龍騰銳， 方 芳， 郭勁松
(重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400045)

　　摘 要：對采用酶促填料的變速生物濾池處理城市污水進行了生產性試驗研究，考察了水力停留時間(HRT)和溫度的影響。結果表明，常溫、填料層厚度分別為1.5 m和2.0 m、填料層H RT分別＞3.5 h和4.9 h、相應的濾池HRT＞9.7 h時，濾池能有效地去除水中有機物和懸浮物。
　　關鍵詞： 變速生物濾池； 酶促填料； 城市污水
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)01-0013-06

Study on the Performance of Variable Rate Biofilter for Treatment of Municipal　Wastewater

LONG Teng-rui, FANG Fang, GUO Jin-song
(School of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University ,Chongqing 400045,China)

　　Abstract：The full-scale experiment was carried out on the use of variable rate biofilter with enzymatic medium for treatment of municipal wastewater,and study was made on the effect of hydraulic retention time (HRT) and temperature on the perfor mance.The results showed that at normal temperature,when the media height is 1.5m and 2.0 m with HRT＞3.5 h and 4.9 h,and the filter HRT＞9.7 h,the fil ter can efficiently remove organic and suspended matters in water.
　　Keywords:variable rate biofilter; enzymatic medium; municipal wastewater

　　處理城市污水是控制水污染的重要任務之一。自20世紀80年代中后期以來，以厭氧/缺氧技術為核心的城市污水處理工藝流程因具有能耗低、運行成本低、污泥產量低、管理方便等突出優點，越來越受到世界各國學者及工程界的普遍重視［1］，在此結合變速生物濾池處理城市污水的生產性試驗研究成果，對有關問題進行探討。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置
　　試驗在重慶市某污水處理廠進行，該廠原采用合建式表面曝氣沉淀池，而變速生物濾池是由原曝氣沉淀池的曝氣區改建而成，試驗流程見圖1。

　　濾池的平面尺寸為7.8 m×5.95 m，總高為5.7 m(其中布水區為1.0 m，承托層為0.35 m，填料層夏季為1.5 m、冬季則加至2.0 m，沉淀區夏季為1.5 m、冬季為1.0 m，保護高為1. 6 m)。濾池從底部進水，上部出水，過水斷面隨水流方向逐漸增大。濾池中所裝填料為本研究組開發的專利產品——酶促填料，其粒徑為10～20 mm。
　　圖2為變速生物濾池的示意圖。

1.2 主要測試項目及方法
　　主要測試項目及方法見表1。

表1 測試項目及方法 項 目 測定方法或儀器 項 目 測定方法或儀器 DO、溫度 YIS 52型溶解氧測定儀 堿度(CaCO₃計) 酸堿指示劑滴定法 流量 三角堰 揮發酸(VFA) 比色測定法 SS 103～105 ℃烘干重量法 NH₃-N 納氏試劑分光光度法 pH值 精密pH試紙或pH計 TP 鉬銻抗分光光度法 COD、SCOD HACH—COD測定儀 SO₄^2- 硫酸鋇比濁法 注： SCOD為溶解性COD。

1.3 試驗過程
　　試驗在常溫下進行，分夏季和冬季兩個階段，主要考察水力停留時間和溫度對濾池運行性能的影響。污水在濾池內的水力停留時間通過進水流量的改變來調節，溫度則隨季節而變化。

2 試驗結果

　　試驗結果如表2、3，濾池運行環境參數見表4。

表2 濾池運行試驗結果(一) 濾池HRT(h) 填料層HRT(h) 流量(m³/d) COD SCOD SS 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 進水(mg/L) 出水(mg/L) 去除率(%) 夏季(1999年8月25日—1999年10月18日)填料層為1.5 m 水溫為18～26 ℃ 23.7 8.6 156.7 122.5 61.8 49.5 88.3 55.8 36.9 50 9 82.0 17.0 6.2 218.9 171.8 92.3 46.3 129.8 84.9 34.7 52 11 78.8 12.6 4.6 293.9 212.0 120.5 43.2 167.8 113.2 32.5 63 20 68.3 9.7 3.5 382.5 234.0 138.0 41.0 182.2 125.3 31.2 87 23 73.6 7.6 2.8 485.4 231.7 145.2 37.3 174.5 128.3 26.4 82 29 64.6 冬季(1999年11月6日—2000年1月26日)填料層為2.0 m 水溫為9～15 ℃ 23.7 12.1 156.7 218.2 96.5 55.8 162.3 87.4 46.2 63.6 17.3 72.74 17.0 8.6 218.9 266.2 125.4 52.9 197.1 110.5 43.9 84.3 26.8 68.2 12.6 6.4 293.9 310.9 156.1 49.8 236.0 138.3 41.4 93.0 32.5 65.1 9.7 4.9 382.5 332.0 178.0 46.4 258.3 161.0 37.7 114.3 38.5 66.3 7.6 3.9 485.4 336.2 200.0 40.5 251.3 168.1 33.1 116.5 42.5 63.5

表3 濾池運行試驗結果(二) 項 目 進 水 出 水 去除率(%) 波動范圍(mg/L) 平均值(mg/L) 波動范圍(mg/L) 平均 值(mg/L) 夏季 NH₃-N 22.7～33.3 28.3 27.3～35.3 31.4 　 TP 3.69～5.61 4.75 3.01～4.39 3.85 19.3 SO₄^2- 64.1～84.4 74.4 19.9～37.6 28.7 61.4 冬季 NH₃-N 24.2～36.3 30.1 26.3～38.4 33.0 　 TP 4.42～5.71 4.96 3.31～4.54 3.95 20.3 SO₄^2- 78.7～94.9 87.7 25.8～40.4 34.9 60.2

表4 濾池運行環境參數 項 目 CaCO₃堿度(mg/L) VFA(mg/L) DO(mg/L) pH 進水 出水 進水 出水 進水 出水 進水 出水 夏季 261～324 289～336 19.7～66.2 8.2～17.5 1.3～3.0 0.04～0.24 6.6～7.2 6.7～7.2 冬季 269～332 294～362 23.0～122.6 9.8～23.0 1.5～3.2 0. 02～0.30 6.5～7.4 6.7～7.2 注： 出水DO為濾池表層水樣測定值。

3 結果與討論

3.1 出水水質
　　試驗中濾池的性能主要根據COD、SS去除率等指標來評定。由表2可知，城市污水經 濾池處理后的COD去除率約為40%～55%、SCOD約為30%～45%、SS約為60%～80%，顯然濾池對懸浮物的去除效果明顯好于對有機物的去除效果。濾池出水有機物濃度較高可
能有以下幾方面的原因：
　　有研究表明，若將微生物增長與死亡剛好平衡時的基質濃度定義為Smin，則利用恒化器培養得到25 ℃和35 ℃下乙酸在甲烷發酵過程中的Smin分別為48 mg/L和7 8 mg/L^［2］，這從理論上指出了厭氧系統在穩定狀態下所能達到的最小基質濃度，而這僅僅是單一基質情況得出的結論，實際過程中污水含有多種基質，每一種微生物都有其各自的Smin，這樣出水基質濃度將大于或等于所有單一基質Smin中的 最大值，從而導致較高的出水COD濃度和較低的去除率，這是由厭氧/缺氧降解機理所決定的。
　　就濾池本身而言，有許多研究者認為在穩定運行的厭氧濾池中，廢水中很大一部分有機物是 由填料間隙滯留的懸浮微生物去除的。Song分別采用交叉流式和管流式塑料波紋孔板作濾池填料試驗，結果表明^［3］填料的比表面積增加60%而COD去除率僅提高2%。Young的看法與此一致，并指出在有機負荷較高［12～16kgCOD/(m³·d)］的AF中，填料間隙懸浮微生物所去除的有機物占總去除率的1/2左右^［4］。同時，在AF反應器中還有顆粒 污泥存在，這已為不少研究者所證實，如Young和McCarty發現上升氣流的作用使污泥微粒結成顆粒狀，易于沉淀和吸附有機物^［5］。錢易等用AF處理生活污水的試驗也發現部分懸浮污泥的顆粒化現象^［6］。由此可見，在AF反應器中填料間隙滯留的懸浮顆粒污泥對有機物的降解有重要貢獻，而本試驗中由于濾池在運行中要定期排泥，反應器中的懸浮微生物較少，故顆粒污泥可能尚未形成，這對濾池的性能有一定影響。
　　此外，多數文獻報道濾池填料的裝填厚度至少應滿足2 m的最低要求^［4］。考慮到填料價格較貴，若能減小填料層的厚度而又能有效處理城市污水，則將大大減少濾池的基建投 資，有利于濾池的推廣應用，所以試驗時先在濾池中裝填1.5 m的填料，夏季運行階段結束 后將填料層厚度增至2.0 m。
3.2 水力停留時間(HRT)的影響
　　在厭氧/缺氧污水處理技術中，HRT是一個至關重要的參數，它的大小直接影響反應器的運行效果和反應器容積的確定。在處理城市污水時，HRT更是一個起限制作用的因素。當污泥濃度基本穩定時，HRT越長，有機物與微生物接觸越充分，有機物的降解就越徹底，去除率也就越高，但為了減少反應器容積以降低構筑物造價和占地面積，又必須盡量縮短HRT。本試驗考察了HRT對變速生物濾池反應器處理效果的影響(見圖3)，以期得到最合適的HRT。

　　由表2和圖3可知，HRT對有機物去除的影響表現為反應器對COD、SCOD去除率隨HRT的減少而降低。當填料層高度為1.5 m和2.0 m、對應的HRT填1.5和HRT填2.0分別為8.6 h和12.1 h(濾池HRT濾為23.7 h)時，COD去除率最高(分別為49.5%和55.8%)；此后HRT逐漸減少，COD去除率逐漸降低。當HRT填1.5和HRT填2.0分別減少到3.5 h和4.9 h(即HRT濾減少到9.7 h)時，COD去除率降至41.0%和46.4%，此時HRT填1.5和HRT填2.0分別減 小了5.1 h和7.2h(HRT濾減小了14.0 h)，而相應的COD去除率只下降8.5%和9. 4%，表明在此工況下濾池的性能可保持相當的穩定性；當HRT填1.5和HRT填2.0分別減少至2.8 h和3.9 h(HRT濾減少至7.6 h)時，盡管HRT填1.5和HRT填2.0分別只減小0.7 h和1.0 h(HRT濾只減小2.1 h)，但相應的COD去除率卻降低了3.7%和5.9%，表明此時的反應器運行趨于不穩定狀態。SCOD去除率隨HRT的變化與上述COD去除率變化情況類似。由此可見，在HRT達到一定值后采用較長的HRT對提高反應器處理效率的貢獻不大，但會造成反應器的容積增加較多，所以在實際應用中通常采用較小的HRT以獲得盡可能大的處理能力。就本試驗而言，在填料層高度為1.5 m或2.0 m的情況下濾池HRT采用9.7 h較為理想。
　　鑒于HRT是影響生物濾池去除有機物的最主要參數之一，且由圖3可知濾池填料層HRT與SCOD去除率E之間呈較好的相關性，故對之進行乘冪形式的回歸，回歸曲線見圖4。

　　對回歸公式進行整理后得到如下兩式， 夏季時：
　　　　　　E=100［1-0.8221(HRT)^-0.126］
　　　　　　R²=0.937 7
　　冬季時：
　　　　　E=100［1-0.8166(HRT)^-0.253］
　　　　　R²＝0.967 3
　　將上述兩式改寫成一般形式：
　　　　　E=100［1-Sk(HRT)^-m］
　　式中 E——SCOD去除率，%
　　　　 HRT——填料層水力停留時間，h
　　Sk、m——與填料的種類和反應器結構有關的系統參數(夏季Sk= 0.822、m=0.126，冬季Sk=0.817、m=0.253)
　　該式形式簡單、計算方便，可預測填料層在HRT不同時對溶解性有機物的去除率，且具有一定的準確性和實用性。
　　濾池運行期間，隨著HRT逐漸減小、水量逐漸增大，進水COD和SS也逐漸增大，這主要是由于初沉池出水需流經長達20 m多的連接渠道方可進入濾池，而渠道的設計通過流 量較大，進入濾池的水量相對較小，加之濾池進水渠處的三角堰具有阻流作用(三角堰零刻度處距渠底約有10 cm)，使得渠中底部水流變得較為平緩，初沉池出水中的懸浮物逐漸沉積在渠底，濾池進水的COD和SS均有所下降，但隨著水量增加、流速增大，沉積在 渠底的懸浮物減少，COD和SS也就逐漸增大。當流量達到382.5m³/d時，流速的影響已經很小，濾池進水COD和SS與初沉池出水接近。此外，夏季濾池進水COD和SS值較冬季低，這主要是由于冬季用水量小于夏季用水量所致。
　　試驗中發現，濾池出水SS隨運行延續時間的增加而明顯增加，這一結果主要由兩方面因素造成：一是隨著HRT縮短和流量增加，水力負荷有所提高，氣體產量也有所增大，增強了對懸浮污泥的攪動和對生物膜的沖刷作用，部分污泥被帶到反應器上部，逐漸隨水流沖出(這一現象在負荷改變初期尤為明顯，隨著濾池運行逐漸趨于穩定，由此造成的影響也就有所減小)；二是隨濾池運行時段的延續，大量的懸浮物被截留在填料層底部，且隨著懸浮物的增多逐漸沿填料層上移，使得穿透填料層的懸浮物也逐漸增加。一般情況下，濾池穩定運行2～4個月左右后的出水SS有較大增加，SS去除率明顯下降，表明濾池填料層需進行沖洗。
3.3 溫度的影響
　　溫度對所有微生物的生命活動都有很大影響，與好氧微生物相比，厭氧微生物對溫度更為敏感，迄今大多數厭氧/缺氧反應器在中溫范圍運行，且以30～40 ℃最為常見。在中溫范圍內，一般溫度每升高10 ℃，反應速度約增加一倍^［7］。本試驗中，夏季水溫比冬季水溫高10 ℃左右，在冬季溫度較低時濾池出水的COD和SCOD明顯升高，其平均值分別增加98.3 mg/L和39.6 mg/L。但由于濾池進水有機物濃度較高，故冬季對COD和SCO D的去除率與夏季相比反而有所升高，表明冬季溫度較低時濾池仍具有較好的處理效果，這一方面是因為填料層厚度增加了0.5 m，另一方面可能是反應器中積累了較多的污泥(生物量較大)從而彌補了微生物在溫度較低時活性的降低。同時，夏季濾池進水有機物濃度較低，濾池對有機物的降解能力沒有充分發揮出來，使有機物的去除率偏低。
　　在冬季溫度較低時濾池出水SS也顯著升高，這主要是由于隨水溫降低水的粘滯度增大(由Stocks公式可知，相同大小的懸浮顆粒在水溫下降時，其沉降速度相應減小)，而從物理化學角度講，過濾屬于表面沉淀，故出水SS值升高。
3.4 濾池中N、P和硫酸鹽的改變
　　N和P是植物營養素，大量的有機物和N、P排入水體會使水體環境的污染 和富營養化日益嚴重，而硫酸鹽對污水厭氧處理有重要的影響，因此本試驗考察了濾池中這三者的變化情況。
　　濾池對P約有20%的去除率，且水中P含量沿濾池高度方向逐漸降低，這可能是沉淀除P和同化除P的共同結果。變速生物濾池中接近推流的流態、較長的HRT和1.5～2.0 m厚度的填料 層都有利于沉淀除P，估計沉淀作用除P占總去除率的比例較大。當然，P也可通過進入細菌細胞組織而被去除，其去除量取決于微生物機體生長對P的需求和污泥凈產量。在厭氧/缺氧工藝中，污泥的凈產率是很低的，因此微生物合成所消耗的P不是濾池除P的主要途徑。
　　濾池出水的NH₃-N濃度較進水略有增加。在厭氧過程中，氨基酸、蛋白質和其他含氮有機 物可通過加氫還原等途徑分解成氨和另一種不含氮有機物，使反應器中NH3-N濃度上升，故出水NH₃-N濃度有所升高，這與文獻^［6］、^［8］的結論是一致的。
　　在厭氧/缺氧生物處理過程中，少量的硫酸鹽或硫化物是有益的，但當污水中硫酸鹽含量過高時，會對厭氧生物處理產生嚴重的抑制作用，具體表現為SRB(硫酸鹽還原菌)與MPB(產甲 烷菌)爭奪乙酸和H2而產生的基質競爭性抑制作用，以及硫酸鹽還原產物—硫化物對MPB的毒害作用而導致的次級抑制^［9］。由表3可知，與有機物的去除相比，濾池對硫酸鹽的去除率相當高(約為60%)，據此推斷城市污水中大量硫酸鹽的存在對濾池去除有機物的性能有一定影響。
3.5 pH、VFA、堿度的影響
　　試驗期間，濾池進、出水pH值在6.5～7.4之間(未出現大的波動)，出水VFA濃度較進水有所降低，出水堿度有所增加。濾池中VFA的降低和堿度的升高實際上是生化過程中產生 的酸堿中和的結果，堿度表明了反應器系統的緩沖能力。有資料認為［10］：用VFA與堿度的比值可較好地反映系統的緩沖能力，當兩者之比＜0.4時，系統緩沖能力強，能適應VFA一定程度的波動，pH值變化不大；當兩者之比在0.4～0.8之間時，說明系統缺乏緩沖能力；當兩者之比＞0.8時，表明反應器即將發生酸化現象。本試驗濾池中VFA介于8～122 mg/L，堿度在320 mg/L左右，酸堿度之比近似介于0.03～0.38，這表明系統緩沖能力足以中和反應過程中形成的揮發酸，使濾池pH值維持在中性范圍內，可保證反應器的正常運行。

4 結論

　　① 變速生物濾池在水溫為9～26 ℃條件下處理城市污水，COD去除率可達40%～55%，SCOD去除率可達30%～45%，SS去除率可達60%～80%。冬季溫度較低時，濾池出水COD和SS升高，但仍具有較好的處理效果，表明濾池在冬季溫度下仍可正常運行。
　　② HRT對變速生物濾池性能有重要影響，COD和SS去除率均隨HRT的減少而降低。當HRT填1.5和HRT填2.0分別為3.5h和4.9h(濾池HRT濾為9.7 h)以上時，COD去除率較穩定；當HRT填1.5和HRT填2.0分別降至2.8 h和3.9 h(濾池HRT濾降至7.6 h)以下時，COD去除率顯著下降，濾池運行性能趨于不穩定。本試驗在填料層厚為1.5 m或2.0 m的情況下，濾池HRT控制在9.7 h以上。
　　③ 變速生物濾池對P有一定的去除效果，對硫酸鹽有高達60%的去除率，但出水NH₃-N濃度略有升高。
　　④ 變速生物濾池運行期間的pH值始終保持中性，表明系統緩沖性能良好。
　　⑤ 以變速生物濾池為主要工藝的城市污水處理系統具有能耗少、運行費用低、管理簡便、處理效果較好等優點，但由于濾池處理后出水水質不能達到《污水綜合排放標準》(GB 8978 —1996)一級排放標準要求，故需考慮適當的后處理。

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　　作者簡介：龍騰銳(1939- )， 男，湖南新邵人，重慶大學教授，博士生導師，主要研究方向為水污染控制理論與技術及水污染控制規劃。
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　　收稿日期：2001-09-10