龍騰銳 何強(qiáng)

( 重慶建筑大學(xué))；陳士年(貴州省規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

摘要：研窟了以爐渣、陶粒、核桃殼為填料的三種變速厭氧濾池處理城市污水的工況，并對(duì)影響反應(yīng)器性的因素作了分析。結(jié)果表明，在負(fù)荷2.31和4.54kgCOD/M 3 ·d下，三種濾池的出水COD均<100和150mg/L，分別達(dá)到國(guó)家有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 前言

變速厭氧生物濾池是在普通厭氧濾池 [1、2] 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的污水處理新設(shè)備。該工藝的特點(diǎn)是上向水流為變速流，即濾速沿出水方向逐漸減小，這樣不僅有利于泥水分離，維持反應(yīng)器內(nèi)較高的生物濃度，而且由于下部濾速相對(duì)較大，不易造成反應(yīng)器的堵塞，給維護(hù)管理帶來方便。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)過程

2.1試驗(yàn)裝置和材料

試驗(yàn)采用三套相同的變速生物濾池，用三種濾料同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，池體均用有機(jī)玻璃制成，總高度2225mm，有效容積37.62L，部分設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。
試驗(yàn)用的三種填料分別為核桃殼、爐渣和陶粒，裝填高度內(nèi)外均為400mm，其基本物理參數(shù)見表2。

*該高度不包括水頭損失和超高，共600mm

試驗(yàn)污水取自貴陽市某城市下水道，水溫3～23℃之間。經(jīng)2.0×2.0mm窗紗過濾后，SS72～179mg/L，BOD 5 50.9～86.5mg/L，COD Cr1 99~299mg/L，pH為7.3～7.7。

2.2試驗(yàn)過程
試驗(yàn)分啟動(dòng)階段、負(fù)荷運(yùn)行階段和溫度影響三個(gè)試驗(yàn)階段。
2.2.1 啟動(dòng)階段
試驗(yàn)的接種污泥活性較低，測(cè)得其最大比COD去除速率為0.16kgCOD/kgVSS·d。啟動(dòng)時(shí)，在三個(gè)反應(yīng)器中分別加入3.3L接種污泥，污泥濃度為6.9g/L，然后加入試驗(yàn)污水，靜置2d后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制水力停留時(shí)間(HRT)為36h，相應(yīng)的污泥負(fù)荷為0.32kgCOD/kgVSS·d。兩周后發(fā)現(xiàn)三種填料均明顯掛膜，COD去除率均在60%以上，至此認(rèn)為啟動(dòng)階段結(jié)束。
2.2.2負(fù)荷運(yùn)行階段
負(fù)荷運(yùn)行階段在溫度變動(dòng)很小的條件下進(jìn)行，水溫變動(dòng)于17~20℃之間。由于水質(zhì)在試驗(yàn)期間變動(dòng)不大(均為城市下水道新鮮污水)，所以負(fù)荷的變動(dòng)通過調(diào)整HRT來實(shí)現(xiàn)，取HRT18、12、8和4h，相應(yīng)的負(fù)荷分別為0.276、0.456、0.897和1.758kgCOD/m 3 ·d，每個(gè)負(fù)荷段均運(yùn)行10d左右，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。
在負(fù)荷運(yùn)行階段，濾池內(nèi)堿度均變動(dòng)于250~400mg/L之間(以CaCO 3 計(jì))，揮發(fā)酸均在20mg/L以下。三濾池COD去除率為50~78%，SS去除率77~95%。
2.2.3溫度的影響試驗(yàn)
負(fù)荷運(yùn)行階段試驗(yàn)結(jié)束后作了溫度的影響試驗(yàn)，在HRT為12h條件下，作了溫度為17~20℃、10~13℃、3~6℃三個(gè)溫度段的試驗(yàn)。
整個(gè)試驗(yàn)過程歷時(shí)160d。
3.試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果
負(fù)荷運(yùn)行期試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，溫度的影響試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

3.2結(jié)果分析
3.2.1 填料對(duì)處理效果的影響
在厭氧生物濾池中，填料為厭氧微生物提供附著生長(zhǎng)的表面積，填料的空隙率、比表面積對(duì)反應(yīng)器所能承受的有機(jī)負(fù)荷、處理效果都有較大影響。Van den Beng等人 [3] 在研究填料時(shí)發(fā)現(xiàn)，并非比表面積越大越好；Song和Young [4] 在研究填料對(duì)厭氧濾池的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，填料的比表面積對(duì)濾池運(yùn)行影響很小，而填料對(duì)水流的再分配狀況有更重要的影響。因此，他們認(rèn)為填料充填方式以及填料本身的形狀至關(guān)重要。在本試驗(yàn)中，孔隙率并非最小(比表面積并非最大)的爐渣的處理效果，優(yōu)于相同條件下的陶粒和核桃殼的處理效果，說明孔隙率、比表面積確實(shí)不是決定處理效果的唯一因素。
就城市污水處理，由于污水中SS占COD 的50%左右，且厭氧濾池常有堵塞之虞，所以僅靠選擇小粒徑的填料是不可取的。為了達(dá)到較高的處理要求，可以增加填料的高度，并有利于厭氧細(xì)菌菌屬的自然分層，但工程上應(yīng)用也不宜過高。有研究指出，填料裝填高度應(yīng)保證水流穿過填料的時(shí)間>30min。本研究填料裝填高度0.4m，因雙向流實(shí)際水流穿過的填料高度是0.8m，經(jīng)計(jì)算除陶粒在HRT=4h時(shí)過濾時(shí)間為26.7min，其余均超過30min。試驗(yàn)結(jié)果表明，三種填料在一定的HRT下，均有較好的處理效果。

注:表3、4中，填料①核桃殼，②爐渣，③陶粒
3.3.2 水力停留時(shí)間(HRT)及負(fù)荷Nv對(duì)處理效果的影響
Young和McCarty [5] 總結(jié)了許多厭氧濾池的試驗(yàn)結(jié)果，提出了預(yù)測(cè)BOD u 去除率的關(guān)系式(30~35℃):
E=100(1—1.8/HRT) (1)式中E——預(yù)計(jì)溶解性BOD u 去除率，%
HRT——濾池空池水力停留時(shí)間，h
由式(1)可知，厭氧生物濾池的BOD去除率只取決于HRT，并且HRT必須>1.8h，本試驗(yàn)中最低HRT為4h。
負(fù)荷Nυ是生物反應(yīng)器的主要控制參數(shù)之一，厭氧濾池處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)負(fù)荷可高達(dá)10～30kgCOD/m 3 ·d [6] ，但對(duì)城市污水很難達(dá)到如此高的負(fù)荷，本試驗(yàn)最高負(fù)荷為8.9KgCOD/m 3 ·d。
HRT、負(fù)荷Nv與COD去除率關(guān)系如表5。圖2、3、4分別是COD、BOD 5 、SS與HRT (Nv)的關(guān)系曲線。


從圖2可以看出，三種填料的出水COD隨HRT的減小即負(fù)荷的增大而增大。當(dāng)HRT≥12h、Nv≤2.31kgCOD/m 3 ·d時(shí)，出水COD都在100mg/L以下，符合GB8978-88中新擴(kuò)改一級(jí)綜合排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)HRT≥8h、Nv≤4.54kgCOD/m 3 ·d時(shí)，出水COD都在150mg/L以下，符合現(xiàn)有一級(jí)綜合排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)HRT=4h、Nv=8.90kgCOD/m 3 ·d時(shí)，進(jìn)出水的溶解性COD非常接近(去除率11%左右)，而總COD去除率接近50%，可以認(rèn)為此時(shí)濾池僅起截留作用，去除的COD主要是非溶解性的。不同填料，效果最好的是爐渣，陶粒次之，核桃殼相對(duì)效果最差，如表5。


3.2.2 溫度對(duì)處理效果的影響
在生化處理過程中，溫度不僅影響微生物的生存和篩選競(jìng)爭(zhēng)，而且影響反應(yīng)速率。利用厭氧工藝處理城市污水時(shí)，由于污水中有機(jī)物濃度低，很難利用所產(chǎn)沼氣的熱值來填補(bǔ)厭氧反應(yīng)器中溫或高溫消化所需的加熱量。所以，盡管厭氧消化過程受溫度的影響明顯，但近年來紛紛研制開發(fā)常溫下正常運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器，它的特點(diǎn)是生物量高，以其較高的生物活性酶濃度來補(bǔ)償或緩沖溫度的影響，使反應(yīng)器在常溫下仍可進(jìn)行正常的厭氧消化過程。
圖5、6、7分別為溫度與COD、BOD 5 和SS 去除率的關(guān)系曲線。
從圖5可以看出，隨著溫度的降低，COD 的處理效率大幅度下降，當(dāng)溫度在低溫區(qū)(4.4~11.5℃)變動(dòng)時(shí)，三種填料濾池出水COD相差不大。特別是當(dāng)T=4.4℃時(shí)，三種填料出水的溶解性COD都較進(jìn)水高(高出24.3~30.8%)，說明反應(yīng)器中微生物在低溫刺激下會(huì)分解產(chǎn)生溶解性COD，總COD的去除純粹是過濾去除SS的結(jié)果。
從圖6可以看出，BOD 5 隨溫度的降低其去除率與COD類似地大幅度下降，與COD不同的是即使在低溫下，反應(yīng)器仍有一定的溶解性BOD 5 去除率(4.78~10.5%)。



由圖7可看出，在試驗(yàn)溫度的變化范圍內(nèi)，對(duì)SS的去除率沒有明顯影響。
3.2.3 反應(yīng)器中的微生物
試驗(yàn)中用光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，填料表面生物膜呈黑色絨狀。在三種厭氧濾池中，微生物以球菌最多，隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行，腐生型原生動(dòng)物量增加，同時(shí)化能型細(xì)菌(如硫酸菌等)時(shí)常出現(xiàn)。

4 動(dòng)力學(xué)模型

由于城市污水是低濃度污水，因此認(rèn)為符合一級(jí)反應(yīng)的假定，可表示為:
-ds/dt=KS(1)式中S——基質(zhì)濃度
t——反應(yīng)時(shí)間
K——反應(yīng)速率常數(shù)
需說明，在厭氧生物濾池中BOD 5 的降低有相當(dāng)部分來自對(duì)SS的截留，這是個(gè)物理過程，所以在動(dòng)力學(xué)模式研究中，基質(zhì)濃度均以溶解性BOD(SBOD)表示。
式(1)積分得:

式中S o 、S e ——進(jìn)、出水溶解性BOD 5
HRT——水力停留時(shí)間
由式(2)得:

式中E——溶解性BOD 5 去除率
由式(4)得:
In(1一E)=-K·HRT(5)
表6為試驗(yàn)中SBOD 5 去除率與HRT的關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行線性回歸，得城市污水SBOD 5 去除率E隨HRT變化的動(dòng)力學(xué)模式為:

(6)、(7)、(8)三式的相關(guān)系數(shù)分別為0.998、0.966、0.995，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表可知 [7] 當(dāng)子樣容量為4、置信度95%時(shí)，臨界相關(guān)系數(shù)為0.95，所以(6)、(7)、(8)三式的模擬關(guān)系是可信的。

5 結(jié)論

① 變速厭氧濾池采用粒徑2.0~5.0mm 的核桃殼、2.0~5.0mm的爐渣和2.0~2.5mm的陶粒作填料，以城市污水啟動(dòng)(COD200 ~300mg/L、BOD 5 60~90mg/L)，負(fù)荷為0.32kgCOD/kgVSS·d，溫度17~20℃，一個(gè)月左右即可完成啟動(dòng)過程，COD和BOD 5 的去除率可穩(wěn)定在60%以上。
② 當(dāng)水力停留時(shí)間HRT≥12h、Nv≤2.31kgCOD/m 3 ·d時(shí)，三種濾池出水COD都<100mg/L；當(dāng)HRT≥8h、Nυ≤4.54kgCOD/m 3 ·d時(shí)，出水COD均<150mg/L。
③ 變速厭氧生物濾池的變速澄清區(qū)，對(duì)于維持反應(yīng)器的厭氧狀態(tài)和生物量濃度(防止污泥流失)有重要作用。
④ 變速厭氧生物濾池處理城市污水的動(dòng)力學(xué)模式為文中式(6)、(7)、(8)。
延長(zhǎng)反應(yīng)器HRT，可有效地提高處理效率。

6 參考資料

1.錢易，“城市污水厭氧生物處理的研究與實(shí)踐”，《中國(guó)給水排水》，Vol.9，NO.1，1993
2.嚴(yán)月根，“低濃度污水生物處理的進(jìn)展”，《中國(guó)給水排水》，Vol.4，NO.5，1988
3. Van den Beng, et. al, "Effect of Film Area-to Volume Rotio,Film Support, Height and Direction of Flow on Performance of Methanogenic Fixed-Film Treatment ",Rpt. NO. ANLICNSU-TM-50, Argonne Natl, Lab, Argonne,Ⅲ,1980
4. Song, Ki-Ho, Young, J. C, "Media Design Factors for Fixed-Bed Filters",J. WPCF,Vol. 58,NO. 2,1986
5. Young, J. C &McCarty,P. L,"The Anaerobic Filter for Waste Treatment", Tech. Report NO. 87,Stanford Univ,1968
6. Liu,B. M. et. al, "Loading Capacity of a Packed-Bed Anaerobic Reactor". J. WPCF. Vol. 63,NO. 2,1991
7.馬逢時(shí)等，《應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)》，高等教育出版社，1989
作者簡(jiǎn)介:龍騰銳教授兼國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心副主任
通訊處:630045重慶市沙坪壩重慶建筑大學(xué)城建學(xué)院
① 本文作者還有周勇同志。