，L。

2 结果与分析

2.1 核桃壳BAF正交试验

由表2可知，从氨氮去除率看，影响最大的是气冲时间，其次为气水联冲、水冲时间，最优水平为ta3、taw3、tw3。较长时间的冲刷使过厚的生物膜得到很好的冲洗，达到反冲洗的效果，出水水质得以改善。从浊度看，影响最大的是气冲时间，然后为气水联冲、水冲时间，最优水平为ta1、taw1、tw3。在气冲过程中，空气的搅动促使颗粒间碰撞加强和剪切力增大，使填料表面的生物膜脱落，一定的反冲强度保证填料有一定的膨胀，以便冲洗下来的悬浮物顺利排出柱外，而浊度增大的主要原因就是SS，所以要使浊度降低，应适当减少气冲时间。从能耗看，影响最大的是气水联冲时间，其次是水冲、气冲时间，最优水平为ta1、taw1、tw1。为了降低能耗，在保证反冲洗效果的前提下，应尽可能缩短气水联冲时间。对氨氮去除率而言，在反冲洗过程中需要较长时间的冲刷使过厚的生物膜得到很好的冲刷；而对浊度而言，要使浊度降低，应适当减少气冲时间；对能耗而言，在保证反冲洗效果的前提下，应尽可能缩短气水联冲时间。因此，综合考虑确定核桃壳BAF最佳反冲洗参数为气冲时间3.0 min、气水联冲时间4.5 min、水冲时间4.0 min。

表2 核桃壳BAF反冲洗正交试验结果

2.2 陶粒BAF正交试验

由表3可知，从氨氮去除率看，影响最大的是气冲时间，其次为水冲、气水联冲时间，最优水平为ta3、taw1、tw3。从浊度看，影响最大的是气冲时间，然后为水冲、气水联冲时间，最优水平为ta1、taw1、tw2。从能耗看，影响最大的是气水联冲时间，其次是水冲、气冲时间，最优水平为ta1、taw1、tw1。因此，综合考虑确定陶粒BAF最佳反冲洗参数为气冲时间3.0 min、气水联冲时间3.0 min、水冲时间4.0 min。

2.3 两个BAF出水性能的比较

综合浊度及氨氮去除率，相比于核桃壳BAF而言，水冲时间对陶粒BAF影响更显著。可能是因为陶粒填料表明光滑，水冲时更易冲刷掉其表明附着的微生物。

浊度和氨氮去除率是两个相互矛盾的指标。加大反冲洗的时间，填料层更易冲洗干净，氨氮去除率由此升高，过滤周期延长。但这样会造成对生物膜的过度冲刷，使填料脱落的生物膜增大，致使浊度升高。因此，BAF反冲洗的关键是寻求反冲洗后出水水质与生物膜性能间的平衡，做到两者兼顾，同时应尽量降低反冲洗的能耗。

在整个试验过程中，发现核桃壳BAF反冲洗后出水的浊度变化不大，由于核桃壳特殊的表面结构，在反冲洗后截留了一部分微生物，使冲刷掉的生物膜不能顺利的排放出去，使浊度变化不大。而陶粒表面光滑，不易附着脱落的生物膜，在反冲洗后浊度升高，但很快恢复。核桃壳BAF反冲洗后出水的氨氮去除率变化较大，说明反冲洗后核桃壳BAF恢复较慢，因此核桃壳BAF的冲洗周期应该适当延长。相比于核桃壳BAF，陶粒BAF反冲洗后出水的氨氮去除率变化不大，较稳定，说明反冲洗后陶粒BAF恢复很快。

表3 陶粒BAF反冲洗正交试验结果

2.4 反冲洗前后生物膜的变化情况

BAF运行一段时间填料表面出现大量白色絮状体，填料内部几乎被微生物膜堵塞，出水发臭、水质变差且水中悬浮有大量脱落的微生物膜，此时镜检填料底部脱落的微生物膜，发现有较多的丝状菌、线虫生长，钟虫等微生物的量明显减少，甚至出现孢囊生长，且越接近进水口，生物膜的状况越糟糕。此时，微生物膜过厚，已不适宜继续处理污水，需要立即对BAF进行反冲洗。自第1次反冲洗后，填料的堵塞情况得到了有效解决，填料上的生物膜逐步恢复生长，并且分布更均匀。

3 结论

(1) 核桃壳和陶粒BAF反冲洗后出水中，影响氨氮去除率、浊度的最大因素均为气冲时间；影响能耗的最大因素为气水联冲时间。

(2) 综合考虑各因素对评价指标的影响，确定核桃壳BAF最佳反冲洗参数为气冲时间3.0 min、气水联冲时间4.5 min、水冲时间4.0 min；陶粒BAF最佳反冲洗参数为气冲时间3.0 min、气水联冲时间3.0 min、水冲时间4.0 min。

(3) 反冲洗后，填料的堵塞情况得到了有效解决，填料上的生物膜逐步恢复生长，并且分布更均匀。

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