生物过滤系统填料动态快速挂膜速度实验研究

陈宁 王亚军 贾怀宏

摘要：为提高生物过滤系统应用效率，加速填料动态挂膜速度，压缩前期启动时间，进行了填料快速挂膜相关研究工作。采用接种挂膜法和排泥挂膜法的复合式驯化方式，挂膜期间，定期检测出水水质（COD，NH3-N和TN指标）变化，直至所有指标趋于稳定，视为挂膜成功，动态挂膜时间约为18 d。排泥法和阶梯提升HLR运行方式能有效加快填料动态挂膜速度。

关键词：生物过滤系统;填料;挂膜

中图分类号：X7 文献标志码：A

填料挂膜是指装置内填料颗粒表面生物膜的驯化和形成过程。生物膜的成熟是生物滤池工艺的核心，也是稳定运行与开展微观研究的基础，具有重要的实际意义。应用最为广泛的挂膜方法包括自然挂膜法，接种挂膜法和快速排泥挂膜法。本研究为此开展了相关研究工作。

1材料与方法

1.1试验用水

1.2试验装置与仪器

无滞留区生物滞留池，即生物滤池（Biofilter，BF）和含有淹没区生物滞留池（Bioretention cell，BRc）试验装置如图1所示，圆柱体反应器由有机玻璃制成，均使用黑布掩盖，反应器总高度800 mm（填料高度700 mm），内径80 mm。池体上部布置了一根丰型进水管均匀布水，下部出水。采用恒流泵保持装置连续进水。

1.3填料挂膜方法

本研究采用接种挂膜法和排泥挂膜法的复合式驯化方式。原因是排泥法在填料表面形成一定生物膜，将大部分呈悬浮态微生物及杂质快速排除，以保证固着态微生物获得很好的生长条件而大量繁殖，达到快速挂膜的目的。

同时，选择良好的接种污泥是挂膜成功的第一步骤，所以BRC反应装置接种污泥取自污水处理厂消化污泥。原因是A/A/O工艺的剩余污泥在消化池中易发生反硝化作用，含有反硝化细菌。将此接种消化污泥用于BRC淹没层初期驯化无疑为快速驯化挂膜打下基础。

2系统启动调试

2.1挂膜启动过程

本试验中主要包括了2部分挂膜对象：BRC淹没层，BRC过滤层。

BRC淹没层内混合颗粒填料在加入反应柱之前，进行初期驯化过程，即用接种污泥（取自南京城南污水处理厂消化污泥）间歇培养，每隔8 h灌入一定量人工配制的污水营养液（C/N=4），在人工配水营养物已完全为污泥中的厌氧微生物所适应的2周后，开始动态运行过程。

2.2装置调试过程

第3周（第15 d）开始动态运行过程（连续进水，C/N=4，水力负荷0.2 m³/（m2·d）），按照BRC反应柱填料垂直顺序依次装入排水层、初期驯化的淹没层、过渡层和过滤层。装填每层填料均用木锤每次提高10 cm进行夯实。采用人工配水营养液连续进水使装置填料结构稳定和微生物逐渐适应污水水质波动。

2.3稳定运行过程

第5周（第29 d）开始稳定运行期（c/N=4），采用逐N-N加流量的方式：进水（第29 d水力负荷0.2 m³/（m2.d））、排空、进水（第33 d后水力负荷提升到0.5 m³/（m2·d））、排空、进水（第39 d后水力负荷提升到1.0 m³/（m2·d））、第42 d结束。每隔2 d采集进/出水检测，直至系统的COD，NH³-N和TN指标逐渐稳定，表示挂膜成功。

2.4调试稳定运行效果讨论

本研究涉及的所有BRC反应柱以及强化BRC反应柱都经历了启动调试阶段（挂膜启动期、装置调试期和稳定运行期），运行规律和结果都相似，因此，本节内容以一个BRC反应柱的运行效果为例说明系统启动调试的过程。

本试验挂膜主要以COD，NH3-N和TN指标的去除率为调试和稳定运行期结束的标志。同时期间，本试验通过电导率仪测定了出水电导率值，电导率值由原水的1 027 us/cm降到990us/cm左右，其值基本稳定不变视为间接标志着挂膜成功。

2.4.1调试稳定期COD去除效果

装置调试期（第15 d至第28 d）和稳定运行期间（第29 d至第42 d）BRC反应柱对COD的去除效果如图2所示。原水的COD浓度波动幅度较小（均在230 mg/L左右波动），反应柱的出水COD浓度发生一定程度的波动，不过从整个时间序列而言是保持下降趋势的。最后12 d（即第31 d），反应柱出水的COD值趋于稳定，无论原水如何波动，最终的出水均趋近于40 mg/L且保持稳定。

从图2可以看出，可以发现BRC反应柱的COD去除率前23 d在70%上下起伏，主要原因可能由活动流体的群体效应引起填料空间变化和渗流性能的减小，水流分布非均匀分布导致不能充分利用填料进行污染物净化。在稳定运行期的第一周后逐渐升高且趋势稳定，最终去除率达到80%以上，标志挂膜成功，主要原因可能是在稳定运行期间采用逐级升高HLR的方法能有效加快装置的挂膜，稳定时间（7 d）明显少于直接采用单一进水荷进水的方法（23 d）。张杰等学者[3-4]也得出了类似结果。

2.4.2调试稳定期NH3-N和TN去除效果

装置调试期（第15 d至第28 d）和稳定运行期间（第29 d至第42 d）BRC反应柱对NH3-N和TIN的去除效果如图3所示。原水的NH3-N和TN值較为稳定，由表3可知，进水BODdCOD在0.55左右，可生化性良好;进水的BOD5/NH3-N在3左右，可认为碳源充足，适宜反硝化细菌生长繁殖。另外，人工配水中配加了NaH-C03，提高了进水碱度，有利于反硝化细菌的生长。氮素随着时间进程均逐渐下降趋势，但去除效率有限。

从图3可以看出，NH3-N和TN去除率前25 d的去除率很低，NH3-N在30%上下波动，TN在15%上下波动;然后从第26 d起，也就是进入稳定运行期阶段之后，去除率逐渐升高且趋势稳定，在第37 d NH3-N去除率达到45%以上，TN去除率达到35%以上，基本标志挂膜成功，比COD达到稳定去除率的时间晚了5 d左右。但是，氮素去除率有限的问题很突出，这与以往BRC降解含氮雨水研究结果相似。

3结论

本试验的挂膜根据BRC分层情况分为挂膜启动、装置调试和稳定运行阶段，采用接种挂膜法和排泥挂膜法的复合式驯化方式。挂膜期间，定期检测出水水质（COD，NH3-N和TN指标）变化，直至所有指标趋于稳定，视为挂膜成功，动态挂膜时间约为18 d。

排泥法和阶梯提升HLR运行方式能有效加快填料动态挂膜速度，但是由于HLR阶梯运行可能引起的渗流能力变化仍需进一步研究分析。