不同填料下UBAF深度处理印染废水对比试验研究
导读:：研究不同填料的UBAF对有机污染物的去除效果。试验启动采用接种挂膜的方法。号滤池所用填料为新型尼龙填料(尺寸5×5×3mm)。号滤池所用填料为生物陶粒(粒径为4-6mm)。
关键词：UBAF，接种挂膜，新型尼龙填料，陶粒
工业用水量的增加以及水资源的日益短缺，使污水深度处理及回用越来越受到人们的重视。印染企业是用水大户，且其产生的废水水质成分十分复杂，有机物浓度高，多为有毒有害物质。目前，印染废水达到排放标准的处理技术已成熟，但由于废水量大，且受纳水体径流量及自净容量小，即使符合排放标准的废水仍然可能会造成水体污染。在水资源短缺日益加剧的今天，印染企业生产过程中需要大量用水。因此，对印染废水进行深度处理后回用，具有较高的环境效益和经济效益。
曝气生物滤池就其单位池容处理水量大、停留时间短、占地面积小、截污能力强、具有较强的深度处理功能等优势在废水处理业中被广泛应用。而其构造组成中的最主要的核心部件是填料，不同性能的填料对废水处理的效果起完全不同的作用。
因此，多年来对填料材质性能的研究从未中断过。目前，工程中广泛应用的填料有陶粒、火山岩、石英砂、聚苯乙烯填料等。本试验采用新型尼龙填料(主要材质为增强尼龙PA66和抗氧化剂)和传统生物陶粒在相同工况变化时，对某印染厂深度处理段的废水进行对比试验，研究不同填料的UBAF对有机污染物的去除效果，以期使该新型填料能大规模应用于印染废水深度处理。
1、试验部分
1.1 试验装置
两套上向流曝气生物滤池试验装置的材质和结构完全相同，均由有机玻璃制成，其中1号UBAF如图1所示。
图1 试验装置示意图
Fig.1. Schematic diagram of UBAF
本试验装置高为2000mm，直径为200mm，承托层高200mm，自下到上由不同粒径的鹅卵石按级配由大到小依次堆成陶粒，填料层高1100mm，顶部设保护高度400mm，在填料层高200、400、600、800、1000mm处分别设取样口。两套UBAF装置底部均设有穿孔曝气管、反洗布气管、放空管、进水及反洗布水管。反应器采用上向流形式，废水由底部进入，上部排出毕业范文。反冲洗采用气水联合反冲，反冲液由顶部溢流口排放。1号滤池所用填料为新型尼龙填料(尺寸5×5×3mm)，2号滤池所用填料为生物陶粒(粒径为4-6mm)，两滤池的填料层高均为1100mm。
1.2 试验用水及水质本试验将吴江某印染企业的深度处理系统中臭氧池的出水静置停留约30min后，作为试验用水。该企业废水COD浓度为800~1100mg/L，经过混凝沉淀、水解酸化、好氧生物曝气、砂滤、臭氧曝气等工艺处理后，废水的COD得到有效地降解。本试验用水水质如表1所示。
表1原水水质
Tab.1Quality of raw wastewater mg·L-1
|
项目 |
COD/ (mg·L-1） |
SS/ (mg·L-1） |
NH4+-N/ (mg·L-1） |
浊度/NTU |
TP/ (mg·L-1） |
|
最小值 |
94 |
286 |
6.6 |
73 |
0.88 |
|
最大值 |
356 |
88 |
12.8 |
160 |
2.46 |
|
平均值 |
212 |
182 |
7.5 |
19.7 |
1.05 |
1.3 试验方法
试验启动采用接种挂膜的方法，低负荷进水，使填料表面生长生物膜，通过气体转子流量计调节曝气量和反冲气量。用气体转子流量计调节曝气量和反冲气量，用浮子流量计控制水流滤速从而改变水力停留时间，流速从小于1m/h逐步提高到4m/h。本试验于2010年10月9日—11月26日进行，水温随室内温度而变化，在试验运行期间，环境温度在10℃~25℃范围内波动。
试验分为2个阶段：①挂膜阶段1~19天;②运行阶段20~54天。
2、试验结果和讨论
2.1 挂膜
生物膜法的挂膜方式通常有两种;自然富集培养挂膜和人工接种挂膜[1]
本试验曝气生物滤池的挂膜启动采用快速排泥接种挂膜法挂膜[2]，即先接种活性污泥后再进行连续流培养的方式。试验所用接种污泥取自该企业好氧曝气池出水口的泥水混合液。两个装置中分别加入泥水混合液25L，10g食用淀粉，再加臭氧出水至柱体出水端口。以20L/h的曝气量连续闷曝24h后排空，如此重复2次。第4天采用小流量进水，小流量进水有利于生长缓慢、世代周期长的硝化菌的生长固定[3]，以滤速为0.64m/h(流量为20L/h)、曝气量为20L/h运行，第7天将滤速提高到0.8m/h(流量为25L/h)、曝气量增加到35L/h。试验进行期间，该污水站污水处理设施进行整修，运行设施不稳定，臭氧出水COD较高，在250mg/L左右，且出水中SS、浊度较高，易堵塞配水系统孔洞，造成配水不均匀，同时，也会引起填料的堵塞结板，因此，在试验第4天，在进水口加设一道尼龙滤布层，以减少进水SS对试验的影响，降低反冲洗频率。
由于陶粒颗粒粒径较小，密度较大，堆积比较致密，对空气气泡的剪切分配较均匀，而新型填料的尺寸较大，较松散，对气泡的剪切分配作用较差陶粒，较多气泡被截留在填料堆积处，易在反应器壁处形成短流现象，在某些气泡接触较少的部位，有少量黑色物质，估计是厌氧导致。
两滤池运行至第5天后，肉眼可见反应器内壁上附着一定量的灰黄色絮体，白色的新型填料上出现一层灰黄色的生物膜，表现十分明显;陶粒表面也出现灰白色绒状物。至第7天时，膜状物黏附量增多，颜色逐渐加深，变为浅黄色，但陶粒表面性状变化较新型填料延迟2~3天。分析其原因，是因为新型填料与陶粒的物理性质的差异造成的，新型填料内外层均富有密集的孔径，孔隙率较陶粒更大，填料块间相互连接，更有利于截留、附着微生物，更有利于生物膜的附着和生长。同时，发现两滤池自下往上的生物膜的生长都是不均匀的，进水处被生物膜覆盖得多一些，中上层填料裸露的多一些，这是由于沿反应器的不同填料层高度上，可降解的基质浓度差异造成的生物膜的生长不均。此时，滤池出水感官指标较进水有明显好转，浊度、色度较低，透明度较好。在出水端可以明显的看出1号滤池出水中SS较2号少，出水色度也较2号更浅一些，这可能是由于新型填料孔径较陶粒大，且各孔间相互连通，有较多的丝须，截污能力较陶粒有明显优势。
从第5天开始对两滤池的主要进、出水指标进行监测，同时观察生物相。填料取出后，发现新型填料从表面到内层都有淡黄色黏状物质，陶粒表面也附着一层黄色生物膜。将填料表面的生物膜剥落，在显微镜下观察到发现，生物膜中有大量丝状菌，以及钟虫、变形虫等原生动物。
2.1.1 挂膜期间对COD的去除效果
有机物的去除主要依靠异养性好氧菌来完成，UBAF内气水同向流动，延长了气水接触时间，提高了对氧的利用率，异氧微生物的增殖较为迅速，生物膜的形成及稳定过程较快。挂膜阶段两滤池对COD的去除效果如2所示。
图2 挂膜期间对COD的去除效果
Fig.2 Removal of COD during biofilm formation
由图2可以看出，从试验开始，1号滤池的COD去除率一直高于2号滤池20%以上格式范文。运行至第9天时，1号、2号滤池的出水COD去除率分别达到50%以上和35%以上，初步确定挂膜基本完成。自第10天开始陶粒，将滤速提高到0.96m/h(流量为30L/h)、曝气量增加到50L/h，再运行10天以巩固挂膜效果。当运行到第14天时，该厂污水处理站处理设施恢复正常，臭氧出水COD降低至150mg/L左右，两滤池的出水COD均降至70mg/L以下。随着生物膜的逐渐成熟，两滤池的处理效果继续稳步升高，并保持稳定，1号滤池COD平均去除率为66.5%，2号滤池的COD平均去除率为58.6%，至此，挂膜完成，共历时19天。
由两滤池对COD去除效果可以看出，达到相同的COD去除率(大于60%)时，1号、2号滤池所经历的时间分别为第11天和第15天，1号滤池较2号所需时间更短，这表明新型尼龙填料的结构和表面亲水性质更适合微生物的附着和生长，且生物活性较高，相较于陶粒，更有利于异养菌的生长及基质和氧的传递，去除效果较好。新型尼龙填料较陶粒更易于截留微生物，并使附着的微生物生长繁殖，具有挂膜速度快、处理效率高的特点。
2.1.2 挂膜期间对浊度的去除效果
1、2号滤池在挂膜期间对浊度的去除效果见图3。
图3 挂膜期间对浊度的去除效果
Fig.3 Removal of turbidity during biofilmformation
UBAF反应器对浊度的去除主要是靠填料的截留及填料间生物絮体的生物吸附作用[4]。由图3可知，1、2号UBAF对浊度的去除率大于80%所需的时间分别为6、12天，对浊度的去除效果与对COD的去除效果基本同步稳定。2号滤池对浊度的去除效果在运行初期较好，运行3天后去除率出现了一定的下降，而随着运行时间的延长，去除效果逐渐回升，并趋于稳定。其原因主要是在运行初期，滤池对浊度的的去除主要依靠填料的物理截留，起初陶粒的截留能力较强，但随着时间的延长，其容量趋于饱和。后来随着生物膜的逐步成熟，微生物的吸附作用以及反冲洗后填料的纳污能力得到恢复。1号滤池对浊度的去除率基本处于上升趋势，原因是其填料有较多丝须，孔隙较大，填料布设不规则，填料间相互挤压，因此能有效地防止悬浮杂质穿透滤层，能更好的发挥吸附截留作用，随着生物膜的成熟，孔隙逐渐减小，处理效果稳步上升。
2.2 正常运行阶段
2.2.1 运行期间对COD的去除效果
随着填料上生物膜的成熟后，自第16天开始，将进水流速提高到1.12m/h(流量为35L/h)、曝气量增加到70L/h，气水比2:1，1、2号滤池的有效停留时间分别为1.02h和0.69h。测定出水中溶解氧的浓度均为3～4mg/L。运行情况见图4。
图4 运行期间对COD的去除效果
Fig.4 Removal of COD during operation
从图4可以看出陶粒，整个运行期间，原水COD变化较小，保持在120mg/L左右，随着进水滤速和曝气量的提升，COD去除效果并没有明显的变化，1、2号滤池的平均COD去除率分别约为61.9%和54.6%。在该状态下运行10天后，将曝气量加大至105L/h，滤速和流量保持不变，气水比为3:1。如图4所示，随着曝气量的提升，COD去除效果略有提升，1、2号滤池的平均COD去除率分别约为63.4%和56.5%。测定出水中溶解氧的质量浓度均大于4mg/L。这是因为曝气量增加，增加了填料和水流之间的扰动作用，可冲刷掉部分附着在填料上老化的生物膜，促进了生物膜的更新繁殖，同时，也促使水中的悬浮物不易在填料下部积累，有利于发挥中上部填料的处理作用，从而部分提高了COD去除率。但由于进水中COD较低(120mg/L左右)，异养菌的种群优势无法得到有效地保证，COD去除率的提高幅度并不大。当曝气量进一步加大至140 L/h，气水比为4:1时，滤速和流量保持不变的条件下又运行10天。COD去除率均有不同程度的下降，1、2号滤池的COD平均去除率分别为51.1%，47.2%。这因为曝气量提高，对填料上生物膜的扰动作用过大，打破了填料上新老生物膜更替的平衡;另一方面，高负荷气流的冲击增大了填料间的空隙，扰动生物膜，使一部分水未能与微生物充分反应就已流走，大的曝气量同时使气泡占据了更多的滤池空间，缩短了水在滤池内的真正停留时间。
2.2.2 运行期间对浊度的去除效果
图5 运行期间对浊度的去除效果
Fig.5 Removal of turbidity during operation
从图5可以看出，运行期间，滤池对浊度的去除情况，基本上和COD的去除状况相当。当滤速为1.12m/h，曝气量为70L/h时，1号滤池的出水浊度较挂膜期间略有下降，2号的出水浊度基本保持不变。1号滤池在挂膜期间对浊度的去除率较高，导致填料间累计的杂质较多，随着滤速和曝气量的增加，扰动冲刷了填料间的杂质和老化的生物膜，导致出水浊度有一定的波动，浊度去除率略有下降;而2号滤池在挂膜期间截留的杂质相对较少，滤速和曝气量的增加，并没有使冲刷下的杂质和生物膜的量增加，出水浊度变化较小。当曝气量增加至105L/h时陶粒，1、2号滤池的出水浊度基本保持稳定，浊度去除率均略有升高，两滤池对浊度的去除率基本一致，保持在85%以上。此时，填料上微生物的吸附作用及反冲洗后填料纳污能力的恢复使得滤池对浊度的去除效果再次提高并趋于稳定，填料间的生物膜在该状态下，生长及老化速度基本保持平衡。当曝气量增加140L/h时，1、2号滤池的浊度去除率均有一定程度下降，平均浊度去除率分别为80.2%，77.4%。由于气泡和水流的扰动作用加大，填料间连接的空隙部分被冲开，生物膜老化加速，冲刷掉填料上老化的生物膜，也部分冲刷掉附着的成熟生物膜，导致出水浊度升高。
2.3 运行周期
由于原水经过尼龙布的截留后，悬浮物浓度已较低，使得滤池截留的杂质量相对较低，加上进水中有机物含量较低、生物膜法的食物链较长，因此，系统的产泥量很低。1号滤池新型尼龙填料间堆积较紧密，对悬浮物的截留量较大，为保持填料表面的高生物活性，防止填料板结。因此，运行2-3天后，需要进行反冲洗，相对于陶粒，新型尼龙填料更容易截留过量的SS而导致微孔被堵塞，因此，其反洗周期较陶粒短，反洗的频率高一些，由于新型尼龙填料密度较小，容易被水冲开，反洗强度较陶粒小一些，两滤池均采用气、水联合反冲洗，1号滤池的反洗情况为气洗2min，强度为6-8L·m-2·S-1;水洗3min，强度为2-4L·m-2·S-1;水漂洗5min，强度为2L·m-2·S-1;2号滤池的反洗情况为气洗5min，强度为8-12 L·m-2·S-1;水洗5min，强度为3-5L·m-2·S-1;水漂洗5min，强度为2L·m-2·S-1。
3、结论
(1)新型尼龙填料挂膜快，比陶粒挂膜缩短了约5天。挂膜成功后，两滤池对COD和浊度均有较稳定的去除效果，1号、2号滤池对COD的去除率分别达到65%、60%左右，对浊度的去除率均达到85%以上。
(2)在进水流量为35L/h时，一定程度提高曝气量有利于COD和浊度的去除陶粒，在气水比为3:1时，两滤池对COD的去除率达到最高，分别为63%、56%，对浊度的去除率稳定在85%以上。
(3)当气水比为4;1时，两滤池对COD的去除率逐渐下降，分别为51%、47%，对浊度的去除率也降为80%和77%。过量曝气不仅造成能源浪费，且不利于有机物与生物膜的接触，易导致微生物和填料的流失，降低处理效率。
(4)由于新型尼龙填料孔隙较大，易截留过量的悬浮物而导致微孔被堵塞，因此，其反洗的频率较高，反洗的周期较短;由于新型尼龙填料密度较小，易被冲开，反洗时间和强度均较陶粒少一些。
(5)由于新型尼龙填料孔隙率较高，孔径较均匀，孔间相互连通，表面具有亲水特性，相较于陶粒更易于挂膜，更有利于异养菌的生长。在相同操作条件下，对COD和浊度的去除率优于陶粒，具有处理效率高、反冲强度小等特点，具有很强的推广应用价值。
参考文献
[1]王占生，刘文君.微污染水源饮用水处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
[2]周晴，傅金祥，赵玉华，等.UBAF两种挂膜方式的试验研究 [J].工业安全与环保，2005，31(5)：28-30.
[3]李思敏，唐锋兵，时真男，等.实现UBAF快速启动的挂膜试验研究[J].中国给水排水，2009，25(1)：68-71.
[4]肖文胜，徐文国，杨桔才.曝气生物滤池中生物膜的活性研究[J].北京理工大学学报，2003，23(5)：655-657.
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