多级生物膜过滤工艺处理生活污水的研究刘智晓

刘智晓1,2,　崔福义1,2,　句立展3,　庞月霞4(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;3.哈尔滨市城市内河建设发展有限公司,黑龙江哈尔滨150070;4.国中秦皇岛污水处理有限公司,河北秦皇岛066000)　　　:　针对现有固定床生物膜工艺的不足,开发了以悬浮床生物膜过滤工艺为主体的组合处理工艺。首次提出了预充氧生物粗滤的概念,并采用预充氧生物粗滤/多级生物膜组合工艺处理生活污水,考察了其运行特性。结果表明:用预充氧生物粗滤技术作为预处理工艺,可大幅削减有机物及SS,减轻了后续生物膜工艺的负荷,当HRT为0.8h时,其对COD的去除率为35.2%～61.3%,对SS的去除率高达85%～93%。当系统的总HRT为3h、进水COD为148～647mg/L时,系统出水COD保持在18～50mg/L,平均为31.3mg/L,表现出良好的抗冲击负荷能力;当氨氮负荷0.85kg/(m3·d)时,系统出水氨氮2mg/L。相对于传统的固定床生物膜工艺,该组合工艺的水头损失较小,且具有高效的除碳、截留SS及硝化性能。　　:　生活污水;　分散式处理;　预充氧;　生物粗滤;　多级生物膜;　硝化:X703.1　　:A　　:1000-4602(2008)13-0009-05ResearchonDecentralizedDomesticSewageTreatmentUsingMulti-stageBiofilmProcessLIUZhi-xiao1,2,　CUIFu-yi1,2,　JULi-zhan3,　PANGYue-xia4(1.StateKeyLabofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;3.HarbinUrbanInlandRiverConstructionDevelopmentCo.Ltd.,Harbin150070,China;4.InterChinaQinhuangdaoSewageTreatmentCo.Ltd.,Qinhuangdao066000,China)　　Abstract:　Inordertoovercomedisadvantageofthecurrentfixedbedbiofilmprocess,acombinedtreatmentprocessusingsuspendedbedbiofilmfiltrationprocessasprincipalpartwasdeveloped.Thecon-ceptofpre-aeratedbiologica1coarsefiltrationwasputforward,andtheoperationcharacteristicsofthecombinedprocessofpre-aeratedbiologicalcoarsefiltrationandmulti-stagebiofilmfortreatmentofdomes-ticsewagewereinvestigated.Theresultsshowthatusingpre-aeratedbiologicalcoarsefiltrationtechnolo-gyaspretreatmentprocesscanconsiderablyremoveorganicpollutantsandSS,whichalleviatestheloadofsubsequentbiofilmprocess.WhenHRTis0.8h,theremovalratesofCODandSSare35.2%to61.3%and85%to93%,respectively.WhenHRTis3handtheinfluentCODis148to647mg/L,theeffluentCODmaintainsat18to50mg/L,withaverageof31.3mg/L.Theprocesshasbetterresist-ancetoshockloading.Whenammonianitrogenloadingislessthan0.85kg/(m3·d),theeffluentam-monianitrogenislessthan2mg/L.Comparedtotheconventionalfixedbedbiofilmprocess,thecom-·9·第24卷　第13期2008年7月　　　　　　　　　　　　中国给水排水CHINAWATER＆WASTEWATER　　　　　　　　　　　　　Vol.24No.13Jul.2008binedprocesshascharacteristicsoflowerfiltrationwaterheadloss,effectivecarbonremoval,SSremovalandnitrification.　　Keywords:　domesticsewage;　decentralizedtreatment;　pre-aeration;　biologicalcoarsefiltra-tion;　multi-stagebiofilm;　nitrification　　很久以来,集中式城市卫生系统在改善水环境方面一直起着主导作用,但是在一些学者看来,其远非可持续的系统[1],对于发展中国家而言,高效、低耗、集约式的生物膜处理系统是未来分散式生活污水处理工艺发展的主要方向。在中国,由于水资源的匮乏及水污染的加剧,分散式生活污水处理及回用系统正逐步得到推广和应用。但是目前采用的工艺仍然存在投资较高、运行维护不便等缺点,因而亟待开发适合我国国情、高效、低耗的分散式生活污水处理工艺。近年来MBR工艺在小规模的分散式污水处理及回用系统中逐渐得到应用[2],但是受经济条件及使用对象的限制,该工艺存在适用性的问题。生物膜过滤工艺兼有吸附、生物氧化及过滤等多重功能,同时无需污泥回流,具有占地小、运行稳定、投资省等优点[3]。在我国小规模生活污水的处理中,BAF应用较多,但它对进水SS有严格的要求,通常需进行物化预处理[4];同时,BAF一般采用固定床形式,存在水头损失大、易堵塞、反冲洗频繁等缺点[5],这限制了其在小规模生活污水处理中的应用。为了克服传统生物膜过滤技术的缺点,笔者开发了以不同轻质填料为生物膜载体的悬浮床—固定床组合工艺,并采用预充氧生物粗滤技术作为预处理工艺,开展了处理生活污水的运行特性研究。1　材料和方法1.1　试验装置采用预充氧生物粗滤柱(柱1)、升流式双层悬浮床(柱2)、降流式固定床(柱3)三级生物膜串联过滤工艺,其流程见图1。试验中在高位水箱进行预曝气充氧;生物粗滤柱主要用于强化预处理,截留SS并去除部分有机物;双层悬浮床生物膜滤柱用于进一步去除有机物及进行硝化;降流式固定床用于柱2出水的深度处理。柱体由有机玻璃制成,柱1、2的直径均为100mm,柱3的直径为70mm,各柱的高度分别为1、2.2、2.2m,装填了不同的微生物载体(载体形式及规格见表1)。其中柱1不曝气,柱2和柱3采用鼓风曝气,由转子流量计控制曝气量。1　Fig.1　Schematicdiagramofmulti-stagebiofilmfiltrationsystem1　Tab.1　Carriertypeanditsparameter反应器类型及流态填料类型及参数柱1悬浮床,下向流Kaldnes聚乙烯立体多孔悬浮填料,圆柱状,长为9mm,直径为10mm,比表面积为800m2/m3,相对密度1,装填高度为700mm柱2悬浮床,上向流下层(高度为1.2m):Kaldnes聚乙烯立体多孔悬浮填料,装填高度为600mm;上层(高度为1m):球形轻质陶粒滤料,粒径为2.5～5mm,装填高度为800mm柱3固定床,下向流球形轻质陶粒滤料,粒径为2.5～5mm,装填高度为1600mm1.2　原水为城市生活污水,COD为123～647mg/L,NH+4-N为18.3～62.7mg/L,SS为80～245mg/L,PO3-4-P为4.1～7.8mg/L,水温为12～26℃,pH值为7.1～8.6。多级生物膜工艺分别采用除碳/硝化和前置反硝化/硝化两种模式运行。除碳/硝化阶段:进水流量为10L/h,硝化液不回流,共进行90d;前置反硝化/硝化阶段:进水流量为5L/h,回流比为100%,共进行60d。COD、SCOD、SS、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、PO3-4-P、TP等指标采用国家标准方法测定[6],DO、pH采用便携式测定仪测定。·10·第24卷　第13期　　　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　　结果与讨论2.1　系统于2006年11月29日开始启动,柱1和柱2的接种污泥取自某市政污水处理厂的浓缩池,进水流量控制在5L/h,水温为14℃。系统连续运行8d后,对COD的去除率达到了58.9%,对氨氮的去除率达到了41.2%,12d后对COD和氨氮的去除率分别达到了73.4%和87.5%,可认为系统启动成功。2.2　LiaoZ.等人采用Kaldnes的K1型和K2型悬浮载体作为过滤介质进行了强化预处理市政污水的研究[7],通过投加聚合物进行絮凝(投量为1～3mg/L)可使滤速达到20～30m/h。本研究采用了相同的过滤介质,但高滤速是通过预充氧生物粗滤过程实现的,既不消耗化学药剂又无化学污泥产生。具体过程是:先通过预充氧使污水中的DO保持在1～2mg/L,然后进入悬浮床生物粗滤反应器进行处理。生物粗滤的作用有两个方面:一是通过生物膜的吸附、降解作用大幅度削减有机物;二是通过过滤、截留及吸附去除污水中的SS。试验结果表明,通过预充氧,生物粗滤可以较大幅度地削减有机物及SS。图2给出了生物粗滤段的COD负荷与去除负荷之间的关系。2　CODFig.2　RelationshipbetweenCODvolumeloadingandCODremovaleffectbypre-aeratedbiologicalcoarsefiltration由图2可以看出,随着进水COD负荷的提高,生物粗滤对COD的去除负荷也提高,当进水COD负荷20kg/(m3·d)时,对COD的去除负荷增幅减缓。生物粗滤段对COD的平均去除率为35.2%～61.3%;对SS的去除率高达85%～93%,当进水SS为80～180mg/L时,出水SS为8～30mg/L。同时,由于采用了轻质悬浮填料,柱1处于悬浮过滤状态,水头损失极低,平均仅为98～294Pa,排泥周期为4～6d。由于生物粗滤段大幅削减了进水中的有机物,使得后续各柱生物膜的增长及厚度得到有效控制,减缓了水头损失的增长,在保持高效去除特性的条件下,可以显著延长过滤周期,并为硝化菌的增殖提供了良好的条件,使得柱2内可以发生良好的硝化作用。2.3　CODSS试验期间,进水COD浓度变化较大,但达到稳定运行后,系统对COD表现出较佳的去除效果。当系统的HRT为3h、进水COD为148～647mg/L、COD负荷为1.224～8.788kg/(m3·d)时,对COD的总去除率可达78.8%～95.5%,出水COD为18～50mg/L(平均为31.3mg/L),系统表现出良好的抗冲击负荷能力。系统对SS的去除效果优异,由于有预处理的保障,系统出水SS受进水SS波动的影响较小,出水SS10mg/L。图3给出了沿程各反应器出水COD的变化情况。3　CODFig.3　CODremovaleffectbyeachunitincombinedprocess由