随着我国经济的高速发展, 环境问题日益突出,尤其是城市水环境的恶化, 加剧了水资源的短缺, 已经成为城市可持续发展的严重制约因素。生活污水是城市污水的重要组成部分, 对于南方大部分城市,由于雨量大, 气温高等原因, 生活污水中的有机物浓度普遍较低, 仅250 mg/ L 左右。而且生活污水的排放源相对分散, 特别是一些难以集中处理的低浓度小区生活污水, 由于得不到有效治理, 任意排放所造成的水体污染, 已经到了较为严重的地步。曝气生物滤池(BAF) 采用球形轻质陶粒作为填料, 集生物氧化和截留悬浮固体为一体, 节省了后续二沉池,具有体积小、处理效率高、出水水质好及流程简单等特点11, 22。因此针对南方特有的低浓度生活污水, 探讨了在低曝气条件下( 气水比为3÷1) , 影响曝气生物滤池容积负荷的主要因素。
1 材料和方法
1. 1 试验装置
试验装置见图1, 反应器采用直径为15 cm、高280 cm 的有机玻璃柱, 每隔20 cm 设一个取样口。底部设有穿孔曝气管和反冲洗布水管, 污水由上部进入, 底部排出。以陶粒作为填料, 其中填料体积35 L, 填料层高200 cm, 填料粒径2～ 4 mm, 堆积密度Q= 1. 16 @103 kg/ m3。反冲洗采用气水联合反冲, 反冲液由顶部溢流口排放。
1. 2 试验水质和方法
试验用水来自华南理工大学校园生活污水, 分别取自两个不同的排污口, 试验阶段平均气温28～30 e , 综合水质指标: pH 为6. 8～ 7. 5, CODCr 65. 4～ 161. 5 mg/ L, BOD534. 5～ 60. 4 mg/ L, NH3- N 5～ 41. 3 mg/ L, SS 45～ 84 mg/ L。
1. 3 分析方法和仪器
CODCr: XJ- 1 型COD 消解装置; 氨氮: TU -1800SPC 紫外可见分光光度计, 纳氏试剂光度法。
2 试验结果及分析
2. 1 挂膜
挂膜采用先闷曝5 d, 然后在进水流量为13. 5L/ h, 气水比为3÷1 的条件下连续曝气, 运行一段时间后, 肉眼可见反应器顶部内壁上附着大量丝状絮体, 陶粒表面包裹的生物膜颜色逐渐加深, 由灰白色绒状变为浅黄色生物膜, 经剥离后, 显微镜下观察发现, 生物膜中有大量的丝状微生物, 以及钟虫、变形虫等。同时出水CODCr 和氨氮的去除率均达到75% 以上, 至此挂膜完成。
2. 2 气水比对反应器容积负荷的影响
气水比是影响曝气生物滤池运行效果的主要因素之一, 比较了在相同水力负荷0. 9 m3/ (m2# h) 条件下(HRT = 2. 2 h) , 进水有机物质量浓度为113. 9～ 135. 04 mg/ L, 不同气水比对反应器容积负荷的影响, 试验结果见图2。
在该实验条件下, 当气水比小于4. 5÷1 时, 反应器容积负荷随气水比的增加而增加。气水比为1.5÷1, 3÷1 和4. 5÷1 时, CODCr 对应的容积负荷分别为1. 06 kg/ ( m3#d) , 1. 29 kg/ ( m3#d) 和1. 34 kg/ (m3#d) 。进一步增大气水比, 容积负荷呈下降趋势。当气水比为6÷1 时, CODCr 对应的容积负荷为1. 28kg/ (m3# d) 。这是由于曝气生物滤池采用连续曝气, 反应器中氧气的传输主要通过界面转移途径, 即气泡中的氧气与生物膜表面直接接触而被微生物利用。根据双膜理论, 氧气传递速率的大小由气液两停滞膜的阻力决定, 气水比越大, 相对于膜间的传质阻力也越小, 在其他条件相近的情况下, 生物膜内溶解氧浓度也越高, 相应的降解有机物的好氧异养菌的活性也随之提高, 从而提高了反应器的容积负荷132。但曝气量过大, 反应体系中氧的浓度受平衡溶解度限制, 溶解氧不仅不再增加, 过强的湍流反而造成水中溶解氧的解析及填料上生物膜脱落, 降低了固定化微生物的浓度, 导致反应器容积负荷的降低。同时曝气量增大, 相应的动力消耗也将增加, 因此本试验确定的最佳气水比为3÷1。
2. 3 水力负荷对反应器容积负荷的影响
在进水CODCr 质量浓度为122. 11 ～ 128. 89mg/ L, NH3- N 质量浓度为37. 84 ～ 40. 79 mg/ L,气水比为3÷1 条件下, 当水力负荷分别为0. 7 m3/(m2#h) , 1. 1 m3/ (m2#h) , 1. 3 m3/ (m2#h) , 1. 7 m3/(m2#h) 时, CODCr和氨氮的容积负荷及去除率的变化见图3、图4。容积负荷在此范围内随水力负荷的增加而增加, CODCr容积负荷由0. 969 kg/ ( m3#d) 增加到1. 60 kg/ ( m3# d) ; 氨氮容积负荷由0. 11 kg/(m3#d) 提高到0. 46 kg/ (m3#d) 。CODCr去除率呈现先增加后降低的趋势, 而氨氮的去除率则受水力负荷的变化影响较小, 均保持在80% 左右。其中, 当水力负荷为1. 1 m3/ ( m2#h) 时, 对应的CODCr 和氨氮的去除率分别为97. 37% 和82. 28% , 出水有机物和氨氮质量浓度分别为3. 4 mg/ L 和6. 94 mg/ L。这是因为当水力负荷较低时, 相应的滤速也较低, 一方面气、水在曝气生物滤池中的传递输移的阻力较
大, 容易造成滤池中气、水分布不均匀; 另一方面水力负荷较低的情况下, 进水有机负荷也很低, 导致微生物出现营养不足的现象, 使得反应器容积负荷降低。当进水流量增大时, 水力负荷的提高改善了滤池中的传质条件, 加大了对陶粒表面的冲刷, 有利于膜的更新和有机物的去除。同时进水有机负荷也随之升高, 使微生物得到足够的营养, 促进生物膜的生长, 提高生物活性, 从而提高了整个反应器的容积负荷。但进一步提高水力负荷, 超过一定限度时会使污水在滤池中的停留时间过短, 使有机物尚未降解便被水流带走导致CODCr去除率下降142 。
2. 4 进水有机物浓度对反应器容积负荷的影响
在进水流量为15. 8 L/ h, 气水比为3÷1, 进水氨氮质量浓度为11. 44～ 14. 78 mg/ L 的条件下, 进水有机物浓度对反应器容积负荷的影响见图5。反应器容积负荷随进水有机物浓度的增加而增加, 而CODCr去除率, 在进水有机物质量浓度超过128. 29mg/ L 时, 略有下降。因为提高进水有机物浓度, 微生物可利用的营养物质相应增加, 促进了微生物的生长和繁殖, 使反应器中生物量增加, 提高了反应器的容积负荷, 另外, 随着进水有机物浓度的提高, 微生物的耗氧量也随之增加, 气水比成为微生物降解有机物的限制因素, 当进水有机物浓度的增加超过了载体表面生物膜的分解能力时, 导致CODCr的去除率略有降低。
2. 5 碳氮比对容积负荷的影响
当碳氧化和氮硝化处于同一反应器中时, 氧化有机物的异养菌和硝化氨氮的自养菌之间存在着空间、溶解氧和营养物质的竞争。特别是可生物降解的含碳有机物与含氮物质的浓度之比, 是影响生物硝化速率过程的重要因素132。在气水比为3÷1, 进水流量为15. 8 L/ h, 平均进水的有机物质量浓度为114. 5mg/ L 的条件下, 反应器容积负荷随碳氮比1 m(C)÷m( N) 2的变化见图6。m(C)÷m(N) 由2. 3增加到4. 33时, CODCr容积负荷由1. 2 kg/ (m3#d) 提高到1. 61 kg/ (m3#d) , 而对应的氨氮容积负荷则由0. 43 kg/ ( m3#d) 降低至0. 13 kg/ (m3#d) 。这说明,在此碳氮比范围内, 氧化有机物的异养菌较硝化氨氮的自养菌占优势, 反应器以降解有机物为主。当m( C)÷m(N) > 4. 33 时, 氨氮容积负荷基本保持不变, 而CODCr容积负荷在m( C) ÷m(N) 为4. 33～6. 83范围内下降了约40%; 当m( C) ÷m(N) > 6. 83时,CODCr容积负荷基本保持在1 kg/ ( m3#d) 左右。m( C) ÷m(N) 对反应器CODCr容积负荷的影响较对氨氮容积负荷的影响更为明显。
2. 6 填料层高度对反应器容积负荷的影响
当碳氧化和硝化在同一反应器中进行时, 由于氧化有机物的异养菌和硝化氨氮的自养菌间要竞争生物膜表面空间和溶解氧, 因此在不同床层高度处氧化有机物和硝化氨氮的能力也不同152, 容积负荷和氨氮负荷沿床层高度的变化见图7。其中进水有机物质量浓度和氨氮质量浓度分别为122. 11 mg/ L和26. 9 mg/ L, 滤速为1. 04 m/ h, 气水比为3÷1。
图7 说明, 在填料层的上部, 为异养菌的活跃层, 主要以降解有机物为主, 异养菌竞争底物、溶解氧和填料表面空间的能力比硝化菌强而占优势。同时, 由于该段为SS 的主要截获区, SS 的截获也提高了CODCr的负荷值。氨氮负荷在最初的0～ 40 cm高度处, 仅增加0. 05 kg/ ( m3#d) , 而在40～ 100 cm之间, 氨氮负荷由0. 05 kg/ (m3#d) 上升至0. 25 kg/(m3#d) , 说明硝化菌的活跃层较异养菌要低。由于硝化细菌比增长速率低, 世代周期长, 与异养菌相比属于弱势菌种, 污水向下流动过程中, 含碳有机物浓度因生物降解逐渐降低, 使得异养菌因营养缺乏而减少, 此时硝化菌才可能进行正常的代谢活动, 使氨氮负荷提高。而在40～ 60 cm 高度处, CODCr 容积负荷和氨氮容积负荷均有较明显的增加, 说明异养菌和硝化菌在此段的积累最为迅速且都有较高的活性。。
3 结论
( 1) 在该试验条件下, 气水比为1. 5÷1, 3÷1 和4.5÷1 时, 对应的CODCr容积负荷分别为1. 06 kg/ (m3#d) , 1. 29 kg/ (m3# d) 和1. 34 kg/ (m3#d) 。进一步增大气水比, 容积负荷呈下降趋势, 确定最佳气水比为3÷1。
( 2) 当水力负荷在0. 7 ～ 1. 7 m3/ ( m2# h) 范围内变化时, CODCr和氨氮的容积负荷均随水力负荷的增加而增加。水力负荷的变化对氨氮去除率的影响较小。
( 3) 反应器CODCr容积负荷随进水有机物浓度的增加而增加。受气水比的限制, 当进水有机物质量浓度超过128 mg/ L 时, 有机物去除率略有下降。
( 4) 当m(C)÷m(N) 为2. 3～ 4. 33 时, CODCr 容积负荷增加而氨氮容积负荷降低, 氧化有机物的异养菌较硝化氨氮的自养菌占优势, 反应器以降解有机物为主; 当m( C)÷m(N) > 4. 33 时, 氨氮容积负荷基本保持不变, 而CODCr 容积负荷在m( C) ÷m(N) = 4. 33～ 6. 83 范围内下降了约40%; 当m( C)÷m(N) > 6. 83 时, CODCr 容积负荷基本保持不变。m( C) ÷m(N) 对反应器CODCr容积负荷的影响较对氨氮容积负荷的影响更为明显。
( 5) CODCr 容积负荷和氨氮容积负荷随填料层高度的变化表明, 对于下向流式曝气生物滤池, 硝化细菌的活跃层较异养菌要深。在填料层高度为40～ 60 cm 处, CODCr容积负荷和氨氮负荷增加最为显著, 说明在此段高度范围内, 微生物积累最快, 并具有较高的活性。（华南理工大学造纸与环境工程学院）
