改性聚氨酯填料在曝气生物滤池中的应用

厉林聪，吴益辉，党勇杰，吴 凯，张淼佳，GEORGE Lu

(1.杭州余杭城西净水有限公司，浙江杭州 311100；2.浙江海牛环境科技股份有限公司，浙江杭州 311100)

曝气生物滤池(biological aerated filter，BAF)是一种较常见的污水处理工艺，通常被应用于污水生物处理和微污染水源预处理[1-3]。该工艺兼具生物膜法和过滤单元的优点，系统内填料除了作为吸附和降解污染物微生物的载体外，还可以起到过滤拦截的作用，从而达到净化污水的目的[4-5]，因此，在全世界城市污水处理中得到了广泛的推广与应用[6]。传统的BAF多采用陶粒作为填料载体，传统陶粒填料价格较低，但比表面积小、微生物挂膜量少且附着能力不强，因此，对污染物的去除效率较低[7]。同时，随着使用年限的延长，陶粒填料容易局部板结，造成水质处理效果不理想、堵塞情况严重、反洗频次增加、处理能力降低等影响[8]，最终只能通过清池更换填料解决。随着对BAF研究和应用的增多，多数学者认为BAF工艺中生物填料性能是影响其处理效果的关键[9-11]。因此，对新型填料性能的研究和筛选已经成为该领域的热点，如纳米改性陶粒填料、复合生物填料[12]、发泡聚丙烯填料等，但这些填料均无法同时兼顾处理效果与填料的堵塞问题。改性聚氨酯填料(modified polyurethane filler，MPF)可满足曝气生物滤池的水质处理效果，同时在其处理效率、堵塞情况等方面也表现优异[13-14]，成为BAF应用填料重要的备选种类之一。目前，在BAF中关于MPF的研究大多处于实验室水平，而缺少中试规模的相关研究成果，一定程度上限制了MPF在BAF工艺上的应用。

本文通过2套并行的中试设备，分别采用MPF和传统陶粒填料的BAF对比，在市政污水深度处理领域的处理效果及主要的影响因素，为采用MPF的BAF的工程设计和运行参数[水力停留时间(HRT)、外加碳源量及反洗周期]提供技术支撑。

1 试验材料和方法

1.1 试验水质和碳源

为了让所得试验结果能充分服务于后续BAF工程应用，试验用水直接取自某污水处理厂二沉池出水，试验期间水质情况如下：pH值为6.80～7.30，CODCr、氨氮、TN、TP、SS含量分别为14.00～32.00、2.50～9.80、8.20～14.30、0.10～0.31、18.00～32.00 mg/L。

试验所用碳源为25%的乙酸钠溶液，CODCr含量为21万mg/L。

1.2 填料特性

试验组和对照组采用的填料分别为MPF和普通陶粒填料，2种填料的规格及性能参数如表1所示。

表1 MPF和陶粒填料参数Tab.1 Material Parameters of Modified Polyurethane Filter and Ceramic Material Filler

试验组所采用的MPE-Ⅰ及MPE-Ⅱ填料实物如图1所示。

图1 填料实物Fig.1 Packing Material

注：1—鼓风机；2—反洗阀门；3—曝气阀门；4—碳源罐；5—计量泵；6—流量计(碳源)；7—进水泵；8—流量计(进水)；9—进水渠；10—填料；11—曝气管；12—反冲洗管；13—箱体图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Experimental Device

1.3 试验装置

试验组和对照组的中试试验装置如图2所示。装置主体尺寸为L×W×H=1.5 m×1.5 m×1.35 m，池内由下至上分别设有反冲洗气管、曝气管、填料区等，其中，底部布水区层高为0.4 m，滤料层高为0.45 m，清水区层高为0.3 m，超高为0.2 m。试验组滤料层设有上、中、下3层，分别由滤网及固定件对其进行分层固定，而对照组填料直接填充于滤料层。2套试验装置的滤料层特性如表2所示。

表2 试验装置滤料层特性Tab.2 Characteristics of Filter Material Layer in Experimental Device

1.4 试验方法

试验分为硝化、反硝化BAF这2种运行方式。硝化试验不外加药剂，主要对比不同HRT下，分别采用MPF和陶粒时BAF对氨氮、CODCr和SS的去除效果，同时对比2种BAF的反冲洗周期。反硝化试验阶段需外加乙酸钠溶液作为碳源，主要对比2种BAF在不同HRT、C/N条件下对TN和SS的去除效果，也对其反冲洗周期进行对比。

2套BAF试验装置的处理水量为3 m3/h，对应的HRT为20 min，整个试验过程通过控制不同进水水量获得不同的试验所需HRT。在研究不同HRT对反硝化BAF去除TN效果的影响时，为排除进水碳源不足的干扰，该阶段的进水C/N设定为7；而在研究不同进水C/N对TN去除效果的影响时，为确保反应时间充分，结合HRT结果确定该试验期间的HRT为40 min，其外加碳源量则根据试验设定的C/N进行计算获得。

研究不同HRT、进水C/N条件下的运行效果时，每种工况稳定运行10 d，水质取样频率为2次/d；而研究滤池反冲洗周期试验时，每种工况至少稳定保持30 d。每次改变试验工况后，通过检测BAF出水确保效果稳定运行1 d后视为该工况运行稳定。

1.5 水质测试方法

水质测定方法大部分选用《水和废水监测分析方法》[15]中的标准方法，部分指标选用仪器测定。具体测定方法如表3所示。

2 结果与讨论

2.1 HRT影响对比

在同一进水条件下，MPF曝气生物滤池和陶粒生物滤池在不同HRT下的硝化、反硝化处理效果如图3所示。

表3 测定分析方法Tab.3 Determination and Analysis Methods

由图3(a)可知，硝化BAF试验组与对照组对于CODCr和氨氮的最终去除率基本相同，但试验组所需的HRT较短。如试验组HRT在30 min时，CODCr和氨氮的去除率就不再随着HRT增加而增加，而对照组所对应的时间为35 min，这表明达到同样的去除率，试验组比对照组所需HRT短。

图3 HRT对不同生物滤池处理效果的影响Fig.3 Treatment Effect of HRT on Different Biofilters

由图3(b)可知，当HRT大于30 min后，试验组TN的去除率不再变化，可达到75%，而对照组在HRT为35 min时，TN去除率才达到平衡。这说明当HRT小于35 min时，MPF填料BAF试验组反硝化处理效果优于陶粒填料BAF对照组。

试验结果表明，在获得相同处理效果的前提下，以MPF为载体的BAF所需HRT明显小于陶粒BAF，意味着同样体积的BAF处理能力更大，其原因应该是MPF的比表面积远大于陶粒滤料，故在池容相同的情况下，试验组MPF表面的挂膜量会多于对照组陶粒填料，即单位体积的生物量较大，可以在较短时间内完成对污染物的吸附和降解。因此，在一定的HRT范围内，2种BAF对污染物的去除效率有较大的差别。随着HRT增加，生物量不再是限制因素，较少生物量在足够HRT的条件下，也能实现对污染物的吸附和降解，使得2种BAF对污染物的去除效率相近。此外，由于试验组BAF采用MPF，其内部通道结构多且杂乱，且下层填料呈流化状态，对池内气、水有很好的切割效果，增加了气、水、微生物膜的接触时间和接触频率，也一定程度上提高了微生物对CODCr、氨氮及TN的去除效率。

一般来说，BAF对SS的去除以过滤为主，因此，在一定过滤速度范围内(与HRT相关，HRT越大，则过滤速度越小)，BAF对SS去除效率差别不大，图3的试验结果也表明此结论。MPF因比重小、空隙率大，硝化BAF曝气气流的影响大于陶粒填料。因此，采用陶粒填料下硝化BAF对SS的去除率(70%左右)高于MPF硝化BAF(65%左右)。而对于没有曝气的反硝化BAF，采用2种填料下BAF对SS的去除率都达到80%左右，这说明没有气流的影响后，在试验所采用的HRT范围内，水流对滤料层的搅动影响较小，故2种填料的BAF对SS去除率基本相同。可以预测，当HRT足够小，滤速超过一定值后，MPF会首先受到影响，对SS的去除率会降低，但从试验结果看，当HRT小于25 min后，2种填料的BAF不足以实现对污染物的去除。

当HRT为30 min时，MPF的氨氮容积负荷分别为0.256 kg 氨氮/(m3·d)，而陶粒填料容积负荷为0.228 kg 氨氮/(m3·d)；当HRT为25 min时，MPF的TN容积负荷分别为0.408 kg TN/(m3·d)，而陶粒填料的TN容积负荷分别为0.297 kg TN/(m3·d)。当HRT为30 min时，陶粒填料的TN容积负荷为0.387 kg TN/(m3·d)，接近MPF的TN容积负荷(HRT为25 min)，可知MPF的处理负荷较陶粒填料高。参照设计规范的处理负荷，其氨氮处理负荷为0.6～1.0 kg 氨氮/(m3·d)，TN容积负荷为0.8～1.2 kg TN/(m3·d)，李露等[16]指出在HRT为24 min时，氨氮容积负荷小于0.7 kg 氨氮/(m3·d)。分析试验的容积负荷低于设计规范及李露等的试验结果，原因是试验所取水样为二沉池出水，其水质浓度较低，故所得处理负荷低于设计规范负荷及李露等所得的容积负荷。

2.2 C/N对比

图4 C/N对2种反硝化BAF运行效果对比Fig.4 Comparison of C/N on Operational Effects of Two Denitrification BAFs

2种曝气生物滤池在不同C/N情况下，反硝化去除TN的效果对比如图4所示。当HRT为40 min时，改变进水C/N，2种填料的BAF去除TN效率基本相同，这与图3(b)中结果对应，即当HRT足够时，微生物量不再是限制因素，因此，2种填料特性基本不影响BAF对污染物的去除效果。按照理论，当C/N大于2.86，即可满足反硝化脱氮需求，但在实际污水处理脱氮过程中，受进水DO等各种因素的影响，此值要高于理论值。试验结果显示：当C/N低于4.5时，2种填料的BAF对TN去除率随C/N的增加而增加；当C/N为4.5时，TN去除率为72%，随着C/N的增加，TN去除率最高可达74%。考虑到经济性，建议采用MPF的BAF运行时C/N为4.5。

2.3 反洗周期对比试验

滤池在运行一定时间后，随着填料内微生物繁殖生长及拦截的悬浮物积累，会造成填料的堵塞，导致处理效果下降。本对比试验是以进水渠液位上涨高度为依据进行反冲洗，中试试验期间，进水渠液位上涨10 cm时，即对填料区进行反冲洗。

由图5可知，硝化反应阶段，试验组反洗周期为6～8 d，对照组为2～4 d；反硝化反应阶段，试验组反洗周期为4～5 d，对照组为1～2 d。试验组周期长于对照组的原因是试验组采用大孔径MPF，填料内的纳污空间远大于陶粒填料，且不易堵塞；而反硝化滤池的反洗周期短于硝化滤池的原因是反硝化反应需要外加碳源，使得微生物生长速率较快。总体上，2种运行情况下，试验组的反洗周期都为对照组的2倍以上，即采用MPF的BAF比陶粒的BAF节约了反洗水量和能耗，并提高了污水厂的净产水量。参照试验反洗情况，以反洗频次为计算依据，当MPF曝气生物滤池作为硝化池时，反洗能耗仅为陶粒曝气生物滤池的51.7%；当作为反硝化池使用时，MPF曝气生物滤池的反洗能耗为陶粒曝气生物滤池的43.8%。

图5 2种填料BAF反冲洗周期对比Fig.5 Comparison of Two Kinds of Filler on BAF Backwash Cycles

3 结论

(1)当HRT为30 min时，MPF的氨氮容积负荷为0.256 kg 氨氮/(m3·d)，而陶粒填料容积负荷为0.228 kg 氨氮/(m3·d)；当HRT为25 min时，MPF的TN容积负荷为0.408 kg TN/(m3·d)，而陶粒填料的TN容积负荷为0.297 kg TN/(m3·d)。这表明以MPF为载体的BAF的硝化与反硝化速率高于以陶粒为载体。

(2)以MPF为载体的BAF发生硝化、反硝化作用的最佳HRT为30 min。

(3)硝化阶段采用MPF的BAF的反洗周期为6～8 d，反硝化阶段MPF的BAF的最佳C/N为4.5，反洗周期为4～5 d，MPF的BAF的反洗周期为陶粒BAF的2倍。

(4)同样处理量条件下，以反洗频次为计算依据，采用MPF的BAF作为硝化池时，反洗能耗仅为陶粒的51.7%；作为反硝化池使用时，采用MPF的反洗能耗为陶粒的43.8%，节能效果明显。

(5)本次试验对于采用MPF的BAF的抗冲击能力与高浓度水质未进行研究，故后续需对其进行补充试验。