張萬友¹　王德英¹　呂洪濱²　包海峰²　張俊貞³　劉景明⁴
(1.東北電力學院應用化學系，吉林 吉林市 132012；2.吉林市天源水處理工程有限公司，吉林　吉林市　132013；
3.天津大學　環境工程研究所，天津　300072；4.吉化公司污水處理廠，吉林　吉林市　132032)

　　摘　要：研究開發了一種新型好氧生物膜過濾裝置，能有效地降低污水中的COD_Cr、BOD₅、NH₃-N和SS等。二級處理后出水再經該裝置處理后，水質達到《生活雜用水水質標準》(CJ 25.1—1989)，有顯著的社會、環境和經濟效益。
　　關鍵詞：污水深度處理；　好氧生物膜過濾器；　生物脫氮
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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　好氧生物膜過濾裝置的開發

1.1　填料的選擇
　　目前，常用的填料有：蜂窩管狀填料，軟性、半軟性纖維填料，立體波紋填料，石英砂、陶粒等硬性填料。從理論上講，石英砂與陶粒等硬性填料的來源、價格、機械強度、化學穩定性等方面條件優越，但與軟性、半軟性填料相比，其孔隙率低、比表面積小、表面吸附能力差，使其截污能力受到限制，而且填料間孔隙率小、水流阻力大、水頭損失增長快、過濾周期短、易于堵塞，所以在產水量和出水水質方面都比不上軟性填料。選用這些填料，生物膜生長后易結成球狀，減小填料的比表面積，產生厭氧膜。為避免這些現象的產生，研究開發了一種新型軟性填料，它是經過特殊處理的合成纖維，其比表面積大大增加，提高了孔隙率，纖維的直徑在幾納米之內，在國內尚無報道。這種新型軟性纖維與石英砂的參數對照見表1。

表1　新型軟性纖維與石英砂的參數對照表 項　目 纖維絲 石英砂 直徑(μm) 20　　　　　　　　　　　　　　　　　50 850 孔隙尺寸(μm) 3.2～59.1　　　　　　　　　　8.1～148.3 136 比表面積(m²/m³) 20 000～200 000　　　　　　　8 000～9 000 4 926 濾池截流量(kg/m³) 5～10 1～1.2(快濾池)　10～15(多層濾池) 濾池空隙率(%) 70～90 40

　　表2給出了新型軟性纖維填料與國內常用填料的性能參數。該填料還具有一些特點：

表2　新型改性軟性纖維填料與國內常用填料的性能參數 項目名稱 布水布氣 掛膜 運輸 堵塞 比表面積(m²/m³) 空隙率(%) 成品重量(kg/m³) 參考價(元/m³) 陶粒等硬性填料 較差 較易 易損耗 較易 110～208 98～99 23～42 270～420 蜂窩填料 較差 較易 易損耗 較易 100～200 98～99 40～50 450～700 盾狀填料 較好 易 方便 不易 1 000～2 500 98～99 　 150～250 立體波紋填料 較差 較易 易損耗 較不易 110～200 90～96 2.6～3.6 450～550 半軟性填料 好 較易 方便 不易 87～93 97 11～16 250～300 普通軟性填料 較差 易 方便 易結球 1 400～2 400 ＞90 1.5～3.0 70～80 新型改性
軟性纖維填料 較好 易 方便 不易結球 8 000～9 000 ＞90 　 70～80

　?、佟”砻娲植冢休^強的生物膜附著性；
　　②　形狀規則、尺寸均一，水氣在填料間流速均勻；
　　③　布水、布氣均勻，水流流態好，有利于傳質；
　?、堋〗匚勰芰姡瑢ξ⑸锏脑鲋碂o抑制作用，不溶出有害物，不會引起二次污染；
　?、荨≠|輕、強度大，化學和生物穩定性好，經久耐用。
　　這些特性正是生物膜處理中載體材料所力求具備的。
1.2　裝置的結構
　　好氧生物膜過濾器是裝置的核心，其結構示意圖見圖1。

1.3　裝置的特點
　　該生物膜過濾器與其他生物膜法相比，具有如下特點：
　?、佟馑樍飨蛏?，有利于氣水較快地混合和布水均勻。避免了氣水逆向流時水流速度和氣流速度的相對抵消而造成能量的浪費和容易堵塞，也避免了上部污水濃度高、溶解氧低，而下部污水濃度低、溶解氧高的現象。
　?、凇≡诘撞恳欢ㄎ恢蒙掀貧猓粌H供氧充足，還對生物膜起攪動作用，從而加快生物膜的更新，并提高其活性；空氣的攪動還可加快細菌表面介質的更新，增強傳質效果，加快生物代謝速度，縮短處理時間。
　?、邸夂退樍飨蛏隙加欣谏锬さ拿撀浜统两?，避免生物膜重新自溶且增大了COD容積負荷。
　　④　新型軟性填料比表面積大、孔隙率高，故單位體積附著的生物種類多、生物量大，也大大提高了其容積負荷，增大了基質的去除率。填料在氧化區內松散而均勻的布置，使生物膜生長得密實而均勻，且有利于氣泡的破碎，提高了充氧效率，加快了有機物的氧化速度。填料上下固定，可避免氣水的沖擊而造成填料結團、堵塞。此外，新型軟性填料與接觸氧化工藝的結合，有利于絲狀菌及其他貧營養性微生物的生長，可提高對低濃度污水的處理能力。
　?、荨≡摴に囘€具有一般生物接觸氧化法所具有的共性：介質靜態、運行能耗低、管理方便；介質完全淹沒、避免夏季膜干化；填料比表面積大、尺寸小。
　?、蕖∵M一步減少了反應器的體積。

2　試驗內容及結果

2.1　試驗流程及處理水量
　　試驗系統由地面貯水箱(污水和清洗水貯水箱)、高位水箱、水泵(提升泵和管道泵)、空氣壓縮機、生物膜過濾器等單元組成。試驗裝置流程如圖2所示，處理水量為11 m³/h。

2.2　試驗水質及評價
　　試驗用水取自吉化污水廠的二級處理出水，水質見表3。

表3　試驗水質 NH₃-N
(mg/L) COD
(mg/L) BOD₅
(mg/L) DO
(mg/L) SS
(mg/L) 濁度
(NTU) pH 顏色 1～30 80～
170 10～17 ＜2 80～
200 80～
200 7.2～7.6 淡紫

　　對原水分析結果，BOD₅/COD＝0.06～0.213，說明試驗所用原水可生化性很差。
2.3　掛膜與馴化
　　為了加快掛膜的速度，采用排泥掛膜法。以吉化污水廠的活性污泥為微生物的接種液，與污水一起泵入氧化床內，通氣悶曝18 h后靜沉，排出2/3上清液，通入待處理水再悶曝18 h后排掉床內所有的污水和懸浮物、沉降污泥，然后再連續進污水和壓縮空氣，進水量從320～400 L/h開始后，每隔3～4 h(后期時間間隔可縮至為2 h)增加80～120 L/h，逐漸增加到900～1 000 L/h，空氣量控制在12～15 m³/h，同時監測進、出水的COD值，并算出COD的去除率，直至掛膜成功為止。掛膜時間共4 d。
　　掛膜前后，纖維表面有明顯的變化。掛膜前纖維潔白，掛膜后纖維表面附著生物膜，為土黃色，曝氣效果不好的地方為黑色。
2.4　污水深度處理效果
　?、佟OD_Cr：原水COD_Cr值為80～170 mg/L，經過成膜初期后，出水COD_Cr為30～50 mg/L，去除率最高可達70%。
　?、凇S：原水SS為80～200 mg/L左右，出水可達8～20 mg/L，去除率最高可接近90%。
　?、邸OD₅：原水BOD₅為10～17 mg/L，出水為1～1.5 mg/L，去除率接近90%，這是裝置的顯著特點之一。
　　④　NH₃-N：原水NH₃-N在1～30 mg/L之間變化，出水可控制在0～3 mg/L之間，去除率最高可達100%，平均為93.4%。
　?、荨∩锬ぞ鶆?，脫落時沉降快、分離性能好、塊大，沒有污泥流失現象。

3　討論

3.1　供氣方式和氣水比
　　原水的溶解氧含量極低(＜2 mg/L)，很難滿足高密度微生物所需，故向好氧生物膜過濾器內供給一定量的空氣，但布氣應力求均勻，氣泡小而密；相反布氣不均勻，氣泡大，氣量波動時易使生物膜脫落。
　　當氣水比達到10∶1時，COD去除率達最大值為89.9%，而后隨著氣水比的繼續增加，COD去除率反而下降，這是因為充足的氧能加速微生物降解有機物的速度，從而增加凈化效果和產水量，但供氣量過高時，較大的氣流將生物膜吹落，反而使出水COD和濁度增高，因此COD去除率反而下降，凈化效果變差。這一點在生物接觸氧化法處理酵母廢水和制革工業廢水中都得到證明^［1］。
　　綜合考慮各因素，試驗采用的氣水比為8∶1～10∶1。
3.2　水力負荷
　　試驗在氣水比為8∶1～10∶1的情況下，對不同水力負荷下的COD及NH₃-N進行了測試。從試驗中發現，水力負荷與COD去除率呈非線性關系，而當進水COD負荷一定時，剩余COD與水力負荷近似成正比例直線關系。
3.3　pH值
　　pH值的大小直接影響硝化菌的生理條件，隨著硝化的進行，pH急劇下降；而硝化菌對pH值十分敏感，亞硝酸菌和硝酸菌分別在pH為7.0～7.8和7.7～8.1時活性最強，pH超過此范圍則活性急劇下降，極大地降低了有機物和NH₃-N的去除率，國內外眾多學者通過大量實驗證明，硝化反應最佳pH值應控制在7.0～8.5之間。
　　對于好氧接觸氧化法的其他微生物，其生長適宜環境也多為中性或弱堿性，所以控制進水pH值在6.5～9.5較有利于好氧膜的發展。
　　試驗pH值控制在7.0～7.5，同時對生物膜過濾器不同深度的pH值變化做了測試，其結果表明：原水進入生物膜過濾器后pH值下降，隨著氧化區的深度增加，pH值逐漸上升，直到出水pH值大于進水。這是因為在生物接觸氧化過程中，硝化反應產生H⁺使pH值下降，但是強烈的曝氣使原有的CO₂及有機物氧化產生的CO₂不斷從水中逸出，碳酸平衡(CO₂+H₂OH₂CO₃HCO^-₃+H⁺CO²⁺₃+2H⁺)左移，又使pH值上升。
3.4　溫度
　　溫度不僅影響微生物群體的代謝活性，而且顯著影響氣體的轉移速率及生物固體的沉降特性，有關資料表明，生物接觸氧化的生物膜主要由室溫性微生物所構成。試驗中水溫在5～20 ℃，為微生物生長繁殖的最佳溫度，故去除率較高。
3.5　運行周期與清洗
　　當出水水質達不到處理要求時即可視為運行到周期，需通過清洗經再生更新生物膜，恢復較高的處理效果。對于吉化污水廠的二級處理出水，運行周期為5～6 d。

4　結論

　　新型好氧生物膜過濾裝置經過兩個多月試運行的結果表明，該裝置具有以下特點：
　?、佟炷r間短，膜厚且均勻，并克服了傳統方法的污泥堵塞問題。
　　②　占地面積小，處理效率高。
　?、邸Φ蜐舛鹊奈鬯泻芨叩娜コ?。
　　④　對氨氮有顯著的去除效果。
　?、荨〔划a生污泥膨脹，耐沖擊負荷能力強，運行穩定。
　?、蕖∥勰喑两敌院托跄院?，易于分離。
　?、摺√幚碇芷陂L，失效后經氣水清洗，恢復處理能力速度快，易于操作管理。
　?、唷《壧幚砗蟪鏊洷狙b置處理后，滿足我國《生活雜用水水質標準》(CJ 25.1—1989)。

參考文獻：
［1］　玉莉等.生物接觸氧化法處理酵母廢水研究［J］.工業水處理，1992，12(3).

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基金項目：吉林省科技攻關項目(962801-1)

作者簡介：張萬友(1957-　)，男，吉林人，東北電力學院副教授，碩士，哈爾濱工業大學博士研究生，研究方向：水處理工程。
電話：0432-4689928 4689958
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E-mail:jlty@public.jl.jl.cn
收稿日期：2000-01-10