A/O生物滤池处理高盐废水低温启动与影响分析

于鹏飞，周明俊，纪鑫奇，孙明，傅金祥，任鹏翔

A/O生物滤池处理高盐废水低温启动与影响分析

于鹏飞，周明俊，纪鑫奇，孙明，傅金祥，任鹏翔

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168）

针对海水的高盐浓度压舱水，采用阶段挂膜启动A/O生物滤池工艺处理。高盐环境下，考察了盐质量浓度为33 g/L左右时反应器的低温生物强化过程，不同运行条件（滤速、回流比、气水比）下反应器中有机物和氨氮的降解情况，探讨了滤池反冲洗对处理效果的影响。结果表明，滤池最佳回流比、气水比分别为3∶1，最经济滤速为1.5 m/h。反应器的COD、NH3-N及TN出水水质可满足国家一级A出水标准。

生物滤池；回流比；气水比；滤速

我国是世界上最缺水的国家之一〔1〕。近年，发达国家年海水冷却水用量超过1 000亿m3，我国海水年利用仅60多亿m3。有资料〔2〕表明，青岛电厂从1936年使用海水作为工业冷却水，已超70年历史，现临海企业（电力、化工、纺织等行业）年用海水超8亿t；天津市年用海水量达到18亿t；如秦皇岛热电、上海石化等临海企业用不同方法直接利用海水。日常生活中，海水可以作为冲厕水〔3-4〕替代淡水，如青岛、烟台、大连、天津等城市，但规模相对较小〔5〕。

高盐污水是一种较难处理的污水。通常含有油、放射性物质、重金属和有机物等多种杂质，还含有大量如氯离子、硫酸根离子、钠离子、钙离子等溶解性的无机盐杂质〔6〕。高盐污水主要来源：（1）采用海水代用工艺排放废水，即省略海水淡化处理将其直接应用于某一领域；（2）工业生产过程中被排放出的大量有机含盐废水；（3）化工原料的生产产生大量的含盐废水。

目前高盐污水处理技术包括物化技术和生物法。物化技术即通过物理与化学相结合的方法去除污水中的有机物及无机盐〔7〕。而生物法主要包括传统活性污泥法、接触氧化法、SBR、MBR、UASB、厌氧滤池等〔8-11〕。笔者通过A/O生物滤池处理高盐废水〔9〕，寻找最佳工艺参数，在高盐压舱水环境下取得较好的有机物及氨氮处理效果，达到经济与环境的双向统一。

1　材料与方法

1.1试验流程

采用A/O生物滤池工艺对高氯废水的处理进行研究，试验装置如图1所示。

图1　A/O生物滤池流程

由图1可见，污水首先经高位水箱，与好氧反应器的回流液混合，流入缺氧反应器（A段滤柱）。在缺氧反应器中，与滤料充分接触以后，再流入好氧反应器（O段滤柱）。在好氧反应器中，经曝气充氧，通过生物及过滤作用后，流出反应器。出水分为两部分：一部分回流至缺氧滤池，进行反硝化作用；另一部分直接排出反应器。水经缺氧/好氧反应器，构成了A/O生物滤池工艺。缺氧反应器采用上向流，好氧反应器采用下向流。定时对A段及O段反应器进行反冲洗，保证反应器持续高效稳定地运行。

1.2滤料基本参数

陶粒滤料用陶土煅烧而成，其表面坚硬，内部多微孔，比表面积大，孔隙率高。用于水处理具有截污能力强，过滤周期长，过滤水头损失小，反冲洗耗水量低等特点，是增加产水量、提高水质、节约能耗的一种新型滤料。试验陶粒滤料外观不规则、红褐色、多微孔，粒径为3～5mm，密度为2.3 g/cm2，孔隙率为43.2%。陶粒滤料化学成分如表1所示。

表1　陶粒滤料化学成分

1.3试验原水

以压舱海水为研究对象，主要污染指标：COD为（500±20）mg/L，TN为（50±5）mg/L，P为0.1mg/L，盐3.5%，油（4±1）mg/L。

1.4分析方法

COD：重铬酸钾法，为了消除Cl-的影响，试验中加入AgNO3使Cl-控制在500～1 000mg/L，加入0.4g HgSO4进行屏蔽，然后加热回流2h滴定；pH：直读式精密酸度计；MLSS：滤纸重量法；Cl-：硝酸银滴定法；SV%：100mL量筒沉降；TN：过硫酸钾氧化（紫外）；NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法；NO2-N：N-（1-萘基）-乙二胺光度法。

2　结果与分析

2.1A/O生物滤池低温强化启动研究

试验接种污泥为城市污水厂二沉池回流污泥，反应器内水温控制在12～18℃，采用阶段挂膜策略。第一阶段好氧启动：（1）加入MLSS为3 500～4 000 mg/L的活性污泥，以0.5m/h的低滤速连续向好氧柱注入原水至淹没滤料；（2）以20 L/h曝气，闷曝24h；（3）排出1/4静沉充分反应水，再注入原水至淹没滤料。每日重复进行上述3个步骤。第二阶段好氧与厌氧串联启动：（1）将厌氧滤柱与好氧滤柱串联运行，原水及好氧滤柱回流的污水混合进入厌氧滤柱，控制回流比为2∶1；（2）根据反硝化菌培养困难及硝化菌世代时间长的生理特性，进行厌氧微生物的培养和驯化以及好氧微生物的进一步培养。

第一阶段好氧滤柱经过10 d左右的时间，滤料表面观察到淡黄色且透明的生物膜。第二阶段，经过20 d左右，可观察到厌氧滤柱滤料表面出现深黑色生物膜，好氧滤柱滤料表面的淡黄色生物膜转变成黄色，镜检发现较多的鞭毛虫、丝状菌及少量的钟虫，COD去除率达到85%左右，NH3-N去除率达到60%左右，TN去除率达到40%左右。厌氧滤柱和好氧滤柱内微生物的培养和驯化基本成功，挂膜基本完成。

2.2挂膜启动阶段滤池中COD、NH3-N、TN变化情况

挂膜启动阶段滤池中COD、NH3-N、TN变化情况如图2所示。

由图2（a）可见，滤池挂膜期间前10 d，出水COD很不稳定，第10天起，厌氧段COD去除率及系统总去除率都随着时间的推移而稳步提升。在进水COD为500mg/L左右时，随着反应器的持续运行，系统COD去除率也稳步提升，最终达到了85%以上。A/O生物滤池反应器中，COD降低主要来自两方面原因：一是进水与回流液混合对污水起到稀释作用降低了出水COD〔12〕；二是反应器中有相当一部分COD是以生物絮凝的形式被截留在滤料空隙中，好氧、厌氧滤柱上的生物膜对COD产生氧化作用而使之降解。

由图2（b）可见，随着反应器的运行，厌氧滤柱对NH3-N有一定去除效果但去除率较低，由第10天的18%缓慢上升到第30天的20%左右。分析原因，一是原水和回流液混合携带一定浓度的溶解氧进入厌氧滤柱，由硝化作用去除部分NH3-N，二是生物吸附和自身同化对NH3-N有一定去除效果，去除影响不大。最初阶段好氧滤柱对NH3-N去除率较低，在整个挂膜启动阶段，好氧滤柱内硝化菌的底物较充足，利于硝化菌的繁殖和保持较高活性，硝化速率较快，硝化降解起主导作用，NH3-N去除率逐渐提高，最终平均去除率达到64%，说明滤料上已经附着一定数量的氨化菌和硝化菌。

图2　挂膜启动阶段COD、NH3-N、TN变化曲线

由图2（c）可见，启动期前10天，仅好氧滤柱启动对TN去除有限，出水TN高，去除效果差。第10天起，厌氧滤柱与好氧滤柱串联启动，此时两套反应器中TN的出水逐渐良好，去除效果随着时间的推移逐渐上升。第10天时，进水TN为53.15mg/L，出水TN为46.05mg/L，TN去除率较低仅为13.36%，可能是滤料表面的截留及生物膜的吸附造成的。第30天时，进水TN为57.83mg/L，出水TN为34.02 mg/L，TN去除率达到41.18%。TN的去除主要由两方面贡献：一是滤料表面的截留及生物膜的吸附；二是好氧段硝化作用产生的硝酸盐和亚硝酸盐经回流进入厌氧滤柱，经反硝化菌作用转化为氮气而去除。反应器滤料附着硝化菌和反硝化菌生长成熟，TN去除效果较好，启动完成。

2.3工艺运行参数及影响因素分析

2.3.1回流比对A/O生物滤池运行效果的影响

在温度为19～23℃的条件下，进水COD、NH3-N、 TN分别为500、50、50mg/L左右，控制滤速为1m/h，气水比为3∶1，分别调节回流比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，在反应器出水稳定后，考察回流比变化对反应器稳定运行10 d过程中COD、NH3-N、TN的影响，结果如表2所示。

表2　回流比变化对反应器运行过程中COD、NH3-N、TN的影响

由表2可见，回流比对COD去除效果影响较小。随着回流比的不断增加，出水COD呈先下降后上升的趋势，回流比为3∶1时达到最小值。当回流比从1∶1增加到3∶1时，COD的去除率缓慢增加，系统有效缓冲了进水COD浓度的剧烈波动；同时，水力负荷增加，致剪切力增加，使气水分布均匀，使微生物代谢加快，生物膜更新保持较高的活性和传质能力，去除效果增强；此外，回流到缺氧滤柱的硝酸盐和亚硝酸盐有所提高，由于反硝化菌反硝化过程需要更多的有机物，从而提高了COD去除效果。当回流比增加到4∶1时，滤柱的水力负荷增加，提高了滤层间水流速度和剪切力，使滤料的截留和吸附作用下降，导致部分有机物未分解就随出水流出；部分未老化的生物膜脱落，载体上生物量减少，削弱了异养菌的生物降解能力〔12〕，COD的处理效率降低。

随着回流比的不断增加，出水NH3-N呈先下降后上升的趋势，在回流比为3∶1时达到最小值。生物滤池对NH3-N有较强的去除能力。首先，回流比的增加客观上使进水浓度得到一定程度的稀释，这样可以起到缓冲作用，增强了系统抗冲击负荷能力；其次，反硝化菌充分降解硝酸盐和亚硝酸盐的同时也消耗部分COD，这样客观上也降低了好氧滤柱内的有机负荷，而此时NH3-N含量相对较高，处于优势的硝化菌促进了NH3-N的去除；此外，由于回流比增加会提高水力负荷，这使滤柱内的基质和生物量分布更加均匀，滤料的轻微膨胀得到强化，传质过程更加容易，硝化性能提高。当回流比继续增加，回流液携带了较多的溶解氧，抑制了缺氧滤柱的反硝化作用，相应的反硝化菌生长受到抑制；同时，气水流动增强使好氧柱内部分硝化菌从载体生物膜上脱落，从而NH3-N的去除率下降。

当回流比从2∶1升到3∶1时，系统对TN的去除率从70.72%增加到79.96%，但回流比增加至4∶1时，系统对TN的去除率降为72.57%。研究表明：反硝化滤柱内硝酸盐出水浓度随回流比增加呈现一定规律，当回流比小于临界值时，硝酸盐的去除率增加；回流比大于临界值时，增加回流量对硝酸盐的去除无影响；由于回流液携带溶解氧，继续增加回流比，会导致缺氧区的溶解氧增加，破坏了缺氧环境，反硝化受到限制，降低了脱氮效果；另外，回流比的增加会强化水流剪切力对生物膜的冲刷，不利于反硝化菌的生长繁殖以及对NO3－-N的去除。因此合适的回流比对好氧氨氧化菌和硝化菌和反硝化菌的生长及工艺的脱氮有重要作用。

2.3.2气水比对A/O生物滤池运行效果的影响

气水比是曝气生物滤池运行的重要影响因素。在温度为20～25℃，进水COD、NH3-N、TN分别为500、50、50mg/L左右，滤速为1m/h，回流比为3∶1条件下，调节气水比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1。待反应器出水稳定后，测定进出水的COD、NH3-N和TN。研究气水比变化对A/O生物滤池运行状况的影响，结果如表3所示。

表3　气水比变化对反应器运行过程中COD、NH3-N、TN的影响

由表3可见，随着气水比的不断增加，出水COD呈先下降后上升的趋势，平均去除率呈现先上升后下降的趋势。在气水比为3∶1时对COD的去除效果最好。分析原因，一方面通过增加气水比可提高反应器内溶解氧，但溶解氧存在饱和限度，超过溶解氧饱和限度之后，继续提高气水比，对有机物降解作用的影响减弱；另一方面增大气水比，气、水流对滤料表面的冲刷和剪切作用增强，滤料表面的生物膜和截留的悬浮物容易脱落随出水流出，导致出水COD增大。所以，适当提高气水比能改善COD的去除效果。

随着气水比的不断增加，反应器出水NH3-N呈先下降后上升的趋势，在气水比为3∶1时达到最小值，平均去除率呈现先上升后下降的趋势。较小的气水比使混合液中的溶解氧浓度降低，生物膜好氧层减小，硝化细菌不能获得充足的氧进行硝化反应，NH3-N的去除率较低；增大气水比以提高混合液中的溶解氧浓度，生物膜好氧层加大，内侧溶解氧浓度提高，硝化菌的生长速率和硝化反应速率增大，同时，硝化菌的生物膜致密，抗冲刷能力强，水气流冲刷作用增大了基质和溶解氧的传质效率〔13〕，提高了硝化菌的活性，使NH3-N的去除率逐渐增大。

出水TN呈先下降后上升的趋势，在气水比为3∶1时达到最小值，TN的平均去除率呈现先上升后下降的趋势。由于气水比直接影响滤池内的好氧及厌氧环境，导致生物膜以及基质去除规律不同，因此，气水比对TN在好氧段硝化与厌氧段反硝化的去除影响很大。在气水比为3∶1时，TN的去除率最大，去除效果最好。

2.3.3滤速对A/O生物滤池运行效果的影响

滤速是影响A/O生物滤池运行效果的重要指标，在温度为20～25℃，回流比为3∶1，气水比为3∶1的条件下，进水COD、NH3-N、TN分别为500、50、50 mg/L左右，控制不同滤速，当反应器出水稳定后，考察生物滤池对有机物的去除和脱氮效果，找出最经济可行的滤速值，结果如表4所示。

表4　滤速变化对反应器运行过程中COD、NH3-N、TN的影响

由表4可见，随着滤池滤速的不断提高，反应器中平均去除率逐渐缓慢降低，出水水质逐渐变差。滤速为0.5m/h时，COD平均去除率最大，为98.02%；滤速为4m/h时，COD平均去除率最小，为70.20%。据分析：一是配制的原水中有机物的浓度比较稳定，增大滤速，即提高水力负荷时，有机物负荷增加，使反应器对原水的处理效率受到影响；二是滤速的增大使滤层间的过流速度变大致使水力剪切力增加，生物膜更易洗脱，出水COD有一定程度的增加。滤速在2.0m/h以下时，出水COD均在50mg/L以下，满足国家一级A出水水质标准，因此滤速应维持在2.0m/h以下。

随着滤速的不断增加，反应器中NH3-N的平均去除率逐渐降低，相应的出水水质逐渐变差。滤速为0.5m/h时，NH3-N平均去除率最大，为98.09%；滤速为4m/h时，NH3-N平均去除率最小，为40.48%。滤速为0.5～1.5m/h时，随着滤速的上升，NH3-N的平均去除率下降的比较缓慢，而当滤速为2.0～4.0 m/h时，NH3-N的平均去除率则随着滤速的增加迅速降低，说明水力负荷对NH3-N的去除影响更为显著，降低滤速可以显著地提高反应器的硝化脱氮效能，滤速在1.5m/h以下时，出水NH3-N均在5mg/L以下，满足国家一级A出水水质标准，滤速应维持在1.5m/h以下。

随着反应器滤速的不断上升，TN的平均去除率逐渐降低，滤速为0.5m/h时，TN平均去除率最大，为88.31%，说明反应器内的氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌等微生物的种类和数量相对稳定，生态结构在生物膜内部组成和沿水流方向的空间分布上保持着稳定的动态平衡；滤速为4m/h时，TN平均去除率最小，为18.47%。随着滤速不断增加，剪切强度上升，生物膜更新加快，使膜厚度减小，降低了硝化和脱氮能力，对TN的去除效果明显变差，说明滤速对TN的影响显著。滤速在1.5m/h以下时，出水TN均在15mg/L以下，满足国家一级A出水水质标准，由于TN出水指标的制约，滤速应维持在1.5m/h以下。

3　结论

（1）反应器温度控制在12～18℃，氯离子控制在20 000mg/L，进水COD 500mg/L左右，NH3-N、TN均为50mg/L左右时，采用阶段式挂膜的启动策略能较快地完成A/O生物滤池的启动。利用生物强化的方式在低温条件下对A/O生物滤池进行恢复是可行的，可以在较短的时间内实现硝化菌和反硝化菌的增殖，使NH3-N和TN去除效果得到较大提高。

（2）随着回流比的增大，A/O生物滤池反应器对COD、NH3-N及TN的去除率则呈先上升后下降的趋势，均在回流比为3∶1时达到最大值，此时三者的出水分别为30.95、4.04、10.39mg/L，均满足国家一级A出水水质标准。综合考虑，采用3∶1的回流比。

（3）气水比由1∶1到4∶1过程中，A/O生物滤池对COD、NH3-N、TN的去除效果均呈先上升后下降的趋势，在气水比3∶1的条件下达到最大值，此时的出水分别为11.10、2.10、9.19mg/L，均满足国家一级A出水水质标准。所以3∶1的气水比为最佳。

（4）随着滤速的逐渐增加，A/O生物滤池对COD、NH3-N及TN的去除都呈下降趋势。COD去除受滤速影响较小，滤速在2.0m/h以下时，出水均维持在50mg/L以下。TN受滤速影响最大，在1.5m/h条件下出水为14.28mg/L，在4.0m/h条件下则达41.62mg/L。当水温为20～25℃条件下，滤速在1.5 m/h以下时，反应器的COD、NH3-N及TN出水水质即可满足国家一级A出水标准，1.5m/h为最经济滤速。

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Low tem perature starting and influence analysis ofA/O biochem ical filter for the treatmentofhigh-salinity wastewater

Yu Pengfei，Zhou Mingjun，JiXinqi，Sun Ming，Fu Jinxiang，Ren Pengxiang
（SchoolofMunicipaland EnvironmentalEngineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang110168，China）

Aimingat theballastwaterwith high chlorine ions in seawater，the stagedmembrane formation technology hasbeen used for starting up the treatment process of A/O biological filter，In an environmentwith high salinity，the low temperature biological enhancement process of the reactor，when the salt content isabout33 g/L，and the degradation situations of organic substances and ammonia-nitrogen in the reactor，under different operation conditions（filtering speed，reflux ratio，and gaswater ratio）are investigated，The influences of filter backwashing on the treatment effect are discussed.The results show that the best reflux ratio and gaswater ratio are 3∶1，respectively，the mosteconomical filter speed is1.5m/h.The effluentwater quality of the reactor COD，NH3-N，and TN canmeet the requirements for thenational first level A effluentstandard.

biological filter；reflux ratio；gaswater ratio；filtration speed

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0080-05

于鹏飞（1985—），硕士，讲师。E-mail：361630565@qq. com。

2016-06-21（修改稿）

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07202-011）