微污染原水的生物接触氧化预处理研究

简介： 采用生物接触氧化技术预处理微污染原水，并和水厂常规处理工艺进行了对比。中试结果表明，原水浊度为50～200NTU、氨氮浓度为1～10mg/L、水温为18～30℃时，生化池对氨氮的去除率为60%～80%，CODMn去除率为0.5%～25%，UV254的去除率为1%～15%；正常运行时，较高浊度(200～800NTU)的冲击不会明显影响生化池对氨氮和CODMn的去除；生化池的亚硝酸盐氮去除率为20%～50%，在原水氨氮浓度较高时亚硝酸盐氮积累增多；增加生物接触氧化预处理工艺，显著提高了后续混凝沉淀池和砂滤池的除污染效果。
关键字：微污染原水 预处理 生物接触氧化

Research on Pretreatment of Micro-Polluted Source Water by Biological
Contact Oxidation Process
ZHANG Dong，XU Jian-hua，LIU Hui
(School of Environ.Sci.and Eng.,Tongji Univ.,Shanghai 200092,China)

　　Abstract： Experimental research on pretreatment of polluted raw water with higher turbidity and higher ammonia-N concentration by biological contact oxidation process (B COP) with elastic packing was conducted and compared with conventional water treatment process.Experimental results showed that removal rates of ammonia-N,COD_Mn,and UV254 were 60%～80%,0.5%～25%,and 1%～15% respectively at raw water turbidity of 50～200NTU,ammonia-N concentration of 1～10mg/L and temperature of 18～30 ℃.During the test, higher turbidity (from 200 NTU to 800NTU) of raw water had no significant effect on removal efficiency of ammonia-N and COD_Mn.Nitrite removal rate was 20%～50%,but nitrite accumulation took place when ammonia-N concentration was rather high.With the BCOP,pollutants removal effects of subsequent sedimentation tank and rapid sand filter could be improved.
　　Keywords: micro-polluted source water;pretreatment;biological contact oxidation

　　1 工艺流程对比

　　① 中试工艺流程

　　② 水厂常规生产工艺流程

　　2 运行参数和挂膜情况

　　生化池采用YDT型弹性立体填料，装填高度为3.7m，进水流量为1m³/h，停留时间为1.1h，池底设微孔曝气器，气水比为(0.5～1.0)∶1。原水的浊度较高，水温17～20℃时，采用自然挂膜约需21d，此时的氨氮去除率约为60%。装置24h连续运行，混凝沉淀池投加PAC为10 mg/L，砂滤池反冲洗周期为12h。生化系统运行期间水温18～30℃。

　　3 原水水质和分析测定方法

　　① 原水水质(见表1)

　　从表1数据可知其受污染情况较严重，氨氮和亚硝酸盐氮浓度高。
　　② 分析测定方法
　　浊度：HACH2100型浊度仪；
　　氨氮^［1］：纳氏试剂分光光度法；
　　COD_Mn^［1］：酸性高锰酸钾法；
　　亚硝酸盐氮^［1］：对氨基苯磺酸—α-萘乙二胺光度法；
　　溶解氧：溶解氧测定仪。

　　4 结果与讨论

　　4.1 生化池的溶解氧变化
　　试验期间生化池的气水比为(0.5～1.0)∶1，原水的溶解氧和氨氮含量波动很大，但生化池的出水溶解氧基本稳定在5.5～8.0mg/L(见图1)，由此可见生化池内的溶解氧很充足。

　　4.2 生化池预处理效果及分析
　　4.2.1 浊度的去除(见图2)
　　从图2可以看出，浊度的去除率在5%～40%,平均约17%，其去除机理主要依赖以下作用：
　　① 填料上生物膜的生物絮凝作用和对形成浊度的有机物吸附降解；
　　② 由于溶解氧充足，以细菌为食料的原生动物大量繁殖促进了生物絮凝，而且这些原生动物(如轮虫和纤毛虫等)还可以吞食水中游离细菌和微小的污泥质点，从而降低生化池出水的浊度；

　　③ 老化脱落的生物膜可起到生物絮凝剂的作用，与细小的悬浮颗粒形成大絮体沉降到底部；
　　④ 部分原水中的较大颗粒可自然沉降除去。
　　总的来说，当原水浊度较高时，浊度的去除以自然沉降和生物絮凝沉降为主，生物吞噬分解能力有限。微孔曝气的生化池气水比一般取(0.5～1.0)∶1，既可以使生化池有足够的溶解氧，又有适当的曝气搅拌强度。若气水比过大，会有部分老化脱落生物膜和固体颗粒被冲出生化池而导致出水浊度升高。
　　4.2.2 氨氮的去除(见图3)

　　由图3可见，生化池氨氮的去除率在60%～85%。原水的氨氮浓度为10mg/L，水温≥20℃时，生化池出水氨氮浓度为3mg/L,再经后续的混凝沉淀和砂滤工艺，滤后水的氨氮浓度＜1mg/L。
　　由试验可知，即使原水的COD_Mn达到12mg/L左右，COD_Mn值大小对氨氮的去除也没有明显影响。这可能是由于生化池中的溶解氧很充足，能满足硝化菌和异养菌的最大需要，这两类细菌之间不会产生明显的竞争，所以生化池对氨氮的去除效果基本稳定。
　　4.2.3 亚硝酸盐氮的去除(见图4)
　　由图4可见，氨氮浓度较低时(＜2.5mg/L)，亚硝酸盐氮的去除率在20%～50%，低于有关文献报道(70%～90%)，而当原水氨氮较高时(＞2.5mg/L)，亚硝酸盐氮反而会积累增多。分析其原因可能是：①生化池填料表面自养菌之间以及自养菌和异养菌之间对优势生长空间的竞争：异养菌因繁殖较快，占据生物膜的外表层一部分空间，而另外的绝大部分外表层空间则为亚硝化细菌所占据，这样亚硝化细菌就处于对溶解氧和基质利用比较有利的位置；②浊度经常较高，生物膜表面有淤泥，阻碍水中的溶解氧和亚硝酸盐氮扩散到生物膜内硝化细菌的表面；③氨氮浓度经常较高，生物膜较厚，扩散到膜内氧的速率及氧量受到限制^[2］；④原水氨氮浓度较高时，硝化菌和亚硝化菌对溶解氧的竞争：水中扩散到膜表面的氧量和膜内的氧量在一定曝气强度下基本是恒定的，亚硝化菌由于氧化较高浓度氨氮，消耗了大部分扩散到膜表面和膜内的溶解氧，这时虽然水中溶解氧较高，但透过膜到达硝化细菌表面的溶解氧已较低，硝化细菌由于得不到足够的溶解氧来氧化中间产物亚硝酸盐氮，因而导致生化池中亚硝酸盐氮积累增多。一般生化池的气水比维持在(0.5～1.0)∶1,则池内溶解氧≥5.5mg/L，故生化池的气水比不是影响亚硝酸盐氮积累的主要因素。试验中发现在生化池正常运行时，影响生化池水中亚硝酸盐氮积累增多的主要因素为原水的氨氮含量、停留时间以及水温。

　　4.2.4 COD_Mn的去除(见图5)

　　由图5可见，COD_Mn的去除率在0.5%～25%。在水样测定时，偶尔会出现生化池出水COD_Mn高于进水的情况，这可能是老化脱落的生物膜随水带出生化池所致。在气水比过大的情况下，这种情况经常发生。
　　生化池去除水中有机物，一部分是通过微生物的直接分解，另一部分则是和浊度一起通过絮凝作用除去。从试验可以看出，随原水氨氮浓度的升高，生化池对COD_Mn的去除率呈下降趋势。
　　4.2.5 UV254的去除(见图6)

　　由图6可见，生化池对UV254的去除率在1%～15%之间，平均约8%。UV254和三卤甲烷的生成能力(THMFP)有很好的相关性，说明生化池对三卤甲烷前体物的去除效果有限。
　　4.2.6 浊度对去除氨氮及有机物的影响
　　从试验可以看出，原水浊度在50～200NTU时，对生化池去除氨氮和COD_Mn的效果几乎没有影响；即使原水浊度有时≥400NTU，较高的浊度对氨氮和COD_Mn的去除率也没有明显的影响。但是，处理较高浊度微污染原水的生化池，宜设机械排泥装置及时排泥，以防止池底污泥大量淤积，影响生化池的稳定运行。生产性应用表明，原水浊度在50～200NTU，宜12h排泥一次，以保证生化池稳定的去除氨氮和有机物的效果。
　　4.3 除污染效果对比
　　对于同时取某河原水的中试生化系统和水厂常规处理系统进行去除污染效果的对比，结果如表2所示。

　　从表2可看出，增加生物接触氧化预处理工艺，后续的混凝沉淀池和砂滤池都有一定的除氨氮能力，总平均去除率为26.3%，而水厂常规处理系统的去除能力极为有限，约为6.51%；两系统中的混凝沉淀池和砂滤池对COD_Mn的总平均去除率分别为39.7%和32.7%，而且常规系统中预加氯在4～5mg/L，有害氯代副产物生成几率增大；生化系统中的后续工艺对UV₂₅₄的总平均去除率为41.6%，而常规系统的约27.8%。通过比较，可知生物接触氧化预处理强化了后续常规处理工艺的生化除污染能力，显著提高了后续工艺的除污染效果。

　　5 结论

　　① 生化池正常运行时，原水浊度经常在50～200NTU，水温在20～30℃，生化池对氨氮的去除率为60%～80%、COD_Mn的去除率为0.5%～25%，较高浊度的冲击不会明显影响生化池去除污染的效果，但宜设机械排泥装置，每12h排泥一次，可保证生化池稳定运行。
　　② 亚硝酸盐氮的去除主要和原水氨氮的浓度、停留时间和水温有关，在原水氨氮浓度较低时，去除率为20%～50%，而原水氨氮浓度较高时则亚硝酸盐氮反而会积累。
　　③ 生化池对UV₂₅₄的去除率在1%～15%，平均约8%。
　　④ 增加生物预处理的工艺系统和水厂的常规处理系统相比较，前者不但混凝沉淀池和砂滤池有显著的除污染效果，而且可以大大减少加氯量和有害氯代副产物的生成量。

　　参考文献：
　　［1］中国标准出版社.水质标准方法国家标准汇编［S］.中国标准出版社，1996.
　　［2］J M Garridio,et al. Influence of Dissolved Oxygen Concentration on Nitrite Acumulation in a Biofilm Airlift Suspension Reactor［J］.Biotech. and Bioeng.,1997，(53)：168-173.

作者简介：张东(1972-)，男，安徽人，同济大学环境科学与工程学院98级博士生，研究方向：水处理技术与环境监测分析。
电话：(021)65984822
收稿日期：2000-05-21