炉渣填料厌氧滤池的初步研究

温瑛

　　【摘要】 本文对常温下炉渣填料厌氧滤池处理中等浓度有机废水的工艺进行了探讨。试验结果表明，该工艺具有启动快、处理效果好、抗冲击负荷能力强等优点，而且填料价格便宜，运行费用低，虽存在堵塞问题，但可通过定期反冲洗解决，值得进一步研究和推广。
　　【关键词】 厌氧滤池 颗粒填料 炉渣填料

1 前言

　　厌氧滤池（AF）是一种很有发展前途的废水厌氧处理工艺，国内外不少研究者将它与另一种很有前途的反应器UASB进行过比较，结果表明，在处理中等浓度有机废水时两种反应器各种性能相匹敌，去除效果相当，而且AF管理简便，是比较适合我国目前运行人员水平的一种处理工艺。
　　选择填料时考虑的重点是反应器的经济性和良好的去除效果。填料的价格在厌氧滤池的投资中占有相当大一部分比例，人工填料价格总是比较昂贵。目前我国用于环保的资金有限，廉价的填料有利于使有限的资金发挥更大的作用。通过对各种类型填料优缺点的分析认为，从经济角度看，粒状填料最合适。虽然它有堵塞的可能性，但可以通过反冲洗等方式加以避免和减轻。
　　本研究主要探讨了炉渣作为厌氧滤池填料处理中等浓度有机废水的可行性，对试验装置的性能进行了初步研究。

2试验装置与试验方法

2.1 试验装置
　　图1是试验装置的工艺流程示意图。厌氧滤池主要设计参数见表1。在滤柱上沿高度有6个取样口。试验用的炉渣填料基本物理参数见表2，在滤柱中装填高度为800mm。试验废水为人工配制葡萄糖废水，整个试验过程中反应器均在常温下运行。

厌氧生物滤池主要设计参数 表1 名 称 高 度（mm） 内 径（mm） 有效容积（L） 填料区 800 100 6.28 膨胀区 400 100 3.14 澄清区 250 150 3.53 总 计 12.95

炉渣填料基本物理参数　　表2 填料名称 粒度范围
(mm) 比重
（g/cm³） 堆积容重
(g/cm³) 空隙度
(%) 比表面积
(m²/g) 炉渣 2.1～4.0 2.70 0.832 69.4 18.4

2.2 试验方法
　　试验分为启动阶段和稳定运行阶段，其中稳定运行阶段包括变负荷运行期及变温度运行期。本文中进水负荷均指填料有机负荷，水力停留时间HRT均指填料区空池HRT。
　　启动阶段采用的接种污泥是北京酒仙桥污水厂双层沉淀池的消化污泥，污泥VSS／SS＝37％，最大COD比去除率为0.64kgCOD／kgVSS.d。投放入滤柱的VSS约100g，相当于污泥浓度为16.1kgVSS／m³。启动阶段维持进水负荷约0.526kgCOD／m³.d，出水PH值控制在6.5～7.5之间。静置2天后连续进水，一周后即可观察到填料表面有黑色粘膜状物质——生物膜生成。投泥后第12天滤柱C0D去除率即达到60.4％并稳定上升。至此认为启动完成。启动过程维持碱度在1000mg／l左右（以CaCO₃计），水温变动于14～18℃。
　　滤池启动完毕后，进入稳定运行阶段，水温变化在22～27℃之间。先后改变水力停留时间、进水C0D浓度等，以考察不同有机负荷下滤池处理效果。该部分试验共运行了122天。然后进行了水温变化的影响试验。维持进水负荷在4.5kgCOD／m³.d左右，水温从26℃逐渐降到12℃以下，考察温度变化对滤池效果的影响。该部分试验共进行了50天。
　　滤柱正常运行过程中，系统碱度维持在800～1200mg／l（CaCO₃计）范围。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果
　　图2是反应装置变负荷运行期试验结果。
3.2 结果分析
3.2.1 填料对启动的影响
　　废水厌氧生物处理出现的主要问题之一是启动过程常难以控制，而在本试验中，即使是在14℃左右的低温下，启动过程仅用了12天就完成了。炉渣是一种人工熔岩，孔隙发达，比表面积极大，能够促进微生物在其上有效地附着。其次，炉渣中含有氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等多种矿物质，当废水流经填料时，填料中的二价阳离子有助于厌氧污泥的吸附絮凝，促进了微生物在反应器中的停留，对启动过程产生了有益的影响。
3.2.2 有机负荷、进水浓度、HRT对处理效果的影响

　　图3体现了不同负荷Nu下滤池COD去除率变化情况。从图中曲线可以看到，在25℃的反应温度下，随着负荷的提高，滤池去除效率逐渐下降。在进水负荷小于4.0kgCOD／m³.d时，去除率大于80％，出水COD小于500mg／l。在设有城市污水处理厂的地区，这样的出水COD值已经符合“污水排放下水道水质标准”（CJ18－86）中要求。

　　一般认为基质降解的动力学遵循一级反应关系，即dC／dt＝－KC，或者写成ln（Ce／CO）＝－K＇／Nu。图4是不同有机负荷下ln（CO／Ce）～1／Nu关系曲线。从图中可以看出，本试验中COD去除率以5.0kgCOD／m³.d为限，在高、低负荷时具有各自的规律，得到两条直线。为了获得比较高的去除负荷（即较大的K’值），厌氧滤池的设计负荷宜采用5.0kgCOD／m³.d以上。但负荷提高，去除率则降低，因此在运转中，最好根据实际需要选择合适的进水负荷。
　　图5直观地反映了进水浓度对去除率的影响：在相同HRT条件下，进水浓度越高，去除率越低。而且当进水浓度较小（COD＜2000mg／l）时，浓度变化的影响不很显著，但当进水COD＞4000mg／l后，这种影响则很明显。试验同时表明，用2－4mm 粒径炉渣作填料时，进水C0D似乎不宜大于7000mg／l， 因为发现在这种浓度下，生物量增长极快，很快就引起滤池堵塞，不得不缩短反冲周期，影响生物膜的良好生长，而且容易导致酸化现象。
　　图6反映出，对不同的进水浓度，HRT的影响程度不一样。当进水COD小于2000mg／1，HRT大于10hr时，HRT的变化对去除率影响很小；当进水COD为4000mg／l，HRT只在大于16hr后，其影响力才减弱。此后的HRT只意味着搅动混合条件。姑且称这个转折点为“有效HRT”。进水浓度越高，有效HRT值越长。当HRT小于有效值时，其对处理效果的影响力是相当显著的。
3.2.3 冲击负荷对处理效果的影响
　　试验采取两种方式改变负荷：提高HRT及提高进水COD值。当保持HRT不变，负荷由4.481提高到9.915kgCOD／m³.d并持续一段时间，测得出水COD值基本上没有变化。保持进水COD不变，改变HRT使负荷由4.50提高到8.99kgCOD／m³.d时，出水COD值仅提高了20％。一旦进水负荷恢复，出水COD值迅速回复到原来水平。试验同时也表明，虽然滤池能忍受短时间的负荷突变，但若持续时间过长，会产生不利影响，系统中有机酸浓度迅速上升，PH值降到5以下，甚至引起不可逆转的破坏作用。
　　总结试验可得出结论：颗粒填料厌氧滤池能忍受短时间的负荷冲击，而且更能忍受由于浓度变化引起的负荷冲击。在工艺设计时，若能设置水量调节池，将有益于滤池的稳定运行。
3.2.4 PH值对处理效果的影响
　　本试验中当滤柱稳定运行时，系统PH值基本保持在7.0～7.6之间。当系统PH小于6.5时，产甲烷菌的生长受到了抑制，而产酸菌活性仍很旺盛，PH值很容易会继续降到5以下，使系统遭到破坏。因此在滤池运行中，建议保持系统PH在7.0～7.6之间，即在中性偏碱环境下工作。
　　从试验经验看，稳定运行的系统内PH主要受进水负荷影响。图7a大概地表示出了进水负荷与PH的关系。随着进水负荷增大，系统PH值逐渐降低，但速度比较缓慢，看来反应器能够适应一个比较宽的负荷范围。另外负荷突变对系统产生的影响也在PH值上表现出来。试验中几次负荷突变时都观察到PH下降的现象，突变过后PH值一般能很快恢复正常。相比之下，系统PH值与进水PH关系较小，见图7b。试验中当滤池正常运行时，进水PH即使低至4.6，系统内PH仍能平衡在6.9～7.2，说明系统已经形成了良好的缓冲体系。
3.2.5 温度对处理效果的影响
　　从图8曲线变化看，当环境温度高于20℃时，有机物去除率较高，而且温度对去除效果的影响开始变得平缓。当温度低于18℃时，处理效果随温度的降低急剧下降。这说明如果能保持滤池水温在20℃以上，反应器的处理效果比较好，而且温度对滤池去除率的影响将退至次要地位。

3.2.6 滤池的反冲洗
　　由于生物体的增长和悬浮物的穿透，滤池会逐渐发生堵塞现象，需要进行反冲洗，以去除引起堵塞的生物膜和悬浮物。试验中根据出水C0D值增高，超出预定标准来决定进行反冲洗。根据试验中反冲操作情况，滤池的反冲周期与进水浓度有很大关系，进水浓度高，微生物增长快，则反冲周期短。本试验粒径下当进水COD小于2000mg／l时，反冲周期一般为31天左右；进水浓度约4000mg／l时，反冲间隔为21天；而当进水浓度提高到6552mg／l后，反冲间隔缩短到12天。过于频繁的反冲洗可能导致微生物大量流失，使系统活性降低过于剧烈而难以恢复。反冲完后的滤池一般可在一天内恢复正常工作。
3.2.7 厌氧滤池微生物的观察
　　根据电镜观察可以初步得到以下几点结果：
　　① 由于进水为人工配制废水，基质成分比较单一，故反应器底部细菌形态比较简单，杆菌在数量上占绝对优势。反应器上部细菌形态比较丰富，杆菌、球菌、丝状菌的数量都比较多，没有明显的优势菌种。这是由于随着高度的增加，经过细菌的代谢活动形成了多种中间产物及终产物，使基质组分多样化，从而导致菌种的多样化。
　　② 从细菌数量上来看，底部生物膜厚度明显大于上部生物膜厚度，因此反应器底部对基质的去除率更高。同时还观察到，背水流方向的载体表面生物膜生长情况好于向水流方向上的生物膜，可能由于向水流方向上受到水的剪切力比较大，使生物膜容易脱落。
　　③ 反冲洗虽然将大部分细菌冲走，但在填料表面还存在有相当数量的细菌和被冲断的丝状菌片断，有些地方还存在着整块的生物膜。将填料剖开进行电镜观察，可以看到炉渣填料内部有大量空隙，而且这些空隙多数是与外界相通的，即炉渣填料的有效空隙率接近总空隙率。在空隙中残留有较多的微生物。因此反冲后载体表面的生物膜能够很快恢复原来的数目，反应器能在较短的时间内恢复正常运转效果。但由于厌氧菌生长速度比好氧菌慢得多，因此厌氧反应器的反冲频率不能够象好氧反应器那么高，否则载体上生物膜将难以恢复。
　　④ 反应器停止运行一段时间后，由于缺少养料，载体表面生物膜会逐渐脱落，细菌活性降低。但从观察结果看，残存的细菌数量仍然比较多，而且优势菌种与反应器正常运转时一致，说明停料后反应器中只是细菌数量减少了。因此，只要停料时间不是太久，重新启动一般不需要特殊措施，反应器很快就能恢复正常性能。

4 结论

　　通过以上利用葡萄糖配水所进行的试验研究，主要得到以下几点结论：
　　① 炉渣填料比表面积极大，有利于微生物生长，可以加快厌氧滤池的启动速度。
　　② 常温下利用炉渣填料厌氧滤池处理中等浓度有机废水，去除效率比较高。
　　③ 常温条件下炉渣填料厌氧滤池能够稳定运行，运行环境最好能保持在25℃左右。
　　④ 用炉渣填料厌氧滤池处理有机废水，正常运行后进水PH值可以低至4.5左右。
　　⑤ 由于炉渣填料形状不规则，表面多孔隙，而且内部孔隙多与外界相通，附着微生物量很大，反冲洗后仍可以保持有相当数量的微生物，因此可以迅速恢复正常工作。

参考文献
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