1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及流程示意

本實(shí)驗(yàn)采用透明的有機(jī)玻璃柱作為實(shí)驗(yàn)濾柱，柱子直徑為100mm，濾柱的高度為2500mm，濾料(陶粒，密度為1.09x10³kg/m3)填充高度為1600mm，沿著濾柱高度每300mm設(shè)有一個(gè)取樣口，采用氣水同向升流式過濾方式。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，配套設(shè)備儀器見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置介紹

本試驗(yàn)采用升流式曝氣生物濾池(UBAF)工藝，即進(jìn)水與空氣同向上流。高位水箱中的污水由提升泵經(jīng)流量計(jì)打入曝氣生物濾池的底部，與鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)的空氣在濾池底部混合，空氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間由循環(huán)時(shí)間繼電器控制。氣水混合液經(jīng)承托層均勻分配后，流經(jīng)填料層，經(jīng)填料上生物膜微生物的生化作用、填料的機(jī)械截留等作用，廢水得到凈化，在清水層穩(wěn)定后，排出反應(yīng)器。沿填料層高度每隔30rm設(shè)置一個(gè)取樣口，測(cè)定經(jīng)各段濾層處理后的出水水質(zhì)。濾池反沖洗用水采用實(shí)驗(yàn)室自來水；反沖洗用氣由空壓機(jī)提供，空氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。

1.3 試驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水采用沈陽市紅十字醫(yī)院綜合污水，水質(zhì)見表2：

2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

由于曝氣生物濾池填料層上微生物的種類和數(shù)量沿著濾層深度的不同而發(fā)生變化，從而影響著反應(yīng)器填料層不同高度處的工作性能。

本試驗(yàn)通過研究曝氣生物濾池中污染物的沿程去除情況及不同水力負(fù)荷下對(duì)污染物去除的影響，通過試驗(yàn)確定適宜的進(jìn)水負(fù)荷及濾池填料高度，對(duì)于降低工藝成本具有重要意義。

3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 污染物沿濾床深度去除效果

由于生化反應(yīng)速率與有機(jī)物濃度相關(guān)，而濾床不同深度處由于微生物的數(shù)量、種類不同導(dǎo)致濾床不同深度處的有機(jī)物濃度不同，自下而上遞減；因此，各層濾床有機(jī)物去除率也不同。

3.1.1 CODcr沿濾床深度去除效果

曝氣生物濾池對(duì)有機(jī)物（CODcr有較好的去除效果，對(duì)其平均去除率為67.6%，出水COD基本保持在21mg/L左右，圖2是CODcr沿濾層尚度的去除情況。

由圖2可見：曝氣生物濾池對(duì)有機(jī)污染物(CODcr)的去除作用主要發(fā)生在進(jìn)水端以后900mm范圍內(nèi)，在這段濾層內(nèi)，反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除率為57.2%，占總?cè)コ�率�?4.6%。因?yàn)樵谠搮^(qū)域內(nèi)由于污水中有機(jī)物濃度高，溶解氧充足，占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的好氧異養(yǎng)菌繁殖速率高、新陳代謝作用旺盛，生物膜量較多，對(duì)污染物的生物降解作用非常快，再加上該段是SS的主要截獲區(qū)，SS的截獲也提尚了COD的去除率；而在后600mm濾層內(nèi)，對(duì)有機(jī)物的去除率僅占總?cè)コ�率�?5.4%。因?yàn)殡S著污水進(jìn)入濾料深層，污水中可生物降解的有機(jī)物質(zhì)逐漸減少，異養(yǎng)菌因營養(yǎng)缺乏而減少，底物濃度成為反應(yīng)速率的限制因素。而同時(shí)由于微生物的生長和繁殖同環(huán)境因素息息相關(guān)，隨著有機(jī)物濃度的降低，微生物也從低級(jí)趨向高級(jí)，種類逐漸增多，生物膜量從多到少。所以當(dāng)濾床各層的進(jìn)水水質(zhì)互不相同，各層生物膜的微生物就不相同，處理污水的功能也隨之不同。當(dāng)有機(jī)物濃度繼續(xù)降低，在供氧充分及堿度充足的情況下，硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌種。

另外，從圖中可以看出各層濾床有機(jī)物去除率不同，有機(jī)物的去除率沿池深方向呈指數(shù)下降。這是因?yàn)樯�化反�?yīng)速率與有機(jī)物濃度相關(guān)，而濾床不同深度處的有機(jī)物濃度不同，自下而上呈指數(shù)遞減的結(jié)果。

3.1.2 NH4+-N沿濾床高度去除效果

由于曝氣生物濾池的水力停留時(shí)間長，適合世代時(shí)間較長的硝化菌的生長，所以曝氣生物濾池在去除有機(jī)物的同時(shí)對(duì)NH4+-N也有較好的去除效果，對(duì)其平均去除率為83.4%，出水NH4+-N基本保持在lmg/L左右，圖3是NH4+-N沿濾層高度的去除情況。

由圖3可見：

（1)在進(jìn)水端前600mm內(nèi)氨氮的去除率較低，只有20%，這是因?yàn)樵谶M(jìn)水端前600mm內(nèi)由于有機(jī)物濃度比較高，造成碳化異養(yǎng)菌優(yōu)勢(shì)的生長環(huán)境代謝，這樣異養(yǎng)菌就會(huì)首先利用水中的氧，在營養(yǎng)物質(zhì)較為豐富的條件下大量繁殖，同時(shí)由于生物膜的增厚也阻礙了氧向生物膜的傳遞，而硝化菌是一種嚴(yán)格的好氧細(xì)菌，當(dāng)水中溶解氧不足或氧透過膜到達(dá)硝化菌表面的傳遞速度下降時(shí)，硝化菌吸取水中溶解氧的能力比異養(yǎng)菌要差，這些都限制了硝化菌的生長繁殖，從而使得生物膜中硝化自養(yǎng)菌濃度偏小，硝化反應(yīng)受到影響，從而對(duì)氨氮的去除有明顯的抑制作用，表現(xiàn)為濾池對(duì)氨氮具有較低的去除率。

(2)在濾層600mm~1200mm段，對(duì)NH4+-N去除率達(dá)到77.4%(占總?cè)コ�率�?2.8%)，成為氨氮去除的主要區(qū)域。這是因?yàn)樵谠摱螀^(qū)域內(nèi)，有機(jī)物的濃度較低，在水中的氧較充分條件下，自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)菌發(fā)生競爭時(shí)，硝化菌占優(yōu)勢(shì)，硝化菌的生長、繁殖速度加快，代謝能力增強(qiáng)，從而在該段硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，表現(xiàn)為濾層對(duì)氨氮具有很高的去除率。

(3)在濾層的后300mm內(nèi)，對(duì)NH4+-N去除率增長僅為9.8%。這是因?yàn)橄趸��?xì)菌有較強(qiáng)的硝化能力，世代時(shí)間長，一旦形成穩(wěn)定的硝化狀態(tài)后，進(jìn)入濾池中的氨氮會(huì)在短時(shí)間內(nèi)能被硝化細(xì)菌吸附、分解和氧化。因?yàn)樵跒V層600mm~1200mm段已形成穩(wěn)定的硝化狀態(tài)，所以在后300mm段，氨氮去除率增加有限。

3.2 水力負(fù)荷對(duì)曝氣生物濾池沿程去除污染物的影響

水力負(fù)荷直接影響曝氣生物濾池的水力停留時(shí)間，而水力停留時(shí)間又決定了污染物的去除率。

在水力負(fù)荷較小時(shí)，曝氣生物濾池對(duì)水中污染物的去除基本集中在濾層的前半部分(進(jìn)水端)，濾層的后半部分(出水端)的去除能力并未發(fā)揮出來，在水力負(fù)荷較大時(shí)，曝氣生物濾池又不能達(dá)到脫氮的，因此選擇合適的水力負(fù)荷，有利于充分發(fā)揮濾池的去污脫氮功能。

3.2.1 沿濾層高度水力負(fù)荷對(duì)有機(jī)物去除效果的影響

水力負(fù)荷對(duì)曝氣生物濾池沿程去除率的分布有一定的影響，不問的水力負(fù)荷決定了有機(jī)物在曝氣生物濾池的不同高度被去除，在不同的水力負(fù)荷時(shí)沿濾層高度有不同的去除率，圖4是濾池沿濾層不同商度對(duì)有機(jī)物的去除率。

從圖4中可以看出：當(dāng)水力負(fù)荷為1m3/m2•h時(shí)，在濾床深度600mm處，前半部對(duì)有機(jī)物的去除率達(dá)到54.5%(占總?cè)コ�率�?0%)，后半部對(duì)有機(jī)物的去除率為14.7%(占總?cè)コ�率�?0%)；當(dāng)水力負(fù)荷為2m3/m2•h時(shí)，在濾床深度900mm處，前半部對(duì)有機(jī)物的去除率達(dá)到58%(占總?cè)コ�率�?5%)，后半部對(duì)有機(jī)物的去除率為10%(占總?cè)コ�率�?5%)；當(dāng)水力負(fù)荷超過4m3/m2•h時(shí)，濾池對(duì)有機(jī)物的去除率明顯下降，水力負(fù)荷為6m3/m2•h時(shí)，對(duì)有機(jī)物的去除主要集中在前1200mm，達(dá)到48.3%，占總?cè)コ�率�?1%；而水力負(fù)荷為9和11m3/m2•h時(shí)，濾池對(duì)有機(jī)物的去除率基本呈線性關(guān)系，去除率降到52.8%和45.5%。

綜上可知：水力負(fù)荷對(duì)曝氣生物濾池沿程去除率的分布有一定的影響，在低水力負(fù)荷時(shí)，對(duì)總的去除率影響不大，這是因?yàn)椋涸诘退�力�?fù)荷條件下，水中可被微生物利用的有機(jī)物沿水流方向不斷被微生物分解、吸收和利用，到達(dá)上半部后，由于水中營養(yǎng)物質(zhì)大部分在下半部分被分解氧化，水中營養(yǎng)不足，滿足不了微生物對(duì)營養(yǎng)的要求，從而不能形成對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)降解能力的菌膠團(tuán)；當(dāng)水力負(fù)荷提高后，在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入曝氣生物濾池內(nèi)的有機(jī)物量增加，停留時(shí)間縮短，水中更多的營養(yǎng)物質(zhì)就能到達(dá)上半部分，使上半部分的微生物能在一定程度上增殖，這樣曝氣生物濾池內(nèi)的生物量增加，利用率提高。因此，盡管水力負(fù)荷提高，停留時(shí)間縮短，但在一定的水力負(fù)荷范圍內(nèi)，對(duì)有機(jī)物的去除效果并沒有受到很大的影響，體現(xiàn)出曝氣生物濾池具有較好的耐沖擊負(fù)荷能力。而在更高水力負(fù)荷條件下，由于停留時(shí)間過短，水中營養(yǎng)物質(zhì)沒能被微生物及時(shí)分解就已排放，導(dǎo)致了去除率的下降。

3.2.2 沿濾層高度水力負(fù)荷對(duì)NH4+-N去除效果的影響

在進(jìn)水COD、NH4+-N、pH值、溫度一定時(shí)，水力負(fù)荷直接影響曝氣生物濾池對(duì)NH4+-N的去除率，水力負(fù)荷對(duì)NH4+-N的去除率沿濾層高度的影響見圖5。

由圖5可見：水力負(fù)荷在一定的范圍(1〜6m3/m2•h)內(nèi)對(duì)NH4+-N的去除率沒有什么影響，沿濾層高度分布也沒有多大的變化。這是因?yàn)橄趸��?xì)菌有較強(qiáng)的硝化能力，世代時(shí)間長，一旦形成穩(wěn)定的硝化狀態(tài)后，進(jìn)入曝氣生物濾池中的NH4+-N在短時(shí)i司內(nèi)能被硝化細(xì)菌吸附、分解和氧化；當(dāng)水力負(fù)荷再增大時(shí)，因?yàn)镃OD負(fù)荷也同時(shí)增大，濾層的大部分為好氧異養(yǎng)菌，抑制了硝化細(xì)菌的生長，致使NH4+-N不能被及時(shí)去除。

3.3 結(jié)論

(1)曝氣生物濾池對(duì)各污染物的去除沿濾層高度呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。有機(jī)物CODcr的去除，主要發(fā)生在濾層的前半部分(即距進(jìn)水端900mm段)。在該段反應(yīng)器對(duì)CODcr去除率為57.2%，占總?cè)コ�率�?4.6%。NH4+-N的主要去除主要在600mm~1200mm段。在該段反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除率達(dá)到77.4%，占總?cè)コ�率�?2.8%。

(2)水力負(fù)荷在一定范圍內(nèi)，對(duì)污染物沿程去除率的分布有影響。當(dāng)水力負(fù)荷為1~6m3/m2•h時(shí)，濾池對(duì)有機(jī)物有較高的去除率；當(dāng)水力負(fù)荷超過6m3/m2•h時(shí)，濾池對(duì)有機(jī)物的去除效果明顯下降，在水力負(fù)荷為11m3/m2•h時(shí)，去除率下降到45.5%。水力負(fù)荷在一定的范圍(1~6m3/m2•h)內(nèi)對(duì)NH4+-N的去除率沒有什么影響，去除率達(dá)到91%；當(dāng)水力負(fù)荷超過6m3/m2•h時(shí)，濾池對(duì)NH4+-N的去除效果很差。（來源：大連大禹水處理技術(shù)有限公司）