生物膜过滤技术处理污水厂二级出水

丛广治¹，白宇¹，张杰¹，白春学²，李泳¹?
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2.大连经济技术开发区水质净化二厂，辽宁大连　116600)

　　摘　要：采用生物膜过滤技术处理污水厂二级出水的试验结果表明，生物膜过滤比普通石英砂过滤效果好，且夏季的处理效果优于冬季；随着水力负荷的增加则生物膜过滤出水中的各项指标值逐渐升高，去除率逐渐降低；反冲洗对生物膜过滤处理效果的影响并不大，在反冲洗后很快便可恢复正常运行；滤柱出水可回用于景观水体。
　　关键词：污水再生与回用；景观用水；生物膜过滤
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)12-0048-03

　　把污水回用于城市景观水体是根据缺水城市对娱乐性环境的需要而发展起来的一种污水回用方式，但到目前为止只有少数发达国家进行了这方面的研究并提出了相应的标准。为此，笔者进行了用生物膜过滤技术对污水进行再生、出水回用于城市景观水体的研究，并同普通石英砂过滤进行了对比。

1　试验装置与方法

　　原水为大连开发区水质净化二厂的二沉池出水，其水质见表1。

表1　试验原水水质 项目 COD(mg/L) BOD₅(mg/L) 浊度(NTU) NH₃-N(mg/L ) 细菌(个/mL) 大肠杆菌(个/L) 平均值 77.8 19.1 9.0 29.8 63150 13690

　　试验装置见图1。
　　原水由水泵打到高位水箱后经管道自流进入各滤柱。生物滤柱的填料为坚硬、多孔、比表面积大的火山烧结石，采用上向流方式，空压机曝气，空气由柱底进入并通过穿孔管进行布气，普通石英砂滤柱采用下向流方式，两滤柱均采用气水联合反冲洗。生物滤柱的有关参数见表2。
　　生物滤柱采用自然法挂膜，大约20d可挂膜成功。试验主要考察不同水力负荷和冬、夏两季不同温度下的运行效果以确定最佳运行工况和参数。

表2　生物滤柱参数 滤柱高度(mm) 3000 滤速(m/h) 3～10 滤柱直径(mm) 200 气水比 3∶1 承托层厚度(mm) 200 水冲强度［L/(m²·s)］ 3～8 承托层粒径(mm) 4～10 气冲强度［L/(m²·s)］ 13～17 填料高度(mm) 1800 冲洗周期(d) 1 填料粒径(mm) 3～8 冲洗时间(min) 10～15

2　结果与分析

2.1　两种滤柱去除效果的比较
　　生物滤柱和石英砂滤柱对污染物的去除情况见表3。

表3　两种滤柱去除效果的比较 项目 冬季 夏季 生物滤柱 石英砂滤柱 生物滤柱 石英砂滤柱 COD

　

进水(mg/L) 100.2 68.4 出水(mg/L) 　61.4 77.2 46.9 56.7 去除率(%) 39 23 31 17 BOD₅ 进水(mg/L) 26.8 14.8 出水(mg/L) 12.1 18.2 4.4 7.5 去除率(%) 55 32 70 49 浊度 进水(NTU) 10.8 8 出水(NTU) 5.7 7.2 2.4 5.2 去除率(%) 47 33 70 35 NH₃-N 进水(NTU) 　 8.4 出水(NTU) 　 　 6.3 8.2 去除率(%) 　 　 25 2

　　由表3可知，无论是冬季还是夏季生物滤柱的净化效果均优于普通石英砂滤柱，这是因为普通石英砂滤柱主要借助滤料表面的粘附作用以及滤料空隙的机械截留作用对原水进行净化，而生物滤柱因采用火山烧结石作为滤料并进行曝气(溶解氧充足)而有利于微生物的生长，微生物能使水中胶粒的Zeta电位降低而导致部分胶粒脱稳并形成较大的颗粒，同时由微生物细胞分泌物所形成的胞外多聚物也使滤料对悬浮物质的吸附作用得到了加强，滤料表面的生物还具有较强的氧化降解能力，其可对污水中的有机物进行快速氧化。因此，生物滤柱对水中污染物的去除是吸附、过滤和生物氧化共同作用的结果。
2.2　温度、进水COD浓度对处理效果的影响
　　由表3可知，生物滤柱在夏季对BOD₅、NH₃-N和浊度的去除率要比冬季时的高10%～20%，而对COD的去除情况则相反，其原因是：①夏、冬两季滤柱的水力负荷不同。在夏季试验期间水力负荷的变化范围较大(高水力负荷时出水中的COD一直很高)，而在冬季滤柱一直在低水力负荷下运行；②进水中的COD浓度不同。试验表明，COD去除率与其进水浓度呈正相关关系，试验中冬季进水?COD的平均值为100.2mg/L，而夏季进水COD的平均值仅为68.4mg/L。同时这也说明了生物膜的生长需要有足够的养料。
2.3　水力负荷对生物膜过滤的影响
　　试验结果表明，滤柱对原水的净化效果与水力负荷有关(冬季表现得尤为明显)。在冬季，当水力负荷为3m³/(m²·h)时其对COD的去除率＞30%，对BOD₅的去除率＞50%；但当水力负荷提高到5m³/(m²·h)时其对COD的最高去除率仅为18%(平均去除率为15%)，对BOD₅的最高去除率为25%(平均去除率为20%)。在夏季随着水力负荷的增加则出水COD逐渐升高、其去除率逐渐降低。但在水力负荷为3～7m³/(m²·h)时其变化对净化效果影响不大，出水均能满足GB12941—91中的景观娱乐用水的水质要求(NH₃-N除外)。
　　BOD₅、浊度、NH₃-N在不同水力负荷时的去除率变化趋势与COD的相似。在低水力负荷条件下水中可被微生物利用的有机物在沿水流方向上不断地被微生物分解、吸收和利用，使得大部分营养物质在滤柱的下部被去除，当其到达生物滤柱上半部分后已不能满足微生物对营养的要求，从而不能形成对有机物有较强降解能力的菌胶团。当水力负荷提高后(在单位时间进入生物滤柱的有机物增加，水力停留时间缩短)水中更多的营养物质就能到达滤柱的上半部分，这使上半部分的微生物得到了一定程度上增殖(导致生物滤柱内的生物量 增加)，提高了对有机物的利用率。因此，尽管水力负荷增加、停留时间缩短，但出水仍能满足相关的水质标准要求。当水力负荷达到10m³/(m²·h)时，生物滤柱的出水已不能满足相应的水质标准要求，这是由于滤层中的微生物对有机物的去除是有一定的限度的；另一方面，水力负荷的增加也增加了生物过滤处理系统的不稳定性。因此，冬季的水力负荷采用3m³/(m²·h)、夏季的水力负荷采用7m³/(m²·h)较为适宜。?
2.4　生物滤柱的反冲洗?
　　试验采用气水联合反冲洗，在强大的气流和水流所形成的剪切力作用下生物膜大量脱落，原以为反冲洗后的处理效果会很差，但试验结果表明，反冲洗3h后生物滤柱对浊度、BOD、COD的去除率就恢复到正常水平，这可能是因为生物膜本身独特的结构对流体产生的剪切力具有一定的缓冲作用，能够使生物填料表面即使在反冲洗后依然保持着一薄层、结构紧密的生物膜，它具有较高的传输效率，从而使滤柱能对水中污染物保持较高的去除率。

3　经济分析

　　生物膜过滤工艺占地面积小，采用该工艺的污水回用厂只需在原二级处理的基础上建设即可，且投资少、运行费用低(总成本仅为0.30～0.40元/m³)，其处理出水基本可满足景观水体的回用要求，非常适合在我国推广使用。

4　结论?

　　①由于微生物的作用，生物滤柱的吸附、过滤作用得到了加强，同时它还有氧化作用，这使得生物滤柱的净化效果较普通石英砂滤柱的大为改善。?
　　②温度对生物滤柱的处理效果有一定的影响，夏季的净化效果优于冬季。
　　③在一定的水力负荷下，COD的去除率与其进水浓度呈正向相关性。随着水力负荷的 增加则生物滤柱出水的各项检测指标值逐渐升高，去除率逐渐降低。由试验知，冬季宜采用低水力负荷［3 m³/(m²·h)］运行，夏季水力负荷采用7 m³/(m²·h)比较适宜。
　　④反冲洗对生物滤柱处理效果的影响并不大，生物滤柱在反冲洗后很快便可恢复正常运行。
　　⑤生物膜过滤工艺的出水可回用于城市景观水体，其可选择在原有的二级污水处理厂后续建，从而大大节省了基建投资和运行费用，值得大力推广。

参考文献：

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　　［2］Spath R,Flemming H C，Wuertz S.Sorption properties of biofilms［J］.Wat Sci Tech,1998,37(4-5):207-210.
　　［3］ Julian Wimpenny,Werner Manz,Ulrich Szewzyk.Heterogeneity in biofilms［J］.Fems Microbiology Reviews,2000,24:661-667.

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　　收稿日期：2002-05-27