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懸浮濾料表面理化性質的影響

懸浮濾料多為有機高分子材料,具有良好的物理機械性能,但相比沉沒式濾料,親水性能差、生物相容性差、微生物粘附和增殖能力不強。赫俊國等人對掛膜后的聚丙烯和沸石進行了SEM分析,結果顯示聚丙烯濾料表面微生物絮體的形狀不規則,盡管生物量大,但結構松散。而沸石表面菌落形態相對規則,有利于污水處理中附著微生物的繁殖代謝和耐沖擊性。對懸浮濾料進行親水性改性,可提高載體的傳質、掛膜和水處理能力。引入極性集團如羥基、羰基等到載體表面,是提高載體親水性、促進微生物粘附的有效方法之一。畢源等人采用共價接枝蛋白分子法對聚苯乙烯濾珠進行了改性,改性后濾料表面的親水性C-O鍵增加了25%,靜態接觸角由96b下降為36b,表面能由42mJ/m2增加至172.3mJ/m2,改性后的濾料掛膜速率加快,掛膜后表面生物量是未處理濾料的3~4倍,對COD的去除率從60%提高至89%。

濾料粒徑的影響

濾料粒徑的大小,關乎濾池內生物量的多少和水頭損失增長的快慢。田文華等人研究了濾料粒徑對BAF硝化性能的影響。研究表明,2~3mm沸石的硝化速率常數比4~5mm沸石高63.1%,硝化強度大39.7%。引起差異的原因可能是小粒徑濾料的比表面積較大,附著的生物量較大。除生物量上的差異外,小粒徑濾料對氣泡的切割作用更強,同時,小粒徑濾料層的縫隙更小,氣泡上升軌跡曲折,紊流加劇,延長了氣泡在濾料層中的停留時間,減少了氣膜和液膜的厚度,增強了氧氣傳質。魏善彪等人的研究證實了3~4mm陶粒的氧總傳質系數、氧利用率和充氧動力效率都優于同樣條件下5~6mm陶粒。

濾料粒徑也是影響濾池運行周期的重要參數,粒徑越大,納污能力越強,濾池越不易堵塞。Moore等人考察了1.5~3.5mm和2.5~4.5mm的StarLightC濾料在BAF中的運行效能,結果表明,小粒徑濾料的出水水質更好更穩定,但其運行周期比大粒徑濾料短70%左右。綜合考慮濾料粒徑對濾池處理效果及運行周期的影響,污水二級處理之前宜采用>6mm的濾料,3~6mm的濾料適用于二級處理,而三級處理或深度處理則需要采用<3mm的濾料。

濾料層高度的影響

BAF中沿水流方向會出現污染物去除效果及優勢菌群的不同分布。在碳氧化/硝化曝氣生物濾池中,COD和SS的去除一般發生在進水前段,此段生物量大,異養菌為優勢菌群,在進水后段COD降解到一定程度后,硝化菌逐漸活躍,濾池硝化性能顯著提高。蔣軼鋒等人采用沸石濾池處理水產養殖廢水,濾層高度1350mm,濾層進水端300mm內COD被降解了60%,而此段氨氮的去除率僅為16%;在距離濾池出水端450mm的濾層內,COD的去除率為4.5%,而氨氮的去除率達36%。

在專一功能的BAF中,污染物的去除隨濾層高度的增高而增加。江萍和胡九成通過實驗得出了濾料高度和COD去除率的數學模型,通過計算可以看出,污染物的去除率隨濾層高度的增加而增加,但存在一個適宜高度,在此高度上,高度再增加對提高去除率意義不大。濾層高度是BAF重要的設計參數。濾層過低,會出現出水不達標或濾床過早穿透的情況;濾層過高,反沖洗能耗增加,而且進水端生物膜增長較快,上層濾料未必能被完全利用。給水濾池理論中,濾層深度與粒徑之比>800時可保證出水水質。借鑒給水濾池理論,并結合不同功能濾池水頭損失增長規律,對沉沒式濾料而言,碳氧化/硝化濾池的濾料層高度宜為2.5~4.5m,反硝化濾池的濾料層高度宜為3.5~4.5m。懸浮濾料濾池的濾層高度宜為3~4m。

曝氣生物濾池反沖洗系統的設計

BAF運行過程中,水頭損失增長至一定程度,必須通過反沖洗來恢復通量,維持正常的處理效果。正常運行周期內,水頭損失的增加主要來自于濾池內部SS截留和生物膜增殖,同時隨著濾床孔隙率下降,氣體的駐留率增加,導致濾床局部通量下降。從水頭損失的發展規律來看,反沖洗應首先解決濾床局部孔隙率過低的問題。與COD降解和SS截留主要發生在進水前段一致,濾池的水頭損失也大部分集中在進水口附近。上向流沉沒濾料曝氣生物濾池中,反沖洗與進水流同向,進水前端的TSS不易從反沖洗排水中排除,故在濾池反沖洗前宜先進行快速降水,從降水管中排出進水前端的TSS,然后再通過氣洗促進顆粒碰撞,氣水聯合沖洗提高剪切力,最后水漂洗排除TSS和氣泡。因濾料性質的不同,懸浮濾料曝氣生物濾池反沖洗時直接將濾板上部儲存的清水重力回流逆向通過濾料層,然后與空氣沖洗交替進行,最后水漂洗,不需設置專門的反沖洗水泵,節約能耗。濾池的反沖洗強度與濾料的形狀、密度、粒徑和濾床的孔隙率等因素有關,綜合國內外研究成果及設計規范,不同濾料的反沖洗設計如表2所列。

不同濾料曝氣生物濾池的運行效果

表3給出了BAF采用不同濾料時的處理效果?？梢钥闯?幾種濾料對COD、SS、NH+4-N等都有較好的去除效率。在二級處理中,出水COD一般能降低到50mg/L以下。SS截留率在80%以上,但沉沒濾料濾池要達到10mg/L的一級A要求尚有難度。

BAF對NH+4-N的去除率很高,出水質量濃度一般在5mg/L以下,甚至低于1mg/L,設置反硝化濾池的條件下,對TN的去除率最高可達80%。BAF在三級處理中可以取得很好的效果,出水基本能滿足排放、再生利用標準的要求。目前,陶粒濾料在工程實踐中應用最多,火山巖次之,沸石最少。然而陶粒在生產過程中能耗高、污染重,濾池運行過程中易出現跑料、濾料板結等情況,因此有必要開發推廣運行效果良好、價廉易得、生產過程節能清潔的可持續發展濾料。越來越多的研究表明,火山巖和沸石在污水處理效果方面可媲美陶粒。同時,火山巖和沸石價格低廉,可降低處理系統的投資成本,應進一步考察其推廣使用的可能性。

結論

(1)曝氣生物濾池中陶粒、沸石、火山巖濾料的比表面積應分別>2,4,10m2/g;陶粒、沸石濾層的堆積孔隙率應>40%,火山巖濾層的堆積孔隙率應>46%。

(2)粒徑>6mm的濾料適用于污水二級處理之前,3~6mm的濾料適用于二級處理,三級處理或深度處理則需采用粒徑<3mm的濾料。

(3)對沉沒式濾料而言,碳氧化/硝化濾池的濾料層高度宜為2.5~4.5m,反硝化濾池的濾料層高度宜為3.5~4.5m。懸浮濾料濾池的濾層高度宜為3~4m。

(4)沉沒濾料曝氣生物濾池的反沖氣強度和反沖水強度宜為50~90,15~30m3/m2#h,懸浮濾料曝氣生物濾池的反沖氣強度和反沖水強度宜為5~12,50~70m3/m2#h。

(5)火山巖和沸石濾料處理效果好、成本低,應進一步考察其推廣使用的可能性。

作者：滕少香劉汝鵬王全勇韓雯雯鄭洪領孫遠奎單位：中國城市建設研究院山東分院