謝曙光， 張曉健， 王占生
(清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系， 北京 100084)

　　摘　 要： 兩級(jí)曝氣生物濾池在極低溫度下(1℃以下)處理官?gòu)d水庫入庫水的探索性研究試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)物和氨氮的去除受到了低溫的嚴(yán)重抑制，亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽不再是完全硝化反應(yīng)的限制步驟,這可能是在極低溫度條件下硝酸菌的活性高于亞硝酸菌活性的緣故。此外，在低溫條件下提高水力負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致對(duì)有機(jī)物和氨氮去除率的下降。
　　關(guān)鍵詞：兩級(jí)曝氣生物濾池；低溫；硝化；水庫水
　　中圖分類號(hào)：TU991
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)07-0017-03

Operating Characteristics of Two-stage BAF Process at Extreme Low Temperature
XIE Shu-guang, ZHANG Xiao-jian, WANG Zhan-sheng?
(Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,?China)

　　Abstract：Exploratory study was made on the Guanting reservoir influent treatment by using two-stage BAF at extreme low temperature.The results show that the removal of organics and ammonia nitrogen is seriously inhibited due to low temperature,and the conversion of nitrite into nitrate is no longer a limiting factor of complete nitrification.One possible hypothesis is that the activity of nitrobacter is hi gher than that of nitrosomonas at extreme low temperature.Moreover, the increase of hydraulic loading will lead to the decline of the removal rate of organics and ammonia nitrogen.?
　　Keywords:two-stage BAF process; low temperature; nitrification; reservoir influent

1 試驗(yàn)工藝

　　由于大量工業(yè)廢水和生活污水的排入，官?gòu)d水庫入庫水的有機(jī)物和氨氮濃度接近于一般城市污水。若采用單級(jí)BAF同時(shí)去除有機(jī)物和氮化合物則存在自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌對(duì)空間和氧氣的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷和氮化合物濃度高時(shí)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)氮化合物的有效去除，所以采用兩級(jí)BAF對(duì)官?gòu)d水庫入庫水進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。?
　　濾池(柱)高均為3m，直徑為20cm。BAFⅠ和BAFⅡ的濾料層凈高分別為1.2、1.3m，陶粒濾料粒徑為2～5mm，BAFⅠ、BAFⅡ中的DO濃度分別維持在2、4.5mg/L左右，水溫都為1℃以下，整個(gè)試驗(yàn)裝置安裝于一農(nóng)房?jī)?nèi)，因受試驗(yàn)條件限制，只能用泵把適量原水(入庫水)注入儲(chǔ)備水箱后連續(xù)運(yùn)行，儲(chǔ)備水箱的水每天更換一次。
　　兩級(jí)BAF工藝流程見圖1。

2 　結(jié)果與討論

2.1 不同水力負(fù)荷下的去除效果
　　試驗(yàn)開始時(shí)在較低水力負(fù)荷［2m³/(m²·h)］下運(yùn)行，結(jié)果見表1。

表1 低水力負(fù)荷時(shí)的去除效果　　　　 mg/L 項(xiàng) 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 高錳酸鹽指數(shù) 37.2 27.0 24.0 氨氮 18.7 12.4 3.1 NO₂-N 0.61 0.14 0.00

　　BAFⅠ主要去除有機(jī)物，對(duì)氨氮的去除較少，而BAFⅡ主要去除氨氮，對(duì)有機(jī)物的去除作用很弱，這是因?yàn)樵?jīng)過BAFⅠ處理后剩下的有機(jī)物較難進(jìn)行生物降解。另外，水溫很低且水力負(fù)荷也較低時(shí)兩級(jí)BAF仍能較有效地去除有機(jī)物和氨氮。
　　考慮到實(shí)際工程的需要，低水力負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后提高負(fù)荷至4m³/(m²·h)，運(yùn)行結(jié)果見表2。

表2 提高水力負(fù)荷后的運(yùn)行效果　　　　 mg/L 項(xiàng) 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 高錳酸鹽指數(shù) 34.0 29.0 27.2 氨氮 21.0 18.3 13.3 NO₂-N 0.46 0.27 0.00

　　從表2可以看出，水力負(fù)荷提高后對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除率降低，由于兩級(jí)BAF中DO濃度很高(不是限制性因子)，故去除率降低的原因可能是低溫條件下BAF中的生物膜活性很低而難以有效地去除污染物所致。有資料表明，溫度＞10℃、進(jìn)水氨氮為24mg/L、水力負(fù)荷在4～10m³/(m²·h)變化時(shí)，水力負(fù)荷不是硝化效率的限制因子，水力負(fù)荷的提高反而促進(jìn)了硝化效率的提高，整個(gè)過程中氨氮去除率為80%～100%且較穩(wěn)定，這是因?yàn)楦咚ω?fù)荷促進(jìn)了基質(zhì)和生物量的均勻分布，使液體和生物量之間的物料傳遞得到強(qiáng)化，同時(shí)濾料也發(fā)生一定程度的膨脹，進(jìn)一步強(qiáng)化了物料傳遞，因而提高了硝化效率^［1］，但此試驗(yàn)表明，當(dāng)水溫很低時(shí)水力負(fù)荷的提高會(huì)大大降低氨氮和有機(jī)物的去除效率。
2.2 模擬沖擊負(fù)荷試驗(yàn)
　?、?亞硝酸鹽沖擊?
　　為了考察兩級(jí)BAF在水力負(fù)荷為4m³/(m²·h)時(shí)對(duì)亞硝酸鹽的去除能力，向儲(chǔ)備水箱的原水中加入大量亞硝酸鈉，充分混勻后連續(xù)運(yùn)行3h取樣分析，結(jié)果見表3。

表3 亞硝酸鹽沖擊時(shí)的去除效果　　　　 mg/L 項(xiàng) 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 氨氮 26.0 23.7 15.9 NO₂-N 4.79 3.52 0.51

　　各級(jí)BAF對(duì)亞硝酸鹽的實(shí)際去除量大于亞硝酸菌(Nitrosomonas)氧化氨氮而生成的亞硝酸鹽量，即各級(jí)BAF中生物膜內(nèi)的硝酸菌(Nitrobacter)對(duì)亞硝酸鹽的總?cè)コ芰Ω哂趤喯跛峋?Nitrosomonas)轉(zhuǎn)化氨氮的總能力，這可能是在極低溫度(低于1℃)條件下硝酸菌的活性高于亞硝酸菌活性的緣故。
　?、?有機(jī)物沖擊?
　　低溫不可避免地將嚴(yán)重影響異養(yǎng)菌的活性，因而各級(jí)BAF(特別是BAFⅠ)對(duì)有機(jī)物的去除能力也受到嚴(yán)重抑制。為考察在水力負(fù)荷為4m³/(m²·h)、BAFⅠ和BAFⅡ中的DO分別維持在2和4mg/L左右時(shí)各級(jí)BAF對(duì)有機(jī)物的最大去除能力，用葡萄糖進(jìn)行了對(duì)有機(jī)物的沖擊試驗(yàn)，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為葡萄糖有很好的生化性而極易被生物降解。具體操作過程是：先分別測(cè)定原水、BAFⅠ出水和BAFⅡ出水中有機(jī)物濃度，然后再向儲(chǔ)備水箱原水內(nèi)加入大量葡萄糖，充分混勻連續(xù)運(yùn)行3h后取樣分析，結(jié)果見表4。

表4 對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的去除效果　　 mg/L? 項(xiàng) 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 未受有機(jī)物沖擊 40 36 34.5 受有機(jī)物沖擊 86 77 75

　　由表4可知，未受有機(jī)物沖擊時(shí)BAFⅠ和BAFⅡ分別去除了4、1.5mg/L有機(jī)物(以高錳酸鹽指數(shù)表示)；受有機(jī)物沖擊時(shí)BAFⅠ和BAFⅡ分別去除了9、2mg/L有機(jī)物。由于葡萄糖溶液具有易生物降解的特性，可以認(rèn)為受葡萄糖沖擊時(shí)去除的有機(jī)物基本為葡萄糖，則BAFⅠ和BAFⅡ?qū)τ袡C(jī)物的最大去除能力分別為9、2mg/L，即在同樣運(yùn)行條件下兩級(jí)BAF最多只能去除原水中11mg/L有機(jī)物。通常情況下，由于原水中有機(jī)物的可生物降解性比葡萄糖溶液的可生物降解性差，在一定水力停留時(shí)間內(nèi)不易很快被生物降解，因而兩級(jí)BAF的最終出水中仍含有許多可生物降解成分，這主要是由于低溫限制了一系列與有機(jī)物生物降解有關(guān)的酶的活性，特別是胞外水解酶的活性。
2.3 BAF內(nèi)污染物沿柱高的變化規(guī)律
　　 考察了水力負(fù)荷為4m³/(m²·h)時(shí)BAF內(nèi)污染物沿柱高的變化規(guī)律(分別見表5、6)。

表5 BAFⅠ內(nèi)污染物沿柱高的變化規(guī)律　　　　 mg/L 項(xiàng)目 BAFⅠ進(jìn)水 距進(jìn)水端0.1m處 距進(jìn)水端0.6m處 距進(jìn)水端1.1m處 距進(jìn)水端1.2m處(出水端) 高錳酸鹽指數(shù) 35.2 34 29.6 28.4 28 氨氮 21.7 21.7 21.3 20.3 19.0 NO₂-N 1.90 1.90 1.85 0.88 0.71

表6 BAFⅡ內(nèi)污染物沿柱高的變化規(guī)律mg/L 項(xiàng)目 BAFⅡ進(jìn)水 距進(jìn)水端0.1m處 距進(jìn)水端0.6m處 距進(jìn)水端1.1m處 距進(jìn)水端1.3m處(出水端) 高錳酸鹽指數(shù) 28.0 27.2 26.0 26.0 26.0 氨氮 19.0 19.0 14.8 13.3 13.0 NO₂-N 0.71 0.71 0.28 0.10 0.01

　　BAFⅠ中進(jìn)水端和距進(jìn)水端0.6m處濾料層對(duì)有機(jī)物去除較多，后面剩余0 .6m高濾料層去除的有機(jī)物較少，這主要是因?yàn)樵幸咨锝到獾男》肿映煞忠驯磺懊?.6m高的濾料層利用，剩下的大分子有機(jī)物需經(jīng)一系列復(fù)雜的水解反應(yīng)才能被微生物利用和去除，而水解酶的活性卻受到低溫的嚴(yán)重抑制，因而在有限的水力停留時(shí)間內(nèi)后面剩余0.6m高濾料層去除的有機(jī)物較少。此外，由于長(zhǎng)期的馴化作用導(dǎo)致距進(jìn)水端較近的濾料層生物膜較厚，使異養(yǎng)菌成為優(yōu)勢(shì)微生物，其水解酶含量也較高，因而能較有效地去除有機(jī)物；而距進(jìn)水端較遠(yuǎn)的濾料層生物膜中優(yōu)勢(shì)菌除異養(yǎng)微生物外，自養(yǎng)菌也逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌，該處的生物膜中異養(yǎng)菌數(shù)量比距進(jìn)水端較近的濾料層生物膜中異養(yǎng)菌數(shù)量少得多，水解酶含量也少，因而去除有機(jī)物的能力較差。
　　在BAFⅠ進(jìn)水端有機(jī)物濃度高，原水中易生物降解的成分也較多，異養(yǎng)菌生長(zhǎng)快而自養(yǎng)菌得不到充分生長(zhǎng)，故異養(yǎng)微生物成為優(yōu)勢(shì)菌,有機(jī)物濃度沿柱高逐漸降低(特別是易生物降解的小分子有機(jī)物已被利用)；在出水端異養(yǎng)菌生長(zhǎng)受到限制，通過附著生長(zhǎng)的自養(yǎng)菌(如硝化細(xì)菌)占優(yōu)勢(shì),氨氮被硝化。
　　從表6可以看出，在BAFⅡ中只有距進(jìn)水端較近的一部分濾料層(約0.6m)對(duì)有機(jī)物有去除作用，而氨氮主要是被距進(jìn)水端0.6 m內(nèi)濾料層中的自養(yǎng)微生物降解，而后面0.7m濾料層對(duì)氨氮的去除有限，這主要是由于入庫水氨氮濃度在夏、秋兩季較低(一般低于10mg/L),因而經(jīng)過長(zhǎng)期馴化作用形成的自養(yǎng)微生物量也有限，特別是BAFⅡ中自養(yǎng)微生物形成的生物膜基本只在距進(jìn)水端0.6m內(nèi)濾料層形成，進(jìn)入冬季后由于排污量突增，而入庫水量變小，氨氮濃度突然上升，雖然經(jīng)過近兩個(gè)月的低溫馴化，但增加的自養(yǎng)微生物量有限，故后面的0.7m濾料層對(duì)氨氮的去除作用也較弱。
　　雖然進(jìn)水亞硝酸鹽濃度較高，但亞硝酸鹽濃度在各級(jí)柱內(nèi)沿高程逐漸降低且未發(fā)現(xiàn)有亞硝酸鹽的積累，這也同樣反映了各級(jí)BAF中生物膜內(nèi)的硝酸菌對(duì)亞硝酸鹽的總?cè)コ芰Ω哂趤喯跛峋D(zhuǎn)化氨氮的總能力，即在低溫條件下亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽不再是完全硝化反應(yīng)的限制步驟。

3 　結(jié)論和建議　

　　采用曝氣生物濾池在低溫下處理官?gòu)d水庫入庫水的探索性試驗(yàn)表明，有機(jī)物和氨氮的去除受到了低溫的嚴(yán)重抑制，亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽不再是完全硝化反應(yīng)的限制步驟。在低溫條件下水力負(fù)荷的提高會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物和氨氮去除率的下降，這與國(guó)外學(xué)者在較高水溫條件下得出的結(jié)論相反。
　　由于官?gòu)d水庫入庫水在冬季時(shí)的水質(zhì)與一般城市污水相似，故該試驗(yàn)也填補(bǔ)了兩級(jí)曝氣生物濾池在低溫下處理城市污水的空白，并為其用于寒冷地區(qū)(特別是我國(guó)北方)的城市污水處理提供了第一手資料。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］ P ujol R.A keypoint of nitrification in an upflow biofiltration react or［J］.Wat Sci Tech，1998，38(3)：43-49.

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　　作者簡(jiǎn)介：謝曙光(1975- )，男，江蘇常州人，清華大學(xué)博士研究生，主要從事水污染控制技術(shù)研究。
　　電　話：(010)62782196(O) 62774056(H)
　　E-mail:xsgoo@mails.tsinghua.edu.cn
　　收稿日期：2002-01-24