论文部分内容阅读
摘要[目的]研究基于不同挂膜填料的A/O工艺抗冲击负荷与稳定性。[方法]为了考察2种填料的挂膜启动效率、运行稳定性，以青岛市某小区生活污水为例，基于A/O工艺，利用平行连续中试试验研究了弹性立体填料和柱状悬浮填料的启动、运行以及在低温或低负荷条件下的抗冲击性能。[结果]对COD、TP的去除而言，在低温状态下，投加弹性填料的A/O系统抗冲击性和稳定性要优于投加悬浮填料的A/O系统；在低负荷状态下，投加悬浮填料的A/O系统抗冲击性和稳定性要优于投加弹性填料的A/O系统。[结论]在实际工程应用中，要针对不同的处理水平和在不良条件下从不同污染物考虑的对其抗冲击和稳定性影响，选用合适的填料。
关键词A/O工艺；填料；抗冲击；稳定性
中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-254-03
根据安装方法的不同，生物填料的类型可以概括为固定式、悬挂式和分散式等几种[1-3]。不同填料不同的结构使其在生物接触氧化过程中的优缺点各异，例如，弹性立体填料属于悬挂式填料，刚度适宜的拉丝束缚在中心绳并以其为中心向四周均匀辐射，一方面使微生物有效快速附着而易挂膜，另一方面充分切割气泡而提高溶解氧的利用率；柱状悬浮填料属于分散式立体填料，比表面积大，比重与水类似而使其在水中曝气或搅拌条件下呈流化态，具有更新快、易挂膜、生物活性高等优点[2]。
在城市污水处理厂运行过程中，由于降雨、相关排水体系滞后、污水处理厂的规模建设、突发性状况等原因，使水处理系统阶段性进水水质或水量低于运行理论要求值[4]，而導致系统低负荷运行；另外，在冬季北方大部分地区气温较低，进水温度下降直接影响生物反应，而使系统处于低温运行状态。低负荷和低温不良条件明显影响水处理系统的稳定运行及水处理效果。
填料在不良条件下对系统稳定性的贡献力及抗冲击能力的研究较少。该研究就弹性立体填料和柱状悬浮填料2种填料为例，以生活污水为研究对象，基于A/O工艺，模拟正常的相同的进水和系统运行条件，对比分析其挂膜启动效率和稳定运行的处理性能；利用两组平行中试试验装置，模拟相同的低负荷、低温条件以及恢复正常运行条件，考察2种填料在水处理过程中的抗冲击力和运行的稳定性，为优化生物接触氧化系统提供理论支持。
1材料与方法
1.1试验用水、接种污泥及填料
该研究中试验用水为青岛市某小区生活污水，经初沉后进入实验室储水池以备用。污水水质较稳定、组分复杂，其中COD含量为300～500 mg/L，氨氮含量为20～50 mg/L，总氮含量为50～85 mg/L，总磷含量为2～7 mg/L。接种污泥为青岛市某水源主要为生活污水的污水处理厂二沉池污泥，MLSS含量为4.5～6.0 g/L。选择悬挂式填料中弹性立体填料和分散式填料中柱状悬浮填料进行试验，其结构外观如图1所示。
1.2试验方法
通过可计量蠕动泵将实验室生活污水储水池向两组相同的平行A/O装置供水，两组装置均采用A单元电机机械搅拌和O单元穿孔管连续曝气的方式促进微生物对填料载体的附着及水处理过程，提高传质效率，其中控制O单元溶剂氧的含量维持在（3.5±0.5）mg/L左右。A和O单元体积比均为1∶2.5，两组装置分别使用弹性立体填料和柱状悬浮填料，填充率均为40%。
（1）挂膜启动和稳定运行。室温[（25±2）℃]条件下进行接种活性污泥和装置进水，到达设计水位后，将接触氧化池闷曝2 d左右[2，5-7]，静沉利用抽吸泵排放上清液。两套相同系统均通过连续进水梯度增加进水负荷驯化培养能处理该生活污水的微生物，起初进水流量为20 L/d，5 d后梯度增加到设计流量100 L/d，每天连续测定进出水水质变化，计算比较两种填料下的装置稳定后的水处理效果及到达稳定状态所需要的时间。
（2）低温试验。挂膜成功稳定运行后，进行连续试验，40 d时通过调节空调控制试验环境温度降为15 ℃模拟系统运行低温条件，56 d时恢复正常室温[（25±2）℃]，连续测定两种填料进出水水质，考察低温下水处理效果，计算两组平行系统恢复稳定处理的水平及所用时间，对比考察2种填料低温条件下的抗冲击能力和稳定效率。重复上述试验步骤，分别将低温温度设定为10、5 ℃进行不同低温条件下的对比试验。
（3）低进水量试验。人工模拟低进水量状态，通过减小进水流量为设计进水量的1/2、1/3、1/4进行试验，测定两种填料下进出水常规指标。运行一段时间恢复进水负荷，测定两组平行系统恢复稳定处理的水平及所用时间，对比考察2种填料低负荷条件下的抗冲击能力和稳定效率。
2试验结果及分析
有研究发现，系统长期在低负荷状态下运行会导致除磷效率下降[4]。因此，在该研究中，在低（负荷）进水量试验中，测定进出水TP的浓度变化来考察基于不同填料下的系统抗冲击性和稳定性；在启动试验和低温试验中，测定进出水COD、TP、氨氮3个指标来评价基于不同填料下的系统抗冲击性和稳定性，试验结果如图2～4所示。
由图2～3可知，对于COD的去除效果，弹性立体填料和悬浮填料在正常室温条件下的去除率平均值分别为80%、84%，稳定出水平均水平分别为43.78、27.86 mg/L。在低温阶段，弹性立体填料的COD去除基本不受影响，悬浮填料的COD去除效果下降，由低温恢复正常温度后恢复稳定的时间分别为5、8 d，再稳定后的平均水平为80.05%、83.19%。虽然在室温条件下和再稳定后的COD去除水平弹性立体填料低于悬浮填料，但抗冲击力和稳定性高于悬浮填料。从图4可知，对于氨氮的去除，弹性立体填料和悬浮填料在正常室温条件下的去除率平均值分别为84.54%、86.98%，2种填料在低温条件下的处理水平均低于正常条件下的稳定水平，恢复温度后去除效果恢复稳定的时间悬浮填料快于弹性填料，但稳定处理水平弹性填料优于悬浮填料，分别为85.94%、83.93%。 另外，在该研究条件下，从COD、TP、氨氮3个指标来评价2种填料的启动挂膜效率不同。综合图2～4，弹性填料和悬浮填料挂膜成功稳定运行时间分别为18和26 d，弹性填料虽挂膜快，挂膜稳定后的处理水平略低于悬浮填料。
由图4可知，低温状态下的TP去除率的下降和温度恢复正常状态时去除率的升高较明显。为深入比较2种填料的抗冲击能力，从TP的去除角度出发，对比弹性填料和悬浮填料在不同低温状态下的恢复时间和再稳定水平，结果如表1所示。 说明由15 d不同低温状态回升并保持正常室温后，弹性立体填料的恢复快于悬浮填料，但悬浮填料的再稳定处理水平高于弹性立体填料；由不同的低温状态恢复正常室温，低温阶段控制的温度越低，两种填料的恢复时间均变长，再稳定后的去除效果下降。
从表2可知，不同低进水量条件下，2种填料对TP的去除效果均降低，进水量越低，去除效果越差；相同条件下，由低进水量恢复正常进水量后悬浮填料较弹性立体填料恢复时间短，且再稳定水平高。
3结论
（1）在试验条件下，弹性填料和悬浮填料挂膜成功时间不同，弹性填料挂膜快于悬浮填料；综合COD、TP、氨氮3个指标挂膜成功后稳定的水处理效果，悬浮填料优于弹性填料。
（2）在低温试验中，对于COD的去除效果，弹性填料系统去除效果基本不受影响，降温后悬浮填料系统去除效果下降，恢复温度后去除效果升高，略低于正常条件下的处理水平；对于氨氮的去除，2种填料在低温条件下的处理水平均低于正常条件下的稳定水平，恢复温度后去除效果恢复稳定的时间悬浮填料快于弹性填料，但稳定处理水平弹性填料优于悬浮填料；对于TP的去除，处理水平均降低，恢复温度后弹性填料稳定处理时间快于悬浮填料，但处理水平低于悬浮填料。因此，对COD、TP的去除而言，在低温状态下，投加弹性填料的A/O系统抗冲击性和稳定性要优于投加悬浮填料的A/O系统；对氨氮的去除而言，悬浮填料恢复稳定的时间短，但稳定后的处理水平低于弹性填料。
（3）在低负荷试验中，对于TP的去除，悬浮填料和弹性填料在低负荷状态下对磷的去除效果下降，恢复正常负荷后2种填料对磷的去除效果有明显的提高，恢复到稳定水平所用时间悬浮填料短于弹性填料，且处理水平高于弹性填料。对磷的去除而言，在低负荷状态下，投加悬浮填料的A/O系统抗冲击性和稳定性要优于投加弹性填料的A/O系统。
（4）在实际工程应用中，要针对不同的处理水平和在不良条件下从不同污染物考虑的对其抗冲击和稳定性影响，选用合适的填料。
参考文献
[1]
蒋战洪.污水处理用填料的种类、性能和发展趋势[J].环境污染与防治，1994，16（4）：13-16.
[2] 蔡笠.几种填料在生物接触氧化工艺中的应用特性及工艺改良研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[3] 艾恒雨，汪群慧，谢维民，等.接触氧化工艺中生物填料的发展及应用[J].给水排水，2005，31（2）：88-92.
[4] 毕学军，张波，丁曰堂，等.长期低负荷运行对污水生物除磷的影响[J].中国给水排水，2002，18（7）：83-85.
[5] 汪艳霞.生物接触氧化填料性能试验研究[D].太原：太原理工大學，2004.
[6] 周东凯.新型纤维挂膜填料污水处理研究[D].北京：北京化工大学，2013.
[7] 李芙蓉，董有，宋珏容，等.悬浮载体生物膜工艺挂膜试验研究[J].工业安全与环保，2009，35（9）：22-24.
关键词A/O工艺；填料；抗冲击；稳定性
中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2015）21-254-03
根据安装方法的不同，生物填料的类型可以概括为固定式、悬挂式和分散式等几种[1-3]。不同填料不同的结构使其在生物接触氧化过程中的优缺点各异，例如，弹性立体填料属于悬挂式填料，刚度适宜的拉丝束缚在中心绳并以其为中心向四周均匀辐射，一方面使微生物有效快速附着而易挂膜，另一方面充分切割气泡而提高溶解氧的利用率；柱状悬浮填料属于分散式立体填料，比表面积大，比重与水类似而使其在水中曝气或搅拌条件下呈流化态，具有更新快、易挂膜、生物活性高等优点[2]。
在城市污水处理厂运行过程中，由于降雨、相关排水体系滞后、污水处理厂的规模建设、突发性状况等原因，使水处理系统阶段性进水水质或水量低于运行理论要求值[4]，而導致系统低负荷运行；另外，在冬季北方大部分地区气温较低，进水温度下降直接影响生物反应，而使系统处于低温运行状态。低负荷和低温不良条件明显影响水处理系统的稳定运行及水处理效果。
填料在不良条件下对系统稳定性的贡献力及抗冲击能力的研究较少。该研究就弹性立体填料和柱状悬浮填料2种填料为例，以生活污水为研究对象，基于A/O工艺，模拟正常的相同的进水和系统运行条件，对比分析其挂膜启动效率和稳定运行的处理性能；利用两组平行中试试验装置，模拟相同的低负荷、低温条件以及恢复正常运行条件，考察2种填料在水处理过程中的抗冲击力和运行的稳定性，为优化生物接触氧化系统提供理论支持。
1材料与方法
1.1试验用水、接种污泥及填料
该研究中试验用水为青岛市某小区生活污水，经初沉后进入实验室储水池以备用。污水水质较稳定、组分复杂，其中COD含量为300～500 mg/L，氨氮含量为20～50 mg/L，总氮含量为50～85 mg/L，总磷含量为2～7 mg/L。接种污泥为青岛市某水源主要为生活污水的污水处理厂二沉池污泥，MLSS含量为4.5～6.0 g/L。选择悬挂式填料中弹性立体填料和分散式填料中柱状悬浮填料进行试验，其结构外观如图1所示。
1.2试验方法
通过可计量蠕动泵将实验室生活污水储水池向两组相同的平行A/O装置供水，两组装置均采用A单元电机机械搅拌和O单元穿孔管连续曝气的方式促进微生物对填料载体的附着及水处理过程，提高传质效率，其中控制O单元溶剂氧的含量维持在（3.5±0.5）mg/L左右。A和O单元体积比均为1∶2.5，两组装置分别使用弹性立体填料和柱状悬浮填料，填充率均为40%。
（1）挂膜启动和稳定运行。室温[（25±2）℃]条件下进行接种活性污泥和装置进水，到达设计水位后，将接触氧化池闷曝2 d左右[2，5-7]，静沉利用抽吸泵排放上清液。两套相同系统均通过连续进水梯度增加进水负荷驯化培养能处理该生活污水的微生物，起初进水流量为20 L/d，5 d后梯度增加到设计流量100 L/d，每天连续测定进出水水质变化，计算比较两种填料下的装置稳定后的水处理效果及到达稳定状态所需要的时间。
（2）低温试验。挂膜成功稳定运行后，进行连续试验，40 d时通过调节空调控制试验环境温度降为15 ℃模拟系统运行低温条件，56 d时恢复正常室温[（25±2）℃]，连续测定两种填料进出水水质，考察低温下水处理效果，计算两组平行系统恢复稳定处理的水平及所用时间，对比考察2种填料低温条件下的抗冲击能力和稳定效率。重复上述试验步骤，分别将低温温度设定为10、5 ℃进行不同低温条件下的对比试验。
（3）低进水量试验。人工模拟低进水量状态，通过减小进水流量为设计进水量的1/2、1/3、1/4进行试验，测定两种填料下进出水常规指标。运行一段时间恢复进水负荷，测定两组平行系统恢复稳定处理的水平及所用时间，对比考察2种填料低负荷条件下的抗冲击能力和稳定效率。
2试验结果及分析
有研究发现，系统长期在低负荷状态下运行会导致除磷效率下降[4]。因此，在该研究中，在低（负荷）进水量试验中，测定进出水TP的浓度变化来考察基于不同填料下的系统抗冲击性和稳定性；在启动试验和低温试验中，测定进出水COD、TP、氨氮3个指标来评价基于不同填料下的系统抗冲击性和稳定性，试验结果如图2～4所示。
由图2～3可知，对于COD的去除效果，弹性立体填料和悬浮填料在正常室温条件下的去除率平均值分别为80%、84%，稳定出水平均水平分别为43.78、27.86 mg/L。在低温阶段，弹性立体填料的COD去除基本不受影响，悬浮填料的COD去除效果下降，由低温恢复正常温度后恢复稳定的时间分别为5、8 d，再稳定后的平均水平为80.05%、83.19%。虽然在室温条件下和再稳定后的COD去除水平弹性立体填料低于悬浮填料，但抗冲击力和稳定性高于悬浮填料。从图4可知，对于氨氮的去除，弹性立体填料和悬浮填料在正常室温条件下的去除率平均值分别为84.54%、86.98%，2种填料在低温条件下的处理水平均低于正常条件下的稳定水平，恢复温度后去除效果恢复稳定的时间悬浮填料快于弹性填料，但稳定处理水平弹性填料优于悬浮填料，分别为85.94%、83.93%。 另外，在该研究条件下，从COD、TP、氨氮3个指标来评价2种填料的启动挂膜效率不同。综合图2～4，弹性填料和悬浮填料挂膜成功稳定运行时间分别为18和26 d，弹性填料虽挂膜快，挂膜稳定后的处理水平略低于悬浮填料。
由图4可知，低温状态下的TP去除率的下降和温度恢复正常状态时去除率的升高较明显。为深入比较2种填料的抗冲击能力，从TP的去除角度出发，对比弹性填料和悬浮填料在不同低温状态下的恢复时间和再稳定水平，结果如表1所示。 说明由15 d不同低温状态回升并保持正常室温后，弹性立体填料的恢复快于悬浮填料，但悬浮填料的再稳定处理水平高于弹性立体填料；由不同的低温状态恢复正常室温，低温阶段控制的温度越低，两种填料的恢复时间均变长，再稳定后的去除效果下降。
从表2可知，不同低进水量条件下，2种填料对TP的去除效果均降低，进水量越低，去除效果越差；相同条件下，由低进水量恢复正常进水量后悬浮填料较弹性立体填料恢复时间短，且再稳定水平高。
3结论
（1）在试验条件下，弹性填料和悬浮填料挂膜成功时间不同，弹性填料挂膜快于悬浮填料；综合COD、TP、氨氮3个指标挂膜成功后稳定的水处理效果，悬浮填料优于弹性填料。
（2）在低温试验中，对于COD的去除效果，弹性填料系统去除效果基本不受影响，降温后悬浮填料系统去除效果下降，恢复温度后去除效果升高，略低于正常条件下的处理水平；对于氨氮的去除，2种填料在低温条件下的处理水平均低于正常条件下的稳定水平，恢复温度后去除效果恢复稳定的时间悬浮填料快于弹性填料，但稳定处理水平弹性填料优于悬浮填料；对于TP的去除，处理水平均降低，恢复温度后弹性填料稳定处理时间快于悬浮填料，但处理水平低于悬浮填料。因此，对COD、TP的去除而言，在低温状态下，投加弹性填料的A/O系统抗冲击性和稳定性要优于投加悬浮填料的A/O系统；对氨氮的去除而言，悬浮填料恢复稳定的时间短，但稳定后的处理水平低于弹性填料。
（3）在低负荷试验中，对于TP的去除，悬浮填料和弹性填料在低负荷状态下对磷的去除效果下降，恢复正常负荷后2种填料对磷的去除效果有明显的提高，恢复到稳定水平所用时间悬浮填料短于弹性填料，且处理水平高于弹性填料。对磷的去除而言，在低负荷状态下，投加悬浮填料的A/O系统抗冲击性和稳定性要优于投加弹性填料的A/O系统。
（4）在实际工程应用中，要针对不同的处理水平和在不良条件下从不同污染物考虑的对其抗冲击和稳定性影响，选用合适的填料。
参考文献
[1]
蒋战洪.污水处理用填料的种类、性能和发展趋势[J].环境污染与防治，1994，16（4）：13-16.
[2] 蔡笠.几种填料在生物接触氧化工艺中的应用特性及工艺改良研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[3] 艾恒雨，汪群慧，谢维民，等.接触氧化工艺中生物填料的发展及应用[J].给水排水，2005，31（2）：88-92.
[4] 毕学军，张波，丁曰堂，等.长期低负荷运行对污水生物除磷的影响[J].中国给水排水，2002，18（7）：83-85.
[5] 汪艳霞.生物接触氧化填料性能试验研究[D].太原：太原理工大學，2004.
[6] 周东凯.新型纤维挂膜填料污水处理研究[D].北京：北京化工大学，2013.
[7] 李芙蓉，董有，宋珏容，等.悬浮载体生物膜工艺挂膜试验研究[J].工业安全与环保，2009，35（9）：22-24.