叢廣治¹，白宇¹，張杰¹，白春學²，李泳¹?
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150090；2.大連經濟技術開發區水質凈化二廠，遼寧大連　116600)

　　摘　要：采用生物膜過濾技術處理污水廠二級出水的試驗結果表明，生物膜過濾比普通石英砂過濾效果好，且夏季的處理效果優于冬季；隨著水力負荷的增加則生物膜過濾出水中的各項指標值逐漸升高，去除率逐漸降低；反沖洗對生物膜過濾處理效果的影響并不大，在反沖洗后很快便可恢復正常運行；濾柱出水可回用于景觀水體。
　　關鍵詞：污水再生與回用；景觀用水；生物膜過濾
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)12-0048-03

　　把污水回用于城市景觀水體是根據缺水城市對娛樂性環境的需要而發展起來的一種污水回用方式，但到目前為止只有少數發達國家進行了這方面的研究并提出了相應的標準。為此，筆者進行了用生物膜過濾技術對污水進行再生、出水回用于城市景觀水體的研究，并同普通石英砂過濾進行了對比。

1　試驗裝置與方法

　　原水為大連開發區水質凈化二廠的二沉池出水，其水質見表1。

表1　試驗原水水質 項目 COD(mg/L) BOD₅(mg/L) 濁度(NTU) NH₃-N(mg/L ) 細菌(個/mL) 大腸桿菌(個/L) 平均值 77.8 19.1 9.0 29.8 63150 13690

　　試驗裝置見圖1。
　　原水由水泵打到高位水箱后經管道自流進入各濾柱。生物濾柱的填料為堅硬、多孔、比表面積大的火山燒結石，采用上向流方式，空壓機曝氣，空氣由柱底進入并通過穿孔管進行布氣，普通石英砂濾柱采用下向流方式，兩濾柱均采用氣水聯合反沖洗。生物濾柱的有關參數見表2。
　　生物濾柱采用自然法掛膜，大約20d可掛膜成功。試驗主要考察不同水力負荷和冬、夏兩季不同溫度下的運行效果以確定最佳運行工況和參數。

表2　生物濾柱參數 濾柱高度(mm) 3000 濾速(m/h) 3～10 濾柱直徑(mm) 200 氣水比 3∶1 承托層厚度(mm) 200 水沖強度［L/(m²·s)］ 3～8 承托層粒徑(mm) 4～10 氣沖強度［L/(m²·s)］ 13～17 填料高度(mm) 1800 沖洗周期(d) 1 填料粒徑(mm) 3～8 沖洗時間(min) 10～15

2　結果與分析

2.1　兩種濾柱去除效果的比較
　　生物濾柱和石英砂濾柱對污染物的去除情況見表3。

表3　兩種濾柱去除效果的比較 項目 冬季 夏季 生物濾柱 石英砂濾柱 生物濾柱 石英砂濾柱 COD

　

進水(mg/L) 100.2 68.4 出水(mg/L) 　61.4 77.2 46.9 56.7 去除率(%) 39 23 31 17 BOD₅ 進水(mg/L) 26.8 14.8 出水(mg/L) 12.1 18.2 4.4 7.5 去除率(%) 55 32 70 49 濁度 進水(NTU) 10.8 8 出水(NTU) 5.7 7.2 2.4 5.2 去除率(%) 47 33 70 35 NH₃-N 進水(NTU) 　 8.4 出水(NTU) 　 　 6.3 8.2 去除率(%) 　 　 25 2

　　由表3可知，無論是冬季還是夏季生物濾柱的凈化效果均優于普通石英砂濾柱，這是因為普通石英砂濾柱主要借助濾料表面的粘附作用以及濾料空隙的機械截留作用對原水進行凈化，而生物濾柱因采用火山燒結石作為濾料并進行曝氣(溶解氧充足)而有利于微生物的生長，微生物能使水中膠粒的Zeta電位降低而導致部分膠粒脫穩并形成較大的顆粒，同時由微生物細胞分泌物所形成的胞外多聚物也使濾料對懸浮物質的吸附作用得到了加強，濾料表面的生物還具有較強的氧化降解能力，其可對污水中的有機物進行快速氧化。因此，生物濾柱對水中污染物的去除是吸附、過濾和生物氧化共同作用的結果。
2.2　溫度、進水COD濃度對處理效果的影響
　　由表3可知，生物濾柱在夏季對BOD₅、NH₃-N和濁度的去除率要比冬季時的高10%～20%，而對COD的去除情況則相反，其原因是：①夏、冬兩季濾柱的水力負荷不同。在夏季試驗期間水力負荷的變化范圍較大(高水力負荷時出水中的COD一直很高)，而在冬季濾柱一直在低水力負荷下運行；②進水中的COD濃度不同。試驗表明，COD去除率與其進水濃度呈正相關關系，試驗中冬季進水?COD的平均值為100.2mg/L，而夏季進水COD的平均值僅為68.4mg/L。同時這也說明了生物膜的生長需要有足夠的養料。
2.3　水力負荷對生物膜過濾的影響
　　試驗結果表明，濾柱對原水的凈化效果與水力負荷有關(冬季表現得尤為明顯)。在冬季，當水力負荷為3m³/(m²·h)時其對COD的去除率＞30%，對BOD₅的去除率＞50%；但當水力負荷提高到5m³/(m²·h)時其對COD的最高去除率僅為18%(平均去除率為15%)，對BOD₅的最高去除率為25%(平均去除率為20%)。在夏季隨著水力負荷的增加則出水COD逐漸升高、其去除率逐漸降低。但在水力負荷為3～7m³/(m²·h)時其變化對凈化效果影響不大，出水均能滿足GB12941—91中的景觀娛樂用水的水質要求(NH₃-N除外)。
　　BOD₅、濁度、NH₃-N在不同水力負荷時的去除率變化趨勢與COD的相似。在低水力負荷條件下水中可被微生物利用的有機物在沿水流方向上不斷地被微生物分解、吸收和利用，使得大部分營養物質在濾柱的下部被去除，當其到達生物濾柱上半部分后已不能滿足微生物對營養的要求，從而不能形成對有機物有較強降解能力的菌膠團。當水力負荷提高后(在單位時間進入生物濾柱的有機物增加，水力停留時間縮短)水中更多的營養物質就能到達濾柱的上半部分，這使上半部分的微生物得到了一定程度上增殖(導致生物濾柱內的生物量 增加)，提高了對有機物的利用率。因此，盡管水力負荷增加、停留時間縮短，但出水仍能滿足相關的水質標準要求。當水力負荷達到10m³/(m²·h)時，生物濾柱的出水已不能滿足相應的水質標準要求，這是由于濾層中的微生物對有機物的去除是有一定的限度的；另一方面，水力負荷的增加也增加了生物過濾處理系統的不穩定性。因此，冬季的水力負荷采用3m³/(m²·h)、夏季的水力負荷采用7m³/(m²·h)較為適宜。?
2.4　生物濾柱的反沖洗?
　　試驗采用氣水聯合反沖洗，在強大的氣流和水流所形成的剪切力作用下生物膜大量脫落，原以為反沖洗后的處理效果會很差，但試驗結果表明，反沖洗3h后生物濾柱對濁度、BOD、COD的去除率就恢復到正常水平，這可能是因為生物膜本身獨特的結構對流體產生的剪切力具有一定的緩沖作用，能夠使生物填料表面即使在反沖洗后依然保持著一薄層、結構緊密的生物膜，它具有較高的傳輸效率，從而使濾柱能對水中污染物保持較高的去除率。

3　經濟分析

　　生物膜過濾工藝占地面積小，采用該工藝的污水回用廠只需在原二級處理的基礎上建設即可，且投資少、運行費用低(總成本僅為0.30～0.40元/m³)，其處理出水基本可滿足景觀水體的回用要求，非常適合在我國推廣使用。

4　結論?

　　①由于微生物的作用，生物濾柱的吸附、過濾作用得到了加強，同時它還有氧化作用，這使得生物濾柱的凈化效果較普通石英砂濾柱的大為改善。?
　　②溫度對生物濾柱的處理效果有一定的影響，夏季的凈化效果優于冬季。
　　③在一定的水力負荷下，COD的去除率與其進水濃度呈正向相關性。隨著水力負荷的 增加則生物濾柱出水的各項檢測指標值逐漸升高，去除率逐漸降低。由試驗知，冬季宜采用低水力負荷［3 m³/(m²·h)］運行，夏季水力負荷采用7 m³/(m²·h)比較適宜。
　　④反沖洗對生物濾柱處理效果的影響并不大，生物濾柱在反沖洗后很快便可恢復正常運行。
　　⑤生物膜過濾工藝的出水可回用于城市景觀水體，其可選擇在原有的二級污水處理廠后續建，從而大大節省了基建投資和運行費用，值得大力推廣。

參考文獻：

　　［1］張杰，張富國，王國瑛.提高城市污水再生水水質的研究［J］.中國給水排水,1997,13(3):1 9-21.
　　［2］Spath R,Flemming H C，Wuertz S.Sorption properties of biofilms［J］.Wat Sci Tech,1998,37(4-5):207-210.
　　［3］ Julian Wimpenny,Werner Manz,Ulrich Szewzyk.Heterogeneity in biofilms［J］.Fems Microbiology Reviews,2000,24:661-667.

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　　收稿日期：2002-05-27