用于生物接触氧化工艺的填料特性比较研究

摘要：填料材质、结构等影响到生物膜的性状和水力学特性,是决定生物接触氧化工艺处理效果的关键因素。

本文分别选取了悬挂式填料和悬浮式填料各2种填料,分别从COD与(NH_{3}-N\)的去除、充氧效率和出水浊度等方面对各种填料处理城市污水进行了比较研究。

实验结果表明,悬挂式填料具有挂膜快、处理效果稳定,受环境变化影响较小;悬浮式填料受气水作用能够悬浮转动而具有较强的布水、布气功能:生物量的差异导致悬浮式填料和悬挂式填料处理效果和充氧效率不同.悬浮式填料生物膜容易脱落导致系统受负荷冲击时生物量流失而处理效果变差;软性填料生物膜容易板结成球,容易导致其处理效果降低。

生物接触氧化法兼有活性污泥法和生物膜法的特点,具有管理简单、耐冲击负荷和处理效果稳定等优点。近年来,随着生物填料的不断改进和创新,生物接触氧化技术已在我国得到越来越多的应用。

生物接触氧化法的核心部分为生物填料,它是生物膜的载体,污水净化过程就是附着于填料之上以及悬浮于填料之间的微生物的新陈代谢过程。填料的特性对生物膜的性状、氧的利用率和水力分布条件等起重要作用,是直接影响生物接触氧化工艺处理效果的关键因素。

目前市场上的生物填料在材质、类型、规格和价格方面千差万别,至今为止 对各种类型的生物填料的废水处理性能进行过客观评价的研究较少,人们在选用生物填料时缺乏有力的客观依据。

本研究选取2种悬挂式和2种悬浮性共4种具有代表性的市售填料,分别从COD与NH_{3}-N的去除、充氧效率和出水浊度等方面对各种填料在相同 运行条件下的城市污水处理效果进行了比较研究, 以期为水处理工程设计中填料的选择以及新型高效生物填料的研制开发提供依据。

1实验材料、流程及方法

1.1实验材料

1.1.1原水

本实验在北京市高碑店污水处理厂进行,实验用水直接来源于初沉池出水,其水质平均结果为: \(BOD,\) :94 mg/L:COD:170 mg/L; \(NH_{3}\) -N:33 mg/L;浊 度:77 NTU｡

1.1.2 填 料

本实验选用了4 种填料,其中悬挂式填料为2 种组合软性纤维填料( 介于软性纤维填料和半软性 纤维填料之间) ,悬浮式填料为2 种填充式网状球 形悬浮填料:,1,5o mm 及6 100 mm,其中6 100 mm 的 填料内部装有能够旋转的活页,,1,5o mm 的填料内 部填充有宽度为1 am 的塑料带｡4 种填料的理化 性能如表1 所示｡

1.1.3 反应器

接触氧化池采用曝气池与沉淀池一体式的反应 器,反应器用PVC 材料加工而成｡反应器外观尺寸 为660 ×360 ×650 mm,其中曝气池有效体积为91 L, 沉淀池的有效容积为16.5 L｡实验中4 套反应器同 时运行,其编号分别为A ､B ､c 和D,其中的生物填料 分别为:A :悬浮性填料( 50mm) ;B :悬浮性填料 ( 6100 mm) ;C､D:组合软性纤维填料( 图1) ｡

1.2 处理工艺流程

首先,原水进入储水槽,通过进水泵进入高位水箱｡利用水位差以自流方式进入各反应器,然后,处理后的出水通过导流板由沉淀池底部进入沉淀池, 最终｡出水由溢流堰排出｡

采用PVC穿孔管进行穿孔曝气｡曝气池的进水和供气均由反应器底部进入,其流量分别由液体流量计和气体流量计控制｡ 考虑到目前对于悬浮填料没有一个确定的填充密度及组合软性填料的特点｡同时,为了分别考察悬浮填料之间和悬挂式填料之间的性能对比,各填料填充密度均设置10kg / m^{3}。

1.3 指标及实验方法

实验中选取的监测指标及方法如表2 所示｡

2 实验启动

本实验采用不接种污泥､连续进水､自然挂膜的 方式启动｡首先以高负荷连续进水约10d,然后降低进水负荷进行硝化菌的培养､驯化;当NH_{3}-N的去除率>60%后,结束启动运行,进入实验运行阶段｡实验运行采用由低到高逐步提高水力负荷的方 式进行｡实验期间水温变化范围在18 ~27℃之间｡

3 结果与讨论

3 .1 有机物的去除

4种不同填料对COD 的去除情况如图2所示｡ 在近60d的运行期间,水力停留时间( HRT ) 由刚开始的7 h,在第13 d 缩短到6 h,在第33 d 降到5 h｡

实验结果表明,在上述HRT 范围内,水力负荷对各 反应器COD 去除性能的影响不明显｡

整个运行期 间,各反应器出水COD虽有一定的波动,但均不高于60mg/L｡A ､B ､C ､D 4 种反应器的出水COD平 均分别为44 ､39 ､25 ､25mg/L｡使用半软性填料D的反应器表现出最佳的稳定性和COD去除性能,半软性填料C具有和D相当的去除有机物性能;尽管 悬浮填料具有较低的比表面积,但是其去除有机物 的性能良好,出水水质略低于软性填料｡总之｡悬浮填料之间和组合软性填料之间分别具有相当的去除有机物性能｡

3.2  NH_{3}-N的去除

进出水NH_{3}-N的变化如图3所示。进水 \(NH_{3}\) N 的浓度在27 ~40 mg/L 之间时,水力负荷的变化 对 \(NH_{3}-N\) 对NH一N 的去除造成了一定的影响｡

这种影响主要表现在变化的最初几天里,出水 \(NH_{3}-N\) 浓度增加,A和B两种悬浮性填料出水浓度增加幅度大,持 续时间长,但是软性填料明显优于悬浮填料,其中软性填料D性能最好｡特别是当HRT缩短到5h以后,除软性填料D以外,设置其他填料的反应器出水均有不同程度的 \(NH_{3}-N\) 残留。

综合COD和 \(NH_{3}-N\) 的去除效果比较可以看 出,悬挂式填料反应器要优于悬浮式填料反应器｡

造成这一差别的主要原因是2种填料具有不同的比表面积和材料本身对微生物的亲和作用不一样导致其上生长的生物量的不同｡

悬挂式填料上有大量细纤维丝,它们对微生物具有很好的吸附作用,因此反 应器内能够保持较多的生物量,而悬浮式填料比表面积小且本身对生物的亲和作用差,其上生长的生物膜容易脱落,反应器内生物量较少｡

从实验结果可以看出,2种悬浮式填料尽管直径相差1倍,它们在COD和 NH_{3}-N的去除效果以及稳定性方面并没 有表现出明显的差别｡但是,软性填料D处理性能却比软性填料C要好,主要原因可能软性填料C更容易板结形成泥球,使得填料有效比表面大幅降低, 而半软性填料因为纤维丝被强制性地分布于塑料圆环上,没有类似的泥球形成,微生物与氧气和废水的接触比较充分｡

3 .3 充氧效率

填料的布气和二次布水能力关系到运行期间的能耗问题,是重要特性之一,因此,对4 个反应器的 充氧效果也进行了初步评价｡

在反应器运行条件相同,即控制相同的水力负荷､曝气量和曝气管的布置 方式的条件下,监测反应器出口的溶解氧( DO ) ,其 结果如图4 所示｡

装有悬浮性填料的反应器DO 明显高于半软性填料和软性填料,氧的充氧效率由高 到低依次为: \(B>A>D>C\) 。

B填料中装有能旋 转的活页,具有很强的布气､布水能力,但B 受反应 器空间限制无法在反应器内悬浮混合;尽管A 内没 有旋转的活页,但A 填料在水体中混合漂浮也强化 了气液接触效果｡

实验期间可明显观察到装有悬浮 性填料的反应器中的气泡比软性和半软性填料反应 器中的气泡小,且更均匀｡

软性填料A 中心的塑料 圆环具有一定的布水､布气作用,其反应器内溶解氧 明显高于软性填料 B 由于悬浮填料比表面积小和 生物膜容易脱落,导致其反应器内生物量明显低于 软性填料,而高生物量必然需要消耗更多的氧气,因 此可以认为,生物量的不同是造成悬浮式填料和组 合软性填料充氧效率不一致的缘故｡

3 .4 出水浊度

各反应器进出水的平均浊度结果为:进水:77.1 N T U ;

A :12.6N T U ;   B :14.1N T U ;   C :6.78N T U ;   D :3 .6 N T U ｡

4个反应器对进水浊度均表现出较高的去除效 果,这与生物接触氧化反应器对悬浮性物质的物理 截留､吸附和生物降解作用有关｡

2种悬挂式填料的出水浊度明显低于悬浮性填料,其中半软性填料 对浊度的去除效果最好,说明半软性填料上生物膜 脱落后具有优良的絮凝沉降性｡

悬浮性填料由于在水中不停地运动,其上所附着的生物膜容易脱落,生物膜絮凝性能较差,对污染物的捕捉能力弱,这可能 是导致悬浮性填料的出水浊度较高的原因｡

4 结 论

( 1) 悬挂式填料具有挂膜快､处理效果相对稳 定,受环境变化影响较小,其中组合软性填料D 的 处理效果和充氧效率优于软性填料C;悬浮式填料 受气水作用能够悬浮转动而具有较强的布水､布气 功能,其中悬浮式填料B 处理效果和充氧效率优于 悬浮式填料A ｡

( 2 ) 生物量的不同是造成悬浮式填料和悬挂式 填料处理效果和充氧效率不同的主要原因,悬浮式 填料生物膜容易脱落是系统受负荷冲击时生物量流 失导致处理效果变差的一个原因｡

( 3 ) 组合软性填料c 生物膜容易板结成球,因 而单位填料上好氧微生物量减小,导致其处理效果 相对较差;组合软性填料D 的中心塑料圆环具有一 定的布水､布气作用,这与其充氧效率相对较高 有关｡

( 4 ) 今后,应该进一步增加悬浮式填料的填充 密度或相对降低悬挂式填料的填充密度,确定各类 填料合适的填充率,为进一步评价比较悬浮式填料 和悬挂式填料的处理性能提供依据｡同时,应该从微生物群落结构上对生物填料进行评价,为定向开 发生物填料提供依据｡

李晓晨 吴成强 杨敏 张君枝 张雅景 周军   环境污染治理技术与设备