饮用水的生物处理是目前饮用水处理界的一个研究热点 [1,2]。向水中提供充足的溶解氧 (DO) 是饮用水生物处理保持良好运行效果的重要因素, 实际运行中如果DO不足, 好氧微生物的生命活动受到抑制, 最终会造成处理效果的下降。另外水厂的滤池中也存在好氧微生物的活动, 而由于进水DO不足, 往往造成滤池出水中的NO-2-N含量升高, 成为困扰国内很多水厂的一个问题 [3]。

近十几年来废水生物处理领域发展起来一种被称为无泡曝气 (bubbleless aeration, 也称为无泡供氧 (bubbleless oxygenation) 的新供氧方式 [4,5,6], 能够得到近于100%的氧利用率, 因此该技术在饮用水生物处理领域的应用开发不应该被忽视。

采用了国内常用的陶粒滤池生物处理技术, 通过纯氧预曝气把其进水DO提高到20～30 mg/L的超饱和水平, 研究了进水DO提高对饮用水生物处理装置运行效果的改善作用, 说明开发适用于饮用水生物处理过程的无泡供氧装置具有现实意义。

《1 试验装置与方法》

1 试验装置与方法

《1.12套相同的生物预处理反应器试验装置》

1.12套相同的生物预处理反应器试验装置

试验装置为小试规模的生物陶粒反应器 (见图1) , 柱体总高度1.5 m, 内载体填充高度为0.8 m。试验采用下向流方式, 由于滤层较薄, 采用4 m/h的较低滤速。两个相同的反应器, 分别采用不同的供氧方法, 反应器A采用传统曝气方法, 底部提供曝气, 由于原水污染较重, 采用1∶1的高气水比;反应器B不进行曝气, 而是在原水进入反应器B前, 先用纯氧对原水进行预曝气, 使原水的DO达到20 mg/L左右的超饱和状态, 以满足其中微生物去除水中污染物时对DO的需求。

《图1》

图1试验装置示意图

图1试验装置示意图  

Fig.1 Schematic diagram of the two bio-reactors for testing

《1.2水质分析项目与测定方法》

1.2水质分析项目与测定方法

测定的主要水质项目为CODMn, NH+4-N, NO-2-N, DO以及浊度等。CODMn, NH+4-N, NO-2-N按国家标准分析方法进行测定, 浊度的测定使用HACH公司的2100P型浊度计, DO的测定使用德国WTW公司的Oxi340i型溶氧仪。

《2 试验结果与分析》

2 试验结果与分析

试验所用原水CODMn在6～12 mg/L之间, NH+4-N在2～4 mg/L之间, 属于污染较严重的原水, 另外浊度在3～9 NTU之间。根据原水水质和文献[2]对陶粒滤池的研究结果, 可以计算出对该试验原水进行生物处理时所需的氧气消耗量约为10～20 mg/L。

《2.12反应器进水和出水中的DO变化情况》

2.12反应器进水和出水中的DO变化情况

在两种不同供氧方式向微生物提供足够DO的情况下, 对比2反应器生物处理过程的实际运行效果, 图2为试验过程中反应器A和B进水和出水的DO变化情况。

《图2》

图22反应器进水和出水的DO

图22反应器进水和出水的DO  

Fig.2 DO in the influent and effluent of the two bio-reactors

由图2可见, 反应器B进水的DO在18.0～27.0 mg/L之间, 出水DO在4.5～9.0 mg/L之间, 仍然处于较高的水平。反应器A的进水DO含量很低, 基本不超过2.0 mg/L, 这说明原水的水质较差, 水体接近于厌氧状态, 由于采用了1∶1的高气水比进行曝气, 出水DO有所提高, 基本在3.5～4.0 mg/L之间。这一组测定数据表明, 两种不同的供氧方式都不存在明显的供氧不足问题, 可以满足反应器中微生物在降解水中污染物对DO的需求, 从而满足了对比试验所需的基本条件。

《2.22反应器对进水CODMn的去除情况》

2.22反应器对进水CODMn的去除情况

试验表明, 反应器B对原水CODMn的去除效果要优于反应器A。结果见图3。

《图3》

图32反应器对CODMn的去除

图32反应器对CODMn的去除  

Fig.3 Removal of CODMn in the two bio-reactors

由图3可见, 反应器B出水CODMn一直低于反应器A出水的CODMn。反应器A中CODMn去除率在4.4%～16.3%之间, 平均去除率为9.3%, 反应器B中CODMn的去除率在7.3%～24.0%之间, 平均去除率为13.6%。这表明反应器B生物膜中异养菌的活性高于反应器A生物膜中的异养菌。

《2.32反应器对进水NH+4-N和NO-2-N的去除情况》

2.32反应器对进水NH+4-N和NO-2-N的去除情况

图4为试验过程中反应器A和B对进水NH+4-N的去除情况。

《图4》

图42反应器对NH+4-N的去除

图42反应器对NH+4-N的去除  

Fig.4 Removal of NH+4-N in the two bio-reactors

由图4可见, 反应器B出水的NH+4-N低于反应器A, 反应器A中NH+4-N的去除率在70.7%～83.0%之间, 平均去除率为78.7%;反应器B中NH+4-N的去除率在73.8%～90.9%之间, 平均去除率为84.7%。表明反应器B中硝化菌的活性高于反应器A。

由于NH+4-N转化为NO-3-N的过程中NO-2-N为中间产物, 因此生物处理过程去除的NO-2-N包括由原水中NH+4-N转化来的NO-2-N和进水中已经存在的NO-2-N。如果能够提供的DO不足, 在好氧生物处理过程中会产生NO-2-N积累现象 [7], 导致出水NO-2-N高于进水。由于2反应器不存在明显的供氧不足的问题, 试验中没有出现NO-2-N积累现象。不同之处主要表现在2反应器出水NO-2-N含量的差异 (见图5) 。

《图5》

图52反应器出水NO-2-N含量

图52反应器出水NO-2-N含量  

Fig.5 NO-2-N in effluent of the two bio-reactors

由图5可见, 试验过程中反应器B出水的NO-2-N低于反应器A, 反应器B出水NO-2-N在20 μg/L以下, 反应器A出水的NO-2-N则在16～130 μg/L之间。结果表明, 反应器A中NO-2-N的去除率在15.5%～97.6%之间, 平均去除率为68.8%, 反应器B中NO-2-N的去除率约73.8%～90.9%, 平均去除率为89.2%。

《2.42反应器对进水浊度的去除情况》

2.42反应器对进水浊度的去除情况

由图6可见, 试验过程中反应器B出水浊度低于反应器A。各次测定结果表明, 反应器B中浊度的去除率高于反应器A, 反应器A中浊度的去除率在4.9%～51.4%之间, 平均去除率为29.0%, 而反应器B中浊度的去除率在39.1%～59.2%之间, 平均去除率为49.7%。生物滤池对于浊度的去除源于滤层的截留和微生物的生物絮凝两方面的作用 [8]。由于反应器B中不存在气泡引起的扰动作用, 水力剪切作用自然小于反应器A, 有利于滤料对水中悬浮物的吸附截留。另外由于水中DO充足, 反应器B滤层中微生物的活性也会高于反应器A, 有利于生物絮凝作用的发挥, 因此反应器B对浊度的去除效果好于反应器A。

《图6》

图62反应器出水浊度

图62反应器出水浊度  

Fig.6 Turbidity of effluent of the two bio-reactors

《2.5讨论》

2.5讨论

在本试验中预先把进水DO提高到可以满足微生物需求的程度, 取消了处理装置内部的曝气过程。结果表明, 该方法不但可以向微生物提供足够的DO, 而且提高了反应器中微生物的活性, 使生物处理的效果优于采用传统曝气方法的生物处理装置。该试验结果从生物处理装置运行效果的角度, 说明了预先充氧的供氧方式用于饮用水生物处理供氧过程的可行性。

除生物预处理工艺以外, 可以由普通快滤池直接改造而成的生物活性滤池, 也是当前引起颇多关注的一项饮用水生物处理技术 [1]。由于该工艺过程既要利用微生物作用去除水中可生物降解去除的污染物, 又要保证水中浊度的有效去除, 因此该过程需要消耗一定的DO, 同时又要尽量避免水流的扰动。因此由该试验结果可以推断, 如果把生物活性滤池进水的DO适当提高, 不但有利于生物活性滤池中的微生物发挥作用, 而且可以提高浊度的去除效果。另外, 对于水厂的普通滤池, 如果适当提高进水DO, 也可以消除由于滤池中不完全的生物硝化作用而引起的出水NO-2-N含量升高的现象。

由于本试验主要研究进水DO提高后对生物处理效果的影响, 因此只是采取了简单化的普通曝气预充氧方式把进水DO提高到足够的浓度。实际应用中则需要选择一种经济高效的预充氧方法。纯氧无泡曝气技术具有设备体积小、能耗低、曝气效率高、氧气利用率可以达到近100%的优点, 目前在废水生物处理领域已经有较多的应用研究报道。因此, 可以考虑把这一新兴的技术引入饮用水的生物处理领域, 作为饮用水生物处理过程的供氧方法。由于无泡供氧技术在废水处理领域多同活性污泥法相结合, 而饮用水生物处理多采用生物过滤的形式 [5], 而且相对于废水而言, 饮用水及其原水中污染物的含量要低得多, 生物处理过程所需提供的DO比废水生物处理过程少得多, 因此, 饮用水生物处理的无泡供氧装置所采用的膜材料及运行方式与废水不同, 研究开发适用于饮用水生物处理过程的无泡供氧装置值得引起人们的关注。

《3 结论与建议》

3 结论与建议

研究了通过预曝气增加进水DO, 取消在饮用水处理装置内部的曝气后, 生物处理装置的实际运行效果。结果表明, 原水预先充氧使DO达到超饱和状态后进行生物处理, 原水中的DO可以满足生物处理过程微生物的需求, CODMn, NH+4-N, NO-2-N及浊度等各项污染物的去除效果均优于采用传统曝气方法供氧的生物处理装置。从生物处理装置运行效果的角度说明了这种预先充氧的供氧方式用于饮用水生物处理供氧的可行性。

建议把废水生物处理领域的无泡供氧技术引入饮用水生物处理领域, 并进行相关的研究, 开发出适用于饮用水生物处理过程的无泡供氧装置。