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生物陶粒与火山岩滤料的性能对比研究

一、试验所用滤料的物理化学性能

粉煤灰生物陶粒与火山岩滤料的主要化学成分基本为SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等，不含对人体有害的金属及其他有害物质。用于对比试验的火山岩滤料取自大连马栏河污水处理厂，两种滤料的实物见图3-8、图3-9，物理、化学性能见表。

二、试验条件与方法

该试验采用有机玻璃制作两套吸气生物滤柱，单个滤柱尺寸为直径300mm，总高3.8m，两滤柱中分别填装粉煤灰生物陶粒与火山岩滤料，滤料填装高度均为2.5m，填装容积为177L。沿滤柱高每隔50cm设置一取样孔，试验采用气水同向、上向流运行(即
底部进水、顶部出水)。滤柱采用专用长柄滤头布水，空气由空压机供给，通过单孔膜空气扩散器给滤柱供氧，供氧量大小由出水的溶解氧来控制。水量、气量通过阀门调节，以达到平行试验的目的。运行过程中，由于生物膜的积类，出水水质变差，出水SS和水头损失增加，必须要进行反冲洗。反冲洗程序分为气洗、气水联合洗、清水漂洗三个阶段，每阶段持续时间均为5min。先采用气洗、气-水联合反冲洗造成紊流，滤料颗粒通过碰撞摩擦，使生物膜脱落，最后再用清水漂洗，至出水清澈时结束。
本试验污水取自小试生活污水检查井。由泵提升到高位水箱，然后从曝气生物滤柱底部流入，并通过安装在承托滤板上的专用长柄滤头将污水均匀分布在整个滤柱的截面上。处理后的出水经转子流量计计量后流入清水池。空气经转子流量计计量后从底部进入曝气生物滤柱，通过单孔膜空气扩散器均匀分配于整个截面，并向上流动。反冲洗水利用清水池内处理水由泵加压后供给，反冲洗排水排入地沟。试验工艺流程如图3-10所示，试验装置如图3-11所示。

三、试验装置及设备参数

试验装置尺寸及设备参数见表。

四、生物滤柱的启动

生物滤柱的启动主要指微生物挂膜，本试验采用自然挂膜法，连续进水、供氧培养方式。在微生物培养过程中，流量由最初的30L/h(水力负荷为0.95m/h)逐渐加大至120L/h(水力负荷为3.80m/h)。经过7d左右培养，滤料表面和间隙处可明显看到污泥絮体，镜检发现污泥絮体内含有大量的新鲜菌胶团，累枝虫、钟虫、线虫、轮虫等微型动物，出水清澈。通过理化指标的分析，出水的COD<60mg/L，COD去除率达到70%以上，这样整个系统的微生物培养过程结束，进入试验阶段。试验共进行了3个月，整个运行分为脱碳试验阶段和硝化试验阶段。

五、对比试验结果

1. 挂膜性能对比试验
   取火山岩滩料和粉煤灰生物陶粒分别置于1#、2#滤柱中(装设高度间为2.5m)，两滤柱并联运行，进水流量、曝气强度等培养条件一致，采用生活污水直接启动，通过配水控制进水COD在120-150mg/L之间，以出水COD值稳定在60mg/L以下为成功启动控制指标，结果是：火山岩滤料所用时间为14d，粉煤灰生物陶粒所用时间为7d。
   
2. 胶碳对比试验
   (1)脱碳试验；主要是以去除污水中的有机物为标准，以COD为检测指标。试验期间，在不同的水力负荷下。出水COD及其去除率基本保持稳定，运行结果如表。

   CODcr对比试验运行结果

   序号	原水/(mg/L)	火山岩陶粒滤柱出水/(mg/L)	去除率/%	粉煤灰滤料滤柱出水/(mg/L)	去除率/%	容积负荷/[kgCOD/(m3·d)]	水力负荷/(m/h)
   1	133	59	55.6	42	68.4	1.87	2.55
   2	161	54	66.5	37	77.0	2.27	2.55
   3	193	62	67.9	50	74.1	2.72	2.55
   4	273	71	74.0	40	85.3	3.84	2.55
   5	113	45	60.1	25	77.9	2.38	3.83
   6	138	57	58.7	34	75.4	2.91	3.83
   7	170	61	64.1	55	67.6	3.59	3.83
   8	226	65	71.2	31	86.3	4.77	3.83
   9	257	67	73.9	52	79.8	5.42	3.83
   10	116	51	56.0	32	72.4	3.26	5.10
   11	160	89	44.4	61	61.9	4.50	5.10
   12	191	95	50.3	77	59.5	5.37	5.10
   13	234	102	56.4	85	63.7	6.58	5.10
   平均	182	67.54	61.47	47.77	73.02	3.81	3.83

   在试验阶段，进水的COD和容积负荷发生很大的变化，但粉煤灰陶粒滤柱出水的COD基本都小于60mg/L，平均出水浓度为47.77mg/L，远远小于国家《污水综合排放标准》一级标准规定的60mg/L；而火山岩滤柱出水的COD基本都大于60mg/L，平均出水浓度为67.54mg/L，大于国家《污水综合排放标准》一级标准规定的60mg/L。试验运行结果表明，曝气生物滤池去除COD能力强、去除率高、抗冲击负荷能力强、处理效果稳定，采用粉煤灰陶粒滤柱对COD的去除率明显高于火山岩滤柱。
   (2)滤柱中COD的降解位置；本试验旨在考察滤床合理的高度，对于以降解有机污染物为目的的反应器而言，其主要的控制指标为COD与BOD，通过对滤柱不同位置处的取样口进行理化指标分析，就可以得出曝气生物滤池降解有机污染物的主要反应区域。每个滤柱从下到上设有3个取样口(每隔50cm设一个，最下端取样口距滤板50cm)，火山岩滤料滤柱取样口的编号为1#-1、1#-2、1#-3，粉煤灰陶粒滤柱取样口的编号为2#-1、2#-2、2#-3，在流量为120L/h条件下，各取样口的COD数据见表。

   滤柱不同取样口COD/(mg/L)

   原水	1#-1	1#-2	1#-3	2#-1	2#-2	2#-3
   264	193	131	72	153	96	50
   230	165	117	71	141	93	45
   135	85	73	59	92	83	67
   182	98	70	61	83	52	24

   从表中可以看出：在曝气生物滤池中COD的去除与陶粒的高度成正比，滤床不同深度处的有机物浓度不同，自下而上递减，而且各层滤床的有机物去除率不同，有机物的去除率沿滤床深度方向依次降低。通过分析，在进水到1#-1、2#-1口的去除主要是截留和吸附大颗粒有机物。在1#-1和1#-3之间与2#-1和2#-3之间生长着大量活性强的细菌，吸附并降解大量的溶解性有机物。若停留时间过短，溶解性有机物来不及代谢，穿透滤层，随出水流出，导致出水COD偏高。不管是粉煤灰陶粒滤柱还是火山岩滤料滤柱，其在曝气生物滤池中有机物的降解主要是在下层2m左右，2m以上部分起过滤作用，保证出水效果。如有机负荷过高，则会出现降解层上移，影响最终出水效果。对于生活污水，若以去除有机污染物为目的，采用一级滤池，在水力及容积负荷合适的情况下，滤料高度设为3m，其出水完全可以达到要求(COD<60mg/L)。
   曝气生物滤池属于一种高效生物反应器，其对污染物的降解速率快，停留时间相对较短。在工程应用中体现在反应器所需体积较小，这样一方面可以减少占地，同时可以降低造价。对生物反应器而言，对污染物的降解速率与许多因素(如温度、微生物量与活性、溶解氧、污水性质等有关。值得一提的是，曝气生物滤池反应器属于柱状推流的水力流态，各层之间的浓度梯度大是反应器高效的一个重要原因。
   
3. 反冲洗后恢复期的对比试验
   由于曝气生物滤池反冲洗目的是脱除滤料间截留的SS和冲刷掉老化的生物膜，保持滤池内微生物的活性和恢复滤料的截污量，重新开始一个新的工作周期，所以滤料反冲洗效果的好坏是滤池工艺运行过程中重要的因素，好的滤料反冲洗容易进行，且微生物作用恢复较快，表现在反冲洗后各项指标的恢复时间上，为此时两种滤料反冲洗后出水的COD连续监测，结果见表。

   滤料的恢复期数据(COD)/(mg/L)

   恢复时间	火山岩滤料	生物陶粒滤料	恢复时间	火山岩滤料	生物陶粒滤料
   原水	206	206	1.5h	84	78
   0.5h	150	145	2.0h	68	43
   1.0h	102	85	2.5h	56	41

   从表中可以看出，滤池反冲洗后，为达到污水一级排放标准，粉煤灰生物陶粒的恢复期小于2.0h，火山岩滤料的恢复期超过2.5h。

六、分析与结论

粉煤灰生物陶粒与火山岩滤料均符合曝气生物滤池的工艺要求，相比而言，粉煤灰生物陶粒的性能较火山岩滤料优异。在同等试验条件下，粉煤灰生物陶粒滤柱出水水质较火山岩滤料滤柱好，同时在曝气生物滤池运行初期挂膜和反冲洗后恢复期方面优势明显。

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