改良曝气生物滤池工艺应急处理雨水调蓄池污水

胡天媛， 孟令鑫， 侯红勋， 李涛， 张静

（安徽国祯环保节能科技股份有限公司， 合肥 230088）

雨水是造成地表水体受污染的污染源之一， 其污染主要集中在降雨初期形成的初期径流中［1］。 雨水调蓄池是一种雨水收集设施， 污染程度较轻的雨水经过截留水中的悬浮物、 固体颗粒杂质后， 可以直接排入自然承受水体。 初期雨水在经过管道传输的过程中， 与合流制溢流（CSO）污染物混合稀释之后， 极易形成低浓度生活污水［2］。 这些污水若直接排入自然承受水体， 将会严重污染水体［3］。 由于雨水径流污染的突发性和非连续性特点， 其水质处于波动状态， 导致大部分处理工艺运行难度较大， 污水处理达标排放的风险较大。

雨水调蓄池的水质水量波动较大、 污染物浓度低。 曝气生物滤池工艺具备抗冲击负荷能力强、 运行管理简单等特点， 适用于低浓度生活污水的处理［4－5］。 郑元武等［6］采用曝气生物滤池工艺处理城市河道污水， 王立立等［7］采用曝气生物滤池工艺处理校园低浓度生活污水， 田文华等［8］采用曝气生物滤池工艺处理电厂的低浓度生活污水， 钱靓［9］采用曝气生物滤池工艺处理低浓度市政污水和半合成灰水， 以上研究均利用了曝气生物滤池的结构特点。本研究利用某雨水调蓄池项目上的预处理设施， 采用箱式曝气生物滤池， 将改良曝气生物滤池应用于排口应急处理试验， 考察其对COD、 氨氮、 TP 的去除效果， 为雨水调蓄池水处理应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 工艺流程

试验主体主要由预处理池、 改良曝气生物滤池、 反洗水箱组成。 设计进水量为1 000 m3／d。 工艺流程如图1 所示。

图1 工艺流程Fig. 1 Process flow

污水经预处理池后， 经泵提升至改良曝气生物滤池进水分配渠， 处理后的出水自流入反洗水箱。设备达到反洗条件时进行气洗和水洗， 气洗空气来自设备风机房的反洗风机， 水洗水来自反洗水箱。设备正常出水及反洗排水就近排入厂区污水管。

1.2 改良曝气生物滤池

为了便于与已建成的雨水调蓄池项目结合， 提高试验效率， 改良曝气生物滤池采用箱体结构， 设计承托层高度为0.25 m， 生物陶粒滤料高度为1.2 m， 低于HJ 2014—2012《生物滤池法污水处理工程技术规范》中曝气生物滤料层高（2 ～4 m）。 这种改良结构一方面改变了传统曝气生物滤池普遍为瘦高的结构形态， 避免了单位面积的基础抗压强度较大， 可满足现有雨水调蓄池项目周边基础抗压强度弱的问题； 另一方面避免了曝气风机及反冲洗供气风机的风压过大、 能耗过高等问题。 配水采用钢制滤板联合长柄滤头方式， 单边出水。

改良曝气生物滤池生化反应区有效容积为35 m3， 由2 组并联的单个模块处理单元组成， 箱体尺寸 为9.40 m × 2.77 m × 3.50 m， 设 计 容 积 负 荷 为1.81 kg［BOD5］／（m3·d）、 0.52 kg［氨氮］／（m3·d）， 设计过滤滤速为1.89 m／h， 水力停留时间为50 min，风压为0.05 MPa。

1.3 试验用水

采用雨水调蓄池项目预处理后的出水作为试验进水。 检测雨水调蓄池雨天及非雨天的水质情况，结果如表1 所示。

雨水调蓄池项目的预处理工艺主要采用粗细格栅、 混凝沉淀法去除固体及颗粒较大污染物， 其中难溶有机物及悬浮物会被大量拦截。 预处理后出水作为试验进水， 检测其主要进水指标。

表1 雨天、 非雨天水质情况统计Tab. 1 Statistics of water quality in rainy and non-rainy days

1.4 试验方法

改良曝气生物滤池接种污泥取自某AAO 工艺污水处理厂的储泥池， 其污泥质量浓度为9 400 mg／L，按照体积比为1 ∶1.5 配比活性污泥与预处理出水，开始闷曝； 第2 天每12 h 换水1 次， 闷曝； 第3 天每6 h 换水1 次； 第4 天进水氨氮的质量浓度为23 mg／L， 出水质量浓度降至1.28 mg／L。 试验初始小流量连续进水， 保持气水比为5 ∶1～7 ∶1。 7 d 后流量逐渐增加至32.5 m3／h， 气水比为3 ∶1， 此时改良曝气生物滤池氨氮的去除率稳定在80% 以上， 肉眼观察到滤料层下部出现黄褐色絮状体， 陶粒间隙的污泥也变为浅褐色， 认为生物反应器启动成功。

分别在预处理池及改良曝气生物滤池出水端取样检测水质。 控制改良曝气生物滤池的工艺运行参数， 在气水比为（2.5 ～3.0） ∶1， 曝气量为17.4 m3／min， 水力停留时间为49.9 min， 水力负荷为1.89 m3／（m2·h）， 硝化负荷为0.52 kg［氨氮］／（m3·d）的条件下， 考察改良曝气生物滤池对预处理池出水COD、 氨氮、 TP 的去除效果。 反洗频率为2 ～3 d反洗1 次， 反冲洗采用快速降水位与气水联合反冲洗方式， 降水位15 s， 气洗60 s， 气水联合洗90 s， 水洗240 s， 反洗恢复期10 min。

1.5 分析方法

氨氮采用纳氏比色法测定， COD 采用重铬酸钾法测定， TP 采用分光光度法测定。

2 结果与讨论

2.1 改良曝气生物滤池对COD 的去除效果

改良曝气生物滤池在气水比为3 ∶1， 曝气量为17.4 m3／min 的条件下运行， 对其进出水COD 浓度连续1 个月进行取样监测， 结果如图2 所示。 从图2 可以看出， 改良曝气生物滤池进水COD 的质量浓度为15 ～ 84 mg／L， 平均值为35.8 mg／L； 出水COD 的质量浓度为13 ～ 44 mg／L， 平均值为23.8 mg／L， 对COD 的去除率为2.86%～65.71%， 平均值为33.5%。

图2 进出水COD 浓度变化及其去除率Fig. 2 COD concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

采用改良曝气生物滤池处理雨水调蓄池污水，在进水COD 浓度变化范围较大的情况下， 对应的COD 去除率变化幅度也较大； 当进水COD 浓度相对稳定时， COD 去除率均在35% 以上， 对COD 去除效果较稳定。

2.2 改良曝气生物滤池工艺对氨氮的去除效果

改良曝气生物滤池对氨氮的去除效果如图3 所示。 从图3 可以看出， 改良曝气生物滤池进水氨氮的 质 量 浓 度 为5.3 ～ 24.4 mg／L， 平 均 值 为14.17 mg／L； 出水氨氮质量浓度为0.09 ～1.20 mg／L， 平均值为0.60 mg／L； 改良曝气生物滤池对氨氮的去除率平均值为96%左右， 且运行稳定。

图3 进出水氨氮浓度变化及其去除率Fig. 3 ammonia nitrogen concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

结合进出水COD、 氨氮浓度情况可知， 污水中有机物含量已经很低， 氨氮浓度削减明显， 由此推测在距出水口较近的滤料层中， 自养型的硝化菌占据优势， 通过氧化氨氮而获取能量， 进行氨氮的硝化反应［10］。

在进水碳氮比较低的运行环境下， 改良曝气生物滤池内部生长的优势微生物为自养型硝化菌， 异养型微生物较少［11］， 这种低碳氮比的生长环境也为自养型硝化菌提供了良好的条件， 将污水中的氨氮硝化成硝酸盐或亚硝酸盐， 硝化菌存在于生物膜内侧， 在滤料上有很强的附着力， 一旦形成， 不易完全脱落， 因此改良曝气生物滤池具有很强的硝化去除氨氮的能力。 即使在进水氨氮浓度变化较大的情况下， 改良曝气生物滤池对氨氮的去除率均保持在89% 以上， 处理后出水的氨氮浓度远优于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准。

2.3 改良曝气生物滤池工艺对TP 的去除效果

改良曝气生物滤池在气水比为3 ∶1， 曝气量为17.4 m3／min， 未投加化学除磷药剂及排泥的运行条件下， 考察其对TP 的去除效果， 结果如图4 所示。 由图4 可以发现， 进水TP 的质量浓度最大为1.36 mg／L， 最小为0.08 mg／L， 平均值为0.55 mg／L； 经改良曝气生物滤池处理后， 出水TP 质量浓度 稳 定 在0.04 ～0.40 mg／L 之 间， 平 均 值 为0.20 mg／L， 系统出水TP 的去除率稳定在55%左右。

图4 进出水TP 浓度变化及其去除率Fig. 4 TP concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

通过对比可以发现， TP 去除率变化幅度较大，去除率最低为6.06%， 最高达到90.44%， 当进水TP 浓度相对较高时， TP 去除率均在60%以上， 没有明显的规律性。 由于改良曝气生物滤池不存在厌氧、 好氧交替运行的条件， 因此系统很难存在反硝化除磷的作用， 推测系统生物除磷主要为生物膜的吸附、 截留和絮凝作用， 以及同化作用， 而且前者的作用较大。

由于雨水调蓄池污水的特殊性质， 在进水TP浓度不高的情况下， 出水TP 浓度满足GB 3838—2002 中地表Ⅴ类水标准（ρ（TP）≤0.4 mg／L）， 若要近一步提高出水TP 浓度， 可以采用化学除磷等辅助措施， 这可能需要适当增加反洗频次。 因此， 采用改良曝气生物滤池处理雨水调蓄池污水， 对TP的去除效果能满足正常出水水质要求， 在进水TP浓度变化较大的情况下， 该系统运行稳定。

3 结论

（1） 初期降雨与污水中的污染物及其含量不同， COD、 氨氮等有机物含量低， 通过对曝气生物滤池进行改良， 改变滤池结构， 微生物附着生长在滤料表面上形成生物膜， 在滤池内部维持曝气以提供微生物的正常耗氧需要， 污水在垂直方向上流经填料层时， 利用填料高比表面积的特点以及生物膜的生物絮凝作用对污染物进行吸附与过滤， 实现了对初期雨水的快速净化。

（2） 采用改良曝气生物滤池工艺在已建成的某雨水调蓄池项目上进行排口应急处理研究， 其中COD 质量浓度由进水的15 ～84 mg／L 下降至13 ～44 mg／L， 氨氮质量浓度由进水的5.3 ～24.4 mg／L下降至0.09 ～1.20 mg／L， TP 质量浓度由进水的0.08 ～1.36 mg／L 下降至0.04 ～0.40 mg／L， 该工艺对COD、 氨 氮、 TP 等 去 除 率 分 别 约 为33.5%、96%、 55%。 改良曝气生物滤池可以有效降低雨水中COD、 氨氮、 TP 浓度， 保障出水水质达到GB 3838—2002 中地表Ⅴ类水标准要求。