張萬友¹　王德英¹　呂洪濱²　包海峰²　張俊貞³　劉景明⁴
(1.東北電力學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，吉林 吉林市 132012；2.吉林市天源水處理工程有限公司，吉林　吉林市　132013；
3.天津大學(xué)　環(huán)境工程研究所，天津　300072；4.吉化公司污水處理廠，吉林　吉林市　132032)

　　摘　要：研究開發(fā)了一種新型好氧生物膜過濾裝置，能有效地降低污水中的COD_Cr、BOD₅、NH₃-N和SS等。二級處理后出水再經(jīng)該裝置處理后，水質(zhì)達(dá)到《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 25.1—1989)，有顯著的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。
　　關(guān)鍵詞：污水深度處理；　好氧生物膜過濾器；　生物脫氮
　　中圖分類號：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2000)05-0008-04

Study on Aerobic Attached Biofilm Filtration Device

ZHANG Wan-you，WANG De-ying
（Depart.of Applied Chem.Eng.,Northeast Electric Eng.Institute,Jilin 132012,China;）
LU Hong-bin，BAO Hai-feng
（Tianyuan Wastewater Treatment Eng.Co.Ltd.,Jilin 132013,China;）
　ZHANG Jun-zhen
（Environ.Eng.Research Institute,Tianjin Univ.,Tianjin 300072,China；）
LIU Jing-ming
（Wastewater Treatment Plant,Jilin Chem.Eng.Co.,Jilin 132032,China)

　　Abstract：A new aerobic biofilm filter with fibrous carrier was developed for treatment of secondary effluent. Pollutants such as COD_Cr, BOD₅, NH₃-N and SS could be removed effectively with this device. The treated effluent could meet the Miscellaneous Domestic Water Quality Standard (CJ 25.1—89). The development of this device has significant social, environmental and economical benefits.
　　Keywords:　advanced treatment of wastewater;　aerobic attached biofilm filter;　biological nitrogen removal

1　好氧生物膜過濾裝置的開發(fā)

1.1　填料的選擇
　　目前，常用的填料有：蜂窩管狀填料，軟性、半軟性纖維填料，立體波紋填料，石英砂、陶粒等硬性填料。從理論上講，石英砂與陶粒等硬性填料的來源、價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等方面條件優(yōu)越，但與軟性、半軟性填料相比，其孔隙率低、比表面積小、表面吸附能力差，使其截污能力受到限制，而且填料間孔隙率小、水流阻力大、水頭損失增長快、過濾周期短、易于堵塞，所以在產(chǎn)水量和出水水質(zhì)方面都比不上軟性填料。選用這些填料，生物膜生長后易結(jié)成球狀，減小填料的比表面積，產(chǎn)生厭氧膜。為避免這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，研究開發(fā)了一種新型軟性填料，它是經(jīng)過特殊處理的合成纖維，其比表面積大大增加，提高了孔隙率，纖維的直徑在幾納米之內(nèi)，在國內(nèi)尚無報(bào)道。這種新型軟性纖維與石英砂的參數(shù)對照見表1。

表1　新型軟性纖維與石英砂的參數(shù)對照表 項(xiàng)　目 纖維絲 石英砂 直徑(μm) 20　　　　　　　　　　　　　　　　　50 850 孔隙尺寸(μm) 3.2～59.1　　　　　　　　　　8.1～148.3 136 比表面積(m²/m³) 20 000～200 000　　　　　　　8 000～9 000 4 926 濾池截流量(kg/m³) 5～10 1～1.2(快濾池)　10～15(多層濾池) 濾池空隙率(%) 70～90 40

　　表2給出了新型軟性纖維填料與國內(nèi)常用填料的性能參數(shù)。該填料還具有一些特點(diǎn)：

表2　新型改性軟性纖維填料與國內(nèi)常用填料的性能參數(shù) 項(xiàng)目名稱 布水布?xì)? 掛膜 運(yùn)輸 堵塞 比表面積(m²/m³) 空隙率(%) 成品重量(kg/m³) 參考價(jià)(元/m³) 陶粒等硬性填料 較差 較易 易損耗 較易 110～208 98～99 23～42 270～420 蜂窩填料 較差 較易 易損耗 較易 100～200 98～99 40～50 450～700 盾狀填料 較好 易 方便 不易 1 000～2 500 98～99 　 150～250 立體波紋填料 較差 較易 易損耗 較不易 110～200 90～96 2.6～3.6 450～550 半軟性填料 好 較易 方便 不易 87～93 97 11～16 250～300 普通軟性填料 較差 易 方便 易結(jié)球 1 400～2 400 ＞90 1.5～3.0 70～80 新型改性
軟性纖維填料 較好 易 方便 不易結(jié)球 8 000～9 000 ＞90 　 70～80

　?、佟”砻娲植冢休^強(qiáng)的生物膜附著性；
　?、凇⌒螤钜?guī)則、尺寸均一，水氣在填料間流速均勻；
　　③　布水、布?xì)饩鶆?，水流流態(tài)好，有利于傳質(zhì)；
　?、堋〗匚勰芰?qiáng)，對微生物的增殖無抑制作用，不溶出有害物，不會引起二次污染；
　　⑤　質(zhì)輕、強(qiáng)度大，化學(xué)和生物穩(wěn)定性好，經(jīng)久耐用。
　　這些特性正是生物膜處理中載體材料所力求具備的。
1.2　裝置的結(jié)構(gòu)
　　好氧生物膜過濾器是裝置的核心，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1.3　裝置的特點(diǎn)
　　該生物膜過濾器與其他生物膜法相比，具有如下特點(diǎn)：
　?、佟馑樍飨蛏?，有利于氣水較快地混合和布水均勻。避免了氣水逆向流時(shí)水流速度和氣流速度的相對抵消而造成能量的浪費(fèi)和容易堵塞，也避免了上部污水濃度高、溶解氧低，而下部污水濃度低、溶解氧高的現(xiàn)象。
　　②　在底部一定位置上曝氣，不僅供氧充足，還對生物膜起攪動作用，從而加快生物膜的更新，并提高其活性；空氣的攪動還可加快細(xì)菌表面介質(zhì)的更新，增強(qiáng)傳質(zhì)效果，加快生物代謝速度，縮短處理時(shí)間。
　?、邸夂退樍飨蛏隙加欣谏锬さ拿撀浜统两?，避免生物膜重新自溶且增大了COD容積負(fù)荷。
　?、堋⌒滦蛙浶蕴盍媳缺砻娣e大、孔隙率高，故單位體積附著的生物種類多、生物量大，也大大提高了其容積負(fù)荷，增大了基質(zhì)的去除率。填料在氧化區(qū)內(nèi)松散而均勻的布置，使生物膜生長得密實(shí)而均勻，且有利于氣泡的破碎，提高了充氧效率，加快了有機(jī)物的氧化速度。填料上下固定，可避免氣水的沖擊而造成填料結(jié)團(tuán)、堵塞。此外，新型軟性填料與接觸氧化工藝的結(jié)合，有利于絲狀菌及其他貧營養(yǎng)性微生物的生長，可提高對低濃度污水的處理能力。
　?、荨≡摴に囘€具有一般生物接觸氧化法所具有的共性：介質(zhì)靜態(tài)、運(yùn)行能耗低、管理方便；介質(zhì)完全淹沒、避免夏季膜干化；填料比表面積大、尺寸小。
　?、蕖∵M(jìn)一步減少了反應(yīng)器的體積。

2　試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

2.1　試驗(yàn)流程及處理水量
　　試驗(yàn)系統(tǒng)由地面貯水箱(污水和清洗水貯水箱)、高位水箱、水泵(提升泵和管道泵)、空氣壓縮機(jī)、生物膜過濾器等單元組成。試驗(yàn)裝置流程如圖2所示，處理水量為11 m³/h。

2.2　試驗(yàn)水質(zhì)及評價(jià)
　　試驗(yàn)用水取自吉化污水廠的二級處理出水，水質(zhì)見表3。

表3　試驗(yàn)水質(zhì) NH₃-N
(mg/L) COD
(mg/L) BOD₅
(mg/L) DO
(mg/L) SS
(mg/L) 濁度
(NTU) pH 顏色 1～30 80～
170 10～17 ＜2 80～
200 80～
200 7.2～7.6 淡紫

　　對原水分析結(jié)果，BOD₅/COD＝0.06～0.213，說明試驗(yàn)所用原水可生化性很差。
2.3　掛膜與馴化
　　為了加快掛膜的速度，采用排泥掛膜法。以吉化污水廠的活性污泥為微生物的接種液，與污水一起泵入氧化床內(nèi)，通氣悶曝18 h后靜沉，排出2/3上清液，通入待處理水再悶曝18 h后排掉床內(nèi)所有的污水和懸浮物、沉降污泥，然后再連續(xù)進(jìn)污水和壓縮空氣，進(jìn)水量從320～400 L/h開始后，每隔3～4 h(后期時(shí)間間隔可縮至為2 h)增加80～120 L/h，逐漸增加到900～1 000 L/h，空氣量控制在12～15 m³/h，同時(shí)監(jiān)測進(jìn)、出水的COD值，并算出COD的去除率，直至掛膜成功為止。掛膜時(shí)間共4 d。
　　掛膜前后，纖維表面有明顯的變化。掛膜前纖維潔白，掛膜后纖維表面附著生物膜，為土黃色，曝氣效果不好的地方為黑色。
2.4　污水深度處理效果
　?、佟OD_Cr：原水COD_Cr值為80～170 mg/L，經(jīng)過成膜初期后，出水COD_Cr為30～50 mg/L，去除率最高可達(dá)70%。
　?、凇S：原水SS為80～200 mg/L左右，出水可達(dá)8～20 mg/L，去除率最高可接近90%。
　?、邸OD₅：原水BOD₅為10～17 mg/L，出水為1～1.5 mg/L，去除率接近90%，這是裝置的顯著特點(diǎn)之一。
　?、堋H₃-N：原水NH₃-N在1～30 mg/L之間變化，出水可控制在0～3 mg/L之間，去除率最高可達(dá)100%，平均為93.4%。
　　⑤　生物膜均勻，脫落時(shí)沉降快、分離性能好、塊大，沒有污泥流失現(xiàn)象。

3　討論

3.1　供氣方式和氣水比
　　原水的溶解氧含量極低(＜2 mg/L)，很難滿足高密度微生物所需，故向好氧生物膜過濾器內(nèi)供給一定量的空氣，但布?xì)鈶?yīng)力求均勻，氣泡小而密；相反布?xì)獠痪鶆颍瑲馀荽?，氣量波動時(shí)易使生物膜脫落。
　　當(dāng)氣水比達(dá)到10∶1時(shí)，COD去除率達(dá)最大值為89.9%，而后隨著氣水比的繼續(xù)增加，COD去除率反而下降，這是因?yàn)槌渥愕难跄芗铀傥⑸锝到庥袡C(jī)物的速度，從而增加凈化效果和產(chǎn)水量，但供氣量過高時(shí)，較大的氣流將生物膜吹落，反而使出水COD和濁度增高，因此COD去除率反而下降，凈化效果變差。這一點(diǎn)在生物接觸氧化法處理酵母廢水和制革工業(yè)廢水中都得到證明^［1］。
　　綜合考慮各因素，試驗(yàn)采用的氣水比為8∶1～10∶1。
3.2　水力負(fù)荷
　　試驗(yàn)在氣水比為8∶1～10∶1的情況下，對不同水力負(fù)荷下的COD及NH₃-N進(jìn)行了測試。從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水力負(fù)荷與COD去除率呈非線性關(guān)系，而當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷一定時(shí)，剩余COD與水力負(fù)荷近似成正比例直線關(guān)系。
3.3　pH值
　　pH值的大小直接影響硝化菌的生理?xiàng)l件，隨著硝化的進(jìn)行，pH急劇下降；而硝化菌對pH值十分敏感，亞硝酸菌和硝酸菌分別在pH為7.0～7.8和7.7～8.1時(shí)活性最強(qiáng)，pH超過此范圍則活性急劇下降，極大地降低了有機(jī)物和NH₃-N的去除率，國內(nèi)外眾多學(xué)者通過大量實(shí)驗(yàn)證明，硝化反應(yīng)最佳pH值應(yīng)控制在7.0～8.5之間。
　　對于好氧接觸氧化法的其他微生物，其生長適宜環(huán)境也多為中性或弱堿性，所以控制進(jìn)水pH值在6.5～9.5較有利于好氧膜的發(fā)展。
　　試驗(yàn)pH值控制在7.0～7.5，同時(shí)對生物膜過濾器不同深度的pH值變化做了測試，其結(jié)果表明：原水進(jìn)入生物膜過濾器后pH值下降，隨著氧化區(qū)的深度增加，pH值逐漸上升，直到出水pH值大于進(jìn)水。這是因?yàn)樵谏锝佑|氧化過程中，硝化反應(yīng)產(chǎn)生H⁺使pH值下降，但是強(qiáng)烈的曝氣使原有的CO₂及有機(jī)物氧化產(chǎn)生的CO₂不斷從水中逸出，碳酸平衡(CO₂+H₂OH₂CO₃HCO^-₃+H⁺CO²⁺₃+2H⁺)左移，又使pH值上升。
3.4　溫度
　　溫度不僅影響微生物群體的代謝活性，而且顯著影響氣體的轉(zhuǎn)移速率及生物固體的沉降特性，有關(guān)資料表明，生物接觸氧化的生物膜主要由室溫性微生物所構(gòu)成。試驗(yàn)中水溫在5～20 ℃，為微生物生長繁殖的最佳溫度，故去除率較高。
3.5　運(yùn)行周期與清洗
　　當(dāng)出水水質(zhì)達(dá)不到處理要求時(shí)即可視為運(yùn)行到周期，需通過清洗經(jīng)再生更新生物膜，恢復(fù)較高的處理效果。對于吉化污水廠的二級處理出水，運(yùn)行周期為5～6 d。

4　結(jié)論

　　新型好氧生物膜過濾裝置經(jīng)過兩個(gè)多月試運(yùn)行的結(jié)果表明，該裝置具有以下特點(diǎn)：
　?、佟炷r(shí)間短，膜厚且均勻，并克服了傳統(tǒng)方法的污泥堵塞問題。
　?、凇≌嫉孛娣e小，處理效率高。
　?、邸Φ蜐舛鹊奈鬯泻芨叩娜コ?。
　?、堋Π钡酗@著的去除效果。
　　⑤　不產(chǎn)生污泥膨脹，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。
　?、蕖∥勰喑两敌院托跄院茫子诜蛛x。
　?、摺√幚碇芷陂L，失效后經(jīng)氣水清洗，恢復(fù)處理能力速度快，易于操作管理。
　?、唷《壧幚砗蟪鏊?jīng)本裝置處理后，滿足我國《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 25.1—1989)。

參考文獻(xiàn)：
［1］　玉莉等.生物接觸氧化法處理酵母廢水研究［J］.工業(yè)水處理，1992，12(3).

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基金項(xiàng)目：吉林省科技攻關(guān)項(xiàng)目(962801-1)

作者簡介：張萬友(1957-　)，男，吉林人，東北電力學(xué)院副教授，碩士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生，研究方向：水處理工程。
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收稿日期：2000-01-10