BAF/石英砂滤池一体化设备处理黑臭水体试验

近年来，由于我国市政基础设施建设跟不上城市的快速发展，尤其是敷设在地下的市政排水管网存在有雨污水未分流或分流不彻底、雨污管道混接错接等问题，导致大量污染物进入城市水体，造成大量城市水体出现了黑臭现象[1-3]。

黑臭水体的治理措施包括控源截污、内源治理、生态修复、活水保质、长治久清等，需要按照源头减排、过程控制、系统治理提出综合整治方案[4-5]。对截流式合流制溢流混合污水进行调蓄处理，采用循环或旁站处理设施作为处理黑臭水体的一种缓解措施。蔡聆聆等[6]采用纤维填料曝气生物滤池在气浮预处理条件下处理黑臭河水，出水水质达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，反冲洗周期长达40 d，但此装置操作复杂，能耗高，无人值守条件下，不利于装置的运行维护。徐菲等[7]采用外循环技术处理苏州城市河道黑臭水体，此装置由格栅网、微曝气池、脱氮除磷池组合而成，占地面积大，不耐冲击负荷，但辅以投加化学药剂可以实现较好的脱氮除磷效果。

本研究采用BAF和石英砂滤池组合工艺，开发黑臭水体处理的一体化设备，应用于溢流混合污水的处理及黑臭水体的循环处理。通过设计小试试验装置并连续运行，探究反应器在不同水力负荷与气水比条件下对污染物的去除效果，与传统BAF进行平行试验，探究一体化设备的最佳运行参数，为生产性试验及实际工程提供试验数据及设计依据。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验采用2套等高度的滤柱系统，分别为传统曝气生物滤池(BAF)及BAF与石英砂过滤组合的一体化设备(图1)。2套系统均由透明的有机玻璃柱构成，滤柱形状和尺寸相同，滤柱总高4.5 m，直径200 mm。柱1装填粒径2～4 mm的陶粒滤料，滤料厚度2.3 m；柱2上部装填粒径为2～4 mm的陶粒滤料，厚度1.5 m，下部装填粒径为1.2～2 mm的石英砂滤料，厚度0.8 m。在柱1在底部承托层及柱2的两种滤料交界处安装十字穿孔曝气管。反冲洗时的气水通过安装在承托层内的长柄滤头均匀分配到整个滤柱中。反冲洗采用气水联合反冲洗，气冲强度为18 L/(s·m2)，水冲强度为4 L/(s·m2)。

1.2 原水水质

试验原水取自湖南大学某居住小区下水道。污水由潜污泵从下水道检查井泵送到实验室原水箱中，经过滤网拦截大颗粒杂物，再经过静止沉淀后稀释2～4倍作为试验用水。BAF及一体化设备的进水水质参数如表1所示。

1.3 水质指标检测与分析

COD采用微波消解法进行测定；NH3-N和TN根据《水和废水分析检测方法》(第4版)分别采用纳氏试剂光度法、过硫酸钾氧化紫外分光光度法；浊度和DO分别采用浊度仪和便携式溶解氧仪直接测定。

1.4 试验方案

第1阶段:试验装置完成前期挂膜。

第2阶段:2018年7月17日—9月13日，考察了不同水力负荷条件下反应器对各种污染物去除效果，试验期间气水比采用0.5∶1，水力负荷依次设定为0.64，1.28，1.92，2.56 m3/(m2·h)。

第3阶段：2018年9月13日—10月28日，考察了不同气水比条件下反应器对各污染物的去除效果，试验期间水力负荷取第2阶段的最大水力负荷即2.56 m3/(m2·h)，气水比从1.5∶1、1.0∶1到0.5∶1。试验期间每种工况运行15 d左右，每2 d对各项污染物指标检测1次。

挂膜采用自然挂膜法，先通入小流量的生活污水再逐渐增大流量至20 L/h，挂膜过程中，维持气水比为4∶1，挂膜从2018年6月15日开始，水温范围15～25 ℃，时间持续近4周。挂膜后期检测COD去除率达到76.47%(进水272 mg/L，出水64 mg/L)；氨氮去除率达到91.1%(进水31.18 mg/L，出水2.77 mg/L)，可以认为挂膜成功。

2 试验结果与分析

2.1 浊度去除

2.1.1 水力负荷对浊度去除效果的影响

不同水力负荷条件下，柱1和柱2对浊度的去除率如表2所示。随着水力负荷的增大，柱1和柱2对浊度去除率均逐渐下降，但是柱1的下降趋势较柱2更加明显：水力负荷为0.64 m3/(m2·h)时，柱1对浊度平均去除率为91.45%，柱2为96.65%；水力负荷增大到2.56 m3/(m2·h)时，柱1对浊度平均去除率仅有82.76%，而柱2仍然有89.92%。对柱1和柱2进行浊度去除差异性分析，结果如表2所示，2根柱子对浊度去除率具有显著差异性。在较大水力负荷条件下，柱2浊度去除率比柱1高。

不同水力负荷条件下，柱1和柱2的出水浊度如图2所示。可以看到：整个水力负荷变化期间，柱2的出水浊度均比柱1低。从图3中可以看到，柱2的反冲洗周期也比柱1的长，整个试验期间，柱2的平均反冲洗周期比柱1的延长了2 d。表明柱2比柱1截留更多的杂质。在相同条件下运行，柱2的反冲洗耗水量低于柱1，产水率高于柱1。分析其原因，一方面，在传统曝气生物滤池下部增加一定厚度的石英砂滤层后，与上部陶粒形成了双层滤料滤池，其截污能力更高[8]；另一方面，石英砂滤料的比表面积较大，能进一步过滤净化水质[9]。

2.1.2 气水比对浊度去除效果的影响

由图4所示，气水比由1.5∶1、1.0∶1到0.5∶1，柱2的浊度平均去除率由98%下降至91%，而柱1从95%下降至84%。在气水比为0.5∶1的条件下，柱2的去除率比柱1增加了7百分点。对柱1和柱2的出水浊度进行方差分析，结果如表3所示。柱2的标准差均小于柱1，且2套滤柱的出水浊度有显著差异性。柱2相较于柱1在去除浊度方面效果更好和稳定。柱2上部设有粒径为2～4 mm陶粒滤料，通过吸附、降解和截留作用可去除水中大部分悬浮物和胶体物质，下部石英砂滤料粒径为1～2 mm，能进一步去除水中浊质[10]。因此，BAF/石英砂一体化设备对浊度去除率更高。

2.2 TN去除

2.2.1 水力负荷对TN去除效果的影响

不同水力负荷条件下，柱1和柱2对TN的去处效果如图5所示。可知：柱1对TN的去除率呈现出先升高后下降的趋势，而柱2对TN的去除率则呈现不断升高的趋势。两者的水力负荷从0.64 m3/(m2·h)增加到1.28 m3/(m2·h)时，TN去除率均有一个较大的提升。在水力负荷为0.64 m3/(m2·h)时，柱1和柱2对TN去除率分别为24.98%和30.60%。这是因为在水力负荷较低时，异养细菌在好氧条件下快速降解水中有机物，滤柱中反硝化所需的碳源不足，导致脱氮效果不佳。在水力负荷为1.28 m3/(m2·h)时，柱1和柱2对TN去除率分别为41.71%和45.36%，柱1和柱2的脱氮效果改善明显。当水力负荷继续增大时，柱2相对于柱1在脱氮上的优势得到充分体现，柱1传统BAF脱氮只是同步硝化反硝化作用[11-12]，其随着水力负荷的增大，硝化细菌的停留时间缩短，硝化作用减弱，TN去除效果也会下降。而柱2下部未进行曝气的石英砂滤料段可以发挥反硝化滤池的作用[13]，使得TN去除率有一定程度的提高。在水力负荷增大到2.56 m3/(m2·h)时，其TN去除率可达50.84%，出水平均值为7.91 mg/L，达到GB 18918—2002一级A标准要求。

2.2.2 气水比对TN去除效果的影响

由图6可以看出：气水比从1.5∶1、1.0∶1至0.5∶1，柱1和柱2对TN去除率均有较大提升，柱2平均去除率从18%、30%上升到了50%。在气水比为0.5∶1时，柱2的平均去除率比柱1提高5百分点。出水TN平均值为7.63 mg/L，达到GB 18918—2002一级A标准。柱1和柱2滤料表面的生物膜依次分布着反硝化层、硝化层和异养氧化层[14]，气水比较高时，生物膜外侧的DO(溶解氧)浓度较高，有利于COD和NH3-N的去除，但反硝化层的缺氧环境受到影响，导致TN去除率较低[15]；随着气水比的降低，生物膜外侧的DO浓度逐渐降低，异养氧化层和硝化层的生物活性受到一定影响，但可以满足对COD和NH3-N的去除，同时可以使得反硝化层的缺氧环境得到保证，TN去除率提高。整个试验过程中，柱2对TN去除率始终高于柱1，这说明在DO较低情况下，柱2下部的石英砂滤料可以发挥一定的深床反硝化作用[16]。

2.3 有机物去除

2.3.1 水力负荷对有机物去除效果的影响

由图7可以看出：2个柱子的进水ρ(COD)在50 mg/L上下波动，出水COD浓度随着水力负荷的增大逐渐升高。柱2在整个试验过程中，平均出水ρ(COD)均低于20 mg/L，满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准，而柱1在水力负荷大于1.92 m3/(m2·h)时，平均出水ρ(COD)高于20 mg/L。

随着水力负荷的增大，柱1和柱2的COD去除率均逐渐减小，柱2平均去除率从75%下降至65%，但柱2去除率比柱1去除率高，说明柱2下部石英砂滤料段具有进一步吸附与截留难生物降解有机物的作用，传统BAF在微生物作用下，把易生物降解有机物去除后，剩下的难降解有机物可能会随出水排出，导致出水COD去除效果不佳，但在其下部增加石英砂滤料后出水水质有所改善。

2.3.2 气水比对有机物去除效果的影响

由图8可以看出：随着气水比从1.5∶1、1.0∶1至0.5∶1，柱1和柱2对COD去除率整体略有降低，但柱2去除率高于柱1。在气水比为0.5∶1时，柱1和柱2对COD平均去除率分别为63.63%和69.50%。柱2的去除率比柱1增加了约6百分点，对于柱1，气水比的降低会直接导致COD去除率的降低；但对于柱2，由于其下部石英砂滤料还可以发挥深床反硝化的作用，通过反硝化消耗一部分有机物。因此，一体化设备在1个反应器内同时去除COD和TN比传统BAF效果更佳。

2.4 NH3-N去除

由图9可以看出：在水力负荷较小时，两者的NH3-N去除率非常接近，当水力负荷达到2.56 m3/(m2·h)时，柱1对NH3-N去除率比柱2的去除率高。NH3-N去除是硝化细菌在好氧条件下将NH3-N转换为

水力停留时间的缩短以及缺氧环境都会影响NH3-N去除[17-18]，由于柱1整个滤料层都为好氧层，柱2下部还有0.8 m厚的缺氧层，因此柱1对NH3-N去除效果要好于柱2。在下一步进行生产性试验时，可以适当增大陶粒滤料好氧段的高度来提高NH3-N去除率。

2.5 沿程分析

保持一体化设备在气水比0.5∶1，水力负荷2.56 m3/(m2·h)下连续运行。从表4可以看出，进水ORP平均值为37 mV，柱1出水ORP平均值为114.83 mV，柱2出水平均值为86.95 mV。对两者出水进行方差分析可知，柱2的标准差小于柱1，两者有显著性差异。

图10为柱2不同高度处出水污染物浓度，从进水到1.5 m高度段为陶粒段，1.5 m到出水段为石英砂段。可以看出：在陶粒段，好氧条件使得COD和NH3-N被异养菌大量消耗，如前文所述，生物膜的多层结构存在同步硝化反硝化作用，因此TN也有所下降，浊度总体上呈均匀的下降趋势；在石英砂段，缺氧环境可以发生一定的反硝化作用，同时消耗部分有机物和TN，石英砂滤料也可以进一步吸附截留难降解COD，因此COD浓度在此段继续下降。而NH3-N由于截留作用只是稍有降低。此段可截留颗粒更小的杂质，因此浊度也呈进一步下降趋势。

3 结论

1)采用滤料总高度相同的BAF/石英砂滤池一体化设备与传统BAF同时处理模拟黑臭水体，结果表明BAF/石英砂滤池一体化设备的COD、TN以及浊度去除率比传统BAF高。

2)水力负荷的适当增加可提高反应器的有机负荷，对BAF/石英砂一体化设备去除TN有利，但对去除NH3-N和有机物不利。

3)BAF/石英砂滤池一体化设备用于处理黑臭水体时，在2.56 m3/(m2·h)的水力负荷条件下，COD、NH3-N、TN以及浊度平均去除率分别为65.09%、75.70%、50.84%和89.42%，可将该设备应用于截流式合流制溢流混合污水的处理及黑臭水体的旁站处理或循环处理。

4)BAF/石英砂一体化设备在气水比为0.5∶1的条件下，可实现在1个反应器中对有机物、NH3-N和TN的同时去除。

5)严格控制反冲洗强度，气水联合反冲洗强度参数：气冲强度为18 L/(s·m2)，水冲强度为4 L/(s·m2)。

6)BAF/石英砂一体化设备可在1个反应器内实现生物降解与过滤净化水质，具有去除污染物效率较高，占地面积较小，运行操作简单的特点。

[1] 李斌，柏杨巍，刘丹妮，等. 全国地级及以上城市建成区黑臭水体的分布、存在问题及对策建议[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 511-518.

[2] 唐建国，张悦，梅晓洁. 城镇排水系统提质增效的方法与措施[J]. 给水排水, 2019, 55(4): 30-38.

[3] 王谦，高红杰. 我国城市黑臭水体治理现状、问题及未来方向[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 507-510.

[4] 刘晓玲，徐瑶瑶，宋晨，等. 城市黑臭水体治理技术及措施分析[J]. 环境工程学报, 2019, 13(3): 519-529.

[5] 鲁秀国，黄林长，张耀，等. 臭氧氧化-生物接触氧化处理黑臭水[J]. 水处理技术, 2018, 44(4): 89-91.

[6] 蔡聆聆，肖羽堂，张开现. 气浮预处理下曝气生物滤池处理黑臭河水中试[J]. 水处理技术, 2019, 45(3): 129-132.

[7] 徐菲，胡细全，杨蓉. 外循环技术净化黑臭河道水体工艺研究[J]. 水处理技术, 2018, 44(7): 83-85.

[8] 齐翔，王飞际，王丽伟，等. 石英砂和陶粒双层滤料的综合过滤试验及比较[J]. 能源环境保护, 2005(5): 31-33.

[9] 周超，张建锋，何华，等. 砂滤池对水中颗粒物截留效果及反冲洗效果的分析[J]. 给水排水, 2013, 49(9): 33-38.

[10] 李娜，陈林华. 曝气生物滤池-石英砂过滤器工艺在电厂生活污水处理回用中的应用[J]. 科技经济导刊, 2018, 26(4): 109-110.

[11] 李婷，董文艺，王宏杰，等. 气水比对曝气生物滤池处理城市生活污水的影响[J]. 给水排水, 2011, 47(增刊1): 50-54.

[12] Gong L, Jun L, Yang Q, et al. Biomass characteristics and simultaneous nitrification-denitrification under long sludge retention time in an integrated reactor treating rural domestic sewage[J]. Bioresource Technology, 2012, 119: 277-284.

[13] 范荣桂，范彬，栾兆坤. 深床过滤中的生物反硝化脱氮实验研究[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2009, 28(增刊2): 190-192.

[14] Yue X, Yu G, Lu Y, et al. Effect of dissolved oxygen on nitrogen removal and the microbial community of the completely autotrophic nitrogen removal over nitrite process in a submerged aerated biological filter[J]. Bioresource Technology, 2018, 254: 67-74.

[15] Cao Y, Zhang C, Rong H, et al. The effect of dissolved oxygen concentration (DO) on oxygen diffusion and bacterial community structure in moving bed sequencing batch reactor (MBSBR)[J]. Water Research, 2017, 108: 86-94.

[16] 潘正道. 复合生物滤池和活性砂滤池处理电厂循环冷却排污水研究[D]. 北京：清华大学, 2016.

[17] Tao C, Peng T, Feng C, et al. The feasibility of an up-flow partially aerated biological filter (U-PABF) for nitrogen and COD removal from domestic wastewater[J]. Bioresource Technology, 2016, 218: 307-317.

[18] Ryu H, Kim J, Kang M, et al. Enhanced nitrification at short hydraulic retention time using a 3-stage biological aerated filter system incorporating an organic polishing reactor[J]. Separation and Purification Technology, 2014, 136: 199-206.

BAF/石英砂滤池一体化设备处理黑臭水体试验

0 引言

1 试验部分

1.1 试验装置

1.2 原水水质

1.3 水质指标检测与分析

1.4 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 浊度去除

2.2 TN去除

2.3 有机物去除

2.4 NH3-N去除

2.5 沿程分析

3 结论

EXPERIMENTAL STUDY ON TREATMENT OF BLACK AND ODOROUS WATER WITH INTEGRATED BAF/QUARTZ SAND FILTER

BAF/石英砂滤池一体化设备处理黑臭水体试验

0 引 言

1 试验部分

1.1 试验装置

1.2 原水水质

1.3 水质指标检测与分析

1.4 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 浊度去除

2.2 TN去除

2.3 有机物去除

2.4 NH3-N去除

2.5 沿程分析

3 结 论

EXPERIMENTAL STUDY ON TREATMENT OF BLACK AND ODOROUS WATER WITH INTEGRATED BAF/QUARTZ SAND FILTER

0 引言

3 结论