龍騰銳 何強

( 重慶建筑大學)；陳士年(貴州省規劃設計研究院)

摘要：研窟了以爐渣、陶粒、核桃殼為填料的三種變速厭氧濾池處理城市污水的工況，并對影響反應器性的因素作了分析。結果表明，在負荷2.31和4.54kgCOD/M 3 ·d下，三種濾池的出水COD均<100和150mg/L，分別達到國家有關排放標準。

1 前言

變速厭氧生物濾池是在普通厭氧濾池 [1、2] 的基礎上發展起來的污水處理新設備。該工藝的特點是上向水流為變速流，即濾速沿出水方向逐漸減小，這樣不僅有利于泥水分離，維持反應器內較高的生物濃度，而且由于下部濾速相對較大，不易造成反應器的堵塞，給維護管理帶來方便。

2 試驗裝置與試驗過程

2.1試驗裝置和材料

試驗采用三套相同的變速生物濾池，用三種濾料同時進行試驗，池體均用有機玻璃制成，總高度2225mm，有效容積37.62L，部分設計參數見表1。
試驗用的三種填料分別為核桃殼、爐渣和陶粒，裝填高度內外均為400mm，其基本物理參數見表2。

*該高度不包括水頭損失和超高，共600mm

試驗污水取自貴陽市某城市下水道，水溫3～23℃之間。經2.0×2.0mm窗紗過濾后，SS72～179mg/L，BOD 5 50.9～86.5mg/L，COD Cr1 99~299mg/L，pH為7.3～7.7。

2.2試驗過程
試驗分啟動階段、負荷運行階段和溫度影響三個試驗階段。
2.2.1 啟動階段
試驗的接種污泥活性較低，測得其最大比COD去除速率為0.16kgCOD/kgVSS·d。啟動時，在三個反應器中分別加入3.3L接種污泥，污泥濃度為6.9g/L，然后加入試驗污水，靜置2d后連續運轉，控制水力停留時間(HRT)為36h，相應的污泥負荷為0.32kgCOD/kgVSS·d。兩周后發現三種填料均明顯掛膜，COD去除率均在60%以上，至此認為啟動階段結束。
2.2.2負荷運行階段
負荷運行階段在溫度變動很小的條件下進行，水溫變動于17~20℃之間。由于水質在試驗期間變動不大(均為城市下水道新鮮污水)，所以負荷的變動通過調整HRT來實現，取HRT18、12、8和4h，相應的負荷分別為0.276、0.456、0.897和1.758kgCOD/m 3 ·d，每個負荷段均運行10d左右，以保證測試數據可靠。
在負荷運行階段，濾池內堿度均變動于250~400mg/L之間(以CaCO 3 計)，揮發酸均在20mg/L以下。三濾池COD去除率為50~78%，SS去除率77~95%。
2.2.3溫度的影響試驗
負荷運行階段試驗結束后作了溫度的影響試驗，在HRT為12h條件下，作了溫度為17~20℃、10~13℃、3~6℃三個溫度段的試驗。
整個試驗過程歷時160d。
3.試驗結果與分析

3.1試驗結果
負荷運行期試驗結果如表3所示，溫度的影響試驗結果如表4所示。

3.2結果分析
3.2.1 填料對處理效果的影響
在厭氧生物濾池中，填料為厭氧微生物提供附著生長的表面積，填料的空隙率、比表面積對反應器所能承受的有機負荷、處理效果都有較大影響。Van den Beng等人 [3] 在研究填料時發現，并非比表面積越大越好；Song和Young [4] 在研究填料對厭氧濾池的影響時發現，填料的比表面積對濾池運行影響很小，而填料對水流的再分配狀況有更重要的影響。因此，他們認為填料充填方式以及填料本身的形狀至關重要。在本試驗中，孔隙率并非最小(比表面積并非最大)的爐渣的處理效果，優于相同條件下的陶粒和核桃殼的處理效果，說明孔隙率、比表面積確實不是決定處理效果的唯一因素。
就城市污水處理，由于污水中SS占COD 的50%左右，且厭氧濾池常有堵塞之虞，所以僅靠選擇小粒徑的填料是不可取的。為了達到較高的處理要求，可以增加填料的高度，并有利于厭氧細菌菌屬的自然分層，但工程上應用也不宜過高。有研究指出，填料裝填高度應保證水流穿過填料的時間>30min。本研究填料裝填高度0.4m，因雙向流實際水流穿過的填料高度是0.8m，經計算除陶粒在HRT=4h時過濾時間為26.7min，其余均超過30min。試驗結果表明，三種填料在一定的HRT下，均有較好的處理效果。

注:表3、4中，填料①核桃殼，②爐渣，③陶粒
3.3.2 水力停留時間(HRT)及負荷Nv對處理效果的影響
Young和McCarty [5] 總結了許多厭氧濾池的試驗結果，提出了預測BOD u 去除率的關系式(30~35℃):
E=100(1—1.8/HRT) (1)式中E——預計溶解性BOD u 去除率，%
HRT——濾池空池水力停留時間，h
由式(1)可知，厭氧生物濾池的BOD去除率只取決于HRT，并且HRT必須>1.8h，本試驗中最低HRT為4h。
負荷Nυ是生物反應器的主要控制參數之一，厭氧濾池處理高濃度有機廢水時負荷可高達10～30kgCOD/m 3 ·d [6] ，但對城市污水很難達到如此高的負荷，本試驗最高負荷為8.9KgCOD/m 3 ·d。
HRT、負荷Nv與COD去除率關系如表5。圖2、3、4分別是COD、BOD 5 、SS與HRT (Nv)的關系曲線。


從圖2可以看出，三種填料的出水COD隨HRT的減小即負荷的增大而增大。當HRT≥12h、Nv≤2.31kgCOD/m 3 ·d時，出水COD都在100mg/L以下，符合GB8978-88中新擴改一級綜合排放標準；當HRT≥8h、Nv≤4.54kgCOD/m 3 ·d時，出水COD都在150mg/L以下，符合現有一級綜合排放標準；當HRT=4h、Nv=8.90kgCOD/m 3 ·d時，進出水的溶解性COD非常接近(去除率11%左右)，而總COD去除率接近50%，可以認為此時濾池僅起截留作用，去除的COD主要是非溶解性的。不同填料，效果最好的是爐渣，陶粒次之，核桃殼相對效果最差，如表5。


3.2.2 溫度對處理效果的影響
在生化處理過程中，溫度不僅影響微生物的生存和篩選競爭，而且影響反應速率。利用厭氧工藝處理城市污水時，由于污水中有機物濃度低，很難利用所產沼氣的熱值來填補厭氧反應器中溫或高溫消化所需的加熱量。所以，盡管厭氧消化過程受溫度的影響明顯，但近年來紛紛研制開發常溫下正常運行的厭氧反應器，它的特點是生物量高，以其較高的生物活性酶濃度來補償或緩沖溫度的影響，使反應器在常溫下仍可進行正常的厭氧消化過程。
圖5、6、7分別為溫度與COD、BOD 5 和SS 去除率的關系曲線。
從圖5可以看出，隨著溫度的降低，COD 的處理效率大幅度下降，當溫度在低溫區(4.4~11.5℃)變動時，三種填料濾池出水COD相差不大。特別是當T=4.4℃時，三種填料出水的溶解性COD都較進水高(高出24.3~30.8%)，說明反應器中微生物在低溫刺激下會分解產生溶解性COD，總COD的去除純粹是過濾去除SS的結果。
從圖6可以看出，BOD 5 隨溫度的降低其去除率與COD類似地大幅度下降，與COD不同的是即使在低溫下，反應器仍有一定的溶解性BOD 5 去除率(4.78~10.5%)。



由圖7可看出，在試驗溫度的變化范圍內，對SS的去除率沒有明顯影響。
3.2.3 反應器中的微生物
試驗中用光學顯微鏡觀察發現，填料表面生物膜呈黑色絨狀。在三種厭氧濾池中，微生物以球菌最多，隨著試驗過程的進行，腐生型原生動物量增加，同時化能型細菌(如硫酸菌等)時常出現。

4 動力學模型

由于城市污水是低濃度污水，因此認為符合一級反應的假定，可表示為:
-ds/dt=KS(1)式中S——基質濃度
t——反應時間
K——反應速率常數
需說明，在厭氧生物濾池中BOD 5 的降低有相當部分來自對SS的截留，這是個物理過程，所以在動力學模式研究中，基質濃度均以溶解性BOD(SBOD)表示。
式(1)積分得:

式中S o 、S e ——進、出水溶解性BOD 5
HRT——水力停留時間
由式(2)得:

式中E——溶解性BOD 5 去除率
由式(4)得:
In(1一E)=-K·HRT(5)
表6為試驗中SBOD 5 去除率與HRT的關系，通過計算機對其進行線性回歸，得城市污水SBOD 5 去除率E隨HRT變化的動力學模式為:

(6)、(7)、(8)三式的相關系數分別為0.998、0.966、0.995，查相關系數檢驗表可知 [7] 當子樣容量為4、置信度95%時，臨界相關系數為0.95，所以(6)、(7)、(8)三式的模擬關系是可信的。

5 結論

① 變速厭氧濾池采用粒徑2.0~5.0mm 的核桃殼、2.0~5.0mm的爐渣和2.0~2.5mm的陶粒作填料，以城市污水啟動(COD200 ~300mg/L、BOD 5 60~90mg/L)，負荷為0.32kgCOD/kgVSS·d，溫度17~20℃，一個月左右即可完成啟動過程，COD和BOD 5 的去除率可穩定在60%以上。
② 當水力停留時間HRT≥12h、Nv≤2.31kgCOD/m 3 ·d時，三種濾池出水COD都<100mg/L；當HRT≥8h、Nυ≤4.54kgCOD/m 3 ·d時，出水COD均<150mg/L。
③ 變速厭氧生物濾池的變速澄清區，對于維持反應器的厭氧狀態和生物量濃度(防止污泥流失)有重要作用。
④ 變速厭氧生物濾池處理城市污水的動力學模式為文中式(6)、(7)、(8)。
延長反應器HRT，可有效地提高處理效率。

6 參考資料

1.錢易，“城市污水厭氧生物處理的研究與實踐”，《中國給水排水》，Vol.9，NO.1，1993
2.嚴月根，“低濃度污水生物處理的進展”，《中國給水排水》，Vol.4，NO.5，1988
3. Van den Beng, et. al, "Effect of Film Area-to Volume Rotio,Film Support, Height and Direction of Flow on Performance of Methanogenic Fixed-Film Treatment ",Rpt. NO. ANLICNSU-TM-50, Argonne Natl, Lab, Argonne,Ⅲ,1980
4. Song, Ki-Ho, Young, J. C, "Media Design Factors for Fixed-Bed Filters",J. WPCF,Vol. 58,NO. 2,1986
5. Young, J. C &McCarty,P. L,"The Anaerobic Filter for Waste Treatment", Tech. Report NO. 87,Stanford Univ,1968
6. Liu,B. M. et. al, "Loading Capacity of a Packed-Bed Anaerobic Reactor". J. WPCF. Vol. 63,NO. 2,1991
7.馬逢時等，《應用概率統計》，高等教育出版社，1989
作者簡介:龍騰銳教授兼國家城市給水排水工程技術研究中心副主任
通訊處:630045重慶市沙坪壩重慶建筑大學城建學院
① 本文作者還有周勇同志。