溫瑛

　　【摘要】 本文對(duì)常溫下?tīng)t渣填料厭氧濾池處理中等濃度有機(jī)廢水的工藝進(jìn)行了探討。試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝具有啟動(dòng)快、處理效果好、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且填料價(jià)格便宜，運(yùn)行費(fèi)用低，雖存在堵塞問(wèn)題，但可通過(guò)定期反沖洗解決，值得進(jìn)一步研究和推廣。
　　【關(guān)鍵詞】 厭氧濾池 顆粒填料 爐渣填料

1 前言

　　厭氧濾池（AF）是一種很有發(fā)展前途的廢水厭氧處理工藝，國(guó)內(nèi)外不少研究者將它與另一種很有前途的反應(yīng)器UASB進(jìn)行過(guò)比較，結(jié)果表明，在處理中等濃度有機(jī)廢水時(shí)兩種反應(yīng)器各種性能相匹敵，去除效果相當(dāng)，而且AF管理簡(jiǎn)便，是比較適合我國(guó)目前運(yùn)行人員水平的一種處理工藝。
　　選擇填料時(shí)考慮的重點(diǎn)是反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)性和良好的去除效果。填料的價(jià)格在厭氧濾池的投資中占有相當(dāng)大一部分比例，人工填料價(jià)格總是比較昂貴。目前我國(guó)用于環(huán)保的資金有限，廉價(jià)的填料有利于使有限的資金發(fā)揮更大的作用。通過(guò)對(duì)各種類(lèi)型填料優(yōu)缺點(diǎn)的分析認(rèn)為，從經(jīng)濟(jì)角度看，粒狀填料最合適。雖然它有堵塞的可能性，但可以通過(guò)反沖洗等方式加以避免和減輕。
　　本研究主要探討了爐渣作為厭氧濾池填料處理中等濃度有機(jī)廢水的可行性，對(duì)試驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行了初步研究。

2試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置
　　圖1是試驗(yàn)裝置的工藝流程示意圖。厭氧濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。在濾柱上沿高度有6個(gè)取樣口。試驗(yàn)用的爐渣填料基本物理參數(shù)見(jiàn)表2，在濾柱中裝填高度為800mm。試驗(yàn)廢水為人工配制葡萄糖廢水，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)器均在常溫下運(yùn)行。

厭氧生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù) 表1 名 稱(chēng) 高 度（mm） 內(nèi) 徑（mm） 有效容積（L） 填料區(qū) 800 100 6.28 膨脹區(qū) 400 100 3.14 澄清區(qū) 250 150 3.53 總 計(jì) 12.95

爐渣填料基本物理參數(shù)　　表2 填料名稱(chēng) 粒度范圍
(mm) 比重
（g/cm³） 堆積容重
(g/cm³) 空隙度
(%) 比表面積
(m²/g) 爐渣 2.1～4.0 2.70 0.832 69.4 18.4

2.2 試驗(yàn)方法
　　試驗(yàn)分為啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段，其中穩(wěn)定運(yùn)行階段包括變負(fù)荷運(yùn)行期及變溫度運(yùn)行期。本文中進(jìn)水負(fù)荷均指填料有機(jī)負(fù)荷，水力停留時(shí)間HRT均指填料區(qū)空池HRT。
　　啟動(dòng)階段采用的接種污泥是北京酒仙橋污水廠雙層沉淀池的消化污泥，污泥VSS／SS＝37％，最大COD比去除率為0.64kgCOD／kgVSS.d。投放入濾柱的VSS約100g，相當(dāng)于污泥濃度為16.1kgVSS／m³。啟動(dòng)階段維持進(jìn)水負(fù)荷約0.526kgCOD／m³.d，出水PH值控制在6.5～7.5之間。靜置2天后連續(xù)進(jìn)水，一周后即可觀察到填料表面有黑色粘膜狀物質(zhì)——生物膜生成。投泥后第12天濾柱C0D去除率即達(dá)到60.4％并穩(wěn)定上升。至此認(rèn)為啟動(dòng)完成。啟動(dòng)過(guò)程維持堿度在1000mg／l左右（以CaCO₃計(jì)），水溫變動(dòng)于14～18℃。
　　濾池啟動(dòng)完畢后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，水溫變化在22～27℃之間。先后改變水力停留時(shí)間、進(jìn)水C0D濃度等，以考察不同有機(jī)負(fù)荷下濾池處理效果。該部分試驗(yàn)共運(yùn)行了122天。然后進(jìn)行了水溫變化的影響試驗(yàn)。維持進(jìn)水負(fù)荷在4.5kgCOD／m³.d左右，水溫從26℃逐漸降到12℃以下，考察溫度變化對(duì)濾池效果的影響。該部分試驗(yàn)共進(jìn)行了50天。
　　濾柱正常運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)堿度維持在800～1200mg／l（CaCO₃計(jì)）范圍。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果
　　圖2是反應(yīng)裝置變負(fù)荷運(yùn)行期試驗(yàn)結(jié)果。
3.2 結(jié)果分析
3.2.1 填料對(duì)啟動(dòng)的影響
　　廢水厭氧生物處理出現(xiàn)的主要問(wèn)題之一是啟動(dòng)過(guò)程常難以控制，而在本試驗(yàn)中，即使是在14℃左右的低溫下，啟動(dòng)過(guò)程僅用了12天就完成了。爐渣是一種人工熔巖，孔隙發(fā)達(dá)，比表面積極大，能夠促進(jìn)微生物在其上有效地附著。其次，爐渣中含有氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂等多種礦物質(zhì)，當(dāng)廢水流經(jīng)填料時(shí)，填料中的二價(jià)陽(yáng)離子有助于厭氧污泥的吸附絮凝，促進(jìn)了微生物在反應(yīng)器中的停留，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了有益的影響。
3.2.2 有機(jī)負(fù)荷、進(jìn)水濃度、HRT對(duì)處理效果的影響

　　圖3體現(xiàn)了不同負(fù)荷Nu下濾池COD去除率變化情況。從圖中曲線可以看到，在25℃的反應(yīng)溫度下，隨著負(fù)荷的提高，濾池去除效率逐漸下降。在進(jìn)水負(fù)荷小于4.0kgCOD／m³.d時(shí)，去除率大于80％，出水COD小于500mg／l。在設(shè)有城市污水處理廠的地區(qū)，這樣的出水COD值已經(jīng)符合“污水排放下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)”（CJ18－86）中要求。

　　一般認(rèn)為基質(zhì)降解的動(dòng)力學(xué)遵循一級(jí)反應(yīng)關(guān)系，即dC／dt＝－KC，或者寫(xiě)成ln（Ce／CO）＝－K＇／Nu。圖4是不同有機(jī)負(fù)荷下ln（CO／Ce）～1／Nu關(guān)系曲線。從圖中可以看出，本試驗(yàn)中COD去除率以5.0kgCOD／m³.d為限，在高、低負(fù)荷時(shí)具有各自的規(guī)律，得到兩條直線。為了獲得比較高的去除負(fù)荷（即較大的K’值），厭氧濾池的設(shè)計(jì)負(fù)荷宜采用5.0kgCOD／m³.d以上。但負(fù)荷提高，去除率則降低，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)中，最好根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的進(jìn)水負(fù)荷。
　　圖5直觀地反映了進(jìn)水濃度對(duì)去除率的影響：在相同HRT條件下，進(jìn)水濃度越高，去除率越低。而且當(dāng)進(jìn)水濃度較小（COD＜2000mg／l）時(shí)，濃度變化的影響不很顯著，但當(dāng)進(jìn)水COD＞4000mg／l后，這種影響則很明顯。試驗(yàn)同時(shí)表明，用2－4mm 粒徑爐渣作填料時(shí)，進(jìn)水C0D似乎不宜大于7000mg／l， 因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)在這種濃度下，生物量增長(zhǎng)極快，很快就引起濾池堵塞，不得不縮短反沖周期，影響生物膜的良好生長(zhǎng)，而且容易導(dǎo)致酸化現(xiàn)象。
　　圖6反映出，對(duì)不同的進(jìn)水濃度，HRT的影響程度不一樣。當(dāng)進(jìn)水COD小于2000mg／1，HRT大于10hr時(shí)，HRT的變化對(duì)去除率影響很小；當(dāng)進(jìn)水COD為4000mg／l，HRT只在大于16hr后，其影響力才減弱。此后的HRT只意味著攪動(dòng)混合條件。姑且稱(chēng)這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為“有效HRT”。進(jìn)水濃度越高，有效HRT值越長(zhǎng)。當(dāng)HRT小于有效值時(shí)，其對(duì)處理效果的影響力是相當(dāng)顯著的。
3.2.3 沖擊負(fù)荷對(duì)處理效果的影響
　　試驗(yàn)采取兩種方式改變負(fù)荷：提高HRT及提高進(jìn)水COD值。當(dāng)保持HRT不變，負(fù)荷由4.481提高到9.915kgCOD／m³.d并持續(xù)一段時(shí)間，測(cè)得出水COD值基本上沒(méi)有變化。保持進(jìn)水COD不變，改變HRT使負(fù)荷由4.50提高到8.99kgCOD／m³.d時(shí)，出水COD值僅提高了20％。一旦進(jìn)水負(fù)荷恢復(fù)，出水COD值迅速回復(fù)到原來(lái)水平。試驗(yàn)同時(shí)也表明，雖然濾池能忍受短時(shí)間的負(fù)荷突變，但若持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生不利影響，系統(tǒng)中有機(jī)酸濃度迅速上升，PH值降到5以下，甚至引起不可逆轉(zhuǎn)的破壞作用。
　　總結(jié)試驗(yàn)可得出結(jié)論：顆粒填料厭氧濾池能忍受短時(shí)間的負(fù)荷沖擊，而且更能忍受由于濃度變化引起的負(fù)荷沖擊。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，若能設(shè)置水量調(diào)節(jié)池，將有益于濾池的穩(wěn)定運(yùn)行。
3.2.4 PH值對(duì)處理效果的影響
　　本試驗(yàn)中當(dāng)濾柱穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)PH值基本保持在7.0～7.6之間。當(dāng)系統(tǒng)PH小于6.5時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)受到了抑制，而產(chǎn)酸菌活性仍很旺盛，PH值很容易會(huì)繼續(xù)降到5以下，使系統(tǒng)遭到破壞。因此在濾池運(yùn)行中，建議保持系統(tǒng)PH在7.0～7.6之間，即在中性偏堿環(huán)境下工作。
　　從試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)看，穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)內(nèi)PH主要受進(jìn)水負(fù)荷影響。圖7a大概地表示出了進(jìn)水負(fù)荷與PH的關(guān)系。隨著進(jìn)水負(fù)荷增大，系統(tǒng)PH值逐漸降低，但速度比較緩慢，看來(lái)反應(yīng)器能夠適應(yīng)一個(gè)比較寬的負(fù)荷范圍。另外負(fù)荷突變對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也在PH值上表現(xiàn)出來(lái)。試驗(yàn)中幾次負(fù)荷突變時(shí)都觀察到PH下降的現(xiàn)象，突變過(guò)后PH值一般能很快恢復(fù)正常。相比之下，系統(tǒng)PH值與進(jìn)水PH關(guān)系較小，見(jiàn)圖7b。試驗(yàn)中當(dāng)濾池正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水PH即使低至4.6，系統(tǒng)內(nèi)PH仍能平衡在6.9～7.2，說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)形成了良好的緩沖體系。
3.2.5 溫度對(duì)處理效果的影響
　　從圖8曲線變化看，當(dāng)環(huán)境溫度高于20℃時(shí)，有機(jī)物去除率較高，而且溫度對(duì)去除效果的影響開(kāi)始變得平緩。當(dāng)溫度低于18℃時(shí)，處理效果隨溫度的降低急劇下降。這說(shuō)明如果能保持濾池水溫在20℃以上，反應(yīng)器的處理效果比較好，而且溫度對(duì)濾池去除率的影響將退至次要地位。

3.2.6 濾池的反沖洗
　　由于生物體的增長(zhǎng)和懸浮物的穿透，濾池會(huì)逐漸發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要進(jìn)行反沖洗，以去除引起堵塞的生物膜和懸浮物。試驗(yàn)中根據(jù)出水C0D值增高，超出預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定進(jìn)行反沖洗。根據(jù)試驗(yàn)中反沖操作情況，濾池的反沖周期與進(jìn)水濃度有很大關(guān)系，進(jìn)水濃度高，微生物增長(zhǎng)快，則反沖周期短。本試驗(yàn)粒徑下當(dāng)進(jìn)水COD小于2000mg／l時(shí)，反沖周期一般為31天左右；進(jìn)水濃度約4000mg／l時(shí)，反沖間隔為21天；而當(dāng)進(jìn)水濃度提高到6552mg／l后，反沖間隔縮短到12天。過(guò)于頻繁的反沖洗可能導(dǎo)致微生物大量流失，使系統(tǒng)活性降低過(guò)于劇烈而難以恢復(fù)。反沖完后的濾池一般可在一天內(nèi)恢復(fù)正常工作。
3.2.7 厭氧濾池微生物的觀察
　　根據(jù)電鏡觀察可以初步得到以下幾點(diǎn)結(jié)果：
　　① 由于進(jìn)水為人工配制廢水，基質(zhì)成分比較單一，故反應(yīng)器底部細(xì)菌形態(tài)比較簡(jiǎn)單，桿菌在數(shù)量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。反應(yīng)器上部細(xì)菌形態(tài)比較豐富，桿菌、球菌、絲狀菌的數(shù)量都比較多，沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)菌種。這是由于隨著高度的增加，經(jīng)過(guò)細(xì)菌的代謝活動(dòng)形成了多種中間產(chǎn)物及終產(chǎn)物，使基質(zhì)組分多樣化，從而導(dǎo)致菌種的多樣化。
　　② 從細(xì)菌數(shù)量上來(lái)看，底部生物膜厚度明顯大于上部生物膜厚度，因此反應(yīng)器底部對(duì)基質(zhì)的去除率更高。同時(shí)還觀察到，背水流方向的載體表面生物膜生長(zhǎng)情況好于向水流方向上的生物膜，可能由于向水流方向上受到水的剪切力比較大，使生物膜容易脫落。
　　③ 反沖洗雖然將大部分細(xì)菌沖走，但在填料表面還存在有相當(dāng)數(shù)量的細(xì)菌和被沖斷的絲狀菌片斷，有些地方還存在著整塊的生物膜。將填料剖開(kāi)進(jìn)行電鏡觀察，可以看到爐渣填料內(nèi)部有大量空隙，而且這些空隙多數(shù)是與外界相通的，即爐渣填料的有效空隙率接近總空隙率。在空隙中殘留有較多的微生物。因此反沖后載體表面的生物膜能夠很快恢復(fù)原來(lái)的數(shù)目，反應(yīng)器能在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)效果。但由于厭氧菌生長(zhǎng)速度比好氧菌慢得多，因此厭氧反應(yīng)器的反沖頻率不能夠象好氧反應(yīng)器那么高，否則載體上生物膜將難以恢復(fù)。
　　④ 反應(yīng)器停止運(yùn)行一段時(shí)間后，由于缺少養(yǎng)料，載體表面生物膜會(huì)逐漸脫落，細(xì)菌活性降低。但從觀察結(jié)果看，殘存的細(xì)菌數(shù)量仍然比較多，而且優(yōu)勢(shì)菌種與反應(yīng)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一致，說(shuō)明停料后反應(yīng)器中只是細(xì)菌數(shù)量減少了。因此，只要停料時(shí)間不是太久，重新啟動(dòng)一般不需要特殊措施，反應(yīng)器很快就能恢復(fù)正常性能。

4 結(jié)論

　　通過(guò)以上利用葡萄糖配水所進(jìn)行的試驗(yàn)研究，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：
　　① 爐渣填料比表面積極大，有利于微生物生長(zhǎng)，可以加快厭氧濾池的啟動(dòng)速度。
　　② 常溫下利用爐渣填料厭氧濾池處理中等濃度有機(jī)廢水，去除效率比較高。
　　③ 常溫條件下?tīng)t渣填料厭氧濾池能夠穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境最好能保持在25℃左右。
　　④ 用爐渣填料厭氧濾池處理有機(jī)廢水，正常運(yùn)行后進(jìn)水PH值可以低至4.5左右。
　　⑤ 由于爐渣填料形狀不規(guī)則，表面多孔隙，而且內(nèi)部孔隙多與外界相通，附著微生物量很大，反沖洗后仍可以保持有相當(dāng)數(shù)量的微生物，因此可以迅速恢復(fù)正常工作。

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