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低温条件下生物砂滤池运行效能试验 ＊ 宿程远 1,2 张建昆 3 李思敏 4 陈孟林 1,2 1.广西师范大学环境与资源学院, 广西 桂林 541004;2.广西环境工程与保护评价重点实验室, 广西 桂林 541004; 3.徐州工程学院环境工程学院, 江苏 徐州 221008; 4.河北工程大学城市建设学院, 河北 邯郸 056038 摘要 研究了低温条件下, 生物砂滤柱对有机物和氨氮的去除效果, 及滤柱中生物量和生物活性的变化, 并应用属性 层次分析法对影响滤柱低温运行的主要因素进行了分析。 结果表明 水温在 5. 2～ 10. 2℃时, 生物砂滤柱对 NH 4-N 的 去除率为 51. 31～ 66. 35, 对 CODMn的去除率仅为 9. 18～ 16. 04, 其生物活性为 0. 029～ 0. 055 mg hg; 温度从 12. 7℃下降到 5. 2℃, 生物量减少了 17. 33, 而生物活性减少了 56. 72; 同时水温、基质浓度、滤速为重要的影响因 素, 其权重分别为 0. 318、0. 270 和 0. 118。 关键词 生物砂滤池 低温 生物量 生物活性 属性层次分析 ＊河北省自然科学基金项目 503400 ; 广西师范大学青年基金项目。 0 引言 生物砂滤池是对普通砂滤池进行生物强化,在保 持传统快滤池过滤能力的同时 ,去除微污染原水中的 污染物 ,对于提高饮用水的健康安全性 , 保证饮用者 的身体健康具有重要意义 。生物砂滤池之所以能有 效去除水中的污染物 ,其本质是利用滤料上生物膜内 各种微生物的代谢活动来实现的, 在低温条件下微生 物的代谢减弱, 活性降低 ,因此低温下生物砂滤柱对 于水中污染物的去除效果如何 ,成为生物砂滤技术推 广应用所面临的重要问题 。本文对低温条件下,生物 砂滤柱对有机物 、 氨氮的去除效果以及生物砂滤柱的 生物量和生物活性进行了研究 ,并采用属性层次分析 法对其影响因素进行了分析。 1 试验装置及水质 以滏阳河水为水源, 水质如表 1 所示 。试验装置 见图 1,生物砂滤柱由有机玻璃制成, 内径5 cm ,承托 层高30 cm, 滤料为石英砂 ,滤层高为70 cm ,滤料粒径 分布为 0. 6 ～ 1. 2 mm, 不均匀系数 K802. 0, 水流为 下流式。水箱曝气使得进入生物砂滤柱的水有充足 的溶解氧 ,以促进微生物的生长。 表 1 原水水质 项目 CODMn mgL- 1 BOD mgL-1 NH 4-N mgL- 1 NO- 2-N mgL- 1 TP mgL- 1 浊度 NTU 最小值5. 974 . 262. 0680 . 0980 . 0239 . 69 最大值9. 107 . 034. 6220 . 2230 . 05519 . 8 平均值6. 945 . 562. 8350 . 1690 . 04614 . 93 图1 试验装置 2 试验结果与讨论 2. 1 低温下生物砂滤柱对 CODMn的去除效果 生物砂滤柱稳定运行时, 在常温条件下对 CODMn 的平均去除率为 32. 55。进入冬季后 , 处于低温运 行,对 CODMn的去除效果见图 2。 图 2 低温下生物砂滤柱对 CODMn的去除效果 由图 2可知,水温在 5～ 8℃时,CODMn的去除率仅 为9. 18～ 12. 36, 远低于常温下的去除率; 当水温 达到10. 7℃ 时 ,CODMn的去除率增加到 17. 51。这表 明生物砂滤柱去除微污染水中的有机物受水温的影响 较大。因为有机物的去除主要依靠以有机物为基质的 异养菌的分解作用,而微生物生长繁殖的最佳水温为 20～ 30℃。根据微生物的酶促反应原理 [ 1] , 温度降低 导致异养菌的活性和新陈代谢能力下降, 从而使有机 10 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 物的去除率下降; 同时水温降低, 水的黏性系数增大 , 影响了基质的传质速率,造成处理效果较差。 2. 2 低温下生物砂滤柱对 NH 4- N 的去除效果 生物砂滤柱在低温下对 NH 4- N 的去除效果, 试 验结果见图3。 图 3 低温下生物砂滤柱对 NH 4-N 的去除 由图 3 可知 ,当水温在 5. 2～ 10. 2℃时 NH 4- N 的 去除率为 51. 31～ 66. 35 ,表明即便是在低温下生 物砂滤柱对NH 4- N 仍具有较高的去除率, 因为水中 NH 4- N 的去除主要依靠生物膜上的亚硝化细菌和硝 化细菌, 这两种细菌对温度有一定的适应能力 [ 2 -3] 。 虽然NH 4-N 的去除率随温度的升高, 有增大的趋势, 但温度并不是影响生物砂滤柱去除 NH 4- N 最主要的 因素 ,因此在低温条件下生物砂滤柱对于微污染水中 NH 4- N 具有较好的去除效果。 2. 3 低温下生物砂滤柱中生物量与生物活性分析 生物砂滤池之所以能有效去除水中的污染物 ,其 本质是利用滤料上生物膜内各种微生物的代谢活动 来实现的 ,生物膜是整个水处理构筑物的核心 。本试 验中低温条件下生物砂滤柱微生物的活性和生物量 试验结果见图 4 和图 5。 图 4 不同温度下生物砂滤柱内的生物量 图 5 不同温度下生物砂滤柱内的生物活性 由图 4 和图 5 可知 ,生物砂滤柱的生物量和生物 活性随温度的降低而减弱 ,尤其是生物活性表现的更 为明显 。温度由 12. 7℃下降到 5. 2℃,生物量减少了 17. 33, 而生物活性减少了 56. 72, 由此可见, 随着 温度的下降 ,生物砂滤柱对污染物去除率降低, 主要 是由于生物活性减弱造成的, 温度越低 , 生物活性则 越低 ,导致去除效果较差 [ 4] 。 3 低温下生物砂滤柱的属性层次分析 3. 1 AHM 的基本原理 AHM [ 5] Analytic Hierarchy Model 源于无结构的 层次分析法AHP ,AHP The Analytic Hierarchy Process 是美国匹兹堡大学著名运筹学家 Satty T . L . 于 20 世 纪70 年代末提出的 。但 AHM 与 AHP 又分别基于两 个不同的模型 重量模型和比赛模型 ,两者之间的 区别在于构造判断矩阵与计算相对权重的方法不同, 层次分析法 AHP 中 , 在用最大特征根法对被比较元 素排序时 , 必须对判断矩阵进行一致性检验; 对于 AHM 则不存在“一致性检验问题” , 但是比较测度矩 阵需通过AHP 中判断矩阵转换得到 。 3. 2 低温下生物砂滤柱去除有机物影响因素的属性 层次分析 建立低温条件下 ,生物砂滤柱去除有机物影响因 素的综合评价递阶层次结构如图 6所示。 有机物去除效果 生物特性 水温 基质浓度 溶解氧 pH 反冲洗 传质特性 水温 滤速 基质浓度 流态 反冲洗 图 6 有机物去除效果综合评判层次结构 根据相关领域的专家赋值 ,采用 1～ 9 标度 ,建立 比例判断矩阵 。把 AHP 比例判断矩阵转换成 AHM 的测度判断矩阵, 见表 2、表 3; 同时根据准则层的权 重,计算得出各指标对有机物去除的总排序计算结 果,见表 4。 表 2 生物特性 AHM 判断矩阵 水温基质浓度DOPH反冲洗W 水温00. 80. 80. 8890. 8570 . 334 基质浓度0. 200. 50. 8570. 80 . 236 DO0. 20. 500. 8570. 80 . 236 pH0. 1110. 1430. 14300. 20 . 060 反冲洗0. 1430. 20. 20. 800 . 134 11 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 表 3 传质特性 AHM 判断矩阵 水温滤速基质浓度反冲洗流态W 水温00. 80. 50. 8890. 8570 . 304 滤速0. 200. 20. 8570. 80 . 201 基质浓度0. 50. 800. 88890. 8570 . 304 反冲洗0. 1110. 1430. 11100. 20 . 056 流态0. 1430. 20. 1430. 800 . 135 表 4 各指标对有机物去除效果的总排序计算结果 指标层次总排序指标层次总排序 水温0 . 318反冲洗0 . 095 基质浓度0 . 270滤速0 . 118 DO0 . 101流态0 . 068 pH0 . 030 由表 4 可知 ,水温 、 基质浓度 、 滤速是低温条件下 生物砂滤柱去除有机物的重要影响因素 ,其权重分别 为0. 318、0. 270 和 0. 118。在低温条件下 , 可以通过 控制生物砂滤柱的滤速, 以提高滤柱对有机物去除的 效果; 同时保证水中充足的溶解氧, 使其不成为限制 因子 。 4 结论 1 生物砂滤池去除微污染水源中的有机物受水 温的影响较大。水温在 5～ 8℃时,CODMn的去除率仅 为9. 18～ 12. 36,远远低于常温下的去除率; 当水 温达到 10. 7℃时, CODMn的去除率增加到 17. 51。 水温在5. 2～ 10. 2℃时,生物砂滤柱对NH 4-N 的去除 率为 51. 31～ 66. 35。 2 生物砂滤柱中的生物量和生物活性随温度的 降低而减少 ,尤其是生物活性表现的更为明显 。温度 从12. 7℃ 下降到 5. 2℃,生物量减少了 17. 33,而生 物活性减少了 56. 72。 3 应用属性层次分析法对低温条件下 ,生物砂 滤柱去除有机物的影响因素进行分析, 结果表明水 温、 基质浓度、 滤速为重要的影响因素,其权重分别为 0. 318、 0. 270 和 0. 118。 参考文献 [ 1] 谢曙光, 张晓建, 王占生. 曝气生物滤池的低温挂膜研究. 中国 给水排水, 2003, 19 13 58 -59 [ 2] 桑军强, 王占生. 低温条件下生物陶粒反应器运行特性研究. 环境科学, 2004, 24 2 112 -115 [ 3] 刘国庆, 桑军强, 张锡辉. 低温条件下生物陶粒反应器去除水源 水中氨氮的研究. 中国环境科学,2003, 23 6 644 -647 [ 4] 谢曙光, 张晓建, 王占生. 低温下曝气生物滤池内生物量变化. 北京大学学报, 2004, 40 6 979 -983 [ 5] 蔡振禹, 李思敏. 基于 AHM 模型的城市节水水平综合评价研 究. 中国给水排水, 2006, 20 7 79 -81 作者通信处 宿程远 541004 广西桂林 广西师范大学环境与资 源学院 电话 0773 5846140 E -mail suchengyuan2008126. com 2007- 12-14 收稿 上接第 9页 3 结论 1 城市污水处理厂剩余污泥经超声破解后, SCOD 显著增加 ,pH 值略有下降 ,VFA 和 NH3-N 有不 同程度的上升。 2 超声破解能提高污泥两相厌氧消化反应的 VS 去除率, 且声能密度越大 , 去除率提高的幅度越 大; 超声频率为 45 kHz 条件下的去除率高于 28 kHz 条件下的去除率 。 3 超声破解可提高污泥两相厌氧消化产气量、 产气率和生物气中甲烷含量, 且声能密度的作用效应 大于超声频率的作用效应 。 参考文献 [ 1] 张忠祥, 钱易. 废水生物处理新技术. 北京 清华大学出版社, 2004 [ 2] 乔玮, 曾光明, 衰兴中, 等. 易腐有机废物与剩余污泥混合厌氧 消化处理. 农业环境科学学报,2004, 23 3 607 -610 [ 3] Klaus Nickel , Uwe Neis.Ultrasonic disintegration of biosolids for improved biodegradation. Ultrasonics Sonochemistry ,2007, 14 450 -455 [ 4] Mavi Climent , Ivet Ferrer, Ma del Mar Baeza , et al.Ultrasonic disintegration of biosolids forimproved biodegradation.Chemical Engineering Journal ,2007, 133 335 -342 [ 5] Antti G H, Kirsi K. Ultrasound assisted to increase soluble chemical oxygen demand SCODof sewage sludge fordigestion. Ultra Sonochem, 2005, 12 115 -120 [ 6] 国家环保局水和废水监测分析方法编委会. 水和废水监测分 析方法. 第四版. 北京 中国环境科学出版社, 2002 作者通信处 史吉航 518029 广东省深圳市罗湖区清水河金湖路 4 号金马花园 2 栋301 E -mail mascot3000yahoo . cn 2007- 12-28 收稿 12 环 境 工 程 2008年 12 月第 26卷第 6 期 STUDY ON ULTRASONIC DISINTEGRATION OF EXCESS SLUDGE FOR IMPROVING ITS BIO- GAS YIELD PERANCE OF TWO-PHASE ANAEROBIC DIGESTION Wu Chunde Shi Jihang7 Abstract A study was done on ultrasonic disintegration of excess sludge from a sewage treatment plant. The results indicated that soluble chemical oxygen demand was significantly increased, the removal rate of volatile solid, net bio -gas production and the rate of bio -gas production were also increased, and moreover the content of methane was increased, thusbio -gas yield perance was improved. The main factors affecting ultrasonic disintegration were sound energy density and disintegration time, and the secondary factor was ultrasound frequency. Keywords excess sludge two -phase anaerobic digestion ultrasonic disintegration methane EXPERIMENT ON OPERATIONAL PERANCE OF BIOLOGICAL SAND FILTER AT LAW TEMPERATURESu Chengyuan Zhang Jiankun Li Simin et al 10 Abstract The removal rates of organic matters and NH 4-N by a biological sand filterwere studied and the changes in biomass and microbi- al activity in the filter were analyzed at law temperature.It applied AHM for analyzing influencing factors.The removal rates of NH 4-N and CODMnwere 51 . 31 to 66. 35and 9. 18 to 16. 04 separately in biological sand filter at 5. 2℃to 10. 2℃. Microbial activity was 0. 029～ 0. 055mg hg. The biomassandmicrobial activity were decreasedby 17. 33 and56. 72when the water temperature fell down from 12. 7℃ to 5. 2℃. It applied AHM for analyzing influencing factors. The results showed thatthe temperature, substrate concentration and filter velocity were the important factors. Their weights were 0 . 318, 0. 270 and 0. 118, respectively. Keywords biological sand filter law temperature biomass microbial activity AHM THE COMPARATIVE TEST OF TREATMENT OF SLIGHTLY POLLUTED RAW WATER BY IM - MOBILIZED NITROBACTERIAHou Shuaihua Jia Baoqiu 13 Abstract A slightly polluted raw water was treated separately by immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor and bio-ceramicite reactor.It was compared the difference of their effluent inNH 4-N, NO - 2-N, CODMnand turbidity . The result showed that the bio -ceramicite re - actor s removal effect was better than that of immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor, the difference was very small. Further more, the immobilized nitrobacteria pellets in airlift loop reactor didn t need to be back washed and could run smoothly once it was activated. Immobi- lized nitrobacteria in the treatment of slightly polluted raw water has great potential. Keywords immobilized nitrobacteria ceramicite ammonia -nitrogen nitrous acid nitrogen INVESTIGATION ON THE RELATION BETWEEN CAVITATION NUMBER AND REYNOLDS NUMBER IN HYDRODYNAMIC CAVITATIONWang Huimin Sun Sanxiang 15 Abstract The orifice plates with different thickness, various holes and sizes were used as hydrodynamic cavitation generator to study the degradation effect of Rhodamine B solution. The relation between the cavitation number and the Reynolds number was set up and the experiment result was coned with that of the dimensional analysis. Keywords hydrodynamic cavitation cavitation number Reynolds number dimensional analysis TREATMENT OF PRINTING AND DYEING WASTEWATER WITHMULTIPLE MICROORGANISM Cheng Binbin Lin Bo 17 Abstract Three strains of bacterium with high flocculating rate and degradating rate were isolated from the sludge of printing and dyeing wastewater s outfall. And then the 3 strains were compounded, which was called JFFH-124. The experiments showed that JFFH-124 had higher flocculating rate and COD degradating rate. The chroma of printing dyeing wastewater was reduced from 150 to 23, the removal rate of chroma was 84. 5, and the wastewater s COD was reduced from 530 mg L to 96mg L, the removal rate of COD was 81. 9, after flocculation and deg - radation of the wastewater with JFFH -124. Keywords multiple strain microbial flocculants degradation printing dyeing wastewater TREATMENT OF BREWERY WASTEWATER BY EXTERNAL CIRCULATING ANAEROBIC TECHNIQUEHan Hongjun Yang Hua Zhao Jin et al 20 Abstract A technical rewasdone on a brewery wastewater treatment using the external circulating anaerobic -contact oxidation process. The operating result showed that the removal rates of COD, BOD andSSwere 97. 8, 99. 3 and 98. 9 respectively. The effluent couldmeet the requirements of“ Beer Industry Wastewater Discharge Standard” GB19821 -2005, and the system could run steadily and reliably. Keywords brewery wastewater external circulating anaerobic process technical re A SUMMARY OF DESIGN FOR CAST PROCESS SEWAGE TREATMENT PLANT Lin Yingzi Chen Lijun Liu Haichen et al 22 Abstract In view of a mixed sewage with high load and small volume, the designof a sewage treatment plant uses the hydrolysis -acidifica - tion andthe CAST series sewage treatment system. Throughtechnological designof various units, introduction to the arrangement of equipment and the operation data analysis, it is summarized the process characteristics and experience in technological design. Keywords sewage treatment plant hydrolysis -acidification CAST design 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 6,December,2008