謝曙光， 張曉健， 王占生
(清華大學 環境科學與工程系， 北京 100084)

　　摘　 要： 兩級曝氣生物濾池在極低溫度下(1℃以下)處理官廳水庫入庫水的探索性研究試驗結果表明，有機物和氨氮的去除受到了低溫的嚴重抑制，亞硝酸鹽轉化成硝酸鹽不再是完全硝化反應的限制步驟,這可能是在極低溫度條件下硝酸菌的活性高于亞硝酸菌活性的緣故。此外，在低溫條件下提高水力負荷會導致對有機物和氨氮去除率的下降。
　　關鍵詞：兩級曝氣生物濾池；低溫；硝化；水庫水
　　中圖分類號：TU991
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0017-03

Operating Characteristics of Two-stage BAF Process at Extreme Low Temperature
XIE Shu-guang, ZHANG Xiao-jian, WANG Zhan-sheng?
(Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,?China)

　　Abstract：Exploratory study was made on the Guanting reservoir influent treatment by using two-stage BAF at extreme low temperature.The results show that the removal of organics and ammonia nitrogen is seriously inhibited due to low temperature,and the conversion of nitrite into nitrate is no longer a limiting factor of complete nitrification.One possible hypothesis is that the activity of nitrobacter is hi gher than that of nitrosomonas at extreme low temperature.Moreover, the increase of hydraulic loading will lead to the decline of the removal rate of organics and ammonia nitrogen.?
　　Keywords:two-stage BAF process; low temperature; nitrification; reservoir influent

1 試驗工藝

　　由于大量工業廢水和生活污水的排入，官廳水庫入庫水的有機物和氨氮濃度接近于一般城市污水。若采用單級BAF同時去除有機物和氮化合物則存在自養菌和異養菌對空間和氧氣的競爭，當進水有機物負荷和氮化合物濃度高時難以實現對氮化合物的有效去除，所以采用兩級BAF對官廳水庫入庫水進行了現場試驗。?
　　濾池(柱)高均為3m，直徑為20cm。BAFⅠ和BAFⅡ的濾料層凈高分別為1.2、1.3m，陶粒濾料粒徑為2～5mm，BAFⅠ、BAFⅡ中的DO濃度分別維持在2、4.5mg/L左右，水溫都為1℃以下，整個試驗裝置安裝于一農房內，因受試驗條件限制，只能用泵把適量原水(入庫水)注入儲備水箱后連續運行，儲備水箱的水每天更換一次。
　　兩級BAF工藝流程見圖1。

2 　結果與討論

2.1 不同水力負荷下的去除效果
　　試驗開始時在較低水力負荷［2m³/(m²·h)］下運行，結果見表1。

表1 低水力負荷時的去除效果　　　　 mg/L 項 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 高錳酸鹽指數 37.2 27.0 24.0 氨氮 18.7 12.4 3.1 NO₂-N 0.61 0.14 0.00

　　BAFⅠ主要去除有機物，對氨氮的去除較少，而BAFⅡ主要去除氨氮，對有機物的去除作用很弱，這是因為原水經過BAFⅠ處理后剩下的有機物較難進行生物降解。另外，水溫很低且水力負荷也較低時兩級BAF仍能較有效地去除有機物和氨氮。
　　考慮到實際工程的需要，低水力負荷運行一段時間后提高負荷至4m³/(m²·h)，運行結果見表2。

表2 提高水力負荷后的運行效果　　　　 mg/L 項 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 高錳酸鹽指數 34.0 29.0 27.2 氨氮 21.0 18.3 13.3 NO₂-N 0.46 0.27 0.00

　　從表2可以看出，水力負荷提高后對有機物和氨氮的去除率降低，由于兩級BAF中DO濃度很高(不是限制性因子)，故去除率降低的原因可能是低溫條件下BAF中的生物膜活性很低而難以有效地去除污染物所致。有資料表明，溫度＞10℃、進水氨氮為24mg/L、水力負荷在4～10m³/(m²·h)變化時，水力負荷不是硝化效率的限制因子，水力負荷的提高反而促進了硝化效率的提高，整個過程中氨氮去除率為80%～100%且較穩定，這是因為高水力負荷促進了基質和生物量的均勻分布，使液體和生物量之間的物料傳遞得到強化，同時濾料也發生一定程度的膨脹，進一步強化了物料傳遞，因而提高了硝化效率^［1］，但此試驗表明，當水溫很低時水力負荷的提高會大大降低氨氮和有機物的去除效率。
2.2 模擬沖擊負荷試驗
　　① 亞硝酸鹽沖擊?
　　為了考察兩級BAF在水力負荷為4m³/(m²·h)時對亞硝酸鹽的去除能力，向儲備水箱的原水中加入大量亞硝酸鈉，充分混勻后連續運行3h取樣分析，結果見表3。

表3 亞硝酸鹽沖擊時的去除效果　　　　 mg/L 項 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 氨氮 26.0 23.7 15.9 NO₂-N 4.79 3.52 0.51

　　各級BAF對亞硝酸鹽的實際去除量大于亞硝酸菌(Nitrosomonas)氧化氨氮而生成的亞硝酸鹽量，即各級BAF中生物膜內的硝酸菌(Nitrobacter)對亞硝酸鹽的總去除能力高于亞硝酸菌(Nitrosomonas)轉化氨氮的總能力，這可能是在極低溫度(低于1℃)條件下硝酸菌的活性高于亞硝酸菌活性的緣故。
　　② 有機物沖擊?
　　低溫不可避免地將嚴重影響異養菌的活性，因而各級BAF(特別是BAFⅠ)對有機物的去除能力也受到嚴重抑制。為考察在水力負荷為4m³/(m²·h)、BAFⅠ和BAFⅡ中的DO分別維持在2和4mg/L左右時各級BAF對有機物的最大去除能力，用葡萄糖進行了對有機物的沖擊試驗，因為通常認為葡萄糖有很好的生化性而極易被生物降解。具體操作過程是：先分別測定原水、BAFⅠ出水和BAFⅡ出水中有機物濃度，然后再向儲備水箱原水內加入大量葡萄糖，充分混勻連續運行3h后取樣分析，結果見表4。

表4 對高錳酸鹽指數的去除效果　　 mg/L? 項 目 原水 BAFⅠ出水 BAFⅡ出水 未受有機物沖擊 40 36 34.5 受有機物沖擊 86 77 75

　　由表4可知，未受有機物沖擊時BAFⅠ和BAFⅡ分別去除了4、1.5mg/L有機物(以高錳酸鹽指數表示)；受有機物沖擊時BAFⅠ和BAFⅡ分別去除了9、2mg/L有機物。由于葡萄糖溶液具有易生物降解的特性，可以認為受葡萄糖沖擊時去除的有機物基本為葡萄糖，則BAFⅠ和BAFⅡ對有機物的最大去除能力分別為9、2mg/L，即在同樣運行條件下兩級BAF最多只能去除原水中11mg/L有機物。通常情況下，由于原水中有機物的可生物降解性比葡萄糖溶液的可生物降解性差，在一定水力停留時間內不易很快被生物降解，因而兩級BAF的最終出水中仍含有許多可生物降解成分，這主要是由于低溫限制了一系列與有機物生物降解有關的酶的活性，特別是胞外水解酶的活性。
2.3 BAF內污染物沿柱高的變化規律
　　 考察了水力負荷為4m³/(m²·h)時BAF內污染物沿柱高的變化規律(分別見表5、6)。

表5 BAFⅠ內污染物沿柱高的變化規律　　　　 mg/L 項目 BAFⅠ進水 距進水端0.1m處 距進水端0.6m處 距進水端1.1m處 距進水端1.2m處(出水端) 高錳酸鹽指數 35.2 34 29.6 28.4 28 氨氮 21.7 21.7 21.3 20.3 19.0 NO₂-N 1.90 1.90 1.85 0.88 0.71

表6 BAFⅡ內污染物沿柱高的變化規律mg/L 項目 BAFⅡ進水 距進水端0.1m處 距進水端0.6m處 距進水端1.1m處 距進水端1.3m處(出水端) 高錳酸鹽指數 28.0 27.2 26.0 26.0 26.0 氨氮 19.0 19.0 14.8 13.3 13.0 NO₂-N 0.71 0.71 0.28 0.10 0.01

　　BAFⅠ中進水端和距進水端0.6m處濾料層對有機物去除較多，后面剩余0 .6m高濾料層去除的有機物較少，這主要是因為原水中易生物降解的小分子成分已被前面0.6m高的濾料層利用，剩下的大分子有機物需經一系列復雜的水解反應才能被微生物利用和去除，而水解酶的活性卻受到低溫的嚴重抑制，因而在有限的水力停留時間內后面剩余0.6m高濾料層去除的有機物較少。此外，由于長期的馴化作用導致距進水端較近的濾料層生物膜較厚，使異養菌成為優勢微生物，其水解酶含量也較高，因而能較有效地去除有機物；而距進水端較遠的濾料層生物膜中優勢菌除異養微生物外，自養菌也逐漸成為優勢菌，該處的生物膜中異養菌數量比距進水端較近的濾料層生物膜中異養菌數量少得多，水解酶含量也少，因而去除有機物的能力較差。
　　在BAFⅠ進水端有機物濃度高，原水中易生物降解的成分也較多，異養菌生長快而自養菌得不到充分生長，故異養微生物成為優勢菌,有機物濃度沿柱高逐漸降低(特別是易生物降解的小分子有機物已被利用)；在出水端異養菌生長受到限制，通過附著生長的自養菌(如硝化細菌)占優勢,氨氮被硝化。
　　從表6可以看出，在BAFⅡ中只有距進水端較近的一部分濾料層(約0.6m)對有機物有去除作用，而氨氮主要是被距進水端0.6 m內濾料層中的自養微生物降解，而后面0.7m濾料層對氨氮的去除有限，這主要是由于入庫水氨氮濃度在夏、秋兩季較低(一般低于10mg/L),因而經過長期馴化作用形成的自養微生物量也有限，特別是BAFⅡ中自養微生物形成的生物膜基本只在距進水端0.6m內濾料層形成，進入冬季后由于排污量突增，而入庫水量變小，氨氮濃度突然上升，雖然經過近兩個月的低溫馴化，但增加的自養微生物量有限，故后面的0.7m濾料層對氨氮的去除作用也較弱。
　　雖然進水亞硝酸鹽濃度較高，但亞硝酸鹽濃度在各級柱內沿高程逐漸降低且未發現有亞硝酸鹽的積累，這也同樣反映了各級BAF中生物膜內的硝酸菌對亞硝酸鹽的總去除能力高于亞硝酸菌轉化氨氮的總能力，即在低溫條件下亞硝酸鹽轉化成硝酸鹽不再是完全硝化反應的限制步驟。

3 　結論和建議　

　　采用曝氣生物濾池在低溫下處理官廳水庫入庫水的探索性試驗表明，有機物和氨氮的去除受到了低溫的嚴重抑制，亞硝酸鹽轉化成硝酸鹽不再是完全硝化反應的限制步驟。在低溫條件下水力負荷的提高會導致有機物和氨氮去除率的下降，這與國外學者在較高水溫條件下得出的結論相反。
　　由于官廳水庫入庫水在冬季時的水質與一般城市污水相似，故該試驗也填補了兩級曝氣生物濾池在低溫下處理城市污水的空白，并為其用于寒冷地區(特別是我國北方)的城市污水處理提供了第一手資料。

參考文獻：

　　［1］ P ujol R.A keypoint of nitrification in an upflow biofiltration react or［J］.Wat Sci Tech，1998，38(3)：43-49.

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　　作者簡介：謝曙光(1975- )，男，江蘇常州人，清華大學博士研究生，主要從事水污染控制技術研究。
　　電　話：(010)62782196(O) 62774056(H)
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　　收稿日期：2002-01-24