生物陶粒膨胀床处理微污染原水的试验研究

　
　　1 试验方法
　　整个装置由生物陶粒膨胀床、生物陶粒固定床、砂滤柱、水泵、连接管道、流量计和阀门等组成。砂滤柱主要用来截留生物陶粒膨胀床出水所带出的生物膜及浊度物质。试验装置见图1。
　　 1.1 流程说明
　　水流程：安徽蚌埠三水厂沉淀池出水经泵加压后，同时进入膨胀床和固定床。膨胀床出水进入砂滤柱，流出后待测。固定床出水可直接测定，也可再经砂滤柱后再测定。
　　气流程：空气由空压机压缩后经流量计、阀门从底部进入膨胀床和固定床。

　　 1.2 试验参数
　　生物陶粒膨胀床的载体装载高度1.7m，膨胀后高度约2.0m，垫层高度40cm，柱直径100mm，陶粒粒径0.56mm，水力负荷4～8m3/(m2·h)，气水比0.5～1.0。砂滤柱的装砂高度0.7m，垫层高度30cm，砂粒径0.5～1.2mm，柱直径100mm。生物陶粒固定床的载体高度1.7m，垫层高度30cm，柱直径100mm，陶粒粒径2～5mm，水力负荷4～10m3/(m2·h)，气水比0.5～1.0。
　　 2 试验结果
　　试验采用沉淀池出水作为待处理水，并分别采用不同水力负荷［4～10m3/(m2·h)］和气水比(0.5～1.0)等各种工况，对生物陶粒膨胀床的处理效果进行了考察。同时，在相同条件下(水质、水温、水力负荷、气水比等)与生物陶粒固定床作对比研究，考察了两者去除CODMn、UV254的效果，结果见表1、2。
表1 生物陶粒膨胀床与固定床对CODMn去除的对比

水力负荷［m3/(m2·h)］	4	6	8
气水比	0.5	1.0	0.5	1.0	0.5	1.0
进水(mg/L)	4.90	5.69	3.55	4.88	5.81	4.33
膨胀床系统	出水(mg/L)	3.24	4.21	2.32	3.60	4.25	3.33
去除率(%)	35.0	26.4	35.0	24.5	26.7	22.8
固定床系统	出水(mg/L)	3.88	4.82	2.76	4.31	4.88	3.71
去除率(%)	22.2	16.0	22.8	11.8	18.3	14.2
注①经试验测定，砂滤柱对有机物的去除作用很小，可以忽略不计。为了公平比较，试验中考虑了固定床出水经砂滤柱后的去除率，结果仅有2.9%。 　②表中数据皆为多次测定的平均值。　 　③试验时水温为16.5～20.0℃。

表2 生物陶粒膨胀床与固定床对UV254去除的对比

水力负荷［m3/(m2·h)］	4	6	8
气水比	0.5	1.0	0.5	1.0	0.5	1.0
进水(cm-1)	0.057	0.077	0.060	0.069	0.059	0.050
膨胀床系统	出水(cm-1)	0.041	0.056	0.046	0.055	0.043	0.038
去除率(%)	28.3	26.7	23.3	19.8	25.8	26.7
固定床系统	出水(cm-1)	0.048	0.066	0.053	0.062	0.049	0.041
去除率(%)	15.9	14.0	11.6	9.7	12.8	19.1
注 UV254为水中有机物在紫外线波长254nm下的吸光度(单位为cm-1)。其余同表1注。

　　3 讨论与分析
　　在膨胀床中，影响CODMn去除效果的因素有如下几点：膨胀率、停留时间、生物量、原水CODMn值及其组成、水温、溶解氧、水力负荷、气水比、pH值等。在载体一定的条件下，膨胀率主要由水力负荷决定，停留时间由水力负荷和气水比决定，生物量由原水CODMn值及其组成、膨胀率、水力负荷及气水比等决定。试验中，原水水温、DO、pH值、有机物组成可视为基本不变，进水CODMn值变化很小，因此主要有四个影响因素：膨胀率、停留时间、水力负荷与气水比。
　　① 膨胀率。在膨胀床中，由于气泡的不断搅拌，载体缓慢流动，这可加强传质过程和老化生物膜的脱落。在合适的范围内提高水力负荷和气水比，进而提高膨胀率，可提高对CODMn的去除率。
　　② 停留时间。对有机物的生物氧化需要一定的时间，短时间内微生物只能将水中某些大分子有机物部分氧化为小分子，而不能彻底氧化为水和二氧化碳。而某些有机物，短时间内仅能将其吸附在生物膜表面，不能被氧化。因而延长停留时间可在一定程度上提高CODMn的去除率。表1中，在水力负荷为4m3/(m2·h)、气水比为0.5时，CODMn的去除率较高，认为主要是停留时间较长的缘故。
　　③ 水力负荷。增加水力负荷一方面会提高膨胀率，有利于提高CODMn的去除率；另一方面又会缩短停留时间，降低了CODMn的去除率。因此，在水力负荷的变化中，会存在一个平衡点，此处CODMn的去除率相对最高。从表1可看出，在水力负荷为6m3/（m2·h）、气水比为0.5时，去除率相对另外两个状态较高。
　　④ 气水比。适当的气量可保证好氧生物正常生长、繁殖；过量的气量会在床体中抢占水的空间，缩短水与生物膜的接触时间，降低CODMn的去除率。从表1可见，随着气水比的增加，CODMn的去除率有所下降。试验中出水溶解氧均超过4.5mg/L。
　　从试验数据来看，膨胀床对CODMn的去除率在各种工况下均比固定床高10%左右。主要有两方面原因：一是膨胀床的陶粒载体颗粒粒径比固定床的小得多(膨胀床0.3～0.56mm，固定床2～5mm)，小的粒径具有大的比表面积，在相同载体体积情况下，可因比表面积的增大而获得更多的生物量，采用灼烧减重法测定的结果显示了膨胀床中单位重量载体的生物量比固定床提高了17.4%(固定床3.8mg生物量/g陶粒，膨胀床4.6mg生物量/g陶粒)，这样在相同空床停留时间内，膨胀床比固定床可氧化分解更多的有机物；二是膨胀床比固定床更有效地更新了生物膜，强化了生物膜的活性及有机物的传质过程。膨胀床在气、水的共同作用下，载体处于膨胀状态，陶粒颗粒一方面会发生自旋，另一方面会有速度较慢的位置移动，在此过程中，陶粒之间的摩擦、碰撞作用使得表面的生物膜总处于更新状态。而固定床在运行一段时间后，内部存积了许多形成浊度的物质，且覆盖在生物膜表面，降低了生物膜的活性，膨胀床则很少截留浊度物质，故可保持生物膜的高活性。
　　近年来，随着水质检测手段和公众健康意识的提高，人们越来越意识到水中“三致物”(如三卤甲烷等)的危害。一般水中均存在一定量的三卤甲烷前驱物，加氯消毒会直接将其大部分转化为三卤甲烷。因UV254与水中三卤甲烷前驱物有很好的相关性，故其相对值可间接反应水中三卤甲烷前驱物的相对含量。在紫外波长254nm下存在吸光度的物质主要为大分子芳香族化合物，其分子结构复杂，大部分为难生物降解的物质，主要依靠微生物的吸附作用来去除它们。从表2可看出，在不同水力负荷和气水比条件下，生物陶粒膨胀床对UV254的去除率均比固定床高10%左右。由此也可看出，对某些难生物降解有机物的去除，膨胀床在生物絮凝、吸附方面比固定床有一定的优越性。
　　 参考文献：
　　［1］王占生，等.颗粒填料生物接触氧化法处理微污染水源水研究［A］.钱易，等.水工业与可持续发展［C］.北京：清华大学出版社，1998.
　　［2］许保玖，等.给水处理理论与设计［M］.北京：建筑工业出版社.1992.