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再生水工艺中曝气生物滤池的特性研究 王 虹 北京中冶设备研究设计总院有限公司, 北京 100029 摘要 对再生水工艺中曝气生物滤池 BAF 的运行特性进行了试验研究, 结果表明 BAF 对浊度的平均去除率为 72, 出水浊度稳定在 5NTU 以下; COD 最佳水力负荷为7 m h, 最佳容积负荷为5. 89 kg m3d ; NH 4-N 最佳水力负荷为 5. 0 m h; 水力冲击负荷对硝化菌的影响较小, 而对异养碳化菌影响较大。 关键词 曝气生物滤池; 再生水工艺; 运行特性; 水力负荷; 容积负荷 STUDY ON CHARACTERISTICS OF BIOLOGICAL AERATED FILTER PERANCE IN RECLAIMED WATER PROCESS Wang Hong Central Research and Design Institute of Metallurgical Equipment Co. , Ltd, MCC Group, Beijing 100029, China Abstract The characteristics of BAF running in reclaimedwater processwere studied. The results showed that the average turbidity removal rate of BAF was 72 and the turbidity of effluent was below 5 NTU; the best hydraulic load of COD was 7 m h and the best volume load was 5. 89kg m2d;the best hydraulic load of NH 4-N was 5. 0 m h; hydraulic impact load had less affection on autotrophic bacteria, but larger one on heterotrophic bacteria. Keywordsbiological aeratedfilter BAF; reclaimed water process; characteristicsof BAF perance; hydraulic load; volume load 随着科技的进步 ,曝气生物滤池被广泛的应用于 各个领域, 尤其在冶金 、造纸和焦化废水再利用上更 是初见成效。曝气生物滤池 Biological Aerated Filter, BAF 在氧化作用的机理上 , 与传统的生物膜反应器 有较大差异 [ 1 -5] 。由于强化了生物作用, 在有机物和 氨氮等与生物作用相关的指标方面 ,BAF 具有较强的 去除能力 。但由于二级出水中的有机物以微生物代 谢产物和少量的残留有机物为主要组分 ,浓度低且难 降解 ,如何进一步高效去除这部分有机物已成为污水 再生中的一大难题。本文在试验的基础上,从再生水 工艺中 BAF 对有机物和氨氮的去除性能入手, 分析 了曝气生物滤池在去除有机物和氨氮方面的特性 ,考 察了运行条件对滤池内有机物降解效能及抗冲击能 力等的影响。 1 试验装置及方法 采用 4 根DN200 mm 3 000 mm的有机玻璃柱作 为试验滤柱,沿滤柱高度每 100 mm 设有 1 个取样口; 选择页岩陶粒作为滤料, 滤料粒径 2. 5～ 5. 0 mm 。 图 1 为试验装置示意图。 1原水水箱; 2滤柱; 3水泵; 4流量计; 5阀门; 6角阀; 7气体流量计; 8反冲洗水箱; 9空压机。 图1 试验装置 试验采用某家属区的生活污水经二级生物处理 后作为试验用水 ,试验期间,水质变化如表 1所示 ,水 温 12～ 28 ℃, pH 为 7. 02～ 8. 5。 表 1 试验原水水质mg L 指标数值指标数值 ρ COD27. 9～ 122. 49ρ 亚硝酸氮0～ 7. 34 ρ 氨氮8. 07～57. 66ρ 硝酸氮0～ 1. 29 ρ 总氮17. 20～60. 12ρ 总磷1. 10～ 2. 53 9 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 试验采用下向流气水逆向运行方式 ,反冲洗采用 气水联合, 周期根据出水水质及试验要求来确定, 一 般为 48～ 120 h 。 试验期间对滤柱的进出水分别测试以下指标 水 温、溶解氧 DO 、pH 值 、浊度、COD、SCOD、NH 4- N、 NO - 2- N 、 NO - 3- N 和 SS 。试验取样均在滤池运行稳定 时进行。 2 试验结果及分析 2. 1 BAF 对浊度的去除效果 在滤速为7 m h、气水比3∶ 1 的试验条件下 ,曝气 生物滤池对浊度去除效果如图 2 所示 。 图 2 曝气生物滤池浊度去除效果 由图 2 可知, 试验过程中 ,进水浊度平均为 12. 7 NTU, 出水 浊度 平均 为 3. 5 NTU, 平 均去 除率 为 72. 0。尽管进水波动相对较大 ,但出水浊度基本稳 定在 5 NTU 以下 ,基本满足市政杂用水对浊度的要 求。尤其在进水浊度为 23. 2 NTU 时,出水浊度为 6. 5 NTU,去除率为 71. 98, 说明曝气生物滤池对进水浊 度具有很好的抗冲击负荷能力 。 曝气生物滤池内微生物作用对浊度的去除可以 归结为以下三个方面 1 生物膜的吸附聚集作用。在曝气条件下,好氧 微生物能够附着在滤料表面形成生物膜 ,而生物膜本 身对水中浊质粒子有吸附聚集作用 。 2 滤料间活性污泥的网捕以及游离细菌的絮凝、 助凝作用 。在滤池滤料的空隙内存在着大量悬浮的 活性污泥和游离细菌 ,活性污泥中的菌胶团对水中的 浊质粒子有吸附网捕作用 ,而游离的细菌对水中胶体 类物质有絮凝作用 ,从而使它们能够脱稳 ,更容易沉 积在滤料表面。 3 微型动物的作用 。试验中发现 [ 6] ,在滤池滤料 内存在着一定数量的微型动物, 如钟虫、累枝虫、轮 虫、 草履虫、盾纤虫等 。这些微型动物对浊质的去除 作用主要有两方面 一是可以促进细菌的絮凝作用; 二是微型动物还可以吞食游离细菌和微小污泥质点, 从而降低水的浊度。 2. 2 水力负荷对 COD去除效果的影响 试验期间改变进水的水力负荷分别为 1. 0, 2. 0, 3. 0,5. 0,7. 0, 9. 0,10. 0 m h, 每个条件下运行 2 周, 来 考察不同水力负荷对 COD去除效果的影响 。试验期 间COD处理效果随水力负荷的变化见图3。 图 3 水力负荷对 COD 去除效果的影响 从图 3 可以看出,COD去除率与水力负荷并不是 简单的线性关系 ,而是随着水力负荷的增加, COD 去 除效果呈现先升高后下降的趋势, 在7. 0 m h时达到 最大值。在高水力负荷阶段, 水力负荷的变化对去除 效果 影 响 很 大, 去 除率 从 47. 72快 速 下 降 到 14. 49。 根据传质理论, 低水力负荷时, 传质速率太低 ,进 入到生物膜表面的有机物较少 ,微生物的生长受到限 制,其活性受到严重影响 ,不能形成对有机物有较强 降解能力的菌胶团 ,甚至会出现自溶的情况 ,从而影 响有机物的去除 。 随着进水水力负荷的加大 , 传质速率逐渐增加, 水中营养水平提高 ,促进了微生物活性的改善, 反应 速率增加, 去除效果得到提高 。同时, 由于单位时间 进入滤池的有机物量增多 ,部分有机物可以到达滤池 的深处 ,从而使得滤池中的生物量加大 , 有机物利用 率提高。但当滤柱的水力负荷过大时,一部分溶解性 有机物还没来得及降解, 就随着水流排出滤池, 导致 滤池处理效果变差 ; 同时水力负荷过大 , 滤料颗粒受 到的水流剪力加大 ,生物膜容易脱落, 从而影响出水 效果。此外 , 流速的增加会加快水头损失的增加速 度,这就增加了反冲洗的次数, 造成生物量的严重流 失,这也是导致高流速处理效率降低的原因之一。 2. 3 容积负荷对 COD去除效果的影响 试验阶段 COD 去除效果随容积负荷的增加变化 情况如图 4 所示 。从图 4 可以看出 ,曝气生物滤池去 除率随容积负荷先是逐渐增加 , 当容积负荷为 5. 89 kg m 3d 时去除率最大为 44. 84, 进一步增大容积 负荷去除效果逐渐下降, 容积负荷为 9. 01 kg m 3d 时,COD 去除率下降到 14. 49。 当容积负荷小时, 由于营养物质的缺乏, 微生物 10 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 图 4 容积负荷对 COD 去除效果的影响 的生长受到限制 ,其活性很低, 降解有机物的能力不 能充分发挥。在容积负荷不断增大时, 进水中的悬浮 物和溶解性物质必然增加 ,滤池中微生物的活性得以 恢复 ,有机物的去除效果也会提高 。但当容积负荷过 大时 ,微生物增殖过快,生物膜的厚度增大,微生物活 性显著降低,影响有机物的去除。 2. 4 水力负荷对氨氮去除效果的影响 从图 5 中可以看出,不同水力负荷对氨氮去除效 果的影响呈非线性关系 。同样可以用双膜理论来解 释,水力负荷过低,传质效率差 ,传质成为硝化反应的 限制性因子,随着流速的增加 ,传质速率增加 ,硝化菌 的活性得以改善 ,出水水质得到提高。但过大的水力 负荷导致进水氨氮负荷的加大 ,部分氨氮未及时得到 降解 ,导致出水水质变差 。 图 5 水力负荷对氨氮去除效果的影响 2. 5 BAF 抗冲击能力的试验 造成冲击主要有两方面的因素 一是水力负荷的 冲击 ,二是容积负荷冲击 。由于试验期间进水水质波 动较小,因此仅考察了水力负荷的冲击对滤柱效能的 影响 。试验中将滤速从 5. 0 m h 瞬间提升至15. 0m h 并持续 9 min 后恢复到原滤速水平, 以出水中 COD、 NH 4- N 的去除率指标作为参照 , 考察滤柱抗冲击负 荷的能力。试验结果如图 6 所示 , 图中0 h时的水样 为提升滤速前所取,0. 15 h 为恢复原滤速时取水样时 间,余者类推。 图6 冲击负荷时滤柱 COD、NH 4 去除率变化 由图 6 可知, 发生短暂水力负荷冲击后0. 5 h, 滤 柱对 COD 去除率由原来的 43. 16下降到 21. 66, 达到 最 低 点; NH 4- N 去 除 率 由 68. 63下 降 到 51. 85, 直到 1. 5h 时才达到最低点 35. 46, 其时间 比COD 延长1. 0 h。冲击负荷后, 滤柱对COD 去除恢 复时间为 2. 5 h, 经 3. 5 h 恢复后 , 去除率达 45以 上,略高于正常运行的去除率。但 NH 4-N 去除率 恢复得较缓慢 , 6. 0 h 后仍未达到正常运行时的去 除率 。 这是由于滤料颗粒的不均匀性 ,滤料内表面及凹 陷部分适宜世代时间长的硝化菌群生长 ,且受水力条 件影响较小 ,而在陶粒凸起或其尖角部位主要生长着 繁殖力强的异养菌群 [ 7] , 这些部位容易受到碰撞磨 损,并经常受到水流和气泡的剪切 。所以 ,水力冲击 负荷对硝化菌的影响相对较小 ,而对碳化异养菌的影 响较大。 另外 ,水力负荷的突然增大也会打破滤层内原有 微生物种群间的平衡,瞬间改变了微生物原有的生境 , 其活性受到影响,同样也会造成基质去除率的降低。 3 结论 1 BAF 对 COD、浊度具有较好的去除效果, 出水 水质稳定, 当进水COD平均质量浓度为85. 2 mg L时, 出水平均为42. 0 mg L 、 出水浊度在 5 NTU以下 ,而且 对于水质的突然变化具有很好的适应性 。试验发现 容积负荷和水力负荷对 COD 影响很大 , 均有一个最 佳值 ,在本试验条件下,水力负荷为 7. 0 m h 最佳, 而 有机容积负荷最佳值为 5. 89 kg m 3 d 。出水水质 基本满足市政杂用水要求 。 2 BAF 对低浓度 NH 4- N 的去除效果仍较好, 当 进水平均 ρ NH 4- N 为14. 1 mg L时 ,出水 ρ 氨氮 为 3. 9 mg L , ρ NH 4- N 基本稳定在5. 0 mg L以下, 去除 效果稳定。 3 由于 BAF 的结构特点, 水力冲击负荷对硝化 菌的影响相对较小, 而对碳化异养菌的影响较大。冲 击负荷后, 滤柱对 COD 去除恢复时间为2. 5 h , 并经 3. 5 h恢复后 ,去除率达 45以上。NH 4- N 去除率恢 复得较缓慢 ,6. 0 h后仍未达到正常运行时的去除率。 参考文献 [ 1] 高廷耀, 顾国维. 水污染控制工程[ M] . 北京 高等教育出版社, 1999. 下转第 28 页 11 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 3 运行效果 鉴于反渗透工艺的特点, 稳定的高质量进水是确 保在反渗透膜运行良好的必要条件 [ 3] , 故进膜预处理 部分的运行效果是此工艺运行的关键。自 2007 年 1 月开始正式投产 ,在将近一年半运行时间里对反渗透 膜预处理工艺运行效果和稳定性测试, 结果如图 2 所 示。反渗透预处理工艺出水 SDI 在 3. 2 ～ 4. 0 波动, 浊度0. 1NTU,余氯含量接近为 0, 满足反渗透膜进 水的要求 。 图 2 预处理系统出水水质 投产运行以来反渗透系统的运行情况见表 3。 由表 3 可以看出 ,反渗透运行正常。投产后一年左右 反渗透膜运行压差、产水电导有所增大, 故于 2007 年 12 月进行第 1 次膜清洗, 清洗后运行状态得到恢复。 大连市环境监测中心检测结果表明 ,产水各项指标满 足表 2 中所示热电厂对回用水的水质要求 。 表 3 反渗透运行结果 日期 运行压差 MPa 一段二段 回收率 产水量 m3h- 1 脱盐率 产水电导 μ scm- 1 2007 020. 150 . 163. 636598. 738. 3 2007 040. 170 . 1366. 638899. 135. 4 2007 060. 180 . 1469. 139398. 936. 6 2007 080. 160 . 1469. 539098. 438. 7 2007 100. 180 . 137039698. 637. 4 2007 120. 210 . 1468. 538498. 143. 1 2008 020. 170 . 1568. 838498. 436. 5 2008 040. 180 . 1469. 439198. 337. 9 2008 060. 180 . 1468. 638998. 335. 8 4 效益分析 项目总投资2 860万元 ,设计日处理水量14 400 t , 日产水量9 600 t 。 污水处理厂售中水 0. 48 元 t , 每年 可增加收入约 230万元。 该中水回用装置水处理成本为 2. 353 元 t , 按年 运行 累计 330 d 计算 , 每 年的 污水处 理费 用约 845 万元 。 目前大连市工业用自来水价格 4. 1 元 t 含 0. 9 元 t 的污水处理费 , 每年可节约自来水 317 万 t , 节约自来水费用约 1300 万元 。此外 , 考虑用反渗透 产水代替自来水后, 锅炉补给水处理工艺中每年节约 处理费用约 245 万元 ,该项目理论上每年可为热电厂 节支总额约 700 万元 ,投产后 4年可收回投资成本。 项目每年可回用约 475 万 t 城市污水处理厂二 级出水 ,对提高城市污水回用率有积极作用。另外, 每年可削减 COD 排放量约307 t , 削减总氮的排放量 约163 t ,其中氨氮量约131 t ,环境效益显著。 5 结论 该套二级城市污水深度处理工艺采用生化 两 级过滤作为反渗透膜的预处理单元 ,投产运行以来的 监测结果表明, 反渗透工艺产水满足该热电厂回用水 要求 ,整套工艺迄今为止运行状况良好。 污水处理厂达标出水以明显低于工业用自来水 的价格出售给热电厂或者其它用户 ,经过可行的深度 处理工艺进一步处理后实现回用,为污水处理厂增加 收入 ,同时也降低用户的用水成本。 参考文献 [ 1] Anderson J M.Integrating recycled water into urban water supply solutions[ J] . 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