下向流前置反硝化生物滤池沿滤料层高度的除污性能研究

董 玲,孙 楠

前置反硝化生物滤池是将 A/O工艺与曝气生物滤池工艺相结合的组合工艺,兼具备前置反硝化生物脱氮和曝气生物滤池的优点[1-2]。本研究将前置反硝化生物滤池的反硝化段(DN池)采用下向流进水方式,除碳硝化池 (CN池)采用上向流进水,保持气水同向流,DN池与 CN池串联运行,考察了下向流DN池和上向流 CN池沿水流方向上污染物去除的变化规律,为工程上滤料层高度的选取提供一定的理论依据,使滤料层充分发挥作用,从而达到节省工程投资的目的。

1 试验材料及方法

1.1 试验装置

试验装置及流程如图1所示。

试验所用反应器为长方体,由 6号钢板制成,下向流前置反硝化生物滤池 (DN)与上向流曝气生物滤池 (CN)串联运行。DN池高 5.6 m,底部尺寸为 0.6 m×0.9 m,有效容积2.8m3。CN池高为4.1m,底部尺寸为 1.25 m×0.9 m,有效容积 4.0 m3。滤板下方的 DN清水区和 CN配水区高度均为1 000 mm,采用 BAF专用长柄滤头布水,滤板上部承托层厚度均为 300 mm。CN池采用单孔膜空气扩散器曝气,安装于承托层。DN池的滤料层高度为 2 000 mm,选用大粒径球形轻质多孔生物陶粒滤料,上层滤料粒径为 6～9 mm,下层粒径为 4～6 mm,上下两层滤料高度各为1 000 mm;CN池滤料层高度为 1 500 mm,选用粒径为 2～4 mm的生物陶粒。

1.2 污水水质

试验用水是经宜兴华骐污水厂沉淀池水解酸化后的城镇污水,试验期间未投加外碳源时进水水质如表1所示。

表1 原水水质

从表1可知,原水中NH+4-N和 TN浓度相对稳定,COD浓度偏低,因此通过向进水中投加葡萄糖来控制进水COD浓度,保证碳源的充足。

1.3 运行条件

进水流量为 1.0 m3/h,回流量 2.0 m3/h,水温20～28℃,气水比 1∶3。共设 11个取样点,其中DN池 6个,CN池 5个,具体取样点布设如下:1号取样点设在 DN池滤料层顶部液面处,水样是回流液与进水的混合液;2～5号是沿DN池水流方向向下每间隔 0.4 m设置的取样口;6号是DN池出水;7～10号为 CN池沿滤层高度 0～1.5 m范围内,以 0.4 m为间隔设取样点;11号为 CN池段出水。

图1 工艺流程示意图

1.4 分析项目及方法[3]

2 试验结果及分析

2.1 COD去除效果沿滤料层高度的变化

稳定运行条件下,当 1号取样点水样的 COD浓度为 143.3 mg/L时,COD的去除效果沿滤料层高度的变化情况如图2所示。

图2 COD去除效果沿滤料层高度的变化

由图2可知,COD沿水流方向滤料层高度的增加逐级降解,沿程各段对 COD的去除都较为有效, COD总去除率达到 84.8%,其中DN池对COD的去除贡献比 CN池大。DN池对 COD的去除率达61.6%,其中在0～400 mm范围内对COD的去除率最为明显,去除率几乎沿滤料层高度直线上升,该段的COD去除率占到总去除率的 32.9%。主要原因是:(1)0～400 mm最靠近进水段,此处的滤料层内,进水中有机物的浓度较高,其中的非溶解性有机物进入滤柱以后,在 0～400 mm高度处较好地被滤料层拦截。随着污水沿水流方向的推进,进水中的大部分 COD被前段滤料层去除,其浓度大大降低,污水中可生物降解的有机物含量也逐渐减少,所以后段的去除率变化较小;(2)异养反硝化以有机物作为电子供体,将硝态氮还原为氮气,理论上 1 mg的-N还原为 N2需要消耗 2.86 mg的 COD,除此之外,微生物进行同化作用合成新细胞也要消耗部分有机物;(3)回流液携带的DO进入DN池时也会在进水端快速地消耗部分BOD5。

CN池对 COD的降解程度稍低,这是因为污水经过DN池处理后,进入 CN池的有机物减少,这时有机物浓度成为异养菌增长的限制性因素。另外,多次沿程试验结果表明不管进水 COD浓度是多少,其出水浓度最终都向 15 mg/L左右靠拢。文献[4]表明,在稳态运行时,生物膜系统无法使底物质量浓度小于最小底物质量浓度ρmin,当底物质量浓度低于ρmin时,异养菌分解有机物所获得的能量无法满足其生理活动的需要,进而活性受到抑制。

图3 -N去除效果沿滤料层高度的变化

图4 -N和-N浓度沿滤料层高度的变化

2.4 TN浓度沿滤料层高度的变化

TN浓度沿滤料层高度的变化如图5所示。

图5 TN去除效果沿滤料层高度的变化

由图5可知,TN主要在DN段中得到去除,在滤料层高度为 800～1 600 mm段降低的最多,去除率为 25.2%左右,滤池顶部 0～400 mm滤料层和滤料层底部 1 600～2 000 mm范围内对 TN去除率分别只有 6.5%和 4.2%。分析原因为:(1)靠近进水段,由于回流液携带的溶解氧进入,破坏了缺氧环境,不利于反硝化菌的生长,反硝化脱氮较差;(2)进水混合液通过上层滤料后,溶解氧逐渐被消耗,使得滤层中部处于缺氧状态,且此处的有机物浓度相对较高,反硝化菌有充足碳源,因此脱氮效果最佳; (3)采用下向流运行方式,有机物大部分都被截留在滤池上、中部,而下部的有机物浓度较低,营养相对匮乏,反硝化菌数量相对较少,影响到脱氮效果。

CN池对 TN浓度仍有所降解,证明了在好氧柱内有同步反硝化作用的存在,分析原因可能为 CN池中滤料粒径较小,滤料过于压实,深入滤料层内部的氧传递受阻及外部氧的大量消耗,在生物膜内部形成了适合反硝化菌生长的缺氧环境。

2.5 DO浓度沿滤料层高度的变化

DO浓度沿滤料层高度的变化见图6。

图6 DO浓度沿滤料层高度的变化

当回流比为 200%时,DN池进水混合液DO在 1.8 mg/L左右,污水流经 0～400 mm段后,DO迅速下降到 0.8 mg/L,这主要是因为此段有机物浓度较高,溶解氧被少量好氧异养微生物的呼吸作用快速消耗,在 400 mm之后的滤料层内DO浓度一直处于较低状态,在 0～0.5 mg/L范围内,因此给反硝化菌提供了适宜的缺氧环境和充足的生存空间。

污水进入 CN池后,DO浓度沿填料高度逐渐升高,在出水中达到最高,浓度为 5.1 mg/L。在滤层下部0～400mm范围内,DO浓度仅有0.1～0.6 mg/L,这是因为:(1)上向流曝气生物滤池是一种推流式反应器,在进水端污染物基质浓度较高,相对DO的消耗也较多;(2)滤池底部的单孔膜空气扩散器提供的空气泡经滤料层受沿程阻力作用,延长了停留时间并逐级切割成小气泡,所以越靠近滤料层上部,气泡数量愈多,分布越均匀,相应的水体中溶解氧浓度也越高。到了400～800 mm的区域,由于硝化菌代谢活动旺盛,理论上将 1 g氨氮氧化为硝酸需要 4.57 g氧,需氧量大,因此该段滤料层 DO浓度上升缓慢, 800 mm以上的滤料高度处DO浓度升高速度开始加快,去除率曲线呈线性增长趋势。

工程上一般通过在线监测出水DO来判断曝气量是否足够,认为DO达到 2～3 mg/L即可,但实际上BAF是一种推流式反应器,这种结构决定了整个反应器中DO是不均匀的。从试验结果看DO是沿程逐渐升高的,在进水端附近处于非常低的水平,表明这种在线监测方法是不合理的。

3 结论

(1)DN池对 COD的去除贡献比 CN池大,其对COD的去除主要集中在0～400 mm滤料层,污水经过DN池处理后COD大幅度减小,CN池对COD的降解曲线较平缓。DN池对-N的去除只有13.4%左右,在 CN段-N浓度沿程逐渐降低,硝化作用主要集中在滤料层中上部。

(3)TN主要在DN段中得到去除,滤池中部对TN去除贡献最大,CN池对 TN浓度仍有所降解。回流比为 200%时,进入 DN池的 DO浓度有1.8 mg/L左右,在滤池顶部 0～400 mm区域内被迅速消耗掉,对滤池整体的缺氧厌氧环境不造成影响, CN池的DO是沿程逐渐升高的,在进水端附近只有0.1～0.6 mg/L,出水达到 5.1 mg/L。

[1]郑俊,吴浩汀.曝气生物滤池工艺的理论与工程应用[M].北京:化学工业出版社,2005:23-31.

[2]王建龙.生物脱氮新工艺及其技术原理[J].中国给水排水,2000,16(2):25-28.

[3]国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会,水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002:88-285.

[4]曲波,张景成.曝气生物滤池工作性能与滤层高度的相关性[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(7):850-852.

[5]Fdz-Polanco F,Mendez E,UruefiaM A,et a1.Spatial distribution of heterotrophs and nitrifiers in a submerged biofilter for nitrification[J].Water Res,2000,34(16):4081-4089.