溫瑛

　　【摘要】 本文對常溫下爐渣填料厭氧濾池處理中等濃度有機廢水的工藝進行了探討。試驗結(jié)果表明，該工藝具有啟動快、處理效果好、抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點，而且填料價格便宜，運行費用低，雖存在堵塞問題，但可通過定期反沖洗解決，值得進一步研究和推廣。
　　【關(guān)鍵詞】 厭氧濾池 顆粒填料 爐渣填料

1 前言

　　厭氧濾池（AF）是一種很有發(fā)展前途的廢水厭氧處理工藝，國內(nèi)外不少研究者將它與另一種很有前途的反應(yīng)器UASB進行過比較，結(jié)果表明，在處理中等濃度有機廢水時兩種反應(yīng)器各種性能相匹敵，去除效果相當(dāng)，而且AF管理簡便，是比較適合我國目前運行人員水平的一種處理工藝。
　　選擇填料時考慮的重點是反應(yīng)器的經(jīng)濟性和良好的去除效果。填料的價格在厭氧濾池的投資中占有相當(dāng)大一部分比例，人工填料價格總是比較昂貴。目前我國用于環(huán)保的資金有限，廉價的填料有利于使有限的資金發(fā)揮更大的作用。通過對各種類型填料優(yōu)缺點的分析認為，從經(jīng)濟角度看，粒狀填料最合適。雖然它有堵塞的可能性，但可以通過反沖洗等方式加以避免和減輕。
　　本研究主要探討了爐渣作為厭氧濾池填料處理中等濃度有機廢水的可行性，對試驗裝置的性能進行了初步研究。

2試驗裝置與試驗方法

2.1 試驗裝置
　　圖1是試驗裝置的工藝流程示意圖。厭氧濾池主要設(shè)計參數(shù)見表1。在濾柱上沿高度有6個取樣口。試驗用的爐渣填料基本物理參數(shù)見表2，在濾柱中裝填高度為800mm。試驗廢水為人工配制葡萄糖廢水，整個試驗過程中反應(yīng)器均在常溫下運行。

厭氧生物濾池主要設(shè)計參數(shù) 表1 名 稱 高 度（mm） 內(nèi) 徑（mm） 有效容積（L） 填料區(qū) 800 100 6.28 膨脹區(qū) 400 100 3.14 澄清區(qū) 250 150 3.53 總 計 12.95

爐渣填料基本物理參數(shù)　　表2 填料名稱 粒度范圍
(mm) 比重
（g/cm³） 堆積容重
(g/cm³) 空隙度
(%) 比表面積
(m²/g) 爐渣 2.1～4.0 2.70 0.832 69.4 18.4

2.2 試驗方法
　　試驗分為啟動階段和穩(wěn)定運行階段，其中穩(wěn)定運行階段包括變負荷運行期及變溫度運行期。本文中進水負荷均指填料有機負荷，水力停留時間HRT均指填料區(qū)空池HRT。
　　啟動階段采用的接種污泥是北京酒仙橋污水廠雙層沉淀池的消化污泥，污泥VSS／SS＝37％，最大COD比去除率為0.64kgCOD／kgVSS.d。投放入濾柱的VSS約100g，相當(dāng)于污泥濃度為16.1kgVSS／m³。啟動階段維持進水負荷約0.526kgCOD／m³.d，出水PH值控制在6.5～7.5之間。靜置2天后連續(xù)進水，一周后即可觀察到填料表面有黑色粘膜狀物質(zhì)——生物膜生成。投泥后第12天濾柱C0D去除率即達到60.4％并穩(wěn)定上升。至此認為啟動完成。啟動過程維持堿度在1000mg／l左右（以CaCO₃計），水溫變動于14～18℃。
　　濾池啟動完畢后，進入穩(wěn)定運行階段，水溫變化在22～27℃之間。先后改變水力停留時間、進水C0D濃度等，以考察不同有機負荷下濾池處理效果。該部分試驗共運行了122天。然后進行了水溫變化的影響試驗。維持進水負荷在4.5kgCOD／m³.d左右，水溫從26℃逐漸降到12℃以下，考察溫度變化對濾池效果的影響。該部分試驗共進行了50天。
　　濾柱正常運行過程中，系統(tǒng)堿度維持在800～1200mg／l（CaCO₃計）范圍。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果
　　圖2是反應(yīng)裝置變負荷運行期試驗結(jié)果。
3.2 結(jié)果分析
3.2.1 填料對啟動的影響
　　廢水厭氧生物處理出現(xiàn)的主要問題之一是啟動過程常難以控制，而在本試驗中，即使是在14℃左右的低溫下，啟動過程僅用了12天就完成了。爐渣是一種人工熔巖，孔隙發(fā)達，比表面積極大，能夠促進微生物在其上有效地附著。其次，爐渣中含有氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂等多種礦物質(zhì)，當(dāng)廢水流經(jīng)填料時，填料中的二價陽離子有助于厭氧污泥的吸附絮凝，促進了微生物在反應(yīng)器中的停留，對啟動過程產(chǎn)生了有益的影響。
3.2.2 有機負荷、進水濃度、HRT對處理效果的影響

　　圖3體現(xiàn)了不同負荷Nu下濾池COD去除率變化情況。從圖中曲線可以看到，在25℃的反應(yīng)溫度下，隨著負荷的提高，濾池去除效率逐漸下降。在進水負荷小于4.0kgCOD／m³.d時，去除率大于80％，出水COD小于500mg／l。在設(shè)有城市污水處理廠的地區(qū)，這樣的出水COD值已經(jīng)符合“污水排放下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”（CJ18－86）中要求。

　　一般認為基質(zhì)降解的動力學(xué)遵循一級反應(yīng)關(guān)系，即dC／dt＝－KC，或者寫成ln（Ce／CO）＝－K＇／Nu。圖4是不同有機負荷下ln（CO／Ce）～1／Nu關(guān)系曲線。從圖中可以看出，本試驗中COD去除率以5.0kgCOD／m³.d為限，在高、低負荷時具有各自的規(guī)律，得到兩條直線。為了獲得比較高的去除負荷（即較大的K’值），厭氧濾池的設(shè)計負荷宜采用5.0kgCOD／m³.d以上。但負荷提高，去除率則降低，因此在運轉(zhuǎn)中，最好根據(jù)實際需要選擇合適的進水負荷。
　　圖5直觀地反映了進水濃度對去除率的影響：在相同HRT條件下，進水濃度越高，去除率越低。而且當(dāng)進水濃度較?。–OD＜2000mg／l）時，濃度變化的影響不很顯著，但當(dāng)進水COD＞4000mg／l后，這種影響則很明顯。試驗同時表明，用2－4mm 粒徑爐渣作填料時，進水C0D似乎不宜大于7000mg／l， 因為發(fā)現(xiàn)在這種濃度下，生物量增長極快，很快就引起濾池堵塞，不得不縮短反沖周期，影響生物膜的良好生長，而且容易導(dǎo)致酸化現(xiàn)象。
　　圖6反映出，對不同的進水濃度，HRT的影響程度不一樣。當(dāng)進水COD小于2000mg／1，HRT大于10hr時，HRT的變化對去除率影響很??；當(dāng)進水COD為4000mg／l，HRT只在大于16hr后，其影響力才減弱。此后的HRT只意味著攪動混合條件。姑且稱這個轉(zhuǎn)折點為“有效HRT”。進水濃度越高，有效HRT值越長。當(dāng)HRT小于有效值時，其對處理效果的影響力是相當(dāng)顯著的。
3.2.3 沖擊負荷對處理效果的影響
　　試驗采取兩種方式改變負荷：提高HRT及提高進水COD值。當(dāng)保持HRT不變，負荷由4.481提高到9.915kgCOD／m³.d并持續(xù)一段時間，測得出水COD值基本上沒有變化。保持進水COD不變，改變HRT使負荷由4.50提高到8.99kgCOD／m³.d時，出水COD值僅提高了20％。一旦進水負荷恢復(fù)，出水COD值迅速回復(fù)到原來水平。試驗同時也表明，雖然濾池能忍受短時間的負荷突變，但若持續(xù)時間過長，會產(chǎn)生不利影響，系統(tǒng)中有機酸濃度迅速上升，PH值降到5以下，甚至引起不可逆轉(zhuǎn)的破壞作用。
　　總結(jié)試驗可得出結(jié)論：顆粒填料厭氧濾池能忍受短時間的負荷沖擊，而且更能忍受由于濃度變化引起的負荷沖擊。在工藝設(shè)計時，若能設(shè)置水量調(diào)節(jié)池，將有益于濾池的穩(wěn)定運行。
3.2.4 PH值對處理效果的影響
　　本試驗中當(dāng)濾柱穩(wěn)定運行時，系統(tǒng)PH值基本保持在7.0～7.6之間。當(dāng)系統(tǒng)PH小于6.5時，產(chǎn)甲烷菌的生長受到了抑制，而產(chǎn)酸菌活性仍很旺盛，PH值很容易會繼續(xù)降到5以下，使系統(tǒng)遭到破壞。因此在濾池運行中，建議保持系統(tǒng)PH在7.0～7.6之間，即在中性偏堿環(huán)境下工作。
　　從試驗經(jīng)驗看，穩(wěn)定運行的系統(tǒng)內(nèi)PH主要受進水負荷影響。圖7a大概地表示出了進水負荷與PH的關(guān)系。隨著進水負荷增大，系統(tǒng)PH值逐漸降低，但速度比較緩慢，看來反應(yīng)器能夠適應(yīng)一個比較寬的負荷范圍。另外負荷突變對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也在PH值上表現(xiàn)出來。試驗中幾次負荷突變時都觀察到PH下降的現(xiàn)象，突變過后PH值一般能很快恢復(fù)正常。相比之下，系統(tǒng)PH值與進水PH關(guān)系較小，見圖7b。試驗中當(dāng)濾池正常運行時，進水PH即使低至4.6，系統(tǒng)內(nèi)PH仍能平衡在6.9～7.2，說明系統(tǒng)已經(jīng)形成了良好的緩沖體系。
3.2.5 溫度對處理效果的影響
　　從圖8曲線變化看，當(dāng)環(huán)境溫度高于20℃時，有機物去除率較高，而且溫度對去除效果的影響開始變得平緩。當(dāng)溫度低于18℃時，處理效果隨溫度的降低急劇下降。這說明如果能保持濾池水溫在20℃以上，反應(yīng)器的處理效果比較好，而且溫度對濾池去除率的影響將退至次要地位。

3.2.6 濾池的反沖洗
　　由于生物體的增長和懸浮物的穿透，濾池會逐漸發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要進行反沖洗，以去除引起堵塞的生物膜和懸浮物。試驗中根據(jù)出水C0D值增高，超出預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來決定進行反沖洗。根據(jù)試驗中反沖操作情況，濾池的反沖周期與進水濃度有很大關(guān)系，進水濃度高，微生物增長快，則反沖周期短。本試驗粒徑下當(dāng)進水COD小于2000mg／l時，反沖周期一般為31天左右；進水濃度約4000mg／l時，反沖間隔為21天；而當(dāng)進水濃度提高到6552mg／l后，反沖間隔縮短到12天。過于頻繁的反沖洗可能導(dǎo)致微生物大量流失，使系統(tǒng)活性降低過于劇烈而難以恢復(fù)。反沖完后的濾池一般可在一天內(nèi)恢復(fù)正常工作。
3.2.7 厭氧濾池微生物的觀察
　　根據(jù)電鏡觀察可以初步得到以下幾點結(jié)果：
　?、?由于進水為人工配制廢水，基質(zhì)成分比較單一，故反應(yīng)器底部細菌形態(tài)比較簡單，桿菌在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢。反應(yīng)器上部細菌形態(tài)比較豐富，桿菌、球菌、絲狀菌的數(shù)量都比較多，沒有明顯的優(yōu)勢菌種。這是由于隨著高度的增加，經(jīng)過細菌的代謝活動形成了多種中間產(chǎn)物及終產(chǎn)物，使基質(zhì)組分多樣化，從而導(dǎo)致菌種的多樣化。
　?、?從細菌數(shù)量上來看，底部生物膜厚度明顯大于上部生物膜厚度，因此反應(yīng)器底部對基質(zhì)的去除率更高。同時還觀察到，背水流方向的載體表面生物膜生長情況好于向水流方向上的生物膜，可能由于向水流方向上受到水的剪切力比較大，使生物膜容易脫落。
　?、?反沖洗雖然將大部分細菌沖走，但在填料表面還存在有相當(dāng)數(shù)量的細菌和被沖斷的絲狀菌片斷，有些地方還存在著整塊的生物膜。將填料剖開進行電鏡觀察，可以看到爐渣填料內(nèi)部有大量空隙，而且這些空隙多數(shù)是與外界相通的，即爐渣填料的有效空隙率接近總空隙率。在空隙中殘留有較多的微生物。因此反沖后載體表面的生物膜能夠很快恢復(fù)原來的數(shù)目，反應(yīng)器能在較短的時間內(nèi)恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)效果。但由于厭氧菌生長速度比好氧菌慢得多，因此厭氧反應(yīng)器的反沖頻率不能夠象好氧反應(yīng)器那么高，否則載體上生物膜將難以恢復(fù)。
　　④ 反應(yīng)器停止運行一段時間后，由于缺少養(yǎng)料，載體表面生物膜會逐漸脫落，細菌活性降低。但從觀察結(jié)果看，殘存的細菌數(shù)量仍然比較多，而且優(yōu)勢菌種與反應(yīng)器正常運轉(zhuǎn)時一致，說明停料后反應(yīng)器中只是細菌數(shù)量減少了。因此，只要停料時間不是太久，重新啟動一般不需要特殊措施，反應(yīng)器很快就能恢復(fù)正常性能。

4 結(jié)論

　　通過以上利用葡萄糖配水所進行的試驗研究，主要得到以下幾點結(jié)論：
　?、?爐渣填料比表面積極大，有利于微生物生長，可以加快厭氧濾池的啟動速度。
　?、?常溫下利用爐渣填料厭氧濾池處理中等濃度有機廢水，去除效率比較高。
　?、?常溫條件下爐渣填料厭氧濾池能夠穩(wěn)定運行，運行環(huán)境最好能保持在25℃左右。
　　④ 用爐渣填料厭氧濾池處理有機廢水，正常運行后進水PH值可以低至4.5左右。
　?、?由于爐渣填料形狀不規(guī)則，表面多孔隙，而且內(nèi)部孔隙多與外界相通，附著微生物量很大，反沖洗后仍可以保持有相當(dāng)數(shù)量的微生物，因此可以迅速恢復(fù)正常工作。

參考文獻
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