好氧生物膜过滤装置的研究

张万友¹　王德英¹　吕洪滨²　包海峰²　张俊贞³　刘景明⁴
(1.东北电力学院应用化学系，吉林 吉林市 132012；2.吉林市天源水处理工程有限公司，吉林　吉林市　132013；
3.天津大学　环境工程研究所，天津　300072；4.吉化公司污水处理厂，吉林　吉林市　132032)

　　摘　要：研究开发了一种新型好氧生物膜过滤装置，能有效地降低污水中的COD_Cr、BOD₅、NH₃-N和SS等。二级处理后出水再经该装置处理后，水质达到《生活杂用水水质标准》(CJ 25.1—1989)，有显著的社会、环境和经济效益。
　　关键词：污水深度处理；　好氧生物膜过滤器；　生物脱氮
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2000)05-0008-04

Study on Aerobic Attached Biofilm Filtration Device

ZHANG Wan-you，WANG De-ying
（Depart.of Applied Chem.Eng.,Northeast Electric Eng.Institute,Jilin 132012,China;）
LU Hong-bin，BAO Hai-feng
（Tianyuan Wastewater Treatment Eng.Co.Ltd.,Jilin 132013,China;）
　ZHANG Jun-zhen
（Environ.Eng.Research Institute,Tianjin Univ.,Tianjin 300072,China；）
LIU Jing-ming
（Wastewater Treatment Plant,Jilin Chem.Eng.Co.,Jilin 132032,China)

　　Abstract：A new aerobic biofilm filter with fibrous carrier was developed for treatment of secondary effluent. Pollutants such as COD_Cr, BOD₅, NH₃-N and SS could be removed effectively with this device. The treated effluent could meet the Miscellaneous Domestic Water Quality Standard (CJ 25.1—89). The development of this device has significant social, environmental and economical benefits.
　　Keywords:　advanced treatment of wastewater;　aerobic attached biofilm filter;　biological nitrogen removal

1　好氧生物膜过滤装置的开发

1.1　填料的选择
　　目前，常用的填料有：蜂窝管状填料，软性、半软性纤维填料，立体波纹填料，石英砂、陶粒等硬性填料。从理论上讲，石英砂与陶粒等硬性填料的来源、价格、机械强度、化学稳定性等方面条件优越，但与软性、半软性填料相比，其孔隙率低、比表面积小、表面吸附能力差，使其截污能力受到限制，而且填料间孔隙率小、水流阻力大、水头损失增长快、过滤周期短、易于堵塞，所以在产水量和出水水质方面都比不上软性填料。选用这些填料，生物膜生长后易结成球状，减小填料的比表面积，产生厌氧膜。为避免这些现象的产生，研究开发了一种新型软性填料，它是经过特殊处理的合成纤维，其比表面积大大增加，提高了孔隙率，纤维的直径在几纳米之内，在国内尚无报道。这种新型软性纤维与石英砂的参数对照见表1。

表1　新型软性纤维与石英砂的参数对照表 项　目 纤维丝 石英砂 直径(μm) 20　　　　　　　　　　　　　　　　　50 850 孔隙尺寸(μm) 3.2～59.1　　　　　　　　　　8.1～148.3 136 比表面积(m²/m³) 20 000～200 000　　　　　　　8 000～9 000 4 926 滤池截流量(kg/m³) 5～10 1～1.2(快滤池)　10～15(多层滤池) 滤池空隙率(%) 70～90 40

　　表2给出了新型软性纤维填料与国内常用填料的性能参数。该填料还具有一些特点：

表2　新型改性软性纤维填料与国内常用填料的性能参数 项目名称 布水布气 挂膜 运输 堵塞 比表面积(m²/m³) 空隙率(%) 成品重量(kg/m³) 参考价(元/m³) 陶粒等硬性填料 较差 较易 易损耗 较易 110～208 98～99 23～42 270～420 蜂窝填料 较差 较易 易损耗 较易 100～200 98～99 40～50 450～700 盾状填料 较好 易 方便 不易 1 000～2 500 98～99 　 150～250 立体波纹填料 较差 较易 易损耗 较不易 110～200 90～96 2.6～3.6 450～550 半软性填料 好 较易 方便 不易 87～93 97 11～16 250～300 普通软性填料 较差 易 方便 易结球 1 400～2 400 ＞90 1.5～3.0 70～80 新型改性
软性纤维填料 较好 易 方便 不易结球 8 000～9 000 ＞90 　 70～80

　　①　表面粗糙，有较强的生物膜附着性；
　　②　形状规则、尺寸均一，水气在填料间流速均匀；
　　③　布水、布气均匀，水流流态好，有利于传质；
　　④　截污能力强，对微生物的增殖无抑制作用，不溶出有害物，不会引起二次污染；
　　⑤　质轻、强度大，化学和生物稳定性好，经久耐用。
　　这些特性正是生物膜处理中载体材料所力求具备的。
1.2　装置的结构
　　好氧生物膜过滤器是装置的核心，其结构示意图见图1。

1.3　装置的特点
　　该生物膜过滤器与其他生物膜法相比，具有如下特点：
　　①　气水顺流向上，有利于气水较快地混合和布水均匀。避免了气水逆向流时水流速度和气流速度的相对抵消而造成能量的浪费和容易堵塞，也避免了上部污水浓度高、溶解氧低，而下部污水浓度低、溶解氧高的现象。
　　②　在底部一定位置上曝气，不仅供氧充足，还对生物膜起搅动作用，从而加快生物膜的更新，并提高其活性；空气的搅动还可加快细菌表面介质的更新，增强传质效果，加快生物代谢速度，缩短处理时间。
　　③　气和水顺流向上都有利于生物膜的脱落和沉降，避免生物膜重新自溶且增大了COD容积负荷。
　　④　新型软性填料比表面积大、孔隙率高，故单位体积附着的生物种类多、生物量大，也大大提高了其容积负荷，增大了基质的去除率。填料在氧化区内松散而均匀的布置，使生物膜生长得密实而均匀，且有利于气泡的破碎，提高了充氧效率，加快了有机物的氧化速度。填料上下固定，可避免气水的冲击而造成填料结团、堵塞。此外，新型软性填料与接触氧化工艺的结合，有利于丝状菌及其他贫营养性微生物的生长，可提高对低浓度污水的处理能力。
　　⑤　该工艺还具有一般生物接触氧化法所具有的共性：介质静态、运行能耗低、管理方便；介质完全淹没、避免夏季膜干化；填料比表面积大、尺寸小。
　　⑥　进一步减少了反应器的体积。

2　试验内容及结果

2.1　试验流程及处理水量
　　试验系统由地面贮水箱(污水和清洗水贮水箱)、高位水箱、水泵(提升泵和管道泵)、空气压缩机、生物膜过滤器等单元组成。试验装置流程如图2所示，处理水量为11 m³/h。

2.2　试验水质及评价
　　试验用水取自吉化污水厂的二级处理出水，水质见表3。

表3　试验水质 NH₃-N
(mg/L) COD
(mg/L) BOD₅
(mg/L) DO
(mg/L) SS
(mg/L) 浊度
(NTU) pH 颜色 1～30 80～
170 10～17 ＜2 80～
200 80～
200 7.2～7.6 淡紫

　　对原水分析结果，BOD₅/COD＝0.06～0.213，说明试验所用原水可生化性很差。
2.3　挂膜与驯化
　　为了加快挂膜的速度，采用排泥挂膜法。以吉化污水厂的活性污泥为微生物的接种液，与污水一起泵入氧化床内，通气闷曝18 h后静沉，排出2/3上清液，通入待处理水再闷曝18 h后排掉床内所有的污水和悬浮物、沉降污泥，然后再连续进污水和压缩空气，进水量从320～400 L/h开始后，每隔3～4 h(后期时间间隔可缩至为2 h)增加80～120 L/h，逐渐增加到900～1 000 L/h，空气量控制在12～15 m³/h，同时监测进、出水的COD值，并算出COD的去除率，直至挂膜成功为止。挂膜时间共4 d。
　　挂膜前后，纤维表面有明显的变化。挂膜前纤维洁白，挂膜后纤维表面附着生物膜，为土黄色，曝气效果不好的地方为黑色。
2.4　污水深度处理效果
　　①　COD_Cr：原水COD_Cr值为80～170 mg/L，经过成膜初期后，出水COD_Cr为30～50 mg/L，去除率最高可达70%。
　　②　SS：原水SS为80～200 mg/L左右，出水可达8～20 mg/L，去除率最高可接近90%。
　　③　BOD₅：原水BOD₅为10～17 mg/L，出水为1～1.5 mg/L，去除率接近90%，这是装置的显著特点之一。
　　④　NH₃-N：原水NH₃-N在1～30 mg/L之间变化，出水可控制在0～3 mg/L之间，去除率最高可达100%，平均为93.4%。
　　⑤　生物膜均匀，脱落时沉降快、分离性能好、块大，没有污泥流失现象。

3　讨论

3.1　供气方式和气水比
　　原水的溶解氧含量极低(＜2 mg/L)，很难满足高密度微生物所需，故向好氧生物膜过滤器内供给一定量的空气，但布气应力求均匀，气泡小而密；相反布气不均匀，气泡大，气量波动时易使生物膜脱落。
　　当气水比达到10∶1时，COD去除率达最大值为89.9%，而后随着气水比的继续增加，COD去除率反而下降，这是因为充足的氧能加速微生物降解有机物的速度，从而增加净化效果和产水量，但供气量过高时，较大的气流将生物膜吹落，反而使出水COD和浊度增高，因此COD去除率反而下降，净化效果变差。这一点在生物接触氧化法处理酵母废水和制革工业废水中都得到证明^［1］。
　　综合考虑各因素，试验采用的气水比为8∶1～10∶1。
3.2　水力负荷
　　试验在气水比为8∶1～10∶1的情况下，对不同水力负荷下的COD及NH₃-N进行了测试。从试验中发现，水力负荷与COD去除率呈非线性关系，而当进水COD负荷一定时，剩余COD与水力负荷近似成正比例直线关系。
3.3　pH值
　　pH值的大小直接影响硝化菌的生理条件，随着硝化的进行，pH急剧下降；而硝化菌对pH值十分敏感，亚硝酸菌和硝酸菌分别在pH为7.0～7.8和7.7～8.1时活性最强，pH超过此范围则活性急剧下降，极大地降低了有机物和NH₃-N的去除率，国内外众多学者通过大量实验证明，硝化反应最佳pH值应控制在7.0～8.5之间。
　　对于好氧接触氧化法的其他微生物，其生长适宜环境也多为中性或弱碱性，所以控制进水pH值在6.5～9.5较有利于好氧膜的发展。
　　试验pH值控制在7.0～7.5，同时对生物膜过滤器不同深度的pH值变化做了测试，其结果表明：原水进入生物膜过滤器后pH值下降，随着氧化区的深度增加，pH值逐渐上升，直到出水pH值大于进水。这是因为在生物接触氧化过程中，硝化反应产生H⁺使pH值下降，但是强烈的曝气使原有的CO₂及有机物氧化产生的CO₂不断从水中逸出，碳酸平衡(CO₂+H₂OH₂CO₃HCO^-₃+H⁺CO²⁺₃+2H⁺)左移，又使pH值上升。
3.4　温度
　　温度不仅影响微生物群体的代谢活性，而且显著影响气体的转移速率及生物固体的沉降特性，有关资料表明，生物接触氧化的生物膜主要由室温性微生物所构成。试验中水温在5～20 ℃，为微生物生长繁殖的最佳温度，故去除率较高。
3.5　运行周期与清洗
　　当出水水质达不到处理要求时即可视为运行到周期，需通过清洗经再生更新生物膜，恢复较高的处理效果。对于吉化污水厂的二级处理出水，运行周期为5～6 d。

4　结论

　　新型好氧生物膜过滤装置经过两个多月试运行的结果表明，该装置具有以下特点：
　　①　挂膜时间短，膜厚且均匀，并克服了传统方法的污泥堵塞问题。
　　②　占地面积小，处理效率高。
　　③　对低浓度的污水有很高的去除效率。
　　④　对氨氮有显著的去除效果。
　　⑤　不产生污泥膨胀，耐冲击负荷能力强，运行稳定。
　　⑥　污泥沉降性和絮凝性好，易于分离。
　　⑦　处理周期长，失效后经气水清洗，恢复处理能力速度快，易于操作管理。
　　⑧　二级处理后出水经本装置处理后，满足我国《生活杂用水水质标准》(CJ 25.1—1989)。

参考文献：
［1］　玉莉等.生物接触氧化法处理酵母废水研究［J］.工业水处理，1992，12(3).

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基金项目：吉林省科技攻关项目(962801-1)

作者简介：张万友(1957-　)，男，吉林人，东北电力学院副教授，硕士，哈尔滨工业大学博士研究生，研究方向：水处理工程。
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收稿日期：2000-01-10