城市污水效能

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摘要：對(duì)采用酶促填料的變速生物濾池處理城市污水進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，考察了水力停留時(shí)間(hrt)和溫度的影響。結(jié)果表明，常溫、填料層厚度分別為1.5m和2.0m、填料層hrt分別＞3.5h和4.9h、相應(yīng)的濾池hrt＞9.7h時(shí)，濾池能有效地去除水中有機(jī)物和懸浮物。

關(guān)鍵詞：變速生物濾池酶促填料城市污水

studyontheperformanceofvariableratebiofilterfortreatmentofmunicipalwastewater

abstract：thefull-scaleexperimentwascarriedoutontheuseofvariableratebiofilterwithenzymaticmediumfortreatmentofmunicipalwastewater,andstudywasmadeontheeffectofhydraulicretentiontime(hrt)andtemperatureontheperformance.theresultsshowedthatatnormaltemperature,whenthemediaheightis1.5mand2.0mwithhrt＞3.5hand4.9h,andthefilterhrt＞9.7h,thefiltercanefficientlyremoveorganicandsuspendedmattersinwater.

keywords:variableratebiofilter;enzymaticmedium;municipalwastewater

處理城市污水是控制水污染的重要任務(wù)之一。自20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)，以厭氧/缺氧技術(shù)為核心的城市污水處理工藝流程因具有能耗低、運(yùn)行成本低、污泥產(chǎn)量低、管理方便等突出優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到世界各國(guó)學(xué)者及工程界的普遍重視［1］，在此結(jié)合變速生物濾池處理城市污水的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究成果，對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在重慶市某污水處理廠進(jìn)行，該廠原采用合建式表面曝氣沉淀池，而變速生物濾池是由原曝氣沉淀池的曝氣區(qū)改建而成，試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

濾池的平面尺寸為7.8m×5.95m，總高為5.7m(其中布水區(qū)為1.0m，承托層為0.35m，填料層夏季為1.5m、冬季則加至2.0m，沉淀區(qū)夏季為1.5m、冬季為1.0m，保護(hù)高為1.6m)。濾池從底部進(jìn)水，上部出水，過(guò)水?dāng)嗝骐S水流方向逐漸增大。濾池中所裝填料為本研究組開(kāi)發(fā)的專利產(chǎn)品——酶促填料，其粒徑為10～20mm。

1.2主要測(cè)試項(xiàng)目及方法

主要測(cè)試項(xiàng)目及方法見(jiàn)表1。

表1測(cè)試項(xiàng)目及方法項(xiàng)目測(cè)定方法或儀器項(xiàng)目測(cè)定方法或儀器

do、溫度yis52型溶解氧測(cè)定儀堿度(caco3計(jì))酸堿指示劑滴定法

流量三角堰揮發(fā)酸(vfa)比色測(cè)定法

ss103～105℃烘干重量法nh3-n納氏試劑分光光度法

ph值精密ph試紙或ph計(jì)tp鉬銻抗分光光度法

cod、scodhach—cod測(cè)定儀so42-硫酸鋇比濁法

注：scod為溶解性cod。

1.3試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，分夏季和冬季兩個(gè)階段，主要考察水力停留時(shí)間和溫度對(duì)濾池運(yùn)行性能的影響。污水在濾池內(nèi)的水力停留時(shí)間通過(guò)進(jìn)水流量的改變來(lái)調(diào)節(jié)，溫度則隨季節(jié)而變化。

2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2、3，濾池運(yùn)行環(huán)境參數(shù)

3結(jié)果與討論

3.1出水水質(zhì)

試驗(yàn)中濾池的性能主要根據(jù)cod、ss去除率等指標(biāo)來(lái)評(píng)定。由表2可知，城市污水經(jīng)濾池處理后的cod去除率約為40%～55%、scod約為30%～45%、ss約為60%～80%，顯然濾池對(duì)懸浮物的去除效果明顯好于對(duì)有機(jī)物的去除效果。濾池出水有機(jī)物濃度較高可

能有以下幾方面的原因：

有研究表明，若將微生物增長(zhǎng)與死亡剛好平衡時(shí)的基質(zhì)濃度定義為smin，則利用恒化器培養(yǎng)得到25℃和35℃下乙酸在甲烷發(fā)酵過(guò)程中的smin分別為48mg/l和78mg/l［2］，這從理論上指出了厭氧系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下所能達(dá)到的最小基質(zhì)濃度，而這僅僅是單一基質(zhì)情況得出的結(jié)論，實(shí)際過(guò)程中污水含有多種基質(zhì)，每一種微生物都有其各自的smin，這樣出水基質(zhì)濃度將大于或等于所有單一基質(zhì)smin中的最大值，從而導(dǎo)致較高的出水cod濃度和較低的去除率，這是由厭氧/缺氧降解機(jī)理所決定的。

就濾池本身而言，有許多研究者認(rèn)為在穩(wěn)定運(yùn)行的厭氧濾池中，廢水中很大一部分有機(jī)物是由填料間隙滯留的懸浮微生物去除的。song分別采用交叉流式和管流式塑料波紋孔板作濾池填料試驗(yàn)，結(jié)果表明［3］填料的比表面積增加60%而cod去除率僅提高2%。young的看法與此一致，并指出在有機(jī)負(fù)荷較高［12～16kgcod/(m3·d)］的af中，填料間隙懸浮微生物所去除的有機(jī)物占總?cè)コ实?/2左右［4］。同時(shí)，在af反應(yīng)器中還有顆粒污泥存在，這已為不少研究者所證實(shí)，如young和mccarty發(fā)現(xiàn)上升氣流的作用使污泥微粒結(jié)成顆粒狀，易于沉淀和吸附有機(jī)物［5］。錢(qián)易等用af處理生活污水的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)部分懸浮污泥的顆粒化現(xiàn)象［6］。由此可見(jiàn)，在af反應(yīng)器中填料間隙滯留的懸浮顆粒污泥對(duì)有機(jī)物的降解有重要貢獻(xiàn)，而本試驗(yàn)中由于濾池在運(yùn)行中要定期排泥，反應(yīng)器中的懸浮微生物較少，故顆粒污泥可能尚未形成，這對(duì)濾池的性能有一定影響。

此外，多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道濾池填料的裝填厚度至少應(yīng)滿足2m的最低要求［4］。考慮到填料價(jià)格較貴，若能減小填料層的厚度而又能有效處理城市污水，則將大大減少濾池的基建投資，有利于濾池的推廣應(yīng)用，所以試驗(yàn)時(shí)先在濾池中裝填1.5m的填料，夏季運(yùn)行階段結(jié)束后將填料層厚度增至2.0m。

3.2水力停留時(shí)間(hrt)的影響

在厭氧/缺氧污水處理技術(shù)中，hrt是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它的大小直接影響反應(yīng)器的運(yùn)行效果和反應(yīng)器容積的確定。在處理城市污水時(shí)，hrt更是一個(gè)起限制作用的因素。當(dāng)污泥濃度基本穩(wěn)定時(shí)，hrt越長(zhǎng)，有機(jī)物與微生物接觸越充分，有機(jī)物的降解就越徹底，去除率也就越高，但為了減少反應(yīng)器容積以降低構(gòu)筑物造價(jià)和占地面積，又必須盡量縮短hrt。本試驗(yàn)考察了hrt對(duì)變速生物濾池反應(yīng)器處理效果的影響(見(jiàn)圖3)，以期得到最合適的hrt。

由表2和圖3可知，hrt對(duì)有機(jī)物去除的影響表現(xiàn)為反應(yīng)器對(duì)cod、scod去除率隨hrt的減少而降低。當(dāng)填料層高度為1.5m和2.0m、對(duì)應(yīng)的hrt填1.5和hrt填2.0分別為8.6h和12.1h(濾池hrt濾為23.7h)時(shí)，cod去除率最高(分別為49.5%和55.8%)；此后hrt逐漸減少，cod去除率逐漸降低。當(dāng)hrt填1.5和hrt填2.0分別減少到3.5h和4.9h(即hrt濾減少到9.7h)時(shí)，cod去除率降至41.0%和46.4%，此時(shí)hrt填1.5和hrt填2.0分別減小了5.1h和7.2h(hrt濾減小了14.0h)，而相應(yīng)的cod去除率只下降8.5%和9.4%，表明在此工況下濾池的性能可保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性；當(dāng)hrt填1.5和hrt填2.0分別減少至2.8h和3.9h(hrt濾減少至7.6h)時(shí)，盡管hrt填1.5和hrt填2.0分別只減小0.7h和1.0h(hrt濾只減小2.1h)，但相應(yīng)的cod去除率卻降低了3.7%和5.9%，表明此時(shí)的反應(yīng)器運(yùn)行趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。scod去除率隨hrt的變化與上述cod去除率變化情況類似。由此可見(jiàn)，在hrt達(dá)到一定值后采用較長(zhǎng)的hrt對(duì)提高反應(yīng)器處理效率的貢獻(xiàn)不大，但會(huì)造成反應(yīng)器的容積增加較多，所以在實(shí)際應(yīng)用中通常采用較小的hrt以獲得盡可能大的處理能力。就本試驗(yàn)而言，在填料層高度為1.5m或2.0m的情況下濾池hrt采用9.7h較為理想。

鑒于hrt是影響生物濾池去除有機(jī)物的最主要參數(shù)之一，且由圖3可知濾池填料層hrt與scod去除率e之間呈較好的相關(guān)性，故對(duì)之進(jìn)行乘冪形式的回歸，回歸曲線見(jiàn)圖4。

對(duì)回歸公式進(jìn)行整理后得到如下兩式，夏季時(shí)：

e=100［1-0.8221(hrt)-0.126］

r2=0.9377

冬季時(shí)：

e=100［1-0.8166(hrt)-0.253］

r2＝0.9673

將上述兩式改寫(xiě)成一般形式：

e=100［1-sk(hrt)-m］

式中e——scod去除率，%

hrt——填料層水力停留時(shí)間，h

sk、m——與填料的種類和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)(夏季sk=0.822、m=0.126，冬季sk=0.817、m=0.253)

該式形式簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，可預(yù)測(cè)填料層在hrt不同時(shí)對(duì)溶解性有機(jī)物的去除率，且具有一定的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

濾池運(yùn)行期間，隨著hrt逐漸減小、水量逐漸增大，進(jìn)水cod和ss也逐漸增大，這主要是由于初沉池出水需流經(jīng)長(zhǎng)達(dá)20m多的連接渠道方可進(jìn)入濾池，而渠道的設(shè)計(jì)通過(guò)流量較大，進(jìn)入濾池的水量相對(duì)較小，加之濾池進(jìn)水渠處的三角堰具有阻流作用(三角堰零刻度處距渠底約有10cm)，使得渠中底部水流變得較為平緩，初沉池出水中的懸浮物逐漸沉積在渠底，濾池進(jìn)水的cod和ss均有所下降，但隨著水量增加、流速增大，沉積在渠底的懸浮物減少，cod和ss也就逐漸增大。當(dāng)流量達(dá)到382.5m3/d時(shí)，流速的影響已經(jīng)很小，濾池進(jìn)水cod和ss與初沉池出水接近。此外，夏季濾池進(jìn)水cod和ss值較冬季低，這主要是由于冬季用水量小于夏季用水量所致。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，濾池出水ss隨運(yùn)行延續(xù)時(shí)間的增加而明顯增加，這一結(jié)果主要由兩方面因素造成：一是隨著hrt縮短和流量增加，水力負(fù)荷有所提高，氣體產(chǎn)量也有所增大，增強(qiáng)了對(duì)懸浮污泥的攪動(dòng)和對(duì)生物膜的沖刷作用，部分污泥被帶到反應(yīng)器上部，逐漸隨水流沖出(這一現(xiàn)象在負(fù)荷改變初期尤為明顯，隨著濾池運(yùn)行逐漸趨于穩(wěn)定，由此造成的影響也就有所減小)；二是隨濾池運(yùn)行時(shí)段的延續(xù)，大量的懸浮物被截留在填料層底部，且隨著懸浮物的增多逐漸沿填料層上移，使得穿透填料層的懸浮物也逐漸增加。一般情況下，濾池穩(wěn)定運(yùn)行2～4個(gè)月左右后的出水ss有較大增加，ss去除率明顯下降，表明濾池填料層需進(jìn)行沖洗。

3.3溫度的影響

溫度對(duì)所有微生物的生命活動(dòng)都有很大影響，與好氧微生物相比，厭氧微生物對(duì)溫度更為敏感，迄今大多數(shù)厭氧/缺氧反應(yīng)器在中溫范圍運(yùn)行，且以30～40℃最為常見(jiàn)。在中溫范圍內(nèi)，一般溫度每升高10℃，反應(yīng)速度約增加一倍［7］。本試驗(yàn)中，夏季水溫比冬季水溫高10℃左右，在冬季溫度較低時(shí)濾池出水的cod和scod明顯升高，其平均值分別增加98.3mg/l和39.6mg/l。但由于濾池進(jìn)水有機(jī)物濃度較高，故冬季對(duì)cod和scod的去除率與夏季相比反而有所升高，表明冬季溫度較低時(shí)濾池仍具有較好的處理效果，這一方面是因?yàn)樘盍蠈雍穸仍黾恿?.5m，另一方面可能是反應(yīng)器中積累了較多的污泥(生物量較大)從而彌補(bǔ)了微生物在溫度較低時(shí)活性的降低。同時(shí)，夏季濾池進(jìn)水有機(jī)物濃度較低，濾池對(duì)有機(jī)物的降解能力沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，使有機(jī)物的去除率偏低。

在冬季溫度較低時(shí)濾池出水ss也顯著升高，這主要是由于隨水溫降低水的粘滯度增大(由stocks公式可知，相同大小的懸浮顆粒在水溫下降時(shí)，其沉降速度相應(yīng)減小)，而從物理化學(xué)角度講，過(guò)濾屬于表面沉淀，故出水ss值升高。

3.4濾池中n、p和硫酸鹽的改變

n和p是植物營(yíng)養(yǎng)素，大量的有機(jī)物和n、p排入水體會(huì)使水體環(huán)境的污染和富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重，而硫酸鹽對(duì)污水厭氧處理有重要的影響，因此本試驗(yàn)考察了濾池中這三者的變化情況。

濾池對(duì)p約有20%的去除率，且水中p含量沿濾池高度方向逐漸降低，這可能是沉淀除p和同化除p的共同結(jié)果。變速生物濾池中接近推流的流態(tài)、較長(zhǎng)的hrt和1.5～2.0m厚度的填料層都有利于沉淀除p，估計(jì)沉淀作用除p占總?cè)コ实谋壤^大。當(dāng)然，p也可通過(guò)進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞組織而被去除，其去除量取決于微生物機(jī)體生長(zhǎng)對(duì)p的需求和污泥凈產(chǎn)量。在厭氧/缺氧工藝中，污泥的凈產(chǎn)率是很低的，因此微生物合成所消耗的p不是濾池除p的主要途徑。

濾池出水的nh3-n濃度較進(jìn)水略有增加。在厭氧過(guò)程中，氨基酸、蛋白質(zhì)和其他含氮有機(jī)物可通過(guò)加氫還原等途徑分解成氨和另一種不含氮有機(jī)物，使反應(yīng)器中nh3-n濃度上升，故出水nh3-n濃度有所升高，這與文獻(xiàn)［6］、［8］的結(jié)論是一致的。

在厭氧/缺氧生物處理過(guò)程中，少量的硫酸鹽或硫化物是有益的，但當(dāng)污水中硫酸鹽含量過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧生物處理產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用，具體表現(xiàn)為srb(硫酸鹽還原菌)與mpb(產(chǎn)甲烷菌)爭(zhēng)奪乙酸和h2而產(chǎn)生的基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，以及硫酸鹽還原產(chǎn)物—硫化物對(duì)mpb的毒害作用而導(dǎo)致的次級(jí)抑制［9］。由表3可知，與有機(jī)物的去除相比，濾池對(duì)硫酸鹽的去除率相當(dāng)高(約為60%)，據(jù)此推斷城市污水中大量硫酸鹽的存在對(duì)濾池去除有機(jī)物的性能有一定影響。

3.5ph、vfa、堿度的影響

試驗(yàn)期間，濾池進(jìn)、出水ph值在6.5～7.4之間(未出現(xiàn)大的波動(dòng))，出水vfa濃度較進(jìn)水有所降低，出水堿度有所增加。濾池中vfa的降低和堿度的升高實(shí)際上是生化過(guò)程中產(chǎn)生的酸堿中和的結(jié)果，堿度表明了反應(yīng)器系統(tǒng)的緩沖能力。有資料認(rèn)為［10］：用vfa與堿度的比值可較好地反映系統(tǒng)的緩沖能力，當(dāng)兩者之比＜0.4時(shí)，系統(tǒng)緩沖能力強(qiáng)，能適應(yīng)vfa一定程度的波動(dòng)，ph值變化不大；當(dāng)兩者之比在0.4～0.8之間時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)缺乏緩沖能力；當(dāng)兩者之比＞0.8時(shí)，表明反應(yīng)器即將發(fā)生酸化現(xiàn)象。本試驗(yàn)濾池中vfa介于8～122mg/l，堿度在320mg/l左右，酸堿度之比近似介于0.03～0.38，這表明系統(tǒng)緩沖能力足以中和反應(yīng)過(guò)程中形成的揮發(fā)酸，使濾池ph值維持在中性范圍內(nèi)，可保證反應(yīng)器的正常運(yùn)行。

4結(jié)論

①變速生物濾池在水溫為9～26℃條件下處理城市污水，cod去除率可達(dá)40%～55%，scod去除率可達(dá)30%～45%，ss去除率可達(dá)60%～80%。冬季溫度較低時(shí)，濾池出水cod和ss升高，但仍具有較好的處理效果，表明濾池在冬季溫度下仍可正常運(yùn)行。

②hrt對(duì)變速生物濾池性能有重要影響，cod和ss去除率均隨hrt的減少而降低。當(dāng)hrt填1.5和hrt填2.0分別為3.5h和4.9h(濾池hrt濾為9.7h)以上時(shí)，cod去除率較穩(wěn)定；當(dāng)hrt填1.5和hrt填2.0分別降至2.8h和3.9h(濾池hrt濾降至7.6h)以下時(shí)，cod去除率顯著下降，濾池運(yùn)行性能趨于不穩(wěn)定。本試驗(yàn)在填料層厚為1.5m或2.0m的情況下，濾池hrt控制在9.7h以上。

③變速生物濾池對(duì)p有一定的去除效果，對(duì)硫酸鹽有高達(dá)60%的去除率，但出水nh3-n濃度略有升高。

④變速生物濾池運(yùn)行期間的ph值始終保持中性，表明系統(tǒng)緩沖性能良好。

⑤以變速生物濾池為主要工藝的城市污水處理系統(tǒng)具有能耗少、運(yùn)行費(fèi)用低、管理簡(jiǎn)便、處理效果較好等優(yōu)點(diǎn)，但由于濾池處理后出水水質(zhì)不能達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(gb8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求，故需考慮適當(dāng)?shù)暮筇幚怼?/p>

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